0% found this document useful (0 votes)
81 views17 pages

Emtl - Unitiii

This document discusses Maxwell's equations for time-varying electric and magnetic fields. It begins by introducing Faraday's law of induction, which states that a changing magnetic field produces an electromotive force (emf) that causes current in a closed circuit. It then discusses how this law leads to Maxwell's equations, which describe how changing electric fields produce magnetic fields and vice versa. The document provides mathematical expressions of Faraday's law and Maxwell's equations. It also discusses the concepts of transformer emf and motional emf.

Uploaded by

Bindhu B
Copyright
© © All Rights Reserved
We take content rights seriously. If you suspect this is your content, claim it here.
Available Formats
Download as PDF, TXT or read online on Scribd
0% found this document useful (0 votes)
81 views17 pages

Emtl - Unitiii

This document discusses Maxwell's equations for time-varying electric and magnetic fields. It begins by introducing Faraday's law of induction, which states that a changing magnetic field produces an electromotive force (emf) that causes current in a closed circuit. It then discusses how this law leads to Maxwell's equations, which describe how changing electric fields produce magnetic fields and vice versa. The document provides mathematical expressions of Faraday's law and Maxwell's equations. It also discusses the concepts of transformer emf and motional emf.

Uploaded by

Bindhu B
Copyright
© © All Rights Reserved
We take content rights seriously. If you suspect this is your content, claim it here.
Available Formats
Download as PDF, TXT or read online on Scribd
You are on page 1/ 17

Smartzworld.

com

UNIT­III

Maxwell's equations (Time varying fields)

Faraday’s law, transformer emf &inconsistency of ampere’s law
Displacement current density
Maxwell’s equations in final form
Maxwell’s equations in word form
Boundary conditions: Dielectric to Dielectric& Dielectric to conductor 

m
. co
ld
or
w
tz
ar
Sm

Smartzworld.com
Smartzworld.com

Introduction:
In our study of static fields so far, we have observed that static electric fields are produced by 
electric charges, static magnetic fields are produced by charges in motion or by steady current. 
Further,  static  electric  field  is  a  conservative  field  and  has  no  curl,  the  static  magnetic  field  is 
continuous  and  its  divergence  is  zero.  The  fundamental  relationships  for  static  electric  fields 
among the field quantities can be summarized as:
                            (1)

                            (2)
For a linear and isotropic medium,
                                (3)

m
Similarly for the magnetostatic case

co
                                (4)
                            (5)

.
                                 (6) 
ld
or
It can be seen that for static case, the electric field vectors   and   and magnetic field 
vectors   and   form separate pairs.
w

In  this  chapter  we  will  consider  the  time  varying  scenario.  In  the  time  varying  case  we 
tz

will observe that a changing magnetic field will produce a changing electric field and vice versa. 
ar

We  begin  our  discussion  with  Faraday's  Law  of  electromagnetic  induction  and  then 
Sm

present the Maxwell's equations which form the foundation for the electromagnetic theory.
Faraday's Law of electromagnetic Induction
Michael  Faraday,  in  1831  discovered  experimentally  that  a  current  was  induced  in  a 
conducting loop when the magnetic flux linking the loop changed. In terms of fields, we can say 
that a time varying magnetic field produces an electromotive force (emf) which causes a current 
in  a  closed  circuit.  The  quantitative  relation  between  the  induced  emf  (the  voltage  that  arises 
from conductors moving in a magnetic field or from changing magnetic fields) and the rate of 
change of flux linkage developed based on experimental observation is known as Faraday's law. 

Mathematically,  the  induced  emf  can  be  written  as                                                  Emf  =          Volts                                 
(7) 

Smartzworld.com
Smartzworld.com

where   is the flux linkage over the closed path.

