Physics For Scientists And Engineers 6E - part 272

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  270  271  272  273   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 272

 

 

Problems

1085

does it take for light to reach you from a lightning stroke
10.0 km away?

3. The speed of an electromagnetic wave traveling in a trans-

parent nonmagnetic substance is 

, where 0 is

the  dielectric  constant  of  the  substance.  Determine  the
speed  of  light  in  water,  which  has  a  dielectric  constant  at
optical frequencies of 1.78.

4. An  electromagnetic  wave  in  vacuum  has  an  electric  field

amplitude  of  220 V/m.  Calculate  the  amplitude  of  the
corresponding magnetic field.

Figure  34.3  shows  a  plane  electromagnetic  sinu-

soidal wave propagating in the direction. Suppose that
the  wavelength  is  50.0 m,  and  the  electric  field  vibrates
in the xy plane with an amplitude of 22.0 V/m. Calculate
(a)  the  frequency  of  the  wave  and  (b)  the  magnitude
and  direction  of 

B when  the  electric  field  has  its  maxi-

mum  value  in  the  negative  direction.  (c)  Write  an
expression  for 

B with  the  correct  unit  vector,  with

numerical values for B

max

k, and %, and with its magni-

tude in the form

6. Write  down  expressions  for  the  electric  and  magnetic

fields of a sinusoidal plane electromagnetic wave having a
frequency of 3.00 GHz and traveling in the positive direc-
tion. The amplitude of the electric field is 300 V/m.
In SI units, the electric field in an electromagnetic wave is
described by

Find  (a)  the  amplitude  of  the  corresponding  magnetic
field  oscillations,  (b)  the  wavelength  *,  and  (c)  the  fre-
quency f.

8.

Verify by substitution that the following equations are solu-
tions to Equations 34.8 and 34.9, respectively:

9. Review  problem. A  standing-wave  interference  pattern  is

set  up  by  radio  waves  between  two  metal  sheets  2.00 m
apart. This is the shortest distance between the plates that
will  produce  a  standing-wave  pattern.  What  is  the  funda-
mental frequency?

10.

A microwave oven is powered by an electron tube called a
magnetron, which generates electromagnetic waves of fre-
quency 2.45 GHz. The microwaves enter the oven and are
reflected by the walls. The standing-wave pattern produced
in the oven can cook food unevenly, with hot spots in the
food at antinodes and cool spots at nodes, so a turntable is
often used to rotate the food and distribute the energy. If a
microwave  oven  intended  for  use  with  a  turntable  is
instead  used  with  a  cooking  dish  in  a fixed  position,  the
antinodes  can  appear  as  burn  marks on  foods  such  as
carrot  strips  or  cheese.  The  separation  distance  between
the burns is measured to be 6 cm 1 5%. From these data,
calculate the speed of the microwaves.

B

 

max

 cos(kx ) %t)

E

 

max

 cos(kx ) %t)

E

y

"

100 sin(1.00 $ 10

7

) %t)

7.

B

 

max

 cos(kx ) %t)

5.

" 1/

0&

0

#

0

Section 34.3 Energy Carried by Electromagnetic Waves
11. 
How much electromagnetic energy per cubic meter is con-

tained in sunlight, if the intensity of sunlight at the Earth’s
surface under a fairly clear sky is 1 000 W/m

2

?

12.

An AM radio station broadcasts isotropically (equally in all
directions)  with  an  average  power  of  4.00 kW.  A  dipole
receiving antenna 65.0 cm long is at a location 4.00 miles
from  the  transmitter.  Compute  the  amplitude  of  the  emf
that  is  induced  by  this  signal  between  the  ends  of  the
receiving antenna.
What  is  the  average  magnitude  of  the  Poynting  vector
5.00 miles  from  a  radio  transmitter  broadcasting
isotropically with an average power of 250 kW?

14.

