More Related Content
Similar to Fisica para ingenieria y ciencias Bauer Vol I - capitulo 21 soluciones (20)
Fisica para ingenieria y ciencias Bauer Vol I - capitulo 21 soluciones
- 1. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
819Ā
Ā
ChapterĀ 21:Ā ElectrostaticsĀ
Ā
InĀClassĀ ExercisesĀ
21.1.Ā dĀ Ā 21.2.Ā aĀ Ā 21.3.Ā eĀ Ā 21.4.Ā eĀ Ā 21.5.Ā cĀ Ā 21.6.Ā bĀ Ā 21.7.Ā aĀ Ā 21.8.Ā aĀ Ā 21.9.Ā cĀ Ā 21.10.Ā eĀ Ā
Ā
MultipleĀ ChoiceĀ
21.1.Ā bĀ Ā 21.2.Ā bĀ Ā 21.3.Ā bĀ Ā 21.4.Ā dĀ Ā 21.5.Ā bĀ Ā 21.6.Ā bĀ Ā 21.7.Ā aĀ Ā 21.8.Ā aĀ Ā 21.9.Ā cĀ Ā 21.10.Ā bĀ
Ā
QuestionsĀ
21.11. TheĀ givenĀ quantitiesĀ areĀ theĀ chargeĀ ofĀ theĀ twoĀ particles,Ā 1Q Qļ½ Ā andĀ 2 .Q Qļ½ Ā TheyĀ areĀ separatedĀ byĀ aĀ
distanceĀ .d Ā TheĀ CoulombĀ forceĀ betweenĀ theĀ changedĀ particlesĀ isĀ
2
1 2
2 2
Q Q Q
F k k
d d
ļ½ ļ½ .Ā IfĀ theĀ changeĀ onĀ
eachĀ particleĀ isĀ doubledĀ soĀ thatĀ 1 22Q Q Qļ¢ ļ¢ļ½ ļ½
Ā andĀ theĀ separationĀ distanceĀ isĀ 2d dļ¢ ļ½ Ā theĀ thenĀ theĀ
CoulombĀ ForceĀ isĀ givenĀ by:Ā
2 2
2 2
4
4
Q Q
F k k
d d
ļ¢ ļ½ ļ½
Ā soĀ theĀ forceĀ isĀ theĀ sameĀ asĀ itĀ wasĀ inĀ theĀ initialĀ situation.Ā
21.12. TheĀ gravitationalĀ forceĀ betweenĀ theĀ SunĀ andĀ theĀ EarthĀ is S E
g 2
M M
F G
r
ļ½ Ā whereĀ G Ā isĀ theĀ gravitationalĀ
constantĀ andĀ isĀ equalĀ toĀ 11 2 2
6.67 10 N m / kg ,ļ
ļ Ā SM Ā isĀ theĀ massĀ ofĀ theĀ SunĀ ( 30
1.989 10 kgļ )Ā andĀ EM Ā isĀ
theĀ massĀ ofĀ theĀ EarthĀ ( 24
5.974 10 kgļ ).Ā TheĀ CoulombĀ forceĀ isĀ givenĀ byĀ theĀ equationĀ 1 2
C 2
Q Q
F k
r
ļ½ Ā
where k isĀ CoulombāsĀ constantĀ (kĀ = 9 2 2
8.99 10 N m / Cļ ).Ā InĀ thisĀ questionĀ 1 2Q Q Qļ½ ļ½ Ā andĀ isĀ theĀ
chargeĀ givenĀ toĀ theĀ EarthĀ andĀ SunĀ toĀ cancelĀ outĀ theĀ gravitationalĀ force.Ā
2
S E
C g S E2 2
GM MkQ G
F F Q M M
kr r
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ½ Ā
Therefore,Ā Ā Ā
ļØ ļ© 30 2411 2 2
17
9 2 2
(1.989 10 kg)(5.974 10 kg)6.67 10 N m / kg
2.97 10 C.
8.99 10 N m / C
Q
ļ
ļ ļļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
IĀ canĀ getĀ theĀ numberĀ ofĀ elementaryĀ charges,Ā ,n byĀ dividingĀ Q Ā byĀ 19
1.602 10 Cļ
ļ (theĀ chargeĀ ofĀ oneĀ
electron):Ā
17
36
19
2.97 10 C
1.85 10 .
1.602 10 C
n ļ
ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
ToĀ estimateĀ theĀ numberĀ ofĀ elementaryĀ changeĀ ofĀ eitherĀ signĀ forĀ theĀ EarthĀ IĀ canĀ assumeĀ theĀ massĀ ofĀ
theĀ EarthĀ isĀ dueĀ toĀ theĀ massĀ ofĀ theĀ protons,Ā neutronsĀ andĀ electronsĀ ofĀ whichĀ itĀ isĀ primarilyĀ
composed.Ā IfĀ IĀ assumeĀ thatĀ theĀ EarthāsĀ massĀ isĀ dueĀ toĀ theĀ protonĀ andĀ neutronĀ massesĀ primarilyĀ
(becameĀ anĀ electronsĀ massĀ isĀ muchĀ smallerĀ thanĀ aĀ protons)Ā andĀ IĀ assumeĀ thatĀ thereĀ areĀ anĀ equalĀ
numberĀ ofĀ protonsĀ andĀ neutronsĀ thanĀ IĀ canĀ getĀ theĀ numberĀ ofĀ protonsĀ byĀ dividingĀ theĀ EarthāsĀ massĀ
byĀ twoĀ timesĀ theĀ massĀ ofĀ aĀ proton.Ā TheĀ massĀ ofĀ aĀ protonĀ isĀ 27
P 1.6726 10 kg,m ļ
ļ» ļ Ā soĀ youĀ canĀ estimateĀ
theĀ numberĀ ofĀ elementaryĀ chargesĀ onĀ theĀ Earth,Ā En by:Ā
24
51E
E 27
P
5.97 10 kg
3.57 10 .
1.67 10 kg
m
n
m ļ
ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ
ļ Ā
SoĀ theĀ
percentageĀ ofĀ theĀ EarthāsĀ changesĀ thatĀ wouldĀ beĀ requiredĀ toĀ cancelĀ outĀ theĀ gravitationalĀ forceĀ
is ļØ ļ© 14
E/ 100% 5.18 10 %,n n ļ
ļ ļ½ ļ Ā aĀ veryĀ smallĀ percentage.
Ā
21.13. OneĀ reasonĀ thatĀ itĀ tookĀ suchĀ aĀ longĀ timeĀ toĀ understandĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ mayĀ haveĀ beenĀ
becauseĀ itĀ wasĀ notĀ observedĀ asĀ frequentlyĀ asĀ theĀ gravitationalĀ force.Ā AllĀ massiveĀ objectsĀ areĀ actedĀ onĀ
- 2. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
820Ā
Ā
byĀ theĀ gravitationalĀ force;Ā however,Ā onlyĀ objectsĀ withĀ aĀ netĀ chargeĀ willĀ experienceĀ anĀ electrostaticĀ
force.Ā
21.14. TheĀ accumulationĀ ofĀ staticĀ chargeĀ givesĀ theĀ individualĀ hairsĀ aĀ charge.Ā SinceĀ likeĀ chargesĀ repelĀ andĀ
becauseĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ isĀ inverselyĀ proportionalĀ toĀ theĀ chargesĀ separationĀ distanceĀ squared,Ā
theĀ hairsĀ arrangeĀ themselvesĀ inĀ aĀ mannerĀ inĀ whichĀ theyĀ areĀ asĀ farĀ awayĀ fromĀ eachĀ otherĀ asĀ possible.Ā
InĀ thisĀ caseĀ thatĀ configurationĀ isĀ whenĀ theĀ hairsĀ areĀ standingĀ onĀ end.Ā
21.15. TheĀ givenĀ quantitiesĀ areĀ theĀ chargeĀ whichĀ isĀ 1 2Q Q Qļ½ ļ½ Ā andĀ theĀ separationĀ distanceĀ ofĀ 2 .d Ā TheĀ
thirdĀ chargeĀ isĀ 3 0.2Q Qļ½ ļ Ā andĀ itĀ isĀ positionedĀ atĀ .d Ā ChargeĀ 3Q Ā isĀ thenĀ displacedĀ aĀ
distance x perpendicularĀ toĀ theĀ lineĀ connectingĀ theĀ positiveĀ charges.Ā TheĀ displacementĀ .x d Ā TheĀ
questionĀ asksĀ forĀ theĀ force,Ā ,F Ā onĀ chargeĀ 3.Q Ā ForĀ x d Ā theĀ questionĀ alsoĀ asksĀ forĀ theĀ approximateĀ
motionĀ ofĀ theĀ negativeĀ charge.Ā
Ā
13 23 ,F F Fļ½ ļ«
ļµļ² ļ² ļ²
Ā whereĀ 13F
ļ²
Ā isĀ theĀ forceĀ 3Q Ā feelsĀ dueĀ toĀ 1Q Ā andĀ 23F
ļµļ²
Ā isĀ theĀ forceĀ 3Q Ā feelsĀ dueĀ toĀ chargeĀ
2 .Q Ā BecauseĀ 1Q Ā andĀ 2Q Ā haveĀ theĀ sameĀ signĀ andĀ areĀ ofĀ equalĀ chargeĀ thereĀ isĀ noĀ netĀ forceĀ inĀ theĀ Ėx ā
direction.Ā TheĀ forcesĀ inĀ the Ėy ādirectionĀ areĀ givenĀ by:
Ā
Ā
1 3
13 2
1
sin
Q Q
F k
r
ļ±
ļ¦ ļ¶
ļ½ ļļ§ ļ·ļ§ ļ·
ļØ ļø
and 2 3
23 2
2
sin ,
Q Q
F k
r
ļ±
ļ¦ ļ¶
ļ½ ļļ§ ļ·ļ§ ļ·
ļØ ļø
Ā
where 2 2
1r d xļ½ ļ« and 2 2
2r d xļ½ ļ« andĀ theĀ negativeĀ signsĀ denoteĀ thatĀ thereĀ willĀ beĀ anĀ attractionĀ
betweenĀ theĀ positiveĀ andĀ negativeĀ charges.Ā ToĀ simplifyĀ weĀ canĀ substituteĀ 1 1sin /x rļ± ļ½ Ā andĀ
2 2sin /x rļ± ļ½ Ā intoĀ forceĀ equations.Ā SoĀ weĀ canĀ writeĀ theĀ forceĀ equationĀ as:Ā
ļØ ļ© ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
1 3 2 3
2 2 2 22 2
3
13 23 1
2
2 22 2 2
3/
kQ Q kQ Q kxQx x
F F F Q Q
d x d xd x d x d x
ļ¦ ļ¶ ļ¦ ļ¶
ļ½ ļ« ļ½ ļ ļ ļ½ ļ ļļ§ ļ· ļ§ ļ·ļ§ ļ· ļ§ ļ·ļ« ļ«ļ« ļ« ļ«ļØ ļø ļØ ļø
,Ā Ā
SubstitutingĀ 1 2Q Q Qļ½ ļ½ Ā andĀ 3 0.2Q Qļ½ ļ Ā gives:Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
2 2
3/2 3/2
2 2
3/2
2 2 2 2
2 0.20.2 0.4k Q xkx Q kQ x
F Q Q
d x d x d x
ļ½ ļ ļ ļ½ ļ ļ½ ļ
ļ« ļ« ļ«
Ā
SinceĀ ,x dļ¼ļ¼ itĀ isĀ reasonableĀ toĀ useĀ theĀ approximationĀ 2 2 3/2 2 3/2 3
) (( .) dx dd ļ« ļ½ļ½ Hence,Ā
2
3
0.4kQ x
F
d
ļ» ļ .Ā
ThisĀ solutionĀ isĀ similarĀ inĀ formĀ toĀ HookeāsĀ lawĀ whichĀ describesĀ theĀ restoringĀ forceĀ dueĀ toĀ theĀ
compressionĀ orĀ expansionĀ ofĀ aĀ spring,Ā springF kxļ½ ļ
Ā
whereĀ k Ā isĀ theĀ springĀ constant.Ā TheĀ motionĀ ofĀ
theĀ negativeĀ chargeĀ canĀ thereforeĀ beĀ approximatedĀ usingĀ simpleĀ harmonicĀ motion.Ā
21.16. AsĀ theĀ garmentĀ isĀ driedĀ itĀ acquiresĀ aĀ chargeĀ fromĀ tumblingĀ inĀ theĀ dryerĀ andĀ rubbingĀ againstĀ otherĀ
clothing.Ā WhenĀ IĀ putĀ theĀ chargedĀ garmentĀ onĀ itĀ causesĀ aĀ redistributionĀ ofĀ theĀ chargeĀ onĀ myĀ skinĀ andĀ
thisĀ causesĀ theĀ attractiveĀ electricĀ forceĀ betweenĀ theĀ garmentĀ andĀ myĀ skin.Ā
- 3. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
821Ā
Ā
21.17. TheĀ initialĀ separationĀ ofĀ theĀ spheresĀ is 1x .Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forceĀ onĀ eachĀ ofĀ theĀ spheresĀ atĀ
separationĀ 1x Ā is 1 2
1 2
1
Q Q
F k
x
ļ½ .Ā TheĀ forceĀ afterĀ theĀ distanceĀ changeĀ isĀ 1 2
2 2
2
,
Q Q
F k
x
ļ½ whereĀ theĀ newĀ
distanceĀ is 2x .Ā Ā BecauseĀ theĀ chargeĀ isĀ conservedĀ IĀ canĀ equateĀ theĀ forcesĀ 1F Ā andĀ 2.F Ā
1 2
1 2
1
Q Q
F k
x
ļ½ Ā andĀ
1 2
2 2
2
,
Q Q
F k
x
ļ½ Ā soĀ 2 2
1 2 1 1 2 2 ,kQ Q Fx F xļ½ ļ½ orĀ ļØ ļ©2 2
2 1 2 1/ .x F F xļ½ SubstitutingĀ 2 19F Fļ½ Ā intoĀ theĀ equationĀ gives:Ā Ā
2 2 21
2 1 2 1 1
1
1 1
.
