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Campo magnético creado por corrientes
Problema
2024 · Extraordinaria · Titular
B3
Examen

Dos hilos indefinidos paralelos al eje zz llevan intensidades iguales I1=I2=2 AI_1 = I_2 = 2 \text{ A} y cortan el plano xyxy en los puntos (0,0) m(0, 0) \text{ m} y (4,0) m(4, 0) \text{ m}, respectivamente. Si el primer hilo, el que pasa por el origen, lleva su intensidad en el sentido positivo del eje zz y el segundo en sentido negativo, determine el campo magnético en los puntos:

a) A(0,3) mA (0, 3) \text{ m}.b) B(2,3) mB (2, 3) \text{ m}.

Dato: Permeabilidad magnética del vacío, μ0=4π⋅10−7 T⋅m/A\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} / \text{A}.

MagnetismoHilos paralelosLey de Biot-Savart

El campo magnético B⃗\vec{B} generado por un hilo conductor rectilíneo e indefinido que transporta una corriente II a una distancia rr viene dado por la Ley de Ampère:

B=μ0I2πrB = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}

La dirección y sentido del campo magnético se determinan mediante la regla de la mano derecha. Para un hilo paralelo al eje zz con corriente en el sentido +z+z, el campo gira en sentido antihorario. Para corriente en el sentido −z-z, el campo gira en sentido horario.Consideremos los hilos:Hilo 1: Pasa por (0,0)(0,0) m, con corriente I1=2 AI_1 = 2 \text{ A} en sentido +z+z.Hilo 2: Pasa por (4,0)(4,0) m, con corriente I2=2 AI_2 = 2 \text{ A} en sentido −z-z.La permeabilidad magnética del vacío es μ0=4π⋅10−7 T⋅m/A\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} / \text{A}.El campo magnético total en un punto será la suma vectorial de los campos generados por cada hilo: B⃗total=B⃗1+B⃗2\vec{B}_{total} = \vec{B}_1 + \vec{B}_2.

a) Campo magnético en el punto A(0,3) mA (0, 3) \text{ m}.

Para el hilo 1 (en (0,0)(0,0) m, I1I_1 en +z+z):La distancia del punto A(0,3)A(0,3) al hilo 1 es r1=(0−0)2+(3−0)2=3 mr_1 = \sqrt{(0-0)^2 + (3-0)^2} = 3 \text{ m}.La magnitud del campo B⃗1\vec{B}_1 es:

B1=μ0I12πr1=4π⋅10−7 T⋅m/A⋅2 A2π⋅3 m=4⋅10−73 TB_1 = \frac{\mu_0 I_1}{2\pi r_1} = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} / \text{A} \cdot 2 \text{ A}}{2\pi \cdot 3 \text{ m}} = \frac{4 \cdot 10^{-7}}{3} \text{ T}

Aplicando la regla de la mano derecha (corriente en +z+z), el campo en (0,3)(0,3) apunta en la dirección −x-x. Por lo tanto:

B⃗1=−43⋅10−7i^ T\vec{B}_1 = -\frac{4}{3} \cdot 10^{-7} \hat{i} \text{ T}

Para el hilo 2 (en (4,0)(4,0) m, I2I_2 en −z-z):La distancia del punto A(0,3)A(0,3) al hilo 2 es r2=(0−4)2+(3−0)2=16+9=25=5 mr_2 = \sqrt{(0-4)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{16+9} = \sqrt{25} = 5 \text{ m}.La magnitud del campo B⃗2\vec{B}_2 es:

B2=μ0I22πr2=4π⋅10−7 T⋅m/A⋅2 A2π⋅5 m=4⋅10−75 TB_2 = \frac{\mu_0 I_2}{2\pi r_2} = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} / \text{A} \cdot 2 \text{ A}}{2\pi \cdot 5 \text{ m}} = \frac{4 \cdot 10^{-7}}{5} \text{ T}

