Physics For Scientists And Engineers 6E - part 214

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  212  213  214  215   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 214

 

 

19. (a)  Make  an  order-of-magnitude  estimate  of  the  resis-

tance  between  the  ends  of  a  rubber  band.  (b)  Make  an
order-of-magnitude  estimate  of  the  resistance  between
the ‘heads’ and ‘tails’ sides of a penny. In each case state
what  quantities  you  take  as  data  and  the  values  you
measure or estimate for them. (c) WARNING! Do not try
this  at  home!  What  is  the  order  of  magnitude  of  the
current that each would carry if it were connected across
a 120-V power supply?

20.

A solid cube of silver (density " 10.5 g/cm

3

) has a mass of

90.0 g. (a) What is the resistance between opposite faces of
the  cube?  (b)  Assume  each  silver  atom  contributes  one
conduction  electron.  Find  the  average  drift  speed  of
electrons  when  a  potential  difference  of  1.00 # 10

$

5

V  is

applied to opposite faces. The atomic number of silver is
47, and its molar mass is 107.87 g/mol.

21. A metal wire of resistance is cut into three equal pieces

that  are  then  connected  side  by  side  to  form  a  new  wire
the  length  of  which  is  equal  to  one-third  the  original
length. What is the resistance of this new wire?

22.

Aluminum and copper wires of equal length are found to
have the same resistance. What is the ratio of their radii?

23. A  current  density  of  6.00 # 10

$

13

A/m

2

exists  in  the  at-

mosphere at a location where the electric field is 100 V/m.
Calculate  the  electrical  conductivity  of  the  Earth’s  atmos-
phere in this region.

24.

The rod in Figure P27.24 is made of two materials. The fig-
ure  is  not  drawn  to  scale.  Each  conductor  has  a  square
cross  section  3.00 mm  on  a  side.  The  first  material  has  a
resistivity  of  4.00 # 10

$

3

' (

m  and  is  25.0 cm  long,  while

the  second  material  has  a  resistivity  of  6.00 # 10

$

3

' (

m

and  is  40.0 cm  long.  What  is  the  resistance  between  the
ends of the rod?

same  voltage  to  the  same  wire.  What  current  does  he
register there if the temperature is $ 88.0°C? Assume that
no change occurs in the wire’s shape and size.

29. A  certain  lightbulb  has  a  tungsten  filament  with  a

resistance  of  19.0 ' when  cold  and  140 ' when  hot.
Assume that the resistivity of tungsten varies linearly with
temperature  even  over  the  large  temperature  range
involved  here,  and  find  the  temperature  of  the  hot
filament. Assume the initial temperature is 20.0°C.

30.

A  carbon  wire  and  a  Nichrome  wire  are  connected  in
series, so that the same current exists in both wires. If the
combination has a resistance of 10.0 k' at 0°C, what is the
resistance  of  each  wire  at  0°C  so  that  the  resistance  of
the combination does not change with temperature? The
total  or  equivalent  resistance  of  resistors  in  series  is
the sum of their individual resistances.

An  aluminum  wire  with  a  diameter  of  0.100 mm  has  a
uniform  electric  field  of  0.200 V/m  imposed  along  its
entire  length.  The  temperature  of  the  wire  is  50.0°C.
Assume one free electron per atom. (a) Use the informa-
tion in Table 27.1 and determine the resistivity. (b) What is
the  current  density  in  the  wire?  (c)  What  is  the  total
current  in  the  wire?  (d)  What  is  the  drift  speed  of  the
conduction electrons? (e) What potential difference must
exist  between  the  ends  of  a  2.00-m  length  of  the  wire  to
produce the stated electric field?

32.

Review  problem. An  aluminum  rod  has  a  resistance  of
1.234  ' at  20.0°C.  Calculate  the  resistance  of  the  rod  at
120°C by accounting for the changes in both the resistivity
and the dimensions of the rod.

