Physics For Scientists And Engineers 6E - part 250

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  248  249  250  251   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 250

 

 

Problems

997

at " 0.)  Determine  the  emf  generated  in  the  coil  as  a
function of time.

38.

A bar magnet is spun at constant angular speed * around
an axis as shown in Figure P31.38. A stationary flat rectan-
gular  conducting  loop  surrounds  the  magnet,  and  at
" 0, the magnet is oriented as shown. Make a qualitative
graph of the induced current in the loop as a function of
time,  plotting  counterclockwise  currents  as  positive  and
clockwise currents as negative.

39.

A  motor  in  normal  operation  carries  a  direct  current  of
0.850 A  when  connected  to  a  120-V  power  supply.  The
resistance  of  the  motor  windings  is  11.8  (.  While  in
normal operation, (a) what is the back emf generated by
the motor? (b) At what rate is internal energy produced in
the  windings?  (c)  What  If?  Suppose  that  a  malfunction
stops the motor shaft from rotating. At what rate will inter-
nal energy be produced in the windings in this case? (Most
motors have a thermal switch that will turn off the motor
to prevent overheating when this occurs.)

40.

A semicircular conductor of radius " 0.250 m is rotated
about the axis AC at a constant rate of 120 rev/min (Fig.
P31.40). A uniform magnetic field in all of the lower half
of  the  figure  is  directed  out  of  the  plane  of  rotation  and
has  a  magnitude  of  1.30 T.  (a)  Calculate  the  maximum
value of the emf induced in the conductor. (b) What is the
value of the average induced emf for each complete rota-
tion? (c) What If? How would the answers to (a) and (b)
change if 

B were allowed to extend a distance above the

axis of rotation? Sketch the emf versus time (d) when the
field is as drawn in Figure P31.40 and (e) when the field is
extended as described in (c).

41.

The rotating loop in an AC generator is a square 10.0 cm
on  a  side.  It  is  rotated  at  60.0 Hz  in  a  uniform  field  of
0.800 T.  Calculate  (a)  the  flux  through  the  loop  as  a
function of time, (b) the emf induced in the loop, (c) the

current  induced  in  the  loop  for  a  loop  resistance  of
1.00 (,  (d)  the  power  delivered  to  the  loop,  and  (e)  the
torque that must be exerted to rotate the loop.

Section 31.6 Eddy Currents

42. Figure  P31.42  represents  an  electromagnetic  brake  that

uses  eddy  currents.  An  electromagnet  hangs  from  a
railroad car near one rail. To stop the car, a large current
is sent through the coils of the electromagnet. The moving
electromagnet  induces  eddy  currents  in  the  rails,  whose
fields oppose the change in the field of the electromagnet.
The  magnetic  fields  of  the  eddy  currents  exert  force  on
the current in the electromagnet, thereby slowing the car.
The direction of the car’s motion and the direction of the
current  in  the  electromagnet  are  shown  correctly  in  the
picture. Determine which of the eddy currents shown on
the rails is correct. Explain your answer.

A conducting rectangular loop of mass M, resistance

R,  and  dimensions  by  ! falls  from  rest  into  a  magnetic
field 

B as shown in Figure P31.43. During the time interval

43.

S

N

ω

Figure P31.38

A

R

B

out

C

Figure P31.40

I

N

S

v

N

S

Figure P31.42

v

!

B

out

w

Figure P31.43

before the top edge of the loop reaches the field, the loop
approaches a terminal speed v

T

(a) Show that

(b) Why is v

T

proportional to R? (c) Why is it inversely propor-

tional to B

2

?

Section 31.7 Maxwell’s Equations

44.

An  electron  moves  through  a  uniform  electric  field

E " (2.50iˆ 2 5.00jˆ) V/m  and  a  uniform  magnetic  field

B " (0.400kˆ)T.  Determine  the  acceleration  of  the
electron when it has a velocity 

v " 10.0iˆ m/s.

A  proton  moves  through  a  uniform  electric  field  given  by

E " 50.0jˆ V/m  and  a  uniform  magnetic  field  B "
(0.200

iˆ 2 0.300jˆ 2 0.400kˆ)T.  Determine  the  acceleration

of the proton when it has a velocity 

v " 200iˆ m/s.

