Important Announcement
PubHTML5 Scheduled Server Maintenance on (GMT) Sunday, June 26th, 2:00 am - 8:00 am.
PubHTML5 site will be inoperative during the times indicated!

Home Explore P1-Allens Made Physics Theory {PART-1}

P1-Allens Made Physics Theory {PART-1}

Published by Willington Island, 2021-07-02 01:23:29

Description: P1-Allens Made Physics Theory

Search

Read the Text Version

JEE-PhysicsNode-6\\E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No.-10\\EMI & AC\\English\\04 EMW Theory.p65 E 113Various parts of electromagnetic spectrum S. Radiation Discover How Wavelength Range Frequency range Energy Properties Application No. produced range 3×1022Hz to 107eV-104 eV 1. -Rays Henry Due to decay 10–14m to 10–10m 3×1018 (a) High (a)Gives Becquerel of radioactive 2.4×105eV to and nuclei. 1.2×103eV penetrating Information on Madam Cuire power nuclear structure (b) Uncharged (b) Medical trea- (c) Low ionising tment etc. power 2. X-Ray Roentgen Due to collisions 6×10–12m to 10–9m 5×1019 Hz to (a)Low Penetrating (a) Medical of high energy 3×1017 Hz electrons with power diagnosis and heavy targets (b) other properties treatment similar to -rays (b) Study of except wavelength crystal structure (c) Industrial radiography 3. Ultraviolet Ritter By ionised gases, 6×10–10m to 3×1017 Hz to 2×103eV to 3eV (a) All properties (a) To detect Rays sun lamp 3.8×10–7m 5×1019 Hz spark etc. of light adulteration, (b) Photoelectric writing and effect signature (b) Sterilization of water due to its destructive action on bacteria 4. Visible light Newton Outer orbit electron 3.8×10–7 m to 8×1014Hz to 3.2 eV to 1.6 eV (a) Sensitive to (a)To see objects transitions in atoms, 7.8×10–7m 4×1014 Hz Subparts of gas discharge tube, human eye (b) To study visible incandescent solids spectrum and liquids. molecular (a) Violet (b) Blue structure (c) Green (d) Yellow 3.9×10–7m to 4.55×10–7m 7.69×1014Hz to 6.59×1014Hz (e) Orange 4.55×10–7m to 4.92×10–7m 6.59×1014Hz to 6.10×1014Hz (f) Red 4.92×10–7m to 5.77×10–7m 6.10×1014Hz to 5.20×1014Hz 5.77×10–7m to 5.97×10–7m 5.20×1014Hz to 5.03×1014Hz 5.97×10–7m to 6.22×10–7m 5.03×1014Hz to 4.82×1014Hz 6.22×10–7m to 7.80×10–7m 4.82×1014Hz to 3.84×1014Hz

JEE-PhysicsS. Radiation Discover HowWavelength Range Frequency rangeEnergyPropertiesApplication No. producted range 114 E 5. Infra-Red Willam (a) Rearrangement 7.8×10–7m to 10–3m 4×1014Hz to 3×1011Hz 1.6eV to 10–3eV (a) Thermal effect (a) Used in indu- 3×1011 Hz to 109 Hz (b) All properties stry, medicine waves Herschell of outer orbital simillar to those of and astronomy light except  (b) Used for fog electrons in atoms or haze photography (c) Elucidating and molecules. molecular structure. (b) ChangeE of molecular vibrational and rotational energies (c) By bodies at high temperature. 6. Microwaves Hertz Special electronic 10–3 to 0.3m 10–3ev to 10–5eV (a) Phenomena of (a) Radar and teleco- 10–3eV to 0 reflection, mmunication. devices such as refraction and (b) Analysis of fine diffraction details of molecular klystron tube structure (a) Exhibit waves (a) Radio 7. Radio waves Marconi Oscillating circuits 0.3 to few kms. 109Hz to few Hz like properties communication more than particle like properties. Subparts of 0.01m to 0.1m 3×1010Hz to 3×109Hz Radar, Radio and satelite communication Radio- 0.1 m to 1m 3×109Hz to 3×108Hz (Microwaves), Radar and Television spectrum 1 m to 10 m 3×108Hz to 3×107Hz broadcast short distance communication, (A) Super High Frequency 10m to 100 m 3×107Hz to 3×106Hz Television communication. (a) SHF 100 m to 1000 m 3×106Hz to 3×105Hz Ultra High Frequency 1000 m to 10000 m 3×105Hz to 3×104Hz Medium distance communication (b) UHF 10000 m to 30000 m 3×104Hz to 104Hz Telephone communication, Marine and Very High Frequency navigation use, long range communi- (c) VHF cation. Long distance communication. (B) High Frequency (HF) Medium Frequency (MF) Low Frequency (LF) Very Low Frequency (VLF) Node-6\\E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No.-10\\EMI & AC\\English\\04 EMW Theory.p65

JEE-Physics SOME WORKED OUT EXAMPLES Example#1 In a plane electomagnetic wave, the electric field oscillates sinusoidally at a frequency of 2 × 1010 Hz and amplitude 48 V/m. The amplitude of oscillating magnetic field will be – Solution Oscillating magnetic field B  E  48  16 108 Wb/m2 c 3 108 Example#2 In the above problem, the wavelength of the wave will be – Solution Wavelength of electromagnetic wave   c  3 108  1.5 102  1.5 cm  2 1010 Example#3 A point source of electromagnetic radiation has an average power output of 800W. The maximum value of electric field at a distance 3.5 m from the source will be – Solution I Pav  E 2 4 r 2 m Intensity of electromagnetic wave given is by 2oc o cPav (4  107 )  (3  108 )  800 2 r 2 2  3.5 2  Em  = = 62.6 V/m Node-6\\E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No.-10\\EMI & AC\\English\\04 EMW Theory.p65 Example#4 In the above problem, the maximum value of magnetic field will be – Solution The maximum value of the magnetic field is given by Bm  Em 62.6 2.09 × 10–7 T c = 3 108 Example#5 What should be the height of transmitting antenna if the T.V. telecast is to cover a radius of 128 km ? Solution Height of transmitting antenna h  d2  (128  103 )2  1280 m 2Re 2  6  4  106 E 115

JEE-Physics Example#6 The area to be covered for T.V. telecast is doubled, then the height of transmitting antenna (T.V. tower) will have to be – Solution The area of transmission of surrounding the T.V. tower A = d2 = (2hRe) A h Example#7 In an electomagnetic wave, the amplitude of electric field is I V/m. The frequency of wave is 5 × 1014 Hz. The wave is propagating along z-axis. The average energy density of electric field, in Joule/m3, will be Solution Average energy dendity is given by uE  1 o E 2  1 o  Eo 2  1 o E 2  1  8.85 1012  (1)2 = 2.2 × 10–12 J/m2 2 2  2 4 o 4     Example#8 A T.V. tower has a height of 100 m. How much population is covered by T.V. broadcast, if the average population density around the tower is 1000/km2 ? Solution Radius of the area coved by T.V. telecast d  2hR e Total population covered = d2 × population density = 2hRe × polulation density 1000 = 2 × 3.14 × 100 × 6.4 × 106 × 106 = 39.503 × 105 Example#9 An electomagnetic radiation has an energy 14.4 KeV. To which region of electromagnetic spectum does it belong ? Solution hc  6.6 1034  3 108 = 0.8 × 10–10 m = 0.8Å  14.4 103 1.6 1019 E This wavelength belongs to X–ray region Node-6\\E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No.-10\\EMI & AC\\English\\04 EMW Theory.p65 116 E

JEE-Physics EXERCISE 1 CHECK YOUR GRASP  1 . If E and B are the electric and magnetic field vectors of electromagnetic waves then the direction of propagation of electromagnetic wave is along the direction of –    (4) none of these (1) E (2) B (3) E × B 2 . The electromagnetic waves do not transport - (1) energy (2) charge (3) momentum (4) information 3 . In an electromagnetic wave the average energy density is associated with – (1) electric field only (2) magnetic field only (3) equally with electric and magnetic fields (4) average energy density is zero 4 . In an electromagnetic wave the average energy density associated with magnetic field will be (1) 1 L I2 B2 (3) 1 0 B 2 (4) 1 0 2 (2) 20 2 2 B2 5 . In the above problem, the energy density associated with the electric field will be – (1) 1 CV 2 1 q2 1 2 (4) 1 0 E 2 2 (2) (3) 2 2C 2E 6 . In which part of earth's atmosphere is the ozone layer present ? (1) troposphere (2) stratosphere (3) ionosphere (4) meosphere 7 . The ozone layer is earth's atmosphere is crucial for human survival because it – (1) has ions (2) reflects radio signals (3) reflects ultraviolet rays (4) reflects infra red rays Node-6\\E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No.-10\\EMI & AC\\English\\04 EMW Theory.p65 8 . The frequency from 3 × 109 Hz to 3 × 1010 Hz is – (2) super high frequency band (1) high frequency band (4) very high frequency band (3) ultra high frequency band 9 . The frequency from 3 to 30 MHz is known as – (2) medium frequency band (1) audio band (4) high frequency band (3) very high frequency band 1 0 . The AM range of radiowaves have frequency – (1) less than 30 MHz (2) more than 30 MHz (3) less than 20000Hz (4) more than 20000Hz 11. Select wrong statement from the following for EMW - (2) travel with same speed in all medium (1) are transverse (4) are produced by accelerating charge E (3) travel with the speed of light 117

JEE-Physics (3) transverse (4) transverse stationary 1 2 . The nature of electromagnetic wave is – (1) longitudinal (2) longitudinal stationary 1 3 . Which of the following are not electromagnetic waves ? [AIEEE–2002] (1) Cosmic-rays (2) -rays (3) -rays (4) X-rays 1 4 . The rms value of the electric field of the light coming from the sun is 720 N/C. The average total energy density of the electromagnetic wave is- [AIEEE–2006] (1) 4.58 × 10–6 J/m3 (2) 6.37 × 10–9 J/m3 (3) 81.35 × 10–12 J/m3 (4) 3.3 × 10–3 J/m3  15. An electromagnetic wave in vacuum has the electric and magnetic fields E and B, which are always perpendicular   to each other. The direction of polarizaiton is given by X and that of wave propagation by k . Then :-     [AIEEE - 2012]   (2) and k||B  E (1) X | | E and k| | B  E X | | B   (3) X| | E and k| | E  B (4) X| | B and k| | E  B 1 6 . An electromagnetic wave with frequency  and wavelength  travels in the +y direction. Its magnetic field is along _ x axis. The vector equation for the associated electric field (of amplitude E0) is :- [AIEEE–2012 (Online)] (1)   E0 cos  t  2 y  xˆ (2)   E 0 cos  t  2 y  xˆ E    E    (3)   E 0 cos  t  2 y  ˆz (4)   E0 cos  t  2 y  ˆz E    E   ANSWER KEY EXERCISE Node-6\\E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No.-10\\EMI & AC\\English\\04 EMW Theory.p65 Q 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 A 3 2 3 2 4 2 3 2 2 1 2 3 1, 3 1 3 4 118 E

JEE-Physics ELECTROSTATICS ELECTRIC  CHARGE Charge  is  the  property  associated  with  matter  due  to  which  it  produces  and  experiences  electrical  and  magnetic effects.  The  excess  or  deficiency  of  electrons    in  a  body  gives  the  concept  of  charge. Types  of  charge  : (i)  Positive  charge  :  It  is  the  deficiency  of  electrons  as  compared  to  proton. (i)  Negative  charge  :  It  is  the  excess  of  electrons  as  compared  to  proton. SI  unit  of  charge  :    ampere  ×    second  i.e.  Coulomb Dimension  :  [A  T] Practical  units  of  charge  are  ampere  ×    hour  (=3600  C)  and  faraday  (=  96500  C) • Millikan  calculated  quanta  of  charge  by  'Highest  common  factor'  (H.C.F.)  method  and  it  is  equal  to    charge  of electron. • 1  C  =  3    109  stat  coulomb,  1  absolute  -  coulomb    =  10  C,  1  Faraday  =  96500  C. SPECIFIC  PROPERTIES  OF  CHARGE • Charge  is  a  scalar  quantity  :  It  represents  excess  or  deficiency  of  electrons. • Charge  is  transferable    :  If  a  charged  body  is  put  in  contact  with  an  another  body,  then  charge  can  be transferred  to  another  body. • Charge  is  always  associated  with  mass Charge  cannot  exist  without  mass  though  mass  can  exist  without  charge. • So  the  presence  of  charge  itself  is  a  convincing    proof  of  existence  of  mass. • In  charging,  the  mass  of  a  body  changes. • When  body  is  given  positive  charge,  its  mass  decreases. • When  body  is  given  negative  charge,  its  mass  increases. • Charge  is  quantised The  quantization  of  electric  charge  is  the  property  by  virtue  of  which  all  free  charges  are  integral  multiple  of  a basic  unit  of  charge  represented  by  e.  Thus  charge  q  of  a  body  is  always  given  by q  =  ne n  =    positive  integer  or  negative  integer   The  quantum  of  charge  is  the  charge  that  an  electron  or  proton  carries. Note  :  Charge  on  a  proton  =  (–)  charge  on  an  electron  =  1.6  ×    10–19  C • Charge  is  conserved In  an  isolated  system,  total  charge  does  not  change  with  time,  though  individual  charge  may  change  i.e.  charge can  neither  be  created  nor  destroyed.  Conservation  of  charge  is  also  found  to  hold  good  in  all  types  of  reactions either  chemical  (atomic)  or  nuclear.  No  exceptions  to  the  rule  have  ever  been  found. NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 • Charge  is  invariant Charge  is  independent  of  frame  of  reference.  i.e.  charge    on  a  body  does    not  change  whatever  be  its  speed. Accelerated  charge  radiates  energy v = 0 (i.e. at rest) v = constant v  constant (i.e. time varying) + + + Q Q Q produces only E produces both E and B produces E, B (electric field) (magnetic field) but no radiation and radiates energy • Attraction  –  Repulsion Similar  charges  repel  each  other  while  dissimilar  attract E1

