Course In Physics 4 - Electrostatics & Current Electricity

287 Pages·2010·16.57 MB·English

by  S. C. Pandey

Electrostatics and
Current Electricity
(Volume 4)
S.C. Pandey
General Physics
Particle Kinematics
Dynamics of Particle
Circular Motion
Energy and Momentum
Chandigarh • Delhi • Chennai
Production Editor: Nitkiran Bedi
Composition: Tantla Composition Services, Chandigarh
Printer: Sanat Printers
The aim of this publication is to supply information taken from sources believed to be valid and reli-
able. This is not an attempt to render any type of professional advice or analysis, nor is it to be treated
as such. While much care has been taken to ensure the veracity and currency of the information pre-
sented within, neither the publisher nor its authors bear any responsibility for any damage arising from
inadvertant omissions, negligence or inaccuracies (typographical or factual) that may have found their
way into this book.
Copyright © 2010 Dorling Kindersley (India) Pvt. Ltd
This book is sold subject to the condition that it shall not, by way of trade or otherwise, be lent, resold,
hired out, or otherwise circulated, without the publisher’s prior written consent, in any form of bind-
ing or cover other than that in which it is published and without a similar condition including this
condition being imposed on the subsequent purchaser and without limiting the rights under copyright
reserved above, no part of this publication may be reproduced, stored in or introduced into a retrieval
system, or transmitted in any form or by any means (electronic, mechanical, photocopying, record-
ing or otherwise) without the prior written permission of both the copyright owner and the above-
mentioned publisher of this book.
ISBN 978-81-317-3410-0
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Published by Dorling Kindersley (India) Pvt. Ltd, licensees of Pearson Education in South Asia.
Head Office: 7th Floor, Knowledge Boulevard, A-8-(A) Noida-201309, India.
Registered Office: 11 Community Centre, Panchsheel Park, New Delhi 110 017, India.
Contents
Preface v
Chapter 1 Electrostatics 1.1–1.122
Chapter 2 Capacitor 2.1–2.74
Chapter 3 Current Electricity 3.1–3.84

Preface
For a science student, physics is the most important subject as it requires logical rea-
soning and high imagination. Without improving the level of physics, it is difficult to
achieve a goal with the kind of competition that exists today. This five part volume
covers all parts of general physics—Mechanics, Heat, Wave, Light, Electromagnet-
ism and Modern Physics—which is written in accordance with the latest syllabus of
the IIT-JEE and AIEEE. There is no single book that is available in the market that
contains a large amount of solved examples.
Salient featureS
■ Entire syllabus is covered in five volumes.
■ Content of each chapter is well defined and builds new concepts from the
scratch.
■ Each chapter describes the theory in a simple and lucid style.
■ Covers a wide spectrum of questions to enable the student to develop enough
expertise to tackle any problem.
■ Helps students in building analytical and quantitative skills, which, in turn, de-
velop confidence in problem solving.
■ Practice exercises are given at the end of each chapter.
■ Numerous diagrams in every chapter.
After studying the entire chapter, students will be able to learn different tricks and
techniques of problem solving with suitable level of analytical ability.
Suggestions for improving the book are always welcome.
All the best!
S. C. PANDEY

