Physics For Scientists And Engineers 6E - part 252

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 252

 

 

S E C T I O N   3 2 . 1 •  Self-Inductance

1005

is increasing, the polarity of the induced emf is as pictured in Figure 32.2b, and if the
current is decreasing, the polarity of the induced emf is as shown in Figure 32.2c.

To obtain a quantitative description of self-induction, we recall from Faraday’s law that

the induced emf is equal to the negative of the time rate of change of the magnetic flux.
The magnetic flux is proportional to the magnetic field due to the current, which in turn
is  proportional  to  the  current  in  the  circuit.  Therefore, 

a  self-induced  emf  is  always

proportional to the time rate of change of the current. For any coil, we find that

(32.1)

where is a proportionality constant—called the 

inductance of the coil—that depends

on the geometry of the coil and other physical characteristics. Combining this expression
with Faraday’s law, 

!

L

" #

N d$

B

/dt, we see that the inductance of a closely spaced coil

of turns (a toroid or an ideal solenoid) carrying a current and containing turns is

(32.2)

where it is assumed that the same magnetic flux passes through each turn.

From Equation 32.1, we can also write the inductance as the ratio

(32.3)

Recall that resistance is a measure of the opposition to current (" %V/); in com-
parison, inductance is a measure of the opposition to a change in current.

The SI unit of inductance is the 

henry (H), which, as we can see from Equation

32.3, is 1 volt-second per ampere:

As shown in Examples 32.1 and 32.2, the inductance of a coil depends on its geometry.
This is analogous to the capacitance of a capacitor depending on the geometry of its
plates, as we found in Chapter 26. Inductance calculations can be quite difficult to per-
form  for  complicated  geometries;  however,  the  examples  below  involve  simple  situa-
tions for which inductances are easily evaluated.

1 H " 1 

V&s

A

" # 

!

L

dI/dt

"

N

  

$

B

I

!

L

" #

L 

dI
dt

Inductance of an N-turn coil

Joseph Henry

American Physicist (1797–1878)

Henry became the first director

of the Smithsonian Institution

and first president of the

Academy of Natural Science. He

improved the design of the

electromagnet and constructed

one of the first motors. He also

discovered the phenomenon of

self-induction but failed to

publish his findings. The unit of

inductance, the henry, is named

in his honor. (North Wind Picture
Archives)

Lenz’s law emf

Lenz’s law emf

– +

+

B

(a)

(b)

(c)

I increasing

I decreasing

Figure 32.2 (a) A current in the coil produces a magnetic field directed to the left.

(b) If the current increases, the increasing magnetic flux creates an induced emf in the

coil having the polarity shown by the dashed battery. (c) The polarity of the induced

emf reverses if the current decreases.

Quick Quiz 32.1

A coil with zero resistance has its ends labeled and b. The

potential at is higher than at b. Which of the following could be consistent with this
situation?  (a)  The  current  is  constant  and  is  directed  from  to  b;  (b)  The  current  is
constant and is directed from to a; (c) The current is increasing and is directed from a
to b; (d) The current is decreasing and is directed from to b; (e) The current is increas-
ing and is directed from to a; (f) The current is decreasing and is directed from to a.

Inductance

32.2 RL Circuits

If a circuit contains a coil, such as a solenoid, the self-inductance of the coil prevents
the  current  in  the  circuit  from  increasing  or  decreasing  instantaneously.  A  circuit
element  that  has  a  large  self-inductance  is  called  an 

inductor and  has  the  circuit

symbol 

. We always assume that the self-inductance of the remainder of a

circuit is negligible compared with that of the inductor. Keep in mind, however, that
even a circuit without a coil has some self-inductance that can affect the behavior of
the circuit.

Because the inductance of the inductor results in a back emf, 

an inductor in a

circuit opposes changes in the current in that circuit. The inductor attempts to
keep the current the same as it was before the change occurred. If the battery voltage
in the circuit is increased so that the current rises, the inductor opposes this change,
and the rise is not instantaneous. If the battery voltage is decreased, the presence of
the  inductor  results  in  a  slow  drop  in  the  current  rather  than  an  immediate  drop.
Thus,  the  inductor  causes  the  circuit  to  be  “sluggish”  as  it  reacts  to  changes  in  the
voltage.

