Exam%2%Solutions% - University of Florida · PHY2049Spring2013$ $ Exam2$solutions$...

12
PHY 2049 Spring 2013 Exam 2 solutions Exam 2 Solutions Note that there are several variations of some problems, indicated by choices in parentheses. Problem 1 A large appliance consumes 10 kW of electrical power from a utility company that delivers that power with an EMF of 400 V. What is the internal resistance of the appliance? (1) 16 Ω (2) 25 Ω (3) 40 Ω (4) 0.04 Ω (5) 16,000 Ω P = ε 2 R R = ε 2 P = 400 ( ) 2 10000 = 16Ω Problem 2 Two cylindrical wires are made from copper. The second wire has twice the diameter and twice the length of the first wire. What is the ratio of the resistance of the second wire to that of the first? (1) 1/2 (2) 2 (3) 1/4 (4) 4 (5) 1 R 1 = ρ L 1 A 1 R 2 = ρ L 2 A 2 R 2 R 1 = L 2 L 1 A 1 A 2 = L 2 L 1 r 1 2 r 2 2 = 2 1 1 2 2 = 1 2 Problem 3 Two light bulbs each with a resistance of 250 Ω can be connected in parallel or in series to a source of EMF with ε = 120 V. What is the ratio of the brightness of one of the light bulbs when it is in the parallel circuit to that of one of the light bulbs when it is in the series circuit? (The two light bulbs have the same brightness in each circuit since they are identical.) (1) 4 (2) 2 (3) 16 (4) 1/2 (5) 1/4

Transcript of Exam%2%Solutions% - University of Florida · PHY2049Spring2013$ $ Exam2$solutions$...

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

Exam  2  Solutions    Note  that  there  are  several  variations  of  some  problems,  indicated  by  choices  in  parentheses.    Problem  1    A  large  appliance  consumes  10  kW  of  electrical  power  from  a  utility  company  that  delivers  that  power  with  an  EMF  of  400  V.  What  is  the  internal  resistance  of  the  appliance?    (1)  16  Ω    (2)  25  Ω      (3)  40  Ω      (4)  0.04  Ω    (5)  16,000  Ω    

 P = ε 2

R

⇒ R = ε 2

P=400( )210000

= 16Ω    

 Problem  2      Two  cylindrical  wires  are  made  from  copper.  The  second  wire  has  twice  the  diameter  and  twice  the  length  of  the  first  wire.  What  is  the  ratio  of  the  resistance  of  the  second  wire  to  that  of  the  first?    (1)  1/2      (2)  2      (3)  1/4        (4)  4      (5)  1    

 

R1 = ρ L1A1

R2 = ρ L2A2

R2R1

= L2L1

A1A2

= L2L1r12

r22 =

21122

= 12

   

 Problem  3    Two  light  bulbs  each  with  a  resistance  of  250  Ω  can  be  connected  in  parallel  or  in  series  to  a  source  of  EMF  with  ε  =  120  V.    What  is  the  ratio  of  the  brightness  of  one  of  the  light  bulbs  when  it  is  in  the  parallel  circuit  to  that  of  one  of  the  light  bulbs  when  it  is  in  the  series  circuit?  (The  two  light  bulbs  have  the  same  brightness  in  each    circuit  since  they  are  identical.)  (1)  4      (2)  2      (3)  16      (4)  1/2        (5)  1/4  

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

    With  the  light  bulbs  in  series,  the  current  through  each  light  bulb  is:  

  i = ε2R

   

  The  power  dissipated  by  one  bulb  (its  brightness)  is:  

  Ps = i2R = ε 2

4R    

With  the  light  bulbs  in  parallel,  the  current  from  the  EMF  source  is:  

  i = εR / 2( ) =

2εR    (resistors  in  parallel)  

The  current  through  each  bulb  is  half  of  the  total  current  (evenly  split  into  each  parallel  path).  So  the  power  dissipated  by  one  bulb  (its  brightness)  is:  

  Pp =i2

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟2

R = 2ε2R

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟2

R = ε 2

R    

So  the  ratio  of  the  brightness  of  one  bulb  in  the  parallel  circuit  to  one  in  the  series  circuit  is:  PpPs

=ε 2 / R( )ε 2 / 4R( ) = 4  

   Problem  4    Find  the  equivalent  resistance  of  the  circuit  connected  to  the  source  of  EMF  as  shown  in  the  figure  if  every  resistor  has  the  same  resistance  60Ω.    

