background image

COULOMB’S LAW AND ELECTRIC FIELD 

INTENSITY  

2.1 The Experimental Law Of Coulomb 
• Coulomb stated that the magnitude of the force 

between two very small objects separated in free 
space by a distance, which is large compared to 
their size, is proportional to the charge on each 
and inversely proportional to the square of the 
distance between them. 

• If point charges Q1 and Q2 are separated by 

distance R, then the magnitude of the force         
between them is:      


background image

where the new constant Є

0

 is called the permittivity 

of free space ( 

 (

  سماحية الفضاء الحرand has magnitude 

()قيمة, measured in farads per meter (F/m), 
 

The constant of proportionality k is written as 


background image

• Coulomb’s law is now 

 
 
 
 
 

• In order to write the vector form of the force, 

we need the additional fact that the force acts 
along the line joining the two charges. If the 
force F

2

 on charge Q2 is required, then 

 

 
 
 

 
 
 

 


background image

where a

12

  is a unit vector ( )وحدة متجهin the 

direction of R

12

, ( 

 تبدأ ب

1

 

 وتنتهي ب

2

 ) or: 

 
 
 

 


background image

Example: A charge of Q1 = 3 × 10−4 C at M(1, 2, 3) and a 
charge of Q2 = −10−4 C at N(2, 0, 5) in a vacuum. Find the 
force on Q2 by Q1. 
 
Solution: We have 


background image

The magnitude of the force is 30 N, and the direction is 
specified by the unit vector, which has been left in 
parentheses ( )قوسينto display the magnitude of the 
force.  
The force on Q2 may also be considered as three 
component (تابكرم) forces, 
 
F

2

 = −10a

x

 + 20a

y

 − 20a

z 

• We might equally well have written: 

 


background image

        ( )تجاذب(                        )تنافر(                     )تنافر

Repulsion            Repulsion                Attraction 


background image

2.2 Electric Field Intensity 

• If the second charge is called a positive test 

charge 

(شحنة أختبارية

) Q

t

, the force on it        is given 

by Coulomb’s law as: 

 
 
• Writing this force as a force per unit charge gives 

the electric field intensity, E

1

 arising from Q

1

 
 
 

• The units of E is volts per meter (V/m). 

 
 


background image

• If we arbitrarily locate Q1 at the center of a 

spherical coordinate system. The unit vector 
a

R

 then becomes the radial unit vector ar , and 

R is r . Hence 

 

 

 
• In this case, the electric field has a single 

radial component. 


background image

• For a charge Q located at the source point  
       r = xa

x

 + ya

y

 + za

z

,  

    as shown in the figure, 

 
 
 
 

 
 
•  we find the field at a general field point  
      r = xa

x

+ ya

y

 +za

z

 by expressing R as r-rʹ and then 

 

 

 

10 


background image

11 


background image

2.3 Electric Field of n point charges 

• Because the coulomb forces are linear, the 

electric field intensity arising from two 
point charges, Q

1

 at r

1

 and Q

2

 at r

2

is the 

sum of the forces on Q

t

 caused by Q

1

 and 

Q

2

 acting alone ()بمفردها, or: 

 
 
 
 

• The vectors r, r

1

, r

2

, r − r

1

, r − r

2

, a

1

and a

2

 

are shown in the figure. 
 
 

12 


background image

• If we add more charges at other positions, the 

field due to n point charges is: 

13 


background image

• Example: Find E at P(1, 1, 1) caused by four 

identical ( )متشابه3nC (nanocoulomb) charges 
located at P

1

(1, 1, 0), P

2

(−1, 1, 0), P

3

(−1,−1, 0), 

and P

4

(1,−1, 0), as shown in the figure. 

 
 

 

 
 

     Solution: We find that a

x

 + a

y

 + a

z

 , 

     r

1

 = a

x

 + a

y

 , and thus 

     r − r

1

 = a

z

 . 

14 


background image

The magnitudes are: |r − r

1

= 1, |r − r

2

= √5, |r − r

3

= 3, and |r − r

4

= √5 and  

Q/4πϵ

0

 = 3 × 10−9/(4π × 8.854 × 10−12) = 26.96 V.m, 

we may now obtain: 
 

15 


background image

2.4 Electric Fields Due To Continuous Charge     
Distributions 

• It is customary to denote the line charge 

density, surface charge density, and volume 
charge density by ρ

L

 in (C/m), ρ

s

 in (C/m2), 

and ρ

v

 in (C/m3), respectively ( .)بالتعاقب

16 


background image

• The charge element dQ and the total charge Q 

due to these charge distributions are obtained 
as: 

 

17 


background image

• The electric field intensity due to each of the 

charge distributions ρL, ρs, and ρv may be 
regarded as the summation of the field 
contributed by the numerous point charges 
making up the charge distribution. Thus by 
replacing Q with charge element dQ = ρ

l

 dl,  

    ρ

s

 dS, or ρ

v

 dv and integrating, we get: 

18 


background image

 

19 


background image

2.4.1

 Field Of a Line Charge 

• In this case, the charge is distributed along  a 

line with a line charge of density ρL C/m. 

