Physics For Scientists And Engineers 6E - part 190

 

  Index      Production     Physics For Scientists And Engineers 6E

 

Search            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  188  189  190  191   ..

 

 

Physics For Scientists And Engineers 6E - part 190

 

 

19.

An infinitely long line charge having a uniform charge per
unit  length  3 lies  a  distance  from  point  as  shown  in
Figure  P24.19.  Determine  the  total  electric  flux  through
the surface of a sphere of radius centered at resulting
from  this  line  charge.  Consider  both  cases,  where  d
and d.

20. An  uncharged  nonconducting  hollow  sphere  of  radius

10.0 cm surrounds a 10.0-%C charge located at the origin
of  a  cartesian  coordinate  system.  A  drill  with  a  radius  of
1.00 mm is aligned along the axis, and a hole is drilled in
the sphere. Calculate the electric flux through the hole.

21. A  charge  of  170 %C  is  at  the  center  of  a  cube  of  edge

80.0 cm.  (a)  Find  the  total  flux  through  each  face  of  the
cube. (b) Find the flux through the whole surface of the
cube.  (c)  What  If?  Would  your  answers  to  parts  (a)  or
(b) change if the charge were not at the center? Explain.

22.

The  line  ag in  Figure  P24.22  is  a  diagonal  of  a  cube.  A

point charge is located on the extension of line ag, very
close to vertex  of the cube. Determine the electric flux
through  each  of  the  sides  of  the  cube  which  meet  at  the
point a.

Section 24.3 Application of Gauss’s Law to Various

Charge Distributions

23. Determine  the  magnitude  of  the  electric  field  at  the

surface  of  a  lead-208  nucleus,  which  contains  82 protons
and 126 neutrons. Assume the lead nucleus has a volume
208 times that of one proton, and consider a proton to be
a sphere of radius 1.20 & 10

'

15

m.

24.

A solid sphere of radius 40.0 cm has a total positive charge
of  26.0 %C  uniformly  distributed  throughout  its  volume.
Calculate  the  magnitude  of  the  electric  field  (a)  0 cm,
(b) 10.0 cm, (c) 40.0 cm, and (d) 60.0 cm from the center
of the sphere.

25. A  10.0-g  piece  of  Styrofoam  carries  a  net  charge  of

'

0.700 %C and floats above the center of a large horizon-

tal sheet of plastic that has a uniform charge density on its
surface.  What  is  the  charge  per  unit  area  on  the  plastic
sheet?

26.

A cylindrical shell of radius 7.00 cm and length 240 cm has
its charge uniformly distributed on its curved surface. The
magnitude of the electric field at a point 19.0 cm radially
outward from its axis (measured from the midpoint of the
shell)  is  36.0 kN/C.  Find  (a)  the  net  charge  on  the  shell
and (b) the electric field at a point 4.00 cm from the axis,
measured radially outward from the midpoint of the shell.

27.

A  particle  with  a  charge  of  ' 60.0 nC  is  placed  at  the
center of a nonconducting spherical shell of inner radius
20.0 cm  and  outer  radius  25.0 cm.  The  spherical  shell
carries  charge  with  a  uniform  density  of  ' 1.33 %C/m

3

.

A proton  moves  in  a  circular  orbit  just  outside  the
spherical shell. Calculate the speed of the proton.

28. A nonconducting wall carries a uniform charge density of

8.60 %C/cm

2

. What is the electric field 7.00 cm in front of

the wall? Does your result change as the distance from the
wall is varied?

Consider  a  long  cylindrical  charge  distribution  of

radius with a uniform charge density 1. Find the electric
field at distance from the axis where R.

30. A solid plastic sphere of radius 10.0 cm has charge with uni-

form  density  throughout  its  volume.  The  electric  field
5.00 cm from the center is 86.0 kN/C radially inward. Find
the magnitude of the electric field 15.0 cm from the center.
Consider  a  thin  spherical  shell  of  radius  14.0 cm  with  a
total  charge  of  32.0 %C  distributed  uniformly  on  its
surface. Find the electric field (a) 10.0 cm and (b) 20.0 cm
from the center of the charge distribution.