 (1)  80  Ω      (2)  150  Ω      (3)  120  Ω      (4)  15  Ω      (5)  60  Ω    

The  3  resistors  on  the  right,  R2-­‐R4,  are  all  in  parallel  with  equivalent  resistance  R/3.    These  are  in  series  with  R1,  so  the  total  equivalent  resistance  is  R+R/3  =  4R/3  =  80  Ω  

       

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

Problem  5    How  long  does  it  take  to  charge  an  initially  uncharged  capacitor  to  half  of  its  maximum  charge  of  24μC  if  it  is  connected  in  series  with  a  30  kΩ  (or  15  kΩ)  resistor  to  a  12  V  EMF  source?    (1)  0.04  s        (2)  0.06  s        (3)  0.03  s        (4)  0.02  s        (5)  0.4  s    

This  is  an  RC  circuit,  so  the  charge  on  the  capacitor  follows  an  exponential  plus  a  constant.  Boundary  conditions  imply  that:  q t( ) = qm 1− e− t /RC( )      The  maximum  value  of  the  charge,  qm,  is  given  when  the  capacitor  is  fully  charged  to  the  voltage  of  the  EMF  source  (current  goes  to  zero,  no  voltage  across  resistor).  This  tells  us:  qm = Cε ,  or  that  C = qm / ε      When  the  capacitor  is  half  charged:  qm2

= qm 1− e− t /RC( )

12= 1− e− t /RC

12= e− t /RC

ln2 = tRC

t = RC ln2 = Rqmεln2

 

which  is  0.04s  or  0.02s  depending  on  R.    Problem  6    In  the  circuit  shown,  the  EMF  source  maintains  a  potential  difference  of  ε  =  6  V  and  the  resistances  are  R1  =  10Ω  (or  20Ω),  R2  =  20Ω  (or  10Ω),  and  R3  =  30Ω.  If  the  electric  potential  at  point  c  is    Vc  =  −3  V,  what  is  the  electric  potential  Vb  at  point  b?  

 (1)  +1  V        (2)  +4  V        (3)  −1  V        (4)  +2  V        (5)  6  V  

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

    Note  that  Vac = ε       Consider  the  path  ac:  

 

ε = iR1 + iR2 ⇒ i = εR1 + R2

iR1 = ε R1R1 + R2

iR2 = ε R2R1 + R2

⇒Vb =Vc + iR2

   

   Problem  7    Find  the  magnitude  of  the  current  in  amps  through  resistor  R3  in  the  circuit  shown  if  ε1  =  ε2  =  9  V  and  R1  =  R2  =  40Ω  (or  80  Ω)  and  R3  =  10  Ω  (or  20  Ω).    

 (1)  0.3      (2)  0.15      (3)  0.1      (4)  0.05      (5)  0    

Since  R1  =  R2  and  ε1  =  ε2,  the  currents  through  those  two  branches  must  be  the  same  by  symmetry,  and  equal  to  half  the  current  through  R3.  Applying  the  loop  rule  to  either  branch  gives  us:    ε1 − i1R1 − i3R3 = 0

ε1 −i32

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ R1 − i3R3 = 0

⇒ i3 =ε1

R12+ R3

   

which  gives  0.3A    or  0.15A  depending  on  the  inputs.            

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

Problem  8    Determine  the  drift  velocity  vd  of  free  electrons  in  a  copper  wire  carrying  a  current  of  1  A,  if  the  wire  has  a  cylindrical  cross  section  of  radius  r=0.005  m.    The  number  density  of  free  electrons  in  copper  is  n=8.5  x  1028  m−3.    The  current  density  is  related  to  the  drift  velocity  by  j  =  n  e  vd.    (1)  9.4  x  10−7  m/s      (2)  7.4  x  10−11  m/s  (3)  1.1  x  106  m/s  (4)  1.5  x  10−25  m/s  (5)  3  x  108  m/s    

  vd =jne

=i / A( )ne

= iπr2ne

= 9.4 ×10−7 m/s    

   Problem  9    Consider  a  charged  particle  of  mass  2  x  10−9  kg  which  moves  in  a  region  of  zero  electric  field  and  a  constant  magnetic  field  of  magnitude  5  Tesla  and  directed  straight  up  from  the  paper.  Suppose  the  particle  moves  at  a  constant  speed  of  1000  m/s  counter-­‐clockwise  around  a  circle  of  radius  3  m.    What  is  the  particle's  charge  in  Coulombs?      (1)  −1.3  x  10−7  (2)  +1.3  x  10−7  (3)  −8.4  x  10−7  (4)  +8.7  x  10−7  (5)  +2.1  x  10−8    

Because  the  particle  is  moving  counter-­‐clockwise  (as  viewed  from  the  tip  of  the  magnetic  field  vector)  it  must  have  a  negative  charge.  To  find  the  magnitude  q  of  the  charge,  recall  that  the  angular  frequency  is  ωB  =  qB/m.  We  set  this  equal  to  its  speed  over  the  radius  of  the  circle  so  q  =  mv/BR.  

