UNIVERSITI
SAINSMALAYSIA
Second Semester Examination Academic Session 2007 /2008
April2008
ZCT g04/3- Electricity and Magnetism fKeelektrikan dan KemagnetanJ
Duration:
3 hours[Masa :
3jamJ
Please ensure that this examination paper contains
NINE
printed pages before you begin the examination.[Sila
pastilran bahawa kertas peperiksaanini
mengandungiSEMBILAN
mukn suratyang bercetak sebelum anda memulakan peperiksaan ini.J
Instruction:
Answerall FIVE
questions. Students are allowedto
answerall
questions in Bahasa Malaysia or in English.[Arahan:
Javvab semuaLIMA soalan. Pelajar
dibenarkan menjawab semua soalan sama ada dalam Bahasa Malaysia atau Bahasa Inggeris.J...2t-
l.
(a)IZCr
3041a
Three
point
chargesare
situatedat the
cornersof a
square(side a),
asshown
in Fig. I below. Find
the electricfield E
and the electric potential V atthefourth
comer.[Tiga
castitik
terletak di pepenjuru-pepenjuru satu segi empat sama(sisi
a) seperti yang ditunjukkan dalamRajah I di bmtah. Cari
medan elelarikE
dan lreupqtaanelektrik
V di pepeniuru yang keempat.JHow
muchwork
doesit
taketo bring in
another charge, +q,from
far away and place in the fourth corner?[Berapalmh lcerja
yang diperlukan
untuk membawa satulagi
cas, -rq,dari jarakyang jauh
dan meletakkonnya di pepenjuru keempat?JCalculate the amount
of work
neededto
assemble thewhole
configurationoffour
charges.[Hitung amaun kerja yang diperluknn untuk membina
keseluruhan konJigurasi empat casini.J
(b)
2.
(c)
Figure
| [Rajah IJ
Q0
marks/marlmh)A
parallel plate conductor has been charged such that thelower
plate has electricpotential V(x=0)=0
and the upper plateV(x=d)=Vg.
The space betweentheconductor is filled with
chargesof density p(x)=qx+PO@ and Po
areconstants).
[Satu plat lronduhor selari telah dicas sehingga plat bnvah
mempunyailreupqtaan etehrik V(x=O)=0 dan bagi plat bahagian atas V(x=d)=Vo'
Ruang di antara plat telah diisi dengan cas dengan kctumpatan
cas(a)
-J-
Find the electric
potential
V(x)inthe
region 0 <x <
d.[Cari
keupayaaneleHrik
V(x)di
kswasan 0 <x <
d.J[zcr 304]
Sketch
a graphof
lEl
versus .r Lakarlrangrdf
lF,l melawanx
(b) Calculate the electricfield E
in this region.(0<x<d).
[Hitung
medanelektrik
E,di lrowatan
ini.(0<x<d).1
aJ.
(c)
What is the surface charge density on each plate?[Apakah ketumpatan permukaan cas pada setiap
plat?J
X=d
X=0
Figure 2
[Rajah
2J(20
mukslmarkah)
A
sphere of radius a carries auniformly
distributed chargeQ. Itis
surrounded, outto
radiusb,by
alinear dielectric
materialof relative
electricpermittivity
Er = K .Please refer to Fig. 3 below.
[Satu sfera berjejari a
membawacas Q yang bertabur seragam. Ia disaluti
sehingga kejejari b,
oleh satu bahandielehrik linear
denganpemalar
ketelusanelelarik tr
= K.