What is the fractional change in the resistance of an iron
filament  when  its  temperature  changes  from  25.0°C  to
50.0°C?

34.

The  resistance  of  a  platinum  wire  is  to  be  calibrated  for
low-temperature  measurements.  A  platinum  wire  with
resistance 1.00 ' at 20.0°C is immersed in liquid nitrogen
at 77 K ($ 196°C). If the temperature response of the plat-
inum wire is linear, what is the expected resistance of the
platinum  wire  at  $ 196°C?  (-

platinum

"

3.92 # 10

$

3

/°C)

35.

The temperature of a sample of tungsten is raised while a
sample of copper is maintained at 20.0°C. At what temper-
ature will the resistivity of the tungsten be four times that
of the copper?

Section 27.6 Electrical Power

36. A  toaster  is  rated  at  600 W  when  connected  to  a  120-V

source. What current does the toaster carry, and what is its
resistance?

37. A Van de Graaff generator (see Figure 25.29) is operating

so  that  the  potential  difference  between  the  high-voltage
electrode  B  and  the  charging  needles  at  A  is  15.0 kV.
Calculate  the  power  required  to  drive  the  belt  against
electrical  forces  at  an  instant  when  the  effective  current
delivered to the high-voltage electrode is 500 /A.

38. In a hydroelectric installation, a turbine delivers 1 500 hp

to  a  generator,  which  in  turn  transfers  80.0%  of  the
mechanical  energy  out  by  electrical  transmission.  Under

33.

31.

Problems

853

Figure P27.24

25.0 cm

40.0 cm

Section 27.3 A Model for Electrical Conduction

If the magnitude of the drift velocity of free electrons

in  a  copper  wire  is  7.84 # 10

$

4

m/s,  what  is  the  electric

field in the conductor?

26. If  the  current  carried  by  a  conductor  is  doubled,  what

happens  to  the  (a)  charge  carrier  density?  (b)  current
density?  (c)  electron  drift  velocity?  (d)  average  time
interval between collisions?

27.

Use  data  from  Example  27.1  to  calculate  the  collision
mean free path of electrons in copper. Assume the average
thermal speed of conduction electrons is 8.60 # 10

5

m/s.

Section 27.4 Resistance and Temperature

28. While taking photographs in Death Valley on a day when

the  temperature  is  58.0°C,  Bill  Hiker  finds  that  a  certain
voltage  applied  to  a  copper  wire  produces  a  current  of
1.000 A.  Bill  then  travels  to  Antarctica  and  applies  the

25.

these conditions, what current does the generator deliver
at a terminal potential difference of 2 000 V?

What is the required resistance of an immersion heater

that  increases  the  temperature  of  1.50 kg  of  water  from
10.0°C to 50.0°C in 10.0 min while operating at 110 V?

40. One  rechargeable  battery  of  mass  15.0 g  delivers  to  a  CD

player  an  average  current  of  18.0 mA  at  1.60 V  for  2.40 h
before  the  battery  needs  to  be  recharged.  The  recharger
maintains a potential difference of 2.30 V across the battery
and  delivers  a  charging  current  of  13.5 mA  for  4.20 h.
(a) What is the efficiency of the battery as an energy storage
device?  (b)  How  much  internal  energy  is  produced  in  the
battery during one charge–discharge cycle? (b) If the battery
is surrounded by ideal thermal insulation and has an overall
effective  specific  heat  of  975 J/kg°C,  by  how  much  will  its
temperature increase during the cycle?

Suppose  that  a  voltage  surge  produces  140 V  for  a
moment. By what percentage does the power output of a
120-V, 100-W lightbulb increase? Assume that its resistance
does not change.

42.

A  500-W  heating  coil  designed  to  operate  from  110 V  is
made of Nichrome wire 0.500 mm in diameter. (a) Assum-
ing that the resistivity of the Nichrome remains constant at
its 20.0°C value, find the length of wire used. (b) What If?
Now consider the variation of resistivity with temperature.
What power will the coil of part (a) actually deliver when it
is heated to 1 200°C?

