1401799646_electromagnetic field 2-2 set-1 a
DESCRIPTION
srit anantapurTRANSCRIPT
S.1Electromagnetic Fields (March/April-2013, Set-1) JNTU-Anantapur
( JNTU-Anantapur ) B.Tech. II-Year II-Sem.
Code No.: 9A02404/R09
B.Tech. II Year II Semester Regular and Supplementary Examinations
April/May - 2013
ELECTROMAGNETIC FIELDS
( Electrical and Electronics Engineering )
Time: 3 Hours Max. Marks: 70
Answer any FIVE Questions
All Questions carry equal marks
- - -
1. An infinitely large cylinder has a radius and a uniform charge of one micro coulomb per meter. Calculate the potentialat a point 10 m away from the cylinder if zero potential point is taken to be at a radial distance of 1 m.(Unit-I, Topic No. 1.5)
2. (a) Explain,
(i) Dipole and
(ii) Dipole moment. (Unit-II, Topic No. 2.3)
(b) Find electric potential due to electric dipole. (Unit-II, Topic No. 2.4)
3. A parallel plate capacitor consists of two square metal plates with 500 mm side and separated by 10 mm. A slab ofsulphur (ε
r = 4) 6 mm thick is placed on the lower plate and air gap of 4 mm. Find capacitance of capacitor.
(Unit-III, Topic No. 3.4)
4. (a) State and explain Biot-Savart’s law. (Unit-IV, Topic No. 4.2)
(b) Develop an expression for the magnetic field at any point on the line through the centre at a distance ‘h’ fromthe centre and perpendicular to the plane of a plane circular loop of radius ‘a’ and carrying current ‘I’ amperes.(Unit-V, Topic No. 5.6)
5. A steady current of 1000 A is established in a long straight hollow aluminum conductor of inner radius 1 cm and outerradius 2 cm assume uniform resistivity and calculate B as a function of radius r from the axis of the conductor and alsoderive the formula used. (Unit-V, Topic No. 5.1)
6. (a) Derive the expression for the magnetic moment of a planar coil. (Unit-VI, Topic No. 6.7)
(b) A magnetic field B = 3.5 x 10– 2 az Wb/m2 exerts a force on a 0.3 m conductor along the x-axis. If the conductor
current is 5 A in the – az direction what force must be applied to hold the conductor in position? Also derive the
formula used. (Unit-VI, Topic No. 6.2)
7. (a) Determine the self inductance of a coaxial cable of inner radius a and outer radius b. (Unit-VII, Topic No. 7.7)
(b) A coaxial cable consists of an inner conductor of radius 1.2 cm and an outer conductor of radius 1.8 cm the twoconductors are separated by an insulating medium(µ
r = 4µ
0). If the cable is 3 m long and carries 25 mA current,
calculate the energy stored in the medium. (Unit-VII, Topic No. 7.9)
8. Write Maxwell’s equations in good conductors for time varying fields and static fields both in differential andintegral form. (Unit-VIII, Topic No. 8.5)
Set-1Solutions
S.2 Spectrum ALL-IN-ONE Journal for Engineering Students, 2014
B.Tech. II-Year II-Sem. ( JNTU-Anantapur )
SOLUTIONS TO APRIL/MAY-2013, SET-1, QPQ1. An infinitely large cylinder has a radius and
a uniform charge of one micro coulomb permeter. Calculate the potential at a point 10 maway from the cylinder if zero potential pointis taken to be at a radial distance of 1 m.
Answer : April/May-13, Set-1, Q1
For answer refer Unit-I, Q35.
Q2. (a) Explain,
(i) Dipole and
(ii) Dipole moment.
Answer : April/May-13, Set-1, Q2(a)
(i) Dipole
For answer refer Unit-II, Q7.
(ii) Dipole Moment
For answer refer Unit-II, Q8.
(b) Find electric potential due to electricdipole.
Answer : April/May-13, Set-1, Q2(b)
For answer refer Unit-II, Q16.
Q3. A parallel plate capacitor consists of twosquare metal plates with 500 mm side andseparated by 10 mm. A slab of sulphur(εεεεεr = 4) 6 mm thick is placed on the lowerplate and air gap of 4 mm. Find capacitanceof capacitor.
Answer : April/May-13, Set-1, Q3
For answer refer Unit-III, Q17.
Q4. (a) State and explain Biot-Savart’s law.
Answer : April/May-13, Set-1, Q4(a)
For answer refer Unit-IV, Q3.
