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IGNOU MPH-007 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU MPH-007 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU MPH-007 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

Q1. State and establish Poynting theorem for electromagnetic fields. Compare it with the equation of continuity and give an interpretation of Poynting vector.

Ans.

पॉइंटिंग प्रमेय का कथन: पॉइंटिंग प्रमेय विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों में ऊर्जा संरक्षण का वर्णन करता है। यह बताता है कि किसी दिए गए आयतन में आवेशों पर किए गए कार्य की दर और उस आयतन के भीतर विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा में वृद्धि की दर, उस आयतन में बहने वाली कुल ऊर्जा के बराबर होती है। गणितीय रूप से, इसे इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

∮ S

S ⋅ d a = – ∫ V ( J ⋅ E ) dV – d/dt ∫ V u dV

जहाँ S पॉइंटिंग सदिश है, J धारा घनत्व है, E विद्युत क्षेत्र है, और u विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा घनत्व है।

पॉइंटिंग प्रमेय की स्थापना (व्युत्पत्ति):

विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में ऊर्जा घनत्व (u) इस प्रकार दिया गया है: u = ½ ( E ⋅ D + B ⋅ H ) एक रैखिक, समदैशिक माध्यम के लिए, D = ε E और B = μ H , इसलिए u = ½ (εE² + B²/μ)। समय के संबंध में ऊर्जा घनत्व के परिवर्तन की दर है: ∂u/∂t = ε E ⋅ ∂ E /∂t + (1/μ) B ⋅ ∂ B /∂t मैक्सवेल के समीकरणों से: 1. ∇ × E = -∂ B /∂t 2. ∇ × H = J + ∂ D /∂t = J + ε∂ E /∂t दूसरे समीकरण से, ε∂ E /∂t = ∇ × H – J । इसे ∂u/∂t के समीकरण में प्रतिस्थापित करने पर: ∂u/∂t = E ⋅ (∇ × H – J ) + H ⋅ (-∇ × E ) (चूंकि B = μH और पहले समीकरण का उपयोग करके) ∂u/∂t = E ⋅ (∇ × H ) – E ⋅ J – H ⋅ (∇ × E ) सदिश सर्वसमिका ∇ ⋅ ( E × H ) = H ⋅ (∇ × E ) – E ⋅ (∇ × H ) का उपयोग करके: ∂u/∂t = -∇ ⋅ ( E × H ) – E ⋅ J इसको पुनर्व्यवस्थित करने पर: ∇ ⋅ ( E × H ) + ∂u/∂t = – E ⋅ J यह पॉइंटिंग प्रमेय का अवकल रूप है। यहाँ, S = E × H को पॉइंटिंग सदिश कहा जाता है। – E ⋅ J पद आवेशों पर क्षेत्र द्वारा किए गए कार्य की दर प्रति इकाई आयतन का प्रतिनिधित्व करता है। सांतत्य समीकरण से तुलना:

आवेश संरक्षण के लिए सांतत्य समीकरण है: ∇ ⋅ J + ∂ρ/∂t = 0 यह समीकरण बताता है कि एक आयतन से बाहर बहने वाली धारा (∇ ⋅ J ) उस आयतन के भीतर आवेश घनत्व (ρ) में कमी की दर ( -∂ρ/∂t) के बराबर है। पॉइंटिंग प्रमेय, ∇ ⋅ S + ∂u/∂t = – E ⋅ J , की तुलना सांतत्य समीकरण से करने पर, हम एक सादृश्य देख सकते हैं:

  • पॉइंटिंग सदिश S , ऊर्जा प्रवाह घनत्व (ऊर्जा धारा) के अनुरूप है, जैसे J आवेश प्रवाह घनत्व (आवेश धारा) के अनुरूप है।
  • ऊर्जा घनत्व u, आवेश घनत्व ρ के अनुरूप है।
  • – E ⋅ J पद एक स्रोत (या सिंक) पद के रूप में कार्य करता है, जो क्षेत्र और आवेशों के बीच ऊर्जा के आदान-प्रदान का प्रतिनिधित्व करता है। यदि यह पद शून्य है, तो प्रमेय ऊर्जा के लिए एक सांतत्य समीकरण बन जाता है: ∇ ⋅ S + ∂u/∂t = 0।

पॉइंटिंग सदिश की व्याख्या:

पॉइंटिंग सदिश, S = E × H , ऊर्जा प्रवाह घनत्व का प्रतिनिधित्व करता है। इसकी दिशा उस दिशा को इंगित करती है जिसमें विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का प्रसार हो रहा है, और इसका परिमाण प्रति इकाई क्षेत्रफल प्रति इकाई समय में बहने वाली ऊर्जा की मात्रा देता है। इसकी SI इकाई वाट प्रति वर्ग मीटर (W/m²) है। यह विद्युत चुम्बकीय तरंगों द्वारा ऊर्जा के परिवहन को समझने के लिए एक मौलिक अवधारणा है।

Q2. Show that Maxwell’s equations can be written as two coupled second order differential equations in terms of scalar potential Φ and vector potential A. What are Coulomb gauge and Lorentz gauge conditions ?

Ans. मैक्सवेल के समीकरणों को अदिश विभव (Φ) और सदिश विभव ( A ) के रूप में व्यक्त करने के लिए, हम इन विभवों की परिभाषाओं से शुरू करते हैं।

चूंकि B का डाइवर्जेंस हमेशा शून्य होता है (∇ ⋅ B = 0), हम B को किसी सदिश क्षेत्र A के कर्ल के रूप में व्यक्त कर सकते हैं: B = ∇ × A —(1) इसको फैराडे के प्रेरण के नियम (∇ × E = -∂ B /∂t) में प्रतिस्थापित करने पर: ∇ × E = -∂/∂t (∇ × A ) ∇ × ( E + ∂ A /∂t) = 0 चूंकि किसी अदिश फलन के ग्रेडिएंट का कर्ल हमेशा शून्य होता है, हम कोष्ठक में दिए गए पद को एक अदिश विभव Φ के ग्रेडिएंट के रूप में लिख सकते हैं: E + ∂ A /∂t = -∇Φ E = -∇Φ – ∂ A /∂t —(2) अब हम इन अभिव्यक्तियों (1) और (2) को शेष दो मैक्सवेल के समीकरणों में प्रतिस्थापित करते हैं:

1. गाउस का नियम (∇ ⋅ E = ρ/ε₀): ∇ ⋅ (-∇Φ – ∂ A /∂t) = ρ/ε₀ -∇²Φ – ∂/∂t(∇ ⋅ A ) = ρ/ε₀ ∇²Φ + ∂/∂t(∇ ⋅ A) = -ρ/ε₀ —(3)

2. एम्पीयर-मैक्सवेल का नियम (∇ × B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t): ∇ × (∇ × A ) = μ₀ J + μ₀ε₀∂/∂t(-∇Φ – ∂ A /∂t) सदिश सर्वसमिका ∇ × (∇ × A ) = ∇(∇ ⋅ A ) – ∇² A का उपयोग करके: ∇(∇ ⋅ A ) – ∇² A = μ₀ J – μ₀ε₀∇(∂Φ/∂t) – μ₀ε₀(∂² A /∂t²) पदों को पुनर्व्यवस्थित करने पर: (∇²A – μ₀ε₀∂²A/∂t²) – ∇(∇ ⋅ A + μ₀ε₀∂Φ/∂t) = -μ₀J —(4)

समीकरण (3) और (4) मैक्सवेल के समीकरणों के समतुल्य हैं, लेकिन अब अदिश विभव Φ और सदिश विभव A के पदों में व्यक्त किए गए हैं। ये दो द्वितीय-कोटि के अवकल समीकरण हैं जो युग्मित (coupled) हैं, जिसका अर्थ है कि Φ के लिए समीकरण में A शामिल है और A के लिए समीकरण में Φ शामिल है। गेज शर्तें (Gauge Conditions): विभव Φ और A विशिष्ट रूप से परिभाषित नहीं हैं। हम A को A ‘ = A + ∇λ और Φ को Φ’ = Φ – ∂λ/∂t से बदल सकते हैं (जहाँ λ कोई अदिश फलन है) बिना E और B क्षेत्रों को बदले। इस स्वतंत्रता का उपयोग समीकरणों (3) और (4) को सरल बनाने के लिए किया जा सकता है, जिसे गेज चुनना कहा जाता है।

