Dos hilos rectilíneos indefinidos, paralelos al eje y, están respectivamente situados en x=−0,1 m y x=0,1 m. El primero de ellos conduce una corriente de 10 A en el sentido positivo del eje y. Si un electrón viaja en línea recta con velocidad v=2⋅106j m/s a lo largo de x=0,4 m sin desviarse, calcule:
a) La intensidad de corriente en el segundo hilo, especificando su sentido.b) La fuerza que experimentaría un electrón que pasara por el origen de coordenadas con velocidad v=2⋅106j m/s.
Datos: Permeabilidad magnética del vacío, μ0=4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1; Valor absoluto de la carga del electrón, e=1,6⋅10−19 C.
hilos de corrientefuerza magnéticainducción magnética+1
a) La intensidad de corriente en el segundo hilo, especificando su sentido.
El campo magnético B producido por un hilo rectilíneo indefinido por el que circula una corriente I a una distancia r viene dado por la ley de Ampère:
B=2πrμ0I
La dirección del campo magnético se determina mediante la regla de la mano derecha. Para que el electrón se mueva en línea recta sin desviarse a lo largo de x=0,4 m, la fuerza magnética neta sobre él debe ser cero. Dado que la velocidad del electrón es v=2⋅106j m/s y los campos magnéticos generados por los hilos (paralelos al eje y) estarán en el plano xz, la fuerza de Lorentz F=q(v×B) no sería cero a menos que Btotal=0. Por lo tanto, el campo magnético total en x=0,4 m debe ser nulo.Primero, calculamos el campo magnético B1 generado por el primer hilo en x=0,4 m:El hilo 1 está en x1=−0,1 m y conduce una corriente I1=10 A en el sentido positivo del eje y (+j).La distancia desde el hilo 1 al punto x=0,4 m es r1=∣0,4 m−(−0,1 m)∣=0,5 m.Aplicando la regla de la mano derecha (pulgar en +j, punto de campo a la derecha del hilo), el campo magnético B1 apunta en el sentido negativo del eje z (−k).
Para que el campo total sea cero en x=0,4 m, el campo B2 generado por el segundo hilo debe ser igual y opuesto a B1:
B2=−B1=4⋅10−6k T
Esto significa que B2 debe apuntar en el sentido positivo del eje z (+k) en x=0,4 m.El hilo 2 está en x2=0,1 m. La distancia desde el hilo 2 al punto x=0,4 m es r2=∣0,4 m−0,1 m∣=0,3 m.El punto x=0,4 m se encuentra a la derecha del hilo 2. Para que el campo magnético apunte en el sentido positivo de z (+k) en un punto a su derecha, la corriente I2 debe circular en el sentido negativo del eje y (hacia abajo), aplicando la regla de la mano derecha.Ahora calculamos la magnitud de I2:
∣B2∣=2πr2μ0I2
4⋅10−6 T=2π⋅0,3 m4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1⋅I2
4⋅10−6 T=0,32⋅10−7⋅I2 T
I2=2⋅10−74⋅10−6⋅0,3 A=2⋅10−71,2⋅10−6 A=6 A
La intensidad de corriente en el segundo hilo es de 6 A en el sentido negativo del eje y.
b) La fuerza que experimentaría un electrón que pasara por el origen de coordenadas con velocidad v=2⋅106j m/s.
Primero, calculamos el campo magnético total Btotal en el origen de coordenadas (0,0,0).Campo magnético B1 en el origen debido al hilo 1 (I1=10 A en +j en x1=−0,1 m):La distancia es r1=∣0−(−0,1 m)∣=0,1 m.El origen está a la derecha del hilo 1. Con I1 en +j, B1 apunta en el sentido positivo del eje z (+k).
B1=2π⋅0,1 m4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1⋅10 Ak=(2⋅10−5 T)k
B1=2⋅10−5k T
Campo magnético B2 en el origen debido al hilo 2 (I2=6 A en −j en x2=0,1 m):La distancia es r2=∣0−0,1 m∣=0,1 m.El origen está a la izquierda del hilo 2. Con I2 en −j, B2 apunta en el sentido positivo del eje z (+k).
B2=2π⋅0,1 m4π⋅10−7 T⋅m⋅A−1⋅6 Ak=(1,2⋅10−5 T)k
B2=1,2⋅10−5k T
El campo magnético total en el origen es la suma vectorial de ambos campos:
Btotal=B1+B2=(2⋅10−5+1,2⋅10−5)k T
Btotal=3,2⋅10−5k T
La fuerza que experimenta un electrón (carga q=−e=−1,6⋅10−19 C) que se mueve con velocidad v en un campo magnético B viene dada por la fuerza de Lorentz:
F=q(v×Btotal)
F=(−1,6⋅10−19 C)[(2⋅106j m/s)×(3,2⋅10−5k T)]
F=(−1,6⋅10−19)(2⋅106⋅3,2⋅10−5)(j×k) N
Sabiendo que j×k=i:
F=(−1,6⋅10−19)(6,4⋅101)i N
F=(−1,6⋅64)⋅10−19i N
F=−102,4⋅10−19i N
F=−1,024⋅10−17i N
La fuerza que experimentaría el electrón es de 1,024⋅10−17 N en el sentido negativo del eje x.