(b) Develop an expression for the magneticfield at any point on the line throughthe centre at a distance ‘h’ from thecentre and perpendicular to the planeof a plane circular loop of radius ‘a’ andcarrying current ‘I’ amperes.
Answer : April/May-13, Set-1, Q4(b)
For answer refer Unit-V, Q25 [Note: Replace ‘r’ by‘a’].
Q5. A steady current of 1000 A is established in along straight hollow aluminum conductor ofinner radius 1 cm and outer radius 2 cmassume uniform resistivity and calculate Bas a function of radius r from the axis of theconductor and also derive the formula used.
Answer : April/May-13, Set-1, Q5
Derivation
Consider a hollow conductor, of inner radius ‘R1’ and
outer radius ‘R2’ placed along the z-axis as shown in the
figure (1). Let ‘I’ denotes the current carrying by theconductor.
Z
R1
R2
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ ���������������� ��������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� ������������� ������������� ������������� ������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ������������
����������������������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ��������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ���������
������������������ ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ��������� ��������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������� ����������� ����������� ����������� ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ����������� ������������
������������������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������� �������������� �������������� �������������� ������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Z
R1
R2
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ ���������������� ��������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� ������������� ������������� ������������� ������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ������������
����������������������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ��������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ���������
������������������ ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ��������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ��������� ��������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������� ����������� ����������� ����������� ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ����������� ������������
������������������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������� �������������� �������������� �������������� ������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Figure (1): Hollow Conductor
Case (1)
Construct an Ampere’s loop of radius ‘r’ inside theconductor such that r < R
1 as shown in the figure (2).
Z
R1r
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������� ������������������� ������������������� ������������������ ������������������ ������������������ ����������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� �������������� ��������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ������������ ������������ ������������� ������������� �������������� �������������� �������������� ��������������
���������������������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������� �������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ����������
�������������������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������
������������������������ ������������ ������������ ������������� ������������� ������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ������������ ������������ ������������ ������������� ������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ��������������� ���������������� ���������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� ����������������� ����������������� ������������������ ������������������� ����������������� ������������������� ������������������� ��������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Z
R1r
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� �������������������� ������������������� ������������������� ������������������ ������������������ ������������������ ����������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� �������������� ��������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ������������ ������������ ������������� ������������� �������������� �������������� �������������� ��������������
���������������������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������� �������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ����������
�������������������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ����������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������
������������������������ ������������ ������������ ������������� ������������� ������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ������������ ������������ ������������ ������������� ������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ��������������� ���������������� ���������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� ����������������� ����������������� ������������������ ������������������� ����������������� ������������������� ������������������� ��������������������� ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Figure (2): Ampere’s Loop for r < R1
According to Ampere’s circuital law, the line integral
of the magnetic field intensity ( H ) about any closed path
is equal to the current enclosed by that path.
Mathematically, ∫ ldH . = I ... (1)
S.3Electromagnetic Fields (March/April-2013, Set-1) JNTU-Anantapur
( JNTU-Anantapur ) B.Tech. II-Year II-Sem.
Where, H = A/m)( zzaHaHaH ++ φφφφ .
ld is the differential length along the Ampere’s loopas shown in the figure (3). Since, the differential length isvarying only along the circumference, in cylindricalco-ordinates, it is expressed as,
dlr
��� adld�
�� addldlr
��� adld�
�� addl
Figure (3): Ampere’s Loop
ld = φφ ad
∴ From equation (1), we have
⇒ φφφ ∫ φ++ adaHaHaH zzrr )( = I
⇒ φφφ π++ araHaHaH zzrr )2)((r
= I
⇒ Hφ (2πr) = 0 [Q I = 0 inside the hollowconductor]
⇒ Hφ = 0 A/m
H = 0 A/m, for r < R1
⇒ B = 0 Wb/m2 for r < R1 [Q B = µ. H ].
Case (2)
Construct an Ampere’s loop of radius ‘r’ such that R1
< r < R2 as shown in the figure (4).