9 9 3
F
x x x x x
F
ļ½ ļ ļ½ ļ½ Ā ThereforeĀ theĀ distanceĀ wouldĀ haveĀ toĀ decreaseĀ toĀ aĀ factorĀ ofĀ aĀ
thirdĀ ofĀ itsĀ originalĀ valueĀ toĀ achieveĀ nineĀ timesĀ theĀ originalĀ force.Ā
21.18. AnĀ electricallyĀ neutralĀ atomĀ canĀ exertĀ electrostaticĀ forceĀ onĀ anotherĀ electricallyĀ neutralĀ atomĀ ifĀ theyĀ
doĀ notĀ haveĀ symmetricĀ chargeĀ distribution.Ā InĀ theĀ caseĀ ofĀ twoĀ atomsĀ whereĀ oneĀ atomsĀ electronĀ orĀ
electronsĀ wereĀ closerĀ toĀ theĀ protonĀ ofĀ theĀ otherĀ atom.Ā ThisĀ typeĀ ofĀ situationĀ canĀ occurĀ whenĀ atomsĀ
undergoĀ polarĀ bondingĀ toĀ formĀ aĀ molecule.Ā Ā
21.19. TheĀ scientistĀ couldĀ convinceĀ themselvesĀ thatĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ wasĀ notĀ aĀ variantĀ ofĀ theĀ
gravitationalĀ forceĀ inĀ variousĀ ways.Ā OneĀ distinctionĀ isĀ thatĀ gravitatingĀ objectsĀ attractĀ butĀ inĀ theĀ
electricĀ forceĀ likeĀ chargedĀ objectsĀ repel.Ā ForĀ EarthĀ boundĀ experimentsĀ theĀ scientistsĀ mayĀ observeĀ
thatĀ massiveĀ objectsĀ areĀ pulledĀ towardsĀ theĀ groundĀ byĀ theĀ gravitationalĀ forceĀ atĀ aĀ constantĀ
acceleration.Ā IfĀ theyĀ performedĀ carefulĀ experimentsĀ withĀ objectsĀ ofĀ theĀ sameĀ chargeĀ theyĀ wouldĀ
observeĀ thatĀ theĀ gravitationalĀ forceĀ downwardĀ onĀ oneĀ ofĀ theĀ chargedĀ objectsĀ couldĀ beĀ diminishedĀ orĀ
balancedĀ byĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ thatĀ objectĀ feltĀ dueĀ toĀ theĀ secondĀ likeĀ chargedĀ objectĀ thatĀ wasĀ
placedĀ underneathĀ it.Ā
21.20. TheĀ electrostaticĀ forceĀ isĀ anĀ inverseĀ squareĀ force,Ā ofĀ theĀ sameĀ formĀ asĀ theĀ NewtonianĀ gravitationalĀ
force.Ā AsĀ longĀ asĀ theĀ bodiesĀ areĀ notĀ movingĀ tooĀ rapidlyĀ (i.e.,Ā notĀ atĀ speedsĀ nearĀ theĀ speedĀ ofĀ light),Ā
theĀ problemĀ ofĀ determiningĀ theirĀ motionĀ isĀ theĀ sameĀ asĀ theĀ KeplerĀ problem.Ā TheĀ motionĀ ofĀ theĀ twoĀ
particlesĀ decomposesĀ intoĀ aĀ centerĀ ofĀ massĀ motionĀ withĀ constantĀ velocity,Ā andĀ aĀ relativeĀ motionĀ
whichĀ tracesĀ outĀ aĀ trajectoryĀ whichĀ canĀ beĀ eitherĀ aĀ portionĀ ofĀ aĀ straightĀ lineĀ (forĀ zeroĀ angularĀ
momentum,Ā i.e.,Ā headĀ onĀ collisions)Ā orĀ aĀ KeplerianĀ ellipseĀ (includingĀ aĀ circle),Ā parabola,Ā orĀ hyperbola,Ā
inĀ theĀ caseĀ ofĀ oppositeĀ charges.Ā ForĀ chargesĀ ofĀ theĀ sameĀ sign,Ā forĀ whichĀ theĀ forceĀ isĀ repulsive,Ā theĀ
relativeĀ motionĀ mustĀ beĀ eitherĀ aĀ straightĀ lineĀ orĀ aĀ hyperbola,Ā anĀ openĀ orbit.Ā
21.21. TheĀ wallĀ doesĀ notĀ haveĀ toĀ beĀ positivelyĀ charged.Ā TheĀ negativelyĀ chargedĀ balloonĀ inducesĀ chargesĀ onĀ
theĀ wall.Ā TheĀ repulsiveĀ forceĀ betweenĀ electronsĀ inĀ theĀ balloonĀ andĀ thoseĀ inĀ theĀ wallĀ causeĀ theĀ
electronsĀ inĀ theĀ wallĀ toĀ redistribute.Ā ThisĀ leavesĀ theĀ portionĀ ofĀ theĀ wallĀ thatĀ isĀ closestĀ toĀ theĀ balloonĀ
withĀ aĀ positiveĀ charge.Ā TheĀ negativelyĀ chargedĀ balloonĀ willĀ beĀ attachedĀ toĀ theĀ positivelyĀ chargedĀ
regionĀ ofĀ theĀ wallĀ evenĀ thoughĀ theĀ netĀ chargeĀ ofĀ theĀ wallĀ isĀ neutral.Ā Ā
Ā
Ā
21.22. Ā
Ā
- 4. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
822Ā
Ā
TheĀ electricĀ linesĀ flowĀ fromĀ theĀ positiveĀ chargeĀ toĀ theĀ negativeĀ chargeĀ asĀ isĀ shownĀ inĀ theĀ sketchĀ
below.Ā
Ā
Ā
ThereĀ isĀ nowhereĀ onĀ theĀ lineĀ betweenĀ theĀ chargedĀ particlesĀ thatĀ IĀ couldĀ placeĀ aĀ testĀ chargeĀ withoutĀ
itĀ moving.Ā ThisĀ isĀ dueĀ toĀ theĀ eclecticĀ chargesĀ onĀ theĀ lineĀ havingĀ oppositeĀ charge,Ā soĀ aĀ testĀ chargeĀ (ofĀ
eitherĀ sign)Ā thatĀ isĀ placedĀ betweenĀ theseĀ twoĀ chargesĀ wouldĀ beĀ attractedĀ byĀ oneĀ andĀ repelledĀ byĀ theĀ
other.Ā Ā
21.23. Ā
Ā
Ā Ā InĀ orderĀ forĀ theĀ testĀ chargeĀ toĀ feelĀ noĀ netĀ forceĀ itĀ wouldĀ haveĀ toĀ beĀ atĀ aĀ locationĀ whereĀ theĀ forceĀ itĀ
feltĀ dueĀ toĀ theĀ chargeĀ 2 4 C.Q ļ½ Ā ForĀ convenienceĀ IĀ canĀ sayĀ thatĀ theĀ chargeĀ 1 2 CQ ļ½ Ā isĀ locatedĀ
at 1 0x ļ½ ,Ā andĀ chargeĀ 2 4 CQ ļ½ Ā isĀ locatedĀ atĀ 2x Lļ½ Ā andĀ chargeĀ 3Q Ā isĀ locatedĀ atĀ aĀ position,Ā 3x Ā whichĀ isĀ
betweenĀ 0Ā and L .Ā IĀ canĀ equateĀ theĀ expressionsĀ forĀ theĀ electricĀ forceĀ onĀ 3Q Ā dueĀ toĀ 1Q Ā andĀ theĀ electricĀ
forceĀ onĀ 3Q Ā dueĀ toĀ 2Q Ā toĀ solveĀ for 3x Ā asĀ theseĀ forcesĀ wouldĀ haveĀ toĀ balanceĀ forĀ theĀ chargeĀ 3Q toĀ feelĀ
noĀ netĀ force.Ā
13 23
1 3 2 3
2 2
3 3
2 2
1 3 2 3
2 2 2
1 3 3 2 3
2 2
1 2 3 1 3 1
( )
( )
( 2 ) 0
( ) 2 0
F F
kQ Q kQ Q
x L x
Q L x Q x
Q x x L L Q x
Q Q x Q x L Q L
ļ½
ļ½
ļ
ļ ļ½
ļ ļ« ļ ļ½
ļ ļ ļ« ļ½
Ā NoteĀ thatĀ inĀ theĀ secondĀ stepĀ ofĀ theĀ calculationĀ above,Ā itĀ isĀ shownĀ thatĀ theĀ signĀ andĀ magnitudeĀ ofĀ 3Q Ā
willĀ notĀ impactĀ theĀ answer.Ā IĀ canĀ solveĀ usingĀ theĀ quadraticĀ equation:Ā Ā
2 2 2 2 2 2 2
1 1 1 2 1
3
1 2
2 4 4( )( ) 2(2 C) 4(2 C) 4(4C )
0.414 , 2.414
2( ) 4C
Q L Q L Q Q Q L L L L
x L L
Q Q
ļ± ļ ļ ļ± ļ«
ļ½ ļ½ ļ½ ļ
ļ ļ
Ā
TheĀ correctĀ answerĀ isĀ 3 0.414x Lļ½ Ā becauseĀ thisĀ pointĀ isĀ betweenĀ 1Q Ā andĀ 2 .Q Ā
21.24. WhenĀ aĀ positivelyĀ chargedĀ rodĀ isĀ broughtĀ nearĀ toĀ anĀ isolatedĀ neutralĀ conductorĀ withoutĀ touchingĀ itĀ
theĀ rodĀ willĀ experienceĀ anĀ attractiveĀ force.Ā TheĀ electricĀ chargeĀ onĀ theĀ rodĀ inducesĀ aĀ redistributionĀ ofĀ
chargeĀ inĀ theĀ conductor.Ā TheĀ netĀ effectĀ ofĀ thisĀ distributionĀ isĀ thatĀ electronsĀ moveĀ toĀ theĀ sideĀ ofĀ theĀ
conductorĀ nearestĀ toĀ theĀ rod.Ā TheĀ positivelyĀ chargedĀ rodĀ isĀ attractedĀ toĀ thisĀ region.Ā
Ā
21.25. UsingĀ aĀ metalĀ keyĀ toĀ touchĀ aĀ metalĀ surfaceĀ beforeĀ exitingĀ theĀ car,Ā whichĀ willĀ dischargeĀ anyĀ chargeĀ IĀ
carry.Ā WhenĀ IĀ beginĀ toĀ fuelĀ aĀ car,Ā IĀ canĀ touchĀ theĀ gasĀ pumpĀ andĀ theĀ carĀ beforeĀ pumpingĀ theĀ gas,Ā
dischargingĀ myself.Ā IfĀ IĀ getĀ backĀ intoĀ theĀ car,Ā IĀ canĀ reāchargeĀ myself,Ā andĀ whenĀ IĀ againĀ getĀ outĀ ofĀ theĀ
- 5. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
823Ā
Ā
carĀ andĀ touchĀ theĀ fuelĀ nozzleĀ withoutĀ groundingĀ myselfĀ first,Ā IĀ canĀ getĀ aĀ spark,Ā whichĀ mightĀ igniteĀ
theĀ gasoline.Ā Ā
Ā
ProblemsĀ
21.26. TheĀ chargeĀ ofĀ eachĀ electronĀ isĀ 19
1.602 10 C.ļ
ļ Ā TheĀ totalĀ numberĀ nĀ ofĀ electronsĀ requiredĀ toĀ giveĀ aĀ totalĀ
chargeĀ ofĀ 1.00Ā CĀ isĀ obtainedĀ byĀ dividingĀ theĀ totalĀ chargeĀ byĀ theĀ chargeĀ perĀ electron:Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
18
19
1.00 C
6.18 10 electrons.
1.602 10 C/electron
Q
n
e ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
21.27. TheĀ numberĀ ofĀ atomsĀ orĀ moleculesĀ inĀ oneĀ moleĀ ofĀ aĀ substanceĀ isĀ givenĀ byĀ AvogadroāsĀ number,Ā
23 1
A 6.022 10 mol .N ļ
ļ½ ļ Ā TheĀ faradayĀ unitĀ isĀ A ,F N eļ½ Ā whereĀ e Ā isĀ theĀ elementaryĀ chargeĀ ofĀ anĀ electronĀ
orĀ protonĀ andĀ isĀ equalĀ toĀ 19
1.602 10 C.ļ
ļ Ā ToĀ calculateĀ theĀ numberĀ ofĀ coulombsĀ inĀ 1.000Ā faradayĀ youĀ
canĀ multiplyĀ AN Ā byĀ theĀ elementaryĀ charge:Ā Ā
23 19
A1.000 F (6.022 10 atoms/mol)(1.602 10 C) 96470 C.N e ļ
ļ½ ļ½ ļ ļ ļ½ Ā
21.28. 2 5
1 dyne 1 g cm / s 1 10 Nļ
ļ½ ļ½ ļ Ā andĀ itĀ isĀ aĀ unitĀ ofĀ force.Ā AnĀ electrostaticĀ unitĀ orĀ esuĀ isĀ definedĀ asĀ follows:Ā
TwoĀ pointĀ charges,Ā eachĀ ofĀ 1Ā esuĀ andĀ separatedĀ byĀ oneĀ centimeterĀ exertĀ aĀ forceĀ ofĀ exactlyĀ oneĀ dyneĀ
onĀ eachĀ other.Ā CoulombāsĀ lawĀ givesĀ theĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forceĀ onĀ oneĀ chargeĀ dueĀ toĀ another,Ā whichĀ
is 2
1 2 /F k q q rļ½ Ā (whereĀ 9 2 2
8.99 10 N m / C ,k ļ½ ļ Ā 1q Ā andĀ 2q Ā areĀ electricĀ chargesĀ andĀ r Ā isĀ theĀ
separationĀ distanceĀ betweenĀ charges.)Ā
(a)Ā ByĀ substitutingĀ theĀ valuesĀ givenĀ inĀ theĀ questionĀ intoĀ CoulombāsĀ law,Ā theĀ relationshipĀ betweenĀ theĀ
esuĀ andĀ theĀ CoulombĀ canĀ beĀ determined:Ā
2 2 5
5 10
2 9 2 2
(1 esu) (0.01 m) (1 10 N)
1 10 N 1 esu 3.34 10 C
(0.01 m) 8.99 10 N m / C
k ļ
ļ ļļ
ļ ļ½ ļ ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
(b)Ā TheĀ resultĀ ofĀ partĀ (a)Ā showsĀ thatĀ 10
1 esu 3.34 10 C.ļ
ļ½ ļ Ā TheĀ elementaryĀ chargeĀ onĀ anĀ electronĀ orĀ
protonĀ isĀ 19
1.602 10 C.e ļ
ļ½ ļ Ā ToĀ getĀ theĀ relationshipĀ betweenĀ theĀ esuĀ andĀ elementaryĀ charge,Ā canĀ
divideĀ 1Ā esuĀ byĀ theĀ chargeĀ perĀ electronĀ (orĀ proton).Ā Ā
10
9
19
3.34 10 C
1 esu 2.08 10
1.602 10 C/
e
e
ļ
ļ
ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
21.29. TheĀ givenĀ quantitiesĀ areĀ theĀ current, 3
5.00 10 AI ļ
ļ½ ļ andĀ theĀ exposureĀ time,Ā 10.0 st ļ½ .Ā OneĀ coulombĀ
isĀ equalĀ to1 A s. Ā ToĀ calculateĀ theĀ numberĀ ofĀ electronsĀ thatĀ flowĀ throughĀ yourĀ skinĀ atĀ thisĀ currentĀ andĀ
duringĀ thisĀ time,Ā multiplyĀ I Ā byĀ t Ā andĀ thenĀ divideĀ byĀ theĀ elementaryĀ chargeĀ perĀ electronĀ whichĀ isĀ
19
1.602 10 .Cļ
ļ Ā
ļØ ļ©ļØ ļ©3
17
19
5.00 10 A 10.0 s 0.0500 A s 0.0500 C;
0.0500 C
3.12 10 electrons.
1.602 10 C /
I t
e
ļ
ļ
ļ ļ½ ļ ļ½ ļ½
ļ½ ļ
ļ
Ā
21.30. THINK:Ā ConsiderĀ aĀ mass,Ā 1.00 kgm ļ½ Ā ofĀ water.Ā Ā ToĀ calculateĀ howĀ manyĀ electronsĀ areĀ inĀ thisĀ mass,Ā aĀ
relationshipĀ mustĀ beĀ foundĀ betweenĀ mass,Ā theĀ numberĀ ofĀ waterĀ atomsĀ presentsĀ andĀ theirĀ charge.Ā
LetĀ ļØ denoteĀ theĀ numberĀ ofĀ electrons.Ā
Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
- 6. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
824Ā
Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ molecularĀ massĀ ofĀ waterĀ ( 2H O ),Ā W 18.015 g/mol.m ļ½ Ā TheĀ numberĀ ofĀ molesĀ ofĀ
waterĀ canĀ beĀ foundĀ byĀ dividingĀ theĀ massĀ ofĀ waterĀ byĀ itsĀ molecularĀ mass.Ā TheĀ numberĀ ofĀ electronsĀ
presentĀ inĀ theĀ waterĀ canĀ beĀ foundĀ fromĀ theĀ atomicĀ numbers,Ā ,Z forĀ hydrogenĀ andĀ oxygenĀ ( 1Z ļ½ Ā andĀ
8Z ļ½ Ā respectively).Ā TheĀ totalĀ numberĀ ofĀ waterĀ moleculesĀ canĀ beĀ foundĀ byĀ multiplyingĀ theĀ numberĀ
ofĀ molesĀ ofĀ waterĀ presentĀ byĀ AvogadroāsĀ number,Ā 23 1
A 6.022 10 mol .N ļ
ļ½ ļ Ā
SIMPLIFY:Ā A
W 2
10 electrons
H O atom
m
N
m
ļØ ļ½ ļ ļ Ā
CALCULATE:Ā ļØ ļ©ļØ ļ©
3
23 1 261.00 10 g
6.022 10 mol 10 electrons 3.34277 10 electrons
18.015 g/mol
ļØ ļļ¦ ļ¶ļ
ļ½ ļ ļ½ ļļ§ ļ·
ļØ ļø
Ā
ROUND:Ā TheĀ valuesĀ inĀ theĀ questionĀ wereĀ providedĀ toĀ 3Ā significantĀ figures,Ā soĀ theĀ answerĀ isĀ
26
3.34 10 electrons.ļ Ā
DOUBLEĀCHECK:Ā ConsideringĀ thatĀ thereĀ areĀ approximatelyĀ 55Ā molesĀ ofĀ 2H O perĀ kilogramĀ ofĀ waterĀ
andĀ thereĀ areĀ 10Ā electronsĀ perĀ 2H O Ā atom,Ā itĀ makesĀ senseĀ thatĀ theĀ answerĀ isĀ approximatelyĀ 550Ā
timesĀ greaterĀ thanĀ AvogadroāsĀ number.Ā Ā
21.31. THINK:Ā Ā ProtonsĀ areĀ incidentĀ onĀ theĀ EarthĀ fromĀ allĀ directionsĀ atĀ aĀ rateĀ ofĀ ļØ ļ©2
1245.0 protons / m s .n ļ½ Ā Ā
AssumingĀ thatĀ theĀ depthĀ ofĀ theĀ atmosphereĀ isĀ 120 km 120,000 md ļ½ ļ½ Ā andĀ thatĀ theĀ radiusĀ ofĀ theĀ
EarthĀ isĀ 6378 km 6,378,000 m,r ļ½ ļ½ Ā IĀ wantĀ toĀ determineĀ theĀ totalĀ chargeĀ incidentĀ uponĀ theĀ EarthāsĀ
atmosphereĀ inĀ 5.00Ā minutes.Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
RESEARCH:Ā Ā ModelingĀ theĀ EarthĀ likeĀ aĀ sphere,Ā theĀ surfaceĀ areaĀ AĀ canĀ beĀ approximatedĀ asĀ Ā 2
4 .A rļ°ļ½ Ā Ā
TheĀ totalĀ numberĀ ofĀ protonsĀ incidentĀ onĀ theĀ EarthĀ inĀ theĀ timeĀ t Ā canĀ beĀ foundĀ byĀ multiplyingĀ theĀ
rate,n Ā byĀ theĀ surfaceĀ areaĀ ofĀ theĀ EarthĀ andĀ theĀ time,Ā .t Ā TheĀ totalĀ chargeQ Ā canĀ beĀ foundĀ byĀ
multiplyingĀ theĀ totalĀ numberĀ ofĀ protons,Ā P Ā byĀ theĀ chargeĀ perĀ proton.Ā TheĀ elementaryĀ chargeĀ ofĀ aĀ
protonĀ isĀ 19
1.602 10 C.ļ
ļ Ā Ā
SIMPLIFY:Ā Ā 2
4 ,P nAT n r tļ°ļ½ ļ½
Ā Ā
ļØ ļ©19
1.602 10 C /Q P Pļ
ļ½ ļ Ā
CALCULATE:Ā 2 2 20
1245.0 protons / (m s) 4 (6378 km+120 km) (300. s) 1.981800 10 protons,P ļ°ļ© ļ¹ļ½ ļ½ ļļ« ļ»
Ā
ļØ ļ©20 19
1.981800 10 protons 1.602 10 C / protons 31.74844 CQ ļ
ļ½ ļ ļ ļ ļ½ Ā
ROUND:Ā 31.7Ā CĀ
- 7. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
825Ā
Ā
DOUBLEĀCHECK:Ā TheĀ calculatedĀ answerĀ hasĀ theĀ correctĀ unitsĀ ofĀ charge.Ā TheĀ valueĀ seemsĀ
reasonableĀ consideringĀ theĀ valuesĀ thatĀ wereĀ providedĀ inĀ theĀ question.Ā Ā
21.32. TheĀ chargesĀ obtainedĀ byĀ theĀ studentĀ performingĀ theĀ experimentĀ areĀ listedĀ here:Ā 19
3.26 10 C,ļ
ļ Ā
19
6.39 10 C,ļ
ļ Ā
19
5.09 10 C,ļ
ļ Ā
19
4.66 10 C,ļ
ļ Ā
19
1.53 10 C.ļ
ļ Ā DividingĀ theĀ aboveĀ valuesĀ byĀ theĀ smallestĀ
measuredĀ valueĀ willĀ giveĀ theĀ numberĀ ofĀ electrons, en foundĀ inĀ eachĀ measurement.Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā Ā
TheĀ numberĀ ofĀ
electrons en mustĀ beĀ roundedĀ toĀ theirĀ closestĀ integerĀ valueĀ becauseĀ chargeĀ isĀ quantized.Ā DividingĀ theĀ
observedĀ chargeĀ byĀ theĀ integerĀ numberĀ ofĀ electronsĀ givesĀ theĀ chargeĀ perĀ electron.Ā TakingĀ theĀ
averageĀ ofĀ theĀ observedĀ charge/integerĀ valueĀ dataĀ theĀ averageĀ chargeĀ onĀ anĀ electronĀ isĀ calculatedĀ toĀ
be 19
(1.60 0.03) 10 C.ļ
ļ± ļ Ā TheĀ errorĀ inĀ aĀ repeatedĀ measurementĀ ofĀ theĀ sameĀ quantityĀ is:Ā
error ļ½
standard deviation
number of measurements
ļ½
ļ³
N
.