43. A  coil  of  Nichrome  wire  is  25.0 m  long.  The  wire  has  a

diameter  of  0.400 mm  and  is  at  20.0°C.  If  it  carries  a
current  of  0.500 A,  what  are  (a)  the  magnitude  of  the
electric field in the wire, and (b) the power delivered to it?
(c) What If? If the temperature is increased to 340°C and
the  voltage  across  the  wire  remains  constant,  what  is  the
power delivered?

44. Batteries  are  rated  in  terms  of  ampere-hours  (A ( h).  For

example,  a  battery  that  can  produce  a  current  of  2.00 A
for  3.00 h  is  rated  at  6.00 A ( h.  (a)  What  is  the  total
energy,  in  kilowatt-hours,  stored  in  a  12.0-V  battery  rated
at 55.0 A ( h? (b) At $0.060 0 per kilowatt-hour, what is the
value of the electricity produced by this battery?

45. A 10.0-V battery is connected to a 120-' resistor. Ignoring

the internal resistance of the battery, calculate the power
delivered to the resistor.

46. Residential  building  codes  typically  require  the  use  of

12-gauge  copper  wire  (diameter  0.205 3 cm)  for  wiring
receptacles.  Such  circuits  carry  currents  as  large  as  20 A.
A wire of smaller diameter (with a higher gauge number)
could carry this much current, but the wire could rise to a
high temperature and cause a fire. (a) Calculate the rate
at which internal energy is produced in 1.00 m of 12-gauge
copper  wire  carrying  a  current  of  20.0 A.  (b)  What  If?
Repeat  the  calculation  for  an  aluminum  wire.  Would  a
12-gauge aluminum wire be as safe as a copper wire?

47. An 11.0-W energy-efficient fluorescent lamp is designed to

produce  the  same  illumination  as  a  conventional  40.0-W
incandescent  lightbulb.  How  much  money  does  the  user
of the energy-efficient lamp save during 100 hours of use?
Assume a cost of $0.080 0/kWh for energy from the power
company.

41.

39.

48.

We estimate that 270 million plug-in electric clocks are in
the  United  States,  approximately  one  clock  for  each
person.  The  clocks  convert  energy  at  the  average  rate
2.50 W.  To  supply  this  energy,  how  many  metric  tons  of
coal are burned per hour in coal-fired electric generating
plants  that  are,  on  average,  25.0%  efficient?  The  heat  of
combustion for coal is 33.0 MJ/kg.

Compute the cost per day of operating a lamp that draws a
current  of  1.70 A  from  a  110-V  line.  Assume  the  cost  of
energy from the power company is $0.060 0/kWh.

50.

Review  problem.  The  heating  element  of  a  coffee  maker
operates  at  120 V  and  carries  a  current  of  2.00 A.
Assuming  that  the  water  absorbs  all  of  the  energy  deliv-
ered to the resistor, calculate how long it takes to raise the
temperature of 0.500 kg of water from room temperature
(23.0°C) to the boiling point.

A certain toaster has a heating element made of Nichrome
wire. When the toaster is first connected to a 120-V source
(and  the  wire  is  at  a  temperature  of  20.0°C),  the  initial 
current is 1.80 A. However, the current begins to decrease
as  the  heating  element  warms  up.  When  the  toaster
reaches its final operating temperature, the current drops
to 1.53 A. (a) Find the power delivered to the toaster when
it  is  at  its  operating  temperature.  (b)  What  is  the  final
temperature of the heating element?

52. The  cost  of  electricity  varies  widely  through  the  United

States;  $0.120/kWh  is  one  typical  value.  At  this  unit
price,  calculate  the  cost  of  (a)  leaving  a  40.0-W  porch
light  on  for  two  weeks  while  you  are  on  vacation,
(b) making  a  piece  of  dark  toast  in  3.00 min  with  a
970-W  toaster,  and  (c)  drying  a  load  of  clothes  in
40.0 min in a 5 200-W dryer.

