Physics For Scientists And Engineers 6E - part 246

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 246

 

 

SECTION 31.4 •  Induced emf and Electric Fields

981

31.4 Induced emf and Electric Fields

We  have  seen  that  a  changing  magnetic  flux  induces  an  emf  and  a  current  in  a
conducting  loop.  In  our  study  of  electricity,  we  related  a  current  to  an  electric  field
that  applies  electric  forces  on  charged  particles.  In  the  same  way,  we  can  relate  an
induced current in a conducting loop to an electric field by claiming that 

an electric

field is created in the conductor as a result of the changing magnetic flux.

We  also  noted  in  our  study  of  electricity  that  the  existence  of  an  electric  field  is

independent of the presence of any test charges. This suggests that even in the absence
of a conducting loop, a changing magnetic field would still generate an electric field in
empty space.

This induced electric field is nonconservative, unlike the electrostatic field produced

by stationary charges. We can illustrate this point by considering a conducting loop of
radius situated in a uniform magnetic field that is perpendicular to the plane of the
loop,  as  in  Figure  31.19.  If  the  magnetic  field  changes  with  time,  then,  according  to
Faraday’s law (Eq. 31.1), an emf 

$

" %

d!

B

/dt is induced in the loop. The induction

of a current in the loop implies the presence of an induced electric field 

E, which must

be tangent to the loop because this is the direction in which the charges in the wire
move in response to the electric force. The work done by the electric field in moving a
test charge once around the loop is equal to q

$

. Because the electric force acting on

the charge is q

E, the work done by the electric field in moving the charge once around

the loop is qE(2,r), where 2,is the circumference of the loop. These two expressions
for the work done must be equal; therefore, we see that

Using  this  result,  along  with  Equation  31.1  and  the  fact  that  !

B

"

BA " ,r

2

for  a

circular loop, we find that the induced electric field can be expressed as

(31.8)

If the time variation of the magnetic field is specified, we can easily calculate the in-
duced electric field from Equation 31.8.

The emf for any closed path can be expressed as the line integral of 

E & ds over that

path: 

$

"

&E & ds. In more general cases, may not be constant, and the path may not

be  a  circle.  Hence,  Faraday’s  law  of  induction, 

$

" %

d!

B

/dt,  can  be  written  in  the

general form 

(31.9)

The induced electric field E in Equation 31.9 is a nonconservative field that

is generated by a changing magnetic field. The field that satisfies Equation 31.9

'

 

E&ds " %

d!

B

dt

" %

1

2,r

 

d!

B

dt

" %

r

2

 

dB

dt

 "

$

2,r

q

$

 " qE(2,r)

current is induced, and the induced emf is B!v. As soon as the
left side leaves the field, the emf decreases to zero.

(C) The external force that must be applied to the loop to

maintain  this  motion  is  plotted  in  Figure  31.18d.  Before  the
loop enters the field, no magnetic force acts on it; hence, the
applied force must be zero if is constant. When the right side
of  the  loop  enters  the  field,  the  applied  force  necessary  to
maintain constant speed must be equal in magnitude and op-
posite in direction to the magnetic force exerted on that side.
When  the  loop  is  entirely  in  the  field,  the  flux  through  the
loop is not changing with time. Hence, the net emf induced in

the loop is zero, and the current also is zero. Therefore, no ex-
ternal force is needed to maintain the motion. Finally, as the
right side leaves the field, the applied force must be equal in
magnitude  and  opposite  in  direction  to  the  magnetic  force
acting on the left side of the loop.

From  this  analysis,  we  conclude  that  power  is  supplied

only  when  the  loop  is  either  entering  or  leaving  the  field.
Furthermore,  this  example  shows  that  the  motional  emf
induced in the loop can be zero even when there is motion
through the field! A motional emf is induced only when the
magnetic flux through the loop changes in time.

Figure 31.19 A conducting loop

of radius in a uniform magnetic

field perpendicular to the plane of

the loop. If changes in time, an

electric field is induced in a

direction tangent to the

circumference of the loop.

E

×

E

E

E

B

in

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

r

Faraday’s law in general form

PITFALL PREVENTION

31.2 Induced Electric

Fields

The  changing  magnetic  field
does  not need  to  be  in  existence
at  the  location  of  the  induced
electric  field.  In  Figure  31.19,
even a loop outside the region of
magnetic  field  will  experience
an induced  electric  field.  For
another 

example, 

consider 

Figure 31.8. The light bulbs glow
(if  the  switch  is  open)  even
though  the  wires  are  outside  the
region of the magnetic field.