A monochromatic light source emits 100 W of electromag-
netic  power  uniformly  in  all  directions.  (a)  Calculate  the
average  electric-field  energy  density  1.00 m  from  the
source.  (b)  Calculate  the  average  magnetic-field  energy
density at the same distance from the source. (c) Find the
wave intensity at this location.

A community plans to build a facility to convert solar

radiation  to  electrical  power.  They  require  1.00 MW  of
power, and the system to be installed has an efficiency of
30.0% (that is, 30.0% of the solar energy incident on the
surface  is  converted  to  useful  energy  that  can  power  the
community). What must be the effective area of a perfectly
absorbing  surface  used  in  such  an  installation,  assuming
sunlight has a constant intensity of 1 000 W/m

2

?

16.

Assuming that the antenna of a 10.0-kW radio station radi-
ates  spherical  electromagnetic  waves,  compute  the  maxi-
mum  value  of  the  magnetic  field  5.00 km  from  the
antenna, and compare this value with the surface magnetic
field of the Earth.

The  filament  of  an  incandescent  lamp  has  a  150-2

resistance and carries a direct current of 1.00 A. The fila-
ment  is  8.00 cm  long  and  0.900 mm  in  radius.  (a)  Calcu-
late  the  Poynting  vector  at  the  surface  of  the  filament,
associated  with  the  static  electric  field  producing  the
current  and  the  current’s  static  magnetic  field.  (b)  Find
the magnitude of the static electric and magnetic fields at
the surface of the filament.

18. One of the weapons being considered for the “Star Wars”

antimissile  system  is  a  laser  that  could  destroy  ballistic
missiles.  When  a  high-power  laser  is  used  in  the  Earth’s
atmosphere, the electric field can ionize the air, turning it
into  a  conducting  plasma  that  reflects  the  laser  light.  In
dry  air  at  0°C  and  1 atm,  electric  breakdown  occurs  for
fields  with  amplitudes  above  about  3.00 MV/m.  (a)  What
laser beam intensity will produce such a field? (b) At this
maximum  intensity,  what  power  can  be  delivered  in  a
cylindrical beam of diameter 5.00 mm?

19. In  a  region  of  free  space  the  electric  field  at  an  instant

of time  is 

E " (80.0iˆ ' 32.0 jˆ ) 64.0kˆ) N/C  and  the

magnetic  field  is 

B " (0.200iˆ ' 0.080 0jˆ ' 0.290kˆ) &T.

(a) Show  that  the  two  fields  are  perpendicular  to  each
other. (b) Determine the Poynting vector for these fields.

20. Let  us  model  the  electromagnetic  wave  in  a  microwave

oven as a plane traveling wave moving to the left, with an
intensity  of  25.0 kW/m

2

.  An  oven  contains  two  cubical

17.

15.

13.

1086

C H A P T E R   3 4 •  Electromagnetic Waves

containers  of  small  mass,  each  full  of  water.  One  has  an
edge  length  of  6.00 cm  and  the  other,  12.0 cm.  Energy
falls  perpendicularly  on  one  face  of  each  container.  The
water in the smaller container absorbs 70.0% of the energy
that falls on it. The water in the larger container absorbs
91.0%.  (That  is,  the  fraction  0.3  of  the  incoming  mi-
crowave  energy  passes  through  a  6-cm  thickness  of  water,
and the fraction (0.3)(0.3) " 0.09 passes through a 12-cm
thickness.)  Find  the  temperature  change  of  the  water  in
each container over a time interval of 480 s. Assume that a
negligible  amount  of  energy  leaves  either  container  by
heat.

21. A lightbulb filament has a resistance of 110 2. The bulb is

plugged  into  a  standard  120-V  (rms)  outlet,  and  emits
1.00% of the electric power delivered to it by electromag-
netic  radiation  of  frequency  f.  Assuming  that  the  bulb  is
covered  with  a  filter  that  absorbs  all  other  frequencies,
find the amplitude of the magnetic field 1.00 m from the
bulb.

22.

