Physics For Scientists And Engineers 6E - part 236

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 236

 

 

30.6 Gauss’s Law in Magnetism

In Chapter 24 we found that the electric flux through a closed surface surrounding a net
charge is proportional to that charge (Gauss’s law). In other words, the number of electric
field lines leaving the surface depends only on the net charge within it. This property is
based on the fact that electric field lines originate and terminate on electric charges.

The situation is quite different for magnetic fields, which are continuous and form

closed loops. In other words, magnetic field lines do not begin or end at any point—as
illustrated in Figures 30.4 and 30.23. Figure 30.23 shows the magnetic field lines of a bar
magnet. Note that for any closed surface, such as the one outlined by the dashed line in
Figure 30.23, the number of lines entering the surface equals the number leaving the
surface; thus, the net magnetic flux is zero. In contrast, for a closed surface surrounding
one charge of an electric dipole (Fig. 30.24), the net electric flux is not zero.

Gauss’s law in magnetism states that

SECTION 3 0.6 •  Gauss’s Law in Magnetism

941

A rectangular loop of width and length is located near a
long  wire  carrying  a  current  (Fig.  30.22).  The  distance
between  the  wire  and  the  closest  side  of  the  loop  is  c.  The
wire  is  parallel  to  the  long  side  of  the  loop.  Find  the  total
magnetic  flux  through  the  loop  due  to  the  current  in  the
wire.

Solution From  Equation  30.14,  we  know  that  the  magni-
tude of the magnetic field created by the wire at a distance r
from the wire is

"

#

0

I

2$r

The factor 1/indicates that the field varies over the loop,
and  Figure  30.22  shows  that  the  field  is  directed  into  the
page at the location of the loop. Because 

B is parallel to dA

at any point within the loop, the magnetic flux through an
area element dA is

To integrate, we first express the area element (the tan

region in Fig. 30.22) as dA b dr. Because is now the only
variable in the integral, we have

What  If?

Suppose  we  move  the  loop  in  Figure  30.22  very

far away from the wire. What happens to the magnetic flux? 

Answer The flux should become smaller as the loop moves
into weaker and weaker fields.

As the loop moves far away, the value of is much larger

than that of a, so that a/: 0. Thus, the natural logarithm
in Equation (1) approaches the limit

and we find that 1

B

:

0 as we expected.

ln 

&

1 *

a

c

'

 

9:

 

ln(1 * 0) " ln(1) " 0

#

0

Ib

2$

  ln 

&

1 *

a

c

'

(1)

     

"

#

0

Ib

2$

  ln 

&

c

c

'

"

 1

B

"

#

0

Ib

2$

  

!

a*c

c

  

dr

r

"

#

0

Ib

2$

  ln r 

(

a*c

c

1

B

"

!

 

B dA "

!

  

#

0

I

2$r

  dA

Example 30.8 Magnetic Flux Through a Rectangular Loop 

Interactive

b

r

I

c

a

dr

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

Figure 30.22 (Example 30.8) The magnetic field due to the wire

carrying a current is not uniform over the rectangular loop.

At the Interactive Worked Example link at http://www.pse6.com, you can investigate the flux as the loop parameters change.

the net magnetic flux through any closed surface is always zero:

(30.20)

%

 

 

B(d

 

A " 0

Gauss’s law in magnetism

This  statement  is  based  on  the  experimental  fact,  mentioned  in  the  opening  of
Chapter 29, that isolated magnetic poles (monopoles) have never been detected and
perhaps do not exist. Nonetheless, scientists continue the search because certain theo-
ries that are otherwise successful in explaining fundamental physical behavior suggest
the possible existence of monopoles.

30.7 Displacement Current and the General

Form of Ampère’s Law

We  have  seen  that  charges  in  motion  produce  magnetic  fields.  When  a  current-
carrying  conductor  has  high  symmetry,  we  can  use  Ampère’s  law  to  calculate  the
magnetic  field  it  creates.  In  Equation  30.13, 

# B ( ds " #

0

I,  the  line  integral  is  over

any closed path through which the conduction current passes, where the conduction
current  is  defined  by  the  expression  dq/dt.  (In  this  section  we  use  the  term
conduction  current to  refer  to  the  current  carried  by  the  wire,  to  distinguish  it  from  a
new type of current that we shall introduce shortly.) We now show that 

Ampère’s law

in  this  form  is  valid  only  if  any  electric  fields  present  are  constant  in  time.
Maxwell recognized this limitation and modified Ampère’s law to include time-varying
electric fields.

