Physics For Scientists And Engineers 6E - part 227

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 227

 

 

SECTION 29.3 •  Torque on a Current Loop in a Uniform Magnetic Field

905

Now suppose that the uniform magnetic field makes an angle ! * 90° with a line

perpendicular to the plane of the loop, as in Figure 29.14. For convenience, we assume
that 

B is perpendicular to sides # and $. In this case, the magnetic forces F

1

and 

F

3

exerted on sides ! and " cancel each other and produce no torque because they pass
through a common origin. However, the magnetic forces 

F

2

and 

F

4

acting on sides #

and $ produce a torque about any point. Referring to the end view shown in Figure
29.14, we note that the moment arm of 

F

2

about the point is equal to (b/2) sin !.

Likewise, the moment arm of 

F

4

about is also (b/2) sin !. Because F

2

"

F

4

"

IaB, the

magnitude of the net torque about is

where  ab is  the  area  of  the  loop.  This  result  shows  that  the  torque  has  its
maximum value IAB when the field is perpendicular to the normal to the plane of the
loop (! " 90°), as we saw when discussing Figure 29.13, and is zero when the field is
parallel to the normal to the plane of the loop (! " 0).

A  convenient  expression  for  the  torque  exerted  on  a  loop  placed  in  a  uniform

magnetic field 

B is

(29.9)

where 

A, the vector shown in Figure 29.14, is perpendicular to the plane of the loop and

has a magnitude equal to the area of the loop. We determine the direction of 

A using the

right-hand rule described in Figure 29.15. When you curl the fingers of your right hand
in the direction of the current in the loop, your thumb points in the direction of 

A. As

we see in Figure 29.14, the loop tends to rotate in the direction of decreasing values of !
(that is, such that the area vector 

A rotates toward the direction of the magnetic field).

The  product  I

A is  defined  to  be  the  magnetic  dipole  moment " (often  simply

called the “magnetic moment”) of the loop:

(29.10)

The SI unit of magnetic dipole moment is ampere-meter

2

(A # m

2

). Using this definition,

we can express the torque exerted on a current-carrying loop in a magnetic field 

B as

(29.11)

Note that this result is analogous to Equation 26.18, # "

p ! E, for the torque exerted

on  an  electric  dipole  in  the  presence  of  an  electric  field 

E,  where  p is  the  electric

dipole moment.

# $ " !

B

" "

I

 

A

# "

I

 

A ! B

 " IAB sin !

 " IaB  

#

b

2

 sin !

$

'

IaB  

#

b

2

 sin !

$

"

IabB sin !

) "

F

 

b

2

 sin ! ' F

 

b

2

 sin !  

F

2

F

4

O

B

A

b

2

– sin 

θ

b

2

θ

θ

θ

#

$

×

Active Figure 29.14 An end view of the loop in

Figure 29.13b rotated through an angle with

respect to the magnetic field. If is at an angle 

!

with respect to vector A, which is perpendicular to

the plane of the loop, the torque is IAB sin 

!

where

the magnitude of is A, the area of the loop.

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can choose the current in the

loop, the magnetic field, and

the initial orientation of the loop

and observe the subsequent

motion.

Torque on a current loop in a

magnetic field

Magnetic dipole moment of a

current loop

Torque on a magnetic moment

in a magnetic field

A

I

µ

Figure 29.15 Right-hand rule

for determining the direction of

the vector A. The direction of the

magnetic moment 

"

is the same as

the direction of A.

906

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

Although we obtained the torque for a particular orientation of 

B with respect to

the loop, the equation # " " !

B is valid for any orientation. Furthermore, although

we derived the torque expression for a rectangular loop, the result is valid for a loop of
any shape.

If a coil consists of turns of wire, each carrying the same current and enclosing

the same area, the total magnetic dipole moment of the coil is times the magnetic
dipole moment for one turn. The torque on an N-turn coil is times that on a one-
turn coil. Thus, we write # "

N"

loop

!

B " "

coil

!

B.

In Section 26.6, we found that the potential energy of a system of an electric dipole

in an electric field is given by " $

E. This energy depends on the orientation of

the dipole in the electric field. Likewise, the potential energy of a system of a magnetic
dipole in a magnetic field depends on the orientation of the dipole in the magnetic
field and is given by

(29.12)

From this expression, we see that the system has its lowest energy U

min

" $

+

when "

points in the same direction as 

B. The system has its highest energy U

max

" '

+

when

"

points in the direction opposite 

B.