1. कूलम्ब गेज (Coulomb Gauge): कूलम्ब गेज की शर्त है: ∇ ⋅ A = 0 इस शर्त को लागू करने से, समीकरण (3) एक सरल पॉइसन समीकरण बन जाता है: ∇²Φ = -ρ/ε₀ यह स्थिरविद्युतिकी (electrostatics) के समान है। हालांकि, सदिश विभव के लिए समीकरण (4) अभी भी युग्मित रहता है: ∇² A – μ₀ε₀∂² A /∂t² – μ₀ε₀∇(∂Φ/∂t) = -μ₀ J कूलम्ब गेज स्थिरविद्युतिकी और स्थिरचुम्बकिकी (magnetostatics) समस्याओं के लिए विशेष रूप से उपयोगी है।

2. लोरेंत्ज़ गेज (Lorentz Gauge): लोरेंत्ज़ गेज की शर्त है: ∇ ⋅ A + μ₀ε₀∂Φ/∂t = 0 इस शर्त को लागू करने से, समीकरण (4) का दूसरा पद शून्य हो जाता है, जिससे समीकरण (3) और (4) वियुग्मित (decoupled) हो जाते हैं: ∇²Φ – μ₀ε₀∂²Φ/∂t² = -ρ/ε₀ ∇² A – μ₀ε₀∂² A /∂t² = -μ₀ J दोनों समीकरणों में एक ही अवकल ऑपरेटर (∇² – μ₀ε₀∂²/∂t²), जिसे डी’अल्मबर्टियन (d’Alembertian) ऑपरेटर (□²) कहा जाता है, होता है। ये अमानवीय तरंग समीकरण हैं। लोरेंत्ज़ गेज शर्त आपेक्षिक रूप से निश्चर (relativistically invariant) है और विद्युत चुम्बकीय विकिरण का अध्ययन करने के लिए बहुत उपयोगी है।

Q3. If E = E₀ e i(ωt – ky + z) and B = B₀ e i(ωt – ky + z) then show that : (a) ∇ × E = -i(k × E₀) e i(ωt – ky + z) (b) ∇ × E = -∂B/∂t implies B₀ = (k/ω)(ŷ × E₀) = (1/c)(ŷ × E₀)

Ans. दिए गए विद्युत क्षेत्र और चुंबकीय क्षेत्र समतल तरंगों का प्रतिनिधित्व करते हैं। चरण (phase) पद (ωt – ky + z) से, हम देख सकते हैं कि यह एक सामान्य रूप k ⋅ r नहीं है। यहाँ चरण k y y + k z z है, जहाँ k y = -k और k z = 1 है। इस प्रकार, तरंग सदिश k = (0, -k, 1) है। हालाँकि, प्रश्न के भाग (b) में ŷ दिशा का उपयोग किया गया है, जो बताता है कि तरंग संचरण की दिशा के बारे में एक सरल धारणा हो सकती है। हम पहले सामान्य व्युत्पत्ति करेंगे और फिर दिए गए विशिष्ट रूप पर विचार करेंगे। आइए मान लें कि एक सामान्य समतल तरंग E = E₀ e i(ωt – k ⋅ r ) है।

(a) ∇ × E का परिकलन: हमें E = E₀ e i(ωt – k ⋅ r ) के कर्ल की गणना करने की आवश्यकता है। ∇ × E = ∇ × [ E₀ e i(ωt – k ⋅ r ) ] सदिश सर्वसमिका ∇ × (f G ) = f(∇ × G ) + (∇f) × G का उपयोग करके, जहाँ f = e i(ωt – k ⋅ r ) और G = E₀ (एक स्थिर सदिश) है। चूंकि E₀ एक स्थिर सदिश है, ∇ × E₀ = 0। इसलिए, ∇ × E = (∇ e i(ωt – k ⋅ r ) ) × E₀ । अब, हम ∇f की गणना करते हैं: ∇f = ∇(e i(ωt – k ⋅ r ) ) = e i(ωt – k ⋅ r ) ∇(i(ωt – k ⋅ r )) ∇(i(ωt – k ⋅ r )) = -i ∇( k ⋅ r ) = -i ∇(k x x + k y y + k z z) = -i(k x x̂ + k y ŷ + k z ẑ ) = -i k तो, ∇f = -i k e i(ωt – k ⋅ r ) । इसे ∇ × E के व्यंजक में प्रतिस्थापित करने पर: ∇ × E = (-i k e i(ωt – k ⋅ r ) ) × E₀ ∇ × E = -i ( k × E₀ ) e i(ωt – k ⋅ r ) चूंकि E = E₀ e i(ωt – k ⋅ r ) , हम इसे इस प्रकार भी लिख सकते हैं: ∇ × E = -i(k × E) दिए गए प्रश्न में, `(ωt – ky + z)` एक विशिष्ट चरण है। यह परिणाम सामान्य रूप से मान्य है। यहाँ एक छोटा सा टाइपो है; परिणाम में E₀ होना चाहिए, E नहीं। प्रश्न में दिए गए रूप `∇ × E = -i(k × E₀) e^(i(ωt-ky+z))` को सिद्ध करना था, जो हमने किया है। (b) B₀ और E₀ के बीच संबंध: फैराडे के नियम से, ∇ × E = -∂ B /∂t। हम दोनों पक्षों की गणना करते हैं: बायां पक्ष (LHS) भाग (a) से है: ∇ × E = -i( k × E₀ ) e i(ωt – k ⋅ r ) दायां पक्ष (RHS) है: -∂ B /∂t B = B₀ e i(ωt – k ⋅ r ) दिया गया है, इसलिए: ∂ B /∂t = B₀ (iω) e i(ωt – k ⋅ r ) = iω B तो, -∂ B /∂t = -iω B₀ e i(ωt – k ⋅ r ) LHS और RHS की बराबरी करने पर: -i( k × E₀ ) e i(ωt – k ⋅ r ) = -iω B₀ e i(ωt – k ⋅ r ) घातांकीय पदों और -i को रद्द करने पर: k × E₀ = ω B₀ या, B₀ = (1/ω)( k × E₀ ) अब प्रश्न में दिए गए विशिष्ट रूप पर विचार करें: B₀ = (k/ω)( ŷ × E₀ )। यह सामान्य परिणाम B₀ = (1/ω)( k × E₀ ) के साथ तभी मेल खाएगा जब तरंग सदिश k = k ŷ हो, अर्थात, तरंग धनात्मक y-दिशा में k परिमाण के साथ फैल रही हो। हालाँकि, चरण `(ωt – ky + z)` एक अलग तरंग सदिश k’ = (0, k, -1) का सुझाव देता है। प्रश्न में एक असंगति प्रतीत होती है। यदि हम मान लें कि प्रश्न का इरादा एक तरंग के लिए था जो y-दिशा में फैल रही है ( k = k ŷ ), तो: B₀ = (1/ω)(k ŷ × E₀ ) = (k/ω)( ŷ × E₀ ) इसके अलावा, एक निर्वात में विद्युत चुम्बकीय तरंग के लिए, तरंग की गति c = ω/| k | होती है। यदि तरंग y-दिशा में है, तो | k | = k, और c = ω/k, या k/ω = 1/c। इसे प्रतिस्थापित करने पर: B₀ = (1/c)( ŷ × E₀ ) इस प्रकार, इस धारणा के तहत कि तरंग y-दिशा में फैल रही है, हम वांछित परिणाम दिखा सकते हैं।

Q4. (a) At time t=0, a charge q is at rest at the origin in a region of uniform static electric field E=E₀ẑ. Without assuming that v/c << 1, derive expressions for the velocity and position of the charge at time t. (b) Given B=B₀ẑ, write down the x-component and y-component of the equation m dv/dt = q v × B.

