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IGNOU BPHCT-133 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU BPHCT-133 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU BPHCT-133 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

Q1. किन्हीं पाँच भागों के उत्तर दीजिए : 5×3=15 (क) x³y⁴ + 6y² = x द्वारा परिभाषित वक्र के लिए बिन्दु (1, 0) पर लंब एकक सदिश ज्ञात कीजिए। (ख) xy-तल में y=x² वक्र के अनुदिश बिन्दु (0, 0) से बिन्दु (1, 1) तक किसी पिंड को गतिमान करने में बल F = xyî + y²ĵ द्वारा किया गया कार्य परिकलित कीजिए। (ग) एक बिन्दु आवेश गोलाकार गाउसीय पृष्ठ द्वारा परिबद्ध है। क्या पृष्ठ से होकर जाने वाला वैद्युत अभिवाह परिवर्तित होगा (i) यदि गाउसीय पृष्ठ एक बेलन या घन का बंद पृष्ठ हो ? (ii) यदि आवेश को गाउसीय पृष्ठ के बाहर कर दिया जाए ? (iii) यदि एक अन्य आवेश को गाउसीय पृष्ठ के अंदर रख दिया जाए ? (घ) निर्वात्‌ में एक विद्युतचुंबकीय तरंग का विद्युत क्षेत्र : Eₓ = 0, Eᵧ = 30cos(π/3 x – 2π×10⁶t), E₂=0 जहाँ Eᵧ Vm⁻¹ में है, t सेकंड में और x मीटर में । तरंग की आवृत्ति, तरंगदैर्घ्य, तरंग संचरण की दिशा और संबद्ध चुंबकीय क्षेत्र की दिशा ज्ञात कीजिए। (ङ) दो बिन्दु आवेश +q और -2q एक सरल रेखा के अनुदिश एक-दूसरे से 9 m की दूरी पर रखे हैं। इनके बीच +q आवेश से उस बिन्दु की दूरी ज्ञात कीजिए जिस पर विद्युत विभव शून्य है। (च) एक पतली डाइलेक्ट्रिक पदार्थ की छड़ के अनुप्रस्थ-परिच्छेद का क्षेत्रफल A है। यह x-अक्ष के अनुदिश x=0 से x=L तक रखी है। छड़ का ध्रुवण उसके अक्ष के अनुदिश है और उसका मान P = (ax² + b)î है। छड़ का आयतन आवेश घनत्व और इसके प्रत्येक सिरे पर परिबद्ध पृष्ठ आवेश घनत्व परिकलित कीजिए। (छ) त्रिज्या R वाले एक लंबे बेलनाकार तार में एक अपरिवर्ती धारा i प्रवाहित होती है जो इसके अनुप्रस्थ-परिच्छेद पर एकसमान रूप से वितरित है। तार के अक्ष से दूरी r(<R) पर चुंबकीय क्षेत्र परिकलित कीजिए। (ज) एक समांतर प्लेट संधारित्र में जिसके प्लेटों का क्षेत्रफल A है, विस्थापन धारा का अधिकतम मान ज्ञात कीजिए। प्लेटों के बीच विद्युत क्षेत्र E = E₀ sin(ωt) है।

Ans.

(क) वक्र का समीकरण `f(x, y) = x³y⁴ + 6y² – x = 0` है।

किसी भी बिंदु (x, y) पर वक्र के अभिलंब सदिश, अदिश फलन `f(x, y)` की प्रवणता (gradient) द्वारा दिया जाता है, `∇f`।

`∇f = (∂f/∂x)î + (∂f/∂y)ĵ`

यहाँ, `∂f/∂x = 3x²y⁴ – 1` और `∂f/∂y = 4x³y³ + 12y`।

बिंदु (1, 0) पर:

`∂f/∂x` at (1,0) = `3(1)²(0)⁴ – 1 = -1`

`∂f/∂y` at (1,0) = `4(1)³(0)³ + 12(0) = 0`

अतः, बिंदु (1, 0) पर अभिलंब सदिश `N = ∇f = -1î + 0ĵ = -î` है।

अभिलंब एकक सदिश `n̂` की गणना इस प्रकार की जाती है:

`n̂ = N / |N| = (-î) / √((-1)² + 0²) = -î / 1 = -î`

इसलिए, बिंदु (1, 0) पर अभिलंब एकक सदिश -î है।

(ख) बल क्षेत्र `F = xyî + y²ĵ` द्वारा किया गया कार्य `W` लाइन इंटीग्रल `W = ∫ F · dr` द्वारा दिया जाता है।

वक्र `y = x²` है, इसलिए `dy = 2x dx`।

विस्थापन सदिश `dr = dx î + dy ĵ = dx î + 2x dx ĵ`।

`F · dr = (xyî + y²ĵ) · (dx î + 2x dx ĵ) = (xy + 2xy²) dx`

अब, वक्र के समीकरण `y = x²` को प्रतिस्थापित करने पर:

`F · dr = (x(x²) + 2x(x²)²) dx = (x³ + 2x⁵) dx`

कार्य की गणना के लिए, हम `x` के सापेक्ष 0 से 1 तक समाकलन करते हैं:

`W = ∫₀¹ (x³ + 2x⁵) dx = [x⁴/4 + 2x⁶/6]₀¹`

`W = [x⁴/4 + x⁶/3]₀¹ = (1⁴/4 + 1⁶/3) – (0) = 1/4 + 1/3 = (3+4)/12 = 7/12`

अतः, किया गया कार्य 7/12 जूल है। (ग) गॉस के नियम के अनुसार, किसी बंद पृष्ठ से गुजरने वाला कुल विद्युत अभिवाह `Φ = q_enclosed / ε₀` होता है, जहाँ `q_enclosed` पृष्ठ द्वारा परिबद्ध कुल आवेश है।

  • (i) नहीं, विद्युत अभिवाह नहीं बदलेगा। गॉस का नियम बताता है कि अभिवाह केवल परिबद्ध आवेश की मात्रा पर निर्भर करता है, न कि गाउसीय पृष्ठ के आकार या आकृति पर। इसलिए, चाहे पृष्ठ गोलाकार हो, बेलनाकार हो या घनाकार, अभिवाह समान रहेगा।
  • (ii) हाँ, विद्युत अभिवाह बदल जाएगा। यदि आवेश को गाउसीय पृष्ठ के बाहर ले जाया जाता है, तो परिबद्ध आवेश `q_enclosed` शून्य हो जाता है। इसलिए, पृष्ठ से गुजरने वाला अभिवाह शून्य हो जाएगा।
  • (iii) हाँ, विद्युत अभिवाह बदल जाएगा। यदि एक अन्य आवेश को गाउसीय पृष्ठ के अंदर रखा जाता है, तो कुल परिबद्ध आवेश `q_enclosed` बदल जाएगा। परिणामस्वरूप, पृष्ठ से होकर जाने वाला कुल विद्युत अभिवाह भी बदल जाएगा।