1006

C H A P T E R   3 2 •  Inductance

Example 32.1 Inductance of a Solenoid

Find the inductance of a uniformly wound solenoid having N
turns  and  length  !.  Assume  that  ! is  much  longer  than  the
radius of the windings and that the core of the solenoid is air.

Solution We  can  assume  that  the  interior  magnetic  field
due to the current is uniform and given by Equation 30.17:

where N/! is the number of turns per unit length. The
magnetic flux through each turn is

where  is  the  cross-sectional  area  of  the  solenoid.  Using
this expression and Equation 32.2, we find that

(32.4)

'

0

N

  

2

A

!

"

N

  

$

B

I

"

$

B

"

BA " '

0

 

NA

!

 I

" '

0

nI " '

0

 

N

!

 I

This result shows that depends on geometry and is propor-
tional to the square of the number of turns. Because n!,
we can also express the result in the form

(32.5)

where A! is the interior volume of the solenoid.

What  If?

What  would  happen  to  the  inductance  if  you

inserted a ferromagnetic material inside the solenoid?

Answer The  inductance  would  increase.  For  a  given
current, the magnetic flux in the solenoid is much greater
because  of  the  increase  in  the  magnetic  field  originating
from  the  magnetization  of  the  ferromagnetic  material.  For
example,  if  the  material  has  a  magnetic  permeability  of
500'

0

, the inductance increases by a factor of 500.

" '

0

 

(n

 

!

)

2

!

 " '

0

n

2

A! " '

0

n

2

V

Example 32.2 Calculating Inductance and emf

(A)

Calculate  the  inductance  of  an  air-core  solenoid  con-

taining  300  turns  if  the  length  of  the  solenoid  is  25.0 cm
and its cross-sectional area is 4.00 cm

2

.

Solution Using Equation 32.4, we obtain

0.181 mH

  " 1.81 ( 10

#

4

 T&m

2

/A "

 "

(4) ( 10

#

7

 T&m/A)(300)

2

(4.00 ( 10

#

4

 m

2

)

25.0 ( 10

#

2

 m

"

'

0

N

2

A

!

 

(B)

Calculate  the  self-induced  emf  in  the  solenoid  if  the

current it carries is decreasing at the rate of 50.0 A/s.

Solution Using  Equation  32.1  and  given  that  dI/dt "
#

50.0 A/s, we obtain

9.05 mV

"

!

L

" #

L 

 

dI

dt

" #

(1.81 ( 10

#

4

 H)(#50.0 A/s)

S E C T I O N   3 2 . 2 •  RL Circuits

1007

Consider  the  circuit  shown  in  Figure  32.3,  which  contains  a  battery  of  negligible

internal  resistance.  This  is  an 

RL  circuit because  the  elements  connected  to  the

battery are a resistor and an inductor. Suppose that the switch S is open for * 0 and
then closed at " 0. The current in the circuit begins to increase, and a back emf (Eq.
32.1)  that  opposes  the  increasing  current  is  induced  in  the  inductor.  Because  the
current is increasing, dI/dt in Equation 32.1 is positive; thus, 

!

L

is negative. This nega-

tive  value  reflects  the  decrease  in  electric  potential  that  occurs  in  going  from  to  b
across the inductor, as indicated by the positive and negative signs in Figure 32.3.

With this in mind, we can apply Kirchhoff’s loop rule to this circuit, traversing the

circuit in the clockwise direction:

(32.6)

where  IR is  the  voltage  drop  across  the  resistor.  (We  developed  Kirchhoff’s  rules  for
circuits  with  steady  currents,  but  they  can  also  be  applied  to  a  circuit  in  which  the
current is changing if we imagine them to represent the circuit at one instant of time.)
We must now look for a solution to this differential equation, which is similar to that
for the RC circuit. (See Section 28.4.)

A  mathematical  solution  of  Equation  32.6  represents  the  current  in  the  circuit  as

a function  of  time.  To  find  this  solution,  we  change  variables  for  convenience,  letting
" (

!

/R) # I, so that dx " # dI. With these substitutions, we can write Equation 32.6 as

Integrating this last expression, we have

where  x

0

is  the  value  of  at  time  " 0.  Taking  the  antilogarithm  of  this  result,  we

obtain

Because " 0 at " 0, we note from the definition of that x

0

"

!