A  certain  microwave  oven  contains  a  magnetron  that  has
an  output  of  700 W  of  microwave  power  for  an  electrical
input  power  of  1.40 kW.  The  microwaves  are  entirely 
transferred  from  the  magnetron  into  the  oven  chamber
through  a  waveguide,  which  is  a  metal  tube  of  rectan-
gular  cross  section  with  width  6.83 cm  and  height 
3.81 cm.  (a) What  is  the  efficiency  of  the  magnetron?
(b) Assuming  that  the  food  is  absorbing  all  the 
microwaves  produced  by  the  magnetron  and  that  no
energy  is  reflected  back  into  the  waveguide,  find  the
direction  and  magnitude  of  the  Poynting  vector, 
averaged  over  time,  in  the  waveguide  near  the  entrance 
to  the  oven  chamber.  (c)  What  is  the  maximum  electric
field at this point?

23. High-power  lasers  in  factories  are  used  to  cut  through

cloth and metal (Fig. P34.23). One such laser has a beam
diameter  of  1.00 mm  and  generates  an  electric  field

having  an  amplitude  of  0.700 MV/m  at  the  target.  Find
(a) the amplitude of the magnetic field produced, (b) the
intensity  of  the  laser,  and  (c)  the  power  delivered  by  the
laser.

24.

A 10.0-mW laser has a beam diameter of 1.60 mm. (a) What
is the intensity of the light, assuming it is uniform across the
circular beam? (b) What is the average energy density of the
beam?

25.

At  one  location  on  the  Earth,  the  rms  value  of  the
magnetic  field  caused  by  solar  radiation  is  1.80 &T.  From
this  value  calculate  (a)  the  rms  electric  field  due  to  solar
radiation,  (b)  the  average  energy  density  of  the  solar 
component  of  electromagnetic  radiation  at  this  location,
and  (c)  the  average  magnitude  of  the  Poynting  vector 
for  the  Sun’s  radiation.  (d)  Compare  the  value  found  in
part  (c)  to  the  value  of  the  solar  intensity  given  in 
Example 34.5.

Section 34.4 Momentum and Radiation Pressure
26. 
A  100-mW  laser  beam  is  reflected  back  upon  itself  by  a

mirror. Calculate the force on the mirror.
A  radio  wave  transmits  25.0 W/m

2

of  power  per  unit

area.  A  flat  surface  of  area  is  perpendicular  to  the
direction  of  propagation  of  the  wave.  Calculate  the
radiation  pressure  on  it,  assuming  the  surface  is  a
perfect absorber.

28.

A  possible  means  of  space  flight  is  to  place  a  perfectly
reflecting aluminized sheet into orbit around the Earth and
then  use  the  light  from  the  Sun  to  push  this  “solar  sail.”
Suppose  a  sail  of  area  6.00 $ 10

5

m

2

and  mass  6 000 kg  is

placed in orbit facing the Sun. (a) What force is exerted on
the  sail?  (b)  What  is  the  sail’s  acceleration?  (c)  How  long
does it take the sail to reach the Moon, 3.84 $ 10

8

m away?

Ignore all gravitational effects, assume that the acceleration
calculated in part (b) remains constant, and assume a solar
intensity of 1 340 W/m

2

.

A 15.0-mW helium–neon laser (* " 632.8 nm) emits a

beam of circular cross section with a diameter of 2.00 mm.
(a)  Find  the  maximum  electric  field  in  the  beam.
(b) What  total  energy  is  contained  in  a  1.00-m  length  of
the  beam?  (c)  Find  the  momentum  carried  by  a  1.00-m
length of the beam.

30.

Given  that  the  intensity  of  solar  radiation  incident  on
the upper atmosphere of the Earth is 1 340 W/m

2

, deter-

mine  (a)  the  intensity  of  solar  radiation  incident  on
Mars, (b) the total power incident on Mars, and (c) the
radiation force that acts on the planet if it absorbs nearly
all  of  the  light.  (d)  Compare  this  force  to  the  gravita-
tional  attraction  between  Mars  and  the  Sun.  (See  Table
13.2.)

