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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=4π107 Tm/A\mu_0 = 4\pi \cdot 10^{-7} \text{ T} \cdot \text{m} / \text{A}.

MagnetismoHilos paralelosLey de Biot-Savart

El campo magnético B\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=4π107 Tm/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: Btotal=B1+B2\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=(00)2+(30)2=3 mr_1 = \sqrt{(0-0)^2 + (3-0)^2} = 3 \text{ m}.La magnitud del campo B1\vec{B}_1 es:

B1=μ0I12πr1=4π107 Tm/A2 A2π3 m=41073 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:

B1=43107i^ 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=(04)2+(30)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 B2\vec{B}_2 es:

B2=μ0I22πr2=4π107 Tm/A2 A2π5 m=41075 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 r2A=(04)i^+(30)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:

B2=B2(35i^+45j^)=41075(35i^+45j^)=(1225i^+1625j^)107 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:

BA=B1+B2=(43i^)107+(1225i^+1625j^)107\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}
BA=(43+1225)107i^+1625107j^\vec{B}_A = \left( -\frac{4}{3} + \frac{12}{25} \right) \cdot 10^{-7} \hat{i} + \frac{16}{25} \cdot 10^{-7} \hat{j}
BA=(10075+3675)107i^+4875107j^\vec{B}_A = \left( -\frac{100}{75} + \frac{36}{75} \right) \cdot 10^{-7} \hat{i} + \frac{48}{75} \cdot 10^{-7} \hat{j}
BA=(6475i^+4875j^)107 T\vec{B}_A = \left( -\frac{64}{75}\hat{i} + \frac{48}{75}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7} \text{ T}
BA(0.853i^+0.640j^)107 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=(20)2+(30)2=4+9=13 mr_1 = \sqrt{(2-0)^2 + (3-0)^2} = \sqrt{4+9} = \sqrt{13} \text{ m}.La magnitud del campo B1\vec{B}_1 es:

B1=μ0I12πr1=4π107 Tm/A2 A2π13 m=410713 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 r1B=(20)i^+(30)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:

B1=B1(313i^+213j^)=410713(313i^+213j^)=(1213i^+813j^)107 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=(24)2+(30)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 B2\vec{B}_2 es:

B2=μ0I22πr2=4π107 Tm/A2 A2π13 m=410713 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 r2B=(24)i^+(30)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:

B2=B2(313i^+213j^)=410713(313i^+213j^)=(1213i^+813j^)107 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:

BB=B1+B2=(1213i^+813j^)107+(1213i^+813j^)107\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}
BB=(1213+1213)107i^+(813+813)107j^\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}
BB=(0i^+1613j^)107 T\vec{B}_B = \left( 0\hat{i} + \frac{16}{13}\hat{j} \right) \cdot 10^{-7} \text{ T}
BB=1613107j^ T\vec{B}_B = \frac{16}{13} \cdot 10^{-7} \hat{j} \text{ T}
BB1.231107j^ T\vec{B}_B \approx 1.231 \cdot 10^{-7} \hat{j} \text{ T}