Physics For Scientists And Engineers 6E - part 244

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 244

 

 

SECTION 31.2 •  Motional emf

973

31.2 Motional emf

In  Examples  31.1  and  31.2,  we  considered  cases  in  which  an  emf  is  induced  in  a
stationary circuit placed in a magnetic field when the field changes with time. In this
section  we  describe  what  is  called 

motional  emf, which  is  the  emf  induced  in  a

conductor moving through a constant magnetic field.

The  straight  conductor  of  length  ! shown  in  Figure  31.9  is  moving  through  a

uniform  magnetic  field  directed  into  the  page.  For  simplicity,  we  assume  that  the
conductor is moving in a direction perpendicular to the field with constant velocity
under the influence of some external agent. The electrons in the conductor experi-
ence a force 

F

B

"

q

v " B that is directed along the length !, perpendicular to both

v and  B (Eq.  29.1).  Under  the  influence  of  this  force,  the  electrons  move  to  the
lower  end  of  the  conductor  and  accumulate  there,  leaving  a  net  positive  charge  at
the upper end. As a result of this charge separation, an electric field 

E is produced

t

B

B

max

Figure 31.7 (Example 31.2) Exponential decrease in the

magnitude of the magnetic field with time. The induced emf

and induced current vary with time in the same way.

Conceptual Example 31.3 Which Bulb Is Shorted Out?

Two bulbs are connected to opposite sides of a circular loop
of wire, as shown in Figure 31.8a. A changing magnetic field
(confined to the smaller circular area shown in the figure)
induces  an  emf  in  the  loop  that  causes  the  two  bulbs  to
light.  When  the  switch  is  closed,  the  resistance-free  wires
connected  to  the  switch  short  out  bulb  2  and  it  goes  out.
What  happens  if  the  wires  containing  the  closed  switch
remain connected at points and b, but the switch and the
wires are lifted up and moved to the other side of the field,
as in Figure 3.18b? The wire is still connected to bulb 2 as it
was before, so does it continue to stay dark?

Solution When  the  wire  is  moved  to  the  other  side,  even
though the connections have not changed, bulb 1 goes out
and  bulb  2  glows.  The  bulb  that  is  shorted  depends  on
which side of the changing field the switch is positioned! In
Figure  31.8a,  because  the  branch  containing  bulb  2  is  infi-
nitely  more  resistant  than  the  branch  containing  the
resistance-free switch, we can imagine removing the branch
with  the  bulb  without  altering  the  circuit.  Then  we  have  a
simple loop containing only bulb 1, which glows.

When  the  wire  is  moved,  as  in  Figure  31.8b,  there  are

two possible paths for current below points and b. We can
imagine  removing  the  branch  with  bulb  1,  leaving  only  a
single loop with bulb 2.

× × × × × × ×

× × × × × × ×

× × × × × × ×

× × × × × × ×

× × × × ×

× × × × ×

× × × × × × ×

× × × × × × ×

× × × × × × ×

× × × × × × ×

× × × × ×

× × × × ×

Bulb 1

Bulb 1

Bulb 2

Bulb 2

Switch

Switch

a

b

aa

b

(b)

(a)

Figure 31.8 (Conceptual Example 31.3) (a) When the wire

with the switch is located as shown, bulb 2 goes out when the

switch is closed. (b) What happens when the switch and the

wires are moved to the other side of the magnetic field?

!

B

"

BA cos 0 " AB

max

e

%

at

Because AB

max

and are constants, the induced emf calcu-

lated from Equation 31.1 is

"

This  expression  indicates  that  the  induced  emf  decays
exponentially  in  time.  Note  that  the  maximum  emf  occurs
at  " 0,  where 

$

max

"

aAB

max

.  The  plot  of 

$

versus  is

similar to the B-versus-curve shown in Figure 31.7.

aAB

max

e

%

at

$

" %

d!

