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Supuesto 16

Aragón 2025 ·

Enunciado

Una bobina de Helmholtz consiste en dos bobinas circulares idénticas, situadas simétricamente a lo largo de un eje común, una a cada lado del área experimental y separadas por una distancia hh igual al radio RR. Cada bobina transporta la misma corriente en la misma dirección.

  • a) (4,5p) Si cada bobina tiene NN espiras, demuestre que el campo magnético en el punto central O es B=(45)3/2μ0NIRB = \left(\dfrac{4}{5}\right)^{3/2}\dfrac{\mu_0 N I}{R}.
  • b) (2,5p) Calcule la razón entre el campo en O y su valor en el centro de una de las bobinas (punto A o B).
  • c) (3p) Diseñe una actividad práctica para 2.º de Bachillerato en la que se utilicen bobinas de Helmholtz para determinar el campo magnético terrestre (en España, unos 40 μT).

Dato: μ0=4π⋅10−7 N A−2\mu_0 = 4\pi\cdot 10^{-7}\ \mathrm{N\,A^{-2}}.

Ejercicio A.3

Configuración de Helmholtz: separación igual al radio

Dos bobinas circulares coaxiales separadas por su radio

Dos espiras vistas de perfil como elipses verticales, unidas por un eje horizontal común. El punto O está en el centro del segmento que las une, a distancia R medio de cada una.

A

B

O

h = R

R

I, N

I, N

eje

Las dos bobinas, con N espiras y la misma corriente en el mismo sentido, están separadas h = R. En el punto medio O el campo es máximamente uniforme; A y B son los centros de cada bobina.

Solución

a) Demostración

El campo de una espira circular de radio RR recorrida por II, en un punto de su eje a distancia zz del centro, es (aplicando Biot-Savart e integrando; solo sobrevive la componente axial por simetría):

Bespira(z)=μ0IR22 (R2+z2)3/2B_\text{espira}(z) = \frac{\mu_0 I R^2}{2\,(R^2+z^2)^{3/2}}

Para una bobina de NN espiras basta multiplicar por NN. En la configuración de Helmholtz las dos bobinas distan h=Rh = R, así que el punto medio O está a z=R/2z = R/2 de cada una, y ambos campos se suman (misma corriente, mismo sentido):

BO=2⋅μ0NIR22(R2+R24)3/2=μ0NIR2(5R24)3/2=μ0NIR2R3(54)3/2B_O = 2\cdot\frac{\mu_0 N I R^2}{2\left(R^2 + \frac{R^2}{4}\right)^{3/2}} = \frac{\mu_0 N I R^2}{\left(\frac{5R^2}{4}\right)^{3/2}} = \frac{\mu_0 N I R^2}{R^3\left(\frac{5}{4}\right)^{3/2}}   BO=(45)3/2μ0NIR=0,7155 μ0NIR  \boxed{\;B_O = \left(\frac{4}{5}\right)^{3/2}\frac{\mu_0 N I}{R} = 0{,}7155\,\frac{\mu_0 N I}{R}\;}

b) Razón entre O y el centro de una bobina

En el punto A (centro de una bobina) se suman el campo de esa misma bobina, a z=0z = 0, y el de la otra, a z=h=Rz = h = R:

BA=μ0NI2R⏟propia+μ0NIR22(2R2)3/2⏟la otra=μ0NIR(12+142)=0,6768 μ0NIRB_A = \underbrace{\frac{\mu_0 N I}{2R}}_{\text{propia}} + \underbrace{\frac{\mu_0 N I R^2}{2(2R^2)^{3/2}}}_{\text{la otra}} = \frac{\mu_0 N I}{R}\left(\frac{1}{2} + \frac{1}{4\sqrt2}\right) = 0{,}6768\,\frac{\mu_0 N I}{R} BOBA=0,71550,6768=1,057\frac{B_O}{B_A} = \frac{0{,}7155}{0{,}6768} = 1{,}057

El campo en el centro es solo un 5,7 % mayor que en los planos de las bobinas. Ahí está la gracia de la geometría de Helmholtz: con h=Rh = R se anula la segunda derivada del campo en O, de modo que la región central es notablemente uniforme y sirve como patrón de campo conocido.

c) Actividad práctica para 2.º de Bachillerato (orientación)

Este apartado es de respuesta abierta; lo que sigue es una propuesta razonada, no la única solución posible.

Fundamento. El montaje clásico es el del galvanómetro de tangentes. Se orientan las bobinas de modo que su eje quede horizontal y perpendicular a la componente horizontal del campo terrestre (es decir, en dirección E–O), y se coloca una brújula en el punto O. Sin corriente, la aguja señala el norte magnético. Al hacer pasar corriente, la aguja se desvía un ángulo θ\theta tal que

tan⁡θ=BOBTierra,h  ⟹  BTierra,h=BOtan⁡θ=1tan⁡θ(45)3/2μ0NIR\tan\theta = \frac{B_O}{B_{\text{Tierra},h}} \;\Longrightarrow\; B_{\text{Tierra},h} = \frac{B_O}{\tan\theta} = \frac{1}{\tan\theta}\left(\frac{4}{5}\right)^{3/2}\frac{\mu_0 N I}{R}

Procedimiento. (1) Medir RR y anotar NN. (2) Alinear el eje E–O con la propia brújula. (3) Aumentar la corriente hasta que la desviación sea 45º, condición especialmente cómoda porque entonces BO=BTierra,hB_O = B_{\text{Tierra},h} directamente. (4) Repetir para varias corrientes y representar tan⁡θ\tan\theta frente a II: la pendiente da BTierra,hB_{\text{Tierra},h} por regresión lineal, que es mejor que una medida aislada. (5) Invertir el sentido de la corriente y promediar para cancelar errores de alineación.

Orden de magnitud esperado. Con N=100N = 100, R=0,15 mR = 0{,}15\ \mathrm{m} e I≈0,05 AI \approx 0{,}05\ \mathrm{A} se obtienen unos 30 μT30\ \mathrm{\mu T}, del orden del valor real (~40 μT de campo total, del que la componente horizontal en España es unos 25 μT).

Aprovechamiento didáctico. Permite trabajar la ley de Biot-Savart, la superposición vectorial de campos, el tratamiento de errores y el ajuste por mínimos cuadrados, y conectar con la declinación e inclinación magnéticas y con el geomagnetismo. Conviene advertir de que hay que alejar objetos ferromagnéticos y otros equipos del montaje: es la principal fuente de error sistemático.

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