• Example: Assume a straight-line charge 

extending along the z axis in a cylindrical 
coordinate system from −∞ to ∞, as shown in 
the figure. Find the electric field intensity at 
any and every point resulting from a uniform 
line charge density ρ

L

 . 

20 


background image

21 


background image

• Each incremental length of line charge acts as 

a point charge and produces an incremental 
contribution to the electric field intensity 
which is directed away from the bit of charge 
(assuming a positive line charge). 

• We choose a point P(0, y, 0) on the y axis at 

which to determine the field. 

• To find the incremental field at P due to the 

incremental charge dQ = ρ

dz, we have 

 

 

22 


background image

 

 

23 


background image

24 


background image

 
 
 
 

• We note that the field falls off inversely with the 

distance to the charged line, as compared with 
the point charge, where the field decreased with 
the square of the distance.  

• Moving ten times as far from a point charge 

leads to a field only 1 percent the previous 
strength, but moving ten times as far from a line 
charge only reduces the field to 10 percent of its 
former value. 

25 


background image

• Example: let us consider an infinite line charge 

parallel to the z axis at x = 6, y = 8, shown in the 
figure. Find at the general field point P(x, y, z). 

26 


background image

• We replace ρ  by the radial distance between 

the line charge and point P, 

 

27 


background image

• Drill Problem: Infinite uniform line charges of 

5 nC/m lie along the (positive and negative) 
and y axes in free space. Find E at: (a) P

A

(0, 0, 

4); (b) P

B

(0, 3, 4). 

 

 

• Ans. 45az V/m; 10.8ay + 36.9az V/m 

28 


background image

2.5 Field Of A Sheet Of Charge 

• Another basic charge configuration is the 

infinite sheet of charge having a uniform 
density of ρ

S

 C/m2. Such a charge distribution 

may often be used to approximate that found 
on the conductors of a strip transmission line 
or a parallel-plate capacitor. 

• Static charge resides on conductor surfaces 

and not in their interiors; for this reason, ρ

S

 is 

commonly known as surface charge density. 

29 


background image

• Let us place a sheet of charge in the yz plane 

and again consider symmetry as shown in the 
figure. 

• Let us use the field of the infinite line charge 

by dividing the infinite sheet into differential-
width strips. One such strip is shown in the 
figure. 

30 


background image

• The line charge density, or charge per unit 

length, is ρ

l

 = ρ

dy, and the distance from this 

line charge to our general point P on the x axis 
is                      . The contribution to Ex at P 
from this differential-width strip is then 
 
 
 
 

• Adding the effects of all the strips, 

 
 
 

 

31 


background image

 
 
 

• If the point P were chosen on the negative x 

axis, then 

 
For the field is always directed away from the 
positive charge. This difficulty in sign is usually 
overcome by specifying a unit vector a

N

 , which 

is normal to the sheet and directed outward, or 
away from it. Then 

 

32 


background image

• If a second infinite sheet of charge, having a 

negative charge density −ρS, is located in the 
plane x = a, we may find the total field by 
adding the contribution of 
each sheet. In the 
region x > a, 

33 


background image

• Drill Problem: 
  
Three infinite uniform sheets of charge are located 

in free space as follows: 3 nC/m2 at z = −4, 6 nC/m2 
at z = 1, and −8 nC/m2 at z = 4. 
Find at the point: 
(a) PA(2, 5,−5); (b) PB(4, 2,−3); (c) PC(−1,−5, 2); (d) 
PD(−2, 4, 5). 

 
• Ans. −56.5az ; 283az ; 961az; 56.5az all V/m 

34 


background image

• Example: A circular disk of radius a is 

uniformly charged with ρ

s

 C /m2. If the disk 

lies on the z = 0 plane with its axis along the z 
axis, 

(a) show that at the point ( 0,0, h ) 

 
 

(b) find the E-field due to an infinite sheet                       
of charge ρs C /m2 . 

35 


background image

36 


background image

2.6 Field From A Volume Charge Distribution 

• If we now visualize a region of space filled with 

a tremendous number of charges separated by 
minute distances, we see that we can replace 
this distribution of very small particles with a 
smooth continuous distribution described by a 
volume charge density, just as we describe 
water as having a density of 1 g/cm3. 

• We denote volume charge density by ρν, having 

the units of coulombs per cubic meter (C/m3). 

37 


background image

• Example: As an example of the evaluation of a 

volume integral, we find the total charge 
contained in a 2-cm length of the electron 
beam shown in the figure. 

38 


background image

 

39 




رفعت المحاضرة من قبل: Bilal AL Qazzaz
المشاهدات: لقد قام 17 عضواً و 541 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل