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Heimadæmi 6 Due: 11:00pm on Thursday, February 25, 2016 You will receive no credit for items you complete after the assignment is due. Grading Policy Problem 27.68 The rectangular loop shown in the figure is pivoted about the yaxis and carries a current of 15.0 in the direction indicated. Part A If the loop is in a uniform magnetic field with magnitude 0.48 in the xdirection, find the magnitude of the torque required to hold the loop in the position shown. Express your answer using two significant figures. ANSWER: Correct Part B What is the direction of the torque required to hold the loop in the position shown. ANSWER: Correct = 3.0×10 −2

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Page 1: Problem 27 - notendur.hi.isisa13/Efni/Einn/S.hl/Edlisfraedi II/Heimadæmi 6.pdf · The figure shows a portion of a silver ribbon with = 11.0 and = 0.20 , carrying a current of 140

Heimadæmi 6Due: 11:00pm on Thursday, February 25, 2016

You will receive no credit for items you complete after the assignment is due. Grading Policy

Problem 27.68

The rectangular loop shown in the figure is pivoted about the y­axis and carries a current of 15.0  in the direction indicated.

Part A

If the loop is in a uniform magnetic field with magnitude 0.48  in the   x­direction, find the magnitude of the torquerequired to hold the loop in the position shown.

Express your answer using two significant figures.

ANSWER:

Correct

Part B

What is the direction of the torque required to hold the loop in the position shown.

ANSWER:

Correct

A

T +

 =  3.0×10−2      τ N ⋅ m

   

   

   

   

   

   

+ i

− i

+ j

− j

+k

−k

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Part C

Repeat part A for the case in which the field is in the   z­direction.

Express your answer using two significant figures.

ANSWER:

Correct

Part D

What is the direction of the torque required to hold the loop in the position shown.

ANSWER:

Correct

Part E

For the magnetic field in part A, what torque would be required if the loop were pivoted about an axis through its center,parallel to the y­axis?

Express your answer using two significant figures.

ANSWER:

Correct

Part F

For the magnetic field in part C, what torque would be required if the loop were pivoted about an axis through its center,parallel to the y­axis?

Express your answer using two significant figures.

ANSWER:

 =  1.7×10−2      τ N ⋅ m

   

   

   

   

   

   

+ i

− i

+ j

− j

+k

−k

 =  3.0×10−2      τ N ⋅ m

 =  1.7×10−2      τ N ⋅ m

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Correct

Problem 27.22

Part A

A thin copper rod that is 1.0 m long and has a mass of 0.050 kg is in a magnetic field of 0.10 T. What minimum currentin the rod is needed in order for the magnetic force to cancel the weight of the rod?

ANSWER:

Correct

Exercise 27.18

An alpha particle (a   nucleus, containing two protons and two neutrons and having a mass of  ) travelinghorizontally at 35.6   enters a uniform, vertical, 1.80   magnetic field.

Part A

What is the diameter of the path followed by this alpha particle?

Express your answer with the appropriate units.

ANSWER:

Correct

Part B

What effect does the magnetic field have on the speed of the particle?

ANSWER:

 4.9 A

 7.6 A

 2.5 A

 9.8 A

 1.2 A

He 6.64 × kg10−27

km/s T

 =  0.821 d mm

 The speed remains constant.

 The speed increases with time.

 The speed decreases with time.

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Correct

Part C

What is the magnitude of the acceleration of the alpha particle while it is in the magnetic field?

Express your answer with the appropriate units.

ANSWER:

Correct

Part D

What is the direction of this acceleration?

ANSWER:

Correct

Part E

Explain why the speed of the particle does not change even though an unbalanced external force acts on it.

ANSWER:

Correct

 =  3.09×1012 a ms2

 The acceleration is perpendicular to   and   and so is horizontal, out of the center of curvature of theparticle’s path.

 The acceleration is perpendicular to   and   and so is horizontal, toward the center of curvature of theparticle’s path.

 The acceleration is parallel to   and perpendicular to   and so is vertical, along the particle’s path.

 The acceleration is perpendicular to   and parallel to   and so is horizontal, along the particle’s path.

v   B 

v   B 

v   B 

v   B 

 The unbalanced force   is parallel to   so it changes the direction of   but not its magnitude, which is the

speed.