982

CHAPTE R 31 •  Faraday’s Law

31.5 Generators and Motors

Electric generators take in energy by work and transfer it out by electrical transmission.
To understand how they operate, let us consider the 

alternating current (AC) gener-

ator. In its simplest form, it consists of a loop of wire rotated by some external means
in a magnetic field (Fig. 31.21a).

cannot  possibly  be  an  electrostatic  field  because  if  the  field  were  electrostatic,  and
hence  conservative,  the  line  integral  of 

E & ds over  a  closed  loop  would  be  zero

(Section 25.1); this would be in contradiction to Equation 31.9.

Quick  Quiz  31.9

In  a  region  of  space,  the  magnetic  field  increases  at  a

constant rate. This changing magnetic field induces an electric field that (a) increases in
time  (b)  is  conservative  (c)  is  in  the  direction  of  the  magnetic  field  (d)  has  a  constant
magnitude.

Example 31.8 Electric Field Induced by a Changing Magnetic Field in a Solenoid

A  long  solenoid  of  radius  has  turns  of  wire  per  unit
length  and  carries  a  time-varying  current  that  varies
sinusoidally as I

max

cos *t, where I

max

is the maximum

current  and  * is  the  angular  frequency  of  the  alternating
current source (Fig. 31.20).

(A)

Determine the magnitude of the induced electric field

outside the solenoid at a distance from its long central
axis.

Solution First  let  us  consider  an  external  point  and  take
the  path  for  our  line  integral  to  be  a  circle  of  radius  r
centered on the solenoid, as illustrated in Figure 31.20. By
symmetry we see that the magnitude of 

E is constant on this

path and that 

E is tangent to it. The magnetic flux through

the area enclosed by this path is BA B,R

2

; hence, Equa-

tion 31.9 gives

(1)

The  magnetic  field  inside  a  long  solenoid  is  given  by

Equation  30.17,  " /

0

nI.  When  we  substitute  the  expres-

sion I

max

cos *into this equation for and then substi-

tute the result into Equation (1), we find that

(2)

(for )

"

/

0

nI

max

*

R

2

2r

  sin *t

"

,

R

2

 

/

0

nI

max

 

*

 sin *t

E(2,r) " %,R

2

 

/

0

 

nI

max

 

d

dt

 (cos *t)

'

 

E&ds " E(2,r) " %,R

2

 

dB

dt

'

 

E&ds " %

d

dt

 (B,R

2

) " %,R

2

 

dB

dt

Hence, the amplitude of the electric field outside the sole-
noid falls off as 1/and varies sinusoidally with time.

(B)

What  is  the  magnitude  of  the  induced  electric  field

inside the solenoid, a distance from its axis?

Solution For an interior point (R), the flux through an
integration  loop  is  given  by  B,r

2

.  Using  the  same  proce-

dure as in part (A), we find that

(3)

(for )

This shows that the amplitude of the electric field induced
inside the solenoid by the changing magnetic flux through
the solenoid increases linearly with and varies sinusoidally
with time.

"

/

0

nI

max

*

2

 r sin *t

E(2,r) " %,r

2

 

 

dB

dt

  " ,r

2

 

/

0

nI

max

 * sin *t

Path of

integration

R

r

I

max

 cos 

   t

ω

Figure 31.20 (Example 31.8) A long solenoid carrying a time-

varying current given by I

max

cos 

*

t. An electric field is

induced both inside and outside the solenoid.

In commercial power plants, the energy required to rotate the loop can be derived

from a variety of sources. For example, in a hydroelectric plant, falling water directed
against the blades of a turbine produces the rotary motion; in a coal-fired plant, the
energy  released  by  burning  coal  is  used  to  convert  water  to  steam,  and  this  steam  is
directed against the turbine blades. As a loop rotates in a magnetic field, the magnetic
flux through the area enclosed by the loop changes with time; this induces an emf and
a current in the loop according to Faraday’s law. The ends of the loop are connected
to slip rings that rotate with the loop. Connections from these slip rings, which act as
output  terminals  of  the  generator,  to  the  external  circuit  are  made  by  stationary
brushes in contact with the slip rings.

Suppose  that,  instead  of  a  single  turn,  the  loop  has  turns  (a  more  practical

situation),  all  of  the  same  area  A,  and  rotates  in  a  magnetic  field  with  a  constant
angular speed *. If # is the angle between the magnetic field and the normal to the
plane  of  the  loop,  as  in  Figure  31.22,  then  the  magnetic  flux  through  the  loop  at
any time is

!

