Solucions Física en context 1

Q1

Les catenàries són cables situats sobre les vies per a subministrar corrent elèctric als trens. Sobre un tram recte d'una via hi ha una catenària per la qual circula un corrent de 115 A. Des del punt de vista d'un observador situat al costat de la via el corrent circula cap a la dreta.

a) Dibuixeu les línies del camp magnètic al voltant de la catenària.

b) Dibuixeu i indiqueu la direcció i el sentit del camp magnètic.
1) A les vies.
2) Just a sobre de la catenària.
3) Al punt en què està situat l'observador. 

1) A les vies el camp magnètic tindrà una direcció perpendicular a les vies i paral·lel al seu terra i el sentit serà cap a dintre del dibuix.

2) Just per sobre de la catenària el camp magnètic tindrà la mateixa direcció que l'aparta 1), però serà cap a fora del dibuix.

3) En el punt on està l'observador el camp magnètic serà una combinació de la direcció cap a les vies i cap al terra, tot depenen de la seva proximitat a les vies.

Q2

Expliqueu com es pot fer servir una brúixola per a detectar, sense tocar-lo, si un cable elèctric està conduint corrent elèctric, i -si és el cas- en quin sentit circula el corrent.

Si en un cable elèctric no hi circula corrent elèctric tenim que la brúixola marcarà el Nord terrestre (color blanc de l'agulla de la brúixola):

Si pel fil conductor passa corrent llavors podem tenir les dues situacions següents:

Si la brúixola té el seu Nord apuntant cap a dintre del paper, llavors el sentit del corrent serà antihorari, tal i com es representa en la primera situació. Amb la regla de la mà dreta ho comprovem:

Si pel contrari el Nord de la brúixola apunta cap a fora del dibuix el sentit del corrent serà horari:

(Algunes de les imatges estan extretes de https://www.slideshare.net/OscarOliverObiol/electromagnetisme-2710610)

Q3

Representeu la direcció i el sentit del camp magnètic, mitjançant les línies de camp, si el corrent circula en dos conductors paral·lels en la mateixa direcció i el mateix sentit.

En un conductor rectilini que circula una intensitat determinada podem determinar la direcció i el sentit del camp magnètic que crea al seu voltant a través de la regla de la mà dreta:

Aquestes línies de camp les podem representar com a punts (·) i creus (x). Un punt és un camp magnètic perpendicular a la pantalla  (o paper) i en sentit cap a nosaltres. Una creu és en sentit cap a dintre de la pantalla (o paper):

Si ara representem 2 fils conductors paral·lels on circula intensitat en la mateixa direcció i sentit tenim:

I ajuntem els dos fils, on només deixem la representació de punts i creus.

S'ha de tenir en compte que el camp magnètic disminuirà amb la distància al conductor i per aquest motiu podríem representar els punts i les creus més petites a mesura que ens allunyem del fil que crea aquest camps.

Si mirem el sistema des de la part inferior tenim:

Q4

Què passarà quan els corrents siguin de sentit oposat? Representeu la direcció i sentit del camp magnètic.

A partir del mateix procediment de l'exercici anterior, si tenim 2 conductor per on circula intensitats en la mateix direcció però en sentit oposat tenim:

Si apropem els fil i simplifiquem la representació tenim:

Si mirem el sistema des de la part inferior:

Q5

Pels cables d'alta tensió circulen corrents alterns (que canvien de sentit 100 vegades cada segon). Considereu una línia d'alta tensió que segueix la direcció nord-sud. Com serà el camp magnètic en un punt situat just a sota d'un cable? (Negligiu els efectes dels altres cables de la línia).

En la següent imatge es pot veure la direcció i el sentit del corrent al seu voltant: 

I si tenim en compte la rosa dels vents:

El camp magnètic tindrà una direcció Oest-Est, però el sentit d'aquest camp canviarà contínuament, canviarà 100 vegades cada segon de la mateixa manera que ho fa la intensitat que el crea.

Q6

Podria existir una espira d'una sola cara? Relacioneu-ho amb el fet que no existeixen monopols magnètics.

No podria existir. Les espires tenen dues cares, amb un pol a cada una. Una espira amb un sol pol hauria de tenir una sola cara, el que és absurd. Si els imants són formats per circuits tancats macroscòpics o microscòpics, el mateix raonament porta a l’absurd del monopol.

Q7

El camp magnètic dins d'un solenoide és aproximadament constant i el seu valor es pot calcular amb l'expressió , on I és la intensitat de corrent que hi circula, N el nombre de voltes i L la longitud del solenoide. Amb aquestes dades, penseu de quina manera canviarà el camp magnètic produït per un solenoide:

a) si es duplica la intensitat del corrent.

El camp magnètic es duplicarà.

b) si s'inverteix el sentit de circulació el corrent.

El camp magnètic canviarà de sentit.

c) si s'introdueix un nucli de ferro dins el solenoide (la permeabilitat magnètica del ferro és unes 100 vegades més gran que la de l'aire).

El camp magnètic augmentarà molt la seva intensitat.

d) si es duplica el radi del solenoide (sense canviar el nombre de voltes).

El camp magnètic no canviarà.

e) si es duplica la longitud del solenoide i també el nombre de voltes.

El camp magnètic no canviarà.

f) si es duplica el nombre de voltes sense canviar la longitud.

El camp magnètic es duplicarà.