Ans. (a) आवेश का वेग और स्थिति: एक आवेश q पर आपेक्षिकीय गति का समीकरण है: d p /dt = F जहाँ p = γm₀ v आपेक्षिकीय संवेग है और F = q E लोरेंत्ज़ बल है। यहाँ, m₀ कण का विराम द्रव्यमान है और γ = 1/√(1 – v²/c²) लोरेंत्ज़ कारक है।

दिया गया है E = E₀ ẑ । बल केवल z-दिशा में है, इसलिए गति एक-आयामी होगी (मान लें कि प्रारंभिक वेग शून्य है)। d/dt (γm₀v z ) = qE₀ समय के संबंध में समाकलन करने पर: γm₀v z = qE₀t + C चूंकि कण t=0 पर विराम में है, v z (0) = 0, इसलिए C = 0। p z = γm₀v z = qE₀t अब, हमें इस समीकरण से v z को हल करना है। v z / √(1 – v z ²/c²) = (qE₀t) / m₀ दोनों पक्षों का वर्ग करने पर: v z ² / (1 – v z ²/c²) = (qE₀t / m₀)² v z ² = (qE₀t / m₀)² (1 – v z ²/c²) v z ² = (qE₀t / m₀)² – v z ²(qE₀t / (m₀c))² v z ² [1 + (qE₀t / (m₀c))²] = (qE₀t / m₀)² v z ² = (qE₀t / m₀)² / [1 + (qE₀t / (m₀c))²] वेग v(t) = v z (t) ẑ है, जहाँ: v z (t) = (qE₀t / m₀) / √(1 + (qE₀t / (m₀c))²) इसे इस रूप में भी लिखा जा सकता है: v z (t) = at / √(1 + (at/c)²), जहाँ a = qE₀/m₀ गैर-आपेक्षिकीय त्वरण है। स्थिति z(t) ज्ञात करने के लिए, हम v z (t) = dz/dt का समाकलन करते हैं: z(t) = ∫₀ᵗ v z (t’) dt’ = ∫₀ᵗ (qE₀t’ / m₀) / √(1 + (qE₀t’ / (m₀c))²) dt’ माना u = 1 + (qE₀t’ / (m₀c))²। तब du = 2(qE₀ / (m₀c))² t’ dt’ => t’ dt’ = (m₀²c² / (2q²E₀²)) du समाकलन बन जाता है: z(t) = (qE₀ / m₀) (m₀²c² / (2q²E₀²)) ∫ du / √u z(t) = (m₀c² / (2qE₀)) ∫ u -1/2 du = (m₀c² / (2qE₀)) [2√u] सीमाओं को प्रतिस्थापित करने पर (t’=0 पर u=1, t’=t पर u = 1 + (qE₀t / (m₀c))²): z(t) = (m₀c² / qE₀) [√(1 + (qE₀t / (m₀c))²) – √1] z(t) = (m₀c² / qE₀) [√(1 + (qE₀t / m₀c)²) – 1] यह आपेक्षिकीय गतिमान आवेश की स्थिति है। (b) गति के समीकरण के घटक: गति का समीकरण m d v /dt = q( v × B ) दिया गया है। यहाँ v = (v x , v y , v z ) और B = (0, 0, B₀) है। हमें क्रॉस गुणनफल v × B की गणना करने की आवश्यकता है: v × B = | x̂

ŷ

ẑ | | v x v y v z | | 0 0 B₀ | = x̂ (v y B₀ – 0) – ŷ (v x B₀ – 0) + ẑ (0 – 0) = (v y B₀) x̂ – (v x B₀) ŷ अब, हम इसे गति के समीकरण में प्रतिस्थापित करते हैं: m (dv x /dt x̂ + dv y /dt ŷ + dv z /dt ẑ ) = q [(v y B₀) x̂ – (v x B₀) ŷ ] घटकों की तुलना करने पर, हमें x-घटक और y-घटक के लिए समीकरण मिलते हैं: x-घटक:

m dv x /dt = q v y B₀ y-घटक:

m dv y /dt = -q v x B₀ (z-घटक m dv z /dt = 0 होगा, जिसका अर्थ है कि z-दिशा में वेग स्थिर है।) ध्यान दें: प्रश्न में दिया गया समीकरण m d v /dt = … गैर-आपेक्षिकीय रूप है। आपेक्षिकीय रूप d p /dt = d(γm₀ v )/dt = q( v × B ) होगा, जो समीकरणों के एक अधिक जटिल सेट को जन्म देगा। दिए गए प्रश्न के आधार पर, गैर-आपेक्षिकीय रूप अपेक्षित उत्तर है।

Q5. Write Maxwell’s equations in a linear, homogeneous and isotropic dielectric material. By using the equations, find wave equations in a charge free and current free region.

Ans.

एक रैखिक, समांगी और समदैशिक परावैद्युत पदार्थ में मैक्सवेल के समीकरण:

एक सामान्य पदार्थ में, मैक्सवेल के समीकरण (अवकल रूप में) हैं: 1. ∇ ⋅ D = ρ f (गाउस का विद्युत का नियम) 2. ∇ ⋅ B = 0 (गाउस का चुंबकत्व का नियम) 3. ∇ × E = -∂ B /∂t (फैराडे का प्रेरण का नियम) 4. ∇ × H = J f + ∂ D /∂t (एम्पीयर-मैक्सवेल का नियम) यहाँ ρ f मुक्त आवेश घनत्व है और J f मुक्त धारा घनत्व है। D विद्युत विस्थापन क्षेत्र है और H चुंबकीय क्षेत्र तीव्रता है। एक रैखिक, समांगी और समदैशिक (LHI) पदार्थ के लिए, इन क्षेत्रों के बीच संबंध सरल होते हैं और उन्हें संघटनिक संबंध (constitutive relations) कहा जाता है:

  • D = ε E
  • B = μ H

जहाँ ε (विद्युतशीलता) और μ (चुंबकीय पारगम्यता) पदार्थ के स्थिरांक हैं। वे स्थिति पर निर्भर नहीं करते (समांगी) और दिशा पर निर्भर नहीं करते (समदैशिक)। इन संबंधों का उपयोग करके, हम मैक्सवेल के समीकरणों को E और B के पदों में लिख सकते हैं: 1. ∇ ⋅ E = ρ f / ε 2. ∇ ⋅ B = 0 3. ∇ × E = -∂ B /∂t 4. ∇ × B = μ J f + με(∂ E /∂t) आवेश मुक्त और धारा मुक्त क्षेत्र में तरंग समीकरण: एक ऐसे क्षेत्र पर विचार करें जहाँ कोई मुक्त आवेश (ρ f = 0) और कोई मुक्त धारा ( J f = 0) नहीं है। इस मामले में, मैक्सवेल के समीकरण बन जाते हैं: (i) ∇ ⋅ E = 0 (ii) ∇ ⋅ B = 0 (iii) ∇ × E = -∂ B /∂t (iv) ∇ × B = με(∂ E /∂t) अब हम E के लिए तरंग समीकरण प्राप्त करेंगे। समीकरण (iii) का कर्ल लेने पर: ∇ × (∇ × E ) = ∇ × (-∂ B /∂t) ∇ × (∇ × E ) = -∂/∂t (∇ × B ) सदिश सर्वसमिका ∇ × (∇ × A ) = ∇(∇ ⋅ A ) – ∇² A का उपयोग बाएं पक्ष पर करने पर: ∇(∇ ⋅ E ) – ∇² E = -∂/∂t (∇ × B ) समीकरण (i) (∇ ⋅ E = 0) का उपयोग करते हुए, पहला पद शून्य हो जाता है: -∇² E = -∂/∂t (∇ × B ) अब, दाएं पक्ष पर, हम समीकरण (iv) (∇ × B = με ∂ E /∂t) को प्रतिस्थापित करते हैं: -∇² E = -∂/∂t (με ∂ E /∂t) -∇² E = -με (∂² E /∂t²) इससे E के लिए तरंग समीकरण प्राप्त होता है: ∇²E – με ∂²E/∂t² = 0 B के लिए तरंग समीकरण प्राप्त करने के लिए एक समान प्रक्रिया का पालन किया जा सकता है। समीकरण (iv) का कर्ल लेने पर: ∇ × (∇ × B ) = ∇ × (με ∂ E /∂t) = με ∂/∂t (∇ × E ) ∇(∇ ⋅ B ) – ∇² B = με ∂/∂t (∇ × E ) समीकरण (ii) (∇ ⋅ B = 0) और समीकरण (iii) (∇ × E = -∂ B /∂t) का उपयोग करने पर: 0 – ∇² B = με ∂/∂t (-∂ B /∂t) -∇² B = -με (∂² B /∂t²) इससे B के लिए तरंग समीकरण प्राप्त होता है: ∇²B – με ∂²B/∂t² = 0 ये दो समीकरण LHI पदार्थ में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रसार का वर्णन करते हैं। तरंग का वेग v = 1/√(με) द्वारा दिया जाता है।

Q6. Obtain boundary conditions for electric field at the interface of two linear, homogeneous and isotropic dielectrics by considering there is no free charge or current densities at the interface.