32. In  nuclear  fission,  a  nucleus  of  uranium-238,  which

contains  92 protons,  can  divide  into  two  smaller  spheres,
each  having  46 protons  and  a  radius  of  5.90 & 10

'

15

m.

What  is  the  magnitude  of  the  repulsive  electric  force
pushing the two spheres apart?

33. Fill  two  rubber  balloons  with  air.  Suspend  both  of  them

from the same point and let them hang down on strings of
equal length. Rub each with wool or on your hair, so that
they  hang  apart  with  a  noticeable  separation  from  each
other. Make order-of-magnitude estimates of (a) the force
on each, (b) the charge on each, (c) the field each creates
at the center of the other, and (d) the total flux of electric
field  created  by  each  balloon.  In  your  solution  state  the
quantities you take as data and the values you measure or
estimate for them.

34.

An  insulating  solid  sphere  of  radius  has  a  uniform
volume  charge  density  and  carries  a  total  positive  charge
Q. A spherical gaussian surface of radius r, which shares a
common  center  with  the  insulating  sphere,  is  inflated
starting from # 0. (a) Find an expression for the electric
flux passing through the surface of the gaussian sphere as
a  function  of  for  a.  (b)  Find  an  expression  for  the
electric flux for a. (c) Plot the flux versus r.
A uniformly charged, straight filament 7.00 m in length has
a total positive charge of 2.00 %C. An uncharged cardboard
cylinder 2.00 cm in length and 10.0 cm in radius surrounds
the  filament  at  its  center,  with  the  filament  as  the  axis  of
the cylinder. Using reasonable approximations, find (a) the
electric field at the surface of the cylinder and (b) the total
electric flux through the cylinder.

36. An  insulating  sphere  is  8.00 cm  in  diameter  and  carries

a 5.70-%C  charge  uniformly  distributed  throughout  its
interior  volume.  Calculate  the  charge  enclosed  by  a
concentric  spherical  surface  with  radius  (a)  # 2.00 cm
and (b) # 6.00 cm.
A  large  flat  horizontal  sheet  of  charge  has  a  charge  per
unit area of 9.00 %C/m

2

. Find the electric field just above

the middle of the sheet.

37.

35.

31.

29.

Problems

757

d

c

a

b

e

f

g

h

q

Figure P24.22

38. The charge per unit length on a long, straight filament is

'

90.0 %C/m.  Find  the  electric  field  (a)  10.0 cm,

(b) 20.0 cm,  and  (c)  100 cm  from  the  filament,  where
distances  are  measured  perpendicular  to  the  length  of
the filament.

Section 24.4 Conductors in Electrostatic Equilibrium

A  long,  straight  metal  rod  has  a  radius  of  5.00 cm  and  a
charge  per  unit  length  of  30.0 nC/m.  Find  the  electric
field  (a)  3.00 cm,  (b)  10.0 cm,  and  (c)  100 cm  from  the
axis of the rod, where distances are measured perpendicu-
lar to the rod.

40. On  a  clear,  sunny  day,  a  vertical  electric  field  of  about

130 N/C points down over flat ground. What is the surface
charge density on the ground for these conditions?

41. A very large, thin, flat plate of aluminum of area has a

total  charge  uniformly  distributed  over  its  surfaces.
Assuming  the  same  charge  is  spread  uniformly  over  the
upper surface of an otherwise identical glass plate, compare
the  electric  fields  just  above  the  center  of  the  upper
surface of each plate.

42. A solid copper sphere of radius 15.0 cm carries a charge of

40.0 nC.  Find  the  electric  field  (a)  12.0 cm,  (b)  17.0 cm,
and (c) 75.0 cm from the center of the sphere. (d) What
If? 
How  would  your  answers  change  if  the  sphere  were
hollow?

43.

A  square  plate  of  copper  with  50.0-cm  sides  has  no  net
charge and is placed in a region of uniform electric field
of  80.0 kN/C  directed  perpendicularly  to  the  plate.  Find
(a) the charge density of each face of the plate and (b) the
total charge on each face.

44.

A solid conducting sphere of radius 2.00 cm has a charge
of  8.00 %C.  A  conducting  spherical  shell  of  inner  radius
4.00 cm  and  outer  radius  5.00 cm  is  concentric  with  the
solid sphere and has a total charge of '4.00 %C. Find the
electric  field  at  (a)  # 1.00 cm,  (b)  # 3.00 cm,  (c)  #
4.50 cm,  and  (d) # 7.00 cm  from  the  center  of  this
charge configuration.