Silarujuk
Rajah 3di
bantah.J...4t-
I
lzcr
3041-4-
(b)
Figure 3
[Rajah
3J(a)
Using the Gauss' lawfind
the electricfield
in thefollowing
regions:[Dengan
menggunakanhuhtm
Gausscari
medan elelarikpada
kswasan- lratv as an yang b er ihtt :J
(c)
(i) r 1 a, (ii) a 1r 1b,
and[danJ (iiD r >
bFind the polarization F in the region
a11 1b and then
calculate the volume bound charge density pn, dan surface bound chargedensity 66
on each surfacer : a
andr :
b.[Cari penghttubon F pada kswasan alr<b dan kemudian
hitungkctumpatan isipadu cas terikat pb, l(etumpatan permuksan cas
terikat o6 di
setiap permulraanr :
a andr :
b.JCalculate the amount
of
energyI/
stored in thisconfigwation of
system.[Hitung
amaun tenaga W yang tersimpandi
dalamlanfigurasi
sistem ini.J (20 marks/markah)Two long coorial solenoids each carries current { but in
opposite directions, as shownin Fig. 4. The inner
solenoid (radiusa)
has n7 turns perunit
lenglh, and the outer one (radius b) hasnz. Find E in
eachof
the three regions:[Dua
solenoidyang panjang dan
sepalcsisetiap satu
membawaarus
I,tetapi di
arahyang
berlavvanan, sepertiyang
ditunjukkan dalam Rajah 4.Solenoid bahagian
dalam (iejari a)
mempunyai n1 bilanganlilitan per
unitpanjang, dan solenoid bahagian luar (ieiari b)
mempunyai n2 bilanganlilitan per unit panjang. Dapatkan B di setiap tiga
kawasan yangberihtt:J
4. (a)
tzcr
304)(i)
(ii)
(iii)
-5-
inside the inner solenoid,
[di
dalam solenoid bahagian dalam,J between them, and[dt
antara lredua solenoid, andJoutside both.
[di
bahagianluar
keduanya.J(b)
Figure 4
[Rajah
4JIf
theinner
solenoidis filled with
a linear insulating magnetic materialof magnetic susceptibilly I^, find
magnetizatronilI, ffid the density of
bound currents
k6
and 16 .[Jila solenoid dalam diisi oleh satu bahan
magnetpenebat dan linear
dengan ketelusan magnet
7^,
dapatkan pemagnetanfrI,
dan kztumpatan- lretumpatan arusterikot I<6 dan
16.1(20 maflr,slmarkah\
If
an induced elektromotancefor
a certaincircuit is r
=- d *,
where Onis the magnetic
flux
over the surface areaof
thecircuit, ,(l*
^uu oU.y,
.1
the
relation
e =-\6A.aV . A
is the magnetic vector potential.dt.c
[Jika aruhan elehromotans bagi
suatulitar adalah
e=-4O, dtD di
mana@n adalah fluks magnet yang
melalui/menembusipermukaan litar, tunjuklun
bahawa ejuga
mematuhi persamaonberikut ,=-46A.aV.
dt'c
A
adalah vektor keupayaan magnet.J5. (a)
...6/-
(b)
[zcr 304]
-6-
Consider
two circuits
(referto Fig. 5)
consistingof
aninfrnitely long wire carrying
a current 11 and a rectangularcoil lying in the
same plane as the wire.[Pertimbangknn dua litar (ihat Rajah 5) yang terdiri dari satu
dawai pembawaarus
11yang
sangatpanjang dan satu gelung
