Physics For Scientists And Engineers 6E - part 225

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 225

 

 

SECTION 29.1 •  Magnetic Fields and Forces

897

• When the particle’s velocity vector makes any angle ! ! 0 with the magnetic field,

the magnetic force acts in a direction perpendicular to both 

v and B; that is, F

B

is

perpendicular to the plane formed by 

v and B (Fig. 29.3a).

• The  magnetic  force  exerted  on  a  positive  charge  is  in  the  direction  opposite  the

direction of the magnetic force exerted on a negative charge moving in the same
direction (Fig. 29.3b).

• The  magnitude  of  the  magnetic  force  exerted  on  the  moving  particle  is  propor-

tional  to  sin  !,  where  ! is  the  angle  the  particle’s  velocity  vector  makes  with  the
direction of 

B.

We can summarize these observations by writing the magnetic force in the form

(29.1)

F

B

"

q

 

v ! B

(a)

(b)

(c)

Figure 29.2 (a) Magnetic field pattern surrounding a bar magnet as displayed with

iron filings. (b) Magnetic field pattern between opposite poles (N–S) of two bar magnets.

(c) Magnetic field pattern between like poles (N–N) of two bar magnets.

(a)

F

B

B

+ q

v

θ

(b)

F

B

B

v

v

F

B

+

Figure 29.3 The direction of the magnetic force F

B

acting on a charged particle

moving with a velocity in the presence of a magnetic field B. (a) The magnetic force is

perpendicular to both and B. (b) Oppositely directed magnetic forces F

B

are exerted

on two oppositely charged particles moving at the same velocity in a magnetic field. The

dashed lines show the paths of the particles, which we will investigate in Section 29.4.

Henry Leap and Jim Lehman

Vector expression for the

magnetic force on a charged

particle moving in a magnetic

field

which by definition of the cross product (see Section 11.1) is perpendicular to both 

v

and 

B. We can regard this equation as an operational definition of the magnetic field

at  some  point  in  space.  That  is,  the  magnetic  field  is  defined  in  terms  of  the  force
acting on a moving charged particle.

Figure 29.4 reviews two right-hand rules for determining the direction of the cross

product 

v ! B  and  determining  the  direction  of F

B

.  The  rule  in  Figure  29.4a 

depends on our right-hand rule for the cross product in Figure 11.2. Point the four
fingers of your right hand along the direction of 

v with the palm facing B and curl

them toward 

B. The extended thumb, which is at a right angle to the fingers, points

in the direction of 

v ! B. Because F

B

"

q

v ! B, F

B

is in the direction of your thumb

if is positive and opposite the direction of your thumb if is negative. (If you need
more help understanding the cross product, you should review pages 337 to 339, in-
cluding Fig. 11.2.)

An alternative rule is shown in Figure 29.4b. Here the thumb points in the direc-

tion of 

v and the extended fingers in the direction of B. Now, the force F

B

on a posi-

tive  charge  extends  outward  from  your  palm.  The  advantage  of  this  rule  is  that  the
force on the charge is in the direction that you would push on something with your
hand—outward  from  your  palm.  The  force  on  a  negative  charge  is  in  the  opposite
direction. Feel free to use either of these two right-hand rules.

The magnitude of the magnetic force on a charged particle is

(29.2)

where ! is the smaller angle between 

v and B. From this expression, we see that F

B

is

zero when 

v is parallel or antiparallel to B (! " 0 or 180°) and maximum when v is

perpendicular to 

B (! " 90°).

There are several important differences between electric and magnetic forces:

• The  electric  force  acts  along  the  direction  of  the  electric  field,  whereas  the  mag-

netic force acts perpendicular to the magnetic field.

• The electric force acts on a charged particle regardless of whether the particle is

moving, whereas the magnetic force acts on a charged particle only when the parti-
cle is in motion.

F

B

"

!

 

q

 

!vB 

 

sin !

898

C H A P T E R   2 9 •  Magnetic Fields

B

F

B

B

v

(a)

v

(b)

F

B

Figure 29.4 Two right-hand rules for determining the direction of the magnetic force

F

B

"

acting on a particle with charge moving with a velocity in a magnetic

field B. (a) In this rule, the fingers point in the direction of v, with coming out of

your palm, so that you can curl your fingers in the direction of B. The direction of 

B, and the force on a positive charge, is the direction in which the thumb points.

(b) In this rule, the vector is in the direction of your thumb and in the direction of

your fingers. The force F

B

on a positive charge is in the direction of your palm, as if you

are pushing the particle with your hand.

Magnitude of the magnetic

force on a charged particle

moving in a magnetic field

SECTION 29.1 •  Magnetic Fields and Forces

899

• The electric force does work in displacing a charged particle, whereas the magnetic

force associated with a steady magnetic field does no work when a particle is dis-
placed because the force is perpendicular to the displacement.

From the last statement and on the basis of the work–kinetic energy theorem, we

conclude  that  the  kinetic  energy  of  a  charged  particle  moving  through  a  magnetic
field cannot be altered by the magnetic field alone. In other words, when a charged
particle  moves  with  a  velocity 

v  through  a  magnetic  field,  the  field  can  alter  the

direction of the velocity vector but cannot change the speed or kinetic energy of the
particle.

From  Equation  29.2,  we  see  that  the  SI  unit  of  magnetic  field  is  the  newton  per

coulomb-meter per second, which is called the 

tesla (T):

Because a coulomb per second is defined to be an ampere, we see that

A non-SI magnetic-field unit in common use, called the gauss (G), is related to the

tesla through the conversion 1 T " 10

4

G. Table 29.1 shows some typical values of mag-

netic fields.