Ā
21.33. THINK:Ā AnĀ intrinsicĀ siliconĀ sampleĀ isĀ dopedĀ withĀ phosphorous.Ā TheĀ levelĀ ofĀ dopingĀ isĀ 1Ā
phosphorousĀ atomĀ perĀ oneĀ millionĀ siliconĀ atoms.Ā TheĀ densityĀ ofĀ siliconĀ isĀ 3
S 2.33 g/cmļ² ļ½ Ā andĀ itsĀ
atomicĀ massĀ isĀ Ā Ā S 28.09 g/mol.m ļ½ Ā TheĀ phosphorousĀ atomsĀ actĀ asĀ electronĀ donors.Ā TheĀ densityĀ ofĀ
copperĀ isĀ 3
C 8.96 g/cmļ² ļ½ Ā Ā andĀ itsĀ atomicĀ massĀ isĀ C 63.54 g/mol.m ļ½ Ā
SKETCH:Ā Ā Ā Ā
Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā AvogadroāsĀ numberĀ isĀ 23 1
A 6.022 10 mol .N ļ
ļ½ ļ Ā ItĀ givesĀ theĀ numberĀ ofĀ atomsĀ orĀ
moleculesĀ perĀ moleĀ ofĀ aĀ substance.Ā Density,Ā / ,m Vļ² ļ½ Ā whereĀ massm ļ½ Ā andĀ volumeV ļ½ .Ā
Ā
Ā
SIMPLIFY:Ā Ā
ObservedĀ chargeĀ en Ā IntegerĀ
va
lu
eĀ
Ā Ā Ā Ā ObservedĀ chargeĀ
(integerĀ value)Ā
19
3.26 10 Cļ
ļ Ā 2.13Ā 2Ā 19
1.63 10 Cļ
ļ Ā
19
6.39 10 Cļ
ļ Ā 4.17Ā 4Ā 19
1.60 10 Cļ
ļ Ā
19
5.09 10 Cļ
ļ Ā 3.32Ā 3Ā 19
1.69 10 Cļ
ļ Ā
19
4.66 10 Cļ
ļ Ā 3.04Ā 3Ā 19
1.55 10 Cļ
ļ Ā
19
1.53 10 Cļ
ļ Ā 1Ā 1Ā 19
1.53 10 Cļ
ļ Ā
- 8. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
826Ā
Ā
(a)Ā ThereĀ willĀ beĀ 1Ā conductionĀ electronĀ perĀ 6
1.00 10 silicon atoms.ļ Ā TheĀ numberĀ ofĀ siliconĀ atomsĀ
per 3
cm isĀ ļØ ļ©S S S A/n m Nļ²ļ½ ļ .Ā Ā TheĀ numberĀ ofĀ conductionĀ electronsĀ per 3
cm isĀ 6
e S / (1.00 10 )n nļ½ ļ .Ā Ā
(b)Ā TheĀ numberĀ ofĀ copperĀ atomsĀ isĀ ļØ ļ©C C C A/n m Nļ²ļ½ ļ .Ā TheĀ numberĀ ofĀ conductionĀ electronsĀ inĀ theĀ
copperĀ isĀ Cn .Ā TheĀ ratioĀ ofĀ conductionĀ electronsĀ inĀ siliconĀ toĀ conductionĀ electronsĀ inĀ copperĀ isĀ e C/n n .Ā
CALCULATE:Ā Ā
(a)Ā
3
23 1 22 3
C
2.33 g/cm
6.022 10 mol 4.995 10 /cm
28.09 g/mol
n ļļ¦ ļ¶
ļ½ ļ ļ½ ļļ§ ļ·
ļØ ļø Ā
22
16 3
e 6
4.995 10
4.995 10 conduction electrons/ cm
1.00 10
n
ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
(b)Ā
3
23 1 22 3
C
8.96 g/cm
6.022 10 mol 8.4918 10 /cm
63.54 g/mol
n ļļ¦ ļ¶
ļ½ ļ ļ½ ļļ§ ļ·
ļØ ļø
Ā
16
7e
22
C
4.995 10
5.88215 10
8.4918 10
n
n
ļļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
ROUND:Ā ThereĀ wereĀ threeĀ significantĀ figuresĀ providedĀ inĀ theĀ questionĀ soĀ theĀ answersĀ shouldĀ be:Ā Ā
(a)Ā 16 3
e 5.00 10 conduction electrons / cmn ļ½ ļ Ā Ā
(b)Ā ThereĀ areĀ 7
5.88 10ļ
ļ Ā conductionĀ electronsĀ inĀ theĀ dopedĀ siliconĀ sampleĀ forĀ everyĀ conductionĀ
electronĀ inĀ theĀ copperĀ sample.Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā ItĀ isĀ reasonableĀ thatĀ thereĀ areĀ approximatelyĀ 7
5 10ļ
ļ Ā lessĀ conductionĀ electronsĀ inĀ
theĀ dopedĀ siliconĀ sampleĀ comparedĀ toĀ theĀ copperĀ sample.Ā
21.34. TheĀ forceĀ betweenĀ theĀ twoĀ chargedĀ spheresĀ isĀ F1 ļ½ k
qaqb
d1
2
initially.Ā Ā AfterĀ theĀ spheresĀ areĀ movedĀ theĀ
forceĀ isĀ 2 2
2
.a bq q
F k
d
ļ½ Ā TakingĀ theĀ ratioĀ ofĀ theĀ forceĀ afterĀ toĀ theĀ forceĀ beforeĀ gives:Ā
F2 / F1 ļ½ k
qaqb
d2
2
ļ¦
ļØļ§
ļ¶
ļøļ· / k
qaqb
d1
2
ļ¦
ļØļ§
ļ¶
ļøļ· ļ½ d1
2
/ d2
2
ļ½ 4 .Ā Ā TheĀ newĀ distanceĀ isĀ thenĀ d2 ļ½ d1
2
/ 4 ļ½ d1 / 2ļ½ 4 cm .Ā
21.35. TheĀ chargeĀ onĀ eachĀ particleĀ is q .Ā WhenĀ theĀ separationĀ distanceĀ isĀ 1.00 m,d ļ½ Ā theĀ electrostaticĀ forceĀ
isĀ 1.00 N.F ļ½ Ā TheĀ chargeĀ q Ā isĀ foundĀ fromĀ 2 2 2
1 2 / / .F kq q d kq dļ½ ļ½ Ā Then,Ā
2 2
5
9 2 2
(1.00 N)(1.00 m)
1.05 10 C.
8.99 10 N m / C
Fd
q
k
ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
TheĀ signĀ doesĀ notĀ matter,Ā soĀ longĀ asĀ eachĀ particleĀ hasĀ aĀ chargeĀ ofĀ theĀ sameĀ sign,Ā soĀ thatĀ theyĀ repel.Ā
21.36. InĀ orderĀ forĀ twoĀ electronsĀ toĀ experienceĀ anĀ electricalĀ forceĀ betweenĀ themĀ equalĀ toĀ theĀ weightĀ ofĀ oneĀ
ofĀ theĀ electrons,Ā theĀ distance d separatingĀ themĀ mustĀ beĀ suchĀ that.Ā
2 2
g Coulomb / .eF F m g ke dļ½ ļ ļ½ Then,Ā
ļØ ļ©ļØ ļ©
2
9 2 2 192
31 2
8.99 10 N m / C 1.602 10 C
5.08 m
(9.109 10 kg)(9.81 m/s )e
ke
d
m g
ļ
ļ
ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ½
ļ
Ā
21.37. InĀ solidĀ sodiumĀ chloride,Ā chlorideĀ ionsĀ haveĀ aĀ chargeĀ 19
Cl 1.602 10 C,q e ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ Ā whileĀ sodiumĀ ionsĀ
haveĀ aĀ chargeĀ 19
Na 1.602 10 C.q e ļ
ļ½ ļ½ ļ Ā TheseĀ ionsĀ areĀ separatedĀ byĀ aboutĀ 0.28 nm.d ļ½ Ā TheĀ CoulombĀ
forceĀ betweenĀ theĀ ionsĀ isĀ Ā Ā
ļØ ļ©9 2 2 19 2
9 9Cl Na
2 9 2
8.99 10 N m / C (1.602 10 C)
2.94285 10 N 2.9 10 N.
(0.28 10 m)
kq q
F
d
ļ
ļ ļ
ļ
ļ ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ ļ ļ» ļ ļ
ļ
Ā
- 9. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
827Ā
Ā
TheĀ negativeĀ signĀ indicatesĀ thatĀ theĀ forceĀ isĀ attractive.Ā
21.38. InĀ gaseousĀ sodiumĀ chloride,Ā chlorideĀ ionsĀ haveĀ aĀ chargeĀ 19
Cl 1.602 10 C,q e ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ Ā whileĀ sodiumĀ ionsĀ
haveĀ aĀ chargeĀ 19
Na 1.602 10 C.q e ļ
ļ½ ļ½ ļ Ā TheseĀ ionsĀ areĀ separatedĀ byĀ aboutĀ 0.24 nm.d ļ½ Ā AnotherĀ
electronĀ isĀ locatedĀ 0.48 nmy ļ½ Ā aboveĀ theĀ midpointĀ ofĀ theĀ sodiumĀ chlorideĀ molecule.Ā FindĀ theĀ
magnitudeĀ andĀ theĀ directionĀ ofĀ theĀ CoulombĀ forceĀ itĀ experiences.Ā Ā
Ā Ā
Ā TheĀ xācomponentĀ ofĀ theĀ forceĀ isĀ Ā
ļØ ļ©
- -
Cl, e Na, e
2
22 2 2 2
2 2 2 2 3/2
2
2 2 2 2
2
9 2 2 19 2 9
3
9 2
2
2
2
9
/ 2
2
/ 4cos cos 2 cos
4 4 4 4 4
8.99 10 N m / C (1.602 10 C) (0.24 10 m)
(0.24 10 m)
(0.48 10 m)
4
4.5717
x x x
F F F
d
ke
d yke ke ke ke d
d d d d dy y y y y
ļ± ļ± ļ±
ļ ļ
ļ
ļ
ļ½ ļ«
ļ«ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ½ ļ½
ļ¦ ļ¶ļ« ļ« ļ« ļ« ļ«ļ§ ļ·
ļØ ļø
ļ ļ ļ
ļ½ ļ
ļ© ļ¹ļ
ļ« ļļŖ ļŗ
ļ« ļ»
ļ½ ļ ļ 10 10
10 N -4.6 10 Nļ ļ
ļ» ļ
Ā
ByĀ symmetry,Ā theĀ yĀcomponentsĀ cancel;Ā thatĀ is - -
Cl, e Na, e
.y y
F Fļ½ Ā TheĀ magnitudeĀ isĀ thereforeĀ
10
4.6 10 NF ļ
ļ½ ļ ;Ā TheĀ electronĀ isĀ pulledĀ inĀ the Ėxļ directionĀ (inĀ thisĀ coordinateĀ system).Ā Ā Ā Ā
21.39. TheĀ twoĀ upĀ quarksĀ haveĀ identicalĀ charge ļØ ļ©19
(2/ 3) (2/ 3) 1.602 10 C .q e ļ
ļ½ ļ½ ļ Ā TheyĀ areĀ
15
0.900 10 md ļ
ļ½ ļ apart.Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ betweenĀ themĀ isĀ
ļØ ļ©
2
9 2 2 19
2
2 15 2
2
8.99 10 N m / C (1.602 10 C)