(घ) दिए गए विद्युत क्षेत्र `Eᵧ = 30cos(π/3 x – 2π×10⁶t)` की तुलना मानक तरंग समीकरण `E = E₀cos(kx – ωt)` से करने पर:

`k = π/3 rad/m` और `ω = 2π × 10⁶ rad/s`।

  • आवृत्ति (f): `ω = 2πf` ⇒ `f = ω / 2π = (2π × 10⁶) / 2π = 10⁶ Hz` या 1 MHz।
  • तरंगदैर्घ्य (λ): `k = 2π/λ` ⇒ `λ = 2π / k = 2π / (π/3) = 6 m`।
  • संचरण की दिशा: समीकरण `(kx – ωt)` के रूप में है, जो इंगित करता है कि तरंग धनात्मक x-अक्ष की दिशा में फैल रही है।
  • चुंबकीय क्षेत्र की दिशा: विद्युतचुंबकीय तरंग में, `E`, `B` और संचरण की दिशा `k` परस्पर लंबवत होते हैं। `E` धनात्मक y-दिशा में है (`ĵ`) और संचरण धनात्मक x-दिशा में है (`î`)। संबंध `k̂ ∝ Ê × B̂` से, `î ∝ ĵ × B̂`। इस संबंध को संतुष्ट करने के लिए, `B̂` को धनात्मक z-अक्ष (`k̂`) की दिशा में होना चाहिए।

(ङ) मान लीजिए कि `+q` आवेश से `x` दूरी पर विद्युत विभव शून्य है। यह बिंदु दोनों आवेशों के बीच है।

तो, `-2q` आवेश से इस बिंदु की दूरी `(9 – x)` मीटर होगी।

किसी बिंदु पर कुल विभव `V` प्रत्येक आवेश के कारण विभव का अदिश योग होता है: `V = V₁ + V₂`।

`V = k(+q)/x + k(-2q)/(9-x)`

शून्य विभव के लिए, `V = 0`।

`kq/x – 2kq/(9-x) = 0`

`1/x = 2/(9-x)`

`9 – x = 2x`

`3x = 9`

`x = 3` मीटर।

अतः, वह बिंदु `+q` आवेश से 3 मीटर की दूरी पर है। (च) दिया गया ध्रुवण `P = (ax² + b)î` है।

परिबद्ध आयतन आवेश घनत्व `ρ_b = -∇ · P` द्वारा दिया जाता है।

`ρ_b = – d/dx (ax² + b) = -2ax`

अतः, परिबद्ध आयतन आवेश घनत्व `ρ_b = -2ax` है।

परिबद्ध पृष्ठ आवेश घनत्व `σ_b = P · n̂` द्वारा दिया जाता है, जहाँ `n̂` बाहरी अभिलंब है।

  • छड़ के सिरे `x=0` पर, `n̂ = -î`। `σ_b(x=0) = P(x=0) · (-î) = (a(0)² + b)î · (-î) = b(-1) = -b`।
  • छड़ के सिरे `x=L` पर, `n̂ = +î`। `σ_b(x=L) = P(x=L) · (+î) = (a(L)² + b)î · (+î) = aL² + b`।

अतः, सिरों पर पृष्ठ आवेश घनत्व `σ_b(0) = -b` और `σ_b(L) = aL² + b` है। (छ) त्रिज्या `R` और धारा `i` वाले एक लंबे बेलनाकार तार के अंदर (`r < R`) चुंबकीय क्षेत्र ज्ञात करने के लिए, हम एम्पीयर के नियम का उपयोग करते हैं: `∮ B · dl = μ₀ I_enclosed`।

हम तार के अक्ष से `r` त्रिज्या का एक एम्पीयरियन लूप (वृत्त) लेते हैं।

`∮ B · dl = B * (2πr)`

चूंकि धारा समान रूप से वितरित है, धारा घनत्व `J = i / (πR²)` है।

`r` त्रिज्या के भीतर परिबद्ध धारा `I_enclosed` है:

`I_enclosed = J × (Area of loop) = (i / πR²) × (πr²) = i(r²/R²)`

एम्पीयर के नियम में मान रखने पर:

`B(2πr) = μ₀ * i(r²/R²)`

`B = (μ₀ i r) / (2πR²)`

अतः, तार के अंदर चुंबकीय क्षेत्र `B = (μ₀ i r) / (2πR²)` है, जो अक्ष से दूरी `r` के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है। (ज) विस्थापन धारा `I_d = ε₀ (dΦ_E / dt)` द्वारा दी जाती है, जहाँ `Φ_E` विद्युत अभिवाह है।

समांतर प्लेट संधारित्र के लिए, विद्युत क्षेत्र `E` को प्लेटों के बीच एकसमान माना जाता है।

`Φ_E = E · A = E A` (चूंकि E और A समानांतर हैं)।

दिया गया है `E = E₀ sin(ωt)`।

तो, `Φ_E = (E₀ sin(ωt)) A = E₀A sin(ωt)`।

अब, `I_d` की गणना करें:

`I_d = ε₀ d/dt (E₀A sin(ωt)) = ε₀ E₀ A d/dt(sin(ωt))`

`I_d = ε₀ E₀ A ω cos(ωt)`

विस्थापन धारा का अधिकतम मान तब होता है जब `cos(ωt)` का मान अधिकतम होता है, जो कि 1 है।

अतः, विस्थापन धारा का अधिकतम मान है:

`I_d(max) = ε₀ E₀ A ω` ।

Q2. किन्हीं पाँच भागों के उत्तर दीजिए : 5×5=25 (क) एक ए.सी. जनरेटर में 50 cm भुजा वाली तार की एक वर्गाकार कुंडली है जिसमें 20 फेरे हैं। हमारे देश में प्रयुक्त मानक 50 Hz प्रत्यावर्ती धारा का उत्पादन करने के लिए कुंडली को 50 प्रतिक्रमण प्रति सेकंड की दर से घूर्णित किया जाता है। चुंबकीय क्षेत्र का क्या परिमाण होना चाहिए ताकि जनरेटर की शिखर निर्गत वोल्टता 300 V हो ? (ख) पाँच बहुत लंबे सीधे विद्युतरोधी तारों को पास-पास रखकर उनका एक छोटा केबल बनाया गया है। तारों में प्रवाहित होने वाली धाराएँ i₁=20A, i₂=-6A, i₃=12A, i₄=-7A और i₅=18A हैं (ऋणात्मक धाराएँ धनात्मक धाराओं की विपरीत दिशा में हैं)। केबल से 10 cm की दूरी पर स्थित बिन्दु पर B का परिमाण परिकलित कीजिए। (ग) पृथ्वी की सतह के नजदीक चाल 1.0×10⁵ ms⁻¹ से गतिमान इलेक्ट्रॉन पर पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र B=1.0×10⁻⁷ T के कारण लगने वाले चुंबकीय बल का परिमाण परिकलित कीजिए। (घ) मैक्सवेल के समीकरणों को अवकल रूप में लिखिए। B क्षेत्र के लिए तरंग समीकरण व्युत्पन्न कीजिए। (ङ) चार आवेशों 4q, q, -4q और -q का एक निकाय है। निकाय के कम से कम दो आवेशों को परिबद्ध करने वाला गाउसीय पृष्ठ खींचिए ताकि उसमें से होकर जाने वाला अभिवाह (i) शून्य हो, (ii) q/ε₀ हो। (च) 2.0μC आवेश मूलबिन्दु पर रखा है और x-अक्ष के अनुदिश बिन्दु A तथा B मूलबिन्दु से क्रमशः 10 cm और 50 cm की दूरियों पर स्थित हैं। 1.0μC आवेश को बिन्दु B से A तक लाने में किए जाने वाला कार्य परिकलित कीजिए। (छ) डाइवर्जेन्स प्रमेय का उपयोग करते हुए 1 इकाई त्रिज्या के गोले पर सदिश क्षेत्र F = z²î + 4yĵ – x²k̂ का अभिवाह परिकलित कीजिए। (ज) एक केन्द्रीय बल क्षेत्र F = f(r)r̂ द्वारा परिभाषित होता है। ∇ × F निर्धारित कीजिए।