Additional Problems

46.

A  steel  guitar  string  vibrates  (Figure  31.6).  The  compo-
nent  of  magnetic  field  perpendicular  to  the  area  of  a
pickup coil nearby is given by

" 50.0 mT 2 (3.20 mT) sin(2, 523 t/s)

The circular pickup coil has 30 turns and radius 2.70 mm.
Find the emf induced in the coil as a function of time.

47.

Figure  P31.47  is  a  graph  of  the  induced  emf  versus  time
for a coil of turns rotating with angular speed * in a uni-
form magnetic field directed perpendicular to the axis of
rotation of the coil. What If ? Copy this sketch (on a larger
scale), and on the same set of axes show the graph of emf
versus (a) if the number of turns in the coil is doubled;
(b) if instead the angular speed is doubled; and (c) if the
angular speed is doubled while the number of turns in the
coil is halved.

45.

v

T

"

MgR

B

2

w

2

48. A  technician  wearing  a  brass  bracelet  enclosing  area

0.005 00 m

2

places her hand in a solenoid whose magnetic

field is 5.00 T directed perpendicular to the plane of the
bracelet.  The  electrical  resistance  around  the  circumfer-
ence  of  the  bracelet  is  0.020 0  (.  An  unexpected  power
failure  causes  the  field  to  drop  to  1.50 T  in  a  time  of
20.0 ms. Find (a) the current induced in the bracelet and
(b)  the  power  delivered  to  the  bracelet.  Note: As  this

problem  implies,  you  should  not  wear  any  metal  objects
when working in regions of strong magnetic fields.

49.

Two  infinitely  long  solenoids  (seen  in  cross  section)  pass
through  a  circuit  as  shown  in  Figure  P31.49.  The  magni-
tude of 

B inside each is the same and is increasing at the

rate of 100 T/s. What is the current in each resistor?

50.

A conducting rod of length ! " 35.0 cm is free to slide on
two  parallel  conducting  bars  as  shown  in  Figure  P31.50.
Two resistors R

1

"

2.00 ( and R

2

"

5.00 ( are connected

across  the  ends  of  the  bars  to  form  a  loop.  A  constant
magnetic field " 2.50 T is directed perpendicularly into
the page. An external agent pulls the rod to the left with a
constant  speed  of  " 8.00 m/s.  Find  (a)  the  currents  in
both  resistors,  (b)  the  total  power  delivered  to  the  resis-
tance of the circuit, and (c) the magnitude of the applied
force  that  is  needed  to  move  the  rod  with  this  constant
velocity.

51. Suppose you wrap wire onto the core from a roll of cello-

phane tape to make a coil. Describe how you can use a bar
magnet to produce an induced voltage in the coil. What is
the order of magnitude of the emf you generate? State the
quantities you take as data and their values.

52.

A bar of mass m, length d, and resistance slides without
friction  in  a  horizontal  plane,  moving  on  parallel  rails  as
shown  in  Figure  P31.52.  A  battery  that  maintains  a
constant  emf 

$

is  connected  between  the  rails,  and  a

constant  magnetic  field 

B is  directed  perpendicularly  to

the  plane  of  the  page.  Assuming  the  bar  starts  from  rest,
show that at time it moves with a speed

"

$

Bd

 (1 % e

%

B

2

d

2

t/mR

)

998

CHAPTE R 31 •  Faraday’s Law

(mV)

1

2

t(ms)

ε

10

5

–5

–10

3

Figure P31.47

0.500 m

0.500 m

0.500 m

6.00 

5.00 

r

2

 = 0.150 m

B

out

B

in

r

1

 = 0.100 m

3.00 

× ××

×

×

×

×

Figure P31.49

×
×
×
×
×
×

×
×
×
×
×
×

×
×
×
×
×
×

×
×
×
×
×
×

×
×
×
×
×
×

×
×
×
×
×
×

5.00 

B

×
×
×
×
×
×

×
×
×
×
×
×

2.00 

v

Figure P31.50

d

B (out of page)

ε

Figure P31.52

53.