JEE-Physics METHODS  OF  CHARGING • F ri ct i on : If  we  rub  one  body  with  other  body,  electrons  are  transferred  from  one  body  to  the  other. Transfer  of  electrons  takes  places  from  lower  work  function  body  to  higher  work  function  body. Positive charge Negative charge Glass rod Silk cloth Woollen cloth Rubber shoes, Amber, Plastic objects Dry hair Comb Flannel or cat skin Ebonite rod Note : Clouds become charged by friction  • Electrostatic  induction If  a  charged  body  is  brought  near  a  metallic  neutral    body,  the  charged  body  will  attract  opposite  charge  and repel  similar  charge  present  in  the  neutral  body.  As  a  result  of  this  one  side  of  the  neutral  body  becomes negative  while  the  other  positive,  this  process  is  called  'electrostatic  induction'. •  Charging  a  body  by  induction  (in  four  successive  steps) charging q'=0 charging q'=-ve charging q'=-ve q'=-ve body  body  body     charged body is  uncharged body is  uncharged body is  charging  brought near  connected to  disconnected   body earth  from the earth  uncharged body  step-2 step-3 is removed  step-4 step-1 Some  important  facts  associated  with  induction- (i) Inducing  body  neither  gains  nor  loses  charge (ii) The  nature  of  induced  charge  is  always  opposite  to  that  of  inducing  charge (iii) Induction  takes  place  only  in  bodies  (either  conducting  or  non  conducting)  and  not  in  particles. • Conduction The  process  of  transfer  of  charge  by  contact  of  two  bodies  is  known  as  conduction.  If  a  charged  body  is  put  in NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 contact  with  uncharged  body,  the  uncharged  body  becomes  charged  due  to  transfer  of  electrons  from  one  body to  the  other. • The  charged  body  loses  some  of  its  charge  (which  is  equal  to  the  charge  gained  by  the  uncharged  body) •  The  charge  gained  by  the  uncharged  body  is  always  lesser  than  initial  charge  present  on  the  charged  body. •  Flow  of  charge  depends  upon  the  potential  difference  of  both  bodies.  [No  potential  difference   No  conduction]. •  Positive  charge  flows  from  higher  potential  to  lower  potential,  while  negative  charge  flows  from  lower  to                         higher  potential. 2 E

JEE-Physics GOLDEN  KEY  POINTS • Charge  differs  from  mass  in  the  following  sense. (i)      In  SI  units,  charge  is  a  derived  physical  quantity  while  mass  is  fundamental  quantity. (ii)  Charge  is  always  conserved  but  mass  is  not  (Note  :  Mass  can  be  converted  into  energy  E=mc2 (iii)  The  quanta  of  charge  is  electronic  charge  while  that  of  mass  it  is  yet  not  clear. (iv)  For  a  moving  charged  body  mass  increases  while  charge  remains  constant. • True  test  of  electrification  is  repulsion  and  not  attraction  as  attraction  may  also  take  place  between  a  charged and  an  uncharged  body  and  also  between  two  similarly  charged  bodies. q • For  a  non  relativistic  (i.e.  v  <<  c)  charged  particle,    specific  charge   =constant m q • For  a  relativistic  charged  particle    decreases  as  v  increases,  where  v  is  speed  of  charged  body. m Example When  a  piece  of polythene  is  rubbed  with  wool,  a  charge  of –  2  ×  10–7  C  is  developed  on  polythene.  What is  the  amount  of  mass,  which  is  transferred  to  polythene. Solution Q 2 107 From  Q  =  ne,  So,  the  number  of  electrons  transferred  n  e =  1.6 1019   =  1.25  ×  1012 Now  mass  of  transferred  electrons  =  n  ×    mass  of  one  electron  =  1.25  ×  1012  ×  9.1  ×  10–31  =  11.38  ×  10–19  kg Example 1012    –  particles  (Nuclei  of  helium)  per  second  falls  on  a  neutral  sphere,  calculate  time  in  which  sphere  gets charged  by  2C. Solution Number  of   –  particles  falling  in  t  second  =  1012t Charge  on   –  particle  =  +2e  , So  charge  incident  in  time  t  =    (1012t).(2e)  Given  charge  is  2  C 10 18  2  ×    10–6  =  (1012t).(2e)   t  1.6  1019  6.25s NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 COULOMB'S  LAW The  electrostatic  force  of  interaction  between  two  static  point  electric  charges  is  directly  proportional  to  the product  of  the  charges,  inversely  proportional  to  the  square  of  the  distance  between  them  and  acts  along  the straight  line  joining  the  two  charges. If  two  points  charges  q   and  q   separated  by  a  distance  r.  Let  F  be  the  electrostatic  force  between  these  two 12 charges.  According  to  Coulomb's  law. F  q  q  and  1 + –+ + 1 2 r2 F q2 on1  1  q2 F q1on 2 2   F  F1 on         q1  F2on1 2 kq1q2   1  9 109 Nm2  r2 k 4 0  k  =  coulomb's  constant  or  electrostatic  force  constant F   =  where  C2  e E3

JEE-Physics Coulomb's  law  in  vector  form    =  force  on  q   due  to  q   =  kq1q2 ˆr21 F12 r F21 12 r2 q1 r12 q2 F12    =  kq1q2 ˆr12     (here  ˆr12   is  unit  vector  from  q  to  q  ) r2 1 2 F21 Coulomb's  law  in  terms  of  position  vector y r21 q2 q1 r2 x   = kq 1 q 2    ( r1  r2 ) r1 F12 r1  r2 3 O Principle  of  superposition The  force  is  a  two  body  interaction,  i.e.,  electrical  force  between  two  point  charges  is  independent  of  presence or  absence  of  other  charges  and  so  the  principle  of  superposition  is  valid,  i.e.,  force  on  a  charged  particle  due   to  number  of  point  charges  is  the  resultant  of  forces  due  to  individual  point  charges,  i.e.,  F1 =  F12 + F13 +... Note  :  Nuclear  force  is  many  body  interaction,  so  principle  of  superposition  is  not  valid  in  case  of  nuclear  force. When  a  number  of  charges  are  interacting,  the  total  force  on  a    given  charge  is  vector  sum  of  the  forces  exerted on  it  by  all  other  charges  individually  kq0q1  kq0q2  ...  kq0qi  ... kq0qn  n qi r12 r22 ri2 rn2 i 1 ri2 in  vector  form  F  kq0 F ˆri SOME  IMPORTANT  POINTS  REGARDING  COULOMB’S  LAW  AND  ELECTRIC  FORCE • The  law  is  based  on  physical  observations  and  is  not  logically  derivable  from  any  other  concept.  Experiments  till today  reveal  its  universal  nature. • The  law  is  analogous  to  Newton’s  law  of  gravitation  :  F  =  G  m1m2   with  the  difference  that  : r2 (a) Electric  force  between  charged  particles  is  much  stronger  than  gravitational  force,  i.e.,  F   >>F .  This  is EG why  when  both  F   and  F   are  present,  we  neglect  F . EG G (b) Electric  force  can  be  attractive  or  repulsive  while  gravitational  force  is  always  attractive. (c) Electric  force  depends  on  the  nature  of  medium  between  the  charges  while  gravitational  force  does  not. (d) The  force  is  an  action–reaction  pair,  i.e.,  the  force  which  one  charge  exerts  on  the  other  is  equal  and opposite  to  the  force  which  the  other  charge  exerts  on  the  first. • The  force  is  conservative,  i.e.,  work  done  in  moving  a  point  charge  once  round  a  closed  path  under  the  action of  Coulomb’s  force  is  zero. • The  net  Coulomb’s  force  on  two  charged  particles  in  free  space  and  in  a  medium  filled  upto  infinity  are NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 1 q1q2   and  F'  =  1   q1q2 .  So  F    =  K, F =  40 r2 4  r2   =  0 F'  Dielectric  constant  (K)  of  a  medium  is  numerically  equal  to  the  ratio  of  the  force  on  two  point  charges  in  free space  to  that  in  the  medium  filled  upto  infinity. • The  law  expresses  the  force  between  two  point  charges  at  rest.  In  applying  it  to  the  case  of  extended  bodies  of finite  size  care  should  be  taken  in  assuming  the  whole  charge  of  a  body  to  be  concentrated  at  its  ‘centre’  as  this is  true  only  for  spherical  charged  body,  that  too  for  external  point. Although  net  electric  force  on  both  particles  change  in  the  presence  of  dielectric  but  force  due  to one  charge  particle  on  another  charge  particle  does  not  depend  on  the  medium  between  them. • Electric  force  between  two  charges  does  not  depend  on  neighbouring  charges. 4E

JEE-Physics Example If  the  distance  between  two  equal  point  charges  is  doubled  and  their  individual  charges  are  also  doubled, what  would  happen  to  the  force  between  them? Solution 1 qq 1 (2q) (2q) 1 4q2 1 q2 F  =  40 r2   ....(i) 4r2   =  40   r2   Again, F'  = 40   (2r )2 or  F'  =   =  F 4 0 So,  the  force  will  remain  the  same. Example A  particle  of  mass  m  carrying  charge  '+q '  is  revolving  around  a  fixed  charge  '–q '  in  a  circular  path  of 12 radius  r.  Calculate  the  period  of  revolution. Solution 1 q1q2   =  mr2  =  42mr 40 r2 T2 T2  =  (40 )r 2(42mr) or 0mr q1q2 T  =  4r  q1q2 where     is  the  vector  drawn  from  source  charge  is  test  charge. r Example The  force  of  repulsion  between  two  point  charges  is  F,  when  these  are  at  a  distance  of  1  m.  Now  the  point charges  are  replaced  by  spheres  of  radii  25  cm  having  the  charge  same  as  that  of  point  charges.  The  distance between  their  centres  is  1  m,  then  compare  the  force  of  repulsion  in  two  cases. Solution In  2nd  case  due  to  mutual  repulsion,  the  effective    distance  between  their  centre  of  charges  will  be  increased (d'  >  d)  so  force  of  repulsion  decreases      as  F  1 d2 d d' EQUILIBRIUM  OF  CHARGED  PARTICLES NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 In  equilibrium  net  electric  force  on  every  charged  particle  is  zero.  The  equilibrium  of  a  charged  particle,  under the  action  of  Colombian  forces  alone  can  never  be  stable.  Equilibrium  of  three  point  charges (i)      Two  charges  must  be  of  like  nature  as Fq  KQ1q  KQ2q 0 x Q2 x2 Q1 q r  x2 r (ii)    Third  charge  should  be  of  unlike  nature  as  FQ1  KQ1Q2  KQ1q 0 r2 x2 Therefore  x  Q1 r   and  q  =  Q1 Q 2 ( Q1  Q2 )2 Q1  Q2 E5

JEE-Physics  Equilibrium  of  symmetric  geometrical  point  charged  system Value  of  Q  at  centre  for  which  system  to  be  in  state  of  equilibrium q       q a q aa a Qa aq Q q a qq q q(2 2  1) (i)    For  equilateral  triangle  Q  =  3   (ii)    For  square  Q  =  4  Equilibrium  of  suspended  point  charge  system For  equilibrium  position Tcos    =  mg        and sin  F  =  kQ2 Fe kQ2    T    =  e  tan  =  mg  =  x2mg Tcos T x2  Fe Q Q • If    is  small  then  tan Tsin x  mg x x kQ2 1   ~~  sin  =  2    2 =  x2 mg    x3 =  2kQ2  Q2 3   x    mg  2 0 mg  • If  whole  set  up  is  taken  into  an  artificial  satellite  (g ~ 0)  then  T  =    F= kq2       2 eff e 180° 4 2 q q Example q a Q For  the  system  shown  in  figure  find  Q  for  which  resultant  force  on  q  is  zero. (0,a) (a,a) Solution a FA For  force  on  q  to  be  zero,  charges  q  and  Q  must  be  of  opposite  of  nature. q Net  attraction  force  on  q  due  to  charges  Q  =  Repulsion  force  on  q  due  to  q (0,0) FR Q a FA kQq kq2   F   =  F   2   =  ( 2a )2    q = 2 2  Q Hence    q = – 2 2Q 2 AR a2 Example NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65   Two  identically  charged  spheres  are  suspended  by  strings  of  equal  length.  The  strings  make  an  angle  of  300 with  each  other.  When  suspended  in  a  liquid  of  density  0.8  g/cc  the  angle  remains  same.  What  is  the  dielectric constant  of  liquid.  Density  of  sphere  =  1.6  g/cc. 300 E 150 F mg 6

JEE-Physics Solution F   When set  up  shown  in  figure is  in  air, we  have tan  150  =   mg When  set  up  is  immersed  in  the medium  as  shown F in  figure,  the    electric  force  experienced  by  the  ball  will  reduce  and  will  be  equal  to  r   and  the  effective gravitational  force  will  become    mg      Thus  we  have  tan 150   = F F1 =2 1 s  mg r  mg    r  1       1 s  s 300 15° F r mgeff=mg 1   Example   Given  a  cube  with  point  charges  q  on  each  of  its  vertices.  Calculate  the  force  exerted  on  any  of  the  charges  due to  rest  of  the  7  charges. Solution   The  net    force  on  particle  A  can  be  given  by  vector  sum  of  force  experienced  by  this  particle  due  to  all  the  other  q  charges  on  vertices  of  the  cube.  For  this  we  use  vector  form  of  coulomb's  law  F   r1  r2  kq1 2 r1  r2 3   kq2 akˆ From  the  figure  the  different  forces  acting  on  A  are  given  as  FA1   =  a 3     kq2 Z       FA2  aˆj  akˆ  kq2 aˆi  aˆj  akˆ  kq2 aˆi  akˆ (a,0,a) 1  ,  FA3  ; FA4  3 3 3 4 (a,a,a) (0,a,a) 2a 3a 2a 2 3 NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65      kq2 aˆi  aˆj X5 A (0,0,0) ,   FA6  (a,0,0)    FA5 3 (0,a,0) kq2 aˆi  kq2 aˆj 6 7  a3 2a ,  FA7  a3 (a,a,0) y The  net  force  experienced  by  A  can  be  given  as   kq2  1 1  1   3 3 2   Fnet  FA1  FA2  FA3  FA4  FA5  FA6  FA7    a 2    ˆi  ˆj  kˆ  E7

JEE-Physics Example Five  point  charges,  each  of  value  +q  are  placed  on  five  vertices  of  a  regular  hexagon  of  side  Lm.  What is  the  magnitude  of  the  force  on  a  point  charge  of  value  –q  coulomb  placed  at  the  centre  of  the  hexagon? Solution If  there  had  been  a  sixth  charge  +q  at  the  remaining  vertex  of  hexagon  force  due  to  all  the  six  charges on  –q  at  O  will  be  zero  (as  the  forces  due  to  individual  charges  will  balance  each  other).  Now  if    f   is  the  force  due  to  sixth  charge  and  F   due  to  remaining  five  charges.   1 qq q2 F  f  0  F  f  F  f  4 0 L2  4 0 L2 ELECTRIC  FIELD In  order  to  explain  ‘action  at  a  distance’,  i.e.,  ‘force  without  contact’  between  charges  it  is  assumed  that  a charge  or  charge  distribution    produces  a  field  in  space  surrounding  it.  So  the  region  surrounding  a  charge  (or charge  distribution)  in  which  its  electrical  effects  are  perceptible  is  called  the  electric  field  of  the  given  charge.  Electric  field  at  a  point  is  characterized  either  by  a  vector  function  of  position  E   called  ‘electric  intensity’  or  by a  scalar  function  of  position  V  called  ‘electric  potential’.  The  electric  field  in  a  certain  space  is  also  visualized graphically  in  terms  of  ‘lines  of  force.’  So  electric  intensity,  potential  and  lines  of  force  are  different  ways  of describing  the  same  field. Intensity  of  electric  field  due  to  point  charge p Electric  field  intensity  is  defined  as  force  on  unit  test  charge. r q    Lim    F   =  kq ˆr   =    kq  E q0 r2 r3 r q0 0 Note : Test charge (q ) is a fictitious charge that exerts no force on nearby charges but experiences forces due to them. 0 Properties  of  electric  field  intensity  : NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 (i) It  is  a  vector  quantity.  Its  direction  is  the  same  as  the  force  experienced  by  positive  charge. (ii) Electric  field  due  to  positive  charge  is  always  away  from  it  while  due  to  negative  charge  always towards  it. (iii) Its  unit  is  Newton/coulomb (iv) Its  dimensional  formula  is  [MLT–3A–1] (v) Force  on  a  point  charge  is  in  the  same  direction  of  electric  field  on  positive  charge  and  in opposite  direction  on  a  negative  charge.  E  qE (vi) It  obeys  the  superposition  principle  that  is  the  field  intensity  point  due  to  charge  distribution  is vector  sum  of  the  field  intensities  due  to  individual  charge 8E

JEE-Physics GOLDEN  KEY  POINTS • Charged  particle  in  an  electric  field  always  experiences  a  force  either  it  is  at  rest  or  in  motion. 1 • In  presence  of  a  dielectric  ,  electric  field  decreases  and  becomes  r   times  of  its  value  in  free  space. • Test  charge  is  always  a  unit  (+  ve)  charge.               E Ftest test charge   • If  identical  charges  are  placed  on  each  vertices  of  a  regular  polygon,  then  E   at  centre  =  zero. ELECTRIC  FIELD  INTENSITIES  DUE  TO  VARIOUS  CHARGE  DISTRIBUTIONS Due  to  discrete  distribution  of  charge p Field  produced  by  a  charge  distribution  for  discrete  distribution:–                 kq  q4 ri By  principle  of  superposition  intensity  of  electric  field  due  to  ith  charge    E ip  ri3 ri q3 qi q1  q2   Net  electric  field  due  to  whole  distribution  of  charge  Ep  Ei P r i 1 Continuous  distribution  of  charge  1 dq  Treating  a  small  element  as  particle  E  4 0 r r3 dq Due  to  linear  charge  distribution E  =  k d  r2 [  =  charge  per  unit  length] Due  to  surface  charge  distribution  E  =  k  ds s r2 [  =  charge  per  unit  area] Due  to  volume  charge  distribution  E  =  k  dv v r2 [  =  charge  per  unit  volume] NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 Electric  field  strength  at  a  general  point  due  to  a  uniformly  charged  rod P As  shown  in  figure,  if  P  is  any  general  point  in  the  surrounding  of  rod,              1 2 to  find  electric  field  strength  at  P,  we  consider  an  element  on  rod  of r length  dx  at  a  distance  x  from  point  O  as  shown  in  figure. Now  if  dE  be the  electric  field  at  P  due  to  the  element,  then kdq Q O  dE  =   Here  dq  =  dx L x2  r2 L dEcos dE Electric  field  strength  in  x–direction  due  to  dq  at  P  is       kdq  kQ sin  P dEsin sin   dx  dE       r    x =  dE   =  x2  r2 sin    =  L x2  r2 Here  we  have  x  =  r  tan     and  dx  =  r  sec2  d  Thus  dE  kQ r sec2  d kQ x   sin    ,    Strength  =  L r dx x L r2 sec2  sin  d E9

JEE-Physics Net  electric  field  strength  due  to  dq  at  point  P  in  x–direction  is kQ 1 sin  d kQ  cos  1  kQ      2 Lr  2 Lr Lr      Ex  dE x cos 2  cos 1 kQ dx Similarly,  electric  field  strength  at  point  P  due  to  dq  in  y–direction  is  dE y  dE cos    =   ×  cos   L r2  x2 Again  we  have  x  =  r  tan  and  dx  =  r  sec2  d.  Thus  we  have  dE =  kQ cos    ×  r sec2  d = kQ cos  d y L r2 sec2  Lr Net  electric  field  strength  at  P  due  to  dq  in  y–direction  is 1 kQ kQ cos  d   = k Q Lr Lr 2 L r 1      Ey  =  2 dE y   =     sin  =   sin 1  sin 2 Thus  electric  field  at  a  general  point  in  the  surrounding  of  a  uniformly  charged  rod  which  subtend  angles  1   and 2  at  the  two  corners  of  rod  can  be  given  as in  x–direction  : Ex   =  kQ   cos 2  cos 1    and  in  y–direction  E y  kQ sin 1  sin 2  Lr Lr Electric  field  due  to  a  uniformly  charged  ring Case  –  I  :  At  its  centre B + + + A+ + + + ++++ + ++ + + O R + + + D+ NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 C + + + ++ Here  by  symmetry  we  can  say  that  electric  field  strength  at  centre   due  to  every  small  segment  on  ring  is+ cancelled  by  the  electric  field  at  centre  due  to  the  segment  exactly  opposite  to  it.    The  electric  field  strength  at centre  due  to  segment  AB  is  cancelled  by  that  due  to  segment  CD.  This  net  electric  field  strength  at  the  centre of  a  uniformly  charged  ring  is  E =0 0 Case  II  :  At  a  point  on  the  axis  of  Ring d + + + ++ + + + +++++++ R P dE cos C +  dE sin dE Q E 10

JEE-Physics Here  we'll  find  the  electric  field  strength  at  point  P  due  to  the  ring  which  is  situated  at  a  distance  x  from  the  ring centre.  For  this  we  consider  a  small  section  of  length  d  on  ring  as  shown.  The  charge  on  this  elemental  section is      dq  =  Q d   [Q=  total  charge  of  ring] 2 R Kdq  Due  to  the  element  d,  electric  field  strength  dE  at  point  P  can  be  given  as  dE=  R2  x2 The  component  of  this  field  strength  dE  sin    which  is  normal  to  the  axis  of  ring  will  be  cancelled  out  due  to  the ring  section  opposite  to  d .  The  component  of  electric  field  strength  along  the  axis  of  ring  dE cos    due  to  all the  sections  will  be  added  up.  Hence  total  electric  field  strength  at  point  P  due  to  the  ring  is 2R kdq x 2R kQx  d   = kQx 2 R R2  x2 =  O 2R R2  x2 2 R R2  x2 3 / 2 d O         E p  dE cos  = R2  x2   ×  O kQ x   kQ x R2  x2 R2  x2 3 /2           =  3/2 2R 2 R Electric  field  strength  due  to  a  charged  circular  arc  at  its  centre  :   Figure  shows  a  circular  arc  of  radius  R  which  subtend  an  angle    at  its  centre.  To  find  electric  field  strength  at C,  we  consider  a  polar  segment  on  arc  of  angular  width  d   at  an  angle     from  the  angular  bisector  XY  as shown. x Rd +++++++++++++++++++ d  NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65+++ ++ +++++ R C   dEsin dE dEcos Y The  length    of  elemental  segment  is  Rd,  the  charge  on  this  element  d  is  dq  =  Q  .d    Due  to  this  dq,  electric  field  at  centre  of  arc  C  is  given  as  dE  kdq R2 Now  electric  field  component  due  to  this  segment  dEsin  which  is  perpendicular  to  the  angular  bisector  gets cancelled  out  in  integration  and  net  electric  field  at  centre  will  be  along  angular  bisector  which  can  be  calculated  by integrating dEcos within limits from –  2  to 2 .  Hence net electric field strength at centre C is  EC   dE cos  / 2 kQ kQ / 2 kQ / 2 kQ sin   2 kQ s in     / 2 R 2 R 2 R 2  / 2 R 2 2 2   2  cos d =   / 2    =  cos d   =  sin    =   sin  = R 2 E 11

JEE-Physics Electric  field  strength  due  to  a  uniformly  surface  charged  disc  : If  there  is  a  disc  of  radius  R,  charged  on  its  surface  with  surface  charge  density   we  wish  to  find  electric  field strength  due  to  this  disc  at  a  distance  x  from  the  centre  of  disc  on  its  axis  at  point  P  shown  in  figure.  dy yx dE P To  find  electric  field  at  point  P  due  to  this  disc,  we  consider  an  elemental  ring  of  radius  y  and  width  dy  in  the  disc as  shown  in  figure.  The  charge  on  this  elemental  ring      dq  =  .2ydy   [Area  of  elemental  ring  ds  =  2y  dy] Now  we  know  that  electric  field  strength  due  to  a  ring  of  radius  R,  charge  Q,  at  a  distance  x  from  its  centre  on kQx x2  R2 3 /2 its  axis  can  be  given  as  E  Here  due  to  the  elemental  ring  electric  field  strength  dE  at  point  P  can  be  given  as kdqx k2y  dy  x    dE= x 2  y 2 3 / 2   =  x2  y2 3 / 2 Net  electric  field  at  point  P  due  to  this  disc  is  given  by  integrating  above  expression  from  0  to  R  as R k 2 x y dy R 2 y  dy = 2kx  1 R  1  x x2  y2 3 /2  x2   2 0  dE  0 0      E  =  =  3/2 kx y2 x2  R2  x2  y2 0 Example Calculate  the  electric  field  at  origin  due  to  infinite  number  of  charges  as  shown  in  figures  below. fig (a) fig (b) qq q q –q q O 4 x(m) 4 x(m) O 12 12 Solution E0  kq 1  1 1  kq.1 4kq [   S   =  a 1 (a) 1 4         =  (1  1 / 4)   =  3   ,  a  = 1  and  r  =  ]  1r 4 16 (b) E0  kq 1  1 1  kq.1 4kq NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 1 4         =  5 1  1 / 4    =  16 Example A  charged  particle  is  kept  in  equilibrium  in  the  electric  field  between  the  plates  of  millikan  oil  drop  experiment. If  the  direction  of  the  electric  field  between  the  plates  is  reversed,  then  calculate  acceleration  of  the  charged particle. Solution Let  mass  of  the  particle  =  m,    Charge  on  particle  =  q Intensity  of  electric  field  in  between  plates  =  E,  Initially  mg  =  qE After  reversing  the  field  ma  =  mg  +  qE ma  =  2mg  Acceleration  of  particle  a  =  2g 12 E