Applying Ampere’s circuital law, we get
Z
R1
r
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������� ������������������� ����������������� ����������������� ���������������� ��������������� ��������������� �������������� ��������������� �������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������� ������������� ������������� ������������� �������������
������������������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ���������� ����������� ����������� ����������� ����������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������
�������������������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ���������� ���������� ���������� ������������ ������������ ������������
������������������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ �������������� �������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� ���������������� ����������������� ������������������ ������������������ ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
R2
Z
R1
r
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������� ������������������� ����������������� ����������������� ���������������� ��������������� ��������������� �������������� ��������������� �������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������� ������������� ������������� ������������� �������������
������������������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ���������� ����������� ����������� ����������� ����������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ����������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������
�������������������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ���������� ����������� ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ����������� ����������� ���������� ���������� ���������� ������������ ������������ ������������
������������������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ ������������ �������������� �������������� ������������� ������������ ������������ ������������ ������������ �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� ���������������� ����������������� ������������������ ������������������ ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
R2
Figure (4): Ampere’s Loop for R1 < r < R
2
∫ ldH . = I
Where,
H = aHaHaH zzrr )( ++ φφ A/m
ld = φφ ad [From figure (3)]
⇒ ∫ ldH = Current density (J) × Area. ].[ AJI =Q
⇒ ∫ φφφ φ++ adaHaHaH zzrr .)(
= )( 2
122 RR
I
π−π × (πr2 – πR
12)
⇒ φφφ π++ araHaHaH zzrr )2)(( = )(
)(21
22
21
2
RR
RrI
−π−π
⇒ Hφ (2πr) = I × )(
)(21
22
21
2
RR
Rr
−−
⇒ Hφ = )(
)(
2 21
22
21
2
RR
Rr
r
I
−−
π
⇒ H = φ−−
πa
RR
Rr
r
I
)(
)(
2 21
22
21
2
A/m. For R1 < r < R
2.
⇒ B = φ−−
πµ
aRR
Rr
r
I
)(
)(
2 21
22
21
20 Wb/m2 for R
1 < r < R
2
[ BQ = µ0 H ]
Case (3)
Construct an Ampere’s loop of radius ‘r’ such thatr > R
2 as shown in the figure (5).
Z
R1
r
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������� ����������������������� ����������������������� ����������������������� ����������������������� ���������������������� ��������������������� ��������������������� �������������������� �������������������� ������������������� ������������������� ������������������ �������������������� ������������������� �������������������
������������������������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ����������������� ���������������� ���������������� ���������������� ����������������� ������������������ ������������������ ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������
������������������������������ ��������������� ��������������� ��������������� ��������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������
���������������������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ��������������� ��������������� �������������� ��������������� ��������������� ��������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ��������������� ��������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ��������������� ��������������� ���������������
���������������������������� ��������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ����������������� ���������������� ����������������� ����������������� ���������������� ���������������� ���������������� ����������������� ������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ������������������� ������������������� ������������������� ������������������ ������������������� �������������������� �������������������� �������������������� �������������������� ���������������������� ���������������������� ����������������������� ����������������������� ������������������������ ������������������������ ������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
R2
Z
R1
r
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������� ����������������������� ����������������������� ����������������������� ����������������������� ���������������������� ��������������������� ��������������������� �������������������� �������������������� ������������������� ������������������� ������������������ �������������������� ������������������� �������������������
������������������������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ����������������� ���������������� ���������������� ���������������� ����������������� ������������������ ������������������ ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� �������������� �������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������
������������������������������ ��������������� ��������������� ��������������� ��������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������
���������������������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ��������������� ��������������� �������������� ��������������� ��������������� ��������������� ��������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� �������������� ��������������� ��������������� ��������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ��������������� ��������������� ���������������
���������������������������� ��������������� ��������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ���������������� ����������������� ���������������� ����������������� ����������������� ���������������� ���������������� ���������������� ����������������� ������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ������������������ ������������������� ������������������� ������������������� ������������������ ������������������� �������������������� �������������������� �������������������� �������������������� ���������������������� ���������������������� ����������������������� ����������������������� ������������������������ ������������������������ ������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
R2
Figure (5): Ampere’s Loop for r > R2
According to Ampere’s law, we have
S.4 Spectrum ALL-IN-ONE Journal for Engineering Students, 2014
B.Tech. II-Year II-Sem. ( JNTU-Anantapur )
∫ ldH . = I
Where,
H = A/m)( zzrr aHaHaH ++ φφ
ld = φφ ad [From figure (3)]
⇒ ∫ ldH = I
⇒ )( zzrr aHaHaH ++ φφ ∫ φφ ad = I
⇒ Hφ (2πr) = I
⇒ Hφ = r
I
π2
⇒ H = r
I
π2 φa A/m for r > p2.