53.

Make  an  order-of-magnitude  estimate  of  the  cost  of  one
person’s  routine  use  of  a  hair  dryer  for  1 yr.  If  you  do 
not  use  a  blow  dryer  yourself,  observe  or  interview 
someone who does. State the quantities you estimate and
their values.

Additional Problems

54. One lightbulb is marked ‘25 W 120 V,’ and another ‘100 W

120 V’; this means that each bulb has its respective power
delivered  to  it  when  plugged  into  a  constant  120-V
potential difference. (a) Find the resistance of each bulb.
(b) How long does it take for 1.00 C to pass through the
dim bulb? Is the charge different in any way upon its exit
from the bulb versus its entry? (c) How long does it take
for  1.00 J  to  pass  through  the  dim  bulb?  By  what mecha-
nisms does this energy enter and exit the bulb? (d) Find
how  much  it  costs  to  run  the  dim  bulb  continuously  for
30.0  days  if  the  electric  company  sells  its  product  at 
$0.070 0 per kWh. What product does the electric company
sell? What is its price for one SI unit of this quantity?

55.

A charge is placed on a capacitor of capacitance C. The
capacitor  is  connected  into  the  circuit  shown  in  Figure
P27.55, with an open switch, a resistor, and an initially un-
charged  capacitor  of  capacitance  3C.  The  switch  is  then
closed and the circuit comes to equilibrium. In terms of Q
and C, find (a) the final potential difference between the
plates of each capacitor, (b) the charge on each capacitor,

51.

49.

854

CHAPTE R 27 •  Current and Resistance

Problems

855

and (c) the final energy stored in each capacitor. (d) Find
the internal energy appearing in the resistor.

Figure P27.55

C

3C

R

56.

A high-voltage transmission line with a diameter of 2.00 cm
and a length of 200 km carries a steady current of 1 000 A.
If the conductor is copper wire with a free charge density
of  8.49 # 10

28

electrons/m

3

,  how  long  does  it  take  one

electron to travel the full length of the line?

A  more  general  definition  of  the  temperature  coefficient
of resistivity is

where  % is  the  resistivity  at  temperature  T. (a)  Assuming
that - is constant, show that

where  %

0

is  the  resistivity  at  temperature  T

0

.  (b)  Using

the series  expansion  e

x

' 1 , x  for  22 1,  show  that

the resistivity  is  given  approximately  by  the  expression
% " %

0

[1 , -(T

0

)] for -(T

0

) 22 1.

58. A high-voltage transmission line carries 1 000 A starting at

700 kV  for  a  distance  of  100 mi.  If  the  resistance  in  the
wire is 0.500 '/mi, what is the power loss due to resistive
losses?

An  experiment  is  conducted  to  measure  the

electrical resistivity of Nichrome in the form of wires with
different  lengths  and  cross-sectional  areas.  For  one  set  of
measurements,  a  student  uses  30-gauge  wire,  which  has  a
cross-sectional  area  of  7.30 # 10

$

8

m

2

.  The  student

measures the potential difference across the wire and the
current  in  the  wire  with  a  voltmeter  and  an  ammeter,
respectively.  For  each  of  the  measurements  given  in  the
table  taken  on  wires  of  three  different  lengths,  calculate
the resistance of the wires and the corresponding values of
the  resistivity.  What  is  the  average  value  of  the  resistivity,
and  how  does  this  value  compare  with  the  value  given  in
Table 27.1?

(m)

$

(V)

(A)

(%)

#

(% & m)

0.540

5.22

0.500

1.028

5.82

0.276

1.543

5.94

0.187

60.

An  electric  utility  company  supplies  a  customer’s  house
from the main power lines (120 V) with two copper wires,
each  of  which  is  50.0 m  long  and  has  a  resistance  of
0.108 ' per 300 m. (a) Find the voltage at the customer’s

59.