3
127 N.
(0.900 10 m)
kq
F
d
ļ
ļ
ļ© ļ¹
ļ ļļŖ ļŗ
ļ« ļ»ļ½ ļ½ ļ½
ļ
Ā
ThisĀ isĀ large,Ā howeverĀ theĀ protonĀ doesĀ notĀ ābreakĀ apartāĀ becauseĀ ofĀ theĀ strengthĀ ofĀ theĀ strongĀ
nuclearĀ forceĀ whichĀ bindsĀ theĀ quartsĀ togetherĀ toĀ formĀ theĀ proton.Ā AĀ protonĀ isĀ madeĀ ofĀ 2Ā upĀ quarks,Ā
eachĀ withĀ chargeĀ (2/ 3) ,e Ā andĀ oneĀ downĀ quarkĀ withĀ chargeĀ (1/ 3)eļ .Ā TheĀ netĀ chargeĀ ofĀ theĀ protonĀ
is e .Ā
21.40. CoulombāsĀ LawĀ canĀ beĀ usedĀ toĀ findĀ theĀ forceĀ onĀ 1 2.0 Ī¼Cq ļ½ Ā dueĀ toĀ 2 4.0 Ī¼C,q ļ½ ļ Ā whereĀ 2q Ā isĀ
0.200 mr ļ½ Ā toĀ theĀ rightĀ ofĀ 1.q Ā
- 10. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
828Ā
Ā
Ā
Ā Ā
ļ¤
ļØ ļ©
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļ¤ ļ¤9 2 21 2 1 2
212 1 2 2 2
2.0 Ī¼C 4.0 Ī¼C
8.99 10 N m /C 1.8 N
0.200 m
q q q q
F k r k x x x
r r
ļ®
ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ½ ļ ļ ļ½
ļ² ļ¤ Ā
TheĀ 4.0 Ī¼Cļ Ā chargeĀ pullsĀ theĀ 2.0 Ī¼C Ā chargeĀ toĀ theĀ right.Ā
21.41. THINK:Ā TheĀ twoĀ identicalĀ spheresĀ areĀ initiallyĀ uncharged.Ā TheyĀ areĀ connectedĀ byĀ anĀ insulatingĀ
springĀ ofĀ equilibriumĀ lengthĀ 0 1.00 mL ļ½ Ā andĀ springĀ constantĀ 25.0 N/mk ļ½ .Ā ChargesĀ qļ« Ā andĀ qļ Ā areĀ
thenĀ placedĀ onĀ metalĀ spheresĀ 1Ā andĀ 2,Ā respectively.Ā BecauseĀ theĀ springĀ isĀ insulating,Ā theĀ chargesĀ
cannotĀ neutralizeĀ acrossĀ theĀ spring.Ā TheĀ springĀ contractsĀ toĀ newĀ lengthĀ 0.635 m,Lļ¢ ļ½ Ā dueĀ toĀ theĀ
attractiveĀ forceĀ betweenĀ theĀ chargesĀ spheres.Ā Ā DetermineĀ theĀ chargeĀ .q Ā IfĀ someoneĀ coatsĀ theĀ springĀ
withĀ metalĀ toĀ makeĀ itĀ conducting,Ā findĀ theĀ newĀ lengthĀ ofĀ theĀ spring.Ā Ā
SKETCH:Ā Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ springĀ forceĀ is S SF k xļ½ ļ .Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ
is 2
1 2 /F kq q rļ½ .Ā ForĀ thisĀ isolatedĀ system,Ā theĀ twoĀ forcesĀ mustĀ beĀ inĀ balance,Ā thatĀ is SF Fļ½ .Ā FromĀ thisĀ
balance,Ā theĀ chargeq canĀ beĀ determined.Ā Ā TheĀ springĀ constantĀ isĀ denotedĀ byĀ Sk Ā toĀ avoidĀ confusionĀ
withĀ theĀ CoulombĀ constant,Ā k.Ā
SIMPLIFY:Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
2
2
S 01 2
S S S 02 2
( )
( )
k L L Lkq q kq
F F k x k L L q
kr L
ļ¢ ļ¢ļ
ļ¢ļ½ ļ ļ ļ½ ļ ļ ļ½ ļ ļ½
ļ¢
Ā
CALCULATE:Ā Ā
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ©
2
5
9 2 2
25.0 N/m 0.635 m (1.00 m 0.635 m)
2.02307 10 C
8.99 10 N m / C
q ļ
ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
Ā IfĀ someoneĀ wereĀ toĀ coatĀ theĀ springĀ suchĀ thatĀ itĀ conductedĀ electricity,Ā theĀ chargeĀ onĀ theĀ twoĀ spheresĀ
wouldĀ distributeĀ themselvesĀ evenlyĀ aboutĀ theĀ system.Ā IfĀ theĀ chargesĀ areĀ equalĀ inĀ magnitudeĀ andĀ
oppositeĀ inĀ sign,Ā asĀ theyĀ areĀ inĀ thisĀ case,Ā theĀ netĀ chargeĀ inĀ theĀ systemĀ wouldĀ beĀ zero.Ā ThenĀ theĀ
electrostaticĀ forceĀ betweenĀ theĀ twoĀ spheresĀ wouldĀ beĀ zero,Ā andĀ theĀ springĀ wouldĀ returnĀ toĀ itsĀ
equilibriumĀ lengthĀ ofĀ 1.00Ā m.Ā
ROUND:Ā ToĀ threeĀ significantĀ figures,Ā 5
2.02 10 C.q ļ
ļ½ ļ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā DimensionalĀ analysisĀ confirmsĀ thatĀ theĀ answerĀ isĀ inĀ coulombs,Ā theĀ appropriateĀ
unitĀ forĀ charge.Ā
21.42. THINK:Ā AĀ pointālikeĀ chargeĀ ofĀ 1 3q qļ½ ļ« Ā isĀ locatedĀ atĀ 1 0,x ļ½ Ā andĀ aĀ pointālikeĀ chargeĀ ofĀ 2q qļ½ ļ Ā isĀ
locatedĀ onĀ theĀ xāaxisĀ atĀ 2 ,x Dļ½ Ā whereĀ 0.500 m.D ļ½ Ā FindĀ theĀ locationĀ onĀ theĀ xāaxisĀ 3x Ā whereĀ willĀ aĀ
thirdĀ chargeĀ Ā 3 0q qļ½ Ā experiencesĀ noĀ netĀ forceĀ fromĀ theĀ otherĀ twoĀ charges.Ā
Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
- 11. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
829Ā
Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ isĀ 2
1 2 /F kq q rļ½ .Ā TheĀ netĀ forceĀ onĀ theĀ thirdĀ
chargeĀ 3q Ā isĀ zeroĀ whenĀ theĀ sumĀ ofĀ theĀ forcesĀ fromĀ theĀ otherĀ twoĀ chargesĀ isĀ zero:Ā
net,3 13 23 13 230 .F F F F Fļ½ ļ« ļ½ ļ ļ½ ļ
Ā
TheĀ twoĀ forcesĀ 13F Ā andĀ 23F Ā mustĀ beĀ equalĀ inĀ magnitude,Ā butĀ
oppositeĀ inĀ direction.Ā ConsiderĀ theĀ followingĀ threeĀ possibleĀ locationsĀ forĀ theĀ charge 3q .Ā NoteĀ thatĀ
thisĀ analysisĀ isĀ independentĀ ofĀ theĀ chargeĀ of 3q .Ā InĀ theĀ caseĀ 3 1 0,x xļ¼ ļ½ Ā theĀ twoĀ forces 13F and 23F willĀ
beĀ oppositeĀ inĀ directionĀ butĀ theyĀ cannotĀ beĀ equalĀ inĀ magnitude:Ā theĀ charge 1q at 1x isĀ greaterĀ inĀ
magnitudeĀ thanĀ theĀ charge 2q at 2x and 3x wouldĀ beĀ closerĀ to 1x .Ā (RememberĀ thatĀ theĀ electrostaticĀ
forceĀ increasesĀ asĀ theĀ distanceĀ betweenĀ theĀ chargesĀ decreases.)Ā ThisĀ makesĀ theĀ magnitudeĀ
of 13F greaterĀ thanĀ thatĀ of 23F .Ā InĀ theĀ caseĀ 30 m 0.500 mxļ¼ ļ¼ ,Ā theĀ twoĀ forcesĀ areĀ inĀ theĀ sameĀ directionĀ
andĀ thereforeĀ cannotĀ balance.Ā InĀ theĀ caseĀ 3 2x x Dļ¾ ļ½ ,Ā theĀ twoĀ forcesĀ areĀ oppositeĀ inĀ direction,Ā andĀ
inĀ directĀ oppositionĀ toĀ theĀ firstĀ situation,Ā theĀ force 13F and 23F canĀ nowĀ beĀ balanced.Ā TheĀ solutionĀ willĀ
haveĀ aĀ positiveĀ xĀ position,Ā orĀ moreĀ accurately,Ā theĀ thirdĀ charge 3q mustĀ beĀ placedĀ nearĀ theĀ smallerĀ
fixedĀ charge, 2q ,Ā withoutĀ beingĀ betweenĀ theĀ twoĀ fixedĀ charges 1q and 2q Ā
SIMPLIFY:Ā Ā
SinceĀ 3 2x xļ¾ ,Ā considerĀ onlyĀ theĀ magnitudesĀ ofĀ theĀ forces.Ā SinceĀ onlyĀ theĀ magnitudesĀ ofĀ theĀ forcesĀ
areĀ compared,Ā onlyĀ theĀ magnitudesĀ ofĀ theĀ chargesĀ needĀ beĀ considered.Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
2 22 21 3 2 3
13 23 1 3 2 2 3 3 32 2
3 3 2
3
kq q kq q
F F q x x q x q x D qx
x x x
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ ļ½ ļ ļ ļ½
ļ
Ā
ļØ ļ©
2 2 2 2
3 3 3 33 0 2 6 3 0x D x x x D Dļ ļ ļ½ ļ ļ ļ« ļ½ Ā
SolvingĀ for 3x :
2 2
3
6 36 4(2)(3 )
4
D D D
x
ļ± ļ
ļ½ Ā
CALCULATE:Ā
2 2
3
6(0.500 m) 36(0.500 m) 24(0.500 m)
1.1830 m, 0.3170 m
4
x
ļ± ļ
ļ½ ļ½ Ā
ROUND:Ā Since 3 2x xļ¾ ,Ā 3 1.18 m.x ļ½ Ā
DOUBLEĀCHECK:Ā TheĀ solutionĀ fitsĀ theĀ expectedĀ locationĀ thatĀ wasĀ determinedĀ aboveĀ (where 3 2x xļ¾ ).Ā
21.43. THINK:Ā IdenticalĀ pointĀ chargesĀ 6
32 10Q Cļ
ļ½ ļ Ā areĀ placedĀ atĀ eachĀ ofĀ theĀ fourĀ cornersĀ ofĀ aĀ rectangleĀ ofĀ
dimensionsĀ 2.0 mL ļ½ byĀ 3.0 m.W ļ½ Ā FindĀ theĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ onĀ anyĀ oneĀ ofĀ theĀ
charges.Ā NoteĀ thatĀ byĀ symmetryĀ theĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ netĀ forceĀ onĀ eachĀ chargeĀ isĀ equal.Ā ChooseĀ toĀ
computeĀ theĀ netĀ electrostaticĀ forceĀ onĀ 4 .Q Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
- 12. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
830Ā
Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forceĀ betweenĀ twoĀ chargesĀ isĀ
2
2112 1 2 21/ .F kq q r rļ¦ ļ¶ļ½ ļ§ ļ·
ļØ ļø
ļµļµļ² ļµļµļ²
ļ¤
Ā
TheĀ totalĀ
forceĀ onĀ aĀ chargeĀ isĀ theĀ sumĀ ofĀ allĀ theĀ forcesĀ actingĀ onĀ thatĀ charge.Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forceĀ isĀ
foundĀ fromĀ ļØ ļ©
1/2
2 2
,x yF F Fļ½ ļ« Ā whereĀ theĀ componentsĀ xF Ā andĀ Ā yF
Ā
canĀ beĀ consideredĀ oneĀ atĀ aĀ time.Ā Ā
SIMPLIFY:Ā Ā
ļØ ļ©
2 2
2
14, 24, 34, 2 2 2 2 3/2
2 2
1
-component: cos 0x x x x
kQ kQ W
x F F F F kQ
W W L W W L
ļ±
ļ¦ ļ¶
ļ§ ļ·ļ½ ļ« ļ« ļ½ ļ« ļ« ļ½ ļ«
ļ§ ļ·ļ« ļ§ ļ·ļ«
ļØ ļø Ā
ļØ ļ©
2 2
2
14, 24, 34, 2 2 2 3/2 2
2 2
2 2
net
1
-component: 0 siny y y y
x y
kQ kQ W
y F F F F kQ
W L L LW L
F F F
ļ±
ļ¦ ļ¶
ļ§ ļ·ļ½ ļ« ļ« ļ½ ļ« ļ« ļ½ ļ«
ļ§ ļ·ļ« ļ§ ļ·ļ«
ļØ ļø
ļ½ ļ«
Ā
CALCULATE:Ā ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ©
9 2 2 6 2
2 3/2
2 2
1 3.0 m
8.99 10 N m / (32 10 C) 1.612 N
3.0 m 3.0 m 2.0 m
xF C ļ
ļ¦ ļ¶
ļ§ ļ·
ļ½ ļ ļ ļ« ļ½ļ§ ļ·
ļ© ļ¹ļ§ ļ·ļ«ļ§ ļ·ļŖ ļŗļ« ļ»ļØ ļø
Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
9 2 2 6 2
3/2 2
2 2
2 2
net
2.0 m 1
8.99 10 N m / (32 10 C) 2.694 N
2.0 m3.0 m 2.0 m
1.612 N 2.694 N 3.1397 N
yF C
F
ļ
ļ¦ ļ¶
ļ§ ļ·
ļ½ ļ ļ ļ« ļ½ļ§ ļ·
ļ© ļ¹ļ§ ļ·ļ«ļ§ ļ·ļŖ ļŗļ« ļ»ļØ ļø
ļ½ ļ« ļ½
Ā
ROUND:Ā SinceĀ eachĀ givenĀ valueĀ hasĀ 2Ā significantĀ figures,Ā net 3.1 NF ļ½ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā SinceĀ L Ā isĀ lessĀ thanĀ ,W Ā theĀ yācomponentĀ ofĀ netF Ā shouldĀ beĀ greaterĀ thanĀ theĀ xā
component.Ā
21.44. THINK:Ā ChargeĀ 8
1 1.4 10q Cļ
ļ½ ļ
Ā isĀ atĀ 1 (0,0).r ļ½ Ā ChargeĀ 8
2 1.8 10q Cļ
ļ½ ļ ļ
Ā isĀ atĀ 2 (0.18 m,0 m),r ļ½ Ā andĀ
chargeĀ 8
3 2.1 10q Cļ
ļ½ ļ
Ā isĀ atĀ 3 (0 m,0.24 m).r ļ½ Ā DetermineĀ theĀ netĀ forceĀ (magnitudeĀ andĀ direction)Ā 3F Ā
onĀ chargeĀ 3q .Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
- 13. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
831Ā
Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forceĀ betweenĀ twoĀ chargesĀ isĀ
2
3
1212 1 2 12 1 2 12 12/ / .F kq q r r kq q r rļ½ ļ½
ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ²
ļ¤
Ā
TheĀ totalĀ forceĀ onĀ chargeĀ 3q Ā isĀ theĀ sumĀ ofĀ allĀ theĀ forcesĀ actingĀ onĀ it.Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ 3F Ā isĀ foundĀ
fromĀ ļØ ļ©
1/2
2 2
3 1 2 ,F F Fļ½ ļ« Ā andĀ theĀ directionĀ ļ± Ā isĀ foundĀ fromĀ ļØ ļ©1
tan / .y xF Fļ± ļ
ļ½ Ā Ā
SIMPLIFY:Ā
ļØ ļ© ļØ ļ©
net, 3 13 23
1 3 13 2 3 23
3 3
13 23
1 3 3 1 3 1 2 3 3 2 3 2
3/2 3/2
2 2 2 2
3 1 3 1 3 2 3 2
1 3 2 3
3 2 33 2 2 3/2
3 2 3
Ė Ė Ė Ė( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
Ė Ė Ė
( )
F F F
kq q r kq q r
r r
kq q x x x y y y kq q x x x y y y
x x y y x x y y
kq q kq q
y y x x y y
y x y
ļ½ ļ«
ļ½ ļ«
ļ ļ« ļ ļ ļ« ļļ© ļ¹ ļ© ļ¹ļ« ļ» ļ« ļ»ļ½ ļ«
ļ© ļ¹ ļ© ļ¹ļ ļ« ļ ļ ļ« ļļ« ļ» ļ« ļ»
ļ½ ļ« ļ ļ«
ļ«
ļµļ² ļµļ² ļµļ²
ļµļµļ² ļµļµļ²
Ā
CALCULATE:Ā
ļØ ļ© ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
9 2 2 8 8
net, 3
3
9 2 2 8 8
3/2
2 2
5 5 5
8.99 10 N m / C (1.4 10 C)(2.1 10 C) 0.24 m
Ė
0.24 m
Ė Ė8.99 10 N m / C ( 1.8 10 C)(2.1 10 C) 0.18 m 0.24 m
0.18 m 0.24 m
Ė Ė(4.5886 10 N) (2.265 10 N) (3.0206 10 N)
F y
x y
y x
ļ ļ
ļ ļ
ļ ļ ļ
ļ ļ ļ
ļ½
ļ ļ ļ ļ ļ ļ«
ļ«
ļ© ļ¹ļ«ļŖ ļŗļ« ļ»
ļ½ ļ ļ« ļ ļ ļ
ļµļ²
ļØ ļ© ļØ ļ©5 5
Ė
Ė Ė2.265 10 N 1.568 10 N
y
x yļ ļ
ļ½ ļ ļ« ļ
Ā
2 2 5 2 5 2 5
net, 3
5
1 1
5
(2.265 10 N) (1.568 10 N) 2.755 10 N
1.568 10 N
tan tan 34.69 above the horizontal
2.265 10 N
x y
y
x
F F F
F
F
ļ±
ļ ļ ļ
ļ
ļ ļ
ļ
ļ½ ļ« ļ½ ļ ļ« ļ ļ½ ļ
ļ¦ ļ¶ ļ¦ ļ¶ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ°ļ§ ļ· ļ§ ļ·ļ§ ļ· ļļØ ļøļØ ļø
Ā
- 14. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
832Ā
Ā
Ā Ā
ROUND:Ā WithĀ 2Ā significantĀ figuresĀ inĀ eachĀ givenĀ value,Ā theĀ finalĀ answersĀ shouldĀ beĀ roundedĀ toĀ
ļØ ļ© ļØ ļ©5 5 5
net, 3 Ė Ė2.265 10 N 1.568 10 N 2.8 10 NF x yļ ļ ļ
ļ½ ļ ļ« ļ ļ½ ļ
ļµļ²
Ā andĀ Ā 35 .ļ± ļ½ ļ° Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā DueĀ toĀ theĀ attractionĀ betweenĀ 2q Ā andĀ 3q Ā andĀ thatĀ 1q Ā isĀ directlyĀ underneathĀ 3q ,Ā
theĀ xĀ componentĀ ofĀ net, 3F
ļµļ²
Ā hasĀ toĀ beĀ positive.Ā
21.45. THINK:Ā AĀ positiveĀ chargeĀ Q isĀ onĀ theĀ yāaxisĀ atĀ aĀ distance a fromĀ theĀ originĀ andĀ anotherĀ positiveĀ
chargeĀ q isĀ onĀ theĀ xāaxisĀ atĀ aĀ distanceĀ bĀ fromĀ theĀ origin.Ā (a)Ā FindĀ theĀ value(s)Ā ofb forĀ whichĀ theĀ xā
componentĀ ofĀ theĀ forceĀ onq isĀ aĀ minimum.Ā (b)Ā FindĀ theĀ value(s)Ā ofĀ b forĀ whichĀ theĀ xācomponentĀ ofĀ
theĀ forceĀ onĀ q isĀ aĀ maximum.Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ is
2
/ .F kqQr rļ½ Ā TheĀ xācomponentĀ ofĀ thisĀ forceĀ
is 2
( / )cos .xF kqQ r ļ±ļ½ Ā TheĀ valuesĀ ofĀ bĀ forĀ whichĀ xF Ā isĀ aĀ minimumĀ canĀ beĀ determinedĀ byĀ inspection;Ā
theĀ valuesĀ ofĀ b forĀ whichĀ xF Ā isĀ aĀ maximumĀ canĀ beĀ foundĀ byĀ calculatingĀ theĀ extremaĀ ofĀ xF ,Ā thatĀ is,Ā
takingĀ theĀ derivativeĀ ofĀ xF Ā withĀ respectĀ tob ,Ā settingĀ itĀ toĀ zero,Ā andĀ solvingĀ forb .Ā Ā
SIMPLIFY:Ā
ļØ ļ©
2 3 3/2
2 2
cosx
kqQ kqQb kqQb
F
r r a b
ļ±ļ½ ļ½ ļ½
ļ«
Ā
a) Minima:Ā ByĀ inspection,Ā theĀ leastĀ possibleĀ valueĀ ofĀ xF Ā isĀ zero,Ā andĀ thisĀ isĀ attainedĀ onlyĀ when 0.b ļ½ Ā
b)Ā Ā Ā Maxima:Ā 0xdF
db
ļ½
Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
2 2 2
5/2
2 2
3/2 5/2
2 2 2 2
2 2 2
33
2 0 0
2
3 0
2
kqQ a b kqQbkqQ
kqQ a b b
a b a b
a
a b b b
ļ ļ« ļ
ļ ļ ļ« ļ½ ļ ļ½
ļ« ļ«
ļ ļ« ļ ļ½ ļ ļ½ ļ±
Ā
Ā
CALCULATE:Ā RejectĀ theĀ negativeĀ solution,Ā sinceĀ distancesĀ haveĀ toĀ beĀ positive:Ā .