berbentuk segiempat yang berada pada satah yang sama dengan
dnvai
tadi.JZs
z
A I I
(i)
Figure 5
[Rajah
5JCalculate
E
produced by the wire ata
distancep
from it.[Hitung E
yong dihasilknn oleh da,vai padajarak p dari
dawai.JCalculate A
in ttre regionbetweenpl *d
pt.[Hitung
A,ai furasan
antarapl
dan p2.JIf 4
varieswith time
accordingto lr(t) = Ircos(afi +
rr),
calculate the induced electromotance) e,in
the rectangularcoil. UsingLenz'
law, what is the directionof
e?fJikn h
berfungsikan masamengikut lr(t1=
1o cos(arf+x),
hitungeleldromotans,
t, yang teraruh pada gelung segi
empat tersebut.Dengan menggunakan hulwm Lenz, apakah arah e?J
(ii)
(iii)
-
41..--- A i
' a'
Vector tr)ertvatlves
dV =dxdydz
Carfesian Coordinates tit. = ia* + jay +fr,a2
,Yf:i!*39+e{! ' tsx 'dy
0zv A=+*1!** dx dy
oz. :/aA, oA"\ i
VxA=il=j-=-irJ
\dy oz/
. a2f azf*E'f Y-f=;i+=- dx- oyz
azz
Cyl i n d ri
cal
Coo rd inales
dt.: ?dr * &rdL +Rdz
,[zcT
304]/ 0A'
f-
\az
a/^,
\
3xJ
AA. \
- av)
.o(#
dV = rdr
ddt d.z1aA,l
;wJ
Spherical Coordinates
dl : ?dr * brdg *frt sin
0d6, dV :
r2 sin Adr d0d6
^af,;lTf i I Ef
Yi:?**e;*++rri"eaO
v. A : i*(,'o,)* ;ifi ,,'" o Ail. #W
? ra , ' oABl 3f 1 aAr e t.',1
v x,4. = # L# (""
eei - T;j * ; Lm w - ilvao) ) o2:1at_raL\- 1_u(. ^a/\ 1 azf
Y'i:pu\r'er,t , r2sine ae ltin'*)*ffiW
. dl
a*; La'
(r Aa)
aarl
- E0)
.. , .8/-
[zcT
304]8-
Vector Forrnulas
A
.(B x C) - (A x
ts) 'C -
C'(A x B) = (C x A) ' B - B ' (C x A)
A x (B x C) =
B(A'C) - C(A'B)
(A x B) ' (C x D) : (A'C) (B'D) - (A'D) (B'C)
Derivatives of Sums _
oooO ooo
-
v(/+ il=Vf +Ve
v.(A+B)=V'A+V'B Vx(A+B):VxA*VxF
Derivatives of Products v (/s) : .fVg + sv f
v(A-B) :A x (V x B)+B x (V x A)+(A'v)B+ (B' V)A
v
.(/A) : .f (v' A) + A' (v,f)
v.(A x B) - B' (v x A) - A.'(V x
B)V x (/A) :,F(V x A) -^4. x (V/)
v x (A x B) - A(v'ts) - B(v'A) + (B' v)A - (A' v)B
Second Derivatives
Vx(VxA)=V(V'A)-VzA V.(VxA):0
Vx(V/):0
tntegral Theorems
| fr 1v
.L) ctv = 6 A.
fids
Gauss's (divergence) TheoremJv'
JsI rf rv * A) .ff ds : $ e.at
srokes's (curt) TheoremJs' Jc
I rb rv n 'd(. = /(b) -
.f (a)Ja
[ (.f r=, - rvr/) d" = $^tf
os - 8v f) "fi ds
Green's TheoremJv\' '/
JsUsetul lntegrals
I#=*{r+'ffifl
fdx!x
I --'---= = -6rCiall- J at*x+
at
fdxx
-
J (o, + *,)t'"
Z-:azulqza
a2Binornial Expansion
(t + e)P= l * p, + Q)rz * p('! -
J)-(p-
2-).3+...
'zt3l
Notation for Fosition Vector
*:ix+jl'*fr2
tzcT
3a4J-9-
Fhysical Constants
c =
2.998x
lObm/s
Speedof light
Its :4r x l0-7
N/R? (orFVm)
Permeabiliry constantin valuum
tI
eo
: j; =
8.854x I0-ll
g1';51r2@rF/m)
Permitcivity ccnstantin
vacuum&0c'
I
,' - I0-7c: =
8.988x
IOeNml/C24it
ege
:
1.602x I0-!e
C tTt"=0.9i09 x l0-30kg
Magnitude of electron
charie
Electron mass
aIlO f: -
xr
r:lxf =tf x?+y2+zz
-oooOooo-