" $" %

B

Example 29.3 The Magnetic Dipole Moment of a Coil

A rectangular coil of dimensions 5.40 cm % 8.50 cm consists
of 25 turns of wire and carries a current of 15.0 mA. A 0.350-T
magnetic field is applied parallel to the plane of the loop.

(A)

Calculate the magnitude of its magnetic dipole moment.

Solution Because the coil has 25 turns, we modify Equation
29.10 to obtain

1.72 % 10

$

3

 A#m

2

"

+

coil

"

NIA " (25)(15.0 % 10

$

3

 A)(0.054 0 m)(0.085 0 m)

(B)

What  is  the  magnitude  of  the  torque  acting  on  the

loop?

Solution Because 

B is  perpendicular  to  "

coil

,  Equation

29.11 gives

6.02 % 10

$

4

 N#m

"

) " +

coil

 

" (1.72 % 10

$

3

 A#m

2

)(0.350 T)

Potential energy of a system

of a magnetic moment in a

magnetic field

Quick Quiz 29.6

Rank the magnitudes of the torques acting on the rectan-

gular loops shown edge-on in Figure 29.16, from highest to lowest. All loops are identi-
cal and carry the same current.

Quick Quiz 29.7

Rank the magnitudes of the net forces acting on the rec-

tangular  loops  shown  in  Figure  29.16,  from  highest  to  lowest.  All  loops  are  identical
and carry the same current.

(a)

(b)

(c)

×

×

×

Figure 29.16 (Quick Quiz 29.6) Which current loop (seen edge-on) experiences the

greatest torque? (Quick Quiz 29.7) Which current loop (seen edge-on) experiences the

greatest net force?

SECTION 29.4 •  Motion of a Charged Particle in a Uniform Magnetic Field

907

Example 29.4 Satellite Attitude Control

Many satellites use coils called torquers to adjust their orien-
tation. These devices interact with the Earth’s magnetic field
to  create  a  torque  on  the  spacecraft  in  the  x,  y,  or  direc-
tion.  The  major  advantage  of  this  type  of  attitude-control
system is that it uses solar-generated electricity and so does
not consume any thruster fuel.

If  a  typical  device  has  a  magnetic  dipole  moment  of

250 A # m

2

, what is the maximum torque applied to a satellite

when its torquer is turned on at an altitude where the mag-
nitude of the Earth’s magnetic field is 3.0 % 10

$

5

T?

Solution We once again apply Equation 29.11, recognizing
that  the  maximum  torque  is  obtained  when  the  magnetic
dipole  moment  of  the  torquer  is  perpendicular  to  the
Earth’s magnetic field:

7.5 % 10

$

3

 N#m

"

)

max

"

+

" (250 A#m

2

)(3.0 % 10

$

5

 T)

Example 29.5 The D’Arsonval Galvanometer

An  end  view  of  a  D’Arsonval  galvanometer  (see  Section
28.5) is shown in Figure 29.17. When the turns of wire mak-
ing up the coil carry a current, the magnetic field created by
the magnet exerts on the coil a torque that turns it (along
with its attached pointer) against the spring. Show that the
angle of deflection of the pointer is directly proportional to
the current in the coil.

Solution We can use Equation 29.11 to find the torque )

m

that the magnetic field exerts on the coil. If we assume that
the magnetic field through the coil is perpendicular to the
normal to the plane of the coil, Equation 29.11 becomes

(This is a reasonable assumption because the circular cross
section  of  the  magnet  ensures  radial  magnetic  field  lines.)
This  magnetic  torque  is  opposed  by  the  torque  due  to  the
spring,  which  is  given  by  the  rotational  version  of  Hooke’s
law, )

s

" $

,-

, where , is the torsional spring constant and

-

is the angle through which the spring turns. Because the

coil does not have an angular acceleration when the pointer
is at rest, the sum of these torques must be zero:

Equation 29.10 allows us to relate the magnetic moment of
the turns of wire to the current through them:

+ "

NIA

(1)

     

)

m

'

)

s

"

+

$ ,- " 0

)

m

"

+

B

We  can  substitute  this  expression  for  + in  Equation  (1)  to
obtain

Thus, the angle of deflection of the pointer is directly pro-
portional to the current in the loop. The factor NAB/, tells
us that deflection also depends on the design of the meter.

NAB

,

 I

- "

(NIA)$ ,- " 0

S

Coil

N

Spring

Figure 29.17 (Example 29.5) Structure of a moving-coil

galvanometer.

