class 28: faraday’s law and motion emf

14
Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Upload: others

Post on 13-Jan-2022

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Page 2: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Maxwell’s 1st equation: (Gauss’s Law foe electric field)

in0 q AdE

Maxwell’s 2nd equation: (Gauss’s Law for magnetic field)

0 AdB

Maxwell’s 3rd equation: (Ampere’s Law ‐ incomplete)

in0I sdB

Maxwell’s equations describe only the fields, it does not include the effect of the field on charges or currents:

)BsId Fd(or Bvq F

Eq F

BB

E

Not included in Maxwell’s equations

Summary of Maxwell’s Equations so far

Page 3: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Magnetic Field from Electrons in an Atom I

A charge particle possessing angular momentum will give rise to magnetic moment.  Magnetic moment is a vector in the same direction (for positive charge) as the angular momentum.

Area A

I

L

IA

2

r ve r r 2

ve A I

r vm L

2

L

2me

Magnetic moment is a result of the circular motion of the electrons, which can be described by the angular momentum.

For electron

Page 4: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Quantization of angular momentum, spin, and magnetic moment

Spin of electrons can contribute to magnetic moment too.

Sme

s

For electron

Quantization of spin and angular momentum:

L and S are quantized in units of ħ. ħ = 1.05 10-34 Js.

As a result, magnetic momentum is also quantized, in units of Bohr magnetron

1-24-b JT 109.27

2me

Page 5: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Paramagetism and Diagmagnetism

Paramagnetism:If an atom has a net magnetic moment, it will display parammagnetic property – the net moment will align with external field and create a slightly stronger total field.  This alignment process has to compete with the thermal effect, which tends to randomize the alignment.  

Diagmagnetism:If an atom has no net magnetic moment (e.g. inert gas like He, Ar, Ne etc.), it will display diamagnetic property – an external field will induce a magnetic moment in opposite to the field direction and produce a slightly weaker field.   This is a result of the Faraday’s Law, which we will study in the next two chapters.

In general, the diamagnetic effect is much weaker than the paramagnetic effect.

Page 6: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Ferromagnetism

The individual magnetic moments in some paramagnetic materials will align together to form domains when the temperature is below a critical temperature called Curie Temperature.   

When an external field is applied, the domains with moment in the field direction will grow in size.  The original configuration may not be recovered after the field is removed an a permanent magnet is formed.

Page 7: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Structure of Equations

E B

Interaction between charges Interaction between moving charges/ currents

Coulomb’s Law Biot‐Savart Law

Gauss’s Law Gauss’s Law (Conceptual)

Gauss’s Law Ampere’s Law (Calculation) 

Parallel capacitor gives uniform E field

Solenoid gives uniform B field 

r̂rdq

41 Ed 2

0

rr̂sd

4I

Bd 20

in0 q AdE

0 AdB

in0 q AdE

in0 I sdB

nI B 0

0

E

Page 8: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

E

B

Imaginary loop in an electric and magnetic field

We will do two types of integrals for the closed loop: 

1.Magnetic flux

Note that B0 (Maxwell’s 2nd equation) because this is not a 3 dimensional closed surface.

2.Electromotive force (emf, )

loop = 0 for electrostatic case.  Note that    loop = 0 does not mean E =0.

AdB B

sdE loop

loop

Page 9: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Example

What is the magnetic flux through the rectangular loop?

I

d

a

b

Page 10: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

E

B

Faraday’s Law

AdB dtdsdEor

dtd

loop

Bloop

Notes:1.loop does not equal to 0 any more if dB/dt 02.There are two ways to make dB/dt 0: 

(i) Changing B(ii) Changing A (loop shape)

Page 11: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

E

B

Faraday’s Law

AdB dtdsdEor

dtd

loop

Bloop

Notes:1.loop does not equal to 0 any more if dB/dt 02.There are two ways to make dB/dt 0: 

(i) Changing B(ii) Changing A (loop shape)

Page 12: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Electric Potential V

A

B

If E(r) is conservative, the potential difference V is defined as the negative work done by the force F(r) (which is path independent), divided by the charge (of the test charge).  

1`1`

1`

rd)r(F- U f

i

Pay attention to the negative sign

rd)r(E- q UV

f

i

Unit of electric potential = J/C =V

Old slide from class 8

V=0 for closed loop

Page 13: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Warning

In the discussion here we will assume electric (force) field is a conservative (force) field.  This will not be the case if there is a changing magnetic field.  We will come to this point later in the semester.

Old slide from class 8

Page 14: Class 28: Faraday’s Law and Motion EMF

Faraday’s Law for changing magnetic field: Example I 

AdB dtdsdEor

dtd

loop

Bloop

Notes:1.loop does not equal to 0 any more if dB/dt 02.There are two ways to make dB/dt 0:

(i) Changing B(ii) Changing A (loop shape)