JEE-Physics Example Calculate  the  electric  field  intensity  E  which  would  be  just  sufficient  to  balance  the  weight  of  an  electron. If  this  electric  field  is  produced  by  a  second  electron  located  below  the  first  one  what  would  be  the distance between them? [Given : e = 1.6 × 10-19  C,  m  =  9.1  ×  10–31  kg  and  g  =  9.8  m/s2] Solution As  force  on  a  charge  e  in  an  electric  field  E F   =  eE e So  according  to  given  problem F  =  W     eE  =  mg e mg 9.1  1031  9.8 V  E  e  1.6  1019 =  5.57  ×  10–11  m As  this  intensity  E  is  produced  by  another  electron  B,  located  at  a  distance  r  below  A. 1e e  So,  r  9  109  1.6  1019   5  m E  40 r2  r  4 0 E  5.57  10 11    Example A  block  having  mass  m  =  4  kg  and  charge  q  =  50  C  is  connected  to  a  spring  having  a  force  constant k  =  100  N/m.  The  block  lies  on  a  frictionless  horizontal  track  and  a  uniform  electric  field E  =  5  ×  105  V/m  acts  on  the  system  as  shwon  in  figure.  The  block  is  released  from  rest  when  the  spring is  unstretched  (at  x  =  0) (a)  By  what  maximum  amount  does  the  spring  expand? (b)  What  is  the  equilibrium  position  of  the  block? (c)  Show  that  the  block's  motion  is  simple  harmonic  and  determine  the  amplitude  and  time  period  of  the  motion. Solution (a)  As  x  increases,  electric  force  qE  will  accelerate  the  block  while  elastic  force  in  the  spring  kx  will oppose  the  motion.  The  block  will  move  away  from  its  initial  position  x  =  0  till  it  comes  to  rest,  i.e.,  work done  by  the  electric  force  is  equal  to  the  energy  stored  in  the  spring. So  if  x   is  maximum  stretch  of  the  spring. max 1 k x 2  (qE )xmax xmax  =  2qE     x   =  2  (50  106 )  (5  105 )   =  0.5  m 2 m k 100 ax max (b)  In  equilibrium  position  F   =  0,  so  if  x   is  the  stretch  of  the  spring  in  equilibrium  position R0 NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 k x   =   qE    x   =  ( qE/k )  =  1   x   =  0.25  m max 0 0 2 (c)  If  the  displacement  of  the  block  from  equilibrium  position  (x )  is  x,  restoring  force  will  be 0 F  =  k(x  ±  x )     qE  =  kx           [ax  kx   =  qE] 0 0 and  as  the  restoring  force  is  linear  the  motion  will  be  simple  harmonic  with  time  period m4 T  2  2  0.4 s k 100 and amplitude  =  x   –  x   =  0.5  –  0.25  =  0.25  m max 0 E 13

JEE-Physics ELECTRIC  LINES  OF  FORCE Electric  lines  of  electrostatic  field  have  following  properties + A B– (i) Imaginary qA>qB (ii) Can  never  cross  each  other (iii) Can  never  be  closed  loops (iv) The  number  of  lines  originating  or  terminating  on  a  charge  is  proportional  to  the  magnitude  of  charge.  In rationalised  MKS  system  (1/o)  electric  lines  are  associated  with  unit  charge,  so  if  a  body  encloses  a  charge  q  , total  lines  of  force  associated  with  it  (called  flux)  will  be  q/o. (v) Lines  of  force  ends  or  starts  normally  at  the  surface  of  a  conductor. (vi) If  there  is  no  electric  field  there  will  be  no  lines  of  force. (vii) Lines  of  force  per  unit  area  normal  to  the  area  at  a  point  represents  magnitude  of  intensity  ,  crowded  lines represent  strong  field  while  distant  lines  weak  field. (viii) Tangent  to  the  line  of  force  at  a  point  in  an  electric  field  gives  the  direction  of  intensity.  So  a  positive    charge  free to  move  follow  the  line  of  force. GOLDEN  KEY  POINTS • Lines  of  force  starts  from  (+ve)  charge  and  ends  on  (–ve)  charge. • Lines  of  force  start  and  end  normally  on  the  surface  of  a  conductor      . +s + – –s ++ – E=0 E=0 + – – – – – – –     + – + – fixed point charge near  edge effect infinite metal plate • The  lines  of  force  never  intersect  each  other  due  to  superposition  principle. • The  property  that  electric  lines  of  force  contract  longitudinally  leads  to  explain  attraction  between  opposite charges. • The  property  that  electric  lines  of  force  exert  lateral  pressure  on  each  other  leads  to  explain  repulsion between  like  charges. Electric  flux  () NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 The    word  \"flux\"  comes  from  a  Latin  word  meaning  \"to  flow\"  and  you  can  consider  the  flux  of  a  vector  field  to  be a  measure  of  the  flow  through  an  imaginary  fixed  element  of  surface  in  the  field.  Electric  flux  is  defined  as    E   E  dA  This  surface  integral  indicates  that  the  surface  in  question  is  to  be  divided  into  infinitesimal  elements  of  area  dA  and  the  scalar  quantity  E  dA   is  to  be  evaluated  for  each  element  and  summed  over  the  entire  surface. Important  points  about  electric  flux  : (i)  It  is  a  scalar  quantity (ii)  Units    (V–m)  and  N  –  m2/C Dimensions  :  [ML3T–3A–1] (iii)  The  value  of    does  not  depend  upon  the  distribution  of  charges  and  the  distance  between  them  inside  the closed  surface. 14 E

JEE-Physics Electric  Flux  through  a  circular  Disc  : Figure  shows  a  point  charge  q  placed  at  a  distance    from  a  disc  of  radius  R.  Here  we  wish  to  find  the  electric flux  through  the  disc  surface  due  to  the  point  charge  q.  We  know  a  point  charge  q  originates  electric  flux  in radially  outward  direction.  The  flux      is  originated    in  cone  shown  in  figure  passes  through    the  disc  surface.  q To  calculate  this  flux,  we  consider  on  elemental  ring  an  disc  surface  of  radius  x  and  width  dx  as  shown.  Area  of kq  this  ring  (strip)  is    dS  2x  dx .  The  electric  field  due  to  q  at  this  elemental  ring  is  given  as    E= x 2   2 If  d   is  the  flux  passing  through  this  elemental  ring,  then  dS x  q  kq  2kq x  dx    d  = E d S c o s   =  x2  2  ×  2x  dx ×     =  2  x2 3 / 2 x2  2 R q R q  1 R q 1 1  =  0     =  2 0  2  2 0        d  =      q  x  dx x  dx   =      x2 3 / 2  0 2  x2  0 2 0 x2 2  x2 3 / 2 2 0 2 The  above  result  can  be  obtained  in  a  much  simpler  way  by  using  the  concept  of  solid  angle  and  Gauss's  law. NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 Electric  flux  through  the  lateral  surface  of  a  cylinder  due  to  a  point  charge  : Figure shows a cylindrical surface of length L and radius R. On its axis     at its centre a point charge q is placed. Here we wish to find the flux coming out from the lateral surface of this cylinder due to the point charge q.  For this we co ns id er  an elem ental s tr ip  o f wi dth d x on the s ur face of  c ylinder as  s hown.  T he area of  th is  s tr ip  i s dS  =  2 R .d x dS E   C x R q L E 15

JEE-Physics kq  The  electric  field  due  to  the  point  charge  on  the  strip  can  be  given  as  E  x2  R2   .  If  d   is  the  electric  flux R dx x2  R2   =  2 KqR2 ×  x2  R 2 3 / 2 Kq    through  the  strip,  then    d  EdS cos   =  x2  R2   ×  2 Rdx ×  qR2 L / 2 dx q 0  d  L / 2 x2  R2 2  4R2 2 0 Total  flux  through  the  lateral  surface  of  cylinder     3/2 = This  situation  can  also  be  easily  handled  by  using  the  concepts  of  Gauss's  law. GAUSS'S  LAW It  relates  with  the  total  flux  of  an  electric  field  through  a  closed  surface  to  the  net  charge  enclosed  by  that  surface and  according  to  it,  the  total  flux  linked  with  a  closed  surface  is  1 / 0    times  the  charge  enclosed  by  the  closed   q surface  i.e.,  S E.ds = 0 n E ds r rO +q REGARDING  GAUSS'S  LAW  IT  IS  WORTH  NOTING  THAT  : Note  : (i) Flux  through  gaussian  suface  is  independent  of  its  shape. (ii) Flux  through  gaussian  suface  depends  only  on  charges  present  inside  gaussian  surface. (iii) Flux  through  gaussian  suface  is  independent  of  position  of  charges  inside  gaussian  surface. (iv) Electric  field  intensity  at  the  gaussian  surface  is  due  to  all  the  charges  present  (inside  as  well  as  out  side) (v) In  a  close  surface  incoming  flux  is  taken  negative  while  outgoing  flux  is  taken  positive. (vi) In  a  gaussian  surface    =  0  does  not  employ  E  =  0        but  E  =  0  employs    =  0. (vii) Gauss's  law  and  Coulomb's  law  are  equivalent,  i.e.,  if  we  assume  Coulomb's  law  we  can  prove  Gauss's  law  and NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 vice–versa.  To  prove  Gauss's  law  from  Coulomb's  law  consider  a  hypothetical  spherical  surface  [called  Gaussian– surface]  of  radius  r  with  point  charge  q    at  its  centre  as  shown  in  figure.  By  Coulomb's  law  intensity  at  a  point P  on  the  surface  will  be,      1  And  hence  electric  flux  linked  with  area          =  1 q   E 4 0r3 r ds E.ds 4 0 r3 r.ds     1 q 1 1   q r ds E.ds 4 0 r2 4 0 r2   E.ds 0  Here  direction  of  S   and  are  same,  i.e.,   S =  ds  4 r 2   S   =  Which  is  the  required  result.    Though  here  in  proving  it  we  have  assumed  the  surface  to  be  spherical,  it  is  true for  any  arbitrary  surface  provided  the  surface  is  closed. 16 E

JEE-Physics (viii) (a)  If  a  closed  body  (not  enclosing  any  charge)  is  placed  in  an  electric  field  (either  uniform  or  non–uniform)  total flux  linked    with  it  will  be  zero.      sphere E=0 E=0 (A) (B) (b)  If  a  closed  body  encloses  a  charge  q,  then  total  flux q q (C)  q q (A)  (B)  E=(q/0) (D)   E=(q/ 0)  E=(q/ 0) E=(q/0) linked  with  the  body  will  be    S    = q E.ds 0 From  this  expression  it  is  clear  that  the  flux  linked  with  a  closed  body  is  independent  of  the  shape  and  size  of  the body  and  position  of  charge  inside  it.[figure] Note  :  So  in  case  of  closed  symmetrical  body  with  charge  at  its  centre,  flux  linked  with  each  half  will  be 1 E  =   q    and  the  symmetrical  closed  body  has  n  identical  faces  with  point  charge  at  its  centre,  flux  linked 2  20  with  each  face  will  be   E    =   q   n   n0  (ix) Gauss's  law  is  a  powerful  tool  for  calculating  electric  intensity  in  case  of  symmetrical  charge  distribution  by  choosing  a  Gaussian–  surface  in  such  a  way  that  E   is  either  parallel  or  perpendicular  to  its  various  faces.  As  an example,  consider  the  case  of  a  plane  sheet  of  charge  having  charge  density  .  To  calculate  E  at  a  point  P  close to  it  consider  a  Gaussian  surface  in  the  form  of  a  'pill  box'  of  cross–section  S  as  shown  in  figure. NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65   +++    n E + + + ++  n E + + + ++ + + E n + + + ++ + + n + + + ++ + + + + + ++ + + Ein=0 + + + ++ + + n+ + + + + + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + ++ + + + + + + + + +++ Sheet of charge Conductor (A) (B) The  charge  enclosed  by  the  Gaussian–surface  =  S  and  the  flux  linked  with  the  pill  box  =  ES  +  0  +  ES  =  2ES (as  E  is  parallel  to  curved  surface  and  perpendicular  to  plane  faces) 11  So  from  Gauss's  law,    E   =  0 (q),  2ES  =  0   S      E  =  20 E 17