       

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

Problem  10    Suppose  a  charged  particle  moves  with  velocity  (2   i  −  3   k )  m/s  in  a  magnetic  field  of  8   j    nano−Tesla.  What  must  be  the  electric  field  (in  nano−Volt/meter)  in  order  for  the  particle  to  move  freely  with  constant  velocity?        (1)  −24   i  −  16   k  (2)  +24   i  +  16   k  (3)  −24   i  +  16   k  (4)  +24   i  −  16   k  (5)  Must  know  the  charge  to  answer.       For  the  electric  force  to  cancel  the  magnetic  one  we  must  have  

E = −v ×B .  Recall  how  the  unit  vectors  cross  into  one  another:  i × j = k

j× k = i

k × i = j

   

 Problem  11    Consider  an  unknown  conductor  in  the  shape  of  a  rectangular  bar  along  the  y  axis.  Suppose  the  conductor  carries  a  current  directed  along  the  positive  y  axis.  A  magnetic  field  is  applied  along  the  positive  z  axis,  and  the  resulting  Hall  voltage  is  measured  to  be  positive  from  the  −x  side  of  the  bar  to  the  +x  side.  What  is  the  sign  of  the  conductor's  charge  carriers  and  the  direction  of  their  average  motion?    (1)  q  >  0  and  v_y  >  0  (2)  q  <  0  and  v_y  >  0  (3)  q  >  0  and  v_y  <  0  (4)  q  <  0  and  v_y  <  0  (5)  Insufficient  information    

   Because  the  current  moves  in  the  +y  direction,  charge  carries  with  q  >  0  have  vy  >0,  whereas  those  with  q  <  0  have  vy  <  0.  In  both  case  the  magnetic  force  qv ×B  points  in  the  +x  direction,  which  makes  the  charge  carriers  accumulate  on  the  +x  side.  Because  the  Hall  potential  is  positive  from  –x  to  +x,  the  charge  carriers  must  have  q  >  0,  which  implies  vy  >  0.  

     

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

Problem  12    100  turns  of  wire  are  wound  around  the  frame  of  a  door  of  height  2  meters  and  width  1  meter.  The  wire  carries  a  current  of  5  Amps  up  its  hinge.  Suppose  a  constant  magnetic  field  of  magnitude  .003  Tesla  is  applied  parallel  to  the  door's  hinge.  What  is  the  magnitude  of  the  torque  (in  N−m)  on  the  door,  and  which  way  does  it  make  the  door  turn  as  viewed  from  above?    

     (1)  0,  the  door  doesn't  turn  (2)  3,  clockwise  (3)  3,  counter−clockwise  (4)  0.03,  clockwise  (5)  0.03,  counter−clockwise    

This  problem  is  designed  to  catch  unwary  students  who  compute  magnitudes  without  worrying  about  directions.  The  door  forms  a  magnetic  dipole  of  magnitude  1000    A-­‐m2,  directed  into  the  page.  This  means  the  MAGNETIC  COMPONENT  of  the  total  torque  has  magnitude  3  N-­‐m  and  points  away  from  the  hinge,  parallel  to  the  door.  Such  a  torque  would  tend  to  cause  the  door  to  rotate  about  the  same  axis.  Of  course  it  is  NOT  FREE  to  rotate  that  way:  contact  forces  from  the  hinge  cancel  the  magnetic  torque  so  that  the  total  torque  is  zero  and  the  door  doesn't  turn.  MORAL:  vectors  have  DIRECTIONS  as  well  as  magnitudes  and  these  directions  matter.  

       

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

Problem  13    What  is  the  magnetic  field  (in  nano−Tesla)  at  a  point  4  meters  along  the  positive  x  axis  by  a  wire  segment  of  length  3  meters  which  carries  a  current  of  5  Amps  along  the  positive  z  axis?    