31.

A  plane  electromagnetic  wave  has  an  intensity  of 
750 W/m

2

.  A  flat,  rectangular  surface  of  dimensions

50 cm $ 100 cm is placed perpendicular to the direction
of  the  wave.  The  surface  absorbs  half  of  the  energy  and
reflects half. Calculate (a) the total energy absorbed by the
surface  in  1.00 min  and  (b)  the  momentum  absorbed  in
this time.

29.

27.

Figure P34.23 A laser cutting device mounted on a robot arm is

being used to cut through a metallic plate.

Philippe Plailly/SPL/Photo Researchers

Problems

1087

32.

A uniform circular disk of mass 24.0 g and radius 40.0 cm
hangs vertically from a fixed, frictionless, horizontal hinge
at a point on its circumference. A horizontal beam of elec-
tromagnetic  radiation  with  intensity  10.0 MW/m

2

is  inci-

dent  on  the  disk  in  a  direction  perpendicular  to  its
surface. The disk is perfectly absorbing, and the resulting
radiation  pressure  makes  the  disk  rotate.  Find  the  angle
through which the disk rotates as it reaches its new equilib-
rium position. (Assume that the radiation is always perpen-
dicular to the surface of the disk.)

Section 34.5 Production of Electromagnetic Waves

by an Antenna

33. Figure 34.10 shows a Hertz antenna (also known as a half-

wave  antenna,  because  its  length  is  */2).  The  antenna  is
located  far  enough  from  the  ground  that  reflections  do
not significantly affect its radiation pattern. Most AM radio
stations, however, use a Marconi antenna, which consists of
the  top  half  of  a  Hertz  antenna.  The  lower  end  of  this
(quarter-wave) antenna is connected to Earth ground, and
the ground itself serves as the missing lower half. What are
the  heights  of  the  Marconi  antennas  for  radio  stations
broadcasting at (a) 560 kHz and (b) 1 600 kHz?

34. Two hand-held radio transceivers with dipole antennas are

separated  by  a  large  fixed  distance.  If  the  transmitting
antenna is vertical, what fraction of the maximum received
power  will  appear  in  the  receiving  antenna  when  it  is
inclined from the vertical by (a) 15.0°? (b) 45.0°? (c) 90.0°?
Two radio-transmitting antennas are separated by half the
broadcast  wavelength  and  are  driven  in  phase  with  each
other. In which directions are (a) the strongest and (b) the
weakest signals radiated?

36.

Review problem. Accelerating charges radiate electromag-
netic  waves.  Calculate  the  wavelength  of  radiation  pro-
duced  by  a  proton  moving  in  a  circle  of  radius  R
perpendicular to a magnetic field of magnitude B.

35.

37.

A  very  large  flat  sheet  carries  a  uniformly  distributed
electric  current  with  current  per  unit  width  J

s

.  Example

30.6  demonstrated  that  the  current  creates  a  magnetic
field on both sides of the sheet, parallel to the sheet and
perpendicular to the current, with magnitude " &

0

J

s

. If

the current oscillates in time according to

J

s

"

J

max

(cos %t)

jˆ " J

max

[cos()%t)]

jˆ,

the  sheet  radiates  an  electromagnetic  wave  as  shown  in
Figure P34.37. The magnetic field of the wave is described
by  the  wave  function 

B " &

0

J

max

[cos(kx ) %t)]

kˆ.

(a) Find  the  wave  function  for  the  electric  field  in  the
wave. (b) Find the Poynting vector as a function of and t.
(c) Find the intensity of the wave. (d) What If? If the sheet
is to emit radiation in each direction (normal to the plane
of  the  sheet)  with  intensity  570 W/m

2

,  what  maximum

value of sinusoidal current density is required?