Ans. हम दो रैखिक, समांगी और समदैशिक (LHI) परावैद्युत पदार्थों (माध्यम 1 और माध्यम 2) के बीच एक अंतरापृष्ठ पर विचार करते हैं। हम मान लेंगे कि अंतरापृष्ठ पर कोई मुक्त पृष्ठीय आवेश घनत्व (σ f = 0) और कोई मुक्त पृष्ठीय धारा घनत्व ( K f = 0) नहीं है। हम विद्युत क्षेत्र के लिए सीमा शर्तों को प्राप्त करने के लिए मैक्सवेल के समीकरणों के समाकल रूप का उपयोग करेंगे।

1. E के स्पर्शीय घटक के लिए सीमा शर्त: हम फैराडे के नियम के समाकल रूप से शुरू करते हैं: ∮ E ⋅ d l = -d/dt ∫ B ⋅ d a

हम एक बहुत छोटे आयताकार लूप पर विचार करते हैं जो अंतरापृष्ठ पर फैला हुआ है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। लूप की लंबाई Δl अंतरापृष्ठ के समानांतर है, और इसकी चौड़ाई Δw अंतरापृष्ठ के लंबवत है। हम Δw को शून्य की ओर ले जाते हैं। (एक चित्र की कल्पना करें जिसमें दो माध्यमों के बीच एक आयताकार लूप है, जिसकी लंबी भुजाएं अंतरापृष्ठ के समानांतर हैं और छोटी भुजाएं लंबवत हैं) लूप के चारों ओर E ⋅ d l का समाकलन करने पर: ∮ E ⋅ d l = ∫ ऊपर

E ₁ ⋅ d l + ∫ नीचे

E ₂ ⋅ d l + ∫ किनारे

E ⋅ d l = E₁ ∥ Δl – E₂ ∥ Δl + (किनारों से योगदान) जहाँ E ∥ अंतरापृष्ठ के समानांतर E का घटक है। जैसे ही हम लूप की चौड़ाई Δw → 0 करते हैं, किनारों से योगदान शून्य हो जाता है। साथ ही, लूप द्वारा घेरा गया क्षेत्रफल शून्य हो जाता है, इसलिए दाहिने हाथ की ओर चुंबकीय फ्लक्स का परिवर्तन भी शून्य हो जाता है: d/dt ∫ B ⋅ d a → 0 इसलिए, समीकरण बन जाता है: E₁ ∥ Δl – E₂ ∥ Δl = 0 E₁ ∥ = E₂ ∥ यह पहली सीमा शर्त है: विद्युत क्षेत्र का स्पर्शीय घटक अंतरापृष्ठ के पार सतत होता है।

2. D के अभिलंब घटक के लिए सीमा शर्त: हम गाउस के नियम के समाकल रूप से शुरू करते हैं: ∮ D ⋅ d a = Q f, enclosed

हम एक छोटे “पिलबॉक्स” (एक छोटा सिलेंडर) पर विचार करते हैं जिसका शीर्ष और तल अंतरापृष्ठ के समानांतर होते हैं, एक प्रत्येक माध्यम में, और जिसकी ऊंचाई Δh होती है। पिलबॉक्स के शीर्ष और तल का क्षेत्रफल ΔA है। (एक चित्र की कल्पना करें जिसमें दो माध्यमों के बीच एक बेलनाकार पिलबॉक्स है, जिसके सपाट सिरे अंतरापृष्ठ के समानांतर हैं) पिलबॉक्स की बंद सतह पर D ⋅ d a का समाकलन करने पर: ∮ D ⋅ d a = ∫ शीर्ष

D ₁ ⋅ d a + ∫ तल

D ₂ ⋅ d a + ∫ किनारे

D ⋅ d a माना n̂ माध्यम 2 से माध्यम 1 की ओर इंगित करने वाला अभिलंब इकाई सदिश है। ∫ शीर्ष

D ₁ ⋅ d a = D₁ ⊥ ΔA ∫ तल

D ₂ ⋅ d a = -D₂ ⊥ ΔA जहाँ D ⊥ अंतरापृष्ठ के अभिलंब D का घटक है। जैसे ही हम पिलबॉक्स की ऊंचाई Δh → 0 करते हैं, किनारे की सतह का क्षेत्रफल शून्य हो जाता है, और किनारे की दीवारों से फ्लक्स का योगदान नगण्य हो जाता है। पिलबॉक्स द्वारा घेरा गया कुल मुक्त आवेश Q f, enclosed = σ f ΔA है। तो, समीकरण बन जाता है: D₁ ⊥ ΔA – D₂ ⊥ ΔA = σ f ΔA चूंकि यह दिया गया है कि अंतरापृष्ठ पर कोई मुक्त आवेश नहीं है, σ f = 0। D₁ ⊥ – D₂ ⊥ = 0 D₁ ⊥ = D₂ ⊥ यह दूसरी सीमा शर्त है: विद्युत विस्थापन क्षेत्र का अभिलंब घटक अंतरापृष्ठ के पार सतत होता है (यदि कोई मुक्त पृष्ठीय आवेश नहीं है)।

Q7. In which context are Lienard-Wiechert (L-W) potential used in electrodynamics? Determine the Leinard-Wiechert scalar potentials (Φ) for a point charge moving with constant velocity v.

Ans.

लीनार्ड-वीचर्ट (L-W) विभव का संदर्भ:

लीनार्ड-वीचर्ट (L-W) विभव का उपयोग विद्युत गतिकी में एक गतिमान बिंदु आवेश द्वारा उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का वर्णन करने के लिए किया जाता है। वे अदिश विभव (Φ) और सदिश विभव ( A ) के लिए मैक्सवेल के समीकरणों के यथार्थ, समय-निर्भर समाधान हैं, जो एक बिंदु आवेश स्रोत के कारण होते हैं। इन विभवों का महत्व निम्नलिखित में निहित है:

  • मंदित समय (Retarded Time): L-W विभव इस तथ्य को ध्यान में रखते हैं कि विद्युत चुम्बकीय प्रभाव परिमित गति (प्रकाश की गति, c) से फैलते हैं। एक प्रेक्षक द्वारा किसी दिए गए समय t पर महसूस किया गया विभव आवेश की वर्तमान स्थिति और वेग पर निर्भर नहीं करता है, बल्कि एक पूर्व, या “मंदित” समय (t r ) पर उसकी स्थिति और वेग पर निर्भर करता है। मंदित समय वह क्षण है जब आवेश को एक “सिग्नल” उत्सर्जित करना पड़ता था ताकि वह समय t पर प्रेक्षक तक पहुंच सके।
  • विकिरण का आधार: जब एक आवेश त्वरित होता है, तो L-W विभवों का उपयोग त्वरित आवेशों द्वारा उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों (विकिरण क्षेत्रों) की गणना के लिए किया जा सकता है। यह सिंक्रोट्रॉन विकिरण, ब्रेम्सस्ट्रालुंग (bremsstrahlung) और एंटीना द्वारा उत्सर्जन जैसी घटनाओं को समझने के लिए मौलिक है।
  • आपेक्षिकता से संबंध: L-W विभव लोरेंत्ज़ गेज में प्राप्त किए जाते हैं और विशेष आपेक्षिकता के सिद्धांतों के साथ पूरी तरह से संगत होते हैं।

संक्षेप में, जब भी हमें एक बिंदु आवेश से उत्पन्न क्षेत्रों का सटीक वर्णन करने की आवश्यकता होती है जो स्थिर नहीं है, खासकर यदि यह त्वरित हो रहा है, तो L-W विभव आवश्यक उपकरण हैं। एकसमान वेग से गतिमान आवेश के लिए L-W अदिश विभव (Φ): हम एक बिंदु आवेश q के लिए अदिश विभव Φ निर्धारित करेंगे जो एकसमान वेग v से गति कर रहा है। हम इस समस्या को हल करने के लिए लोरेंत्ज़ रूपांतरण का उपयोग कर सकते हैं, जो अक्सर सीधे मंदित समय की गणना करने से आसान होता है।

1. आवेश का विराम फ्रेम (S’): आवेश के साथ चलने वाले जड़त्वीय फ्रेम S’ में, आवेश मूल बिंदु पर स्थिर है। इस फ्रेम में, विभव सिर्फ एक स्थिर कूलम्ब विभव है, और कोई चुंबकीय क्षेत्र नहीं है ( A’ = 0)। Φ'( r’ , t’) = q / (4πε₀R’) जहाँ R’ = | r’ | = √(x’² + y’² + z’²) S’ में मूल बिंदु (आवेश) से दूरी है।

2. प्रयोगशाला फ्रेम (S) में रूपांतरण: मान लीजिए कि प्रयोगशाला फ्रेम S के सापेक्ष फ्रेम S’ z-दिशा में वेग v = v ẑ से गति कर रहा है। लोरेंत्ज़ रूपांतरण समीकरण हैं: x’ = x y’ = y z’ = γ(z – vt) जहाँ γ = 1/√(1 – v²/c²) लोरेंत्ज़ कारक है।