JEE-Physics (x) If   =0,        =0,  so  q  =  0  but  if  q=0,    =0    So     may  or  may  not  be  zero. E E  E.ds  E.ds If  a  dipole  is  enclosed  by  a  closed  surface  then,  q  =0,  so       =0,  but    0 E.ds E Note  :  If  instead  of  plane  sheet  of  charge,  we  have  a  charged  conductor,  then  as  shown  in  figure  (B)  E =0. in  So  E  ES   and  hence  in  this  case  E= 0 .  This  result  can  be  verified  from  the  fact  that  intensity  at  the  surface 1q of  a  charged  spherical  conductor  of  radius  R  is,  E  =  40 R2   with  q  =  4R2 1    =  0  So  for  a  point  close  to  the  surface  of  conductor,  E  =  40R2   ×  4 R2 Example   If  a  point  charge  q  is  placed  at  the  centre  of  a  cube. What  is  the  flux  linked  (a)  with  the  cube?  (b)  with  each  face  of  the  cube? Solution (a) According  to  Gauss's  law  flux  linked  with  a  closed  body  is  (1/0)    times  the  charge  enclosed  and  here  the 1 closed  body  cube  is  enclosing  a  charge  q  so,  T  0 (q) (b) Now  as  cube  is  a  symmetrical  body  with  6–faces  and  the  point  charge  is  at  its  centre,  so  electric  flux linked  with  each  face  will  be  F  1 T   q 6 60 Note: (i) Here  flux  linked  with  cube  or  one  of  its  faces  is  independent  of  the  side  of  cube. (ii) If  charge  is  not  at  the  centre  of  cube  (but  anywhere  inside  it),  total  flux  will  not  change,  but  the  flux  linked with  different  faces  will  be  different. Example NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 If  a  point  charge  q  is  placed  at  one  corner  of  a  cube,  what  is  the  flux  linked  with  the  cube? Solution In this case by placing three cubes at three sides of given cube and four cubes above, the charge will be in the centre. qq So, the flux linked with each cube will be one–eight of the flux  0 .  Flux associated with given cube =  80 18 E

JEE-Physics ds E FLUX  CALCULATION  USING  GAUSS  LAW R E ds ds in=  –R2  E  and  out=  R2  E   total  =  0 E RE in=    circular =   –R2 E    and  out=     curved   =  R2  E   total  =  0   E y E ds ds a in=  –a2  E  and  out=  a2 E    total  =  0 a ds x z a E in  1 R 2E   and  out  1 R 2E     total  =  0 – 2 2 E kq   2R 2  q R2 q Rq E  R2 0 2 0 4 Note  :  here  electric  field  is  radial q q q   =  2 0 hemisphere q qq     =  2 0 cylinder R R q  q q   cube  =  2 0 NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 q q qq   =  q q 8 0 E q q   =  4 0 19

JEE-Physics Example As  shown  in  figure  a  closed  surface  intersects  a  spherical  conductor.  If  a  negative  charge  is  placed  at  point  P. What  is  the  nature  of  the  electric  flux  coming  out  of  the  closed  surface  ? close surface conductor ++++ ++++++++ P –Q Solution + Point  charge  Q  induces  charge  on  conductor  as  shown  in  figure. + Net  charge  enclosed  by  closed  surface  is  negative  so  flux  is  negative. +++ Example  Consider  E   =  3  ×  103 ˆi   (N/C)  then  what  is  the  flux  through  the  square  of  10  cm  side,  if  the  normal  of  its  plane makes  60°  angle  with  the  X  axis. Solution  = EScos = 3  ×  103  ×  [10  ×  10–2]2 × cos60° =  3  ×  103  ×  10–2  ×  ½      =  15  Nm2/C Example Find the electric field due to  an infinitely long  cylindrical charge distribution  of  radius R and having linear  charge density   at a  distance  half of  the  radius  from  its  axis. Solution F I2kr 2k R R HG KJE= R2   =  R2 2   =  4 0 R  r  =    point  will  be  inside so 2 ELECTRIC  FIELD  DUE  TO  SOLID  CONDUCTING  OR  HOLLOW  SPHERE ++ E • For  outside  point  (r  >  R) P dA r +++ +++     q OR E.ds Using  Gauss's  theorem 0 ++     At  every  point  on  the  Gaussian  surface     ;     =  E  ds  cos  0°  =    E  ds Gaussian surface NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 E ds E.ds  E.ds  q   [E  is constant  over  the  gaussian surface]     E  4r2  q      E  =  q r2 p 40 0 0 • For  surface  point  r  =  R : q • For  Inside  point  (r  <  R) : ES  4 0 R2 Because  charge  inside  the  conducting  sphere  or  hollow  is  zero. (i.e.  q  =  0) So      q   =  0   E  =  0 E .ds 0 in 20 E

JEE-Physics ELECTRIC  FIELD  DUE  TO  SOLID  NON  CONDUCTING  SPHERE E P ds • Outside  (r  >  R) r From  Gauss's  theorem OR s   q  E  4r2 q   EP q r2 Gaussian surface E.ds 0   E 0 4 0 P ds r • At  surface  (r  =  R) OR q ES  40 R2     Put  r  =  R • Inside  (r  <  R)  : From  Gauss's  theorem    q E.ds 0 s Where  q  charge  contained  within  Gaussian  surface  of  radius  r E(4r2 )  q E  q ...(i) Gaussian surface 0 4r2 0 As  the  sphere  is  uniformly  charged,  the  volume  charge  density  (charge/volume)    is  constant  throughout  the q  4 r 3   q 4 r3  qr3 3   3)R3   3  q sphere    4 R 3    charge  enclosed  in  gaussian  surface q   =   (4 R3 3 1 qr 4 0 R3 put  this  value  in  equation  (i)  E in  ELECTRIC  FIELD  DUE  TO  AN  INFINITE  LINE  DISTRIBUTION  OF  CHARGE Let  a  wire  of  infinite  length  is  uniformly  charged  having  a  constant  linear  charge  density  . P  is  the  point  where  electric  field  is  to  be  calculated. Let  us  draw  a  coaxial  Gaussian  cylindrical  surfaces  of  length    . dS1  From  Gauss's  theorem    q r Gaussian    E.dS1 E surface s1  dS3  E.dS2  E.dS 3  0 E s2 s3      E  dS1  so E.dS1  0  and  E  dS2  so  E.dS2  0 E  2r  q  E 0 [ E  dS3 ] dS2 Charge  enclosed  in  the  Gaussian  surface        q  =  . NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 So E  2r    E   r or    E  2k   where  k  =  1 0 2 0 r 4  0 ( f ) Charged  cylindrical  nonconductor  of  infinite  length Electric  field  at  outside  point   2k ˆr r  >  R Gaussian Electric  field  at  inside  point EA r r  <  R Surface   r EB  2 0 R2 E 21

JEE-Physics DIELECTRIC  IN  ELECTRIC  FIELD    . Let  E0   be  the  applied  field,  Due  to  polarisation,  electric  field  is  – + E p E0 – E0 + E0  – Ep + The  resultant  field  is  E .  For  homogeneous  and  isotropic  dielectric,  – E+ + the  direction  of  E p   is  opposite  to  the  direction  of  E0 . – So,  Resultant  field  is  E=E0–EP  GOLDEN  KEY  POINTS • Electric  field  inside  a  solid  conductor  is  always  zero. • Electric  field  inside  a  hollow  conductor  may  or  may  not  be  zero  (E   0  if  non  zero  charge  is  inside  the  sphere). • The  electric  field  due  to  a  circular  loop  of  charge  and  a  point  charge  are  identical  provided  the  distance  of  the observation  point  from  the  circular  loop  is  quite  large  as  compared  to  its  radius i.e.    x  >>>  R. Example For  infinite  line  distribution  of  charge  draw  the  curve  between  log  E  and  log  r. Solution   E   r  A  where A     constant log E 2 0 r 2 0 log A take  log  on  both  side  log  E  =  log  A  –  log  r log r Example A  point  charge  of  0.009  C  is  placed  at  origin.  Calculate  intensity  of  electric  field  due  to  this  point  charge  at  point  2, 7,0 . Solution      ;    where    x i  yj  2 i  7 j ,    9  105  9  109 ( 2 ˆi  7 ˆj) =  3 2 ˆi  3 7 ˆj NC 1 E qr r E (3)3 4 0 r3 ELECTROSTATIC  POTENTIAL  ENERGY NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 Potential  energy  of  a  system  of  particles  is  defined  only  in  conservative  fields.  As  electric  field  is  also conservative,  we  define  potential  energy  in  it.  Potential  energy  of  a  system  of  particles  we  define  as  the  work done  in  assembling  the  system  in  a  given  configuration  against  the  interaction  forces  of  particles.  Electrostatic potential  energy  is  defined  in  two  ways. (i)  Interaction  energy  of  charged  particles  of  a  system (ii)  Self  energy  of  a  charged  object • Electrostatic  Interaction  Energy Electrostatic  interaction  energy  of  a  system  of  charged  particles  is  defined  as  the  external  work  required  to assemble  the  particles  from  infinity  to  the  given  configuration.  When  some  charged  particles  are  at  infinite separation,  their  potential  energy  is  taken  zero  as  no  interaction  is  there  between  them.  When  these  charges are  brought  close  to  a  given  configuration,  external  work  is  required  if  the  force  between  these  particles  is repulsive  and  energy  is  supplied  to  the  system,  hence  final  potential  energy  of  system  will  be  positive.  If  the force  between  the  particle  is  attractive,  work  will  be  done  by  the  system  and  final  potential  energy  of  system will  be  negative. 22 E

JEE-Physics • Interaction  Energy  of  a  system  of  two  charged  particles   Figure  shows  two  +  ve  charges  q   and  q   separated  by  a  distance  r.  The  electrostatic  interaction  energy  of  this 12 system  can  be  given  as  work  done  in  bringing  q   from  infinity  to  the  given  separation  from  q . 21 x q1 r q2 dx F r   r kq1q2 F.dx  x2  It  can  be  calculated  as  W  =  dx   [  –  ve  sign  shows  that  x  is  decreasing]   =  –  W  =  kq1q2   =  U  [  interaction  energy] r If  the  two  charges  here  are  of  opposite  sign,  the  potential  energy  will  be  negative  as U  =  –  kq1q2 r • Interaction  Energy  for  a  system  of  charged  particles   When  more  than  two  charged  particles  are  there  in  a  system,  the  interaction  energy  can  be  given  by  sum  of interaction  energies  of  all  the  pairs  of  particles.  For  example  if  a  system  of  three  particles  having  charges  q , 1 q   and  q   is  given  as  shown  in  figure. 23 q1 r3 r2 r1 q2 q3 The  total  interaction  energy  of  this  system  can  be  given  as  U  =  kq1q2   +  kq1q3   +  kq2q3 r3 r2 r1 ELECTRIC  POTENTIAL Electric  potential  is  a  scalar  property  of  every  point  in  the  region  of  electric  field.  At  a  point  in  electric  field potential  is  defined  as  the  interaction  energy  of  a  unit  positive  charge.  If  at  a  point  in  electric  field  a  charge  q 0 U has  potential  energy  U,  then  electric  potential  at  that  point  can  be  given  as V  =  q0   joule/coulomb NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 Potential  energy  of  a  charge  in  electric  field  is  defined  as  work  done  in  bringing  the  charge  from  infinity  to  the given  point  in  electric  field.  Similarly  we  can  define  electric  potential  as  \"work  done  in  bringing  a  unit  positive charge  from  infinity  to  the  given  point  against  the  electric  forces. Example A  charge  2C  is  taken  from  infinity  to  a  point  in  an  electric  field,  without  changing  its  velocity,  if  work done  against  electrostatic  forces  is  –40J  then  potential  at  that  point  is  ? Solution V  Wext  40J  20V q 2C Note  : Always  remember  to  put  sign  of  W  and  q. E 23

JEE-Physics • Electric  Potential  due  to  a  point  charge  in  its  surrounding  : p r q U The  potential  at  a  point  P  at  a  distance  r  from  the  charge  q    V   =  q0 .  Where  U  is  the  potential  energy  of P charge  q   at  point  p,  U  =  kqq0 .  Thus  potential  at  point  P  is kq 0r V   =  Pr Electric  Potential  due  to  a  charge  Rod  : Figure  shows  a  rod  of  length  L,  uniformly  charged  with  a  charge  Q.  Due  to  this  we'll  find  electric  potential  at  a point  P  at  a  distance  r  from  one  end  of  the  rod  as  shown  in  figure. x Q dx rP L For  this  we  consider  an  element  of  width    dx  at  a  distance  x  from  the  point  P. Charge  on  this  element  is Q dQ  =  L   dx The  potential  dV  due  to  this  element  at  point  P  can  be  given  by  using  the  result  of  a  point  charge  as kdq kQ dV  =  =  dx x Lx  rL kQ kQ  r  L  Net  electric  potential  at  point  P :  V  =  dV   =  Lx dx =  L ln   r  r Electric  potential  due  to  a  charged  ring Case  –  I  :  At  its  centre To  find  potential  at  the  centre  C  of  the  ring,  we  first  find  potential  dV  at centre  due  to  an  elemental  charge kdq dV   =   kdq   =  kQ dq  on  ring  which  is  given  as  dV  =    Total  potential  at  C  is  V=  R  . R R Q ++ ++ R++ ++ ++ ++ dq C NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 + + + ++ As  all  dq's  of  the  ring  are  situated  at  same  distance  R  from  the  ring  centre  C,  simply  the  potential  due  to  all  dq's kQ is  added  as  being  a  scalar  quantity,  we  can  directly  say  that  the  total  electric  potential  at  ring  centre  is  . R Here  we  can  also  state  that  even  if  charge  Q  is  non–uniformly  distributed  on  ring,  the  electric  potential  C  will remain  same. 24 E

