Physics For Scientists And Engineers 6E - part 242

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  240  241  242  243   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 242

 

 

Problems

965

(T)

B

(T)

0.2

4.8 & 10

'

5

0.4

7.0 & 10

'

5

0.6

8.8 & 10

'

5

0.8

1.2 & 10

'

4

1.0

1.8 & 10

'

4

1.2

3.1 & 10

'

4

1.4

8.7 & 10

'

4

1.6

3.4 & 10

'

3

1.8

1.2 & 10

'

1

Table P30.70

Figure P30.69

Figure P30.67

x

P

I

L

L

r = e

θ

y

x

r

dr

s

θ

   =   /4

π

β

I

I

The loop has a length L, radius R, and carries a current I

2

.

The axis of the loop coincides with the wire. Calculate the
force exerted on the loop.

66. Measurements  of  the  magnetic  field  of  a  large  tornado

were  made  at  the  Geophysical  Observatory  in  Tulsa,
Oklahoma,  in  1962.  The  tornado’s  field  was  measured  to
be  " 1.50 & 10

'

8

T  pointing  north  when  the  tornado

was  9.00 km  east  of  the  observatory.  What  current  was
carried up or down the funnel of the tornado, modeled as
a long straight wire?

A wire is formed into the shape of a square of edge length
(Fig. P30.67). Show that when the current in the loop is
I,  the  magnetic  field  at  point  P,  a  distance  from  the
center of the square along its axis is

"

#

0

IL

2

2$(x

 

2

*

L

2

/4)

x

 

2

*

L

2

/2

67.

68.

The force on a magnetic dipole " aligned with a nonuni-
form  magnetic  field  in  the  direction  is  given  by
F

x

"

"""dB/dx.  Suppose  that  two  flat  loops  of  wire  each

have  radius  and  carry  current  I.  (a)  The  loops
are arranged  coaxially  and  separated  by  a  variable
distance x, large compared to R. Show that the magnetic
force  between  them  varies  as  1/x

4

.  (b)  Evaluate  the

magnitude of this force if " 10.0 A, " 0.500 cm, and
" 5.00 cm.

69.

A  wire  carrying  a  current  is  bent  into  the  shape  of  an
exponential  spiral,  e

!

,  from  ! " 0  to  ! " 2$ as  sug-

gested in Figure P30.69. To complete a loop, the ends of
the spiral are connected by a straight wire along the axis.
Find  the  magnitude  and  direction  of 

B at  the  origin.

Suggestions: Use the Biot–Savart law. The angle 9 between a
radial  line  and  its  tangent  line  at  any  point  on  the  curve
(!) is related to the function in the following way:

Thus  in  this  case  e

!

,  tan  9 " 1  and  9 " $/4.

Therefore, the angle between d

s and ˆr is $ ' 9 " 3$/4.

Also

ds "

dr

sin($/4)

"

dr

tan 9 "

r

dr/d!

70.

Table  P30.70  contains  data  taken  for  a  ferromagnetic
material.  (a)  Construct  a  magnetization  curve  from  the
data.  Remember  that

B " B

0

*

#

0

M.  (b)  Determine  the

ratio  B/B

0

for  each  pair  of  values  of  and  B

0

,  and

construct a graph of B/B

0

versus B

0

. (The fraction B/B

0

is

called the relative permeability, and it is a measure of the
induced magnetic field.)

71.

A sphere of radius has a uniform volume charge density
:

.  Determine  the  magnetic  field  at  the  center  of  the

sphere when it rotates as a rigid object with angular speed
4

about an axis through its center (Fig. P30.71).

Figure P30.71 Problems 71 and 72.

R

4

72.

A sphere of radius has a uniform volume charge density
:

Determine the magnetic dipole moment of the sphere

when it rotates as a rigid body with angular speed 4 about
an axis through its center (Fig. P30.71).

73.

A long cylindrical conductor of radius has two cylindrical
cavities of diameter through its entire length, as shown
in  Figure  P30.73.  A  current  I  is  directed  out  of  the  page
and  is  uniform  through  a  cross  section  of  the  conductor.
Find the magnitude and direction of the magnetic field in
terms of #

0

Ir, and at (a) point P

1

and (b) point P

2

.

Answers to Quick Quizzes

30.1 BCA. Point is closest to the current element. Point C

is  farther  away  and  the  field  is  further  reduced  by  the
sin ! factor in the cross product d

s ! ˆr. The field at is

zero because ! " 0.

30.2 (c). F

1

"

F

2

as required by Newton’s third law. Another

way  to  arrive  at  this  answer  is  to  realize  that  Equation

30.11 gives the same result whether the multiplication of
currents is (2 A)(6 A) or (6 A)(2 A).

30.3 (a). The coils act like wires carrying parallel currents in

the same direction and hence attract one another.

30.4 bdac. Equation 30.13 indicates that the value of the

line  integral  depends  only  on  the  net  current  through
each  closed  path.  Path  encloses  1 A,  path  encloses
3 A, path encloses 4 A, and path encloses 6 A.

30.5 b,  then  d.  Paths  a,  c,  and  all  give  the  same

nonzero  value  #

0

because  the  size  and  shape  of  the

paths do not matter. Path does not enclose the current,
and hence its line integral is zero.