% " %

0

e

 

-

(T$T

0

)

 - "

1
%

 

d%

dT

57.

house  for  a  load  current  of  110 A.  For  this  load  current,
find  (b) the  power  the  customer  is  receiving  and  (c)  the
electric power lost in the copper wires.

61. A  straight  cylindrical  wire  lying  along  the  axis  has  a

length of 0.500 m and a diameter of 0.200 mm. It is made
of a material that obeys Ohm’s law with a resistivity of % "
4.00 # 10

$

8

' (

m.  Assume  that  a  potential  of  4.00 V  is

maintained at " 0, and that " 0 at " 0.500 m. Find
(a) the electric field in the wire, (b) the resistance of the
wire,  (c)  the  electric  current  in  the  wire,  and  (d)  the
current  density  J  in  the  wire.  Express  vectors  in  vector
notation. (e) Show that " %J.

62.

A  straight  cylindrical  wire  lying  along  the  axis  has  a
length  and  a  diameter  d.  It  is  made  of  a  material  that
obeys Ohm’s law with a resistivity %. Assume that potential
is maintained at " 0, and that the potential is zero at
L. In terms of LdV, %, and physical constants, derive
expressions  for  (a)  the  electric  field  in  the  wire,  (b) the
resistance of the wire, (c) the electric current in the wire,
and (d) the current density in the wire. Express vectors in
vector notation. (e) Prove that " %J.

63.

The  potential  difference  across  the  filament  of  a  lamp  is
maintained at a constant level while equilibrium tempera-
ture  is  being  reached.  It  is  observed  that  the  steady-state
current in the lamp is only one tenth of the current drawn
by the lamp when it is first turned on. If the temperature
coefficient  of  resistivity  for  the  lamp  at  20.0°C  is
0.004 50 (°C)

$

1

,  and  if  the  resistance  increases  linearly

with  increasing  temperature,  what  is  the  final  operating
temperature of the filament?

64.

The  current  in  a  resistor  decreases  by  3.00 A  when  the
voltage applied across the resistor decreases from 12.0 V to
6.00 V. Find the resistance of the resistor.

An electric car is designed to run off a bank of 12.0-V bat-
teries  with  total  energy  storage  of  2.00 # 10

7

J.  (a)  If  the

electric motor draws 8.00 kW, what is the current delivered
to  the  motor?  (b)  If  the  electric  motor  draws  8.00 kW  as
the  car  moves  at  a  steady  speed  of  20.0 m/s,  how  far  will
the car travel before it is “out of juice”?

66.

Review  problem.  When  a  straight  wire  is  heated,  its
resistance is given by R

0

[1 , -(T

0

)] according to

Equation 27.21, where - is the temperature coefficient of
resistivity.  (a)  Show  that  a  more  precise  result,  one  that
includes  the  fact  that  the  length  and  area  of  the  wire
change when heated, is

where  -3 is  the  coefficient  of  linear  expansion  (see
Chapter  19).  (b)  Compare  these  two  results  for  a 
2.00-m-long  copper  wire  of  radius  0.100 mm,  first  at
20.0°C and then heated to 100.0°C.

67.

The temperature coefficients of resistivity in Table 27.1 were
determined at a temperature of 20°C. What would they be at
0°C?  Note  that  the  temperature  coefficient  of  resistivity  at
20°C  satisfies  % " %

0

[1 , -(T

0

)],  where  %

0

is  the

resistivity  of  the  material  at  T

0

"

20°C.  The  temperature

"

R

 

0

[1 , -(T

0

)][1 , -3(T

0

)]

[1 , 2-3(T

0

)]

65.

coefficient of resistivity -3 at 0°C must satisfy the expression
% " %3

0

[1 , -3],  where  %3

0

is  the  resistivity  of  the  material

at 0°C.

68.