JEE-Physics Case  II  :  At  a  point  on  axis  of  ring We  find  the  electric  potential  at  a  point  P  on  the  axis  of  ring    as  shown, we  can  directly  state  the  result  as here  also  all  points  of  ring  are  at  same  distance  x2  R2   from  the  point  P,  thus  the  potential  at  P  can  be  given kQ as  V   =  R2  x2 P ++++++ ++ + + + + x 2+R 2 R xP + Electric  potential  due  to  a  uniformly  charged  disc  : Figure  shows  a  uniformly  disc  of  radius  R  with  surface  charge  density    coul/m2.  To  find  electric  potential  at point  P  we  consider  an  elemental  ring  of  radius  y  and  width  dy,  charge  on  this  elemental  ring  is    dq=2y  dy. kdq k..2y  dy Due  to  this  ring,  the  electric  potential  at  point  P  can  be  given  as dV  =  x2  y2 =  x2  y2  dy yx P Net  electric  potential  at  Point  P  due  to  whole  disc  can  be  given  as R y  dy   R    dV  0 2 0   ·  x2  y2 = 2 0  2 0    V  =  x2  y2  =   x2  R2  x 0 ELECTRIC  POTENTIAL  DUE  TO  HOLLOW  OR  CONDUCTING  SPHERE • At  outside  sphere NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 R r>R P According  to  definition  of  electric  potential,  electric  potential  at  point  P r  rq  q  q r 1 q 1 r q  E .dr   4 0   r2 4 0  r  4 0    4 0 4 0   V  r2 dr   Eout  r2  ;  V  dr   r  E 25

JEE-Physics • At  surface R  Rq  q  q R 1  q 1 R q  E .dr   4 0 r2    4 0  r  4 0     4 0 4 0   V  r2 dr   E out  ;  V  r2 dr    V  R    • Inside  the  surface    :     Inside  the  surface  E   dV  0       V  =  constant  so  V  q dr 4  0 R ELECTRIC  POTENTIAL  DUE  TO  SOLID  NON  CONDUCTING  SPHERE • At  outside  sphereSame  as  conducting  sphere. • At  Surface Same  as  conducting  sphere. • Inside  the  sphere r  R r  V   E .dr  V    E1dr   E 2 dr    R R  kq  r  kqr  dr    1 R kq  r2 r   V     r2  dr      V   kq   r   R3  2 R     3      R  R V  1 r2 R2   V  kq 3 R 2  r2  kq     2R3   R 2R3 2R3 Potential  Difference  Between  Two  points  in  electric  field Potential  difference  between  two  points  in  electric  field  can  be  defined  as  work  done  in  displacing  a  unit positive  charge  from  one  point  to  another  against  the  electric  forces. AB If a unit +ve charge is displaced fromV Aa point A to B as shown work reVqBuired can be given as V  – V  = –  B  B A E.dx A If  a  charge  q  is  shifted  from  point  A  to  B,  work  done  against  electric  forces  can  be  given  as W  =  q  (V   –  V ) BA If  in  a  situation  work  done  by  electric  forces  is  asked,  we  use  W  =  q  (V   –  V ) AB If  V   <  V ,  then  charges  must  have  tendency  to  move  toward  B  (low  potential  point)  it  implies  that  electric BA forces  carry  the  charge  from  high  potential  to  low  potential  points.  Hence  we  can  say  that  in  the  direction  of electric  field  always  electric  potential  decreases. Example 1C  charge  is  shifted  from  A  to  B  and  it  is  found  that  work  done  by  external  force  is  80J  against NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 electrostic  forces,  find  V   –  V AB Solution W   =  q(V   –  V ) AB B A 80  J  =  1C  (V   –  V )    V  –  V  =  –  80  V B A A B Equipotential  surfaces For  a  given  charge  distribution  ,  locus  of  all  points  having  same  potential  is  called  'equipotential  surface'. • Equipotential  surfaces  can  never  cross  each  other  (otherwise  potential  at  a  point  will  have  two  values  which is  absurd) 26 E

JEE-Physics • Equipotential  surfaces  are  always  perpendicular  to    direction  of  electric  field. • If  a  charge  is  moved  from  one  point  to  the  other  over  an  equipotential  surface  then  work  done W  =  – U   = q  (V –V )  = 0          [ V   =  V ] AB AB BA BA • Shapes  of  equipotential  surfaces V=V1 V=V2 V=V1 V=V2 V=V2 V=V1 for uniform electric field  for a point charge, spherical  for a line distribution of  equipotential surfaces  conductor equipotential  charge equipotential  surfaces are spherical are parallel plane surfaces are cylinderical • The  intensity  of  electric  field  along  an  equipotential  surface  is  always  zero. Electric  Potential  Gradient The  maximum  rate  of  change  of  potential  at  right  angles  to  an  equipotential  surface  in  an  electric  field  is  defined  as  potential  gradient.    E  V   =  –  grad  V Note  :  Potential  is  a  scalar  quantity  but  the  gradient  of  potential  is  a  vector  quantity L O MN QPIn  cartesian  co–ordinates  V =  V i  V j  V k x y z Example If  V  =  –5x  +  3y  +  15 z    then  find  magnitude  of  electric  field  at  point  (x,y,z). Solution   –  V ˆi  V ˆj  V kˆ =  –(–5 i   +  3 j   +  15 k )     25  9 15  49  7 unit E  x y z  |E| Example The  four  charges  q  each  are  placed  at  the  corners  of  a  square  of  side  a.  Find  the  potential  energy  of  one of  the  charges NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 The  electric  potential  of  a  point  A  due  to  charges  B,  C  and  D  is 1q 1 q 1 q 1   2  1  q 2a 40 a 40 2 a V =  40   a  +  40    +     =     Potential  energy  of  the  charge  at  A  is  PE  =  qV  =  1   2  1    q2 . 40 2 a E 27

JEE-Physics Example A  proton  moves  with  a  speed  of  7.45  ×  105  m/s  directly  towards  a  free  proton  originally  at  rest.  Find  the distance  of  closest  approach  for  the  two  protons. 1 N  m2 ;  m   =  1.67  ×  10–27  kg  and  e  =  1.6  ×  10–19  C Given  : 4 0   =  9  ×  109  p C2 Solution As  here  the  particle  at  rest  is  free  to  move,  when  one  particle  approaches  the  other,  due  to  electrostatic repulsion  other  will  also  start  moving  and  so  the  velocity  of  first  particle  will  decrease  while  of  other  will increase  and  at  closect  approach  both  will  move  with  same  velocity.  So  if  v  is  the  common  velocity  of each  particle  at  closest  approach,  by  'conservation  of  momentum'. 1 mu  =  mv  +  mv v =  2  u 1 1 1 1 e2 And  by  conservation  of  energy 2   mu2  =  2   mv2  +  2   +  40   r 4e2 u So,  r=  40mu2 [as  v  =  2 ] And  hence  substituting  the  given  data, 4  (1.6  10 19 )2 r  =  9  ×  109  ×  1.67  1027  (7.45  103 )2   =  10–12  m ELECTRIC  DIPOLE A  system  of  two  equal  and  opposite    charges    separated  by  a  certain  distance  is  called  electric  dipole,  shown  in figure.  Every  dipole  has  a  characteristic  property  called  dipole  moment.  It  is  defined  as  the  product  of  magnitude of  either  charge  and  the  separation  between  the  charges,  given  as p = qd d -q p +q In  some  molecules,  the  centres  of  positive  and  negative  charges  do  not  coincide.  This  results  in  the  formation  of electric  dipole.  Atom  is  non  –  polar  because  in  it  the  centres  of  positive  and  negative  charges  coincide.  Polarity can  be  induced  in  an  atom  by  the  application  of  electric  field.  Hence  it  can  be  called  as  induced  dipole.  • Dipole  Moment  :  Dipole  moment  p   =  q d +q p q NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 (i) Vector  quantity  ,    directed  from  negative  to  positive  charge (ii) Dimension  :  [LTA],    Units  :  coulomb  ×    metre  (or  C-m) (iii) Practical  unit  is  \"debye\"    Two  equal  and  opposite  point  charges  each  having  charge  10–10 frankline  (  e)  and  separation  of  1Å  then  the  value  of  dipole  moment  (p ) is  1  debye. Cm E 1  Debye  =    10–10  ×    10–10    Fr  ×    m      =  10–20  ×    3  109    3.3  ×    10–30  C  ×    m 28

JEE-Physics Example A  system  has  two  charges  qA  =  2.5  ×  10–7  C  and  qB  =  –  2.5  ×  10–7  C  located  at  points  A:  (0,  0,  –  0.15  m) and  B  ;  (0,  0,  +  0.15  m)  respectively.  What  is  the  total  charge  and  electric  dipole  moment  of  the  system? Solution Total  charge  =  2.5  ×  10–7  –  2.5  ×  10–7  =  0 Electric  diople  moment, p  =  Mangitude  of  either  charge  ×  separation  between  charges       =  2.5  ×  10–7 [0.15  +  0.15]  C  m    =  7.5  ×  10–8  C  m.  The  direction  of  dipole  moment  is  from  B  to  A.   •              Dipole  Placed  in  uniform  Electric  Field  Figure  shows  a  dipole  of  dipole  moment  p placed  at  an  angle     to  the  direction    of  electric  field.  Here  the    charges  of  dipole  experience  forces  qE  in  opposite  direction  as  shown.    Fnet   =  qE  (q) E   0 + qE p E – – qE Thus  we  can  state  that  when  a  dipole  is  placed  in  a  uniform  electric  field,  net  force  on  the  dipole  is  zero.  But  as equal  and  opposite  forces  act  with  a  separation  in  their  line  of  action,  they  produce  a  couple  which  tend  to  align the  dipole  along  the  direction  of  electric  field.  The  torque  due  to  this  couple  can  be  given  as    =  Force  ×  separation  between  lines  of  actions  of  forces  =  qE  ×  d  sin    =  pE  sin          r  F  d  qE  qd  E  p  E Work  done  in  Rotation  of  a  Dipole  in  Electric  field When  a  dipole  is  placed  in  an  electric  field  at  an  angle   ,  the  torque  on  it  due  to  electric  field  is    pE sin  Work  done  in  rotating  an  electric  dipole  from  1  to  2  [  uniform  field] 2   dW  =   d   so  W  =  dW =   d   and  W1 2   =  W  =  pE  sin  d  =    pE  (cos1  –  cos2) 1 e.g. W     =  pE  [1–  (–1)]  =  2  pE W    = pE (1–0)      =   pE 0  180 0    90 NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 If  a  dipole  is  rotated  from  field  direction  (  =  0°  )  to   then W  =  pE  (  1–  cos) E + –+ E – p+ p p   =  0 E   =  180°   =  minimum  =  0  =  minimum  =  0 W  =  minimum  =  0 – W  =  maximum  =  2pE   =  90°   =  maximum  =  pE W  =  pE E 29

JEE-Physics Electrostatic  potential  energy  : Electrostatic potential energy of a dipole placed in a uniform field is defined as work done in rotating a dipole from   a direction perpendicular to the field to the given direction i.e.,  W90  pE sin  d = – pE cos =  –  p.E 90  E   is  a  conservative  field  so  what  ever  work  is  done  in    rotating  a  dipole  from  1  to  2  is  just  equal  to  change  in electrostatic  potential  energy  W1 2  U 2  U 1 =  pE  (cos  1–  cos  2) Work  done  in  rotating  an  electric  dipole  in  an  electric  field Suppose  at  any  instant,  the  dipole  makes  an  angle    with  the  electric  field.  The  torque  acting  on  dipole.    =  qEd =  (q  2 sin)E  =  pE  sin  The  work  done  in  rotating  dipole  from  1 to  2 2 2 B  +q W   d   pE sin  d qE 1 1 2 d  W  =  pE  (cos1  –  cos2)  =  U  –  U      (   U  =  –  pE  cos)   2 1 q A C E qE Force  on  an  electric  dipole  in  Non–uniform  electric  field  :   If  in  a  non–uniform  electric  field  dipole  is  placed  at  a  point  where  electric  field  is  E,  the  interaction  energy  of dipole  at  this  point      U   .  Now  the  force  on  dipole  due  to  electric  field  F  =  –  U p.E r dE If  dipole  is  placed  in  the  direction  of  electric  field  then  F=  –  p  dx Example Calculate  force  on  a  dipole  in  the  surrounding  of  a  long  charged  wire  as  shown  in  the  figure. +++++++++++ p -q +q NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 r  Solution In  the  situation  shown  in  figure,  the  electric  field  strength  due  to  the  wire,  at  the  position 2k of  dipole  as  E  =  r Thus  force  on  dipole  is  F  =  –  p.  dE   =  –  p    2k    =  2kp dr  r2  r2 Here  –ve  charge  of    dipole  is  close  to  wire  hence  net  force  an  dipole  due  to  wire  will be  attractive. 30 E