1 T " 1 

N

A#m

1 T " 1 

N

C#m/s

Source of Field

Field Magnitude (T)

Strong superconducting laboratory magnet

30

Strong conventional laboratory magnet

2

Medical MRI unit

1.5

Bar magnet

10

$

2

Surface of the Sun

10

$

2

Surface of the Earth

0.5 % 10

$

4

Inside human brain (due to nerve impulses)

10

$

13

Some Approximate Magnetic Field Magnitudes

Table 29.1

Quick Quiz 29.1

The north-pole end of a bar magnet is held near a posi-

tively  charged  piece  of  plastic.  Is  the  plastic  (a)  attracted,  (b)  repelled,  or  (c)  unaf-
fected by the magnet?

Quick  Quiz  29.2

A  charged  particle  moves  with  velocity 

v in  a  magnetic

field 

B. The magnetic force on the particle is a maximum when v is (a) parallel to B,

(b) perpendicular to 

B, (c) zero.

Quick Quiz 29.3

An electron moves in the plane of this paper toward the

top  of  the  page.  A  magnetic  field  is  also  in  the  plane  of  the  page  and  directed
toward the right. The direction of the magnetic force on the electron is (a) toward
the top of the page, (b) toward the bottom of the page, (c) toward the left edge of
the  page,  (d)  toward  the  right  edge  of  the  page,  (e)  upward  out  of  the  page,
(f) downward into the page.

The tesla

900

C H A P T E R   2 9 •  Magnetic Fields

29.2 Magnetic Force Acting on a Current-Carrying

Conductor

If  a  magnetic  force  is  exerted  on  a  single  charged  particle  when  the  particle  moves
through a magnetic field, it should not surprise you that a current-carrying wire also
experiences a force when placed in a magnetic field. This follows from the fact that the
current is a collection of many charged particles in motion; hence, the resultant force
exerted by the field on the wire is the vector sum of the individual forces exerted on all
the  charged  particles  making  up  the  current.  The  force  exerted  on  the  particles  is
transmitted to the wire when the particles collide with the atoms making up the wire.

Before  we  continue  our  discussion,  some  explanation  of  the  notation  used  in 

this  book  is  in  order.  To  indicate  the  direction  of 

B in  illustrations,  we  sometimes 

present  perspective  views,  such  as  those  in  Figure  29.5.  If 

B lies  in  the  plane  of  the

page  or  is  present  in  a  perspective  drawing,  we  use  blue  vectors  or  blue  field  lines 
with  arrowheads.  In  non-perspective  illustrations,  we  depict  a  magnetic  field

Example 29.1 An Electron Moving in a Magnetic Field

An  electron  in  a  television  picture  tube  moves  toward  the
front of the tube with a speed of 8.0 % 10

6

m/s along the x

axis (Fig. 29.5). Surrounding the neck of the tube are coils
of  wire  that  create  a  magnetic  field  of  magnitude  0.025 T,
directed at an angle of 60° to the axis and lying in the xy
plane.

(A)

Calculate  the  magnetic  force  on  the  electron  using

Equation 29.2.

Solution Using  Equation  29.2,  we  find  the  magnitude  of
the magnetic force:

2.8 % 10

$

14

 N

"

 " (1.6 % 10

$

19

 C)(8.0 % 10

6

 m/s)(0.025 T)(sin 60&)

F

B

"

!

 

q

 

!vB 

 

sin !

Because 

v ! B is in the positive direction (from the right-

hand rule) and the charge is negative, 

F

B

is in the negative z

direction.

(B)

Find a vector expression for the magnetic force on the

electron using Equation 29.1.

Solution We  begin  by  writing  a  vector  expression  for  the
velocity of the electron:

and one for the magnetic field:

The force on the electron, using Equation 29.1, is

where  we  have  used  Equations  11.7a  and  11.7b  to  eva-
luate

and 

.  Carrying  out  the  multiplication,  we

find,

This expression agrees with the result in part (A). The mag-
nitude is the same as we found there, and the force vector is
in the negative direction.

 ($2.8 % 10

$

14 

N)ˆ

k

F

B

"

iˆ ! jˆ

iˆ ! iˆ

"

($1.6 % 10

$

19

 C)(8.0 % 10

6

 m/s)(0.022 T) ˆ

k

'

($e)(8.0 % 10

6

 m/s)(0.022 T)(ˆ

i ! ˆj)

"

($e)(8.0 % 10

6

 m/s)(0.013 T)(ˆ

i ! ˆi)

'

($e)[(8.0 % 10

6

ˆi) m/s] % [(0.022ˆj)T]

"

($e)[(8.0 % 10

6

ˆi) m/s] % [(0.013ˆi)T]

 " ($e)[(8.0 % 10

6

ˆi) m/s] % [(0.013ˆi ' 0.022 jˆ)T]

F

B

"

q

 

v % B 

 " (0.013ˆ

i ' 0.022 ˆj)T

B " (0.025 cos 60&ˆi ' 0.025 sin 60&ˆj)T

v " (8.0 % 10

6

 ˆ

i) m/s

z

B

v

y

x

F

B

60

°

e

Figure 29.5 (Example 29.1) The magnetic force F

B

acting on

the electron is in the negative direction when and lie in

the xy plane.

 

 

 

 

 

 

 

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