अदिश विभव (Φ) और सदिश विभव ( A ) एक 4-सदिश (Φ/c, A ) के घटक के रूप में रूपांतरित होते हैं। Φ के लिए रूपांतरण नियम है: Φ = γ(Φ’ + vA’ z ) चूंकि S’ में सदिश विभव शून्य ( A’ = 0) है, यह सरल हो जाता है: Φ = γΦ’ = γ [q / (4πε₀R’)] अब, हम R’ को S फ्रेम के निर्देशांक (x, y, z, t) के पदों में व्यक्त करते हैं: R’² = x’² + y’² + z’² = x² + y² + [γ(z – vt)]² R’ = √[x² + y² + γ²(z – vt)²] इसे Φ के व्यंजक में प्रतिस्थापित करने पर, हम प्रयोगशाला फ्रेम में अदिश विभव प्राप्त करते हैं: Φ(x, y, z, t) = (1 / 4πε₀) * γq / √[x² + y² + γ²(z – vt)²] यह एकसमान वेग से गतिमान एक बिंदु आवेश के लिए लीनार्ड-वीचर्ट अदिश विभव है। यह ध्यान रखना दिलचस्प है कि विभव अब गोलाकार रूप से सममित नहीं है; यह गति की दिशा में “चपटा” हो जाता है।

Q8. Write down metric tensor in the form η μν in Minkowski space. Show that if A μ (or A) is a timelike vector and B μ (or B) is a nonzero vector orthogonal to A μ , then B μ is necessarily spacelike.

Ans.

मिन्कोव्स्की अंतरिक्ष में मेट्रिक टेंसर (η μν ):

मिन्कोव्स्की अंतरिक्ष, जो विशेष आपेक्षिकता का गणितीय ढांचा है, एक 4-आयामी स्पेस-टाइम है। इस अंतरिक्ष में दो घटनाओं के बीच की दूरी (स्पेस-टाइम अंतराल) को मेट्रिक टेंसर, η μν का उपयोग करके परिभाषित किया गया है। भौतिकी में सबसे आम हस्ताक्षर (signature) (+, -, -, -) का उपयोग करते हुए, मेट्रिक टेंसर को एक मैट्रिक्स के रूप में इस प्रकार लिखा जाता है: η μν = इसके घटक हैं:

  • η 00 = 1
  • η 11 = η 22 = η 33 = -1
  • η μν = 0 यदि μ ≠ ν

यह मेट्रिक दो 4-सदिशों, A μ = (A⁰, A¹, A², A³) और B μ = (B⁰, B¹, B², B³) के आंतरिक गुणनफल को परिभाषित करने के लिए प्रयोग किया जाता है: A ⋅ B = A μ B μ = η μν A μ B ν = A⁰B⁰ – A¹B¹ – A²B² – A³B³ प्रमाण: कि B μ आवश्यक रूप से स्पेसलाइक है। हमें यह दिया गया है: 1. A μ एक टाइमलाइक सदिश है। इसका मतलब है कि इसका स्वयं के साथ आंतरिक गुणनफल धनात्मक है: A μ A μ = η μν A μ A ν > 0

2. B μ एक गैर-शून्य सदिश है। इसका मतलब है कि B μ के सभी घटक एक साथ शून्य नहीं हैं। B μ ≠ (0, 0, 0, 0)

3. B μ , A μ के लंबकोणीय (orthogonal) है। इसका मतलब है कि उनका आंतरिक गुणनफल शून्य है: A μ B μ = η μν A μ B ν = 0

हमें यह सिद्ध करना है: B μ एक स्पेसलाइक सदिश है। इसका मतलब है कि हमें यह दिखाना है कि इसका स्वयं के साथ आंतरिक गुणनफल ऋणात्मक है: B μ B μ = η μν B μ B ν < 0 प्रमाण: चूंकि A μ एक टाइमलाइक सदिश है, हम हमेशा एक लोरेंत्ज़ फ्रेम (एक जड़त्वीय संदर्भ फ्रेम) चुन सकते हैं जिसमें A μ के स्थानिक घटक शून्य हों। यह इस तथ्य के कारण संभव है कि एक टाइमलाइक सदिश हमेशा एक कण की विश्व-रेखा (world line) के स्पर्शीय हो सकता है, और हम उस कण के विराम फ्रेम में जा सकते हैं। इस विशेष फ्रेम में, A μ का रूप है: A μ = (A⁰, 0, 0, 0), जहाँ A⁰ ≠ 0। अब, हम इस फ्रेम में लंबकोणीयता की स्थिति (A μ B μ = 0) को लागू करते हैं: A μ B μ = η μν A μ B ν = η 00 A⁰B⁰ + η 11 A¹B¹ + … = 1 ⋅ A⁰B⁰ + 0 + 0 + 0 = A⁰B⁰ चूंकि A μ B μ = 0 और हम जानते हैं कि A⁰ ≠ 0, इसका तात्पर्य यह होना चाहिए कि: B⁰ = 0 तो, इस विशेष फ्रेम में, सदिश B μ का रूप है: B μ = (0, B¹, B², B³) अब हम इस सदिश B μ का स्वयं के साथ आंतरिक गुणनफल की गणना करते हैं: B μ B μ = η μν B μ B ν = η 00 (B⁰)² + η 11 (B¹)² + η 22 (B²)² + η 33 (B³)² = 1⋅(0)² – 1⋅(B¹)² – 1⋅(B²)² – 1⋅(B³)² = -( (B¹)² + (B²)² + (B³)³ ) हमें दिया गया है कि B μ एक गैर-शून्य सदिश है। चूँकि इसका समय घटक (B⁰) शून्य है, इसके कम से कम एक स्थानिक घटक (B¹, B², या B³) को गैर-शून्य होना चाहिए। इसलिए, वर्गों का योग धनात्मक होना चाहिए: (B¹)² + (B²)² + (B³)² > 0 अतः, हम निष्कर्ष निकालते हैं कि: B μ B μ < 0 चूंकि आंतरिक गुणनफल B μ B μ एक लोरेंत्ज़ अदिश है (अर्थात, इसका मान सभी जड़त्वीय फ्रेमों में समान है), यह निष्कर्ष कि यह ऋणात्मक है, सभी फ्रेमों में मान्य है। परिभाषा के अनुसार, एक सदिश जिसका आंतरिक गुणनफल ऋणात्मक होता है, वह एक स्पेसलाइक सदिश होता है। इस प्रकार, हमने सिद्ध कर दिया है कि B μ आवश्यक रूप से स्पेसलाइक है।

IGNOU MPH-007 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. State and establish Poynting theorem for electromagnetic fields. Compare it with the equation of continuity and give an interpretation of Poynting vector.

Ans. Statement of Poynting’s Theorem: Poynting’s theorem describes the conservation of energy in electromagnetic fields. It states that the rate at which work is done on the charges within a given volume, plus the rate of increase of electromagnetic energy stored within that volume, is equal to the total energy flowing into that volume. Mathematically, it is expressed as: ∮ S S ⋅ d a = – ∫ V ( J ⋅ E ) dV – d/dt ∫ V u dV where S is the Poynting vector, J is the current density, E is the electric field, and u is the electromagnetic energy density.

Establishment (Derivation) of Poynting’s Theorem: The energy density (u) in an electromagnetic field is given by: u = ½ ( E ⋅ D + B ⋅ H ) For a linear, isotropic medium, D = ε E and B = μ H , so u = ½ (εE² + B²/μ). The rate of change of energy density with respect to time is: ∂u/∂t = ε E ⋅ ∂ E /∂t + (1/μ) B ⋅ ∂ B /∂t

From Maxwell’s equations: 1. ∇ × E = -∂ B /∂t 2. ∇ × H = J + ∂ D /∂t = J + ε∂ E /∂t

From the second equation, ε∂ E /∂t = ∇ × H – J . Substituting this into the equation for ∂u/∂t: ∂u/∂t = E ⋅ (∇ × H – J ) + H ⋅ (-∇ × E ) (since B = μH and using the first equation) ∂u/∂t = E ⋅ (∇ × H ) – E ⋅ J – H ⋅ (∇ × E )

Using the vector identity ∇ ⋅ ( E × H ) = H ⋅ (∇ × E ) – E ⋅ (∇ × H ): ∂u/∂t = -∇ ⋅ ( E × H ) – E ⋅ J Rearranging this gives: ∇ ⋅ ( E × H ) + ∂u/∂t = – E ⋅ J

This is the differential form of Poynting’s theorem. Here, S = E × H is defined as the Poynting vector . The term – E ⋅ J represents the rate of work done by the field on the charges per unit volume.

Comparison with the Equation of Continuity: The equation of continuity for charge conservation is: ∇ ⋅ J + ∂ρ/∂t = 0 This equation states that the current flowing out of a volume (∇ ⋅ J ) is equal to the rate of decrease of charge density (ρ) within that volume (-∂ρ/∂t).

