1401799646_electromagnetic field 2-2 set-1 a

6
S.1 Electromagnetic 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 potential at 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 of sulphur (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’ from the 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 outer radius 2 cm assume uniform resistivity and calculate B as a function of radius r from the axis of the conductor and also derive 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 a z Wb/m 2 exerts a force on a 0.3 m conductor along the x-axis. If the conductor current is 5 A in the – a z 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 two conductors 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 and integral form. (Unit-VIII, Topic No. 8.5) Set-1 Solutions

Upload: sreekantha2013

Post on 27-Dec-2015

25 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

srit anantapur

TRANSCRIPT

Page 1: 1401799646_Electromagnetic Field 2-2 Set-1 A

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

Page 2: 1401799646_Electromagnetic Field 2-2 Set-1 A

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)

Page 3: 1401799646_Electromagnetic Field 2-2 Set-1 A

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

Page 4: 1401799646_Electromagnetic Field 2-2 Set-1 A

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 =

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

Page 5: 1401799646_Electromagnetic Field 2-2 Set-1 A

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

Page 6: 1401799646_Electromagnetic Field 2-2 Set-1 A

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.