A non zero    may result due to any of the following: 
(a) time changing flux linkage a stationary closed path.
(b) relative motion between a steady flux a closed path. 
(c) a combination of the above two cases.
The  negative  sign  in  equation  (7)  was  introduced  by  Lenz  in  order  to  comply  with  the 
polarity of the induced emf. The negative sign implies that the induced emf will cause a current 
flow  in  the  closed  loop  in  such  a  direction  so  as  to  oppose  the  change  in  the  linking  magnetic 
flux which produces it. (It may be noted that as far as the induced emf is concerned, the closed 

m
path forming a loop does not necessarily have to be conductive). 
If  the  closed  path  is  in  the  form  of  N  tightly  wound  turns  of  a  coil,  the  change  in  the 

co
magnetic flux linking the coil induces an emf in each turn of the coil and total emf is the sum of 
the induced emfs of the individual turns, i.e., 

.
ld
or
Emf =       Volts                                (8)
By defining the total flux linkage as 
w

                                         (9)
tz

The emf can be written as 
ar

Emf =                                   (10)
Sm

Continuing with equation (3), over a closed contour 'C' we can write

Emf =                               (11)
where   is the induced electric field on the conductor to sustain the current.
Further, total flux enclosed by the contour 'C ' is given by 

                                               (12)
Where S is the surface for which 'C' is the contour. 
From (11) and using (12) in (3) we can write

                         (13)

Smartzworld.com
Smartzworld.com

By applying stokes theorem

                         (14)
Therefore, we can write 

                                        (15)
which is the Faraday's law in the point form 

We have said that non zero  can be produced in a several ways. One particular case is when a 
time  varying  flux  linking  a  stationary  closed  path  induces  an  emf.  The  emf  induced  in  a 
stationary closed path by a time varying magnetic field is called a transformer emf .

m
Motional EMF: 

co
Let us consider a conductor moving in a steady magnetic field as shown in the fig 2.

.
ld
or
w

 
tz

Fig 2 
ar

If a charge Q moves in a magnetic field   , it experiences a force
Sm

                                         (16)
This force will cause the electrons in the conductor to drift towards one end and leave the other 
end positively charged, thus creating a field and charge separation continuous until electric and 
magnetic forces balance and an equilibrium is reached very quickly, the net force on the moving 
conductor is zero. 

  can  be  interpreted  as  an  induced  electric  field  which  is  called  the  motional  electric 
field 
                                    (17)
If the moving conductor is a part of the closed circuit C, the generated emf around the circuit is 

Smartzworld.com
Smartzworld.com

. This emf is called the motional emf.

m
. co
ld
or
w
tz
ar
Sm

Smartzworld.com
Smartzworld.com

Inconsistency of amperes law

m
co.
ld
or
w
tz
ar
Sm

Smartzworld.com
Smartzworld.com

m
co.
ld
or
w
tz
ar
Sm

Smartzworld.com
Smartzworld.com

m
co.
ld
or
w
tz
ar
Sm

Smartzworld.com
Smartzworld.com

m
co.
ld
or
w
tz
ar
Sm

Smartzworld.com
Smartzworld.com

Concept of displacementcurrent

m
co.
ld
or
w
tz
ar
Sm

Smartzworld.com
Smartzworld.com

m
co.
ld
or
w
tz
ar
Sm

Smartzworld.com
Smartzworld.com

m
Maxwell's Equation 

co
Equation (5.1) and (5.2) gives the relationship among the field quantities in the static field. For 
time varying case, the relationship among the field vectors written as

.
ld
                     (1)
or
                        …………..(2)
w

                            (3)
tz

                             (4)
ar

In addition, from the principle of conservation of charges we get the equation of continuity 
Sm

                                                                                   
The equation  must be consistent with equation of continuity
We observe that 
                                 (5)
Since    is zero for any vector   . 

Thus   applies only for the static case i.e., for the scenario when   .
A classic example for this is given below .
Suppose we are in the process of charging up a capacitor as shown in fig 3. 

