Physics For Scientists And Engineers 6E - part 239

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 239

 

 

SECTION 3 0.9 •  The Magnetic Field of the Earth

953

Estimate the saturation magnetization in a long cylinder of
iron, assuming one unpaired electron spin per atom.

Solution The  saturation  magnetization  is  obtained  when
all  the  magnetic  moments  in  the  sample  are  aligned.  If
the sample  contains  atoms  per  unit  volume,  then  the
saturation magnetization M

s

has the value

where  # is  the  magnetic  moment  per  atom.  Because  the
molar mass of iron is 55 g/mol and its density is 7.9 g/cm

3

,

M

s

"

n#

Example 30.11 Saturation Magnetization

the  value  of  for  iron  is  8.6 & 10

28

atoms/m

3

.  Assuming

that each atom contributes one Bohr magneton (due to one
unpaired spin) to the magnetic moment, we obtain

This is about half the experimentally determined saturation
magnetization  for  iron,  which  indicates  that  actually  two
unpaired electron spins are present per atom.

8.0 & 10

5

 A/m

"

M

s

"

(8.6 & 10

28

 atoms/m

3

)(9.27 & 10

'

24

 A(m

2

/atom)

30.9 The Magnetic Field of the Earth

When we speak of a compass magnet having a north pole and a south pole, we should
say more properly that it has a “north-seeking” pole and a “south-seeking” pole. By this
we mean that one pole of the magnet seeks, or points to, the north geographic pole of
the  Earth.  Because  the  north  pole  of  a  magnet  is  attracted  toward  the  north
geographic pole of the Earth, we conclude that 

the Earth’s south magnetic pole is

located near the north geographic pole, and the Earth’s north magnetic pole is
located  near  the  south  geographic  pole. In  fact,  the  configuration  of  the  Earth’s
magnetic  field,  pictured  in  Figure  30.36,  is  very  much  like  the  one  that  would  be
achieved by burying a gigantic bar magnet deep in the interior of the Earth.

If a compass needle is suspended in bearings that allow it to rotate in the vertical

plane as well as in the horizontal plane, the needle is horizontal with respect to the
Earth’s  surface  only  near  the  equator.  As  the  compass  is  moved  northward,  the
needle  rotates  so  that  it  points  more  and  more  toward  the  surface  of  the  Earth.
Finally, at a point near Hudson Bay in Canada, the north pole of the needle points
directly downward. This site, first found in 1832, is considered to be the location of
the south magnetic pole of the Earth. It is approximately 1 300 mi from the Earth’s
geographic  North  Pole,  and  its  exact  position  varies  slowly  with  time.  Similarly,  the
north magnetic pole of the Earth is about 1 200 mi away from the Earth’s geographic
South Pole.

Figure 30.36 The Earth’s

magnetic field lines. Note that a

south magnetic pole is near the

north geographic pole, and a

north magnetic pole is near the

south geographic pole.

North

geographic

pole

South

magnetic

pole

Geographic

equator

South

geographic

pole

North

magnetic

pole

N

S

Magnetic equator

954

CHAPTE R 3 0 •  Sources of the Magnetic Field

Although the magnetic field pattern of the Earth is similar to the one that would be

set up by a bar magnet deep within the Earth, it is easy to understand why the source of
the Earth’s magnetic field cannot be large masses of permanently magnetized material.
The Earth does have large deposits of iron ore deep beneath its surface, but the high
temperatures  in  the  Earth’s  core  prevent  the  iron  from  retaining  any  permanent
magnetization.  Scientists  consider  it  more  likely  that  the  true  source  of  the  Earth’s
magnetic  field  is  convection  currents  in  the  Earth’s  core.  Charged  ions  or  electrons
circulating in the liquid interior could produce a magnetic field just as a current loop
does. There is also strong evidence that the magnitude of a planet’s magnetic field is
related  to  the  planet’s  rate  of  rotation.  For  example,  Jupiter  rotates  faster  than  the
Earth,  and  space  probes  indicate  that  Jupiter’s  magnetic  field  is  stronger  than  ours.
Venus, on the other hand, rotates more slowly than the Earth, and its magnetic field is
found to be weaker. Investigation into the cause of the Earth’s magnetism is ongoing.

