A parallel plate capacitor made of circular plates is being charged…

Question
A parallel plate capacitor made of circular plates is being charged such that the surface charge density on its plates is increasing at a constant rate with time. The magnetic field arising due to displacement current is:
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Question & Answer (English)

A parallel plate capacitor made of circular plates is being charged such that the surface charge density on its plates is increasing at a constant rate with time. The magnetic field arising due to displacement current is:
  1. Zero at all places
  2. Constant between the plates and zero outside the plates
  3. Non-zero everywhere with maximum at the imaginary cylindrical surface connecting peripheries of the plates — Correct Answer
  4. Zero between the plates and non-zero outside
Explanation:
Root Concept / Basics: Displacement Current and Ampere-Maxwell Law. Inside a charging capacitor, a changing electric field creates a displacement current density $J_d = \epsilon_0 \frac{dE}{dt}$. Using Ampere's law, $\oint B \cdot dl = \mu_0 I_{d,enc}$. Inside the plates, $B$ increases linearly with radial distance $r$. Outside the plates, it falls off as $1/r$.

Correct Answer: Non-zero everywhere with maximum at the imaginary cylindrical surface connecting peripheries of the plates

Step I: The electric field between the plates is $E = \frac{\sigma}{\epsilon_0}$. The rate of change of the electric field is $\frac{dE}{dt} = \frac{1}{\epsilon_0} \frac{d\sigma}{dt}$. Since $\sigma$ increases at a constant rate, $\frac{dE}{dt}$ is constant.
Step II: The displacement current density is $J_d = \epsilon_0 \frac{dE}{dt} = \frac{d\sigma}{dt}$, which is a constant across the area of the plates.
Step III: Apply Ampere-Maxwell Law for a circular loop of radius $r < R$ (inside plates): $B(2\pi r) = \mu_0 J_d (\pi r^2) \implies B = \frac{\mu_0 J_d}{2} r$. So, $B$ increases linearly from the center to the edge.
Step IV: Apply the law for $r \ge R$ (outside plates): $B(2\pi r) = \mu_0 J_d (\pi R^2) \implies B = \frac{\mu_0 J_d R^2}{2r}$. Here, $B$ decreases with distance.
Step V: The magnetic field is non-zero everywhere. It is maximum exactly at the edge (periphery) where $r = R$.

प्रश्न एवं उत्तर (हिंदी)

वृत्ताकार प्लेटों से बना एक समानांतर प्लेट संधारित्र इस प्रकार चार्ज किया जा रहा है कि इसकी प्लेटों पर सतही आवेश घनत्व (surface charge density) समय के साथ एक स्थिर दर से बढ़ रहा है। विस्थापन धारा (displacement current) के कारण उत्पन्न होने वाला चुंबकीय क्षेत्र है:
  1. सभी स्थानों पर शून्य
  2. प्लेटों के बीच स्थिर और प्लेटों के बाहर शून्य
  3. हर जगह गैर-शून्य, प्लेटों की परिधि को जोड़ने वाली काल्पनिक बेलनाकार सतह पर अधिकतम — सही उत्तर
  4. प्लेटों के बीच शून्य और बाहर गैर-शून्य
स्पष्टीकरण:
मूल अवधारणा (Root Concept): विस्थापन धारा (Displacement Current) और एम्पीयर-मैक्सवेल नियम। चार्जिंग कैपेसिटर के अंदर, बदलता हुआ विद्युत क्षेत्र एक विस्थापन धारा घनत्व $J_d = \epsilon_0 \frac{dE}{dt}$ बनाता है। एम्पीयर के नियम का उपयोग करते हुए, $\oint B \cdot dl = \mu_0 I_{d,enc}$। प्लेटों के अंदर, $B$ त्रिज्य दूरी (radial distance) $r$ के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है। प्लेटों के बाहर, यह $1/r$ के रूप में गिरता है।

सही उत्तर: हर जगह गैर-शून्य, प्लेटों की परिधि को जोड़ने वाली काल्पनिक बेलनाकार सतह पर अधिकतम

Step I: प्लेटों के बीच विद्युत क्षेत्र $E = \frac{\sigma}{\epsilon_0}$ है। विद्युत क्षेत्र के परिवर्तन की दर $\frac{dE}{dt} = \frac{1}{\epsilon_0} \frac{d\sigma}{dt}$ है। चूंकि $\sigma$ एक स्थिर दर से बढ़ता है, इसलिए $\frac{dE}{dt}$ स्थिर है।
Step II: विस्थापन धारा घनत्व $J_d = \epsilon_0 \frac{dE}{dt} = \frac{d\sigma}{dt}$ है, जो प्लेटों के क्षेत्रफल में एक स्थिरांक है।
Step III: $r < R$ (प्लेटों के अंदर) त्रिज्या के वृत्ताकार लूप के लिए एम्पीयर-मैक्सवेल नियम लागू करें: $B(2\pi r) = \mu_0 J_d (\pi r^2) \implies B = \frac{\mu_0 J_d}{2} r$। इसलिए, $B$ केंद्र से किनारे तक रैखिक रूप से बढ़ता है।
Step IV: $r \ge R$ (प्लेटों के बाहर) के लिए नियम लागू करें: $B(2\pi r) = \mu_0 J_d (\pi R^2) \implies B = \frac{\mu_0 J_d R^2}{2r}$। यहाँ, दूरी के साथ $B$ घटता है।
Step V: चुंबकीय क्षेत्र हर जगह गैर-शून्य है। यह किनारे (परिधि) पर बिल्कुल अधिकतम होता है जहाँ $r = R$ है।

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