Ans.

(क) दिए गए मान हैं:

फेरों की संख्या, `N = 20`

कुंडली की भुजा, `l = 50 cm = 0.5 m`

कुंडली का क्षेत्रफल, `A = l² = (0.5)² = 0.25 m²`

आवृत्ति, `f = 50 Hz`

कोणीय आवृत्ति, `ω = 2πf = 2π(50) = 100π rad/s`

शिखर वोल्टता, `ε_max = 300 V`

एक AC जनरेटर में उत्पन्न शिखर वोल्टता का सूत्र है:

`ε_max = N A B ω`

हमें चुंबकीय क्षेत्र B का परिमाण ज्ञात करना है:

`B = ε_max / (N A ω)`

`B = 300 / (20 × 0.25 × 100π) = 300 / (5 × 100π) = 300 / (500π)`

`B = 3 / (5π) ≈ 3 / (5 × 3.14159) ≈ 0.191 T`

अतः, आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र का परिमाण लगभग 0.191 टेस्ला होना चाहिए।

(ख) एम्पीयर के नियम के अनुसार, जब तारों को एक साथ कसकर बांधा जाता है, तो केबल के बाहर का चुंबकीय क्षेत्र ऐसा होता है मानो कुल धारा एक ही तार में बह रही हो।

कुल धारा `I_net` की गणना करें:

`I_net = i₁ + i₂ + i₃ + i₄ + i₅ = 20 – 6 + 12 – 7 + 18 = 37 A`

एक लंबे, सीधे तार से `r` दूरी पर चुंबकीय क्षेत्र का परिमाण `B` इस प्रकार दिया जाता है:

`B = μ₀ I_net / (2πr)`

यहाँ, `r = 10 cm = 0.1 m` और `μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A`।

`B = (4π × 10⁻⁷ T·m/A × 37 A) / (2π × 0.1 m)`

`B = (2 × 10⁻⁷ × 37) / 0.1 = 74 × 10⁻⁷ T = 7.4 × 10⁻⁶ T`

अतः, केबल से 10 cm की दूरी पर चुंबकीय क्षेत्र का परिमाण 7.4 × 10⁻⁶ T है। (ग) एक चुंबकीय क्षेत्र में गतिमान आवेश पर लगने वाला चुंबकीय बल (लोरेंत्ज़ बल) `F = q(v × B)` द्वारा दिया जाता है। इसका परिमाण `F = |q|vBsinθ` है, जहाँ `θ` वेग `v` और चुंबकीय क्षेत्र `B` के बीच का कोण है।

अधिकतम बल तब लगता है जब `sinθ = 1` (यानी, `θ = 90°`)।

दिए गए मान हैं:

इलेक्ट्रॉन का आवेश, `|q| = e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C`

इलेक्ट्रॉन की चाल, `v = 1.0 × 10⁵ m/s`

चुंबकीय क्षेत्र, `B = 1.0 × 10⁻⁷ T`

अधिकतम बल का परिमाण होगा:

`F_max = |q|vB = (1.6 × 10⁻¹⁹ C) × (1.0 × 10⁵ m/s) × (1.0 × 10⁻⁷ T)`

`F_max = 1.6 × 10⁻¹⁹⁺⁵⁻⁷ N = 1.6 × 10⁻²¹ N`

अतः, इलेक्ट्रॉन पर लगने वाले चुंबकीय बल का परिमाण 1.6 × 10⁻²¹ N है। (घ)

मैक्सवेल के समीकरण (अवकल रूप में):

निर्वात् में (मुक्त आवेशों और धाराओं के बिना) मैक्सवेल के चार समीकरण हैं:

  1. गॉस का विद्युत का नियम: `∇ · E = 0`
  2. गॉस का चुंबकत्व का नियम: `∇ · B = 0`
  3. फैराडे का प्रेरण का नियम: `∇ × E = -∂B/∂t`
  4. एम्पीयर-मैक्सवेल नियम: `∇ × B = μ₀ε₀ ∂E/∂t`

B क्षेत्र के लिए तरंग समीकरण की व्युत्पत्ति:

1. एम्पीयर-मैक्सवेल नियम का कर्ल लें: `∇ × (∇ × B) = ∇ × (μ₀ε₀ ∂E/∂t) = μ₀ε₀ ∂/∂t (∇ × E)`।

2. सदिश सर्वसमिका `∇ × (∇ × B) = ∇(∇ · B) – ∇²B` का उपयोग करें।

3. गॉस के चुंबकत्व के नियम (`∇ · B = 0`) से, यह `∇ × (∇ × B) = -∇²B` हो जाता है।

4. फैराडे के नियम (`∇ × E = -∂B/∂t`) को चरण 1 के समीकरण के दाहिने पक्ष में प्रतिस्थापित करें: `μ₀ε₀ ∂/∂t (-∂B/∂t) = -μ₀ε₀ ∂²B/∂t²`।

5. चरण 3 और 4 के परिणामों की बराबरी करें: `-∇²B = -μ₀ε₀ ∂²B/∂t²`।

`∇²B = μ₀ε₀ ∂²B/∂t²`

यह B क्षेत्र के लिए तरंग समीकरण है, जिसे `∇²B = (1/c²) ∂²B/∂t²` के रूप में भी लिखा जा सकता है, जहाँ `c = 1/√(μ₀ε₀)`। (ङ) गॉस के नियम से, विद्युत अभिवाह `Φ = q_enclosed / ε₀`।

(i) शून्य अभिवाह: इसके लिए, `q_enclosed` शून्य होना चाहिए। हम उन आवेशों को परिबद्ध करने वाला एक गाउसीय पृष्ठ बना सकते हैं जिनका योग शून्य हो। उदाहरण के लिए, एक पृष्ठ जो `q` और `-q` को परिबद्ध करता है, या एक पृष्ठ जो `4q` और `-4q` को परिबद्ध करता है।