There is an interesting sidelight concerning the Earth’s magnetic field. It has been

found  that  the  direction  of  the  field  has  been  reversed  several  times  during  the  last
million years. Evidence for this is provided by basalt, a type of rock that contains iron
and that forms from material spewed forth by volcanic activity on the ocean floor. As
the lava cools, it solidifies and retains a picture of the Earth’s magnetic field direction.
The rocks are dated by other means to provide a timeline for these periodic reversals
of the magnetic field.

Figure 30.37 A map of the continental United States showing several lines of constant

magnetic declination.

5

°W

10

°W

15

°W

20

°W

20

°E

15

°E

10

°E

5

°E

0

°

Quick  Quiz  30.10

If  we  wanted  to  cancel  the  Earth’s  magnetic  field  by

running an enormous current loop around the equator, which way would the current
have to to be directed: (a) east to west or (b) west to east?

Because of this distance between the north geographic and south magnetic poles, it

is only approximately correct to say that a compass needle points north. The difference
between true north, defined as the geographic North Pole, and north indicated by a
compass varies from point to point on the Earth, and the difference is referred to as
magnetic declination. For example, along a line through Florida and the Great Lakes, a
compass indicates true north, whereas in the state of Washington, it aligns 25° east of
true north. Figure 30.37 shows some representative values of the magnetic declination
for the continental United States.

Summary

955

The 

Biot–Savart  law says  that  the  magnetic  field  dB at  a  point  due  to  a  length

element d

s that carries a steady current is

(30.1)

where #

0

is the 

permeability of free space, is the distance from the element to the

point P, and ˆ

r is a unit vector pointing from ds toward point P. We find the total field

at by integrating this expression over the entire current distribution.

The  magnetic  force  per  unit  length  between  two  parallel  wires  separated  by  a

distance and carrying currents I

and I

2

has a magnitude

(30.12)

The force is attractive if the currents are in the same direction and repulsive if they

are in opposite directions.

Ampère’s law says that the line integral of B ( ds around any closed path equals #

0

I,

where is the total steady current through any surface bounded by the closed path:

(30.13)

Using  Ampère’s  law,  one  finds  that  the  magnitude  of  the  magnetic  field  at  a

distance from a long, straight wire carrying an electric current is

(30.14)

The field lines are circles concentric with the wire.

The magnitudes of the fields inside a toroid and solenoid are

(30.16)

(30.17)

where is the total number of turns.

The 

magnetic flux 1

B

through a surface is defined by the surface integral

(30.18)

Gauss’s law of magnetism states that the net magnetic flux through any closed

surface is zero.

The general form of Ampère’s law, which is also called the 

Ampère–Maxwell law, is

(30.22)

This  law  describes  the  fact  that  magnetic  fields  are  produced  both  by  conduction
currents and by changing electric fields.

When  a  substance  is  placed  in  an  external  magnetic  field 

B

0, 

the  total  magnetic

field 

B is  a  combination  of  the  external  field  and  a  magnetic  field  due  to  magnetic

moments of atoms and electrons within the substance:

(30.29)

B " B

0

*

#

0

M

%

 

B(ds " #

0

* #

0

0

0

 

d1

E

dt

1

B

"

!

 

B(d

 

A

" #

0

 

N

!

 " #

0

nI

   

(solenoid

 

)

"

#

0

NI

2$r

   

(toroid)

"

#

0

I

2$r

%

 

B(d

 

s " #

0

I

F

B

!

"

#

0

I

1

I

2

2$a

d

 

B "

#

0

4$

 

I d

s ! ˆr

r

 

2

S U M M A R Y

Take a practice test for

this chapter by clicking on
the Practice Test link at
http://www.pse6.com.

956

CHAPTE R 3 0 •  Sources of the Magnetic Field

where 

M is  the  magnetization  vector. The  magnetization  vector  is  the  magnetic

moment per unit volume in the substance.

The effect of external currents on the magnetic field in a substance is described by

the 

magnetic field strength H " B

0

/#

0. 

The magnetization vector is related to the

magnetic field strength as follows:

(30.32)

where 8 is the 

magnetic susceptibility.

Substances  can  be  classified  into  one  of  three  categories  that  describe  their

magnetic  behavior. 