 (1)  +75   j          (2)  −75   j          (3)  +13   j          (4)  −13   j          (5)  +6   j       If  we  measure  all  lengths  in  meters  then  the  Biot-­‐Savart  law  gives    

B = µ0i4π

d0

3

∫ xk × (4i − zk) / (16 + z2 )32 = µ0i

4 pi4 j d

0

3

∫ z / (16 + z2 )3/2    

Now  use  the  integral  given  on  the  front  sheet  (for  a=3  and  b=4)  to  conclude  

B = µ0i4π

320j = 75 nTj    

 Problem  14    A  cable  of  radius  R  carries  a  current  density  directed  along  its  axis  whose  magnitude  grows  linearly  with  the  distance  from  the  cable's  central  axis.  If  the  total  current  in  the  cable  is  i0,  what  is  the  magnitude  of  the  magnetic  field  a  distance  r  =  R/2  from  the  central  axis?  (1)  μ0  i0/8π  R  (2)  μ0  i0/6π  R  (3)  μ0  i0/4π  R  (4)  μ0  i0/2π  R  (5)  μ0  i0/π  R    

As  promised  in  lecture,  this  is  the  problem  of  a  nonlinear  current  density  similar  to  the  electric  field  example  of  Exam  1.  Use  Ampere's  law.  By  symmetry,  the  magnetic  field  is  directed  axially  around  the  wire,  and  its  magnitude  depends  only  on  the  distance  from  the  central  axis.  We  can  best  exploit  this  by  choosing  the  surfaces  to  be  circles  of  radius  r,  perpendicular  to  the  central  axis  and  centered  on  it.  The  boundary  of  such  a  circle  is  its  circumference  so   d∫ s ⋅B = 2πrB(r)    

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

By  Ampere's  law  this  must  be  µ0 2π d0

r

∫ ssj(s)    

so   B(r) = µ0 / r d0

r

∫ ssj(s)    

Now  use  the  fact  that  j(s)  =  j0  s.  For  r  <  R  we  have  B(r) = µ0 j0r2 / 3    

The  total  current  is   i0 = 2π j0R3 / 3 ,  hence  B(r) = µ0i0

2πr2 / R3    

For  r  =  R/2  we  have  B = µ0i08πR

   

 Problem  15    Consider  three  parallel  wires  which  are  arranged  from  top  to  bottom  carrying  currents  in  the  same  direction.    Suppose  the  top  wire  carries  four  times  the  current  of  the  bottom  wire  and  the  middle  wire  carries  twice  the  current  of  the  bottom  wire.  If  the  distance  between  the  top  wire  and  the  middle  one  is  d,  what  must  be  the  distance  between  the  middle  wire  and  the  bottom  one  in  order  that  the  force  on  the  middle  wire  is  zero?    (1)  d/4        (2)  d/2        (3)  d/8        (4)  d/16        (5)  d/32    

Recall  that  parallel  wires  carrying  current  in  the  same  direction  attract  one  another,  whereas  those  with  opposite  currents  repel  one  another.  Hence  the  top  wire  pulls  the  middle  wire  up,  whereas  the  bottom  wire  pulls  it  down.  In  each  case  the  magnitude  of  the  force  goes  like  the  current  in  the  wire  (top  or  bottom)  over  its  distance  from  the  middle  wire.  For  the  forces  to  balance  we  must  have   itop / dtop = ibot / dbot ,  which  implies  dbot = dtopibot / itop = d / 4    

 Problem  16    Consider  an  infinite  solenoid  which  is  made  by  winding  6000  turns  per  meter  of  a  wire  which  carries  3  Amps.  Inside  the  solenoid  there  is  a  loop  of  radius  0.1  m  which  carries  a  current  of  .3  Amps.  How  much  energy  is  required  to  flip  the  loop  from  its  lowest  energy  orientation  to  its  highest  energy  orientation?      (1)  0.43    mJ        (2)  0.034    mJ          (3)  0.21    mJ        (4)  0.071  μJ        (5)  0    J       Recall  that  the  magnetic  field  of  a  solenoid  has  magnitude     Bsol = µ0isolNsol ≈ 0.0226 T    

The  magnetic  dipole  moment  of  the  loop  is  µ = πR2i ≈ 0.00942 A-m2    The  energy  of  a  magnetic  dipole  in  a  magnetic  field  is  −µ ⋅B .  Hence  the  maximum  energy  difference  is  2µB ≈ 0.000426 J    

   

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

Problem  17    A  circular  conducting  loop  is  immersed  in  a  uniform  magnetic  field  B  pointing  out  of  the  page  with  a  constant  magnitude  of  5  T.  If  the  loop  suddenly  contracts  from  its  initial  radius  of  0.2  m  with  a  radial  velocity  dr/dt  =  −0.2  m/s,  what  is  the  induced  current  and  its  direction  immediately  after  it  starts  contracting  if  the  loop  has  a  constant  resistance  of  0.1Ω?    A  clockwise  direction  is  considered  positive,  counter-­‐clockwise  is  negative.  