आरेख: एक सतह खींची जाती है जो आवेश `q` और `-q` को घेरती है।

कुल परिबद्ध आवेश = `q + (-q) = 0`। अतः, अभिवाह शून्य है।

(ii) अभिवाह q/ε₀: इसके लिए, `q_enclosed = q` होना चाहिए। चूंकि हमें कम से कम दो आवेशों को परिबद्ध करना है, हम ऐसा पृष्ठ बना सकते हैं जो `4q`, `-4q` और `q` आवेशों को परिबद्ध करे।

आरेख: एक सतह खींची जाती है जो आवेश `4q`, `-4q` और `q` को घेरती है।

कुल परिबद्ध आवेश = `4q + (-4q) + q = q`। अतः, अभिवाह `q/ε₀` है। (च) एक परीक्षण आवेश `q_test` को बिंदु B से बिंदु A तक लाने में किया गया कार्य `W = q_test (V_A – V_B)` होता है।

दिए गए मान:

स्रोत आवेश, `q_source = 2.0 μC = 2.0 × 10⁻⁶ C`

परीक्षण आवेश, `q_test = 1.0 μC = 1.0 × 10⁻⁶ C`

बिंदु A की दूरी, `r_A = 10 cm = 0.1 m`

बिंदु B की दूरी, `r_B = 50 cm = 0.5 m`

विभव `V = k * q_source / r`, जहाँ `k = 9 × 10⁹ N·m²/C²`।

`V_A = (9 × 10⁹ × 2.0 × 10⁻⁶) / 0.1 = 18 × 10³ / 0.1 = 1.8 × 10⁵ V`

`V_B = (9 × 10⁹ × 2.0 × 10⁻⁶) / 0.5 = 18 × 10³ / 0.5 = 0.36 × 10⁵ V`

कार्य `W` की गणना करें:

`W = (1.0 × 10⁻⁶ C) × (1.8 × 10⁵ V – 0.36 × 10⁵ V)`

`W = 1.0 × 10⁻⁶ × (1.44 × 10⁵) J = 0.144 J`

अतः, किया गया कार्य 0.144 जूल है। (छ) डाइवर्जेन्स प्रमेय के अनुसार, एक बंद पृष्ठ `S` पर सदिश क्षेत्र `F` का अभिवाह `Φ = ∬_S F · dS = ∭_V (∇ · F) dV` होता है।

दिया गया सदिश क्षेत्र: `F = z²î + 4yĵ – x²k̂`।

`F` का डाइवर्जेन्स (`∇ · F`) है:

`∇ · F = ∂/∂x(z²) + ∂/∂y(4y) + ∂/∂z(-x²) = 0 + 4 + 0 = 4`

अभिवाह है:

`Φ = ∭_V (4) dV = 4 ∭_V dV`

`∭_V dV` गोले का आयतन है। दिया है कि त्रिज्या 1 इकाई है।

गोले का आयतन, `V = (4/3)πr³ = (4/3)π(1)³ = 4π/3`

`Φ = 4 × (4π/3) = 16π/3`

अतः, गोले पर अभिवाह 16π/3 है। (ज) एक केन्द्रीय बल क्षेत्र का रूप `F = f(r)r̂` होता है, जहाँ `r = |r|` और `r̂ = r/r`।

`r = xî + yĵ + zk̂` और `r = √(x² + y² + z²)`।

`F = f(r) * (xî + yĵ + zk̂) / r`।

माना `g(r) = f(r)/r`, तो `F = g(r)x î + g(r)y ĵ + g(r)z k̂`।

हमें `∇ × F` की गणना करनी है। `∇ × F` का x-घटक है:

`(∇ × F)ₓ = ∂/∂y(Fz) – ∂/∂z(Fy) = ∂/∂y(g(r)z) – ∂/∂z(g(r)y)`

शृंखला नियम का उपयोग करते हुए: `∂(g(r))/∂y = (dg/dr)(∂r/∂y) = g'(r)(y/r)`।

`(∇ × F)ₓ = z g'(r)(y/r) – y g'(r)(z/r) = (zy/r)g'(r) – (yz/r)g'(r) = 0`

समरूपता से, y-घटक और z-घटक भी शून्य होंगे।

`(∇ × F)ᵧ = ∂/∂z(Fx) – ∂/∂x(Fz) = 0`

`(∇ × F)₂ = ∂/∂x(Fy) – ∂/∂y(Fx) = 0`

अतः, किसी भी केंद्रीय बल क्षेत्र के लिए, `∇ × F = 0`। इसका अर्थ है कि केंद्रीय बल क्षेत्र हमेशा अघूर्णी (irrotational) और संरक्षी (conservative) होते हैं।

Q3. किसी एक भाग का उत्तर दीजिए : 1×10=10 (क) त्रिज्या R वाले एकसमान आवेशित अचालक गोले के कारण उसके केन्द्र से दूरी r(<R) पर स्थित बिन्दु P पर विद्युत-विभव V निर्धारित करें। (ख) बायो-सावर्ट का नियम बताइए। एक वृत्ताकार धारा-लूप जिसमें धारा I प्रवाहित हो रही है, के अक्ष के अनुदिश दूरी R पर स्थित बिन्दु P पर चुंबकीय क्षेत्र B निर्धारित कीजिए।

Ans.

(क) हम एक अचालक गोले पर विचार करते हैं जिसकी त्रिज्या `R` और कुल आवेश `Q` है, जो इसके आयतन में समान रूप से वितरित है।

आवेश घनत्व `ρ = Q / ((4/3)πR³)`।

विभव `V` की गणना के लिए, हमें पहले विद्युत क्षेत्र `E` की आवश्यकता है। गॉस के नियम का उपयोग करके, हम गोले के अंदर और बाहर विद्युत क्षेत्र पाते हैं:

  • गोले के बाहर (`r > R`): `E_out = (1 / 4πε₀) * (Q / r²)`
  • गोले के अंदर (`r < R`): `E_in = (1 / 4πε₀) * (Qr / R³)`

विभव `V` को `V(r) = -∫ E · dr` के रूप में परिभाषित किया गया है। हम संदर्भ बिंदु `V(∞)=0` लेते हैं। गोले के अंदर (`r < R`) एक बिंदु पर विभव की गणना के लिए, हम आवेश को अनंत से उस बिंदु तक लाने में किए गए कार्य को एकीकृत करते हैं, जिसे दो भागों में विभाजित किया जा सकता है:

`V(r) = – ∫[from ∞ to R] E_out dr – ∫[from R to r] E_in dr`

पहला समाकलन सतह पर विभव `V(R)` देता है:

`V(R) = – ∫[from ∞ to R] (kQ/r²) dr = [-(-kQ/r)] from ∞ to R = kQ/R` (जहाँ `k = 1/4πε₀`)

अब, हम दूसरे भाग का समाकलन करते हैं:

