Physics For Scientists And Engineers 6E - part 192

 

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Physics For Scientists And Engineers 6E - part 192

 

 

SECTION 25.2 •  Potential Differences in a Uniform Electric Field

765

For instance, an electron in the beam of a typical television picture tube may have a
speed of 3.0 % 10

7

m/s. This corresponds to a kinetic energy of 4.1 % 10

!

16

J, which is

equivalent to 2.6 % 10

3

eV. Such an electron has to be accelerated from rest through a

potential difference of 2.6 kV to reach this speed.

PITFALL PREVENTION 

25.3 The Electron Volt

The  electron  volt  is  a  unit  of
energy,  NOT  of  potential.  The
energy  of  any  system  may  be
expressed  in  eV,  but  this  unit  is
most  convenient  for  describing
the  emission  and  absorption  of
visible light from atoms. Energies
of  nuclear  processes  are  often
expressed in MeV.

Quick  Quiz  25.1

In  Figure  25.1,  two  points  and  are  located  within  a

region  in  which  there  is  an  electric  field.  The  potential  difference  $V

B

!

V

A

is

(a) positive (b) negative (c) zero.

Quick Quiz 25.2

In Figure 25.1, a negative charge is placed at and then

moved to B. The change in potential energy of the charge–field system for this process
is (a) positive (b) negative (c) zero.

A

B

E

Figure 25.1 (Quick Quiz 25.1)

Two points in an electric field.

25.2 Potential Differences in a Uniform

Electric Field

Equations 25.1 and 25.3 hold in all electric fields, whether uniform or varying, but they
can be simplified for a uniform field. First, consider a uniform electric field directed
along the negative axis, as shown in Figure 25.2a. Let us calculate the potential differ-
ence between two points and separated by a distance 

#s# # d, where s is parallel to

the field lines. Equation 25.3 gives

Because is constant, we can remove it from the integral sign; this gives

(25.6)

The negative sign indicates that the electric potential at point is lower than at point
A; that is, V

B

&

V

A

Electric field lines always point in the direction of decreasing

electric potential, as shown in Figure 25.2a.

$

# !E 

!

B

A

 

 

d

 

# !E

 

d

V

B

!

V

A

# $

# !

!

B

A

 

E"d

 

s # !

!

B

A

 (E 

 

cos

  

0')d

 

# !

!

B

A

 E ds

d

B

A

q

E

(a)

(b)

g

d

B

A

m

Figure 25.2 (a) When the electric field is directed downward, point is at a lower

electric potential than point A. When a positive test charge moves from point to

point B, the charge–field system loses electric potential energy. (b) When an object of

mass moves downward in the direction of the gravitational field g, the object–field

system loses gravitational potential energy.

Potential difference between

two points in a uniform electric

field

Now suppose that a test charge q

0

moves from to B. We can calculate the change

in the potential energy of the charge–field system from Equations 25.3 and 25.6:

(25.7)

From this result, we see that if q

0

is positive, then $is negative. We conclude that 

a

system consisting of a positive charge and an electric field loses electric poten-
tial energy when the charge moves in the direction of the field. This means that
an electric field does work on a positive charge when the charge moves in the direction
of the electric field. (This is analogous to the work done by the gravitational field on a
falling object, as shown in Figure 25.2b.) If a positive test charge is released from rest
in  this  electric  field,  it  experiences  an  electric  force  q

0

E in  the  direction  of  E

(downward in Fig. 25.2a). Therefore, it accelerates downward, gaining kinetic energy.
As  the  charged  particle  gains  kinetic  energy,  the  charge–field  system  loses  an
equal amount of potential energy. This should not be surprising—it is simply conser-
vation of energy in an isolated system as introduced in Chapter 8.

If q

0

is negative, then $in Equation 25.7 is positive and the situation is reversed:

A system consisting of a negative charge and an electric field gains electric po-
tential energy when the charge moves in the direction of the field. If a negative
charge is released from rest in an electric field, it accelerates in a direction opposite
the direction of the field. In order for the negative charge to move in the direction of
the field, an external agent must apply a force and do positive work on the charge.

Now  consider  the  more  general  case  of  a  charged  particle  that  moves  between A

and in a uniform electric field such that the vector 

s is not parallel to the field lines,

as shown in Figure 25.3. In this case, Equation 25.3 gives

(25.8)

where  again  we  are  able  to  remove 

E from  the  integral  because  it  is  constant.  The

change in potential energy of the charge–field system is

(25.9)

Finally, we conclude from Equation 25.8 that all points in a plane perpendicular to a

uniform electric field are at the same electric potential. We can see this in Figure 25.3,
where  the  potential  difference  V

B

!

V

A

is  equal  to  the  potential  difference  V

C

!

V

A

.