Section 34.6 The Spectrum of Electromagnetic

Waves

38. Classify  waves  with  frequencies  of  2 Hz,  2 kHz,  2 MHz,

2 GHz,  2 THz,  2 PHz,  2 EHz,  2 ZHz,  and  2 YHz  on
the electromagnetic  spectrum.  Classify  waves  with
wavelengths  of  2 km,  2 m,  2 mm,  2 &m,  2 nm,  2 pm,
2 fm, and 2 am.

39. The  human  eye  is  most  sensitive  to  light  having  a  wave-

length  of  5.50 $ 10

)

7

m,  which  is  in  the  green-yellow

region of the visible electromagnetic spectrum. What is the
frequency of this light?

40. Compute  an  order-of-magnitude  estimate  for  the  fre-

quency of an electromagnetic wave with wavelength equal
to (a) your height; (b) the thickness of this sheet of paper.
How  is  each  wave  classified  on  the  electromagnetic
spectrum?
What are the wavelengths of electromagnetic waves in free
space  that  have  frequencies  of  (a)  5.00 $ 10

19

Hz  and

(b) 4.00 $ 10

9

Hz?

42. Suppose you are located 180 m from a radio transmitter.

(a) How many wavelengths are you from the transmitter
if  the  station  calls  itself  1 150 AM?  (The  AM  band
frequencies  are  in  kilohertz.)  (b)  What  If?  What  if  this
station  is  98.1 FM?  (The  FM  band  frequencies  are  in
megahertz.)

43. A  radar  pulse  returns  to  the  receiver  after  a  total  travel

time  of  4.00 $ 10

)

4

s.  How  far  away  is  the  object  that

reflected the wave?

44.

This just in! An important news announcement is transmit-
ted  by  radio  waves  to  people  sitting  next  to  their  radios
100 km  from  the  station,  and  by  sound  waves  to  people
sitting  across  the  newsroom,  3.00 m  from  the  newscaster.
Who  receives  the  news  first?  Explain.  Take  the  speed  of
sound in air to be 343 m/s.

45. The  United  States  Navy  has  long  proposed  the  construc-

tion  of  extremely  low-frequency  (ELF)  communication
systems.  Such  waves  could  penetrate  the  oceans  to  reach
distant  submarines.  Calculate  the  length  of  a  quarter-

41.

1

2

1

2

z

y

J

s

E

B

x

c

Figure P34.37 Representation of the plane electromagnetic wave

radiated by an infinite current sheet lying in the yz plane. The

vector 

B is in the direction, the vector E is in the direction, and

the direction of wave motion is along x. Both vectors have

magnitudes proportional to cos(kx )

%

t).

1088

C H A P T E R   3 4 •  Electromagnetic Waves

wavelength  antenna  for  a  transmitter  generating  ELF
waves of frequency 75.0 Hz. How practical is this?

46. What are the wavelength ranges in (a) the AM radio band

(540–1 600 kHz),  and  (b)  the  FM  radio  band  (88.0–-
108 MHz)?

Additional Problems
47. 
Assume  that  the  intensity  of  solar  radiation  incident  on

the cloudtops  of  the  Earth  is  1 340 W/m

2

.  (a)  Calculate

the  total  power  radiated  by  the  Sun,  taking  the  average
Earth–Sun  separation  to  be  1.496 $ 10

11

m.  (b)  Deter-

mine  the  maximum  values  of  the  electric  and  magnetic
fields in the sunlight at the Earth’s location.

48.

The  intensity  of  solar  radiation  at  the  top  of  the  Earth’s
atmosphere  is  1 340 W/m

2

.  Assuming  that  60%  of  the

incoming  solar  energy  reaches  the  Earth’s  surface  and
assuming  that  you  absorb  50%  of  the  incident  energy,
make  an  order-of-magnitude  estimate  of  the  amount  of
solar energy you absorb in a 60-min sunbath.

