Penetration depth of quasi-staticH-field into a conductor
Section 59
Consider a good conductor in anexternal periodic magnetic field
The conductor is penetrated by the H-field,
which induces a variable E-field,
which causes “eddy” currents.
Penetration of field is determined by the thermalconduction equation
Thermometric conductivity
Temperature propagates a distance
in time t.
Quiz: How does the propagation ofheat depend on time?
1.Linearly
2.Quadratic
3.Square root
Since H satisfies the same heat conduction equation
Then H penetrates a conductor to a characteristic depth
Characteristic timethat H has a givenpolarity
(Ignore the factor 2.)
Induced E and eddy currents penetrate to the samedepth
Quiz:  How does the skin depthdepend on frequency?
1.Inverse
2.Square root
3.Inverse Square root
A periodic field varies as Exp[-it]
Two limits
1.“low” frequencies
2.“high” frequencies (still below THz)
Low frequency limit
This is the same equation as holds in the static case, when  = 0.
(Periodicfields)
The solution to the static problem is HST(r), which is independent of .
The solution of the slow periodic problem is HST(r)Exp[-it], i.e. the field variesperiodically in time at every point in the conductor with the same frequencyand phase.
H completelypenetrates theconductor
Low frequency recipe
1.Solve for the static H field
2.Multiply by Exp[-it]
3.Find E-field by Faraday’s law
4.Find j by Ohm’s law
In zeroth approximation E = 0 inside conductor
Ohm’s law
Maxwell’s equation
(29.7) for static H-field
E-field and eddy currents appear inside the conductor in the next approximation
The spatialdistribution of E(r)is determined bythe distribution ofthe static solutionHST(r)
Not zero in the nextapproximation
Eddy currents
By Ohm’s law
Equationsfor E inthe lowfrequencylimit
High frequency limit
We are still in the quasi-staticapproximation, which requires
= electron relaxation (collision) time
AND
>> electron mean free path
This means frequencies << THz.
In the high frequency limit
H penetrates only a thin outer layer of the conductor
To find the field outside the conductor, assume exactly
This is the superconductor problem (section 53), where field outside asuperconductor is determined by the conduction B = 0 inside.
Then, to find the field inside the conductor
Consider small regions of the surface to beplanes
The field outside is
What is H0(r) near the surface?
In vacuum, = 1
H0(r) is the solutionto thesuperconductorproblem
To find the field that penetrates, we need to know it just outside, thenuse boundary conditions
In considering B(e)(r), we assumed B(i) = 0.
Since div(B) = 0 always,
The following boundary condition always applies
Just outside the conductor surface in the highfrequency quasi-static case, Bn(e) = 0.
Thus, H0,n = 0, and
H0(r) must be parallel to the surface.
At high frequencies,  ~ 1.
The boundary condition is then
So H on both sides of the surface is
(Parallel to the surface)
A small section of the surface is considered plane,with translational invariance in x,y directions.
Then H = H(z,t)
= 0       (for homogeneous linear medium)
= 0
Since Hz = 0 at z = 0, Hz = 0 everywhere inside.
Hz does not change with z inside.
The equation satisfied by quasi-static H is
Possible solutions of SHO equation are oscillating functions.
This one decreases exponentially with z
This one diverges with z.  Discard.
Inside conductor,high  limit
From H inside, we now find E-field inside (high frequency limit)
Phase shift
Magnitudes
Compare vacuum to metal
For electromagnetic wave in vacuum
E = H (Gaussian units)
E and H are in phase
For high frequency quasi-static limit in metal
Not inphase
Wavelength in metal is  not 
Linearly polarized field:
Phase can be made zero byshifting the origin of time.
Then H0 is real.
Take
 
Then
But  is also the characteristic damping length.
Not much of a wave!
E and j have the same distribution
E and j lead H by 45 degrees
Quiz:  At a given position within a conductor the low frequencylimit, how does the electric field depend on frequency?
1.Increases linearly with f.
2.Increases as the square root of f.
3.Decreases as the inverse square root of f.
At a given position within a conductor the high frequency limit,how does the electric field depend on frequency?
1.Increases as Sqrt[f]
2.Decreases as Exp[-const*Sqrt[f]]
3.Decreases as Sqrt[f] *Exp[-const*Sqrt[f]]
High frequency electric field in a conductor
Complex “surface impedance”of a conductor
Eddy currents dissipate field energy into Joule heat
Heat loss perunit time
Conductorsurface
Mean field energyentering conductor perunit time
Also
We are going to use both of these equationsto find  dependence of Q in the two limits.
Low frequency limit:
~
High frequency limit:
Homework
~
Quiz:  In low frequency fields, how does the rate ofJoule heating for a metal depend on frequency?
1.Decreases as inverse square root of f
2.Increases linearly in f
3.Increases as f2
In high frequency fields, how does the rate ofJoule heating for a metal depend on frequency?
1.Increases as square root of f
2.Decreases as 1/f
3.Increases as f2
A conductor acquires a magnetic moment in a periodic externalH-field with the same period.
The change in free energy           is due to
1.Dissipation
2.Periodic flow of energy between thebody and the external field
Time averaging the changeleaves just dissipation
Rate of changeof free energy
The mean dissipation of energy per unit time is
Dissipation is determined by the imaginary part of the magnetic polarizability
infrared
Quiz: What is apossible frequencydependence for theelectric field at a givenpoint inside a metal?
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