B

"

BA cos # " BA cos *t

where  we  have  used  the  relationship  # " *between  angular  position  and  angular
speed  (see  Eq.  10.3).  (We  have  set  the  clock  so  that  " 0  when  # " 0.)  Hence,  the
induced emf in the coil is

(31.10)

This result shows that the emf varies sinusoidally with time, as plotted in Figure 31.21b.
From Equation 31.10 we see that the maximum emf has the value

$

max

"

NAB*

(31.11)

which  occurs  when  *" 90° or  270°.  In  other  words,

$

"

$

max

when  the  magnetic

field is in the plane of the coil and the time rate of change of flux is a maximum. Fur-
thermore, the emf is zero when *

" 0 or 180°, that is, when 

B is perpendicular to the

plane of the coil and the time rate of change of flux is zero.

The frequency for commercial generators in the United States and Canada is 60 Hz,

whereas  in  some  European  countries  it  is  50 Hz.  (Recall  that  * " 2,

f,  where  is  the

frequency in hertz.)

$

" %

N

 

 

d!

B

dt

  " %NAB

 

 

d

dt

 (cos *t) " NAB* sin *t

SECTION 31.5 •  Generators and Motors

983

(a)

Slip rings

N

Brushes

External

circuit

Loop

S

t

ε

(b)

ε

max

External

rotator

Active Figure 31.21 (a) Schematic diagram of an AC generator. An emf is induced in

a loop that rotates in a magnetic field. (b) The alternating emf induced in the loop

plotted as a function of time.

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can adjust the speed of

rotation and the strength of the

field to see the effects on the

emf generated.

Normal

θ

B

Figure 31.22 A loop enclosing an

area and containing turns,

rotating with constant angular

speed 

*

in a magnetic field. The

emf induced in the loop varies

sinusoidally in time.

984

CHAPTE R 31 •  Faraday’s Law

The 

direct  current (DC) generator is illustrated in Figure 31.23a. Such genera-

tors are used, for instance, in older cars to charge the storage batteries. The compo-
nents are essentially the same as those of the AC generator except that the contacts to
the rotating loop are made using a split ring called a commutator.

In this configuration, the output voltage always has the same polarity and pulsates

with time, as shown in Figure 31.23b. We can understand the reason for this by noting
that the contacts to the split ring reverse their roles every half cycle. At the same time,
the polarity of the induced emf reverses; hence, the polarity of the split ring (which is
the same as the polarity of the output voltage) remains the same.

A  pulsating  DC  current  is  not  suitable  for  most  applications.  To  obtain  a  more

steady DC current, commercial DC generators use many coils and commutators distrib-
uted so that the sinusoidal pulses from the various coils are out of phase. When these
pulses are superimposed, the DC output is almost free of fluctuations.

Motors are  devices  into  which  energy  is  transferred  by  electrical  transmission

while energy is transferred out by work. Essentially, a motor is a generator operating

Quick Quiz 31.10

In an AC generator, a coil with turns of wire spins in a

magnetic  field.  Of  the  following  choices,  which  will  not cause  an  increase  in  the  emf
generated  in  the  coil?  (a)  replacing  the  coil  wire  with  one  of  lower  resistance 
(b)  spinning  the  coil  faster  (c)  increasing  the  magnetic  field  (d)  increasing  the
number of turns of wire on the coil.

Example 31.9 emf Induced in a Generator

An  AC  generator  consists  of  8  turns  of  wire,  each  of  area
" 0.090 0 m

2

, and the total resistance of the wire is 12.0 (.

The  loop  rotates  in  a  0.500-T  magnetic  field  at  a  constant
frequency of 60.0 Hz.

(A)

Find the maximum induced emf.

Solution First, note that * " 2," 2,(60.0 Hz) " 377 s

%

1

.

Thus, Equation 31.11 gives

$

max

"

NAB* " 8(0.090 0 m

2

)(0.500 T)(377 s

%

1

)

"

136 V

(B)

What is the maximum induced current when the output

terminals are connected to a low-resistance conductor?

Solution From  Equation  27.8  and  the  results  to  part  (A),
we have

11.3 A

I

max

"

$

max

R

"

136 V

12.0 (

"

Commutator

(a)

Brush

N

S

t

ε

(b)

Armature

Active Figure 31.23 (a) Schematic diagram of a DC generator. (b) The magnitude of

the emf varies in time but the polarity never changes.

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can adjust the speed of

rotation and the strength of the

field to see the effects on the

emf generated.

 

 

 

 

 

 

 

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