Review problem. In the absence of cable input or a

satellite  dish,  a  television  set  can  use  a  dipole-receiving
antenna  for  VHF  channels  and  a  loop  antenna  for
UHF channels  (Fig.  Q34.12).  The  UHF  antenna
produces  an  emf  from  the  changing  magnetic  flux
through  the  loop.  The  TV  station  broadcasts  a  signal
with  a  frequency  f,  and  the  signal  has  an  electric-field
amplitude  E

max

and  a magnetic-field  amplitude  B

max

at

the  location  of  the  receiving  antenna.  (a)  Using
Faraday’s law, derive an expression for the amplitude of
the  emf  that  appears  in  a  single-turn  circular  loop
antenna  with  a  radius  r,  which  is  small  compared  with
the wavelength of the wave(b) If the electric field in the
signal points vertically, what orientation of the loop gives
the best reception?

50.

Consider  a  small,  spherical  particle  of  radius  located
in space  a  distance  from  the  Sun.  (a)  Show  that  the
ratio  F

rad

/F

grav

is  proportional  to  1/r,  where  F

rad

is

the force exerted by solar radiation and F

grav

is the force

of  gravitational  attraction.  (b)  The  result  of  part
(a) means  that,  for  a  sufficiently  small  value  of  r,  the
force  exerted  on  the  particle  by  solar  radiation  exceeds
the  force  of  gravitational  attraction.  Calculate  the  value
of  for  which  the  particle  is  in  equilibrium  under
the two forces. (Assume that the particle has a perfectly
absorbing surface and a mass density of 1.50 g/cm

3

. Let

the particle be located 3.75 $ 10

11

m from the Sun, and

use  214 W/m

2

as  the  value  of  the  solar  intensity  at  that

point.)
A  dish  antenna  having  a  diameter  of  20.0 m  receives
(at normal  incidence)  a  radio  signal  from  a  distant
source,  as  shown  in  Figure  P34.51.  The  radio  signal
is a continuous  sinusoidal  wave  with  amplitude
E

max

"

0.200 &V/m.  Assume  the  antenna  absorbs  all

the radiation  that  falls  on  the  dish.  (a)  What  is  the
amplitude  of  the  magnetic  field  in  this  wave?  (b)  What
is the  intensity  of  the  radiation  received  by  this
antenna? (c) What is the power received by the antenna?
(d)  What  force  is  exerted  by  the  radio  waves  on  the
antenna?

51.

49.

Figure P34.51

Figure P34.54

52.

One  goal  of  the  Russian  space  program  is  to  illuminate
dark  northern  cities  with  sunlight  reflected  to  Earth
from a 200-m diameter mirrored surface in orbit. Several
smaller  prototypes  have  already  been  constructed  and
put into  orbit.  (a)  Assume  that  sunlight  with  intensity
1 340 W/m

2

falls  on  the  mirror  nearly  perpendicularly

and  that  the  atmosphere  of  the  Earth  allows  74.6%  of
the  energy  of  sunlight  to  pass  through  it  in  clear
weather.  What  is  the  power  received  by  a  city  when  the
space mirror is reflecting light to it? (b) The plan is for
the  reflected  sunlight  to  cover  a  circle  of  diameter 
8.00 km. What is the intensity of light (the average mag-
nitude  of the  Poynting  vector)  received  by  the  city? 
(c) This intensity is what percentage of the vertical com-
ponent of sunlight at Saint Petersburg in January, when
the  sun reaches  an  angle  of  7.00° above  the  horizon  at
noon?
In  1965,  Arno  Penzias  and  Robert  Wilson  discovered  the
cosmic  microwave  radiation  left  over  from  the  Big  Bang
expansion of the Universe. Suppose the energy density of
this  background  radiation  is  4.00 $ 10

)

14

J/m

3

.  Deter-

mine the corresponding electric field amplitude.

54.

A  hand-held  cellular  telephone  operates  in  the  860-  to
900-MHz  band  and  has  a  power  output  of  0.600 W
from an  antenna  10.0 cm  long  (Fig.  P34.54).  (a)  Find
the  average  magnitude  of  the  Poynting  vector  4.00 cm
from  the  antenna,  at  the  location  of  a  typical  person’s

53.

Amos Morgan/Getty Images

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  270  271  272  273   ..