Diamagnetic substances are those in which the magnetization is

weak  and  opposite  the  field 

B

0

, so  that  the  susceptibility  is  negative. 

Paramagnetic

substances  are  those  in  which  the  magnetization  is  weak  and  in  the  same  direction
as the  field 

B

0

,  so  that  the  susceptibility  is  positive.  In 

ferromagnetic substances,

interactions  between  atoms  cause  magnetic  moments  to  align  and  create  a  strong
magnetization that remains after the external field is removed.

M " 8H

1. Is  the  magnetic  field  created  by  a  current  loop  uniform?

Explain.

2. A current in a conductor produces a magnetic field that

can  be  calculated  using  the  Biot–Savart  law.  Because
current is defined as the rate of flow of charge, what can
you  conclude  about  the  magnetic  field  produced  by
stationary charges? What about that produced by moving
charges?

Explain  why  two  parallel  wires  carrying  currents  in
opposite directions repel each other.

4. Parallel current-carrying wires exert magnetic forces on each

other.  What  about  perpendicular  wires?  Imagine  two  such
wires  oriented  perpendicular  to  each  other,  and  almost
touching. Does a magnetic force exist between the wires?

5. Is  Ampère’s  law  valid  for  all  closed  paths  surrounding  a

conductor?  Why  is  it  not  useful  for  calculating 

B for  all

such paths?

6. Compare Ampère’s law with the Biot–Savart law. Which is

more  generally  useful  for  calculating 

B for  a  current-

carrying conductor?

7. Is the magnetic field inside a toroid uniform? Explain.
8. Describe the similarities between Ampère’s law in magnet-

ism and Gauss’s law in electrostatics.

A hollow copper tube carries a current along its length. Why
is 

B " 0 inside the tube? Is B nonzero outside the tube?

10. Describe  the  change  in  the  magnetic  field  in  the  space

enclosed by a solenoid carrying a steady current if (a) the
length of the solenoid is doubled but the number of turns
remains the same and (b) the number of turns is doubled
but the length remains the same.

11. A  flat  conducting  loop  is  located  in  a  uniform  magnetic

field directed along the axis. For what orientation of the
loop is the flux through it a maximum? A minimum?

12. What  new  concept  did  Maxwell’s  generalized  form  of

Ampère’s law include?

9.

3.

13. Many  loops  of  wire  are  wrapped  around  a  nail  and  the

ends  of  the  wire  are  connected  to  a  battery.  Identify  the
source of 

M, of H, and of B.

14. A magnet attracts a piece of iron. The iron can then attract

another piece of iron. On the basis of domain alignment,
explain what happens in each piece of iron.

15. Why  does  hitting  a  magnet  with  a  hammer  cause  the

magnetism to be reduced?

16. A  Hindu  ruler  once  suggested  that  he  be  entombed  in  a

magnetic  coffin  with  the  polarity  arranged  so  that  he
would be forever suspended between heaven and Earth. Is
such magnetic levitation possible? Discuss.

17. Why  is 

M " 0  in  a  vacuum?  What  is  the  relationship

between 

B and H in a vacuum?

18. Explain why some atoms have permanent magnetic dipole

moments and others do not.

19. What  factors  contribute  to  the  total  magnetic  dipole

moment of an atom?

20. Why  is  the  susceptibility  of  a  diamagnetic  substance

negative?

21. Why  can  the  effect  of  diamagnetism  be  neglected  in  a

paramagnetic substance?

22. Explain  the  significance  of  the  Curie  temperature  for  a

ferromagnetic substance.

23. Discuss  the  difference  among  ferromagnetic,  paramag-

netic, and diamagnetic substances.

24. A  current  in  a  solenoid  having  air  in  the  interior  creates

a magnetic  field 

B " #

0

H. Describe  qualitatively  what

happens  to  the  magnitude  of 

B as  (a)  aluminum,

(b) copper, and (c) iron are placed in the interior.

25. What  is  the  difference  between  hard  and  soft  ferromag-

netic materials?

26. Should  the  surface  of  a  computer  disk  be  made  from  a

hard or a soft ferromagnetic substance?

Q U E S T I O N S

 

 

 

 

 

 

 

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