Physics For Scientists And Engineers 6E - part 191

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 191

 

 

72.

A  slab  of  insulating  material  has  a  nonuniform  positive
charge  density  1 # Cx

2

,  where  is  measured  from  the

center  of  the  slab  as  shown  in  Figure  P24.71,  and  is  a
constant.  The  slab  is  infinite  in  the  and  directions.
Derive expressions for the electric field in (a) the exterior
regions  and  (b)  the  interior  region  of  the  slab
('d/2 , d/2).

73.

(a) Using the mathematical similarity between Coulomb’s
law  and  Newton’s  law  of  universal  gravitation,  show  that
Gauss’s law for gravitation can be written as

where m

in

is the net mass inside the gaussian surface and

g # F

g

/represents the gravitational field at any point on

$

 

g"dA # '4(Gm

in

the gaussian surface. (b) Determine the gravitational field
at a distance from the center of the Earth where R

E

,

assuming that the Earth’s mass density is uniform.

Answers to Quick Quizzes

24.1 (e).  The  same  number  of  field  lines  pass  through  a

sphere of any size. Because points on the surface of the
sphere are closer to the charge, the field is stronger.

24.2 (d). All field lines that enter the container also leave the

container so that the total flux is zero, regardless of the
nature of the field or the container.

24.3 (b) and (d). Statement (a) is not necessarily true because

an equal number of positive and negative charges could
be present inside the surface. Statement (c) is not neces-
sarily  true,  as  can  be  seen  from  Figure  24.8:  a  nonzero
electric  field  exists  everywhere  on  the  surface,  but  the
charge  is  not  enclosed  within  the  surface;  thus,  the  net
flux is zero.

24.4 (c).  The  charges  q

1

and  q

4

are  outside  the  surface  and

contribute zero net flux through S*.

24.5 (d). We don’t need the surfaces to realize that any given

point in space will experience an electric field due to all
local source charges.

24.6 (a). Charges added to the metal cylinder by your brother

will reside on the outer surface of the conducting cylin-
der.  If  you  are  on  the  inside,  these  charges  cannot
transfer  to  you  from  the  inner  surface.  For  this  same
reason,  you  are  safe  in  a  metal  automobile  during  a
lightning storm.

Answers to Quick Quizzes

761

x

y

O

d

Figure P24.71 Problems 71 and 72.

Electric Potential

C H A P T E R   O U T L I N E

25.1 Potential Difference and

Electric Potential

25.2 Potential Differences in a

Uniform Electric Field

25.3 Electric Potential and

Potential Energy Due to Point
Charges

25.4 Obtaining the Value of the

Electric Field from the
Electric Potential

25.5 Electric Potential Due to

Continuous Charge
Distributions

25.6 Electric Potential Due to a

Charged Conductor

25.7 The Millikan Oil-Drop

Experiment

25.8 Applications of Electrostatics

Processes occurring during thunderstorms cause large differences in electric potential

between a thundercloud and the ground. The result of this potential difference is an electrical
discharge that we call lightning, such as this display over Tucson, Arizona. (© Keith Kent/
Photo Researchers, Inc.)

Chapter 25

762

763

T

he concept of potential energy was introduced in Chapter 8 in connection with such

conservative forces as the gravitational force and the elastic force exerted by a spring. By
using  the  law  of  conservation  of  energy,  we  were  able  to  avoid  working  directly  with
forces when solving various problems in mechanics. The concept of potential energy is
also of great value in the study of electricity. Because the electrostatic force is conserva-
tive,  electrostatic  phenomena  can  be  conveniently  described  in  terms  of  an  electric
potential energy. This idea enables us to define a scalar quantity known as electric potential.
Because the electric potential at any point in an electric field is a scalar quantity, we can
use it to describe electrostatic phenomena more simply than if we were to rely only on
the electric field and electric forces. The concept of electric potential is of great practical
value in the operation of electric circuits and devices we will study in later chapters.

25.1 Potential Difference and Electric Potential

When a test charge q

0

is placed in an electric field 

E created by some source charge

distribution,  the  electric  force  acting  on  the  test  charge  is  q

0

E.  The  force  q

0

E is

conservative because the force between charges described by Coulomb’s law is conserv-
ative.  When  the  test  charge  is  moved  in  the  field  by  some  external  agent,  the  work
done by the field on the charge is equal to the negative of the work done by the exter-
nal  agent  causing  the  displacement.  This  is  analogous  to  the  situation  of  lifting  an
object with mass in a gravitational field—the work done by the external agent is mgh
and the work done by the gravitational force is !mgh.

When  analyzing  electric  and  magnetic  fields,  it  is  common  practice  to  use  the

notation d

s to represent an infinitesimal displacement vector that is oriented tangent

to  a  path  through  space.  This  path  may  be  straight  or  curved,  and  an  integral
performed along this path is called either a path integral or a line integral (the two terms
are synonymous).

For  an  infinitesimal  displacement  d

s  of  a  charge,  the  work  done  by  the  electric

field on the charge is 

F " ds # q

0

E " ds. As this amount of work is done by the field, the

potential energy of the charge–field system is changed by an amount dU # ! q

0

E " ds.

For a finite displacement of the charge from point to point B, the change in poten-
tial energy of the system $U

B

!

U

A

is

(25.1)

The integration is performed along the path that q

0

follows as it moves from to B.

Because  the  force  q

0

E is  conservative,  this  line  integral  does  not  depend  on  the

path taken from to B.

For a given position of the test charge in the field, the charge–field system has a

potential energy relative to the configuration of the system that is defined as # 0.
Dividing the potential energy by the test charge gives a physical quantity that depends
only on the source charge distribution. The potential energy per unit charge U/q

0

is

$

# !q

 

0

 

!

B

A

 

 

E"d

 

s

Change in electric potential

energy of a system

764

C H A P T E R   2 5 •  Electric Potential

independent of the value of q

0

and has a value at every point in an electric field. This

quantity U/q

0

is called the 

electric potential (or simply the potential) V. Thus, the

electric potential at any point in an electric field is

(25.2)

The fact that potential energy is a scalar quantity means that electric potential also is a
scalar quantity.

As described by Equation 25.1, if the test charge is moved between two positions A

and  in  an  electric  field,  the  charge–field  system  experiences  a  change  in  potential
energy.  The 

potential  difference $V

B

!

V

A

between  two  points  and  in  an

electric  field  is  defined  as  the  change  in  potential  energy  of  the  system  when  a  test
charge is moved between the points divided by the test charge q

0

:

(25.3)

Just as with potential energy, only differences in electric potential are meaningful. To

avoid having to work with potential differences, however, we often take the value of the
electric potential to be zero at some convenient point in an electric field.

Potential  difference  should  not  be  confused  with  difference  in  potential  energy.

The potential difference between and depends only on the source charge distribu-
tion (consider points and B without the presence of the test charge), while the differ-
ence  in  potential  energy  exists  only  if  a  test  charge  is  moved  between  the  points.
Electric  potential  is  a  scalar  characteristic  of  an  electric  field,  independent  of
any charges that may be placed in the field.

If an external agent moves a test charge from to without changing the kinetic

energy of the test charge, the agent performs work which changes the potential energy
of the system: # $U. The test charge q

0

is used as a mental device to define the elec-

tric potential. Imagine an arbitrary charge located in an electric field. From Equation
25.3,  the  work  done  by  an  external  agent  in  moving  a  charge  through  an  electric
field at constant velocity is

(25.4)

Because electric potential is a measure of potential energy per unit charge, the SI

unit of both electric potential and potential difference is joules per coulomb, which is
defined as a 

volt (V):

That is, 1 J of work must be done to move a 1-C charge through a potential difference
of 1 V.

Equation 25.3 shows that potential difference also has units of electric field times

distance.  From  this,  it  follows  that  the  SI  unit  of  electric  field  (N/C)  can  also  be
expressed in volts per meter:

Therefore, 

we can interpret the electric field as a measure of the rate of change

with position of the electric potential.

A unit of energy commonly used in atomic and nuclear physics is the 

electron volt

(eV),  which  is  defined  as 

the  energy  a  charge–field  system  gains  or  loses  when

a charge of magnitude e (that is, an electron or a proton) is moved through a
potential  difference  of  1 V. Because  1 V # 1 J/C  and  because  the  fundamental
charge is 1.60 % 10

!

19

C, the electron volt is related to the joule as follows:

(25.5)

1 e

 

V # 1.60 % 10

!

19

 C"V # 1.60 % 10

!

19

 J

1

 

 

N

C

#

1

 

 

V

m

1 V 

" 1

 

 

J

C

q $V

$

V 

$

U

q

 

0

# !

!

B

A

  

E"d

 

s

#

U

q

 

0

PITFALL PREVENTION 

25.1 Potential and

Potential Energy

The  potential  is  characteristic  of
the field  only
,  independent  of  a
charged  test  particle  that  may  be
placed in the field. Potential energy
is  characteristic  of  the  charge–field
system 
due  to  an  interaction
between  the  field  and  a  charged
particle placed in the field.

PITFALL PREVENTION 

25.2 Voltage

A  variety  of  phrases  are  used  to
describe  the  potential  difference
between  two  points,  the  most
common  being 

voltage, arising

from  the  unit  for  potential.  A
voltage  applied to  a  device,  such
as a television, or across a device is
the  same  as  the  potential  differ-
ence  across  the  device.  If  we  say
that  the  voltage  applied  to  a
lightbulb  is  120  volts,  we  mean
that  the  potential  difference
between  the  two  electrical
contacts  on  the  lightbulb  is
120 volts.

Potential difference between

two points

The electron volt

 

 

 

 

 

 

 

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