Aplicando la regla de la mano derecha (corriente en −z-z), el campo en (0,3)(0,3) tiene una componente en +x+x y otra en +y+y. El vector de posición relativa del hilo 2 al punto A es r⃗2A=(0−4)i^+(3−0)j^=−4i^+3j^\vec{r}_{2A} = (0-4)\hat{i} + (3-0)\hat{j} = -4\hat{i} + 3\hat{j}. Para una corriente en −z-z, el campo magnético está en la dirección perpendicular y en sentido horario. Un vector perpendicular a (−4,3)(-4,3) en sentido horario es (3,4)(3,4). Normalizando y multiplicando por la magnitud:

B⃗2=B2(35i^+45j^)=4⋅10−75(35i^+45j^)=(1225i^+1625j^)⋅10−7 T\vec{B}_2 = B_2 \left( \frac{3}{5}\hat{i} + \frac{4}{5}\hat{j} \right) = \frac{4 \cdot 10^{-7}}{5} \left( \frac{3}{5}\hat{i} + \frac{4}{5}\hat{j} \right) = \left( \frac{12}{25}\hat{i} + \frac{16}{25}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7} \text{ T}

El campo magnético total en el punto AA es la suma vectorial:

B⃗A=B⃗1+B⃗2=(−43i^)⋅10−7+(1225i^+1625j^)⋅10−7\vec{B}_A = \vec{B}_1 + \vec{B}_2 = \left( -\frac{4}{3}\hat{i} \right) \cdot 10^{-7} + \left( \frac{12}{25}\hat{i} + \frac{16}{25}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7}
B⃗A=(−43+1225)⋅10−7i^+1625⋅10−7j^\vec{B}_A = \left( -\frac{4}{3} + \frac{12}{25} \right) \cdot 10^{-7} \hat{i} + \frac{16}{25} \cdot 10^{-7} \hat{j}
B⃗A=(−10075+3675)⋅10−7i^+4875⋅10−7j^\vec{B}_A = \left( -\frac{100}{75} + \frac{36}{75} \right) \cdot 10^{-7} \hat{i} + \frac{48}{75} \cdot 10^{-7} \hat{j}
B⃗A=(−6475i^+4875j^)⋅10−7 T\vec{B}_A = \left( -\frac{64}{75}\hat{i} + \frac{48}{75}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7} \text{ T}
B⃗A≈(−0.853i^+0.640j^)⋅10−7 T\vec{B}_A \approx (-0.853\hat{i} + 0.640\hat{j}) \cdot 10^{-7} \text{ T}
b) Campo magnético en el punto B(2,3) mB (2, 3) \text{ m}.

Para el hilo 1 (en (0,0)(0,0) m, I1I_1 en +z+z):La distancia del punto B(2,3)B(2,3) al hilo 1 es r1=(2−0)2+(3−0)2=4+9=13 mr_1 = \sqrt{(2-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{4+9} = \sqrt{13} \text{ m}.La magnitud del campo B⃗1\vec{B}_1 es:

B1=μ0I12πr1=4π⋅10−7 T⋅m/A⋅2 A2π⋅13 m=4⋅10−713 TB_1 = \frac{\mu_0 I_1}{2\pi r_1} = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} / \text{A} \cdot 2 \text{ A}}{2\pi \cdot \sqrt{13} \text{ m}} = \frac{4 \cdot 10^{-7}}{\sqrt{13}} \text{ T}

El vector de posición relativa del hilo 1 al punto B es r⃗1B=(2−0)i^+(3−0)j^=2i^+3j^\vec{r}_{1B} = (2-0)\hat{i} + (3-0)\hat{j} = 2\hat{i} + 3\hat{j}. Para una corriente en +z+z, el campo magnético está en la dirección perpendicular y en sentido antihorario. Un vector perpendicular a (2,3)(2,3) en sentido antihorario es (−3,2)(-3,2). Normalizando y multiplicando por la magnitud:

B⃗1=B1(−313i^+213j^)=4⋅10−713(−313i^+213j^)=(−1213i^+813j^)⋅10−7 T\vec{B}_1 = B_1 \left( \frac{-3}{\sqrt{13}}\hat{i} + \frac{2}{\sqrt{13}}\hat{j} \right) = \frac{4 \cdot 10^{-7}}{\sqrt{13}} \left( \frac{-3}{\sqrt{13}}\hat{i} + \frac{2}{\sqrt{13}}\hat{j} \right) = \left( -\frac{12}{13}\hat{i} + \frac{8}{13}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7} \text{ T}

Para el hilo 2 (en (4,0)(4,0) m, I2I_2 en −z-z):La distancia del punto B(2,3)B(2,3) al hilo 2 es r2=(2−4)2+(3−0)2=(−2)2+32=4+9=13 mr_2 = \sqrt{(2-4)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{(-2)^2+3^2} = \sqrt{4+9} = \sqrt{13} \text{ m}.La magnitud del campo B⃗2\vec{B}_2 es:

B2=μ0I22πr2=4π⋅10−7 T⋅m/A⋅2 A2π⋅13 m=4⋅10−713 TB_2 = \frac{\mu_0 I_2}{2\pi r_2} = \frac{4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} / \text{A} \cdot 2 \text{ A}}{2\pi \cdot \sqrt{13} \text{ m}} = \frac{4 \cdot 10^{-7}}{\sqrt{13}} \text{ T}

El vector de posición relativa del hilo 2 al punto B es r⃗2B=(2−4)i^+(3−0)j^=−2i^+3j^\vec{r}_{2B} = (2-4)\hat{i} + (3-0)\hat{j} = -2\hat{i} + 3\hat{j}. Para una corriente en −z-z, el campo magnético está en la dirección perpendicular y en sentido horario. Un vector perpendicular a (−2,3)(-2,3) en sentido horario es (3,2)(3,2). Normalizando y multiplicando por la magnitud:

B⃗2=B2(313i^+213j^)=4⋅10−713(313i^+213j^)=(1213i^+813j^)⋅10−7 T\vec{B}_2 = B_2 \left( \frac{3}{\sqrt{13}}\hat{i} + \frac{2}{\sqrt{13}}\hat{j} \right) = \frac{4 \cdot 10^{-7}}{\sqrt{13}} \left( \frac{3}{\sqrt{13}}\hat{i} + \frac{2}{\sqrt{13}}\hat{j} \right) = \left( \frac{12}{13}\hat{i} + \frac{8}{13}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7} \text{ T}

El campo magnético total en el punto BB es la suma vectorial:

B⃗B=B⃗1+B⃗2=(−1213i^+813j^)⋅10−7+(1213i^+813j^)⋅10−7\vec{B}_B = \vec{B}_1 + \vec{B}_2 = \left( -\frac{12}{13}\hat{i} + \frac{8}{13}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7} + \left( \frac{12}{13}\hat{i} + \frac{8}{13}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7}
B⃗B=(−1213+1213)⋅10−7i^+(813+813)⋅10−7j^\vec{B}_B = \left( -\frac{12}{13} + \frac{12}{13} \right) \cdot 10^{-7} \hat{i} + \left( \frac{8}{13} + \frac{8}{13} \right) \cdot 10^{-7} \hat{j}
B⃗B=(0i^+1613j^)⋅10−7 T\vec{B}_B = \left( 0\hat{i} + \frac{16}{13}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7} \text{ T}
B⃗B=1613⋅10−7j^ T\vec{B}_B = \frac{16}{13} \cdot 10^{-7} \hat{j} \text{ T}
B⃗B≈1.231⋅10−7j^ T\vec{B}_B \approx 1.231 \cdot 10^{-7} \hat{j} \text{ T}