`-∫[from R to r] E_in dr = -∫[from R to r] (kQr/R³) dr`

`= -(kQ/R³) [r²/2] from R to r`

`= -(kQ/R³) (r²/2 – R²/2) = -kQr²/(2R³) + kQR²/(2R³)`

`= -kQr²/(2R³) + kQ/(2R)`

अतः, अंदर किसी बिंदु `r` पर कुल विभव है:

`V(r) = V(R) – ∫[from R to r] E_in dr`

`V(r) = kQ/R + [-kQr²/(2R³) + kQ/(2R)]`

`V(r) = (3kQ/2R) – (kQr² / 2R³)`

`k` और `ρ` के मानों को प्रतिस्थापित करने पर, इसे इस रूप में भी लिखा जा सकता है:

`V(r) = (kQ / 2R³) * (3R² – r²)`

या

`V(r) = (Q / 8πε₀R³) * (3R² – r²)`

यह त्रिज्या `R` वाले एकसमान आवेशित अचालक गोले के केंद्र से `r` दूरी पर स्थित बिंदु पर विद्युत विभव का व्यंजक है। (ख)

बायो-सावर्ट का नियम:

बायो-सावर्ट का नियम एक समीकरण है जो एक स्थिर विद्युत धारा द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र का वर्णन करता है। यह बताता है कि किसी धारावाही तार के एक छोटे अवयव `dl` के कारण, अवयव से `r` दूरी पर स्थित बिंदु P पर उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र `dB` का मान निम्न होता है:

`dB = (μ₀ / 4π) * (I dl × r̂) / r²`

जहाँ:

  • `μ₀` निर्वात की चुंबकशीलता है।
  • `I` तार में प्रवाहित धारा है।
  • `dl` धारा अवयव का सदिश है, जिसकी दिशा धारा की दिशा में होती है।
  • `r` धारा अवयव से बिंदु P तक की दूरी है।
  • `r̂` धारा अवयव से बिंदु P की ओर इंगित करने वाला एकक सदिश है।

`dB` की दिशा `dl` और `r̂` दोनों के लंबवत होती है, जो दाहिने हाथ के नियम द्वारा दी जाती है। एक वृत्ताकार धारा-लूप के अक्ष पर चुंबकीय क्षेत्र:

मान लीजिए कि हमारे पास `a` त्रिज्या का एक वृत्ताकार लूप है जिसमें `I` धारा प्रवाहित हो रही है। हमें लूप के केंद्र से `R` दूरी पर उसके अक्ष पर स्थित बिंदु P पर चुंबकीय क्षेत्र `B` ज्ञात करना है।

1. लूप पर एक छोटा धारा अवयव `dl` पर विचार करें। इस अवयव से बिंदु P की दूरी `r = √(a² + R²)` है।

2. बायो-सावर्ट के नियम के अनुसार, इस अवयव के कारण P पर चुंबकीय क्षेत्र `dB` का परिमाण है:

`dB = (μ₀ / 4π) (I dl / r²) = (μ₀ / 4π) (I dl / (a² + R²))`।

3. `dB` की दिशा `dl` और `r` सदिश दोनों के लंबवत होती है। हम `dB` को दो घटकों में वियोजित कर सकते हैं: एक अक्ष के अनुदिश (`dB_axial`) और एक अक्ष के लंबवत (`dB_perp`)।

4. समरूपता के कारण, लूप पर प्रत्येक `dl` के लिए, एक व्यासीय विपरीत अवयव होता है जिसका लंबवत घटक (`dB_perp`) पहले वाले को निरस्त कर देता है। इसलिए, सभी लंबवत घटक रद्द हो जाते हैं।

5. केवल अक्षीय घटक (`dB_axial`) जुड़ते हैं। यदि `θ` अक्ष और `r` सदिश के बीच का कोण है, तो `dB_axial = dB sin(θ)`। त्रिभुज से, `sin(θ) = a / r = a / √(a² + R²)`।

`dB_axial = [(μ₀ / 4π) (I dl / (a² + R²))] [a / √(a² + R²)]`

`dB_axial = (μ₀ I a / 4π) * (dl / (a² + R²)^(3/2))`

6. कुल चुंबकीय क्षेत्र `B` प्राप्त करने के लिए, हम पूरे लूप पर `dB_axial` का समाकलन करते हैं:

`B = ∫ dB_axial = ∫ (μ₀ I a / (4π(a² + R²)^(3/2))) dl`

चूंकि `μ₀, I, a, R` नियत हैं, वे समाकलन से बाहर आ जाते हैं:

`B = (μ₀ I a / (4π(a² + R²)^(3/2))) ∫ dl`

`∫dl` लूप की परिधि है, जो `2πa` के बराबर है।

`B = (μ₀ I a / (4π(a² + R²)^(3/2))) * (2πa)`

`B = (μ₀ I a²) / (2(a² + R²)^(3/2))` यह एक वृत्ताकार धारा-लूप के अक्ष पर स्थित बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र का व्यंजक है। इसकी दिशा दाहिने हाथ के अंगूठे के नियम द्वारा निर्धारित की जाती है।

IGNOU BPHCT-133 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. Answer any five parts : 5×3=15 (a) Determine the unit vector normal to the curve : x³y⁴ + 6y² = x at the point (1, 0). (b) Calculate the work done by a force field F = xyî + y²ĵ in moving an object along the curve y=x² in the xy-plane from (0,0) to (1,1). (c) A point charge is enclosed by a spherical Gaussian surface. Would the electric flux through the surface change (i) if the Gaussian surface is chosen to be a closed cylinder or a cube ? (ii) if the charge is moved outside the Gaussian surface ? (iii) if another charge is placed inside the Gaussian surface ? (d) The electric field of an electromagnetic wave in vacuum is given by: Eₓ = 0, Eᵧ = 30cos(π/3 x – 2π×10⁶t), E₂=0 where Eᵧ is in Vm⁻¹, t in s and x in m. Determine the frequency, wavelength, the direction of propagation of the wave and the direction of the associated magnetic field. (e) Two point charges +q and -2q are placed along a straight line at a distance of 9 m from each other. Determine the distance of a point from the charge +q between the two charges where the electric potential is zero. (f) A thin dielectric rod of cross-section A extends along the x-axis from x=0 to x=L. The polarization of the rod is along its length and is given by P = (ax² + b)î. Obtain the bound volume charge density and the surface charge density at each end of the rod. (g) A long cylindrical wire of radius R carries a steady current i which is uniformly distributed over its cross-sectional area. Determine the magnetic field at a distance r(<R) from the axis of the wire. (h) Obtain the maximum value of the displacement current in a parallel plate capacitor made up of plates of area A. The electric field between the plates is given by E = E₀ sin(ωt).

Ans. (a) The curve is defined by the equation `f(x, y) = x³y⁴ + 6y² – x = 0`. The vector normal to the curve at any point (x, y) is given by the gradient of the scalar function `f(x, y)`, which is `∇f`. `∇f = (∂f/∂x)î + (∂f/∂y)ĵ` Here, `∂f/∂x = 3x²y⁴ – 1` and `∂f/∂y = 4x³y³ + 12y`. At the point (1, 0): `∂f/∂x` at (1,0) = `3(1)²(0)⁴ – 1 = -1` `∂f/∂y` at (1,0) = `4(1)³(0)³ + 12(0) = 0` So, the normal vector `N` at (1, 0) is `∇f = -1î + 0ĵ = -î`. The unit vector normal `n̂` is calculated as: `n̂ = N / |N| = (-î) / √((-1)² + 0²) = -î / 1 = -î` Therefore, the unit vector normal at the point (1, 0) is -î .