29.4 Motion of a Charged Particle in a Uniform 

Magnetic Field

In  Section  29.1  we  found  that  the  magnetic  force  acting  on  a  charged  particle
moving in a magnetic field is perpendicular to the velocity of the particle and that
consequently  the  work  done  by  the  magnetic  force  on  the  particle  is  zero.  Now
consider  the  special  case  of  a  positively  charged  particle  moving  in  a  uniform
magnetic  field  with  the  initial  velocity  vector  of  the  particle  perpendicular  to  the
field.  Let  us  assume  that  the  direction  of  the  magnetic  field  is  into  the  page,  as  in
Figure 29.18. As the particle changes the direction of its velocity in response to the
magnetic  force,  the  magnetic  force  remains  perpendicular  to  the  velocity.  As  we
found in Section 6.1, if the force is always perpendicular to the velocity, the path of

the particle is a circle! Figure 29.18 shows the particle moving in a circle in a plane
perpendicular to the magnetic field.

The particle moves in a circle because the magnetic force 

F

B

is perpendicular to 

v

and 

B and  has  a  constant  magnitude  qvB. As  Figure  29.18  illustrates,  the  rotation  is

counterclockwise  for  a  positive  charge.  If  were  negative,  the  rotation  would  be
clockwise. We can use Equation 6.1 to equate this magnetic force to the product of the
particle mass and the centripetal acceleration:

(29.13)

That is, the radius of the path is proportional to the linear momentum mv of the parti-
cle and inversely proportional to the magnitude of the charge on the particle and to
the  magnitude  of  the  magnetic  field.  The  angular  speed  of  the  particle  (from  Eq.
10.10) is

(29.14)

The period of the motion (the time interval the particle requires to complete one rev-
olution) is equal to the circumference of the circle divided by the linear speed of the
particle:

(29.15)

These results show that the angular speed of the particle and the period of the circular
motion do not depend on the linear speed of the particle or on the radius of the orbit.
The angular speed . is often referred to as the 

cyclotron frequency because charged

particles circulate at this angular frequency in the type of accelerator called a cyclotron,
which is discussed in Section 29.5.

If  a  charged  particle  moves  in  a  uniform  magnetic  field  with  its  velocity  at  some

arbitrary angle with respect to 

B, its path is a helix. For example, if the field is directed

in the direction, as shown in Figure 29.19, there is no component of force in the x
direction.  As  a  result,  a

x

"

0,  and  the  component  of  velocity  remains  constant.

However,  the  magnetic  force  q

v ! B causes  the  components  v

y

and  v

z

to  change  in

time, and the resulting motion is a helix whose axis is parallel to the magnetic field.
The projection of the path onto the yz plane (viewed along the axis) is a circle. (The
projections  of  the  path  onto  the  xy and  xz planes  are  sinusoids!)  Equations  29.13  to
29.15 still apply provided that is replaced by v

!

.

"

v

 

2

y

'

v

 

2

z

"

2/r

v

"

2/

.

"

2/m

qB

. "

v

r

"

qB

m

 "

mv

qB

 

F

B

"

qvB "

mv

 

2

r

 

'

 ma

c

908

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

r

v

v

v

q

q

q

B

in

+

+

+

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

F

B

F

B

F

B

Active Figure 29.18 When the

velocity of a charged particle is

perpendicular to a uniform

magnetic field, the particle moves

in a circular path in a plane

perpendicular to B. The magnetic

force F

B

acting on the charge is

always directed toward the center

of the circle.

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can adjust the mass, speed,

and charge of the particle and

the magnitude of the magnetic

field to observe the resulting

circular motion.

Helical

path

B

x

+q

z

y

+

Active Figure 29.19 A charged

particle having a velocity vector

that has a component parallel to

a uniform magnetic field moves in

a helical path.

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can adjust the x component of

the velocity of the particle and

observe the resulting helical

motion.

Quick Quiz 29.8

A charged particle is moving perpendicular to a magnetic

field in a circle with a radius r. An identical particle enters the field, with 

v perpendicu-

lar to 

B, but with a higher speed than the first particle. Compared to the radius of the

circle for the first particle, the radius of the circle for the second particle is (a) smaller
(b) larger (c) equal in size.

Quick Quiz 29.9

A charged particle is moving perpendicular to a magnetic

field in a circle with a radius r. The magnitude of the magnetic field is increased. Com-
pared to the initial radius of the circular path, the radius of the new path is (a) smaller
(b) larger (c) equal in size.

 

 

 

 

 

 

 

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