45.

Two identical conducting spheres each having a radius of
0.500 cm  are  connected  by  a  light  2.00-m-long  conduct-
ing wire. A charge of 60.0 %C is placed on one of the con-
ductors.  Assume  that  the  surface  distribution  of  charge
on each sphere is uniform. Determine the tension in the
wire.

46. The  electric  field  on  the  surface  of  an  irregularly  shaped

conductor varies from 56.0 kN/C to 28.0 kN/C. Calculate
the local surface charge density at the point on the surface
where the radius of curvature of the surface is (a) greatest
and (b) smallest.
A long, straight wire is surrounded by a hollow metal cylin-
der  whose  axis  coincides  with  that  of  the  wire.  The  wire
has a charge per unit length of 3, and the cylinder has a
net  charge  per  unit  length  of  23From  this  information,
use Gauss’s law to find (a) the charge per unit length on
the  inner  and  outer  surfaces  of  the  cylinder  and  (b)  the
electric  field  outside  the  cylinder,  a  distance  from  the
axis.

47.

39.

48. A  conducting  spherical  shell  of  radius  15.0 cm  carries  a

net  charge  of  ' 6.40 %C  uniformly  distributed  on  its
surface. Find the electric field at points (a) just outside the
shell and (b) inside the shell.

A thin square conducting plate 50.0 cm on a side lies

in the xy plane. A total charge of 4.00 & 10

'

8

C is placed

on  the  plate.  Find  (a)  the  charge  density  on  the  plate,
(b) the  electric  field  just  above  the  plate,  and  (c)  the
electric field just below the plate. You may assume that the
charge density is uniform.

50.

A  conducting  spherical  shell  of  inner  radius  and  outer
radius carries a net charge Q. A point charge is placed
at  the  center  of  this  shell.  Determine  the  surface  charge
density  on  (a)  the  inner  surface  of  the  shell  and  (b)  the
outer surface of the shell.

51.

A  hollow  conducting  sphere  is  surrounded  by  a  larger
concentric spherical conducting shell. The inner sphere
has charge ', and the outer shell has net charge $ 3Q.
The  charges  are  in  electrostatic  equilibrium.  Using
Gauss’s  law,  find  the  charges  and  the  electric  fields
everywhere.

52. A positive point charge is at a distance R/2 from the center

of an uncharged thin conducting spherical shell of radius
R. Sketch the electric field lines set up by this arrangement
both inside and outside the shell.

Section 24.5 Formal Derivation of Gauss’s Law

A sphere of radius surrounds a point charge , located
at its center. (a) Show that the electric flux through a cir-
cular cap of half-angle ) (Fig. P24.53) is

What is the flux for (b) ) # 90° and (c) ) # 180°?

!

6

#

Q

2/

0

 

 (1 ' cos

 

)

)

53.

49.

Additional Problems

54.

A  nonuniform  electric  field  is  given  by  the  expression

E # ayiˆ $ bzjˆ $ cxkˆ,  where  ab, and are  constants. 
Determine the electric flux through a rectangular surface
in the xy plane, extending from # 0 to and from
# 0 to h.

758

CHAPTE R 24 •  Gauss’s Law

R

Q

θ

Figure P24.53

55.

A solid insulating sphere of radius carries a net positive
charge  3,  uniformly  distributed  throughout  its  volume.
Concentric with this sphere is a conducting spherical shell
with  inner  radius  and  outer  radius  c,  and  having  a  net
charge  'Q ,  as  shown  in  Figure  P24.55.  (a)  Construct  a
spherical gaussian surface of radius and find the net
charge enclosed by this surface. (b) What is the direction
of the electric field at c? (c) Find the electric field at
c. (d) Find the electric field in the region with radius r
where b. (e) Construct a spherical gaussian surface
of  radius  r,  where  b,  and  find  the  net  charge
enclosed by this surface. (f) Construct a spherical gaussian
surface  of  radius  r,  where  a,  and  find  the  net
charge enclosed by this surface. (g) Find the electric field
in the region a. (h) Construct a spherical gaussian
surface of radius a, and find an expression for the net
charge  enclosed  by  this  surface,  as  a  function  of  r.  Note
that the charge inside this surface is less than 3Q. (i) Find
the  electric  field  in  the  region  a.  ( j)  Determine  the
charge  on  the  inner  surface  of  the  conducting  shell.
(k) Determine  the  charge  on  the  outer  surface  of  the
conducting shell. (l) Make a plot of the magnitude of the
electric field versus r.