We can understand the problem by considering a capacitor that is being charged as

illustrated in Figure 30.25. When a conduction current is present, the charge on the
positive  plate  changes  but  no  conduction  current  exists  in  the  gap  between  the  plates.  Now
consider  the  two  surfaces  S

1

and  S

2

in  Figure  30.25,  bounded  by  the  same  path  P.

Ampère’s law states that 

# B ( ds around this path must equal #

0

I, where is the total

current through any surface bounded by the path P.

When  the  path  is  considered  as  bounding  S

1

# B ( ds " #

0

because  the

conduction current passes through S

1

. When the path is considered as bounding S

2

,

however, 

# B ( ds " 0  because  no  conduction  current  passes  through  S

2

.  Thus,  we

have a  contradictory  situation  that  arises  from  the  discontinuity  of  the  current!
Maxwell  solved  this  problem  by  postulating  an  additional  term  on  the  right  side

942

CHAPTE R 3 0 •  Sources of the Magnetic Field

N

S

Figure 30.23 The magnetic field lines of a bar magnet form

closed loops. Note that the net magnetic flux through a closed

surface surrounding one of the poles (or any other closed surface)

is zero. (The dashed line represents the intersection of the surface

with the page.)

+

Figure 30.24 The electric field lines surrounding an electric

dipole begin on the positive charge and terminate on the negative

charge. The electric flux through a closed surface surrounding one

of the charges is not zero.

Path P

A

q

S

1

S

2

q

I

Figure 30.25 Two surfaces S

1

and

S

2

near the plate of a capacitor are

bounded by the same path P. The

conduction current in the wire

passes only through S

1

. This leads

to a contradiction in Ampère’s law

that is resolved only if one postu-

lates a displacement current

through S

2

.

of Equation  30.13,  which  includes  a  factor  called  the 

displacement  current I

d

,

defined as

4

(30.21)

where  0

0

is  the  permittivity  of  free  space  (see  Section  23.3)  and 

is  the

electric flux (see Eq. 24.3).

As  the  capacitor  is  being  charged  (or  discharged),  the  changing  electric  field

between  the  plates  may  be  considered  equivalent  to  a  current  that  acts  as  a
continuation  of  the  conduction  current  in  the  wire.  When  the  expression  for  the
displacement  current  given  by  Equation  30.21  is  added  to  the  conduction  current
on  the  right  side  of  Ampère’s  law,  the  difficulty  represented  in  Figure  30.25  is
resolved.  No  matter  which  surface  bounded  by  the  path  is  chosen,  either  a
conduction current or a displacement current passes through it. With this new term
I

d

,  we  can  express  the  general  form  of  Ampère’s  law  (sometimes  called  the

Ampère–Maxwell law) as

5

(30.22)

We can understand the meaning of this expression by referring to Figure 30.26. The
electric  flux  through  surface  S

2

is 

,  where  is  the  area  of  the

capacitor  plates  and  is  the  magnitude  of  the  uniform  electric  field  between
the plates.  If  is  the  charge  on  the  plates  at  any  instant,  then  q/(0

0

A).  (See

Section 26.2.) Therefore, the electric flux through S

2

is simply

Hence, the displacement current through S

2

is

(30.23)

That  is,  the  displacement  current  I

d

through  S

2

is  precisely  equal  to  the  conduction

current through S

1

!

I

d

"

0

 

d1

E

dt

"

dq

dt

1

E

"

EA "

q

0

0

1

2

"

!E(d

 

A " 23

%

 

B(d

 

s " #

0

(I

d

) " #

0

* #

0

0

0

 

d

 

1

E

dt

1

2

"

!E(d

 

A

I

d 

) 0

0

 

d1

E

dt

SECTION 3 0.7 •  Displacement Current and the General Form of Ampère’s Law

943

Ampère–Maxwell law

Displacement current

4

Displacement in  this  context  does  not  have  the  meaning  it  does  in  Chapter  2.  Despite  the

inaccurate  implications,  the  word  is  historically  entrenched  in  the  language  of  physics,  so  we

continue to use it.