B

dt

" %

AB

max

 

d

dt

 e

%

at

inside  the  conductor.  The  charges  accumulate  at  both  ends  until  the  downward
magnetic  force  qvB on  charges  remaining  in  the  conductor  is  balanced  by  the
upward  electric  force  qE.  At  this  point,  electrons  move  only  with  random  thermal
motion. The condition for equilibrium requires that

qE qvB

or

vB

The  electric  field  produced  in  the  conductor  is  related  to  the  potential  difference
across  the  ends  of  the  conductor  according  to  the  relationship  'E! (Eq.  25.6).
Thus, for the equilibrium condition,

'

E! " !v

(31.4)

where the upper end of the conductor in Figure 31.9 is at a higher electric potential
than the lower end. Thus, 

a potential difference is maintained between the ends

of  the  conductor  as  long  as  the  conductor  continues  to  move  through  the 
uniform magnetic field. If the direction of the motion is reversed, the polarity of the
potential difference is also reversed.

A more interesting situation occurs when the moving conductor is part of a closed

conducting  path.  This  situation  is  particularly  useful  for  illustrating  how  a  changing
magnetic flux causes an induced current in a closed circuit. Consider a circuit consist-
ing of a conducting bar of length ! sliding along two fixed parallel conducting rails, as
shown in Figure 31.10a.

For simplicity, we assume that the bar has zero resistance and that the stationary

part  of  the  circuit  has  a  resistance  R.  A  uniform  and  constant  magnetic  field 

B is

applied perpendicular to the plane of the circuit. As the bar is pulled to the right with
a  velocity  under  the  influence  of  an  applied  force 

F

app

,  free  charges  in  the  bar

experience a magnetic force directed along the length of the bar. This force sets up
an  induced  current  because  the  charges  are  free  to  move  in  the  closed  conducting
path. In this case, the rate of change of magnetic flux through the loop and the corre-
sponding  induced  motional  emf  across  the  moving  bar  are  proportional  to  the
change in area of the loop. If the bar is pulled to the right with a constant velocity, the
work  done  by  the  applied  force  appears  as  internal  energy  in  the  resistor  R.  (See
Section 27.6.)

Because the area enclosed by the circuit at any instant is !x, where is the position

of the bar, the magnetic flux through that area is

!

B

"

!x

Using Faraday’s law, and noting that changes with time at a rate dx/dt v, we find
that the induced motional emf is

(31.5)

Because the resistance of the circuit is R, the magnitude of the induced current is

(31.6)

The equivalent circuit diagram for this example is shown in Figure 31.10b.

"

&

$

&

R

"

B!v

R

 

$

" %

B!v

$

" %

d!

B

dt

" %

d

dt

 (B!x) " %B

dx

dt

974

CHAPTE R 31 •  Faraday’s Law

Figure 31.9 A straight electrical conductor of length ! moving

with a velocity through a uniform magnetic field directed

perpendicular to v. Due to the magnetic force on electrons, the

ends of the conductor become oppositely charged. This establishes

an electric field in the conductor. In steady state, the electric and

magnetic forces on an electron in the wire are balanced.

B

in

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

!

+

+

×

×

×

×

F

B

F

e

E

v

Active Figure 31.10 (a) A conduct-

ing bar sliding with a velocity along

two conducting rails under the

action of an applied force F

app

. The

magnetic force F

B

opposes the

motion, and a counterclockwise

current is induced in the loop.

(b) The equivalent circuit diagram

for the setup shown in part (a).

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can adjust the applied force,

the magnetic field, and the

resistance to see the effects on

the motion of the bar.

  

(b)

R

!

B v

ε

=

I

R

F

B

(a)

x

F

app

v

B

in

!