 The unbalanced force   is perpendicular to   so it changes the direction of   but not its magnitude, which

is the speed.

 The unbalanced force   is parallel to   so it changes the magnitude of   but not its direction, which is the

speed.

 The unbalanced force   is perpendicular to   so it changes the magnitude of   but not its direction, which

is the speed.

FB→

v   v  

FB→

v   v  

FB→

v   v  

FB→

v   v  

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Electromagnetic Velocity Filter

When a particle with charge   moves across a magnetic field of magnitude  , it experiences a force to the side. If the

proper electric field   is simultaneously applied, the electric force on the charge will be in such a direction as to cancel themagnetic force with the result that the particle will travel in a straight line. The balancing condition provides a relationshipinvolving the velocity   of the particle. In this problem you will figure out how to arrange the fields to create this balance andthen determine this relationship.

Part A

Consider the arrangement of ion source and electric field plates shown in the figure. The ion source sends particles withvelocity   along the positive x axis. They encounter electricfield plates spaced a distance   apart that generate a uniformelectric field of magnitude   in the +y direction. To cancelthe resulting electric force with a magnetic force, a magneticfield (not shown) must be added in which direction? Using theright­hand rule, you can see that the positive z axis isdirected out of the screen.

Choose the direction of  .

Hint 1. Method for determining direction

Assume a sign for the charge. Since both the electric force and magnetic force depend on  , in particular, theyalso depend on its sign. So the sign doesn't matter here. Apply the right­hand rule to the equation for themagnetic force,  .

Hint 2. Right­hand rule

Curl the fingers of your right hand from the first vector to the second in the product. Your outstretched thumbthen points in the direction of the cross­product vector.

ANSWER:

Correct

Part B

q B

E  

v  

v  d

E

B

q

= q ×F  M v   B 

 

   

 

   

 

 

i

− i

j

− j

k

−k

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Now find the magnitude of the magnetic field that will cause the charge to travel in a straight line under the combinedaction of electric and magnetic fields.

Express the magnetic field   that will just balance theapplied electric field in terms of some or all of thevariables  ,  , and  .

Hint 1. Find the magnetic force

What is  , the magnitude of the force due to a magnetic field   (with a magnitude of  ) interacting with acharge   moving at velocity   (a speed of  )?

Express   in terms of some or all of the variables  ,  , and  .

ANSWER:

Hint 2. Find the force due to the electric field

What is  , the magnitude of a force on a charge   due to an applied electric field  ?

Express   in terms of one or both of the variables   and  .

ANSWER:

ANSWER:

Correct

Part C

It may seem strange that the selected velocity does not depend on either the mass or the charge of the particle. (Forexample, would the velocity of a neutral particle be selected by passage through this device?) The explanation of thisis that the mass and the charge control the resolution of the device­­particles with the wrong velocity will be acceleratedaway from the straight line and will not pass through the exit slit. If the acceleration depends strongly on the velocity,then particles with just slightly wrong velocities will feel a substantial transverse acceleration and will not exit theselector. Because the acceleration depends on the mass and charge, these influence the sharpness (resolution) of thetransmitted particles.

Bbal

q v E

FM B  Bq v   v

FM q B v

 = FM qBv

FE q E  

FE q E

 = FE qE

 = BbalEv

 

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Assume that you want a velocity selector that will allow particles of velocity   to pass straight through withoutdeflection while also providing the best possible velocity resolution. You set the electric and magnetic fields to selectthe velocity  . To obtain the best possible velocity resolution (the narrowest distribution of velocities of the transmittedparticles) you would want to use particles with __________.

Assume that the selector is short enough so that particles that move away from the axis do not have time tocome back to it.

Hint 1. Use Newton's law

If the velocity is "wrong" the forces won't balance and the resulting transverse force will cause a transverseacceleration. Use   to determine how this acceleration will depend on   and  . You want particles withthe incorrect velocity to have the maximum possible deviation in the y direction so that they will not go througha slit placed at the right end. This means that the acceleration should be maximum.

ANSWER:

CorrectYou want particles with the incorrect velocity to have the maximum possible deviation in the y direction so thatthey will not go through a slit placed at the right end. The deviation will be maximum when the acceleration ismaximum. The acceleration is directly proportional to   and inversely proportional to  :

.So for maximum deviation,   should be large and   small.