JEE-Physics ELECTRIC  POTENTIAL  DUE  TO  DIPOLE • At  axial  point kq –q O q V1  (r  ) P Electric  potential  due  to  +q  charge r Electric  potential  due  to  –q  charge kq V2  (r  ) kq kq kq  2 kp (r  )  (r  )   Net  electric  potential V  =  V   +  V     =  (r2  2 ) r2  2 12 If  r  > >  >      V  kp r2 • At  equitorial  point Electric  potential  of  P  due  to  +q  charge kq P V   =  x rx –q  O  q 1x Electric  potential  of  P  due  to  –q  charge kq V   =   2x kq kq Net  potential V  =  V   +  V   =     =  0    V  =  0 12 x x • At  general  point   p cos  p . r p  q d electric  dipole  moment V  = 40r2  40r3 y Electric  field  due  to  an  electric  dipole Enet Er E  Figure  shows  an  electric  dipole  placed  on  x–axis  at  origin.  Here    we  wish  to find  the  electric  field  and  potential  at  a  point  O  having  coordinates  (r,  ).  Due O to  the  positive  charge  of  dipole  electric  field  at  O  is  in  radially  outward  direction and  due  to  the  negative  charge  it  is  radially  inward  as  shown  in  figure. r V 2kp cos  1 V kp sin   x r r3   r3 -q +q NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 E   =–       and  E   r r Thus  net  electric  field  at  point  O,  E   =  E 2  E 2   =  kp   1  3 cos2  net r  r3 If  the  direction  of  E  is  at  an  angle    from  radial  direction,  then    =  tan–1  E 1 tan  net Er =  2 Thus  the  inclination  of  net  electric  field  at  point  O  is  ( E 31

JEE-Physics Oq • At  a  point  on  the  axis  of  a  dipole  :  E2 E1 –q r  Electric  field  due  to  +q  charge  E   =  kq Electric  field  due  to  –q  charge  E   =  kq 1 2 (r  )2 (r  )2 kq kq kq  4r Net  electric  field E  =  E   –  E   =     =            [ p  =  q  ×    2  =  Dipole  moment] 12 (r  )2 (r  )2 (r2  2 )2 2kpr 2kp                  E = (r2  2 )2  If r >>>  then E =  r3 • At  a  point  on  equitorial  line  of  dipole  : E1 sin E1 kq kq Electric  field  due  to  +q  charge  E1  x2 ;  Electric  field  due  to  –q  charge  E2  x2 E P Vertical  component  of  E   and  E   will  cancel  each  other  and  horizontal  12 E2 E 2 sin components  will  be  added  So  net  electric  field  at  P E  =  E1cos  +  E2cos  [  E  =  E] x x 1 2  E  =    2E   cos  =  2kq cos   cos      and  x  r2  2 r 1 x2 x q  –q   O E  2kq  2kq kp   If  r  >  >  >    then    kp   kp  x3 (r2  2 )3 2  2 )3 2 r3 E r3 = (r2 E    or  GOLDEN  KEY  POINTS  • For  a  dipole,  potential    is  zero  at  equatorial  position,  while  at  any  finite  point  E   0   • In  a  uniform  E ,  dipole  may  feel  a  torque  but  not  a  force.   • If  a  dipole  placed  in  a  field  E   (Non-Uniform)  generated  by  a  point  charge,  then  torque  on  dipole  may  be  zero, but  F    0  • Distribution Point charge Dipole Force between Point charge Dipole and Dipole-dipole Potential proportional to r–1 r–2 point charge E proportional to r–2 r–3 Proportional to r–2 r–3 r–4 Example NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65   A  short  electric  dipole  is  situated  at  the  origin  of  coordinate  axis  with  its  axis  along  x–axis  and  equator  along y–axis.  It  is  found  that  the  magnitudes  of  the  electric  intensity  and  electric  potential  due  to  the  dipole  are  equal at  a  point  distant  r  =  5 m  from  origin.  Find  the  position  vector  of  the  point  in  first  quadrant. Solution kp kp cos  1  E P  VP     r3 1  3 cos2    =  r2    1+3  cos2    =  5  cos2       cos    =  2         =  450  Position  vector   5 r   of  point P  is  r   =    ˆi  ˆj 2 32 E

JEE-Physics Example Prove  that  the  frequency  of  oscillation  of  an  electric  dipole  of  moment  p  and  rotational  inertia  I  for  small 1  pE  amplitudes  about  its  equilibrium  position  in  a  uniform  electric  field  strength  E  is     I  2 Solution   Let  an  electric  dipole  (charge  q  and  –q  at  a  distance  2a  apart)  placed  in  a  uniform  external  electric  field  of strength  E. +q  F 2a   E  P  -q F Restoring  torque  on  dipole          pE sin   = –pE    (as    is small)  PE Here  –  ve  sign  shows  the  restoring  tendency  of  torque.     I    angular  acceleration  =    I = I  pE For  SHM    2 comparing    we  get     =  I  1  pE  Thus  frequency  of  oscillations  of  dipole  n  =    =     I  2 2 ELECTROSTATIC  PRESSURE ++++ + ++ ds Force  due  to  electrostatic  pressure  is  directed  normally  outwards  to  the  surface  . ++ Force  on  small  element  ds  of  charged  conductor +++ + + ++  2 dF  ds dF  =  (Charge  on  ds  )  x  Electric  field  =  (  ds)  2 0 2 0 Inside E –E   =  0   E  =  E E1 E2 E1 E2 12 1 2 + NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65   E2  2 0 Just  outside  E  =  E   +  E   =  2E 2 12 (E   is  field  due  to  point  charge  on  the  surface  and  E   is  field  due  to  rest  of  the  sphere). 12 The  electric  force  acting  per  unit  area  of  charged  surface  is  defined  as  electrostatic  pressure. dF 2 Peleectrostatic   dS 2 0 E 33

JEE-Physics ++ + + +R+++++ + Equilibrium  of  liquid  charged  surfaces  (Soap  bubble) +++ + + ++ Pressures  (forces)  act  on  a  charged  soap  bubble  ,  due  to (i) Surface  tension  P   (inward) T (ii) Air  outside  the  bubble  P   (inward) o (iii) Electrostatic  pressure  P   (outward) e (iv) Air  inside  the  bubble    P   (outward) i in  state  of  equilibrium  inward  pressure  =  outward  pressure  PT  +  Po  =  Pi  +Pe Excess  pressure  of  air  inside  the  bubble  (P )  =  P   –  P   =  P   –  P ex i o T e 4 T 2 4 T 2 4 T 2 but P   =    and  P   =      P  =    if   P  = P   then   T r e 2 0 ex r 2 0 io r 2 0 Example Brass  has  a  tensile  strength  3.5  ×  108  N/m2.  What  charge  density  on  this  material  will  be  enough  to  break  it  by electrostatic  force  of  repulsion?  How  many  excess  electrons  per  square  Å  will  there  then  be?  What  is  the  value of  intensity  just  out  side  the  surface? Solution dF 2 We  know  that  electrostatic  force  on  a  charged  conductor  is  given  by  ds  20 2 So  the  conductor  will  break  by  this  force  if,  20 >  Breaking  strength  i.e.,  2  2  9  1012  3.5  108  i.e.  min  3 7  102  7.94  102 C / m 2  Now  as  the  charge  on  an  electron  is  1.6  ×  10–19  C,  the  excess  electrons  per  m2 Further  as  in  case  of  a  conductor  near  its  surface  E    7.94  102  8.8  109  V/m 0 9  10 12 CONDUCTOR  AND  IT'S  PROPERTIES  [FOR  ELECTROSTATIC  CONDITION] (i) Conductors  are  materials  which  contains  large  number  of  free  electrons  which    can  move  freely  inside  the c o n d u c to r. (ii) n  electrostatics,  conductors  are  always  equipotential  surfaces. (iii) Charge  always  resides  on  outer  surface  of  conductor. (iv) f    there  is  a  cavity  inside  the  conductor  having  no  charge  then  charge  will  always  reside  only  on  outer sur face  of  conductor. (v) Electric  field  is  always  perpendicular  to  conducting  surface. (vi) Electric  lines  of  force  never  enter  into  conductors. NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 (vii) Electric  field  intensity  near  the  conducting  surface  is  given  by  formula  E  nˆ = 0   A   B   C nˆ EA 0 nˆ    ;  E B 0 nˆ  and  E C 0 (viii) When  a  conductor  is  grounded  its  potential  becomes  zero. E 34

JEE-Physics (ix) When  an  isolated  conductor  is  grounded  then  its  charge  becomes  zero. (x) When  two  conductors  are  connected  there  will  be  charge  flow    till  their  potential  becomes  equal. 2 (xi) Electric  pressure  at  the  surface  of  a  conductor  is  givey  by  formula  P  =  20     where    is  the  local  surface  charge density. Example Prove    that  if  an  isolated  (isolated  means  no  charges  are  near  the  sheet)  large  conducting  sheet  is  given  a charge  then  the  charge  distributes  equally  on  its  two  surfaces. Solution Let  there  is  x  charge  on  left  side  of  sheet  and  Q–x  charge  on  right  side  of  sheet. Since  point  P  lies  inside  the  conductor  so  E   =  O P x  –  Q  x  = 0   2 x Q Q x Q-x   x  =  2AO 2 A O 2AO   =  2AO 2 Q-x P x Q 2A0 2A 0 Q  –  x  =  2 So  charge  is  equally  distributed  on  both  sides Example If  an  isolated  infinite  sheet  contains  charge  Q     on  its  one  surface  and  charge  Q   on  its  other  surface  then  prove 12 that  electric  field  intensity  at  a  point  in  front  of  sheet  will  be    Q   ,  where    Q  =  Q   +  Q 12 2AO Solution    =    =  Q1 nˆ   +  Q2 nˆ   =  Q1  Q2 nˆ   =  Q nˆ EQ1  EQ2 2A0 2A0 2A0 2A0 Electric  field  at  point  P  : E NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 [This  shows  that  the  resultant  field  due  to  a  sheet  depends  only  on  the  total  charge  of  the  sheet  and  not  on  the distribution  of  charge  on  individual  surfaces]. Example Three  large  conducting  sheets  placed  parallel  to  each  other  at  finite  distance  contains  charges    Q,  –2Q  and 3Q  respectively.  Find  electric  field  at  points  A,  B  ,  C,  and  D Q -2Q 3Q ·A ·B ·C S o l . E   =    E   +  E   +  E .      (i)  Here  E   means  electric  field  due  to  ‘Q’. A Q –2Q 3Q Q (Q 2Q 3Q) 2Q Q E =  2A0   =  2A0   =  A 0 ,  towards  left A  E 35

JEE-Physics E =  Q  (2Q  3Q ) B (ii) 2A0   ,  towards  right  =  0 (Q  2Q)  (3Q ) 4Q 2Q 2Q    2A0   =  A0 ,  towards  right    A 0   towards  left (iii)        E =  2A0 C (Q  2Q  3Q) 2Q Q (iv)        E = 2A0   =  2A0   =  A0 ,  towards  right D Example Two  conducting  plates  A  and  B  are  placed  parallel  to  each  other.  A  is  given  a  charge  Q   and  B  a  charge  Q . 12 Prove  that  the  charges  on  the  inner  facing  surfaces  are  of  equal  magnitude  and  opposite  sign.  Also  find  the charges  on  inner  &  outer  surfaces. Solution Consider  a  Gaussian  surface  as  shown  in  figure.  Two  faces  of  this  closed  surface  lie  completely  inside  the conductor  where  the  electric  field  is  zero.  The  flux  through  these  faces  is,  therefore,  zero.  The  other  parts  of the  closed  surface  which  are  outside  the  conductor  are  parallel  to  the  electric  field  and  hence  the  flux  on  these parts  is  also  zero.  The  total  flux  of  the  electric  field  through  the  closed  surface  is,  therefore  zero.  From  Gauss’s law,  the  total  charge  inside  this  closed  surface  should  be  zero.  The  charge  on  the  inner  surface  of  A  should  be equal  and  opposite  to  that  on  the  inner  surface  of  B. E=0 Q1–q P A Q1 A +q B –q • E Q2+q Q2 B E=0 The  distribution  should  be  like  the  one  shown  in  figure.  To  find  the  value  of  q,  consider  the  field  at  a  point  P inside  the  plate  A.  Suppose,  the  surface  area  of  the  plate  (one  side)  is  A.  Using  the  equation  E  =    /  (20),  the electric  field  at  P Q1  q q due  to  the  charge  Q   –  q  =  2A0   (downward);  due  to  the  charge  +  q  =  2A0   (upward), 1 due  to  the  charge  –  q  =  q Q2  q   (downward),  and  due  to  the  charge  Q   +  q  =  (upward). 2A0 2 2A0 The  net  electric  field  at  P  due  to  all  the  four  charged  surfaces  is  (in  the  downward  direction) NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 E   =    Q1  q q  q  Q2  q p 2A0  2A0 2A0 2 A 0 As  the  point  P  is  inside  the  conductor,  this  field  should  be  zero. Hence,    Q  –  q  –  q    +  q    –  Q  –  q    =    0   q  Q1  Q2 1 2 2 This  result  is  a  special  case  of  the  following  result.  When  charged  conducting  plates  are  placed  parallel  to  each other,  the  two  outermost,  surfaces  get  equal  charges  and  the  facing  surfaces  get  equal  and  opposite  charges. 36 E