Comparing Poynting’s theorem, ∇ ⋅ S + ∂u/∂t = – E ⋅ J , to the continuity equation, we can see an analogy:

  • The Poynting vector S is analogous to the energy flux density (energy current), just as J is the charge flux density (charge current).
  • The energy density u is analogous to the charge density ρ.
  • The term – E ⋅ J acts as a source (or sink) term, representing the exchange of energy between the field and the charges. If this term is zero, the theorem becomes a continuity equation for energy: ∇ ⋅ S + ∂u/∂t = 0.

Interpretation of Poynting Vector: The Poynting vector, S = E × H , represents the energy flux density . Its direction indicates the direction in which electromagnetic energy is propagating, and its magnitude gives the amount of energy flowing per unit area per unit time. Its SI unit is Watts per square meter (W/m²). It is a fundamental concept for understanding the transport of energy by electromagnetic waves.

Q2. Show that Maxwell’s equations can be written as two coupled second order differential equations in terms of scalar potential Φ and vector potential A. What are Coulomb gauge and Lorentz gauge conditions ?

Ans. To express Maxwell’s equations in terms of the scalar potential (Φ) and vector potential ( A ), we start with the definitions of these potentials.

Since the divergence of B is always zero (∇ ⋅ B = 0), we can express B as the curl of some vector field A : B = ∇ × A —(1)

Substituting this into Faraday’s law of induction (∇ × E = -∂ B /∂t): ∇ × E = -∂/∂t (∇ × A ) ∇ × ( E + ∂ A /∂t) = 0

Since the curl of the gradient of any scalar function is always zero, we can write the term in the parenthesis as the gradient of a scalar potential Φ: E + ∂ A /∂t = -∇Φ E = -∇Φ – ∂ A /∂t —(2)

Now we substitute these expressions (1) and (2) into the remaining two Maxwell’s equations:

1. Gauss’s Law (∇ ⋅ E = ρ/ε₀): ∇ ⋅ (-∇Φ – ∂ A /∂t) = ρ/ε₀ -∇²Φ – ∂/∂t(∇ ⋅ A ) = ρ/ε₀ ∇²Φ + ∂/∂t(∇ ⋅ A) = -ρ/ε₀ —(3)

2. Ampere-Maxwell Law (∇ × B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t): ∇ × (∇ × A ) = μ₀ J + μ₀ε₀∂/∂t(-∇Φ – ∂ A /∂t) Using the vector identity ∇ × (∇ × A ) = ∇(∇ ⋅ A ) – ∇² A : ∇(∇ ⋅ A ) – ∇² A = μ₀ J – μ₀ε₀∇(∂Φ/∂t) – μ₀ε₀(∂² A /∂t²) Rearranging the terms: (∇²A – μ₀ε₀∂²A/∂t²) – ∇(∇ ⋅ A + μ₀ε₀∂Φ/∂t) = -μ₀J —(4)

Equations (3) and (4) are equivalent to Maxwell’s equations, but now expressed in terms of the scalar potential Φ and vector potential A . These are two second-order differential equations that are coupled, meaning the equation for Φ involves A and the equation for A involves Φ.

Gauge Conditions: The potentials Φ and A are not uniquely defined. We can change A to A ‘ = A + ∇λ and Φ to Φ’ = Φ – ∂λ/∂t (where λ is any scalar function) without changing the E and B fields. This freedom can be used to simplify equations (3) and (4), which is known as choosing a gauge .

1. Coulomb Gauge: The Coulomb gauge condition is: ∇ ⋅ A = 0 Applying this condition, equation (3) simplifies to a simple Poisson’s equation: ∇²Φ = -ρ/ε₀ This is identical to electrostatics. However, the equation for the vector potential (4) remains coupled: ∇² A – μ₀ε₀∂² A /∂t² – μ₀ε₀∇(∂Φ/∂t) = -μ₀ J The Coulomb gauge is particularly useful for electrostatics and magnetostatics problems.

2. Lorentz Gauge: The Lorentz gauge condition is: ∇ ⋅ A + μ₀ε₀∂Φ/∂t = 0 Applying this condition, the second term in equation (4) becomes zero, leading to the decoupling of equations (3) and (4): ∇²Φ – μ₀ε₀∂²Φ/∂t² = -ρ/ε₀ ∇² A – μ₀ε₀∂² A /∂t² = -μ₀ J Both equations have the same differential operator (∇² – μ₀ε₀∂²/∂t²), known as the d’Alembertian operator (□²). These are inhomogeneous wave equations. The Lorentz gauge condition is relativistically invariant and is very useful for studying electromagnetic radiation.

Q3. If E = E₀ e i(ωt – ky + z) and B = B₀ e i(ωt – ky + z) then show that : (a) ∇ × E = -i(k × E₀) e i(ωt – ky + z) (b) ∇ × E = -∂B/∂t implies B₀ = (k/ω)(ŷ × E₀) = (1/c)(ŷ × E₀)

Ans. The given electric and magnetic fields represent plane waves. From the phase term (ωt – ky + z), we can see that this is not a generic k ⋅ r form. The phase here is k y y + k z z, where k y = -k and k z = 1. Thus, the wave vector is k = (0, -k, 1). However, the question uses the ŷ direction in part (b), which suggests there might be a simpler assumption about the wave propagation direction. We will first do the general derivation and then consider the specific form given. Let’s assume a general plane wave E = E₀ e i(ωt – k ⋅ r ) .

(a) Calculation of ∇ × E: We need to calculate the curl of E = E₀ e i(ωt – k ⋅ r ) . ∇ × E = ∇ × [ E₀ e i(ωt – k ⋅ r ) ] Using the vector identity ∇ × (f G ) = f(∇ × G ) + (∇f) × G , with f = e i(ωt – k ⋅ r ) and G = E₀ (a constant vector). Since E₀ is a constant vector, ∇ × E₀ = 0. Therefore, ∇ × E = (∇ e i(ωt – k ⋅ r ) ) × E₀ .

Now, we calculate ∇f: ∇f = ∇(e i(ωt – k ⋅ r ) ) = e i(ωt – k ⋅ r ) ∇(i(ωt – k ⋅ r )) ∇(i(ωt – k ⋅ r )) = -i ∇( k ⋅ r ) = -i ∇(k x x + k y y + k z z) = -i(k x x̂ + k y ŷ + k z ẑ ) = -i k So, ∇f = -i k e i(ωt – k ⋅ r ) .

Substituting this back into the expression for ∇ × E : ∇ × E = (-i k e i(ωt – k ⋅ r ) ) × E₀ ∇ × E = -i ( k × E₀ ) e i(ωt – k ⋅ r ) Since E = E₀ e i(ωt – k ⋅ r ) , we can also write this as: ∇ × E = -i(k × E) In the given question, `(ωt – ky + z)` is a specific phase. This result holds in general. There is a slight typo; the result should have E₀ , not E . We were asked to prove the form `∇ × E = -i(k × E₀) e^(i(ωt-ky+z))`, which we have done.

(b) Relation between B₀ and E₀: From Faraday’s Law, ∇ × E = -∂ B /∂t. We evaluate both sides: LHS is from part (a): ∇ × E = -i( k × E₀ ) e i(ωt – k ⋅ r ) RHS is: -∂ B /∂t Given B = B₀ e i(ωt – k ⋅ r ) , so: ∂ B /∂t = B₀ (iω) e i(ωt – k ⋅ r ) = iω B So, -∂ B /∂t = -iω B₀ e i(ωt – k ⋅ r )

Equating LHS and RHS: -i( k × E₀ ) e i(ωt – k ⋅ r ) = -iω B₀ e i(ωt – k ⋅ r ) Cancelling the exponential terms and -i: k × E₀ = ω B₀ or, B₀ = (1/ω)( k × E₀ )

Now consider the specific form in the question: B₀ = (k/ω)( ŷ × E₀ ). This will match the general result B₀ = (1/ω)( k × E₀ ) only if the wave vector k = k ŷ , i.e., the wave is propagating in the positive y-direction with magnitude k. However, the phase `(ωt – ky + z)` suggests a different wave vector k’ = (0, k, -1). There appears to be an inconsistency in the question. If we assume the question intended for a wave propagating in the y-direction ( k = k ŷ ), then: B₀ = (1/ω)(k ŷ × E₀ ) = (k/ω)( ŷ × E₀ )

Furthermore, for an electromagnetic wave in a vacuum, the wave speed is c = ω/| k |. If the wave is in the y-direction, then | k | = k, and c = ω/k, or k/ω = 1/c. Substituting this gives: B₀ = (1/c)( ŷ × E₀ )

Thus, under the assumption that the wave propagates in the y-direction, we can show the desired result.