2
a
b ļ½ Ā
- 15. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
833Ā
Ā
ROUND:Ā NotĀ applicableĀ
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā ItĀ makesĀ senseĀ thatĀ theĀ possibleĀ valuesĀ ofĀ b Ā shouldĀ beĀ symmetricallyĀ distributedĀ
aboutĀ theĀ originĀ (aboveĀ whichĀ liesĀ theĀ chargeQ ).Ā
21.46. THINK:Ā TwoĀ protonsĀ areĀ placedĀ nearĀ oneĀ electronĀ asĀ shownĀ inĀ theĀ figureĀ provided.Ā DetermineĀ theĀ
electrostaticĀ forceĀ onĀ theĀ electron.Ā Ā TheĀ chargeĀ ofĀ theĀ electronĀ isĀ eq eļ½ ļ Ā andĀ theĀ chargeĀ ofĀ eachĀ
protonĀ isĀ pq eļ½ ,Ā whereĀ 19
1.602 10 C.e ļ
ļ½ ļ Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā ByĀ symmetryĀ theĀ forcesĀ inĀ theĀ verticalĀ directionĀ cancel.Ā TheĀ forceĀ isĀ thereforeĀ dueĀ
solelyĀ toĀ theĀ horizontalĀ contribution cosF ļ± inĀ theĀ Ėx direction:Ā theĀ CoulombĀ forceĀ is 2
21 1 2 21/ .F kq q rļ½ Ā
SIMPLIFY:Ā ByĀ symmetry,Ā andĀ withĀ theĀ twoĀ protons,Ā Ā
ļØ ļ©
2 2
pe 2 3/2
2 2
Ė Ė Ė2 cos 2 2 .
ke x ke x
F F x x x
rr x d
ļ±ļ½ ļ½ ļ ļ½ ļ
ļ«
ļµļ²
Ā
CALCULATE:Ā
ļØ ļ©ļØ ļ© ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
2
9 2 2 19
26
3/2
2 2
8.99 10 N m /C 1.602 10 C 0.0700 m
Ė Ė2 ( 5.0742 10 N)
0.0700 m 0.0500 m
F x x
ļ
ļ
ļ ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ
ļ© ļ¹ļ«ļŖ ļŗļ« ļ»
ļµļ²
Ā
ROUND:
Ā
ļØ ļ©26
Ė5.07 10 NF xļ
ļ½ ļ ļ
ļµļ²
Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā ThisĀ isĀ aĀ reasonableĀ forceĀ asĀ theĀ chargesĀ areĀ asĀ smallĀ asĀ theyĀ canĀ possiblyĀ beĀ andĀ
theĀ separationĀ isĀ large.Ā
21.47. THINK:Ā TheĀ positionsĀ ofĀ theĀ threeĀ fixedĀ chargesĀ are 1 1.00 mCq ļ½ at 1 (0,0),r ļ½ Ā 2 2.00 mCq ļ½ ļ Ā atĀ
2 (17.0 mm, 5.00 mm),r ļ½ ļ Ā andĀ 3 3.00 mCq ļ½ ļ« Ā atĀ 3 ( 2.00 mm,11.0 mm).r ļ½ ļ Ā FindĀ theĀ netĀ forceĀ onĀ theĀ
chargeĀ 2.q Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ magnitudeĀ forceĀ isĀ
2
3
1212 1 2 12 1 2 12 12/ / .F kq q r r kq q r rļ½ ļ½
ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ²
ļ¤ Ā TheĀ netĀ forceĀ on 2q isĀ theĀ sumĀ
ofĀ allĀ theĀ forcesĀ actingĀ onĀ 2.q Ā Ā
SIMPLIFY:Ā Ā
1 2 1 2 1 3 2 3 2 3
net, 2 12 32 2 3/2 3/2
2 2 2 2
2 1 2 1 2 3 2 3
Ė Ė Ė Ė( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
q x x x y y y q x x x y y y
F F F kq
x x y y x x y y
ļ¦ ļ¶
ļ ļ« ļ ļ ļ« ļļ© ļ¹ ļ© ļ¹ļ« ļ» ļ« ļ»ļ§ ļ·ļ½ ļ« ļ½ ļ«
ļ§ ļ·ļ§ ļ·ļ© ļ¹ ļ© ļ¹ļ ļ« ļ ļ ļ« ļļ« ļ» ļ« ļ»ļØ ļø
ļµļ² ļµļ² ļµļ²
Ā
CALCULATE:Ā WithoutĀ units,Ā
- 16. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
834Ā
Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ©
9
net, 2
3/2 3/2
2 2 2 2
8 7
Ė Ė(1.00) 17.0 5.00 Ė Ė(3.00)(19.0 16.0 )
8.99 10 ( 2.00)
17.0 5.00 19.0 16.0
Ė Ė1.2181 10 7.2469 10 .
x y x y
F
x y
ļ© ļ¹
ļļŖ ļŗļ
ļ½ ļ ļ ļ«ļŖ ļŗ
ļ© ļ¹ ļ© ļ¹ļŖ ļŗļ« ļ ļ« ļļŖ ļŗ ļŖ ļŗļ« ļ» ļ« ļ»ļ« ļ»
ļ½ ļ ļ ļ« ļ
ļµļ²
Ā
Then,Ā theĀ unitsĀ ofĀ net, 2F
ļµļ²
Ā are:Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ©
2 2
net, 2
3/2 3/2
2 2 2 2
(mC)(mm mm) (mC)(mm mm)
N m / C (mC) N
mm mm mm mm
F
ļ© ļ¹
ļŖ ļŗļ ļļ© ļ¹ ļ½ ļ« ļ½ļŖ ļŗļ« ļ»
ļ© ļ¹ ļ© ļ¹ļŖ ļŗļ« ļ«ļŖ ļŗ ļŖ ļŗļ« ļ» ļ« ļ»ļ« ļ»
ļµļ²
Ā
AltogetherĀ ,Ā ļØ ļ© ļØ ļ©8 7
net, 2 Ė Ė1.2181 10 N 7.2469 10 N .F x yļ½ ļ ļ ļ« ļ
ļµļ²
Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forceĀ is
Ā Ā
ļØ ļ© ļØ ļ©
2 2
2 2 8 7 8
net, 2 1.2181 10 N 7.2469 10 N 1.4174 10 Nx yF F Fļ½ ļ« ļ½ ļ ļ ļ« ļ ļ½ ļ Ā
ROUND:Ā Ā ļØ ļ© ļØ ļ©8 7 8
net, 2 net, 2Ė Ė1.22 10 N 7.25 10 N and 1.42 10 N.F x y Fļ½ ļ ļ ļ« ļ ļ½ ļ
ļµļ² ļµļ²
Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā TheĀ chargesĀ areĀ largeĀ andĀ theĀ separationĀ distanceĀ areĀ small,Ā soĀ net, 2F
Ā
shouldĀ beĀ
veryĀ strong.Ā
21.48. THINK:Ā theĀ massesĀ ofĀ theĀ beadsĀ areĀ 5
10.0 mg 1.00 10 kgm ļ
ļ½ ļ½ ļ
Ā andĀ theyĀ haveĀ identicalĀ charge.Ā TheyĀ
areĀ aĀ distanceĀ 0.0200 md ļ½ Ā apart.Ā TheĀ coefficientĀ ofĀ staticĀ frictionĀ betweenĀ theĀ beadsĀ andĀ theĀ
surfaceĀ isĀ 0.200.ļ ļ½ Ā FindĀ theĀ minimumĀ chargeq neededĀ forĀ theĀ beadsĀ toĀ startĀ moving.Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā AssumeĀ theĀ surfaceĀ isĀ parallelĀ toĀ theĀ surfaceĀ ofĀ theĀ Earth.Ā TheĀ frictionalĀ forceĀ isĀ f Nļļ½ ,Ā
whereĀ .N mgļ½ Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ isĀ 2 2
/ .F kq dļ½ Ā TheĀ beadsĀ willĀ startĀ toĀ moveĀ asĀ soonĀ asĀ F Ā isĀ
greaterĀ thanĀ ,f Ā enablingĀ oneĀ beadĀ toĀ moveĀ awayĀ fromĀ theĀ other.Ā ThenĀ theĀ minimumĀ chargeq canĀ beĀ
foundĀ byĀ equatingĀ f Ā andĀ .F Ā
SIMPLIFY:Ā Ā
2
2
2
/
kq
F f mg q d mg k
d
ļ ļļ½ ļ ļ½ ļ ļ½ Ā
CALCULATE:Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
2 5 2
10
9 2 2
0.0200 m (0.200)(1.00 10 kg)(9.81 m / s )
9.3433 10 C
8.99 10 N m / C
q
ļ
ļ
ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
ROUND:Ā AllĀ ofĀ theĀ givenĀ valuesĀ haveĀ threeĀ significantĀ figures,Ā so
Ā
10
9.34 10 C.q ļ
ļ½ ļ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā TheĀ unitsĀ ofĀ theĀ solutionĀ areĀ thoseĀ ofĀ charge.Ā ThisĀ isĀ aĀ reasonableĀ chargeĀ requiredĀ
toĀ overcomeĀ theĀ frictionalĀ force.Ā
21.49. THINK:Ā TheĀ ballāsĀ massĀ isĀ 1 0.0300 kg;m ļ½ Ā itsĀ chargeĀ isĀ 1 0.200 Ī¼ .q Cļ½ ļ Ā TheĀ ballĀ isĀ suspendedĀ aĀ
distanceĀ ofĀ 0.0500 md ļ½ aboveĀ anĀ insulatingĀ floor.Ā TheĀ secondĀ smallĀ ballĀ hasĀ massĀ
2 0.0500 kgm ļ½ andĀ aĀ chargeĀ 2 0.400 Ī¼C.q ļ½ Ā DetermineĀ ifĀ theĀ secondĀ ballĀ leavesĀ theĀ floor.Ā FindĀ theĀ
tensionĀ T Ā inĀ theĀ stringĀ whenĀ theĀ secondĀ ballĀ isĀ directlyĀ beneathĀ theĀ firstĀ ball.Ā
SKETCH:Ā Ā
- 17. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
835Ā
Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ betweenĀ twoĀ chargesĀ isĀ 2
1 2 / .F kq q rļ½ Ā Ā TheĀ forceĀ ofĀ gravityĀ isĀ
g .F mgļ½ TheĀ ballĀ willĀ leaveĀ theĀ floorĀ ifĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ betweenĀ theĀ twoĀ ballsĀ isĀ greaterĀ thatĀ
theĀ forceĀ ofĀ gravity,Ā thatĀ isĀ ifĀ gF Fļ¾ ,Ā Ā andĀ ifĀ theĀ chargesĀ areĀ opposite.Ā TheĀ tensionĀ inĀ theĀ ropeĀ canĀ beĀ
foundĀ byĀ consideringĀ allĀ ofĀ theĀ verticalĀ forcesĀ actingĀ onĀ theĀ firstĀ ball.Ā
SIMPLIFY:Ā Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ is:Ā 2
1 2 / .F kq q dļ½ Ā TheĀ gravitationalĀ forceĀ is:Ā ļØ ļ©g 2F m gļ½ ļ .Ā TheĀ
forcesĀ actingĀ onĀ 1m Ā inĀ theĀ yādirectionĀ sumĀ to:Ā coulomb 10 .T F m gļ½ ļ ļ Ā SoĀ theĀ tensionĀ isĀ coulomb 1 .T F m gļ½ ļ« Ā
CALCULATE:Ā Ā ļØ ļ©9 2 2 6 6 2
8.99 10 N m / C ( 0.200 10 C)(0.400 10 C)/(0.0500 m) 0.28768 N,F ļ ļ
ļ½ ļ ļ ļ ļ ļ½ ļ
Ā Ā Ā
2
g (0.0500 kg)( 9.81 m/s ) 0.4905 N,F ļ½ ļ ļ½ ļ
Ā Ā Ā Ā
2
0.28768 N (0.0300 kg)( 9.81 m/s ) 0.58198 N.T ļ½ ļ ļ« ļ ļ½ ļ Ā
SinceĀ g ,F Fļ¾ Ā theĀ secondĀ ballĀ doesĀ notĀ leaveĀ theĀ ground.Ā
ROUND:Ā WithĀ allĀ givenĀ valuesĀ containingĀ threeĀ significantĀ figures,Ā roundĀ theĀ tensionĀ toĀ
0.582 N.T ļ½ ļ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā TheĀ ballsĀ areĀ notĀ quiteĀ closeĀ enoughĀ toĀ overcomeĀ theĀ forceĀ ofĀ gravity,Ā butĀ theĀ
magnitudeĀ ofĀ coulombF isĀ comparableĀ toĀ gF ,Ā despiteĀ theĀ smallĀ chargesĀ (onĀ theĀ orderĀ ofĀ 7
10 Cļ
).Ā
21.50. THINK:Ā AĀ 1 3.00 mCq ļ½ ļ« Ā chargeĀ andĀ aĀ 2 4.00 mCq ļ½ ļ Ā chargeĀ areĀ fixedĀ inĀ positionĀ andĀ separatedĀ byĀ
5.00 m.d ļ½ Ā TakeĀ theĀ positionĀ ofĀ 1q Ā toĀ beĀ atĀ 1 0,x ļ½ Ā andĀ positionĀ ofĀ 2q Ā toĀ beĀ atĀ 2 5.00 m.x ļ½ Ā (a)Ā FindĀ
theĀ location, 3 ,x Ā ofĀ aĀ 3 7.00 mCq ļ½ ļ« Ā chargeĀ soĀ thatĀ theĀ netĀ forceĀ onĀ itĀ isĀ zero.Ā (b)Ā FindĀ theĀ
location, 3 ,x ļ¢ Ā ofĀ aĀ 3 7.00 mCq ļ½ ļ Ā chargeĀ soĀ thatĀ theĀ netĀ forceĀ onĀ itĀ isĀ zero.Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ betweenĀ twoĀ chargesĀ is 2
1 2 /F kq q rļ½ .Ā TheĀ netĀ forceĀ onĀ aĀ thirdĀ
chargeĀ isĀ zero:
Ā net,3 13 23 13 230 .F F F F Fļ½ ļ« ļ½ ļ ļ½ ļ Ā TheĀ twoĀ forcesĀ mustĀ beĀ equalĀ inĀ magnitude,Ā butĀ
oppositeĀ inĀ direction.Ā ConsiderĀ theĀ followingĀ threeĀ possibleĀ locationsĀ forĀ theĀ charge 3q .Ā NoteĀ thatĀ
thisĀ analysisĀ isĀ independentĀ ofĀ theĀ chargeĀ of 3q :Ā At 3 5.00 m,x ļ¾ Ā theĀ twoĀ forcesĀ 13F Ā andĀ 23F Ā willĀ beĀ
oppositeĀ inĀ directionĀ butĀ theyĀ cannotĀ beĀ equalĀ inĀ magnitude:Ā theĀ chargeĀ 2q Ā atĀ 2 5.00 mx ļ½ Ā isĀ greaterĀ
inĀ magnitudeĀ thanĀ theĀ chargeĀ 1q Ā atĀ 1 0x ļ½ Ā andĀ 3x Ā wouldĀ beĀ closerĀ toĀ 2x .Ā (RememberĀ thatĀ theĀ
electrostaticĀ forceĀ increasesĀ asĀ theĀ distanceĀ betweenĀ theĀ chargesĀ decreases.)Ā ThisĀ makesĀ theĀ
magnitudeĀ ofĀ 23F Ā greaterĀ thanĀ thatĀ ofĀ 13F .Ā Next,Ā considerĀ valuesĀ ofĀ 3x satisfying:Ā 30 m 5.00 m.xļ¼ ļ¼ Ā
TheĀ twoĀ forcesĀ areĀ inĀ theĀ sameĀ directionĀ andĀ thereforeĀ cannotĀ balance.Ā AtĀ 3 0 m,x ļ¼ Ā theĀ twoĀ forcesĀ
areĀ oppositeĀ inĀ direction,Ā andĀ inĀ directĀ oppositionĀ toĀ theĀ firstĀ situation,Ā theĀ forceĀ 13F Ā andĀ 23F Ā canĀ
nowĀ beĀ balanced.Ā TheĀ solutionĀ willĀ haveĀ aĀ negativeĀ position,Ā orĀ moreĀ accurately,Ā theĀ thirdĀ chargeĀ 3q
Ā
- 18. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
836Ā
Ā
mustĀ beĀ placedĀ nearĀ theĀ smallerĀ fixedĀ charge,Ā 1,q Ā withoutĀ beingĀ betweenĀ theĀ twoĀ fixedĀ chargesĀ 1q
Ā
andĀ 2 .q Ā ThisĀ answerĀ isĀ independentĀ ofĀ theĀ chargeĀ ofĀ 3.q Ā
SIMPLIFY:Ā Ā WithĀ 3 0,x ļ¼ Ā andĀ ļ¤13F Ā oppositeĀ inĀ directionĀ toĀ ļ¤23 ,F Ā theĀ forceĀ areĀ balancedĀ whenĀ
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
2 2 2 21 3 2 3
13 23 1 2 3 2 3 1 2 3 1 2 3 1 22 2
2 33
2 0.
kq q kq q
F F q x x q x q q x q x x q x
x xx
ļ½ ļ ļ ļ½ ļ ļ ļ ļ½ ļ ļ ļ« ļ ļ« ļ½
ļ
Ā
Ā SolvingĀ forĀ 3x :Ā
2 2 2
1 2 1 2 1 2 1 2
3
1 2
2 4 4( )
.