56.

Consider two identical conducting spheres whose surfaces
are  separated  by  a  small  distance.  One  sphere  is  given  a
large  net  positive  charge  while  the  other  is  given  a  small
net  positive  charge.  It  is  found  that  the  force  between
them  is  attractive  even  though  both  spheres  have  net
charges of the same sign. Explain how this is possible.

A  solid,  insulating  sphere  of  radius  has  a  uniform

charge density 1 and a total charge Q. Concentric with this
sphere is an unchargedconducting hollow sphere whose
inner  and  outer  radii  are  and c,  as  shown  in  Figure
P24.57. (a) Find the magnitude of the electric field in the
regions  a,  b,  c,  and  c. (b)  Deter-
mine the induced charge per unit area on the inner and
outer surfaces of the hollow sphere.

57.

58.

For  the  configuration  shown  in  Figure  P24.57,  suppose
that  # 5.00 cm,  # 20.0 cm,  and  # 25.0 cm.  Further-
more,  suppose  that  the  electric  field  at  a  point  10.0 cm
from the center is measured to be 3.60 & 10

3

N/C radially

inward while the electric field at a point 50.0 cm from the
center is 2.00 & 10

2

N/C radially outward. From this infor-

mation,  find  (a)  the  charge  on  the  insulating  sphere,
(b) the net charge on the hollow conducting sphere, and
(c)  the  charges  on  the  inner  and  outer  surfaces  of  the
hollow conducting sphere.

59.

A  particle  of  mass  and  charge  moves  at  high  speed
along  the  axis.  It  is  initially  near  # ' 7,  and  it  ends
up near # $ 7. A second charge is fixed at the point
# 0, # 'd. As the moving charge passes the stationary
charge, its component of velocity does not change appre-
ciably,  but  it  acquires  a  small  velocity  in  the  direction.
Determine the angle through which the moving charge is
deflected. Suggestion: The integral you encounter in deter-
mining  v

y

can  be  evaluated  by  applying  Gauss’s  law  to  a

long  cylinder  of  radius  d,  centered  on  the  stationary
charge.

60.

Review problem. An early (incorrect) model of the hydro-
gen atom, suggested by J. J. Thomson, proposed that a pos-
itive  cloud  of  charge  $ was  uniformly  distributed
throughout  the  volume  of  a  sphere  of  radius  R, with  the
electron an equal-magnitude negative point charge ' at
the  center.  (a)  Using  Gauss’s  law,  show  that  the  electron
would  be  in  equilibrium  at  the  center  and,  if  displaced
from  the  center  a  distance  R,  would  experience  a
restoring force of the form # 'Kr, where is a constant.
(b) Show that k

e

e

2

/R

3

. (c) Find an expression for the

frequency  of  simple  harmonic  oscillations  that  an
electron  of  mass  m

e

would  undergo  if  displaced  a  small

distance (,R) from the center and released. (d) Calculate
a numerical value for that would result in a frequency of
2.47 & 10

15

Hz, the frequency of the light radiated in the

most intense line in the hydrogen spectrum.

61.

An  infinitely  long  cylindrical  insulating  shell  of  inner
radius and outer radius has a uniform volume charge
density  1.  A  line  of  uniform  linear  charge  density  3 is
placed along the axis of the shell. Determine the electric
field everywhere.

62.

Two infinite, nonconducting sheets of charge are parallel
to each other, as shown in Figure P24.62. The sheet on the
left  has  a  uniform  surface  charge  density  4,  and  the  one

Problems

759

a

b

c

3Q

Q

Figure P24.55

Insulator

Conductor

a

c

b

Figure P24.57 Problems 57 and 58.