(b) The work done `W` by the force field `F = xyî + y²ĵ` is given by the line integral `W = ∫ F · dr`. The curve is `y = x²`, so `dy = 2x dx`. The displacement vector is `dr = dx î + dy ĵ = dx î + 2x dx ĵ`. `F · dr = (xyî + y²ĵ) · (dx î + 2x dx ĵ) = (xy + 2xy²) dx` Now, substituting the curve’s equation `y = x²` into the expression: `F · dr = (x(x²) + 2x(x²)²) dx = (x³ + 2x⁵) dx` To find the work done, we integrate from x=0 to x=1: `W = ∫₀¹ (x³ + 2x⁵) dx = [x⁴/4 + 2x⁶/6]₀¹` `W = [x⁴/4 + x⁶/3]₀¹ = (1⁴/4 + 1⁶/3) – (0) = 1/4 + 1/3 = (3+4)/12 = 7/12` Thus, the work done is 7/12 Joules.

(c) According to Gauss’s Law, the total electric flux through a closed surface is `Φ = q_enclosed / ε₀`, where `q_enclosed` is the total charge enclosed by the surface.

  • (i) No, the electric flux would not change. Gauss’s Law states that the flux depends only on the amount of charge enclosed , not on the size or shape of the Gaussian surface. Therefore, the flux remains the same whether the surface is a sphere, cylinder, or cube.
  • (ii) Yes, the electric flux would change. If the charge is moved outside the Gaussian surface, the enclosed charge `q_enclosed` becomes zero. Therefore, the flux through the surface will become zero .
  • (iii) Yes, the electric flux would change. If another charge is placed inside the Gaussian surface, the total enclosed charge `q_enclosed` will change. Consequently, the total electric flux through the surface will also change.

(d) Comparing the given electric field `Eᵧ = 30cos(π/3 x – 2π×10⁶t)` with the standard wave equation `E = E₀cos(kx – ωt)`: We have `k = π/3 rad/m` and `ω = 2π × 10⁶ rad/s`.

  • Frequency (f): `ω = 2πf` ⇒ `f = ω / 2π = (2π × 10⁶) / 2π = 10⁶ Hz` or 1 MHz.
  • Wavelength (λ): `k = 2π/λ` ⇒ `λ = 2π / k = 2π / (π/3) = 6 m`.
  • Direction of propagation: The argument is of the form `(kx – ωt)`, which indicates the wave is propagating in the +x direction .
  • Direction of magnetic field: In an EM wave, `E`, `B`, and the direction of propagation `k` are mutually perpendicular. `E` is in the +y direction (`ĵ`) and propagation is in the +x direction (`î`). From the relation `k̂ ∝ Ê × B̂`, we have `î ∝ ĵ × B̂`. For this to be true, `B̂` must be in the +z direction (`k̂`).

(e) Let the point where the electric potential is zero be at a distance `x` from the charge `+q`. This point is between the two charges. The distance from the charge `-2q` will be `(9 – x)` meters. The total potential `V` at a point is the scalar sum of potentials due to each charge: `V = V₁ + V₂`. `V = k(+q)/x + k(-2q)/(9-x)` For zero potential, `V = 0`. `kq/x – 2kq/(9-x) = 0` `1/x = 2/(9-x)` `9 – x = 2x` `3x = 9` `x = 3` meters. Thus, the point is at a distance of 3 meters from the charge `+q`.

(f) The given polarization is `P = (ax² + b)î`. The bound volume charge density is given by `ρ_b = -∇ · P`. `ρ_b = – d/dx (ax² + b) = -2ax` So, the bound volume charge density `ρ_b = -2ax` . The bound surface charge density is given by `σ_b = P · n̂`, where `n̂` is the outward normal.

  • At the end `x=0`, the outward normal is `n̂ = -î`. `σ_b(x=0) = P(x=0) · (-î) = (a(0)² + b)î · (-î) = b(-1) = -b`.
  • At the end `x=L`, the outward normal is `n̂ = +î`. `σ_b(x=L) = P(x=L) · (+î) = (a(L)² + b)î · (+î) = aL² + b`.

Thus, the

surface charge densities are `σ_b(0) = -b`

and

`σ_b(L) = aL² + b`

at the respective ends.

(g) To find the magnetic field inside the wire (`r < R`), we use Ampere’s Law: `∮ B · dl = μ₀ I_enclosed`. We choose a circular Amperian loop of radius `r` concentric with the wire’s axis. `∮ B · dl = B * (2πr)` Since the current is uniformly distributed, the current density is `J = i / (πR²)`. The current enclosed within the radius `r`, `I_enclosed`, is: `I_enclosed = J × (Area of loop) = (i / πR²) × (πr²) = i(r²/R²)` Substituting into Ampere’s law: `B(2πr) = μ₀ * i(r²/R²)` `B = (μ₀ i r) / (2πR²)` Thus, the magnetic field inside the wire is `B = (μ₀ i r) / (2πR²)` , which increases linearly with the distance `r` from the axis.

(h) The displacement current is given by `I_d = ε₀ (dΦ_E / dt)`, where `Φ_E` is the electric flux. For a parallel plate capacitor, the electric field `E` is assumed to be uniform between the plates. `Φ_E = E · A = E A` (since E and A are parallel). Given `E = E₀ sin(ωt)`. So, `Φ_E = (E₀ sin(ωt)) A = E₀A sin(ωt)`. Now, calculate `I_d`: `I_d = ε₀ d/dt (E₀A sin(ωt)) = ε₀ E₀ A d/dt(sin(ωt))` `I_d = ε₀ E₀ A ω cos(ωt)` The maximum value of the displacement current occurs when `cos(ωt)` is maximum, which is 1. Therefore, the maximum displacement current is: `I_d(max) = ε₀ E₀ A ω` .

Q2. Answer any five parts : 5×5=25 (a) An AC generator consists of 20 turns square wire coil of side 50 cm. The coil is turned at 50 revolutions per second to produce the standard 50 Hz alternating current produced in the country. What must the magnitude of the magnetic field be for the peak output voltage of the generator to be 300 V ? (b) Five very long straight insulated wires are closely bound together to form a small cable. Currents carried by the wires are i₁=20A, i₂=-6A, i₃=12A, i₄=-7A and i₅=18A (negative currents are opposite in direction to the positive). Calculate the magnitude of B at a distance of 10 cm from the cable. (c) Calculate the magnitude of the magnetic force exerted by Earth’s magnetic field B = 1.0×10⁻⁷ T on an electron moving with speed 1.0×10⁵ ms⁻¹ near the Earth’s surface. (d) Write Maxwell’s equations in differential form. Derive the wave equation for B field. (e) Consider a system of four charges : 4q, q, -4q and -q. Draw a Gaussian surface enclosing at least two charges of the system so that the net electric flux through it is (i) zero, (ii) q/ε₀. (f) A charge of 2.0μC is kept at the origin and points A and B are located along the x-axis at a distance of 10 cm and 50 cm from the origin. Calculate the work done in bringing a charge of 1.0μC from point B to A. (g) Using the Divergence Theorem, calculate the flux of a vector field : F = z²î + 4yĵ – x²k̂ over a sphere of radius 1 unit. (h) A central force field is a force field of the form F = f(r)r̂. Determine ∇ × F.