/R. Hence, this last

expression is equivalent to

This expression shows how the inductor effects the current. The current does not

increase  instantly  to  its  final  equilibrium  value  when  the  switch  is  closed  but  instead
increases  according  to  an  exponential  function.  If  we  remove  the  inductance  in  the
circuit, which we can do by letting approach zero, the exponential term becomes zero
and we see that there is no time dependence of the current in this case—the current
increases instantaneously to its final equilibrium value in the absence of the inductance.

We can also write this expression as

(32.7)

"

!

R

 (1 # e

#

t/+

 

)

"

!

R

 (1 # e

#

Rt/L

)

!

R

#

"

!

R

 e

#

Rt/L

x

0

e

#

Rt/L

ln 

x

x

0

" #

R
L

 t

!

x

x

 

0

 

dx

x

" #

R
L

 

!

t

0

 dt

 

dx

x

" #

R
L

 dt

,

L
R

 

dx

dt

"

!

#

IR L 

 

dI

dt

"

0

b

ε

a

I

R

S

L

+

+

Active Figure 32.3 A series RL

circuit. As the current increases

toward its maximum value, an emf

that opposes the increasing current

is induced in the inductor.

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can adjust the values of R and L

to see the effect on the current.

A graphical display as in Figure

32.4 is available.

where the constant + is the 

time constant of the RL circuit:

+ "

(32.8)

Physically,  + is  the  time  interval  required  for  the  current  in  the  circuit  to  reach
(1 # e

#

1

) " 0.632 " 63.2%  of  its  final  value 

!

/R.  The  time  constant  is  a  useful  pa-

rameter for comparing the time responses of various circuits.

Figure 32.4 shows a graph of the current versus time in the RL circuit. Note that

the equilibrium value of the current, which occurs as approaches infinity, is 

!

/R. We

can see this by setting dI/dt equal to zero in Equation 32.6 and solving for the current
I.  (At  equilibrium,  the  change  in  the  current  is  zero.)  Thus,  we  see  that  the  current
initially  increases  very  rapidly  and  then  gradually  approaches  the  equilibrium  value

!

/as approaches infinity.

Let us also investigate the time rate of change of the current. Taking the first time

derivative of Equation 32.7, we have

(32.9)

From this result, we see that the time rate of change of the current is a maximum (equal
to 

!

/L) at " 0 and falls off exponentially to zero as approaches infinity (Fig. 32.5).

Now let us consider the RL circuit shown in Figure 32.6. The curved lines on the

switch S represent a switch that is connected either to or at all times. (If the switch
is connected to neither nor b, the current in the circuit suddenly stops.) Suppose that
the switch has been set at position long enough to allow the current to reach its equi-
librium value 

!

/R. In this situation, the circuit is described by the outer loop in Figure

32.6. If the switch is thrown from to b, the circuit is now described by just the right
hand loop in Figure 32.6. Thus, we have a circuit with no battery (

!

"

0). Applying

Kirchhoff’s loop rule to the right-hand loop at the instant the switch is thrown from a
to b, we obtain

It is left as a problem (Problem 16) to show that the solution of this differential equa-
tion is

(32.10)

"

!

R

 e

#

t/+

"

I

 

0

 

e

#

t/+

IR L  

dI

dt

"

0

dI

dt

"

!

L

 e

#

t/+

L

R

1008

C H A P T E R   3 2 •  Inductance

Time constant of an RL circuit

/R

ε

   

=

L/R

t

τ

R

ε

0.632

I

τ

Active Figure 32.4 Plot of the current

versus time for the RL circuit shown in

Figure 32.3. The switch is open for * 0 and

then closed at " 0, and the current

increases toward its maximum value 

!

/R.

The time constant 

+

is the time interval

required for to reach 63.2% of its

maximum value.

dI

dt

/L

t

ε

Figure 32.5 Plot of dI/dt versus time for the

RL circuit shown in Figure 32.3. The time

rate of change of current is a maximum at

" 0, which is the instant at which the switch

is closed. The rate decreases exponentially

with time as increases toward its maximum

value.

R

L

ε

b

S

a

Active Figure 32.6 An RL circuit.

When the switch S is in position a,

the battery is in the circuit. When

the switch is thrown to position b,

the battery is no longer part of the

circuit. The switch is designed so

that it is never open, which would

cause the current to stop.

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can adjust the values of R and L

to see the effect on the current.

A graphical display as in Figure

32.7 is available.

At the Active Figures link

at http://www.pse6.com, you

can observe this graph develop

after the switch in Figure 32.3 is

closed.

 

 

 

 

 

 

 

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