Exercise 27.49

The figure shows a portion of a silver ribbon with   = 11.0 and   = 0.20   , carrying a current of 140   in the  ­direction. The ribbon lies in a uniform magnetic field, in the  ­direction, with magnitude 0.91   . Apply the simplified model ofthe Hall effect.

Part A

If there are 5.85×1028 free electrons per cubic meter, find the magnitude of the drift velocity of the electrons in the  ­direction.

v  

v  

a = F/m q m

 both   and   large

   large and   small

   small and   large

 both   and   small

q m

q m

q m

q m

q m

a = = ( + × )+F  E F  

Mm

qm E  v   B 

q m

z1 mmy1 mm A +x

yT

x

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Express your answer using two significant figures.

ANSWER:

Correct

Part B

Find the magnitude of the electric field in the  ­direction due to the Hall effect.

Express your answer using two significant figures.

ANSWER:

Correct

Part C

Find the direction of the electric field in the  ­direction due to the Hall effect.

ANSWER:

Correct

Part D

Find the Hall emf. 

Express your answer using two significant figures.

ANSWER:

Correct

Exercise 26.35

The resistance of a galvanometer coil is 30.0   , and the current required for full­scale deflection is 500 .

Part A

Show in a diagram how to convert the galvanometer to an ammeter reading 25.0   full scale.

 =  6.8×10−3      vd m/s

z

 =  6.2×10−3      E V/m

z

 

 −z

+z

 =  6.8×10−5      EHall V

Ω μA

mA

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ANSWER:

Correct

Part B

Compute the shunt resistance.

ANSWER:

Correct

Part C

Show how to convert the galvanometer to a voltmeter reading 500   full scale.

ANSWER:

Correct

Part D

Compute the series resistance.

ANSWER:

Correct

Problem 26.21

Part A

 add a shunt resistor in parallel with the galvanometer coil

 add a resistor in series with the galvanometer coil

 =  0.612      Rs Ω

mV

 add a shunt resistor in parallel with the galvanometer coil

 add a resistor in series with the galvanometer coil

 =  970      Rs Ω

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(a) For the circuit shown in the figure, determine the current in the 7.0­  resistor.

Express your answer using three significant figures.

ANSWER:

Correct

Part B

(b) For the circuit shown in the figure, determine the current in the 8.0­  resistor.

Express your answer using three significant figures.

ANSWER:

Correct

Part C

(c) For the circuit shown in the figure, determine the current in the 4.0­  resistor.

Express your answer using three significant figures.

ANSWER:

Correct

PSS 27.1: Magnetic Forces

Learning Goal:

To practice Problem­Solving Strategy 27.1: Magnetic Forces.

A particle with mass 1.81×10−3   and a charge of 1.22×10−8   has, at a given instant, a velocity . What are the magnitude and direction of the particle’s acceleration produced by a uniform

magnetic field  ?

Problem­Solving Strategy 27.1: Magnetic Forces

Ω

1.55  A 

Ω

1.27  A 

Ω

0.284  A 

kg C= (3.00 × m/s)v   104 j

= (1.63 T) + (0.980 T)B  i j

Page 11: Problem 27 - notendur.hi.isisa13/Efni/Einn/S.hl/Edlisfraedi II/Heimadæmi 6.pdf · The figure shows a portion of a silver ribbon with = 11.0 and = 0.20 , carrying a current of 140

IDENTIFY the relevant concepts: The right­hand rule allows you to determine the magnetic force on a moving charged particle.

SET UP the problem using the following steps:

1. Draw the velocity vector   and magnetic field   with their tails together so that you can visualize the plane inwhich these two vectors lie.

2. Identify the angle   between the two vectors.3. Identify the target variables. This may be the magnitude and direction of the force, the velocity, or themagnetic field.

EXECUTE the solution as follows:

1. Express the magnetic force using the equation  . The magnitude of the force is given by .

2. Remember that  is perpendicular to the plane of the vectors   and  . The direction of   is determinedby the righthand rule. If   is negative, the force is opposite to  .