JEE-Physics Example Figure  shows  three  large  metallic  plates  with  charges  –  Q,  3Q  and  Q  respectively.  Determine  the  final  charges on  all  the  surfaces. –Q 3Q Q Solution We  assume  that  charge  on  surface  2  is  x.  Following  conservation  of  charge,  we  see  that  surfaces  1  has  charge (–  Q  –  x).  The  electric  field  inside  the  metal  plate  is  zero  so  fields  at  P  is  zero. 12 3Q Q -Q-x x 34 56 P Q  x x  3Q  Q 5Q Resultant  field  at  P    :  E   =  0    2A0   =  2A0   –Q  –  x  =  x  +  4Q    x  =  2 P Note  :  We  see  that  charges  on  the  facing  surfaces  of  the  plates  are  of  equal  magnitude  and  opposite  sign.  This can  be  in  general  proved  by  gauss  theorem  also.  Remember  this  it  is  important  result. Thus  the  final  charge  distribution  on  all  the  surfaces  is  : +3 Q - 5 Q 5 Q +Q - Q +3 Q 2 2 22 22 NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 Example An  isolated  conducting  sheet  of  area  A  and    carrying  a  charge  Q  is  placed    in    a    uniform  electric  field  E,  such that  electric  field  is  perpendicular  to  sheet  and  covers  all  the  sheet.  Find  out  charges  appearing  on  its  two surfaces.  Also Q E E 37

JEE-Physics Solution Let  there  is  x  charge  on  left  side  of  plate  and  Q  –  x  charge  on  right  side  of  plate Q-x x Q – x  x 2A0 P + E 2A0 x E Qx x Q E x  Q  EA0     E  =  0  2A0 2A0 A0 2A0 2 P QQ So  charge  on  one  side  is    –  EA    and  other  side    +  EA  o 2 2 o The  resultant  electric  field  on  the  left  and  right  side  of  the  plate. QQ On  right  side  E  =  2 A 0   +  E  towards  right  and  on  left  side  2 A 0   –  E  towards  left. SOME  OTHER  IMPORTANT  RESULTS  FOR  A  CLOSED  CONDUCTOR. (i) f  a  charge  q  is  kept  in  the  cavity  then    –q  will  be  induced  on  the  inner  surface  and  +q  will  be  induced  on  the outer  surface  of  the  conductor    (it  can  be  proved  using  gauss  theorem) (ii) If  a  charge  q  is  kept  inside  the  cavity  of  a  conductor  and  conductor  is  given  a  charge  Q  then  –q  charge  will  be induced  on  inner  surface  and  total  charge  on  the  outer  surface  will  be  q  +  Q.  (it  can  be  proved  using  gauss theorem) +q+Q –q q (iii) Resultant  field,  due  to  q  (which  is  inside  the  cavity)  and  induced  charge  on  S ,  at  any  point  outside  S   (like  B,C) NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 11 is  zero.  Resultant  field  due  to  q  +  Q  on  S   and  any  other  charge  outside  S   ,  at  any  point  inside  of  surface 22 S   (like  A,  B)  is  zero 2 .B S2 .C S1 q+Q .q .A – q 38 E

JEE-Physics (iv) Resultant  field  in  a  charge  free  cavity  in  a  closed  conductor  is  zero.  There  can  be  charges  outside  the  conduc- tor  and  on  the  surface  also.  Then  also  this  result  is  true.  No  charge  will  be  induced  on  the  inner  most  surface of  the  conductor. No  charge (v). Charge  distribution  for  different  types  of  cavities  in  conductors S2 S2 S•1Cq •q (A) S1 •C charge is at the common centre (B) (S1, S2  spherical) charge is not at the common centre S2 (S1, S2  spherical) S2 S1 •q S1 • •q C C (C) (D) charge is at the centre of S2 charge is not at the centre of S2 (S2  spherical) (S2  spherical) S2 S2 S1 ·q S1C••q C (F) (E) NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 charge is at the centre of  charge not at the centre  S1 (Spherical) of S1(Spherical)  Using  the  result  that  Eres   in  the  conducting  material  should  be  zero  and  using  result  (iii)  We  can  show  that Case A BCDEF S1 Uniform Nonuniform Nonuniform Nonuniform Uniform Nonuniform S2 Uniform Uniform Uniform Uniform Nonuniform Nonuniform Note  :  In  all  cases  charge  on  inner  surface  S   =  –  q  and  on  outer  surface  S   =  q.  The  distribution  of  charge  on  S   will 12 1 not  change  even  if  some  charges  are  kept  outside  the  conductor  (i.e.  outside  the  surface  S ).  But  the  charge 2 distribution  on  S   may  change  if  some  charges(s)    is/are  kept  outside  the  conductor. 2 E 39

JEE-Physics Example An  uncharged  conductor  of  inner  radius  R   and  outer  radius  R   contains    a  point  charge  q  at  the  centre  as 12 shown  in  figure S2 S1 q R1 ·C O R2 ·A ·B  (i) Find  E   and  V  at  points  A,B  and  C (ii) If  a  point  charge  Q  is  kept  out  side  the  sphere  at  a  distance  ‘r’  (>>R )  from  centre  then  find  out 2 resultant  force  on  charge  Q  and  charge  q. +q Solution At point A :  VA  Kq  Kq  K(q)   Kq  –q OA R2 R1  ,  E A OA 3 OA ·q At  point  B  :  VB  Kq  K (q )  Kq  Kq ,  E   =  0;  At  point  C  :  V   =  Kq   Kq  OB OB R2 R2 BC OC ,  E C OC3 OC (ii) Force  on  point  charge  Q  :    KqQ ˆr   (r  =  distance  of  ‘Q’  from  centre  ‘O’) FQ r2  Force  on  point  charge  q:    Fq 0     (using  result  (iii)  &  charge  on  S  uniform)  1 Example An  uncharged  conductor  of  inner  radius  R   and  outer  radius  R   contains    a  point  charge  q  placed  at  point  P 12 (not  at  the  centre)  as  shown  in  figure?  Find  out  the  following  : B A R1 P S1 C q D R2 S2 (i)    V (ii)    V (iii)    V (iv)    E (v)    E NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 C A B A B (vi)  force  on  charge  Q  if  it  is  placed  at  B Solution Kq K(q) Kq Kq Kq (i)  VC  CP   (ii)  VA  =  R 2 (iii)  VB =  CB R1 R2 Kq ^ KQq ^ (iv)  E   =  O    (point  is    inside  metallic  conductor) (v)  E =  CB (vi)  F   =  CB A B  CB2 Q CB2 40 E

JEE-Physics (vi) Sharing  of  charges  : Two  conducting  hollow  spherical  shells  of  radii  R and  R having  charges  Q   and  Q   respectively  and 1  2  12 seperated  by  large  distance,  are  joined  by  a  conducting  wire.  Let  final  charges  on  spheres  are  q   and  q 12 respectively. q1 q2 R1 R2 Potential  on  both  spherical  shell  become  equal  after  joining,  therefore Kq1  Kq2 ;  q1  R1 ...(i)    and q   +  q   =  Q   +  Q ......(ii) R1 R2 q2 R2 12 1 2 from  (i)  and  (ii) q1  (Q1  Q2 )R1 ;  q2  (Q1  Q2 )R2 R1  R2 R1  R2 q1  R1 ; 1 4 R 2  R1 q2 1 R2 ratio  of  charges R2 2 4 R 2 2 ratio  of  surface  charge  densities 1  R 2 2 R1 Ratio  of  final  charges q1  R1 q2 R2 Ratio  of  final  surface  charge  densities. 1  R 2 2 R1 Example The  two  conducting  spherical  shells  are  joined  by  a  conducting  wire  and  cut  after  some  time  when charge  stops  flowing.Find  out  the  charge  on  each  sphere  after  that. Q -3Q R 2R NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 Solution After  cutting  the  wire,  the  potential  of  both  the  shells  is  equal Kx K(2Q  x) kx  2Q Thus,  potential  of  inner  shell  V =  +  = in  R 2R 2R Kx K(2Q  x) KQ –2Q – x and  potential  of  outer  shell  Vout  =  2R   +  =  x 2R R As V    =  V  – KR =  Kx – 2Q out  in R 2R    –2Q  =  x  –  2Q    x  =  0 So  charge  on  inner  spherical  shell  =  0  and  outer  spherical  shell  =  –  2Q. E 41

JEE-Physics 5Q 3 -2Q Example Find  charge  on  each  spherical  shell  after  joining  the  inner  most  shell  and 2Q outer  most  shell  by  a  conducting  wire.  Also  find  charges  on  each  surface. 1R 2R 3R Solution 6Q – x Let  the  charge  on  the  innermost  sphere  be  x. 3 -2Q Finally  potential  of  shell  1  =  Potential  of  shell  3 2x 1R Kx  K(2Q)  K(6Q  x)  KQ  k –2q   k 5Q R 2R 3R 3R 3R 3R 2R 3R 3x  –3Q  +    6Q  –  x  =  4Q  ;  2x  =  Q  ; Q x  =  Q +3Q/2 2 –3Q/2 –Q/2 Q/2 Q 5Q Charge  on  innermost  shell  =  ,  charge  on  outermost  shell  =  22 middle  shell  =  –2Q Final  charge  distribution  is  as  shown  in  figure. Example 3Q Two  conducting  hollow  spherical  shells  of  radii  R and  2R carry  charges  – -Q    R Q  and  3Q  respectively.  How  much  charge  will  flow  into  the  earth  if  inner shell  is  grounded  ? 2R Solution When  inner  shell  is  grounded  to  the  Earth  then  the  potential  of  inner  shell  will  bcome  zero    because potential  of  the  Earth  is  taken  to  be  zero. Kx K3Q 3Q   +    =  0 x R 2R 3Q R x  =  2 , the  charge  that  has  increased 3Q Q Q 2R =    –  (–Q)=  hence  charge  flows  into  the  Earth  =  NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 22 2 Example An  isolated  conducting  sphere  of  charge  Q  and  radius  R  is  connected  to  a  similar  uncharged  sphere (kept  at  a  large  distance)  by  using  a  high  resistance  wire.  After  a  long  time  what  is  the  amount  of  heat loss  ? Solution When  two  conducting  spheres  of  equal  radius  are  connected  charge  is  equally  distributed  on  them. So  we  can  say  that  heat  loss  of  system  Q2   Q2 / 4 Q2 / 4 Q2   0   80R   H  =  U  –  U     80R 8 0 R  1 6 0 R i f 42 E

JEE-Physics SOME WORKED OUT EXAMPLES Example#1  For a spherically symmetrical charge distribution, electric field at a distance r from the centre of sphere is  E  kr7ˆr , where k is a constant. What will be the volume charge density at a distance r from the centre of sphere ? (A)   =  9k0r6 (B)    =  5k0r3 (C)    =  3k0r4 (D)  =9k0r0 Solution Ans.  (A) By  using  Gauss  law      q  E 4r2    4r2dr ussian Surface 0  E  dS 0 dr NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 O (Note  :  Check  dimensionally  that     r6) Ga 4r2 dr 0  k0r9   kr7 4r2   r2 dr Example#2 Two positrons  (e+)  and  two  protons (p)  are  kept  on  four  corners  of a  square  of  side  a  as  shown in  figure.  The  mass of  proton  is  much  larger  than  the  mass  of  positron.  Let  q  denotes  the  charge  on  the  proton  as  well  as  the positron  then  the  kinetic  energies  of  one  of  the  positrons  and  one  of  the  protons  respectively  after  a  very  long time  will  be– e+ p p e+ q2  1  q2  1 q2 q2 (A)  4 0 a 1  2 2  , 4 0 a 1  2 2  , (B)  2 0 a4 2 0 a q2 q2 q2  1 q2 , (D)  2 0 a 1  4 2  , 8 2 0 a (C)  4 0 a 4 0 a Solution Ans.  (D) As  mass  of  proton  >>>  mass  of  positron  so  initial  acceleration  of  positron  is  much  larger  than  proton.  Therefore positron  reach  far  away  in  very  short  time  as  compare  to  proton. e+ a p ap a aa a p a e+ pa 2K e  4kq2 2kq2  kq2  K e  q2 1 1  2K  kq2 0  Kp  q2   a  2   a 2 0  2      and    a2 2 0 a a 2 a 4 p 8 E 43

JEE-Physics Example#3 Four  charges  are  placed  at  the  circumference  of  a  dial  clock  as  shown  in  figure.    If  the  clock  has  only  hour hand,  then  the  resultant  force  on  a  charge  q0  placed  at  the  centre,  points  in  the  direction  which  shows  the  time as  :– +q 12 q 9 q0 3 +q 6 q (A)  1:30 (B)  7:30 (C)  4:30 (D)  10:30 Solution Ans.  (B) +q q 9 q0 +q 7.30 Fnet 6 q Example#4 A  small  electric  dipole  is  placed  at  origin  with  its  dipole  moment  directed  along  positive  x-axis.  The  direction  of electric  field  at  point  (2,  22,0)  is (A)  along  z-axis (B)  along  y-axis (C)  along  negative  y-axis (D)  along  negative  z-axis Solution Ans.  (B) y (2,22)  x q +q tan   y  2;cot   1   Also  tan   tan   1  NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit-07\\Electrostatics\\English\\Theory.p65 x 2 2 2  cot     +    =  90°  i.e.,  E   is  along  positive  y-axis. Example#5 Uniform  electric  field  of  magnitude  100  V/m  in  space  is  directed  along  the  line  y=  3  +  x.  Find  the  potential difference  between  point  A  (3,  1)  &  B  (1,3). (A)  100  V (B)  2002V (C)  200  V (D)  zero Solution Ans.  (D) Slope  of  line  AB  =  3 1  1   which  is  perpendicular  to  direction  of  electric  field. 13 44 E


Like this book? You can publish your book online for free in a few minutes!
Create your own flipbook