⇒ B = r
I
πµ2
0φa Wb/m2 for r > R
2
[Q B = µ0 H ]
The results of 3 cases can be summarized as below,
B =
<π
µ
<<−−
πµ
<
φ
φ
20
2121
22
21
20
1
;2
;)(
)(
2
;0
Rrforar
I
RrRforaRR
Rr
r
I
Rrfor
Problem
Given that,
Current in the conductor, J = 1000 A
Inner radius, R1 = 1 cm = 1 × 10–2 m
Outer radius, R2 = 2cm = 2 × 10–2 m
Radius of the conductor, r = r cm = r × 10–2 m
Case (1)
For r < R1 ⇒ r < 0.01 m, we know that
H = 0
⇒ B = 0 [Q B = µ0 H ]
Case (2)
For 0.01 m < r < 0.02, We know that
B = 2
21
22
21
20 Wb/m
)(
)(
2 φ−−
πµ
aRR
Rr
r
I
⇒ B = )101104(
)10110(
102
100010444
442
2
7
−−
−−
−
−
×−××−×
××π×π r
r
⇒ B = 4
425
10)14(
10)1(102000−
−−
×−×−× r
r
⇒ B = r
r )1(
3
102000 25 −×× −
⇒ B = 666.67 × 105 r
r )1( 2 −
⇒ B = 6.67 r
r )1( 2 − m Wb/m2
Case (3)
For r > 0.02 m, we have
B = r
I
πµ2
0 φa Wb/m2
⇒ B = φ−
−
×π××π
ar )10(2
10001042
7
⇒ B = φ
−×a
r
5102000
⇒ B = φar
2Wb/mm20
∴ The result can be summarized as below,
B =
>
<<−<
m0.02rfor;Wb/m2
m0.02rm0.01for;Wb/mm1)(
6.67
m0.01rfor;0
20
22
mr
r
r
S.5Electromagnetic Fields (March/April-2013, Set-1) JNTU-Anantapur
( JNTU-Anantapur ) B.Tech. II-Year II-Sem.
Q6. (a) Derive the expression for the magneticmoment of a planar coil.
Answer : April/May-13, Set-1, Q6(a)
For answer refer April/May-11, Set-1, Q6(a).
(b) A magnetic field B = 3.5 x 10– 2 az Wb/m2
exerts a force on a 0.3 m conductoralong the x-axis. If the conductorcurrent is 5 A in the – az direction whatforce must be applied to hold theconductor in position. Also derive theformula used.
Answer : April/May-13, Set-1, Q6(b)
For answer refer Unit-VI, Q9.
Q7. (a) Determine the self inductance of a co-axial cable of inner radius a and outerradius b.
Answer : April/May-13, Set-1, Q7(a)
Consider a coaxial cable of length ‘d’ carrying current‘I’ amperes. Let the radius of the inner conductor be ‘a’ andthe radius of the outer conductor be ‘b’ as shown in thefigure below.
a
b
d
z
a
b
d
z
Figure: Co-axial Cable
Assume that the current of I amp is along z-axis.
The magnetic field intensity (H) between the innerand outer conductors at any point is given by,
H = r
I
π2a < r < b
The magnetic field intensity (b) is given by,
B = µ H
= r
I
πµ2
If the cable is along z-axis, then the flux densityextends from r = a to b and z = 0 to d
∴ B = r
I
πµ2 φa
But, the total magnetic flux produced (φ) is given by,
φ = sdBS
.∫Where,
ds is the differential current element and isgiven as,
ds = dr dz φa
∴ φ = ∫ ∫= =
φ
d
z
b
ar
adzdrB0
.
= ∫ ∫= =
φφπµ
d
z
b
ar
adzdrar
I
0
.2
= ∫ ∫= =
πµ
d
z
b
ar
dzdrr
I
0
1
2 [Q φφ aa . = 1]
= [ ]∫=
=πµ
d
z
bar dzr
I
0
ln2
= ∫=
−π
µd
z
dzabI
0
)ln(2
= ∫=
πµ
d
z
dza
bI
0
ln2
= ∫=
πµ
d
z
dza
bI
0
.1ln2
= ( )dzza
bI0ln
2 =
πµ
= )0(ln2
−
πµ
da
bI
S.6 Spectrum ALL-IN-ONE Journal for Engineering Students, 2014
B.Tech. II-Year II-Sem. ( JNTU-Anantapur )
φ =
πµ
a
bIdln
2
The inductance of a co-axial cable is given by,
L = )(current Total
)(flux Total
I
φ
= I
a
bId
πµ
ln2
A/mln2
πµ=∴
a
bdL
(b) A coaxial cable consists of an inner conductor of radius 1.2 cm and an outer conductor ofradius 1.8 cm the two conductors are separated by an insulating medium(µµµµµr = 4µµµµµ0). If thecable is 3 m long and carries 25 mA current, calculate the energy stored in the medium.
Answer : April/May-13, Set-1, Q7(b)
Unsolved.
Q8. Write Maxwell’s equations in good conductors for time varying fields and static fields both indifferential and integral form.
Answer : April/May-13, Set-1, Q8
For answer refer Unit-VIII, Q17.