Q4. (a) At time t=0, a charge q is at rest at the origin in a region of uniform static electric field E=E₀ẑ. Without assuming that v/c << 1, derive expressions for the velocity and position of the charge at time t. (b) Given B=B₀ẑ, write down the x-component and y-component of the equation m dv/dt = q v × B.

Ans. (a) Velocity and Position of the Charge: The relativistic equation of motion for a charge q is: d p /dt = F where p = γm₀ v is the relativistic momentum and F = q E is the Lorentz force. Here, m₀ is the rest mass of the particle and γ = 1/√(1 – v²/c²) is the Lorentz factor.

Given E = E₀ ẑ . The force is only in the z-direction, so the motion will be one-dimensional (assuming zero initial velocity). d/dt (γm₀v z ) = qE₀ Integrating with respect to time: γm₀v z = qE₀t + C Since the particle is at rest at t=0, v z (0) = 0, so C = 0. p z = γm₀v z = qE₀t

Now, we must solve for v z from this equation. v z / √(1 – v z ²/c²) = (qE₀t) / m₀ Squaring both sides: v z ² / (1 – v z ²/c²) = (qE₀t / m₀)² v z ² = (qE₀t / m₀)² (1 – v z ²/c²) v z ² = (qE₀t / m₀)² – v z ²(qE₀t / (m₀c))² v z ² [1 + (qE₀t / (m₀c))²] = (qE₀t / m₀)² v z ² = (qE₀t / m₀)² / [1 + (qE₀t / (m₀c))²]

The velocity is v(t) = v z (t) ẑ , where: v z (t) = (qE₀t / m₀) / √(1 + (qE₀t / (m₀c))²) This can also be written as v z (t) = at / √(1 + (at/c)²), where a = qE₀/m₀ is the non-relativistic acceleration.

To find the position z(t), we integrate v z (t) = dz/dt: z(t) = ∫₀ᵗ v z (t’) dt’ = ∫₀ᵗ (qE₀t’ / m₀) / √(1 + (qE₀t’ / (m₀c))²) dt’ Let u = 1 + (qE₀t’ / (m₀c))². Then du = 2(qE₀ / (m₀c))² t’ dt’ => t’ dt’ = (m₀²c² / (2q²E₀²)) du The integral becomes: z(t) = (qE₀ / m₀) (m₀²c² / (2q²E₀²)) ∫ du / √u z(t) = (m₀c² / (2qE₀)) ∫ u -1/2 du = (m₀c² / (2qE₀)) [2√u] Substituting back the limits (at t’=0, u=1; at t’=t, u = 1 + (qE₀t / (m₀c))²): z(t) = (m₀c² / qE₀) [√(1 + (qE₀t / (m₀c))²) – √1] z(t) = (m₀c² / qE₀) [√(1 + (qE₀t / m₀c)²) – 1]

This is the position of the relativistically moving charge.

(b) Components of the Equation of Motion: The equation of motion is given as m d v /dt = q( v × B ). Here v = (v x , v y , v z ) and B = (0, 0, B₀). We need to calculate the cross product v × B : v × B = | x̂ ŷ ẑ | | v x v y v z | | 0 0 B₀ | = x̂ (v y B₀ – 0) – ŷ (v x B₀ – 0) + ẑ (0 – 0) = (v y B₀) x̂ – (v x B₀) ŷ

Now, we substitute this into the equation of motion: m (dv x /dt x̂ + dv y /dt ŷ + dv z /dt ẑ ) = q [(v y B₀) x̂ – (v x B₀) ŷ ]

Comparing the components, we get the equations for the x- and y-components:

x-component: m dv x /dt = q v y B₀

y-component: m dv y /dt = -q v x B₀

(The z-component would be m dv z /dt = 0, meaning the velocity in the z-direction is constant.) Note: The equation m d v /dt = … given in the question is the non-relativistic form. The relativistic form would be d p /dt = d(γm₀ v )/dt = q( v × B ), which would lead to a more complex set of equations. Based on the question as stated, the non-relativistic form is the expected answer.

Q5. Write Maxwell’s equations in a linear, homogeneous and isotropic dielectric material. By using the equations, find wave equations in a charge free and current free region.

Ans. Maxwell’s Equations in a Linear, Homogeneous, and Isotropic Dielectric Material:

In a general material, Maxwell’s equations (in differential form) are: 1. ∇ ⋅ D = ρ f (Gauss’s Law for Electricity) 2. ∇ ⋅ B = 0 (Gauss’s Law for Magnetism) 3. ∇ × E = -∂ B /∂t (Faraday’s Law of Induction) 4. ∇ × H = J f + ∂ D /∂t (Ampere-Maxwell Law)

Here ρ f is the free charge density and J f is the free current density. D is the electric displacement field and H is the magnetic field intensity.

For a linear, homogeneous, and isotropic (LHI) material, the relationships between these fields are simple and are called the constitutive relations:

  • D = ε E
  • B = μ H

where ε (permittivity) and μ (permeability) are constants of the material. They do not depend on position (homogeneous) nor direction (isotropic). Using these relations, we can write Maxwell’s equations in terms of

E

and

B

:

1. ∇ ⋅

E

= ρ

f

/ ε

2. ∇ ⋅

B

= 0

3. ∇ ×

E

= -∂

B

/∂t

4. ∇ ×

B

= μ

J

f

+ με(∂

E

/∂t)

Wave Equations in a Charge-Free and Current-Free Region: Consider a region where there are no free charges (ρ f = 0) and no free currents ( J f = 0). In this case, Maxwell’s equations become: (i) ∇ ⋅ E = 0 (ii) ∇ ⋅ B = 0 (iii) ∇ × E = -∂ B /∂t (iv) ∇ × B = με(∂ E /∂t)

We will now derive the wave equation for E . Take the curl of equation (iii): ∇ × (∇ × E ) = ∇ × (-∂ B /∂t) ∇ × (∇ × E ) = -∂/∂t (∇ × B )

Using the vector identity ∇ × (∇ × A ) = ∇(∇ ⋅ A ) – ∇² A on the left side: ∇(∇ ⋅ E ) – ∇² E = -∂/∂t (∇ × B )

Using equation (i) (∇ ⋅ E = 0), the first term vanishes: -∇² E = -∂/∂t (∇ × B )

Now, on the right side, we substitute equation (iv) (∇ × B = με ∂ E /∂t): -∇² E = -∂/∂t (με ∂ E /∂t) -∇² E = -με (∂² E /∂t²)

This yields the wave equation for E : ∇²E – με ∂²E/∂t² = 0

A similar procedure can be followed to find the wave equation for B . Take the curl of equation (iv): ∇ × (∇ × B ) = ∇ × (με ∂ E /∂t) = με ∂/∂t (∇ × E ) ∇(∇ ⋅ B ) – ∇² B = με ∂/∂t (∇ × E )

Using equation (ii) (∇ ⋅ B = 0) and equation (iii) (∇ × E = -∂ B /∂t): 0 – ∇² B = με ∂/∂t (-∂ B /∂t) -∇² B = -με (∂² B /∂t²)

This yields the wave equation for B : ∇²B – με ∂²B/∂t² = 0

These two equations describe the propagation of electromagnetic waves in the LHI material. The velocity of the wave is given by v = 1/√(με).

Q6. Obtain boundary conditions for electric field at the interface of two linear, homogeneous and isotropic dielectrics by considering there is no free charge or current densities at the interface.

Ans. We consider an interface between two linear, homogeneous, and isotropic (LHI) dielectric materials (medium 1 and medium 2). We will assume there is no free surface charge density (σ f = 0) and no free surface current density ( K f = 0) at the interface. We will use the integral forms of Maxwell’s equations to derive the boundary conditions for the electric field.

1. Boundary Condition for the Tangential Component of E: We start with the integral form of Faraday’s Law: ∮ E ⋅ d l = -d/dt ∫ B ⋅ d a

We consider a very small rectangular loop that straddles the interface, as shown in the figure. The length of the loop Δl is parallel to the interface, and its width Δw is perpendicular to it. We let Δw approach zero.


(Imagine a diagram of a rectangular loop between two media, with its long sides parallel to the interface and short sides perpendicular)

The line integral of E ⋅ d l around the loop is: ∮ E ⋅ d l = ∫ top E ₁ ⋅ d l + ∫ bottom E ₂ ⋅ d l + ∫ sides E ⋅ d l = E₁ ∥ Δl – E₂ ∥ Δl + (contribution from sides) where E ∥ is the component of E parallel to the interface.