An oceanographer is studying how the ion concentration
in sea water depends on depth. She does this by lowering
into  the  water  a  pair  of  concentric  metallic  cylinders
(Fig. P27.68)  at  the  end  of  a  cable  and  taking  data  to
determine  the  resistance  between  these  electrodes  as  a
function  of  depth.  The  water  between  the  two  cylinders
forms a cylindrical shell of inner radius r

a

, outer radius r

b

,

and length much larger than r

b

. The scientist applies a

potential  difference  !between  the  inner  and  outer
surfaces,  producing  an  outward  radial  current  I.  Let  %
represent  the  resistivity  of  the  water.  (a)  Find  the
resistance of the water between the cylinders in terms of L,
%

,  r

a

,  and  r

b

.  (b)  Express  the  resistivity  of  the  water  in

terms of the measured quantities Lr

a

r

b

, !V, and I.

Material with uniform resistivity % is formed into a wedge
as  shown  in  Figure  P27.71.  Show  that  the  resistance
between face A and face B of this wedge is

" % 

L

w(y

2

$

y

1

)

 ln 

"

y

 

2

y

 

1

#

71.

856

CHAPTE R 27 •  Current and Resistance

Figure P27.71

Figure P27.72

Face A

Face B

L

w

y

1

y

2

a

h

b

69. In a certain stereo system, each speaker has a resistance of

4.00 '. The system is rated at 60.0 W in each channel, and
each  speaker  circuit  includes  a  fuse  rated  4.00 A.  Is  this
system  adequately  protected  against  overload?  Explain
your reasoning.

70.

A close analogy exists between the flow of energy by heat
because  of  a  temperature  difference  (see  Section  20.7)
and  the  flow  of  electric  charge  because  of  a  potential
difference. The energy dQ and the electric charge dq can
both  be  transported  by  free  electrons  in  the  conducting
material.  Consequently,  a  good  electrical  conductor  is
usually a good thermal conductor as well. Consider a thin
conducting  slab  of  thickness  dx, area  A, and  electrical
conductivity  &with  a  potential  difference  dV between
opposite faces. Show that the current dq/dt is given by
the equation on the left below:

Thermal Conduction

Charge Conduction

(Eq. 20.14)

In  the  analogous  thermal  conduction  equation  on  the
right, the rate of energy flow dQ /dt (in SI units of joules
per second) is due to a temperature gradient dT/dx, in a
material  of  thermal  conductivity  k. State  analogous  rules
relating the direction of the electric current to the change
in  potential,  and  relating  the  direction  of  energy  flow  to
the change in temperature.

dQ

dt

"

kA 

(

dT

dx

(

dq

dt

"

&

A 

(

dV

dx

(

Figure P27.68

L

r

a

r

b

72.

A  material  of  resistivity  % is  formed  into  the  shape  of  a
truncated  cone  of  altitude  as  shown  in  Figure  P27.72.
The bottom end has radius b, and the top end has radius
a. Assume  that  the  current  is  distributed  uniformly  over
any circular cross section of the cone, so that the current
density does not depend on radial position. (The current
density does vary with position along the axis of the cone.)
Show that the resistance between the two ends is described
by the expression

"

%

*

 

"

h

ab

#

73.

The  dielectric  material  between  the  plates  of  a  parallel-
plate  capacitor  always  has  some  nonzero  conductivity  &.
Let represent the area of each plate and the distance
between  them.  Let  4 represent  the  dielectric  constant  of
the  material.  (a)  Show  that  the  resistance  and  the
capacitance of the capacitor are related by

(b)  Find  the  resistance  between  the  plates  of  a  14.0-nF
capacitor with a fused quartz dielectric.

74.

The  current–voltage  characteristic  curve  for  a  semi-

conductor diode as a function of temperature is given by
the equation

 I

0

(e

e

 

 

V/k

B

T

$

1)

RC "

45

0

&

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  212  213  214  215   ..