Review problem. A particle with a mass of 2.00 + 10

%

16

kg

and a charge of 30.0 nC starts from rest, is accelerated by a
strong electric field, and is fired from a small source inside
a region of uniform constant magnetic field 0.600 T. The
velocity  of  the  particle  is  perpendicular  to  the  field.  The
circular  orbit  of  the  particle  encloses  a  magnetic  flux  of
15.0 /Wb. (a) Calculate the speed of the particle. (b) Cal-
culate the potential difference through which the particle
accelerated inside the source.

54.

An  induction  furnace uses  electromagnetic  induction  to
produce eddy currents in a conductor, thereby raising the
conductor’s temperature. Commercial units operate at fre-
quencies ranging from 60 Hz to about 1 MHz and deliver
powers  from  a  few  watts  to  several  megawatts.  Induction
heating can be used for welding in a vacuum enclosure, to
avoid  oxidation  and  contamination  of  the  metal.  At  high
frequencies, induced currents occur only near the surface
of the conductor—this is the “skin effect.” By creating an
induced current for a short time at an appropriately high
frequency,  one  can  heat  a  sample  down  to  a  controlled
depth.  For  example,  the  surface  of  a  farm  tiller  can  be
tempered to make it hard and brittle for effective cutting
while keeping the interior metal soft and ductile to resist
breakage.

To explore induction heating, consider a flat conduct-

ing disk of radius R, thickness b, and resistivity 3. A sinu-
soidal magnetic field B

max

cos *is applied perpendicular

to  the  disk.  Assume  that  the  frequency  is  so  low  that  the
skin  effect  is  not  important.  Assume  the  eddy  currents
occur in circles concentric with the disk. (a) Calculate the
average power delivered to the disk. (b) What If? By what
factor does the power change when the amplitude of the
field doubles? (c) When the frequency doubles? (d) When
the radius of the disk doubles?

The  plane  of  a  square  loop  of  wire  with  edge  length
" 0.200 m is perpendicular to the Earth’s magnetic field
at a point where " 15.0 /T, as shown in Figure P31.55.
The total resistance of the loop and the wires connecting it
to  a  sensitive  ammeter  is  0.500 (.  If  the  loop  is  suddenly
collapsed by horizontal forces as shown, what total charge
passes through the ammeter?

55.

56.

Magnetic  field  values  are  often  determined  by  using  a
device  known  as  a  search  coil.  This  technique  depends  on
the  measurement  of  the  total  charge  passing  through  a
coil  in  a  time  interval  during  which  the  magnetic  flux

linking the windings changes either because of the motion
of  the  coil  or  because  of  a  change  in  the  value  of  B.
(a) Show  that  as  the  flux  through  the  coil  changes  from
!

1

to !

2

, the charge transferred through the coil will be

given by N(!

2

% !

1

)/R, where is the resistance of

the coil and a sensitive ammeter connected across it and N
is the number of turns. (b) As a specific example, calculate
when  a  100-turn  coil  of  resistance  200 ( and  cross-
sectional  area  40.0 cm

2

produces  the  following  results.

A total  charge  of  5.00 + 10

%

4

C  passes  through  the  coil

when it is rotated in a uniform field from a position where
the plane of the coil is perpendicular to the field to a posi-
tion where the coil’s plane is parallel to the field.

57.

In  Figure  P31.57,  the  rolling  axle,  1.50 m  long,  is  pushed
along  horizontal  rails  at  a  constant  speed  " 3.00 m/s.  A
resistor " 0.400 ( is connected to the rails at points and
b, directly opposite each other. (The wheels make good elec-
trical contact with the rails, and so the axle, rails, and form
a  closed-loop  circuit.  The  only  significant  resistance  in  the
circuit is R.) A uniform magnetic field " 0.080 0 T is verti-
cally downward. (a) Find the induced current in the resis-
tor. (b) What horizontal force is required to keep the axle
rolling at constant speed? (c) Which end of the resistor, or
b, is at the higher electric potential? (d) What If ? After the
axle  rolls  past  the  resistor,  does  the  current  in  reverse
direction? Explain your answer.

58.