σ

σ

Figure P24.62

on  the  right  has  a  uniform  charge  density  '4.  Calculate
the electric field at points (a) to the left of, (b) in between,
and (c) to the right of the two sheets.

What  If?  Repeat  the  calculations  for  Problem  62

when both sheets have positive uniform surface charge den-
sities of value 4.

64.

A sphere of radius 2is made of a nonconducting material
that has a uniform volume charge density 1(Assume that
the material does not affect the electric field.) A spherical
cavity  of  radius  is  now  removed  from  the  sphere,  as
shown in Figure P24.64. Show that the electric field within
the  cavity  is  uniform  and  is  given  by  E

x

#

0  and  E

y

#

1

a/3/

0

. (Suggestion: The field within the cavity is the super-

position of the field due to the original uncut sphere, plus
the field due to a sphere the size of the cavity with a uni-
form negative charge density '1.)

63.

65.

A  uniformly  charged  spherical  shell  with  surface  charge
density 4 contains a circular hole in its surface. The radius
of  the  hole  is  small  compared  with  the  radius  of  the
sphere. What is the electric field at the center of the hole?
(Suggestion: This problem, like Problem 64, can be solved
by using the idea of superposition.)

66.

A  closed  surface  with  dimensions  # 0.400 m  and
# 0.600 m is located as in Figure P24.66. The left edge of
the closed surface is located at position a. The electric
field  throughout  the  region  is  nonuniform  and  given  by
# (3.0 $ 2.0x

2

)iˆ N/C,  where  is  in  meters.  Calculate

the  net  electric  flux  leaving  the  closed  surface.  What  net
charge is enclosed by the surface?

A  solid  insulating  sphere  of  radius  has  a  nonuniform
charge density that varies with according to the expression
1 #

Ar

2

, where is a constant and is measured from

the center of the sphere. (a) Show that the magnitude of the
electric field outside (R) the sphere is AR

5

/5/

0

r

2

.

(b) Show  that  the  magnitude  of  the  electric  field  inside
(R)  the  sphere  is  Ar

3

/5/

0

(Suggestion: The  total

charge on the sphere is equal to the integral of 1 dV, where
extends  from  0  to  R;  also,  the  charge  within  a  radius
is less than Q. To evaluate the integrals, note that the
volume  element  dV for  a  spherical  shell  of  radius  and
thickness dr is equal to 4(r

2

dr.)

68.

A point charge is located on the axis of a disk of radius
at a distance from the plane of the disk (Fig. P24.68).
Show  that  if  one  fourth  of  the  electric  flux  from  the
charge passes through the disk, then #

√3b.

67.

69.

A  spherically  symmetric  charge  distribution  has  a  charge
density  given  by  1 # a/r,  where  is  constant.  Find  the
electric  field  as  a  function  of  r. (Suggestion: The  charge
within a sphere of radius is equal to the integral of 1 dV,
where extends from 0 to R. To evaluate the integral, note
that the volume element dV for a spherical shell of radius r
and thickness dr is equal to 4(r

2

dr.)

70.

An  infinitely  long  insulating  cylinder  of  radius  has  a
volume charge density that varies with the radius as

where  1

0

a, and  are  positive  constants  and  is  the

distance  from  the  axis  of  the  cylinder.  Use  Gauss’s  law  to
determine  the  magnitude  of  the  electric  field  at  radial
distances (a) and (b) R.
Review problem. A slab of insulating material (infinite in
two of its three dimensions) has a uniform positive charge
density  1.  An  edge  view  of  the  slab  is  shown  in  Figure
P24.71. (a) Show that the magnitude of the electric field a
distance from its center and inside the slab is # 1x//

0

.

(b) What If? Suppose an electron of charge 'and mass
m

e

can move freely within the slab. It is released from rest

at  a  distance  from  the  center.  Show  that  the  electron
exhibits simple harmonic motion with a frequency

#

1

2(

 

 

1

e

m

e

/

0

71.

1 # 1

0

 

 

%

'

r

b

&

760

CHAPTE R 24 •  Gauss’s Law

y

x

2a

a

Figure P24.64

y

x

E

a

c

z

= a

b

Figure P24.66

R

Q

b

Figure P24.68

 

 

 

 

 

 

 

Content   ..  188  189  190  191   ..