C H A P T E R
1
Electrostatics
1.1 INTrODuCTION
It is that branch of physics in which we study properties of charge at rest.
Benjamin Franklin (1706-1790) was the fi rst “American Scientist” who proved
that charge is of two types:
“Conventionally he assumed that charge appears on glass rod is (+ve) positive,
while that on the rubber rod is (–ve) negative.”
Now with the comparison of these two charges an unknown charge can be
labelled at either (+ve) positive or negative (–ve).
T (i) The excess or defi ciency of electrons in a body gives concept of charge.
P
E If body has a excess of electrons then it will be negatively charge and if
C it has defi ciency of electrons then it will be positively charged.
N
O (ii) If n is the number of electrons transferred, then the charge acquired by the body
C will be
Q = ne
(iii) If a physical quantity does not vary continuously rather it can have only
discrete value, then such physical quantity is said to be quantized. Therefore
charge is quantized.
(iv) During the process of charging, mass of body changes.
Can a body have charge of 7 Coulomb?
Since, Q = ne
therefore, 7 = n × 1.6 × 10–19 C
7 70 70
or n= = = ×1019
1.6×10−19 16×10−19 16
n = 4.375 × 1019 = 4375 × 1016
n = 4.375 × 1019 = 4375 × 1016
Yes, a body can have charge of 7 C.
1.2 Electrostatics
T (v) Total charge of an isolated system is conserve(cid:16)(cid:16)(cid:16)d(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16). Charge can be(cid:14) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)c(cid:14)r(cid:48)e(cid:72)a(cid:87)t(cid:68)e(cid:79)d or
CONCEP ( ( vviii)) dCvIfea hasrait arrpgonaeytr tewiisdci latbehn u i stis np nmveeeaatdr sci.sahlneatsr gws,e i ttchhae snnpn eiote twd b ioellf c bchhea ancrghgeaedrdg(cid:42)(cid:79). (cid:68)be(cid:86)(cid:44)(cid:86)(cid:81)l(cid:3)o(cid:85)(cid:71)e(cid:82)(cid:88)d(cid:11)(cid:117)(cid:71)(cid:70)s(cid:76)(cid:117)(cid:117)(cid:52)(cid:117)y(cid:81)(cid:117)(cid:12)s(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:74)(cid:117)(cid:3) (cid:70)tw(cid:75)o(cid:68)(cid:85)h(cid:74)o(cid:72)i.l eB muta isfs i ta nisd clhenarg(cid:72)gthel easres
then it can have mass. (cid:72)(cid:177)(cid:72)(cid:177)(cid:72)(cid:177)
(cid:11)(cid:84)(cid:12)
Method of Charging: (cid:44)(cid:81)(cid:71)(cid:88)(cid:70)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:70)(cid:75)(cid:68)(cid:85)(cid:74)(cid:72)(cid:3)
A body can be charged via
( ( i(iiiii))) RCInuodbnubdciutnicogtnion (cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14) (cid:48)(cid:72)(cid:87)(cid:68)(cid:79) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:16)(cid:16)(cid:14)(cid:16)(cid:16)(cid:14)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:72)
(cid:42)(cid:79)(cid:68)(cid:86)(cid:44)(cid:86)(cid:81)(cid:3)(cid:85)(cid:71)(cid:82)(cid:88)(cid:11)(cid:117)(cid:71)(cid:70)(cid:76)(cid:117)(cid:117)(cid:52)(cid:117)(cid:81)(cid:117)(cid:12)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:74)(cid:117)(cid:3)(cid:70)(cid:75)(cid:68)(cid:85)(cid:74)(cid:72) (cid:72) (cid:53)(cid:88)(cid:69)(cid:69)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:44)(cid:85)(cid:81)(cid:82)(cid:71)(cid:71)(cid:88)(cid:11)(cid:70)(cid:14)(cid:76)(cid:14)(cid:52)(cid:81)(cid:12)(cid:74)(cid:14)(cid:3)(cid:70)(cid:75)(cid:14)(cid:68)(cid:85)(cid:74)(cid:14)(cid:72) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:44)(cid:14)(cid:81)(cid:71)(cid:14)(cid:88)(cid:70)(cid:14)(cid:72)(cid:14)(cid:71)(cid:14)(cid:3)(cid:70)(cid:75)(cid:68)(cid:85)(cid:74)(cid:72)(cid:3)(cid:11)(cid:84)(cid:12)
(cid:72)(cid:177)(cid:72)(cid:177)(cid:72)(cid:177) (cid:14)(cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14)(cid:14)
(cid:11)(cid:84)(cid:12)
(cid:44)(cid:81)(cid:71)(cid:88)(cid:70)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:70)(cid:75)(cid:68)(cid:85)(cid:74)(cid:72)(cid:3)