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

I

×

×

×

×

×

×

Motional emf

Let us examine the system using energy considerations. Because no battery is in the

circuit, we might wonder about the origin of the induced current and the energy deliv-
ered to the resistor. We can understand the source of this current and energy by noting
that  the  applied  force  does  work  on  the  conducting  bar,  thereby  moving  charges
through  a  magnetic  field.  Their  movement  through  the  field  causes  the  charges  to
move along the bar with some average drift velocity, and hence a current is established.
The change in energy in the system during some time interval must be equal to the
transfer  of  energy  into  the  system  by  work,  consistent  with  the  general  principle  of
conservation of energy described by Equation 7.17.

Let us verify this mathematically. As the bar moves through the uniform magnetic

field 

B, it experiences a magnetic force F

B

of magnitude I!(see Section 29.2). The

direction of this force is opposite the motion of the bar, to the left in Figure 31.10a.
Because  the  bar  moves  with  constant  velocity,  the  applied  force  must  be  equal  in
magnitude and opposite in direction to the magnetic force, or to the right in Figure
31.10a.  (If 

F

B

acted  in  the  direction  of  motion,  it  would  cause  the  bar  to  accelerate,

violating  the  principle  of  conservation  of  energy.)  Using  Equation  31.6  and  the  fact
that F

app

"

I!B, we find that the power delivered by the applied force is

(31.7)

From Equation 27.23, we see that this power input is equal to the rate at which energy
is delivered to the resistor, so that Equation 7.17 is confirmed in this situation.

" "

F

app

" (I!B)"

B

2

!

2

v

2

R

"

$

2

R

SECTION 31.2 •  Motional emf

975

Example 31.4 Motional emf Induced in a Rotating Bar

A conducting bar of length ! rotates with a constant angular
speed * about a pivot at one end. A uniform magnetic field

B is  directed  perpendicular  to  the  plane  of  rotation,  as
shown  in  Figure  31.11.  Find  the  motional  emf  induced
between the ends of the bar.

Solution Consider a segment of the bar of length dr having
a velocity 

v. According to Equation 31.5, the magnitude of

the emf induced in this segment is

d

$

"

Bv dr

Because  every  segment  of  the  bar  is  moving  perpendicular
to 

B, an emf d

$

of the same form is generated across each

segment.  Summing  the  emfs  induced  across  all  segments,
which  are  in  series,  gives  the  total  emf  between  the  ends

Interactive

Quick Quiz 31.4

As an airplane flies from Los Angeles to Seattle, it passes

through the Earth’s magnetic field. As a result, a motional emf is developed between
the  wingtips.  Which  wingtip  is  positively  charged?  (a)  the  left  wing  (b)  the  right
wing.

Quick  Quiz  31.5

In  Figure  31.10,  a  given  applied  force  of  magnitude  F

app

results in a constant speed and a power input ". Imagine that the force is increased
so that the constant speed of the bar is doubled to 2v. Under these conditions, the new
force and the new power input are (a) 2and 2" (b) 4and 2" (c) 2and 4" (d) 4F
and 4".

Quick Quiz 31.6

You wish to move a rectangular loop of wire into a region

of  uniform  magnetic  field  at  a  given  speed  so  as  to  induce  an  emf  in  the  loop.  The
plane of the loop remains perpendicular to the magnetic field lines. In which orienta-
tion should you hold the loop while you move it into the region of magnetic field in
order to generate the largest emf? (a) with the long dimension of the loop parallel to
the  velocity  vector  (b)  with  the  short  dimension  of  the  loop  parallel  to  the  velocity
vector (c) either way—the emf is the same regardless of orientation.

976

CHAPTE R 31 •  Faraday’s Law

Example 31.5 Magnetic Force Acting on a Sliding Bar

The conducting bar illustrated in Figure 31.12 moves on two
frictionless parallel rails in the presence of a uniform mag-
netic field directed into the page. The bar has mass and
its  length  is  !.  The  bar  is  given  an  initial  velocity  v

i

to  the

right and is released at " 0.

(A)

Using  Newton’s  laws,  find  the  velocity  of  the  bar  as  a

function of time.

(B)

Show that the same result is reached by using an energy

approach.

Solution (A) Conceptualize this situation as follows. As the
bar  slides  to  the  right  in  Figure  31.12,  a  counterclockwise
current  is  established  in  the  circuit  consisting  of  the  bar,
the  rails,  and  the  resistor.  The  upward  current  in  the  bar
results in a magnetic force to the left on the bar as shown in
the  figure.  As  a  result,  the  bar  will  slow  down,  so  our
mathematical solution should demonstrate this. The text of
part  (A)  already  categorizes  this  as  a  problem  in  using
Newton’s laws. To analyze the problem, we determine from

Equation 29.3 that the magnetic force is F

B

" %

I!B, where

the  negative  sign  indicates  that  the  retarding  force  is  to
the left.  Because  this  is  the  only horizontal  force  acting
on the  bar,  Newton’s  second  law  applied  to  motion  in  the

Interactive

of the bar:

To integrate this expression, note that the linear speed of
an  element  is  related  to  the  angular  speed  * through  the
relationship r* (Eq. 10.10). Therefore, because and *
are constants, we find that

What If?

Suppose, after reading through this example, you

come up with a brilliant idea. A Ferris wheel has radial metal-
lic  spokes  between  the  hub  and  the  circular  rim.  These
spokes  move  in  the  magnetic  field  of  the  Earth,  so  each

1

2

 B*!

2

$

"

B 

!

 v dr B

!

!

0

 r dr "

$

"

!

 Bv dr

spoke acts like the bar in Figure 31.11. You plan to use the
emf  generated  by  the  rotation  of  the  Ferris  wheel  to  power
the lightbulbs on the wheel! Will this idea work?

Answer The fact that this is not done in practice suggests
that others may have thought of this idea and rejected it. Let
us  estimate  the  emf  that  is  generated  in  this  situation.  We
know the magnitude of the magnetic field of the Earth from
Table  29.1,  " 0.5 + 10

%

4

T.  A  typical  spoke  on  a  Ferris

wheel  might  have  a  length  on  the  order  of  10 m.  Suppose
the period of rotation is on the order of 10 s. This gives an
angular speed of

Assuming  that  the  magnetic  field  lines  of  the  Earth  are
horizontal at the location of the Ferris wheel and perpendic-
ular to the spokes, the emf generated is

This is a tiny emf, far smaller than that required to operate
lightbulbs.

An  additional  difficulty  is  related  to  energy.  Assuming

you could find lightbulbs that operate using a potential dif-
ference on the order of millivolts, a spoke must be part of a
circuit  in  order  to  provide  a  voltage  to  the  bulbs.  Conse-
quently,  the  spoke  must  carry  a  current.  Because  this
current-carrying  spoke  is  in  a  magnetic  field,  a  magnetic
force is exerted on the spoke and the direction of the force
is opposite to its direction of motion. As a result, the motor
of  the  Ferris  wheel  must  supply  more  energy  to  perform
work against this magnetic drag force. The motor must ulti-
mately  provide  the  energy  that  is  operating  the  lightbulbs
and you have not gained anything for free!

"

2.5 + 10

%

3

 V 

" 1 mV

$

"

1

2

 B*!

2

"

1

2

 (0.5 + 10

%

4

 T)(1 s

%

1

)(10 m)

2

* "

2,

T

"

2,

10 s

"

0.63 s

%

1

 

" 1 s

%

1

v

!

×

B

in

dr

O

r

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

Figure 31.11 (Example 31.4) A conducting bar rotating

around a pivot at one end in a uniform magnetic field that is

perpendicular to the plane of rotation. A motional emf is

induced across the ends of the bar.

At  the  Interactive  Worked  Example  link  at  http://www.pse6.com, you  can  explore  the  induced  emf  for  different  angular
speeds and field magnitudes.

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

F

B

v

i

B

in

×

I

!

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

R

×

×

×

×

×

×

Figure 31.12 (Example 31.5) A conducting bar of length ! on

two fixed conducting rails is given an initial velocity v

i

to the right.

 

 

 

 

 

 

 

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