As we let the width of the loop Δw → 0, the contribution from the sides vanishes. Also, the area enclosed by the loop goes to zero, so the change in magnetic flux on the right-hand side also goes to zero: d/dt ∫ B ⋅ d a → 0

Therefore, the equation becomes: E₁ ∥ Δl – E₂ ∥ Δl = 0 E₁ ∥ = E₂ ∥

This is the first boundary condition: The tangential component of the electric field is continuous across the interface.

2. Boundary Condition for the Normal Component of D: We start with the integral form of Gauss’s Law: ∮ D ⋅ d a = Q f, enclosed

We consider a small “pillbox” (a small cylinder) with its top and bottom faces parallel to the interface, one in each medium, and a height Δh. The area of the top and bottom of the pillbox is ΔA.


(Imagine a diagram of a cylindrical pillbox straddling the interface between two media, with its flat ends parallel to the interface)

The integral of D ⋅ d a over the closed surface of the pillbox is: ∮ D ⋅ d a = ∫ top D ₁ ⋅ d a + ∫ bottom D ₂ ⋅ d a + ∫ side D ⋅ d a

Let n̂ be the normal unit vector pointing from medium 2 to medium 1. ∫ top D ₁ ⋅ d a = D₁ ⊥ ΔA ∫ bottom D ₂ ⋅ d a = -D₂ ⊥ ΔA where D ⊥ is the component of D normal to the interface.

As we let the height of the pillbox Δh → 0, the area of the side surface goes to zero, and the flux contribution from the side walls becomes negligible. The total free charge enclosed by the pillbox is Q f, enclosed = σ f ΔA. So, the equation becomes: D₁ ⊥ ΔA – D₂ ⊥ ΔA = σ f ΔA

Since it is given that there is no free charge at the interface, σ f = 0. D₁ ⊥ – D₂ ⊥ = 0 D₁ ⊥ = D₂ ⊥

This is the second boundary condition: The normal component of the electric displacement field is continuous across the interface (if there is no free surface charge).

Q7. In which context are Lienard-Wiechert (L-W) potential used in electrodynamics? Determine the Leinard-Wiechert scalar potentials (Φ) for a point charge moving with constant velocity v.

Ans. Context of Lienard-Wiechert (L-W) Potentials:

Lienard-Wiechert (L-W) potentials are used in electrodynamics to describe the electromagnetic fields generated by a moving point charge . They are the exact, time-dependent solutions to Maxwell’s equations for the scalar potential (Φ) and vector potential ( A ) due to a point charge source.

The importance of these potentials lies in the following:

  • Retarded Time: The L-W potentials account for the fact that electromagnetic effects propagate at a finite speed (the speed of light, c). The potential felt by an observer at a given time t does not depend on the charge’s present position and velocity, but on its position and velocity at an earlier, or “retarded” time (t r ). The retarded time is the moment when the charge had to emit a “signal” for it to reach the observer at time t.
  • Basis of Radiation: When a charge accelerates, the L-W potentials can be used to calculate the electromagnetic fields (radiation fields) produced by the accelerating charge. This is fundamental to understanding phenomena like synchrotron radiation, bremsstrahlung, and emission by antennas.
  • Connection to Relativity: The L-W potentials are derived in the Lorentz gauge and are fully consistent with the principles of special relativity.

In short, whenever we need to accurately describe the fields from a point charge that is not stationary, especially if it is accelerating, the L-W potentials are the essential tools.

L-W Scalar Potential (Φ) for a Charge with Constant Velocity:

We will determine the scalar potential Φ for a point charge q moving with a uniform velocity v . We can solve this problem using a Lorentz transformation, which is often easier than calculating the retarded time directly.

1. Rest Frame of the Charge (S’): In the inertial frame S’ moving with the charge, the charge is stationary at the origin. In this frame, the potential is just a static Coulomb potential, and there is no magnetic field ( A’ = 0). Φ'( r’ , t’) = q / (4πε₀R’) where R’ = | r’ | = √(x’² + y’² + z’²) is the distance from the origin (the charge) in S’.

2. Transformation to the Lab Frame (S): Let the frame S’ be moving with velocity v = v ẑ in the z-direction relative to the lab frame S. The Lorentz transformation equations are: x’ = x y’ = y z’ = γ(z – vt) where γ = 1/√(1 – v²/c²) is the Lorentz factor.

The scalar potential (Φ) and vector potential ( A ) transform as components of a 4-vector (Φ/c, A ). The transformation rule for Φ is: Φ = γ(Φ’ + vA’ z )

Since the vector potential in S’ is zero ( A’ = 0), this simplifies to: Φ = γΦ’ = γ [q / (4πε₀R’)]

Now, we express R’ in terms of the S frame coordinates (x, y, z, t): R’² = x’² + y’² + z’² = x² + y² + [γ(z – vt)]² R’ = √[x² + y² + γ²(z – vt)²]

Substituting this into the expression for Φ, we get the scalar potential in the lab frame: Φ(x, y, z, t) = (1 / 4πε₀) * γq / √[x² + y² + γ²(z – vt)²]

This is the Lienard-Wiechert scalar potential for a point charge moving with uniform velocity. It is interesting to note that the potential is no longer spherically symmetric; it becomes “flattened” in the direction of motion.

Q8. Write down metric tensor in the form η μν in Minkowski space. Show that if A μ (or A) is a timelike vector and B μ (or B) is a nonzero vector orthogonal to A μ , then B μ is necessarily spacelike.

Ans. Metric Tensor (η μν ) in Minkowski Space:

Minkowski space, the mathematical framework of special relativity, is a 4-dimensional spacetime. The “distance” (spacetime interval) between two events in this space is defined using the metric tensor, η μν . Using the most common signature in physics, (+, -, -, -), the metric tensor is written as a matrix: η μν = 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & -1 \end{pmatrix}

Its components are:

  • η 00 = 1
  • η 11 = η 22 = η 33 = -1
  • η μν = 0 if μ ≠ ν

This metric is used to define the inner product of two 4-vectors, A

μ

= (A⁰, A¹, A², A³) and B

μ

= (B⁰, B¹, B², B³):

A ⋅ B = A

μ

B

μ

= η

μν

A

μ

B

ν

= A⁰B⁰ – A¹B¹ – A²B² – A³B³

Proof: That B μ is necessarily spacelike.

We are given: 1. A μ is a timelike vector. This means its inner product with itself is positive: A μ A μ = η μν A μ A ν > 0

2. B μ is a non-zero vector. This means not all components of B μ are zero simultaneously. B μ ≠ (0, 0, 0, 0)

3. B μ is orthogonal to A μ . This means their inner product is zero: A μ B μ = η μν A μ B ν = 0

We need to prove: B μ is a spacelike vector. This means we must show that its inner product with itself is negative: B μ B μ = η μν B μ B ν < 0

Proof: Since A μ is a timelike vector, we can always choose a Lorentz frame (an inertial reference frame) in which the spatial components of A μ are zero. This is possible because a timelike vector can always be tangent to the world line of a particle, and we can move to that particle’s rest frame. In this special frame, A μ has the form: A μ = (A⁰, 0, 0, 0), where A⁰ ≠ 0.

Now, we apply the condition of orthogonality (A μ B μ = 0) in this frame: A μ B μ = η μν A μ B ν = η 00 A⁰B⁰ + η 11 A¹B¹ + … = 1 ⋅ A⁰B⁰ + 0 + 0 + 0 = A⁰B⁰ Since A μ B μ = 0 and we know that A⁰ ≠ 0, it must imply that: B⁰ = 0

So, in this particular frame, the vector B μ has the form: B μ = (0, B¹, B², B³)

Now we calculate the inner product of this vector B μ with itself: B μ B μ = η μν B μ B ν = η 00 (B⁰)² + η 11 (B¹)² + η 22 (B²)² + η 33 (B³)² = 1⋅(0)² – 1⋅(B¹)² – 1⋅(B²)² – 1⋅(B³)² = -( (B¹)² + (B²)² + (B³)³ )

We are given that B μ is a non-zero vector. Since its time component (B⁰) is zero, at least one of its spatial components (B¹, B², or B³) must be non-zero. Therefore, the sum of their squares must be positive: (B¹)² + (B²)² + (B³)² > 0

Hence, we conclude that: B μ B μ < 0

Since the inner product B μ B μ is a Lorentz scalar (i.e., its value is the same in all inertial frames), this conclusion that it is negative is valid in all frames. By definition, a vector whose inner product with itself is negative is a spacelike vector. Thus, we have proven that B μ is necessarily spacelike.


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