EVALUATE your answer: Whenever you can, solve the problem in two ways. Verify that the results agree.

IDENTIFY the relevant concepts

The problem asks for the acceleration of a moving charged particle. Since acceleration is related to force, you will need todetermine the magnetic force acting on the particle.

SET UP the problem using the following steps

Part A

Draw the velocity   and magnetic field   vectors. Since they have different units, their relative magnitudes aren'trelevant. Be certain they have the correct orientations relative to the given coordinate system. The dot in the center ofthe image represents the particle.

Recall that  ,  , and   are the unit vectors in the x, y, and z directions, respectively.

ANSWER:

v   B 

ϕ

= q ×F   v   B F = qvB sin ϕ

F   v   B  ×v   B 

q ×v   B 

v   B 

i j k

Page 12: Problem 27 - notendur.hi.isisa13/Efni/Einn/S.hl/Edlisfraedi II/Heimadæmi 6.pdf · The figure shows a portion of a silver ribbon with = 11.0 and = 0.20 , carrying a current of 140

Correct

The strategy points out that there are two ways to solve problems with magnetic forces. In this problem, youalready have the components of the vectors, so the cross product method will be much easier. This means thatyou do not need to find the value of  , the angle between   and  .

Also, note that the coordinate system in the vector drawing applet is two­dimensional. To make it three­dimensional, add a positive z axis oriented out of the screen.

EXECUTE the solution as follows

Part B

Find the acceleration vector for the charge.

Enter the x, y, and z components of the acceleration in meters per second squared separated by commas.

Hint 1. How to find cross products

Recall that the cross product distributes like a regular scalar product:

You will also need to use the following relations for products of unit vectors:

Finally, remember that the cross product of any vector with itself is zero. For example,  .

Hint 2. Find 

Calculate  , in terms of its components.

ϕ v   B 

  × ( + ) = × + ×A   B  C   A   B  A   C  

× = × = −i j k j i k

× = × = −j k i k j i

× = × = −k i j i k j

× = 0j j

×v   B 

×v   B 

 

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Enter the x, y, and z components of   in tesla meters per second separated by commas.

Hint 1. How to find cross products

Recall that the cross product distributes like a regular scalar product:

You will also need to use the following relations for products of unit vectors:

Finally, remember that the cross product of any vector with itself is zero. For example,  .

ANSWER:

Correct

ANSWER:

Correct

EVALUATE your answer

Part C

You can check your result by comparing its magnitude to the magnitude the acceleration would have if the particle'svelocity had the same magnitude but it was perpendicular to the magnetic field.Find the value of the expression   (the magnitude of   when   is perpendicular to  ), where   is the magnitudeof the charge,   is the magnitude of the velocity,   is the magnitude of the magnetic field, and   is the mass of theparticle.

Express your answer in meters per second squared.

Hint 1. Find the magnitude of the velocity

What is the value of  ? Remember that the magnitude of a vector   is given by

Express your answer in meters per second squared.

ANSWER:

×v   B 

  × ( + ) = × + ×A   B  C   A   B  A   C  

× = × = −i j k j i k

× = × = −j k i k j i

× = × = −k i j i k j

× = 0j j

 =  0,0,−4.89×104      ×v   B  T ⋅ m/s

 =  0,0,­0.330      a  m/s2

qvB/m a  v   B  qv B m

v + +vx i vy j vzk

+ +v2x v2

y v2z

− −−−−−−−−−√

 =  3.00×104      v m/s2

Page 14: Problem 27 - notendur.hi.isisa13/Efni/Einn/S.hl/Edlisfraedi II/Heimadæmi 6.pdf · The figure shows a portion of a silver ribbon with = 11.0 and = 0.20 , carrying a current of 140

Hint 2. Find the magnitude of the magnetic field

What is the value of  ? Remember that the magnitude of a vector   is given by

Express your answer in teslas.

ANSWER:

ANSWER:

Correct

This quantity is of similar size to the magnitude of your answer from Part B. If you wanted to check precisely, youcould find the value of   and multiply the value you calculated above by  . You would find that you had thesame magnitude as the magnitude of the acceleration vector you found in Part B. Note that the magnitude of themagnetic force, and therefore the magnitude of the particle's acceleration, is at its maximum when   isperpendicular to  , so it is not surprising that your answer to Part C is somewhat larger than the magnitude of theacceleration calculated in Part B.