A  conducting  rod  moves  with  a  constant  velocity 

v in  a

direction perpendicular to a long, straight wire carrying a
current as shown in Figure P31.58. Show that the magni-
tude of the emf generated between the ends of the rod is

In this case, note that the emf decreases with increasing r,
as you might expect.

&

$

&"

/

0

vI!

2,r

Problems

999

A

a

F

F

a

Figure P31.55

B

v

R

a

b

Figure P31.57

r

I

!

v

Figure P31.58

59.

A circular loop of wire of radius is in a uniform magnetic
field,  with  the  plane  of  the  loop  perpendicular  to  the
direction  of  the  field  (Fig.  P31.59).  The  magnetic  field
varies with time according to B(t) " bt, where and b
are constants. (a) Calculate the magnetic flux through the
loop at " 0. (b) Calculate the emf induced in the loop.
(c) If the resistance of the loop is R, what is the induced
current? (d) At what rate is energy being delivered to the
resistance of the loop?

60.

In Figure P31.60, a uniform magnetic field decreases at a
constant rate dB/dt " % K, where is a positive constant.
A circular loop of wire of radius containing a resistance
and  a  capacitance  is  placed  with  its  plane  normal  to
the field. (a) Find the charge on the capacitor when it is
fully charged. (b) Which plate is at the higher potential?
(c) Discuss the force that causes the separation of charges.

A  rectangular  coil  of  60  turns,  dimensions  0.100 m  by
0.200 m  and  total  resistance  10.0  (,  rotates  with  angular
speed 30.0 rad/s about the axis in a region where a 1.00-T
magnetic field is directed along the axis. The rotation is
initiated  so  that  the  plane  of  the  coil  is  perpendicular  to
the  direction  of 

B at  " 0.  Calculate  (a)  the  maximum

induced emf in the coil, (b) the maximum rate of change
of magnetic flux through the coil, (c) the induced emf at
" 0.050 0 s,  and  (d)  the  torque  exerted  by  the  magnetic
field on the coil at the instant when the emf is a maximum.

62.

A small circular washer of radius 0.500 cm is held directly
below  a  long,  straight  wire  carrying  a  current  of  10.0 A.
The  washer  is  located  0.500 m  above  the  top  of  a  table
(Fig. P31.62). (a) If the washer is dropped from rest, what
is the magnitude of the average induced emf in the washer
from the time it is released to the moment it hits the table-
top? Assume that the magnetic field is nearly constant over
the area of the washer, and equal to the magnetic field at
the center of the washer. (b) What is the direction of the
induced current in the washer?

61.

63.

A conducting rod of length ! moves with velocity 

v parallel

to a long wire carrying a steady current I. The axis of the
rod is maintained perpendicular to the wire with the near
end  a  distance  away,  as  shown  in  Figure  P31.63.  Show
that the magnitude of the emf induced in the rod is

&

$

&"

/

0

Iv

2,

  ln 

#

1 2

!

r

$

64.

A  rectangular  loop  of  dimensions  ! and  moves  with  a
constant  velocity 

v away  from  a  long  wire  that  carries  a

current in the plane of the loop (Fig. P31.64). The total
resistance of the loop is R. Derive an expression that gives
the  current  in  the  loop  at  the  instant  the  near  side  is  a
distance from the wire.

The magnetic flux through a metal ring varies with time t
according  to  !

B

"

3(at

3

%

bt

2

) T & m

2

,  with  " 2.00 s

%

3

and  " 6.00 s

%

2

.  The  resistance  of  the  ring  is  3.00 (.

Determine  the  maximum  current  induced  in  the  ring
during the interval from " 0 to " 2.00 s.

66.

Review  problem. The  bar  of  mass  in  Figure  P31.66  is
pulled horizontally across parallel rails by a massless string
that  passes  over  an  ideal  pulley  and  is  attached  to  a

65.

1000

CHAPTE R 31 •  Faraday’s Law

B

Figure P31.59

R

C

B

in

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

×

Figure P31.60

h

I

Figure P31.62

v

I

R

r

w

!

Figure P31.64

r

v

I

!

Figure P31.63

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  248  249  250  251   ..