30.6 (c).  The  magnetic  field  in  a  very  long  solenoid  is  inde-

pendent  of  its  length  or  radius.  Overwrapping  with  an
additional  layer  of  wire  increases  the  number  of  turns
per unit length.

30.7 (b). There can be no conduction current because there

is  no  conductor  between  the  plates.  There  is  a  time-
varying  electric  field  because  of  the  decreasing  charge
on  the  plates,  and  the  time-varying  electric  flux
represents a displacement current.

30.8 (c). There is a time-varying electric field because of the

decreasing  charge  on  the  plates.  This  time-varying
electric field produces a magnetic field.

30.9 (a).  The  loop  that  looks  like  Figure  30.32a  is  better

because the remanent magnetization at the point corre-
sponding to point in Figure 30.31 is greater.

30.10 (b).  The  lines  of  the  Earth’s  magnetic  field  enter  the

planet in Hudson Bay and emerge from Antarctica; thus,
the field lines resulting from the current would have to
go in the opposite direction. Compare Figure 30.7a with
Figure 30.36.

966

CHAPTE R 3 0 •  Sources of the Magnetic Field

Figure P30.73

P

1

P

2

r

r

a

a

Calvin and Hobbes © Watterson. Reprinted with permission of Universal Press

Syndicate. All rights reserved.

Faraday’s Law

C H A P T E R   O U T L I N E

31.1 Faraday’s Law of Induction

31.2 Motional emf

31.3 Lenz’s Law

31.4 Induced emf and Electric

Fields

31.5 Generators and Motors

31.6 Eddy Currents

31.7 Maxwell’s Equations

In a commercial electric power plant, large generators produce energy that is transferred

out of the plant by electrical transmission. These generators use magnetic induction to
generate a potential difference when coils of wire in the generator are rotated in a magnetic
field. The source of energy to rotate the coils might be falling water, burning fossil fuels, or a
nuclear reaction. (Michael Melford/Getty Images)

Chapter 31

967

968

T

he focus of our studies in electricity and magnetism so far has been the electric fields

produced by stationary charges and the magnetic fields produced by moving charges.
This chapter explores the effects produced by magnetic fields that vary in time.

Experiments  conducted  by  Michael  Faraday  in  England  in  1831  and  indepen-

dently by Joseph Henry in the United States that same year showed that an emf can
be  induced  in  a  circuit  by  a  changing  magnetic  field.  The  results  of  these  experi-
ments led to a very basic and important law of electromagnetism known as Faraday’s
law of induction
. An emf (and therefore a current as well) can be induced in various
processes that involve a change in a magnetic flux.

With  the  treatment  of  Faraday’s  law,  we  complete  our  introduction  to  the  funda-

mental laws of electromagnetism. These laws can be summarized in a set of four equa-
tions  called  Maxwell’s  equations.  Together  with  the  Lorentz  force  law,  they  represent  a
complete theory for describing the interaction of charged objects.

31.1 Faraday’s Law of Induction

To see how an emf can be induced by a changing magnetic field, consider a loop of
wire connected to a sensitive ammeter, as illustrated in Figure 31.1. When a magnet is
moved toward the loop, the galvanometer needle deflects in one direction, arbitrarily
shown  to  the  right  in  Figure  31.1a.  When  the  magnet  is  brought  to  rest  and  held
stationary relative to the loop (Fig. 31.1b), no deflection is observed. When the magnet
is moved away from the loop, the needle deflects in the opposite direction, as shown in
Figure  31.1c.  Finally,  if  the  magnet  is  held  stationary  and  the  loop  is  moved  either
toward or away from it, the needle deflects. From these observations, we conclude that
the loop detects that the magnet is moving relative to it and we relate this detection to
a change in magnetic field. Thus, it seems that a relationship exists between current
and changing magnetic field.

These results are quite remarkable in view of the fact that 

a current is set up even

though no batteries are present in the circuit! We call such a current an induced
current 
and say that it is produced by an induced emf.

Now let us describe an experiment conducted by Faraday and illustrated in Figure

31.2. A primary coil is connected to a switch and a battery. The coil is wrapped around
an  iron  ring,  and  a  current  in  the  coil  produces  a  magnetic  field  when  the  switch  is
closed. A secondary coil also is wrapped around the ring and is connected to a sensitive
ammeter. No battery is present in the secondary circuit, and the secondary coil is not
electrically  connected  to  the  primary  coil.  Any  current  detected  in  the  secondary
circuit must be induced by some external agent.

Initially, you might guess that no current is ever detected in the secondary circuit.

However, something quite amazing happens when the switch in the primary circuit is
either opened or thrown closed. At the instant the switch is closed, the galvanometer
needle deflects in one direction and then returns to zero. At the instant the switch is
opened,  the  needle  deflects  in  the  opposite  direction  and  again  returns  to  zero.

Michael Faraday

British Physicist and Chemist
(1791–1867)

Faraday is often regarded as the

greatest experimental scientist of

the 1800s. His many

contributions to the study of

electricity include the invention of

the electric motor, electric

generator, and transformer, as

well as the discovery of

electromagnetic induction and

the laws of electrolysis. Greatly

influenced by religion, he refused

to work on the development of

poison gas for the British military.
(By kind permission of the
President and Council of the
Royal Society)

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  240  241  242  243   ..