Ans. (a) Given values are: Number of turns, `N = 20` Side of the coil, `l = 50 cm = 0.5 m` Area of the coil, `A = l² = (0.5)² = 0.25 m²` Frequency, `f = 50 Hz` Angular frequency, `ω = 2πf = 2π(50) = 100π rad/s` Peak voltage, `ε_max = 300 V` The formula for the peak voltage (emf) in an AC generator is: `ε_max = N A B ω` We need to find the magnitude of the magnetic field, B: `B = ε_max / (N A ω)` `B = 300 / (20 × 0.25 × 100π) = 300 / (5 × 100π) = 300 / (500π)` `B = 3 / (5π) ≈ 3 / (5 × 3.14159) ≈ 0.191 T` Thus, the magnitude of the required magnetic field is approximately 0.191 Tesla .

(b) By Ampere’s law, for a point outside the closely bound cable, the magnetic field is the same as that of a single wire carrying the net current. First, calculate the net current `I_net`: `I_net = i₁ + i₂ + i₃ + i₄ + i₅ = 20 – 6 + 12 – 7 + 18 = 37 A` The magnitude of the magnetic field `B` at a distance `r` from a long, straight wire is given by: `B = μ₀ I_net / (2πr)` Here, `r = 10 cm = 0.1 m` and `μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A`. `B = (4π × 10⁻⁷ T·m/A × 37 A) / (2π × 0.1 m)` `B = (2 × 10⁻⁷ × 37) / 0.1 = 74 × 10⁻⁷ T = 7.4 × 10⁻⁶ T` The magnitude of the magnetic field at 10 cm from the cable is 7.4 × 10⁻⁶ T .

(c) The magnetic force (Lorentz force) on a moving charge in a magnetic field is `F = q(v × B)`. Its magnitude is `F = |q|vBsinθ`, where `θ` is the angle between the velocity `v` and the magnetic field `B`. The maximum force occurs when `sinθ = 1` (i.e., `θ = 90°`). Given values: Charge of electron, `|q| = e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C` Speed of electron, `v = 1.0 × 10⁵ m/s` Magnetic field, `B = 1.0 × 10⁻⁷ T` The magnitude of the maximum force will be: `F_max = |q|vB = (1.6 × 10⁻¹⁹ C) × (1.0 × 10⁵ m/s) × (1.0 × 10⁻⁷ T)` `F_max = 1.6 × 10⁻¹⁹⁺⁵⁻⁷ N = 1.6 × 10⁻²¹ N` Thus, the magnitude of the magnetic force on the electron is 1.6 × 10⁻²¹ N .

(d) Maxwell’s Equations (Differential Form): In vacuum (with no free charges or currents), the four Maxwell’s equations are:

  1. Gauss’s Law for Electricity: `∇ · E = 0`
  2. Gauss’s Law for Magnetism: `∇ · B = 0`
  3. Faraday’s Law of Induction: `∇ × E = -∂B/∂t`
  4. Ampere-Maxwell Law: `∇ × B = μ₀ε₀ ∂E/∂t`


Derivation of Wave Equation for B-field:

1. Take the curl of the Ampere-Maxwell Law: `∇ × (∇ × B) = ∇ × (μ₀ε₀ ∂E/∂t) = μ₀ε₀ ∂/∂t (∇ × E)`.

2. Use the vector identity `∇ × (∇ × B) = ∇(∇ · B) – ∇²B`.

3. From Gauss’s Law for Magnetism (`∇ · B = 0`), this simplifies to `∇ × (∇ × B) = -∇²B`.

4. Substitute Faraday’s Law (`∇ × E = -∂B/∂t`) into the right side of the equation from step 1: `μ₀ε₀ ∂/∂t (-∂B/∂t) = -μ₀ε₀ ∂²B/∂t²`.

5. Equate the results from steps 3 and 4: `-∇²B = -μ₀ε₀ ∂²B/∂t²`.

`∇²B = μ₀ε₀ ∂²B/∂t²`

This is the

wave equation

for the B-field, which can also be written as `∇²B = (1/c²) ∂²B/∂t²` where `c = 1/√(μ₀ε₀)`.

(e) From Gauss’s Law, the electric flux is `Φ = q_enclosed / ε₀`. (i) Zero Flux: For this, `q_enclosed` must be zero. We can draw a Gaussian surface that encloses charges that sum to zero. For example, a surface enclosing `q` and `-q`, or a surface enclosing `4q` and `-4q`. Diagram: A surface is drawn enclosing the charges `q` and `-q`. Total enclosed charge = `q + (-q) = 0`. Thus, the flux is zero. (ii) Flux q/ε₀: For this, `q_enclosed = q`. Since we must enclose at least two charges, we can draw a surface that encloses the charges `4q`, `-4q`, and `q`. Diagram: A surface is drawn enclosing the charges `4q`, `-4q`, and `q`. Total enclosed charge = `4q + (-4q) + q = q`. Thus, the flux is `q/ε₀`.

(f) The work done in moving a test charge `q_test` from point B to point A is `W = q_test (V_A – V_B)`. Given values: Source charge, `q_source = 2.0 μC = 2.0 × 10⁻⁶ C` Test charge, `q_test = 1.0 μC = 1.0 × 10⁻⁶ C` Distance to point A, `r_A = 10 cm = 0.1 m` Distance to point B, `r_B = 50 cm = 0.5 m` The potential `V = k * q_source / r`, where `k = 9 × 10⁹ N·m²/C²`. `V_A = (9 × 10⁹ × 2.0 × 10⁻⁶) / 0.1 = 18 × 10³ / 0.1 = 1.8 × 10⁵ V` `V_B = (9 × 10⁹ × 2.0 × 10⁻⁶) / 0.5 = 18 × 10³ / 0.5 = 0.36 × 10⁵ V` Calculate the work done `W`: `W = (1.0 × 10⁻⁶ C) × (1.8 × 10⁵ V – 0.36 × 10⁵ V)` `W = 1.0 × 10⁻⁶ × (1.44 × 10⁵) J = 0.144 J` Therefore, the work done is 0.144 J .