2( )
q x q x q q q x
x
q q
ļ± ļ ļ«
ļ½
ļ«
Ā
CALCULATE:Ā Ā
2 2 2
3
2(3.00 mC)(5.00 m) mC m 4(3.00) (5.00) 4(3.00 4.00)(3.00)(5.00)
32.321 m, 2.305 m
2(3.00 mC 4.00 mC)
x
ļ± ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
Ā ByĀ theĀ conventionĀ establishedĀ inĀ thisĀ solution, 3x isĀ negative.Ā (TheĀ secondĀ solutionĀ placesĀ 3q
Ā aĀ
betweenĀ 1q Ā andĀ 2q ,Ā aĀ possibilityĀ whichĀ hasĀ beenĀ ruledĀ out.)Ā Ā
ROUND:Ā AllĀ givenĀ valuesĀ haveĀ threeĀ significantĀ figures,Ā so 3 32.3 m.x ļ½ ļ Ā
DOUBLEĀCHECK:Ā InsertingĀ theĀ calculatedĀ valueĀ ofĀ 3x Ā backĀ intoĀ theĀ expressionsĀ forĀ theĀ CoulombĀ
force:Ā
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ©
1 3
13 2 2
3
3.00 mC 7.00 mC
181 N
32.3 m
kkq q
F
x
ļ½ ļ½ ļ½
ļ
Ā andĀ
ļØ ļ©
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ©
2 3
23 2 2
2 3
4.00 mC 7.00 mC
181 N.
5.00 m 32.3 m
kkq q
F
x x
ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ
ļ ļ«
Ā
21.51. THINK:Ā FourĀ pointĀ charges,Ā eachĀ withĀ chargeĀ q ,Ā areĀ fixedĀ toĀ theĀ fourĀ cornersĀ ofĀ aĀ squareĀ withĀ aĀ
sidesĀ ofĀ lengthĀ 10.0 Ī¼m.d ļ½ Ā AnĀ electronĀ isĀ suspendedĀ aboveĀ aĀ pointĀ atĀ whichĀ itsĀ weightĀ isĀ balancedĀ
byĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ dueĀ toĀ theĀ fourĀ electrons:Ā 15 nmzļ¢ ļ½ Ā aboveĀ theĀ centerĀ ofĀ theĀ square.Ā TheĀ
massĀ ofĀ anĀ electronĀ isĀ 31
9.109 10 kgem ļ
ļ½ ļ ,Ā andĀ theĀ chargeĀ isĀ 19
1.602 10 Ceq e ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ .Ā FindĀ theĀ valueĀ
ofĀ q
Ā ofĀ theĀ fixedĀ charges,Ā inĀ CoulombsĀ andĀ asĀ aĀ multipleĀ ofĀ theĀ electronĀ charge.Ā Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ betweenĀ twoĀ chargesĀ isĀ 2
1 2 / .F kq q rļ½ Ā ByĀ symmetry,Ā theĀ netĀ
forceĀ inĀ theĀ horizontalĀ directionĀ isĀ zero,Ā andĀ theĀ problemĀ reducesĀ toĀ aĀ balanceĀ ofĀ theĀ forcesĀ inĀ theĀ
verticalĀ direction,Ā withĀ oneĀ fixedĀ chargeĀ havingĀ aĀ quarterĀ ofĀ theĀ chargeĀ ofĀ theĀ electron.Ā TheĀ verticalĀ
componentĀ ofĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ isĀ sinF ļ± .Ā TheĀ weightĀ ofĀ theĀ electronĀ isĀ eW m gļ½ .Ā Ā
- 19. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
837Ā
Ā
SIMPLIFY:Ā Ā BalancingĀ theĀ forcesĀ inĀ theĀ verticalĀ (z)Ā directionĀ yieldsĀ
coulomb 2
1 1
sin .
4 4
e
e
kqq
F W m g
r
ļ±ļ½ ļ ļ½ Ā
SolvingĀ forĀ q:Ā Ā
3/2
2
2
2 3 2 2 3/2
2( )1
.
4 sin 4 4 4
e
e e e
e e e
d
m g z
m gr m gr m g L z
q
kq kq z kq z kezļ±
ļ¦ ļ¶
ļ¢ļ ļ«ļ§ ļ·
ļ¢ļ« ļØ ļøļ½ ļ½ ļ½ ļ½
ļ¢ ļ¢ ļ¢
Ā
CALCULATE:Ā Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
3/2
2
31 2 2
9 2 2 19
29 10
(10.0 Ī¼m)
9.109 10 kg (9.81 m / s ) (15 nm)
2
4 8.99 10 N m / C (1.602 10 C)(15 nm)
3.6562 10 C, or -2.282 10
q
e
ļ
ļ
ļ ļ
ļ© ļ¹
ļ ļ ļ«ļŖ ļŗ
ļ« ļ»ļ½
ļ ļ
ļ½ ļ ļ ļ
Ā
ROUND:Ā WithĀ 2Ā significantĀ figuresĀ inĀ ,zļ¢ Ā 29 10
3.7 10 C 2.3 10 .q eļ ļ
ļ½ ļ ļ ļ½ ļ ļ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā TheĀ gravitationalĀ forceĀ onĀ anĀ electronĀ isĀ extremelyĀ small,Ā onĀ theĀ orderĀ ofĀ 30
10 N.ļ
Ā
TheĀ forceĀ chargesĀ q Ā needĀ onlyĀ anĀ extremelyĀ smallĀ chargeĀ toĀ balanceĀ theĀ gravitationalĀ forceĀ onĀ theĀ
electron.Ā
21.52. THINK:Ā AĀ uniformlyĀ chargedĀ thinĀ rodĀ ofĀ length L Ā hasĀ aĀ totalĀ chargeĀ .Q Ā FindĀ anĀ expressionĀ forĀ theĀ
electrostaticĀ forceĀ strengthĀ actingĀ onĀ anĀ electron,Ā whoseĀ magnitudeĀ ofĀ chargeĀ isĀ e,Ā isĀ positionedĀ onĀ
theĀ axisĀ ofĀ theĀ rodĀ atĀ distanceĀ d Ā fromĀ theĀ center.Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ betweenĀ twoĀ chargesĀ isĀ 2
/F kqQ rļ½ .Ā TheĀ netĀ electrostaticĀ forceĀ
actingĀ onĀ aĀ chargeĀ q Ā isĀ theĀ sumĀ ofĀ allĀ theĀ electrostaticĀ forcesĀ actingĀ on q .Ā InĀ theĀ eventĀ ofĀ aĀ
continuousĀ andĀ linearĀ distributionĀ ofĀ chargeĀ ofĀ length L andĀ totalĀ chargeQ ,Ā theĀ forceĀ dueĀ toĀ anĀ
infinitesimalĀ amountĀ ofĀ chargedpļ¢ fromĀ theĀ distributionĀ actingĀ onĀ theĀ charge q is:Ā 2
/ ,dF kq dq xļ¢ļ½ Ā
whereĀ ( / ) .dp Q L dx dxļ¬ļ¢ ļ½ ļ½ Ā ( ļ¬ isĀ theĀ linearĀ chargeĀ density.)Ā InĀ thisĀ case,Ā theĀ totalĀ forceĀ onĀ theĀ
electronĀ isĀ thenĀ Ā
/2
2/2
,
d L
d L
ke
F dx
x
ļ¬ļ«
ļ
ļ½ ļ²
Ā
whereĀ theĀ integrationĀ runsĀ overĀ theĀ lengthĀ ofĀ theĀ rod,Ā startingĀ fromĀ theĀ pointĀ closestĀ toĀ theĀ electronĀ
ļØ ļ©/ 2d Lļ
Ā
andĀ endingĀ withĀ theĀ pointĀ farthestĀ fromĀ theĀ electronĀ ļØ ļ©/ 2 .d Lļ« Ā
SIMPLIFY:Ā Ā
ļØ ļ©/2
2 2 2 2 2 2/2
/2 /2
/2 /2
1 1 1 4 4
2
2 2 4 4
d
d L d
d
L d
L
L
L
d L
ke ke L keQ
F dx ke dx ke x ke
d L d Lx x d dL L
ļ¬ ļ¬
ļ¬ ļ¬ ļ¬
ļ
ļ«
ļ«
ļ
ļ
ļ«
ļ¦ ļ¶
ļ½ ļ½ ļ½ ļ ļ½ ļ ļ½ ļ½ļ§ ļ·
ļ ļ«ļØ ļø ļ ļļ² ļ² Ā
CALCULATE:Ā NotĀ applicableĀ
ROUND:Ā NotĀ applicableĀ
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā TheĀ answerĀ isĀ inĀ theĀ correctĀ unitsĀ ofĀ force:
ļØ ļ©ļØ ļ©
2
2
2
N m
C C
C
N.
m
F
ļ¦ ļ¶
ļ§ ļ·
ļØ ļøļ½ ļ½ļ© ļ¹ļ« ļ» Ā
21.53. THINK:Ā AĀ negativeĀ chargeĀ qļ Ā isĀ locatedĀ andĀ fixedĀ atĀ (0, 0) .Ā AĀ positiveĀ chargeĀ qļ« Ā isĀ initiallyĀ atĀ
( , 0).x Ā TheĀ positiveĀ chargeĀ willĀ accelerateĀ towardsĀ theĀ negativeĀ charge.Ā UseĀ theĀ binomialĀ expansionĀ
- 20. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
838Ā
Ā
toĀ showĀ thatĀ whenĀ theĀ positiveĀ chargeĀ movesĀ aĀ distanceĀ xļ¤ Ā closerĀ toĀ theĀ negativeĀ charge,Ā theĀ
forceĀ onĀ itĀ increasesĀ byĀ 2 3
2 / .F kq xļ¤ļ ļ½ Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ CoulombĀ forceĀ isĀ 2
2121 1 2 21/ ,F kq q r rļ½
ļµļµļ²
ļ¤
Ā whereĀ 21rļ¤
Ā isĀ theĀ unitĀ vectorĀ thatĀ pointsĀ fromĀ
chargeĀ 2Ā toĀ chargeĀ 1.Ā ToĀ firstĀ order,Ā theĀ binomialĀ expansionĀ isĀ (1 ) 1n
x nxļ« ļ» ļ« Ā forĀ 1.x ļ¼ļ¼ Ā
SIMPLIFY:Ā TheĀ initialĀ forceĀ onĀ qļ« Ā (whenĀ itĀ wasĀ atĀ ( , 0)x wasĀ ļ¤
2
2
.
kq
F x
x
ļ½ ļ
ļµļ²
Ā AfterĀ movingĀ closerĀ toĀ qļ Ā
byĀ 1ļ¤ Ā theĀ newĀ forceĀ onĀ qļ« Ā isĀ
ļØ ļ©
ļ¤ ļ¤ ļ¤
22 2 2
2 2 2
2
1 .
1
kq kq kq
F x x x
xxx
x
x
ļ¤
ļ¤ ļ¤
ļ
ļ¦ ļ¶ļ¢
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ½ ļ ļļ§ ļ·
ļØ ļøļ ļ¦ ļ¶
ļļ§ ļ·
ļØ ļø
ļµļ²
UsingĀ theĀ binomialĀ
expansion, ļ¤ ļ¤
2 2
2 2
1 ( 2) ... 1 2
kq kq
F x x
x xx x
ļ¤ ļ¤ļ¦ ļ¶ ļ¦ ļ¶ļ¢
ļ½ ļ ļ ļ ļ« ļ» ļ ļ«ļ§ ļ· ļ§ ļ·
ļØ ļø ļØ ļø
ļµļ²
(toĀ firstĀ orderĀ in ļ¤ ).Ā Then,Ā
ļ¤
2
3
2kq
F F F x
x
ļ¤ļ¢
ļ ļ½ ļ ļ» ļ
ļµļ² ļµļ² ļµļ²
Ā
andĀ
2
3
2
,
kq
F
x
ļ¤
ļ ļ½ Ā Ā asĀ desired.Ā
CALCULATE:Ā NotĀ applicable.Ā
ROUND:Ā NotĀ applicable.Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā TheĀ chargeĀ inĀ forceĀ hasĀ theĀ correctĀ unitsĀ forĀ force:Ā
2
2
2
N m C
C m
mC N.
m
Fļ ļ½ ļ½ļ© ļ¹ļ« ļ» Ā
21.54. THINK:Ā TwoĀ charges,Ā both qļ ,Ā areĀ locatedĀ andĀ fixedĀ atĀ coordinatesĀ ( ,0)dļ Ā andĀ ( ,0)d Ā inĀ theĀ xĀyĀ plane.Ā
AĀ positiveĀ chargeĀ ofĀ theĀ sameĀ magnitude q andĀ ofĀ massm isĀ placedĀ atĀ coordinate(0,0) .Ā TheĀ positiveĀ
chargeĀ isĀ thenĀ movedĀ aĀ distance dļ¤ alongĀ theĀ +yĀ directionĀ andĀ thenĀ released.Ā ItĀ willĀ oscillateĀ
betweenĀ coāordinatesĀ (0, )ļ¤ and(0, )ļ¤ļ .Ā FindĀ theĀ netĀ force netF actingĀ onĀ theĀ positiveĀ chargeĀ whenĀ itĀ isĀ
movedĀ to(0, )ļ¤ andĀ useĀ theĀ binomialĀ expansionĀ toĀ findĀ anĀ expressionĀ forĀ theĀ frequencyĀ ofĀ theĀ
resultingĀ oscillation.Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ CoulombĀ forceĀ isĀ 2
2121 1 2 21/ ,F kq q r rļ½
ļµļµļ²
ļ¤ Ā whereĀ 21F
ļµļµļ²
Ā isĀ theĀ forceĀ onĀ theĀ chargeĀ 1Ā byĀ
chargeĀ 2,Ā andĀ 21rļ¤ Ā pointsĀ fromĀ chargeĀ 2Ā toĀ chargeĀ 1.Ā ToĀ firstĀ order,Ā theĀ binomialĀ expansionĀ is,Ā inĀ
- 21. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
839Ā
Ā
general,Ā (1 ) 1n
x nxļ« ļ» ļ« Ā forĀ 1.x Ā TheĀ restoringĀ forceĀ ofĀ aĀ simpleĀ harmonicĀ oscillatorĀ obeysĀ HookeāsĀ
Law,Ā 2
,F mxļ·ļ½ ļ Ā Ā whereĀ ļ· isĀ theĀ characteristicĀ angularĀ frequency,Ā andĀ / (2 ).f ļ· ļ°ļ½ Ā
SIMPLIFY:Ā Ā
2 2 2
3121 1 31 2
net
3 3 2 2 3/2 2 2 3/2 2 2 3/2
21 31
3/2
2 2 2
3/2 3 2
2
3
2
2
Ė Ė Ė Ė Ė( ) ( )
( ) ( ) ( )
2 2
Ė Ė1
1
kq q rkq q r kq kq kq
F dx y dx y y
r r d d d
kq kq
y y
d d
d
d
ļ¤
ļ¤ ļ¤
ļ¤ ļ¤ ļ¤
ļ¤ ļ¤ ļ¤
ļ¤
ļ
ļ ļ
ļ½ ļ« ļ½ ļ« ļ ļ ļ« ļ½
ļ« ļ« ļ«
ļ¦ ļ¶
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ«ļ§ ļ·
ļ¦ ļ¶ ļØ ļø
ļ«ļ§ ļ·
ļØ ļø
ļ²ļ²
ļµļ²
Ā
NoteĀ theĀ binomialĀ expansionĀ ofĀ ļØ ļ© ļØ ļ©ļØ ļ©
3
222 2 2
1 / 1 3/ 2 / .d dļ¤ ļ¤
ļ
ļ« ļ» ļ Ā NeglectingĀ theĀ termĀ 2 2
/ dļ¤ Ā
(keepingĀ onlyĀ termsĀ linearĀ inļ¤ ),Ā theĀ netĀ forceĀ is ļØ ļ©2 3
net Ė2 / .F kq d yļ¤ļ» ļ
ļµļ²
Ā ThenĀ fromĀ 2
,F mxļ·ļ½ ļ Ā
ļØ ļ©/F mxļ· ļ½ ļ
Ā
withĀ ,x ļ¤ļ½ Ā theĀ angularĀ frequencyĀ
is ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ©2 3 2 3
2 / 2 / / 2 /kq md kq md q d k mdļ· ļ¤ ļ¤ļ½ ļ½ ļ½ andĀ theĀ frequencyĀ
is ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ©/ 2 2 / / / 2 .f q d k md q d k mdļ° ļ°ļ½ ļ½ Ā
CALCULATE:Ā NotĀ applicableĀ
ROUND:Ā NotĀ applicableĀ
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā TheĀ frequencyĀ ofĀ oscillationĀ shouldĀ dependĀ directlyĀ onĀ theĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ
chargesĀ andĀ inverseĀ onĀ theĀ distanceĀ separatingĀ theĀ charges.Ā ThisĀ lendsĀ supportĀ toĀ theĀ formulasĀ
foundĀ above.Ā
21.55. TheĀ gravitationalĀ forceĀ betweenĀ theĀ EarthĀ andĀ MoonĀ isĀ givenĀ by 2
g Earth Moon EM/ .F GM m rļ½ Ā TheĀ staticĀ
electricalĀ forceĀ betweenĀ theĀ EarthĀ andĀ theĀ MoonĀ isĀ 2 2
EM/ ,F kQ rļ½ Ā whereĀ Q Ā isĀ theĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ
chargeĀ onĀ eachĀ theĀ EarthĀ andĀ theĀ Moon.Ā IfĀ theĀ staticĀ electricalĀ forceĀ isĀ 1.00%Ā thatĀ ofĀ theĀ forceĀ ofĀ
gravity,Ā thenĀ theĀ chargeĀ Q Ā wouldĀ be:Ā
2
Earth Moon Earth Moon
g 2 2
EM EM
0.0100 0.0100
0.01 .
GM m GM mkQ
F F Q
kr r
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ½
Ā
ThisĀ givesĀ
ļØ ļ©
11 2 24 22
12
9 2 2
0.0100(6.67 10 N m / kg)(5.97 10 kg)(7.36 10 kg)
5.71 10 C.
8.99 10 N m / C
Q
ļ
ļ ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
21.56. TheĀ gravitationalĀ forceĀ betweenĀ theĀ EarthĀ andĀ MoonĀ isĀ givenĀ by 2
g Earth moon EM/ .F GM m rļ½ Ā IfĀ thisĀ isĀ dueĀ
solelyĀ toĀ staticĀ electricalĀ forceĀ betweenĀ theĀ EarthĀ andĀ Moon,Ā theĀ magnitudeĀ ofĀ Q Ā wouldĀ be:Ā
2
Earth Moon Earth Moon
g 2 2
EM EM
.
M m GM mQ
F G k Q
kr r
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ ļ½
Ā So,Ā
ļØ ļ©
24 22
11 2 13
9 2 2
(5.97 10 kg)(7.36 10 kg)
(6.67 10 N m / kg) 5.71 10 C.
8.99 10 N m / C
Q ļ ļ ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ
ļ
Ā
ThisĀ isĀ aĀ largeĀ amountĀ ofĀ charge,Ā onĀ theĀ orderĀ ofĀ 31
10 Ā electronsĀ worthĀ ofĀ charge.Ā ThisĀ isĀ equivalentĀ toĀ
aboutĀ 60Ā millionĀ molesĀ ofĀ electrons.Ā Ā
21.57. THINK:Ā TheĀ radiiĀ ofĀ theĀ electronĀ orbitsĀ areĀ 2
n Br n aļ½ ,Ā where n isĀ anĀ integerĀ (notĀ 0)Ā andĀ
11
B 5.29 10 m.a ļ
ļ½ ļ Ā CalculateĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ betweenĀ theĀ electronĀ (charge eļ andĀ massĀ
31
e 9.109 10 kgm ļ
ļ½ ļ )Ā andĀ theĀ protonĀ (chargeĀ e Ā andĀ massĀ 27
p 1.673 10 kgm ļ
ļ½ ļ Ā )Ā forĀ theĀ firstĀ 4Ā orbitsĀ
andĀ compareĀ themĀ toĀ theĀ gravitationalĀ interactionĀ betweenĀ theĀ two.Ā Ā NoteĀ 19
1.602 10 .e Cļ
ļ½ ļ Ā
Ā
- 22. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
840Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ CoulombĀ forceĀ isĀ 2
1 2 / ,F k q q rļ½ Ā orĀ 2 2
n n/F ke rļ½
Ā inĀ thisĀ case.Ā TheĀ gravitationalĀ
forceĀ isĀ 2
g 1 2 / ,F Gm m rļ½ Ā orĀ 2
g, n e p n/ .F Gm m rļ½ Ā
SIMPLIFY:Ā Ā Ā
2 2
e p e p
1 g, 1 2 g, 22 2 2 2
B B B B
1: ; , 2: ;
(4 ) (4 )
Gm m Gm mke ke
n F F n F F
a a a a
ļ½ ļ½ ļ½ ļ½ ļ½ ļ½ Ā
2 2
e p e p
3 g, 3 4 g, 42 2 2 2
B B B B
3: ; , 4 : ;
(9 ) (9 ) (16 ) (16 )
Gm m Gm mke ke
n F F n F F
a a a a
ļ½ ļ½ ļ½ ļ½ ļ½ ļ½ Ā
CALCULATE:Ā NoteĀ that:
ļØ ļ©
ļØ ļ©
9 2 2 19 22
8
2 2
11
B
8.99 10 N m /C (1.602 10 C)
8.2465 10 N
5.29 10 m
ke
a
ļ
ļ
ļ
ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā andĀ Ā
ļØ ļ©
11 2 31 27
e p 47
2 2
11
B
(6.67 10 N m / kg)(9.109 10 kg)(1.673 10 kg)
3.632 10 N.
5.29 10 m
Gm m
a
ļ ļ ļ
ļ
ļ
ļ ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
ļØ ļ© ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
ļØ ļ©
2
e p8 47
1 g, 12 2
B B
2
e p9 48
2 g, 22 2
B B
2
e p9 49
3 g, 32 2
B B
2
4 2
B
Then for 1: 8.2465 10 N; 3.6342 10 N
2: 5.1515 10 N; 2.2712 10 N
4 4
3: 1.1081 10 N; 4.4863 10 N
9 9
4 :
16
Gm mke
n F F
a a
Gm mke
n F F
a a
Gm mke
n F F
a a
ke
n F
a
ļ ļ
ļ ļ
ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ ļ½ ļ½ ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ ļ½ ļ½ ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ ļ½ ļ½ ļ
ļ½ ļ½
ļØ ļ©
e p10 49
g, 4 2
B
3.2213 10 N; 1.4195 10 N
16
Gm m
F
a
ļ ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ½ ļ
Ā
ROUND:Ā SinceĀ Ba Ā hasĀ threeĀ significantĀ figures,Ā 8
1 8.25 10 N,F ļ
ļ½ ļ
Ā
47
g, 1 3.63 10 N,F ļ
ļ½ ļ
Ā
9
2 5.15 10 N,F ļ
ļ½ ļ
Ā
48
g, 2 2.27 10 N,F ļ
ļ½ ļ
Ā
9
3 1.12 10 N,F ļ
ļ½ ļ
Ā
49
g, 3 4.49 10 N,F ļ
ļ½ ļ
Ā
10
4 3.22 10 N,F ļ
ļ½ ļ
Ā
49
g, 4and 1.42 10 N.F ļ
ļ½ ļ InĀ
everyĀ caseĀ theĀ gravitationalĀ forceĀ betweenĀ theĀ protonĀ andĀ theĀ electronĀ isĀ almostĀ fortyĀ ordersĀ ofĀ
magnitudeĀ smallerĀ thanĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ betweenĀ them.
Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Asn increases,Ā theĀ distanceĀ betweenĀ theĀ protonĀ andĀ theĀ electronĀ increases.Ā SinceĀ
eachĀ forceĀ followsĀ anĀ inverseāsquareĀ lawĀ withĀ respectĀ toĀ theĀ distance,Ā theĀ forcesĀ decreaseĀ
asn increasesĀ
- 23. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
841Ā
Ā
21.58. THINK:Ā TheĀ netĀ forceĀ onĀ theĀ orbitingĀ electronĀ isĀ theĀ centripetalĀ force,Ā CF .Ā ThisĀ isĀ dueĀ toĀ theĀ
electrostaticĀ forceĀ betweenĀ theĀ electronĀ andĀ theĀ proton,Ā F .Ā TheĀ radiusĀ ofĀ theĀ hydrogenĀ atomĀ isĀ
11
5.29 10 mr ļ
ļ½ ļ .Ā TheĀ chargeĀ ofĀ anĀ electronĀ isĀ 19
e 1.602 10 Cq e ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ ,Ā andĀ theĀ chargeĀ ofĀ aĀ protonĀ isĀ
19
p 1.602 10 Cq e ļ
ļ½ ļ½ ļ .Ā FindĀ theĀ velocityĀ v andĀ theĀ kineticĀ energyĀ K ofĀ theĀ electronĀ orbital.Ā TheĀ massĀ
ofĀ anĀ electronĀ isĀ 31
e 9.109 10 kg.m ļ
ļ½ ļ Ā Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā Ā TheĀ centripetalĀ forceĀ isĀ 2
C e / .F m v rļ½ Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ isĀ 2
1 2 / .F k q q rļ½ Ā TheĀ
kineticĀ energyĀ isĀ 2
/ 2.K mvļ½ Ā Ā
SIMPLIFY:Ā SolveĀ forv :Ā
ļØ ļ©
1/2
2 2 2 2 2
C e 1 2 e/ / / /F F m v r k q q r ke r v ke rmļ© ļ¹ļ½ ļ ļ½ ļ½ ļ ļ½ ļ« ļ» Ā
SolveĀ forĀ K :Ā 2
e / 2.K m vļ½ Ā
CALCULATE:Ā
ļØ ļ©9 2 2 19 2
6
11 31
8.99 10 N m / C (1.602 10 C)
2.18816 10 m/s
(5.29 10 m)(9.109 10 kg)
v
ļ
ļ ļ
ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ ļ
Ā ļØ ļ©
2
31 6
18
(9.109 10 kg) 1.5915 10 m/s
1.14106 10 J 7.1219 eV
2
K
ļ
ļ
ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ ļ½ Ā
ROUND:Ā 6
2.19 10 m/s, and 7.12 eV.v Kļ½ ļ ļ½ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā BecauseĀ theĀ electronĀ hasĀ veryĀ littleĀ mass,Ā itĀ isĀ capableĀ ofĀ approachingĀ speedsĀ onĀ
theĀ orderĀ ofĀ 0.01c Ā orĀ 0.1c (whereĀ cĀ isĀ theĀ speedĀ ofĀ light).Ā ForĀ theĀ sameĀ reason,Ā itsĀ kineticĀ energyĀ isĀ
smallĀ (onĀ theĀ orderĀ ofĀ aĀ fewĀ electronĀ volts,Ā inĀ theĀ caseĀ ofĀ theĀ hydrogenĀ atom).Ā
21.59. ForĀ theĀ atomĀ describedĀ inĀ theĀ previousĀ question,Ā theĀ ratioĀ ofĀ theĀ gravitationalĀ forceĀ betweenĀ theĀ
electronĀ andĀ protonĀ toĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ is:Ā Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
2 2
g e p 1 2
2
e p
11 3 2 31 27
9 2 2 19 2
40
/ / /
/
6.6742 10 m / (kg s ) (9.109 10 kg)(1.673 10 kg)
8.99 10 N m / C (1.602 10 C)
4.41 10
F F Gm m r k q q r
Gm m ke
ļ ļ ļ
ļ
ļ
ļ© ļ¹ ļ© ļ¹ļ½ ļ« ļ»ļ« ļ»
ļ½
ļ ļ ļ
ļ½
ļ ļ
ļ½ ļ
Ā
ThisĀ valueĀ isĀ independentĀ ofĀ theĀ radius;Ā ifĀ thisĀ radiusĀ isĀ doubled,Ā theĀ ratioĀ doesĀ notĀ change.Ā
21.60. THINK:Ā TheĀ EarthĀ andĀ theĀ MoonĀ eachĀ haveĀ aĀ chargeĀ 6
1.00 10 C.q ļ½ ļ ļ Ā TheirĀ massesĀ areĀ
24
E 5.97 10 kgm ļ½ ļ Ā andĀ 2
M
2
7.36 10 kgm ļ½ ļ ,Ā respectively.Ā Ā TheĀ distanceĀ betweenĀ themĀ isĀ
384.403 km,r ļ½ Ā centerātoācenter.Ā (a)Ā CompareĀ theirĀ electrostaticĀ repulsion, F ,Ā withĀ theirĀ
gravitationalĀ attraction,Ā gF .Ā Ā Ā Ā Ā Ā Ā Ā Ā (b)Ā DiscussĀ theĀ effectsĀ ofĀ theĀ electrostaticĀ forceĀ onĀ theĀ size,Ā shapeĀ
andĀ stabilityĀ ofĀ theĀ MoonāsĀ orbitĀ aroundĀ theĀ Earth.Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
- 24. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
842Ā
Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā TreatĀ eachĀ objectĀ asĀ aĀ pointĀ particle.Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ is 2
1 2 /F k q q rļ½ ,Ā andĀ theĀ
gravitationalĀ forceĀ is 2
g / .F GMm rļ½ Ā Ā
SIMPLIFY:Ā Ā
(a)Ā 2 2
E M
2
g/ ; /F kq r F GM m rļ½ ļ½ Ā
(b)Ā NotĀ applicable.Ā
CALCULATE:Ā Ā
(a)Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
9 2 2 6 2
2
8
8.99 10 N m / C ( 1.00 10 C)
60839.6 N
3.84403 10 m
F
ļ ļ ļ
ļ½ ļ½
ļ
Ā ļØ ļ©ļØ ļ©ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ©
11 3 2 24 22
20
g 2
8
6.6742 10 m / kg s 5.9742 10 kg 7.36 10 kg
1.986 10 N
3.84403 10 m
F
ļ
ļ ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
(b)Ā TheĀ forceĀ ofĀ gravityĀ isĀ aboutĀ 16Ā ordersĀ ofĀ magnitudeĀ greaterĀ thanĀ theĀ electrostaticĀ repulsion.Ā TheĀ
electrostaticĀ forceĀ isĀ anĀ inverseāsquareĀ centralĀ force.Ā ItĀ thereforeĀ hasĀ noĀ effectĀ onĀ theĀ shapeĀ orĀ
stabilityĀ ofĀ theĀ MoonāsĀ orbit.Ā ItĀ couldĀ onlyĀ affectĀ theĀ sizeĀ ofĀ theĀ orbit,Ā butĀ givenĀ theĀ ordersĀ ofĀ
magnitudeĀ inĀ differenceĀ betweenĀ thisĀ andĀ gF ,Ā theĀ effectĀ isĀ probablyĀ undetectable.Ā
ROUND:Ā Ā
(a)Ā 4
6.08 10 NF ļ½ ļ and Fg ļ½1.99ļ1020
N Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā gF
Ā
shouldĀ greaterĀ than ,F Ā otherwiseĀ theĀ MoonĀ wouldĀ notĀ remainĀ inĀ theĀ EarthāsĀ
orbit.Ā
21.61. EightĀ 1.00-Ī¼Cļ« chargesĀ areĀ alignedĀ onĀ theĀ yĀaxisĀ withĀ aĀ distanceĀ 2.00 cmyļ ļ½ Ā betweenĀ eachĀ closestĀ
pair:Ā Ā
Ā Ā
TheĀ forceĀ onĀ theĀ chargeĀ atĀ 4.00 cm,y ļ½
Ā 3 ,q Ā is:Ā
ļ¤
8
tot, 3 , 3 13 23 43 53 63 73 83 13 23 43 53 63 73 83
1, 3
( )n
n n
F F F F F F F F F F F F F F F F y
ļ½ ļ¹
ļ½ ļ½ ļ« ļ« ļ« ļ« ļ« ļ« ļ½ ļ« ļ ļ ļ ļ ļļ„
ļµļ² ļµļ² ļµļ² ļµļ² ļµļ² ļµļ² ļµļ² ļµļ² ļµļ²
Ā
AllĀ termsĀ haveĀ inĀ commonĀ theĀ factor 3k q .Ā Then,Ā
1 2 4 5 6 7 8
tot, 3 3 2 2 2 2 2 2 2
1 3 2 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3
q q q q q q q
F k q
y y y y y y y y y y y y y y
ļ¦ ļ¶
ļ§ ļ·
ļ½ ļ« ļ ļ ļ ļ ļļ§ ļ·
ļ§ ļ·ļ ļ ļ ļ ļ ļ ļ
ļØ ļø
ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² Ā
SinceĀ 1 2 8...q q q qļ½ ļ½ ļ½ ļ½ ,Ā
- 25. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
843Ā
Ā
ļ¤
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļ¤
2
tot, 3 2 2 2 2 2 2 2
2
tot, 3 2 2 2 2 2 2
9 2 2 6
2
2
1 1 1 1 1 1 1
(2 ) ( ) ( ) (2 ) (3 ) (4 ) (5 )
1 1 1 1 1
1 1
( ) 2 2 3 4 5
8.99 10 N m / C 1.00 10 C 769
36000.0200 m
Ė4.80 N
F kq
y y y y y y y
kq
F y
y
y
y
ļ
ļ¦ ļ¶
ļ½ ļ« ļ ļ ļ ļ ļļ§ ļ·
ļ ļ ļ ļ ļ ļ ļļØ ļø
ļ¦ ļ¶
ļ½ ļ« ļ ļ ļ ļ ļļ§ ļ·
ļ ļØ ļø
ļ ļ ļ¦ ļ¶
ļ½ ļļ§ ļ·
ļØ ļø
ļ½ ļ
ļ²
Ā
21.62. TheĀ distanceĀ betweenĀ theĀ electronĀ (charge eq eļ½ ļ )Ā andĀ theĀ protonĀ (charge pq eļ½ )Ā isĀ 11
5.2 10 m.r ļ
ļ½ ļ Ā
TheĀ netĀ forceĀ onĀ theĀ electronĀ isĀ theĀ centripetalĀ force,Ā 2
c e c e /F m a m v rļ½ ļ½ .Ā ThisĀ isĀ dueĀ toĀ theĀ CoulombĀ
force,
Ā
2
1 2 / .F k q q rļ½ Ā Ā ThatĀ is,Ā 2 2
c e 1 2/ / .F F m v r k q q rļ½ ļ ļ½ Ā TheĀ speedĀ ofĀ theĀ electronĀ is:Ā
ļØ ļ©9 2 2 19 22 2
2 6 6
e 31 11
e
8.99 10 N m / C (1.602 10 C)
2.207 10 m/s 2.2 10 m/s.