(Prove this to yourself by working out the dot product 

E ! s for s

A:B

, where the angle (

between 

E and  s is  arbitrary  as  shown  in  Figure  25.3,  and  the  dot  product  for  s

A:C

,

where ( # 0.) Therefore, V

B

#

V

C

The name equipotential surface is given to any

surface consisting of a continuous distribution of points having the same electric
potential.

The equipotential surfaces of a uniform electric field consist of a family of parallel

planes  that  are  all  perpendicular  to  the  field.  Equipotential  surfaces  for  fields  with
other symmetries are described in later sections.

$

q

 

0

 

 

$

# !q

 

0

  

E"s

$

# !

!

B

A

 

E"d

 

s # !

 

E"

!

B

A

 

d

 

s # !

 

E"s

$

q

 

0

   

$

# !q

 

0

  

E

 

d

766

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

E

B

C

A

s

θ

d

Figure 25.3 A uniform electric

field directed along the positive

axis. Point is at a lower electric

potential than point A. Points

and are at the same electric

potential.

A

B

C

E

D

9 V

8 V

7 V

6 V

Figure 25.4 (Quick Quiz 25.3)

Four equipotential surfaces.

Quick Quiz 25.3

The labeled points in Figure 25.4 are on a series of equipo-

tential surfaces associated with an electric field. Rank (from greatest to least) the work
done by the electric field on a positively charged particle that moves from to ; from
to ; from to ; from to E.

Quick  Quiz  25.4

For  the  equipotential  surfaces  in  Figure  25.4,  what  is

the approximate direction  of  the  electric  field?  (a)  Out  of  the  page  (b)  Into  the  page
(c) Toward the right edge of the page (d) Toward the left edge of the page (e) Toward
the top of the page (f) Toward the bottom of the page.

Change in potential energy

when a charged particle is

moved in a uniform electric field

SECTION 25.2 •  Potential Differences in a Uniform Electric Field

767

Example 25.1 The Electric Field Between Two Parallel Plates of Opposite Charge

uniform.  (This  assumption  is  reasonable  if  the  plate  separa-
tion is small relative to the plate dimensions and if we do not
consider locations near the plate edges.) Find the magnitude
of the electric field between the plates.

Solution The  electric  field  is  directed  from  the  positive
plate (A) to the negative one (B), and the positive plate is at
a  higher  electric  potential  than  the  negative  plate  is.  The
potential  difference  between  the  plates  must  equal  the
potential  difference  between  the  battery  terminals.  We  can
understand this by noting that all points on a conductor in
equilibrium are at the same electric potential

1

; no potential

difference exists between a terminal and any portion of the
plate to which it is connected. Therefore, the magnitude of
the electric field between the plates is, from Equation 25.6,

The  configuration  of  plates  in  Figure  25.5  is  called  a

parallel-plate  capacitor,  and  is  examined  in  greater  detail  in
Chapter 26.

4.0 % 10

3

 

 

V/m

#

V

B

!

V

A

#

d

#

12 V

0.30 % 10

!

2

 m

#

A  battery  produces  a  specified  potential  difference  $V
between conductors attached to the battery terminals. A 12-V
battery is connected between two parallel plates, as shown in
Figure 25.5. The separation between the plates is # 0.30 cm,
and  we  assume  the  electric  field  between  the  plates  to  be

2.8 % 10

6

 

 

m/s

#

 #

!

2(1.6 % 10

!

19

 C)(!4.0 % 10

4

 V)

1.67 % 10

!

27

 kg

 

#

!

(2e

  

$

V

  

)

m

 

(

1

2

mv

 

2

!

0) ) e

   

$

# 0 

 $) $# 0

+

V = 12 V

A

B

d

Figure 25.5 (Example 25.1) A 12-V battery connected to two

parallel plates. The electric field between the plates has a mag-

nitude given by the potential difference $divided by the plate

separation d.

Example 25.2 Motion of a Proton in a Uniform Electric Field

Solution The charge–field system is isolated, so the mech-
anical energy of the system is conserved:

A proton is released from rest in a uniform electric field that
has a magnitude of 8.0 % 10

4

V/m (Fig. 25.6). The proton

undergoes a displacement of 0.50 m in the direction of 

E.

(A)

Find the change in electric potential between points A

and B.

Solution Because  the  positively  charged  proton  moves  in
the direction of the field, we expect it to move to a position
of lower electric potential. From Equation 25.6, we have

d

B

A

+

+

+

+

+

+

+

+

v

v

A

 = 0

E

Figure 25.6 (Example 25.2) A proton accelerates from to B

in the direction of the electric field.

What  If?

What  if  the  situation  is  exactly  the  same  as  that

shown  in  Figure  25.6,  but  no  proton  is  present?  Could  both
parts (A) and (B) of this example still be answered?

1

The electric field vanishes within a conductor in electrostatic equilibrium; thus, the path integral

between any two points in the conductor must be zero. A more complete discussion of this point is
given in Section 25.6.

Interactive

!

4.0 % 10

4

 V

$

# !Ed # !(8.0 % 10

4

 V/m)(0.50 m) #

(B)

Find the change in potential energy of the proton–field

system for this displacement.

Solution Using Equation 25.3,

The negative sign means the potential energy of the system
decreases as the proton moves in the direction of the elec-
tric  field.  As  the  proton  accelerates  in  the  direction  of  the
field, it gains kinetic energy and at the same time the system
loses electric potential energy.

(C)

Find  the  speed  of  the  proton  after  completing  the

0.50 m displacement in the electric field.

!

6.4 % 10

!

15

 J

#

 # (1.6 % 10

!

19

 C)(!4.0 % 10

4

 V)

$

q

 

0

 

 

 

$

e

 

 

 

$

V

25.3 Electric Potential and Potential Energy

Due to Point Charges

In Section 23.4 we discussed the fact that an isolated positive point charge produces
an electric field that is directed radially outward from the charge. To find the electric
potential  at  a  point  located  a  distance  from  the  charge,  we  begin  with  the  general
expression for potential difference:

where  and  are  the  two  arbitrary  points  shown  in  Figure  25.7.  At  any  point  in
space, the electric field due to the point charge is 

(Eq. 23.9), where  is

a unit vector directed from the charge toward the point. The quantity 

E " ds can be

expressed as

Because the magnitude of  is 1, the dot product  " d

s # ds cos (, where ( is the angle

between  and d

s. Furthermore, ds cos ( is the projection of ds onto r; thus, ds cos ( #

dr.  That  is,  any  displacement  d

s along  the  path  from  point  to  point  produces  a

change dr in the magnitude of 

r, the position vector of the point relative to the charge

creating the field. Making these substitutions, we find that 

E " ds # (k

e

q/r

2

)dr; hence,

the expression for the potential difference becomes

(25.10)

This equation shows us that the integral of 

E " ds is independent of the path between

points and B. Multiplying by a charge q

0

that moves between points and B, we see

that  the  integral  of  q

0

E " ds is  also  independent  of  path.  This  latter  integral  is  the

work done by the electric force, which tells us that the electric force is conservative
(see Section 8.3). We define a field that is related to a conservative force as a 

conserv-

ative field. Thus, Equation 25.10 tells us that the electric field of a fixed point charge
is conservative. Furthermore, Equation 25.10 expresses the important result that the
potential  difference  between  any  two  points  and  in  a  field  created  by  a  point
charge depends only on the radial coordinates r

A

and r

B

. It is customary to choose the

reference  of  electric  potential  for  a  point  charge  to  be  # 0  at  r

A

# *

.  With  this

reference  choice,  the  electric  potential  created  by  a  point  charge  at  any  distance  r
from the charge is

(25.11)

k

e

  

 

q
r

V

B

!

V

A

#

k

e

 

q 

 

$

1

r

B

!

1

r

A

%

V

B

!

V

A

# !

k

e

 

q  

!

r

B

r

A

 

d

 

r

r

 

2

#

k

e

 

q

r

%

r

B

r

A

E"d

 

s # k

e

  

 

q

r

2

  

 

rˆ"d

 

s

E #

 

k

e

 

q

 

rˆ/r

 

2

V

B

!

V

A

# !

 

!

B

A

 

 

E"d

 

s

768

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

charge.  Part  (B)  of  the  example  would  be  meaningless  if
the  proton  is  not  present.  A  change  in  potential  energy  is
related  to  a  change  in  the  charge–field  system.  In  the
absence of the proton, the system of the electric field alone
does not change.

Answer Part (A) of the example would remain exactly the
same  because  the  potential  difference  between  points  A
and  is  established  by  the  source  charges  in  the  parallel
plates.  The  potential  difference  does  not  depend  on  the
presence  of  the  proton,  which  plays  the  role  of  a  test

At the Interactive Worked Example link at http://www.pse6.com, you can predict and observe the speed of the proton as it
arrives at the negative plate for random values of the electric field.

dr

ds

θ

r

A

r

B

B

q

r

r

A

ˆ

Figure 25.7 The potential differ-

ence between points and due to

a point charge depends only on the

initial and final radial coordinates r

A

and r

B

. The two dashed circles rep-

resent intersections of spherical

equipotential surfaces with the page.

PITFALL PREVENTION 

25.4 Similar Equation

Warning

Do  not  confuse  Equation  25.11
for  the  electric  potential  of  a
point  charge  with  Equation  23.9
for  the  electric  field  of  a  point
charge.  Potential  is  proportional
to  1/r,  while  the  field  is  propor-
tional  to  1/r

2

.  The  effect  of  a

charge on the space surrounding
it  can  be  described  in  two  ways.
The charge sets up a vector elec-
tric  field  E,  which  is  related  to
the  force  experienced  by  a  test
charge placed in the field. It also
sets up a scalar potential V, which
is related to the potential energy
of  the  two-charge  system  when  a
test charge is placed in the field.

 

 

 

 

 

 

 

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