(g) The Divergence Theorem states that the flux `Φ` of a vector field `F` through a closed surface `S` is equal to the volume integral of the divergence of `F` over the volume `V` enclosed by the surface: `Φ = ∬_S F · dS = ∭_V (∇ · F) dV`. Given vector field: `F = z²î + 4yĵ – x²k̂`. The divergence of `F` is: `∇ · F = ∂/∂x(z²) + ∂/∂y(4y) + ∂/∂z(-x²) = 0 + 4 + 0 = 4` The flux is: `Φ = ∭_V (4) dV = 4 ∭_V dV` The integral `∭_V dV` is the volume of the sphere. Given the radius is 1 unit. Volume of sphere, `V = (4/3)πr³ = (4/3)π(1)³ = 4π/3` `Φ = 4 × (4π/3) = 16π/3` Thus, the flux over the sphere is 16π/3 .

(h) A central force field has the form `F = f(r)r̂`, where `r = |r|` and `r̂ = r/r`. We can write `r = xî + yĵ + zk̂` and `r = √(x² + y² + z²)`. `F = f(r) * (xî + yĵ + zk̂) / r`. Let `g(r) = f(r)/r`, so `F = g(r)x î + g(r)y ĵ + g(r)z k̂`. We need to calculate `∇ × F`. The x-component of the curl is: `(∇ × F)ₓ = ∂/∂y(Fz) – ∂/∂z(Fy) = ∂/∂y(g(r)z) – ∂/∂z(g(r)y)` Using the chain rule: `∂(g(r))/∂y = (dg/dr)(∂r/∂y) = g'(r)(y/r)`. `(∇ × F)ₓ = z g'(r)(y/r) – y g'(r)(z/r) = (zy/r)g'(r) – (yz/r)g'(r) = 0` By symmetry, the y and z components will also be zero. `(∇ × F)ᵧ = ∂/∂z(Fx) – ∂/∂x(Fz) = 0` `(∇ × F)₂ = ∂/∂x(Fy) – ∂/∂y(Fx) = 0` Therefore, for any central force field, `∇ × F = 0`. This means that central force fields are always irrotational and therefore conservative .

Q3. Answer any one part: 1×10=10 (a) Determine the electric potential V of a uniformly charged non-conducting sphere of radius R at a point P located at a distance ‘r’ from the centre of the sphere (r<R). (b) State Biot-Savart’s law. Determine the magnetic field B at a point P located at a distance R along the axis of a circular current loop carrying a current I.

Ans. (a) We consider a non-conducting sphere of radius `R` and total charge `Q` uniformly distributed throughout its volume. The charge density is `ρ = Q / ((4/3)πR³)`. To find the potential `V`, we first need the electric field `E`. Using Gauss’s law, we find the electric field inside and outside the sphere:

  • Outside the sphere (`r > R`): `E_out = (1 / 4πε₀) * (Q / r²)`
  • Inside the sphere (`r < R`): `E_in = (1 / 4πε₀) * (Qr / R³)`

The potential `V` is defined as `V(r) = -∫ E · dr`. We take the reference point `V(∞)=0`. To find the potential at a point inside the sphere (`r < R`), we integrate the work done in bringing a charge from infinity to that point, which can be split into two parts:

`V(r) = – ∫[from ∞ to R] E_out dr – ∫[from R to r] E_in dr`

The first integral gives the potential at the surface, `V(R)`:

`V(R) = – ∫[from ∞ to R] (kQ/r²) dr = [-(-kQ/r)] from ∞ to R = kQ/R` (where `k = 1/4πε₀`)

Now, we integrate the second part:

`-∫[from R to r] E_in dr = -∫[from R to r] (kQr/R³) dr`

`= -(kQ/R³) [r²/2] from R to r`

`= -(kQ/R³) (r²/2 – R²/2) = -kQr²/(2R³) + kQR²/(2R³)`

`= -kQr²/(2R³) + kQ/(2R)`

So the total potential at a point `r` inside is:

`V(r) = V(R) – ∫[from R to r] E_in dr`

`V(r) = kQ/R + [-kQr²/(2R³) + kQ/(2R)]`

`V(r) = (3kQ/2R) – (kQr² / 2R³)`

This can be rewritten as:

`V(r) = (kQ / 2R³) * (3R² – r²)`

Or

`V(r) = (Q / 8πε₀R³) * (3R² – r²)`

This is the expression for the

electric potential

at a point at distance `r` from the center of a uniformly charged non-conducting sphere of radius `R`.

(b) Biot-Savart’s Law: Biot-Savart’s law is an equation that describes the magnetic field generated by a constant electric current. It states that the magnetic field `dB` produced by an infinitesimal current element `Idl` at a point P, located at a position vector `r` from the element, is given by: `dB = (μ₀ / 4π) * (I dl × r̂) / r²` where:

  • `μ₀` is the permeability of free space.
  • `I` is the current in the wire.
  • `dl` is the vector of the current element, with its direction being the direction of the current.
  • `r` is the distance from the current element to the point P.
  • `r̂` is the unit vector pointing from the current element to the point P.

The direction of `dB` is perpendicular to both `dl` and `r̂`, given by the right-hand rule.

Magnetic Field on the Axis of a Circular Current Loop: Consider a circular loop of radius `a` carrying a current `I`. We want to find the magnetic field `B` at a point P on the axis of the loop, at a distance `R` from the center. 1. Consider a small current element `dl` on the loop. The distance from this element to point P is `r = √(a² + R²)`. 2. According to the Biot-Savart law, the magnitude of the magnetic field `dB` at P due to this element is: `dB = (μ₀ / 4π) (I dl / r²) = (μ₀ / 4π) (I dl / (a² + R²))`। 3. The direction of `dB` is perpendicular to both the `dl` vector and the vector `r`. We can resolve `dB` into two components: one along the axis (`dB_axial`) and one perpendicular to the axis (`dB_perp`). 4. By symmetry, for every `dl` on the loop, there is a diametrically opposite element whose perpendicular component (`dB_perp`) cancels the first one. Therefore, all perpendicular components cancel out. 5. Only the axial components (`dB_axial`) add up. If `θ` is the angle between the axis and the vector `r`, then `dB_axial = dB sin(θ)`. From the geometry, `sin(θ) = a / r = a / √(a² + R²)`. `dB_axial = [(μ₀ / 4π) (I dl / (a² + R²))] [a / √(a² + R²)]` `dB_axial = (μ₀ I a / 4π) * (dl / (a² + R²)^(3/2))` 6. To get the total magnetic field `B`, we integrate `dB_axial` over the entire loop: `B = ∫ dB_axial = ∫ (μ₀ I a / (4π(a² + R²)^(3/2))) dl` Since `μ₀, I, a, R` are constants, they come out of the integral: `B = (μ₀ I a / (4π(a² + R²)^(3/2))) ∫ dl` The integral `∫dl` is the circumference of the loop, which is `2πa`. `B = (μ₀ I a / (4π(a² + R²)^(3/2))) * (2πa)` `B = (μ₀ I a²) / (2(a² + R²)^(3/2))` This is the expression for the magnetic field at a point on the axis of a circular current loop. Its direction is along the axis, determined by the right-hand thumb rule.


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