To check the direction of your answer from Part B, use the right­hand rule. Point the fingers of your right handparallel to   in your answer to Part A and then turn your wrist so that you can curl those fingers down toward  .You will find that your thumb points into the screen, which is the negative z direction. Thus, your answer from PartB has the proper direction as well as the proper magnitude.

± Determining the Velocity of a Charged Particle

A particle with a charge of   5.10   is moving in a uniform magnetic field of   1.25   ) . The magnetic force on

the particle is measured to be   3.80×10−7     7.60×10−7    .

Part A

Are there components of the velocity that cannot be determined by measuring the force?

Hint 1. Magnetic force on a moving charged particle

Recall the following formula:.

If you know  , does   uniquely define  ?

ANSWER:

Correct

B + +Bx i By j Bzk

+ +B2x B2

y B2z

− −−−−−−−−−−√

 =  1.90      B T

 =  0.385      qvB/m m/s2

ϕ sin ϕ

v  

v   B 

− nC = −(B  T k

= −(F   N ) + (i N ) j

= q ×F   v   B 

B  ×v   B  v  

 yes

 no

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Part B

Calculate the x component of the velocity of the particle.

Express your answer in meters per second to three significant figures.

Hint 1. Relation between   and 

Which component of the force depends on the x component of the velocity?

ANSWER:

ANSWER:

Correct

Part C

Calculate the y component of the velocity of the particle.

Express your answer in meters per second to three significant figures.

Hint 1. Relation between   and 

Which component of the force depends on the y component of the velocity?

ANSWER:

ANSWER:

Correct

Part D

Calculate the scalar product  . Work the problem out symbolically first, then plug in numbers after you've simplifiedthe symbolic expression.

Express your answer in watts to three significant figures.

v   F  

 x 

 y

 =  ­119      vx m/s

v   F  

 x 

 y

 =  ­59.6      vy m/s

⋅v   F  

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Hint 1. Formula for dot product

The dot product of two vectors   and   is given by

.

ANSWER:

Correct

Part E

What is the angle between   and  ?

Express your answer in degrees to three significant figures.

Hint 1. Another dot product formula

Recall that

,

where   is the angle between   and  .

ANSWER:

Correct

Notice that the dot product of the velocity and the force is zero. This will always be the case. Since  , must be perpendicular to both   and  . This result is important because it implies that magnetic fields can only

change the direction of a charged particle's velocity, not its speed.

Exercise 27.38

A straight, vertical wire carries a current of 2.30   downward in a region between the poles of a large superconductingelectromagnet, where the magnetic field has a magnitude of   = 0.594   and is horizontal.

Part A

What is the magnitude of the magnetic force on a 1.00   section of the wire that is in this uniform magnetic field, ifthe magnetic field direction is east?

Express your answer with the appropriate units.

ANSWER:

A   B 

⋅ = + +A   B  AxBx AyBy AzBz

0      W

v   F  

⋅ = cos θA   B  ∣∣A

 ∣∣∣∣B

 ∣∣

θ A   B 

90      ∘

= q ×F   v   B 

F   v   B 

AB T

cm

 =  1.37×10−2 F N

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Correct

Part B

What is the direction of this magnetic force?

ANSWER:

Correct

Part C

What is the magnitude of the magnetic force on a 1.00   section of the wire that is in this uniform magnetic field, ifthe magnetic field direction is south?

Express your answer with the appropriate units.

ANSWER:

Correct

Part D

What is the direction of this magnetic force?

ANSWER:

Correct

Part E

What is the magnitude of the magnetic force on a 1.00   section of the wire that is in this uniform magnetic field, ifthe magnetic field direction is 30.0   south of west?

Express your answer with the appropriate units.

ANSWER:

 west

 south

 north

 east

cm

 =  1.37×10−2 F N

 north

 east

 west

 south

cm∘

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Correct

Part F

What is the direction of this magnetic force?

ANSWER:

Correct

Score Summary:Your score on this assignment is 98.8%.You received 10.87 out of a possible total of 11 points.

 =  1.37×10−2 F N

 =  60.0     north of west ϕ ∘