   (1)  −12.5  A        (2)  +12.5  A        (3)  −6.3  A        (4)  +6.3  A        (5)  0      

If  the  loop  shrinks,  the  magnetic  flux  decreases.  Lenz’s  Law  tells  us  that  the  direction  of  the  induced  EMF  and  current  will  oppose  this  change,  so  we  need  an  induced  field  also  pointing  out  of  the  page.  By  a  right-­‐hand  rule,  this  means  that  the  current  must  travel  counter-­‐clockwise  (negative).  

 

  The  radius  of  the  loop  can  be  written:   r t( ) = r0 + at  ,  where  a =drdt

= −0.2    

The  magnitude  of  the  induced  EMF  is  given  by  Faraday’s  Law:  

ε = dΦB

dt= ddt

BA( ) = B dAdt

= Bπ ddt

r0 + at( )2

ε = Bπ 2r0a initially for t = 0    

 

The  current  is  therefore:   i = εR= −12.5 A    using  the  sign  for  the  direction.  

 Problem  18    A  square  metal  loop  of  side  length  l  =1.5  m  is  pulled  out  of  a  uniform  magnetic  field  with  a  velocity  of  magnitude  v=2  m/s.  The  magnetic  field  has  a  strength  of  B=0.5  T  and  is  directed  out  of  the  page  and  perpendicular  to  the  surface  of  the  loop.  One  side  of  the  square  is  aligned  with  the  edge  of  the  field  region  when  the  pulling  first  starts.    What  is  the  magnitude  of  the  force  that  must  be  applied  to  pull  the  loop  with  this  velocity  if  the  resistance  of  the  loop  is  0.2Ω?    

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

   (1)  5.6  N          (2)  1.1  N          (3)  1.5  N          (4)  7.5  N          (5)  3.8  N    

The  induced  EMF  in  the  loop  is  ε = vLB  from  Faraday’s  law,  since  the  amount  of  magnetic  flux  contained  by  the  square  is  decreasing.  Since  the  flux  is  decreasing,  Lenz’s  Law  says  that  the  direction  of  the  induced  EMF  and  current  will  be  to  oppose  that  decrease,  so  the  induced  magnetic  field  should  point  out  of  the  page  also.  This  requires  a  counter-­‐clockwise  direction.  The  

magnitude  of  the  current  is   i = vLBR

   

 With  a  counter-­‐clockwise  current,  the  current  travels  down  the  left  edge  of  the  square.  This  leads  to  a  force  pointing  to  the  left:  F = iL×B  

The  magnitude  of  the  force  is  F = L2B2 vR= 5.6 N    

Note  that  the  forces  on  the  top  and  bottom  legs  cancel  out,  so  only  the  force  to  the  left  needs  to  be  overcome.  

 Problem  19    The  current  through  an  inductor  with  inductance  L=0.05  H  is  shown  by  the  graph,  with  the  direction  from  left  to  right  through  the  inductor  as  shown.  What  is  the  EMF  across  the  inductor  (VL=  Vright  −  Vleft),  including  sign,  at  t  =  4  ms?      

   (1)  33  V          (2)  −670  V          (3)  −70  V          (4)  0.1  V          (5)  −25  V  

  The  induced  EMF  on  an  inductor  is  given  by:   ε = −L didt    

  At  t=4ms,   didt

=5 − 7( )

0.005 − 0.002( ) = − 20.003

= −667 As    

  So  the  EMF  is  VL = −0.05 −667( ) = 33 V    

PHY  2049  Spring  2013     Exam  2  solutions  

Problem  20    In  the  figure,  a  uniform  magnetic  field  points  out  of  the  page  and  varies  in  time  according  to  B(t)  =  0.1  t  +  0.01  t2,  with  t  measured  in  seconds  and  B  in  Tesla.  What  is  the  magnitude  of  

E ⋅ds∫  when  t=2  s  along  a  closed  path  in  the  plane  of  the  page  

that  traces  an  equilateral  triangle  of  side  length  s  =  1  cm  as  shown  in  the  figure?    

   (1)  6.1x  10−6  V        (2)  1.0x  10−5  V        (3)  0.14  V        (4)  8.7x  10−7  V        (5)  0    

 

ε =E ⋅ds∫ = dΦB

dt= A dB

dtE ⋅ds∫ = 1

2s 3

2s

⎝⎜⎞

⎠⎟0.1+ 2 0.01( )t( )

E ⋅ds∫ = 6.1×10−6 V