5

Strictly speaking, this expression is valid only in a vacuum. If a magnetic material is present,

one must change

#

0

and 

0

0

on the right-hand side of Equation 30.22 to the permeability 

#

m

(see

Section  30.8)  and  permittivity 

0

characteristic  of  the  material.  Alternatively,  one  may  include  a

magnetizing  current  I

m

on  the  right  hand  side  of  Equation  30.22  to  make  Ampère’s  law  fully

general. On a microscopic scale, I

m

is as real as I.

E

q

S

2

S

1

q

I

I

Figure 30.26 Because it exists only in the wires attached to the capacitor plates, the

conduction current dq/dt passes through S

1

but not through S

2

. Only the

displacement current I

d

"

0

0

d1

E

/dt passes through S

2

. The two currents must be equal

for continuity.

944

CHAPTE R 3 0 •  Sources of the Magnetic Field

A  sinusoidally  varying  voltage  is  applied  across  an  8.00-#F
capacitor. The frequency of the voltage is 3.00 kHz, and the
voltage  amplitude  is  30.0 V.  Find  the  displacement  current
in the capacitor.

Solution The  angular  frequency  of  the  source,  from
Equation 15.12, is given by 4 " 2$" 2$(3.00 & 10

3

Hz) "

1.88 & 10

4

s

'

1

.  Hence,  the  voltage  across  the  capacitor  in

terms of is

5

" 5V

max

sin 4" (30.0 V) sin(1.88 & 10

4

t)

We  can  use  Equation  30.23  and  the  fact  that  the  charge
on the  capacitor  is  5to  find  the  displacement

By considering surface S

2

, we can identify the displacement current as the source of

the magnetic field on the surface boundary. The displacement current has its physical
origin in the time-varying electric field. The central point of this formalism is that

Quick Quiz 30.7

In an RC circuit, the capacitor begins to discharge. During

the  discharge,  in  the  region  of  space  between  the  plates  of  the  capacitor,  there  is
(a) conduction current but no displacement current, (b) displacement current but no
conduction current, (c) both conduction and displacement current, (d) no current of
any type.

Quick Quiz 30.8

The capacitor in an RC circuit begins to discharge. During

the discharge, in the region of space between the plates of the capacitor, there is (a) an
electric field but no magnetic field, (b) a magnetic field but no electric field, (c) both
electric and magnetic fields, (d) no fields of any type.

magnetic  fields  are  produced  both  by  conduction  currents  and  by  time-varying
electric fields.

current:

The displacement current varies sinusoidally with time and
has a maximum value of 4.52 A.

(4.52 A) cos(1.88 & 10

4

 t)

"

"

(8.00 & 10

'

6

 F) 

d

dt

 [(30.0 V) sin(1.88 & 10

4

 t)]

I

d

"

dq

dt

"

d

dt

 (C 

V

 

) "  

d

dt

 (

V

 

)

Example 30.9 Displacement Current in a Capacitor

This  result  was  a  remarkable  example  of  theoretical  work  by  Maxwell,  and  it
contributed to major advances in the understanding of electromagnetism.

30.8 Magnetism in Matter

The magnetic field produced by a current in a coil of wire gives us a hint as to what
causes certain materials to exhibit strong magnetic properties. Earlier we found that a
coil like the one shown in Figure 30.18 has a north pole and a south pole. In general,
any current loop has a magnetic field and thus has a magnetic dipole moment, includ-
ing the atomic-level current loops described in some models of the atom.

The Magnetic Moments of Atoms

We begin our discussion with a classical model of the atom in which electrons move
in circular  orbits  around  the  much  more  massive  nucleus.  In  this  model,  an
orbiting electron  constitutes  a  tiny  current  loop  (because  it  is  a  moving  charge),

 

 

 

 

 

 

 

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