Smartzworld.com
Fig 3
Let us apply the Ampere's Law for the Amperian loop shown in fig 3. Ienc = I is the total current 
passing through the loop. But if we draw a baloon shaped surface as in fig 5.3, no current passes 
through this surface and hence Ienc = 0. But for non steady currents such as this one, the concept 
of  current  enclosed  by  a  loop  is  ill­defined  since  it  depends  on  what  surface  you  use.  In  fact 
Ampere's  Law  should  also  hold  true  for  time  varying  case  as  well,  then  comes  the  idea  of 
displacement current which will be introduced in the next few slides.
We can write for time varying case,

………….(1)

…………….(2)

                                           …………  (3) 
The equation (3) is valid for static as well as for time varying case.Equation (3) indicates that a 

time varying electric field will give rise to a magnetic field even in the absence of The term   

has a dimension of current densities   and is called the displacement current density.

Introduction  of    in    equation  is  one  of  the  major  contributions  of  Jame's  Clerk 
Maxwell. The modified set of equations 

                              (4)
 
Smartzworld.com

 (5) 

                                   (6) 
                                  (7)

is known as the Maxwell's equation and this set of equations apply in the time varying scenario, 

static fields are being a particular case   .
In the integral form 

                                                (8)

              ………… (9)

                                  (10) 

                              (11) 
The modification of Ampere's law by Maxwell has led to the development of a unified 
electromagnetic  field  theory.  By  introducing  the  displacement  current  term,  Maxwell  could 
predict the propagation of EM waves. Existence of EM waves was later demonstrated by Hertz 
experimentally which led to the new era of radio communication.

Smartzworld.com
Smartzworld.com

Boundary Conditions for Electromagnetic fields 

The differential forms of Maxwell's equations are used to solve for the field vectors provided the 
field  quantities  are  single  valued,  bounded  and  continuous.  At  the  media  boundaries,  the  field 
vectors  are  discontinuous  and  their  behaviors  across  the  boundaries  are  governed  by  boundary 
conditions.  The  integral  equations(eqn  5.26)  are  assumed  to  hold  for  regions  containing 
discontinuous media.Boundary conditions can be derived by applying the Maxwell's equations in 
the integral form to small regions at the interface of the two media. The procedure is similar to 
those  used  for  obtaining  boundary  conditions  for  static  electric  fields  (chapter  2)  and  static 
magnetic fields (chapter 4). The boundary conditions are summarized as follows 
With reference to fig 5.3

Fig 5.4
We can says that tangential component of electric field is continuous across the interface while 
from  5.27  (c)  we  note  that  tangential  component  of  the  magnetic  field  is  discontinuous  by  an 
amount equal to the surface current density. Similarly 5 states that normal component of electric 
flux  density  vector    is  discontinuous  across  the  interface  by  an  amount  equal  to  the  surface 
current density while normal component of the magnetic flux density is continuous. 
If one side of the interface, as shown in fig 5.4, is a perfect electric conductor, say region 2, a 
surface current  can exist even though   is zero as .

Smartzworld.com
Smartzworld.com

Thus eqn 5  reduces to

Questions:

Smartzworld.com
Smartzworld.com

Bits:
1. 1 A field can exist if it satisfies all Maxwell’s equations 

2. Displacement current density is 
3. If  ,E=10.0V/m, the conduction current density is 20.0A/m2

4. The electric field in free space is 

5. If E=2V/m of a wave in free space, (H) is
6. The electric intensity, E at a point (1,2,2) due to (1/9)nC located at (0,0,0)is 0.33V/m
7. If E is a vector, then  is zero
8. The Maxwell equation   is due to non­existence of a mono pole
9. The electric field for time varying potentials
10. The intrinsic impedence of the medium whose  is 
11. The electric field just about a a conductor is always normal to the surface
12. The normal component of D are continuous ay dielectric boundary

13 The first Maxwell,s equation in free space is 
14.Maxwell,s equations gives relation b/w different fields

15.The boundary condition on H is 
16.If  mho/m, E=10.0V/m, the conduction current density is 20.0A/m2

17.The boundary condition on E is 
18.The wave length of a wave with propagation constant is    10m
19.The normal component of D are Continuous across a dielectric boundary
20.If Jc=1mA/m2  in a medium whose conductivity is  ,E is 0.1V/m

Smartzworld.com

You might also like