(cid:44)(cid:81)(cid:71)(cid:88)(cid:70)(cid:76)(cid:53)(cid:81)(cid:88)(cid:74)(cid:69)(cid:3)(cid:69)(cid:70)(cid:72)(cid:75)(cid:85)(cid:3)(cid:44)(cid:68)(cid:85)(cid:85)(cid:81)(cid:82)(cid:71)(cid:74)(cid:71)(cid:117)(cid:14)(cid:88)(cid:14)(cid:72)(cid:14)(cid:14)(cid:16)(cid:16)(cid:117)(cid:11)(cid:3)(cid:70)(cid:14)(cid:117)(cid:117)(cid:76)(cid:16)(cid:16)(cid:14)(cid:16)(cid:117)(cid:52)(cid:16)(cid:117)(cid:52)(cid:81)(cid:117)(cid:12)(cid:16)(cid:16)(cid:117)(cid:16)(cid:117)(cid:16)(cid:16)(cid:117)(cid:74)(cid:117)(cid:16)(cid:16)(cid:117)(cid:3)(cid:16)(cid:16)(cid:117)(cid:16)(cid:16)(cid:70)(cid:16)(cid:16)(cid:75)(cid:68)(cid:85)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:74)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:72)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:44)(cid:81)(cid:16)(cid:16)(cid:71)(cid:16)(cid:16)(cid:88)(cid:16)(cid:16)(cid:70)(cid:16)(cid:16)(cid:72)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:71)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:14)(cid:3)(cid:14)(cid:16)(cid:70)(cid:14)(cid:14)(cid:75)(cid:14)(cid:14)(cid:68)(cid:14)(cid:14)(cid:85)(cid:14)(cid:74)(cid:14)(cid:72)(cid:72)(cid:14)(cid:14)(cid:3)(cid:11)(cid:14)(cid:84)(cid:14)(cid:12)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)
(cid:14)(cid:14)(cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14)(cid:44)(cid:14)(cid:81)(cid:71)(cid:14)(cid:88)(cid:14)(cid:70)(cid:14)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:70)(cid:75)(cid:68)(cid:85)(cid:74)(cid:72)(cid:3)(cid:11)(cid:84)(cid:12)
(cid:14)(cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14) (cid:14)(cid:14)
(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)
(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)
(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)
(cid:84)(cid:3)(cid:100)(cid:3)(cid:52)
T
(i) After induction, attraction takes place.
P
E (ii) Therefore, attraction is not a sure test of electrifi cation.
C
N (iii) The sure test of electrifi cation is repulsion.
O
(iv) If a charged body and uncharge body are connected through a wire, then
C
charge fl ows from charged body to the neutral body till the potential becomes
same.
(v) The amount of induced charge is always less than or equal to the amount of
inducing charge.
Electrostatics 1.3
Example
Five balls, numbered one to fi ve are suspended as shown. Pairs (1,2), (2,4) (4,1)
show electrostatic attraction, while pairs (2,3) and (4,5) show repulsion. There-
fore, ball 1 must be neutral.
(cid:14)(cid:14)(cid:3)(cid:3)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:3)(cid:3)(cid:14)(cid:14) (cid:14)(cid:14)(cid:3)(cid:3)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:3)(cid:3)(cid:14)(cid:14)
(cid:177)(cid:177)(cid:3)(cid:3)(cid:177)(cid:177) (cid:177)(cid:177)(cid:3)(cid:3)(cid:177)(cid:177) (cid:177)(cid:177)(cid:3)(cid:3)(cid:177)(cid:177) (cid:177)(cid:177)(cid:3)(cid:3)(cid:177)(cid:177)
(cid:20)(cid:20)(cid:20)(cid:20)(cid:20)(cid:20) (cid:21)(cid:21)(cid:21)(cid:21)(cid:21)(cid:21) (cid:22)(cid:22)(cid:22)(cid:22)(cid:22)(cid:22) (cid:23)(cid:23)(cid:23)(cid:23)(cid:23)(cid:23) (cid:24)(cid:24)
Testing of Charge of Gold Leaf Electroscope
(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)
(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117) (cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117) (cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117) (cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)(cid:117)
(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)(cid:14)
(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16) (cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)(cid:16)
1.2 COuLOMB’S LaW
According to Coulomb, the force that operates between two point charges is directly
proportional to
(i) the product of the magnitude of two charges, and
(ii) inverly proportional to square of distance between them.
(cid:84)(cid:84) (cid:84)(cid:84)
(cid:20)(cid:20) (cid:85)(cid:85) (cid:21)(cid:21)
Let q and q aarree tthhee ttwwoo ppooiinntt cchhaarrggeess sseeppaarraatteedd bbyy ddiissttaannccee rr..
1 2
According to Coulomb,
If r be kept constant, then F ∝ q q
1 2
qq kqq
⇒ F∝ 1 2 ; F= 1 2 in vacuum
r2 r2