(9.109 10 kg)(5.2 10 m)
ke ke
m v v
r m r
ļ
ļ ļ
ļ ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ½ ļ½ ļ ļ» ļ
ļ ļ
Ā
21.63. TheĀ radiusĀ ofĀ theĀ nucleusĀ ofĀ 14
C isĀ 0 1.505 fm.r ļ½ Ā TheĀ nucleusĀ hasĀ chargeĀ 0 6 .q eļ½ ļ« Ā Ā
(a)Ā AĀ protonĀ (chargeĀ q eļ½ )Ā isĀ placedĀ 3.01 fmd ļ½ fromĀ theĀ surfaceĀ ofĀ theĀ nucleus.Ā TreatingĀ theĀ
nucleusĀ asĀ aĀ pointĀ charge,Ā theĀ distanceĀ betweenĀ theĀ protonĀ andĀ theĀ chargeĀ ofĀ theĀ nucleusĀ isĀ
0 .r d rļ½ ļ« Ā TheĀ forceĀ isĀ repulsiveĀ dueĀ toĀ theĀ likeĀ charges.Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ thisĀ forceĀ isĀ Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
9 2 2 19 22
0
2 2 2
15 15
0
8.99 10 N m / C 6(1.602 10 C)6
67.908 N 67.9 N
3.01 10 m 1.505 10 m
k q q k e
F
r d r
ļ
ļ ļ
ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ½ ļ»
ļ« ļ ļ« ļ
Ā
(b)Ā TheĀ protonāsĀ accelerationĀ is:Ā Ā
2
28e
c e c 2
p
2
7
67.908 N
4.06 10 m/s
1.673 10 kg
m v F
F m a a
r m ļ
ļ½ ļ½ ļ ļ½ ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
21.64. TheĀ originalĀ forceĀ isĀ 2
1 2 / 0.10 N.F k q q rļ½ ļ½ Ā Now 1q becomes 1(1/ 2) ,q Ā whileĀ r Ā becomesĀ 2 .r Ā TheĀ
newĀ forceĀ is:Ā
ļØ ļ©
1 2
1 2
2 2
1
2 1 1 1
= (0.10 N) 0.013 N
8 8 82
k q q
k q q
F F
rr
ļ¢ ļ½ ļ½ ļ½ ļ½ Ā
21.65. TheĀ chargeĀ andĀ positionĀ ofĀ threeĀ pointĀ chargesĀ onĀ theĀ xāaxisĀ are:Ā
11
22
33
19.0 Ī¼C; 10.0 cm
57.0 Ī¼C; 20.0 cm
3.80 Ī¼C; 0
q x
q x
q x
ļ½ ļ« ļ½ ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ«
ļ½ ļ ļ½
ļ²
ļ²
ļ²
Ā Ā Ā
Ā
TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ totalĀ electrostaticĀ forceĀ onĀ 3q Ā is:Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
3 1 3 2 1 2
13 23tot, 3 13 23 13 23 32 2 2 2
1 21 3 2 3
9 2 2
2 2
19.0 Ī¼ 57.0 Ī¼
8.99 10 N m / C 3.80 Ī¼ 114 N
0.100 m 0.200 m
k q q k q q q q
F F F F F F F k q
x xx x x x
C C
C
ļ¦ ļ¶
ļ§ ļ·ļ½ ļ« ļ½ ļ ļ ļ½ ļ« ļ½ ļ« ļ½ ļ«
ļ§ ļ·ļ ļ ļØ ļø
ļ¦ ļ¶ļ
ļ§ ļ·ļ½ ļ ļ ļ« ļ½
ļ§ ļ·
ļØ ļø
ļµļ² ļµļ²
ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ²
Ā
21.66. TheĀ chargeĀ andĀ positionĀ ofĀ threeĀ pointĀ chargesĀ onĀ theĀ xāaxisĀ are:Ā Ā
Ā
- 26. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
844Ā
Ā
11
22
33
64.0 Ī¼C; 0.00 cm
80.0 Ī¼C; 25.0 cm
160.0 Ī¼C; 50.0 cm
q x
q x
q x
ļ½ ļ« ļ½
ļ½ ļ« ļ½
ļ½ ļ ļ½
ļ²
ļ²
ļ²
Ā Ā Ā
Ā
TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ totalĀ electrostaticĀ forceĀ on 1q is:Ā
ļØ ļ© ļØ ļ©
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
2 1 3 1 3 2
21 31tot, 1 21 31 12 2 2 2
3 22 1 3 1
9 2 2
2 2
160.0 Ī¼C 80.0 Ī¼C
8.99 10 N m / C 64.0 Ī¼C 368 N.
0.500 m 0.250 m
k q q k q q q q
F F F F F k q
x xx x x x
ļ
ļ½ ļ« ļ½ ļ ļ« ļ½ ļ« ļ½ ļ
ļ ļ
ļ¦ ļ¶
ļ§ ļ·ļ½ ļ ļ ļ½
ļ§ ļ·
ļØ ļø
ļµļ² ļµļ²
ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ² ļµļµļ²
Ā
21.67. TheĀ chargeĀ ofĀ theĀ EarthĀ isĀ 5
6.8 10 C.Q ļ½ ļ ļ Ā TheĀ massĀ ofĀ theĀ objectĀ isĀ 1.0 g.m ļ½ Ā ForĀ thisĀ objectĀ toĀ beĀ
levitatedĀ nearĀ theĀ EarthāsĀ surfaceĀ ( E 6378 kmr ļ½ ),Ā theĀ CoulombĀ forceĀ andĀ theĀ forceĀ ofĀ gravityĀ mustĀ beĀ
theĀ same.Ā TheĀ chargeĀ q Ā ofĀ theĀ objectĀ canĀ beĀ foundĀ fromĀ balancingĀ theseĀ forces:Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
2
E
g Coulomb 2
E
2 6 2
5
9 2 2 5
0.0010 kg (9.81 m / s )(6.378 10 m)
6.5278 10 C 65 Ī¼C.
8.99 10 N m /C 6.8 10 C
k Qq mgr
F F mg q
k Qr
q ļ
ļ½ ļ ļ½ ļ ļ½
ļ
ļ½ ļ½ ļ ļ»
ļ ļ ļ
Ā
SinceĀ Q Ā isĀ negative,Ā andĀ theĀ objectĀ isĀ levitatedĀ byĀ theĀ repulsionĀ ofĀ likeĀ charges,Ā itĀ mustĀ beĀ thatĀ
65 Ī¼Cq ļ» ļ .Ā
21.68. TheĀ massĀ ofĀ theĀ catĀ isĀ 7.00Ā kg.Ā TheĀ distanceĀ betweenĀ theĀ catĀ andĀ theĀ metalĀ plateĀ isĀ 2.00Ā m.Ā TheĀ catĀ isĀ
suspendedĀ dueĀ toĀ attractiveĀ electricĀ forceĀ betweenĀ theĀ catĀ andĀ theĀ metalĀ plate.Ā Ā
Ā Ā
TheĀ attractiveĀ forceĀ betweenĀ theĀ catĀ andĀ theĀ metalĀ plateĀ isĀ 2
/ .F kQQ dļ½ Ā SinceĀ theĀ catĀ isĀ suspendedĀ
inĀ theĀ air,Ā thisĀ meansĀ thatĀ .F mgļ½ Ā ThereforeĀ 2 2
/ .mg kQ dļ½ Ā SolvingĀ forĀ Q Ā givesĀ
2
/ / .Q mgd k d mg kļ½ ļ½ Ā SubstitutingĀ 7.00 kgm ļ½ ,Ā 2
9.81 m / sg ļ½ ,Ā 9 2 2
8.99 10 N m /k Cļ½ ļ Ā andĀ
2.00 md ļ½ Ā yieldsĀ
2
4
9 2 2
7.00 kg 9.81 m / s
2.00 m 1.748 10 .
8.99 10 N m / C
Q eļļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
TheĀ numberĀ ofĀ electronsĀ thatĀ mustĀ beĀ extractedĀ isĀ
4
15
19
e
1.748 10 C
1.09 10 electrons.
1.602 10 C
Q
N
q
ļ
ļ
ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
- 27. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
845Ā
Ā
21.69. THINK:Ā Ā AĀ 10.0Ā gĀ massĀ isĀ suspendedĀ 5.00Ā cmĀ aboveĀ aĀ nonāconductingĀ flatĀ plate.Ā TheĀ massĀ andĀ theĀ
plateĀ haveĀ theĀ sameĀ chargeĀ .q Ā TheĀ gravitationalĀ forceĀ onĀ theĀ massĀ isĀ balancedĀ byĀ theĀ electrostaticĀ
force.Ā Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ onĀ theĀ massĀ m Ā isĀ 2 2
E / .F kq dļ½ Ā ThisĀ forceĀ isĀ balancedĀ byĀ theĀ
gravitationalĀ forceĀ gF mgļ½ .Ā Therefore,Ā E gF Fļ½ or 2 2
/ .kq d mgļ½ Ā
SIMPLIFY:Ā TheĀ chargeĀ onĀ theĀ massĀ m Ā thatĀ satisfiesĀ theĀ balancedĀ conditionĀ isĀ / .q d mg kļ½ Ā
CALCULATE:Ā PuttingĀ inĀ theĀ numericalĀ valuesĀ gives:Ā Ā
ļØ ļ©ļØ ļ©3 2
7
9 2 2
10.0 10 kg 9.81 m / s
0.0500 m 1.6517 10 .
8.99 10 N m / C
q e
ļ
ļ
ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ Ā
Ā
TheĀ numberĀ ofĀ electronsĀ onĀ theĀ massĀ m Ā is:Ā
7
12
19
1.6517 10
1.0310 10 electrons.
1.602 10
q e
N
e e
ļ
ļ
ļ
ļ½ ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
TheĀ additionalĀ massĀ ofĀ electronsĀ isĀ ļØ ļ©ļØ ļ©12 31 19
1.0310 10 9.11 10 kg 9.39263 10 kg.m ļ ļ
ļ ļ½ ļ ļ ļ½ ļ Ā
ROUND:Ā RoundingĀ toĀ threeĀ significantĀ figuresĀ gives 7
1.65 10 ,q eļ
ļ½ ļ Ā andĀ 19
9.39 10 kg.m ļ
ļ ļ½ ļ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā ItĀ isĀ expectedĀ thatĀ mļ Ā isĀ negligibleĀ sinceĀ theĀ massĀ ofĀ electronĀ isĀ veryĀ small.Ā
21.70. THINK:Ā ThisĀ problemĀ involvesĀ superpositionĀ ofĀ forces.Ā Ā SinceĀ thereĀ areĀ threeĀ forcesĀ onĀ 4 ,Q Ā theĀ netĀ
forceĀ isĀ theĀ vectorĀ sumĀ ofĀ threeĀ forces.Ā
SKETCH:Ā Ā
- 28. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
846Ā
Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forcesĀ betweenĀ twoĀ charges,Ā 1q Ā andĀ 2 ,q Ā isĀ 2
1 2 / .F kq q rļ½ TheĀ
forcesĀ on 4Q Ā areĀ
ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ©3 41 4 2 4
1 2 32 2 2
14 24 34
Ė Ė Ė Ė Ėsin cos , sin cos , and .
Q QQ Q Q Q
F k x y F k x y F k y
r r r
ļ± ļ± ļ± ļ±ļ½ ļ ļ« ļ½ ļ« ļ½ ļ
ļ² ļ² ļ²
Ā
SIMPLIFY:Ā ByĀ symmetry,Ā theĀ horizontalĀ componentsĀ ofĀ 1F Ā andĀ 2F Ā cancel,Ā andĀ 3F Ā hasĀ noĀ horizontalĀ
component.Ā Ā TheĀ netĀ forceĀ isĀ
31 2
1 2 3 4 2 2 2
14 24 34
Ėcos .
QQ Q
F F F F kQ y
r r r
ļ±
ļ© ļ¹ļ¦ ļ¶
ļ½ ļ« ļ« ļ½ ļ« ļļŖ ļŗļ§ ļ·ļ§ ļ·
ļŖ ļŗļØ ļøļ« ļ»
ļ² ļ² ļ² ļ²
Ā
SinceĀ 1 2Q Qļ½ and 14 24r rļ½ ,Ā theĀ aboveĀ equationĀ simplifiesĀ toĀ
31
4 2 2
14 34
2 cos
Ė.
QQ
F kQ y
r r
ļ±ļ© ļ¹
ļ½ ļļŖ ļŗ
ļ« ļ»
ļ²
Ā
CALCULATE:Ā TheĀ distanceĀ 14r Ā andĀ 34r Ā areĀ ļØ ļ© ļØ ļ©
2 2
14 343 cm 4 cm 5 cm; 4 cm.r rļ½ ļ« ļ½ ļ½ Ā ThereforeĀ
cos 4/ 5.ļ± ļ½ Ā SubstitutingĀ theĀ numericalĀ valuesĀ yields:Ā
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
3 3
9 2 2 3
2 2
2 2
2 1 10 C 4 1.024 10 C
8.99 10 N m / C 2 10 C 0 N.
55 10 m 4 10 m
F
ļ ļ
ļ
ļ ļ
ļ© ļ¹ļ¦ ļ¶
ļ ļ ļļ¦ ļ¶ļŖ ļŗļ§ ļ·ļ½ ļ ļ ļ ļ½ļ§ ļ·ļŖ ļŗļ§ ļ·ļØ ļøļ§ ļ·ļ ļļŖ ļŗļØ ļøļ« ļ»
Ā
ROUND:Ā NotĀ neededĀ
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā ItĀ isĀ clearĀ fromĀ theĀ symmetryĀ ofĀ theĀ problemĀ thatĀ thisĀ isĀ aĀ reasonableĀ outcome.Ā
21.71. THINK:Ā ThreeĀ 5.00āgĀ StyrofoamĀ ballsĀ ofĀ radiusĀ 2.00Ā cmĀ areĀ tiedĀ toĀ 1.00Ā mĀ longĀ threadsĀ andĀ
suspendedĀ freelyĀ fromĀ aĀ commonĀ point.Ā TheĀ chargeĀ ofĀ eachĀ ballĀ isĀ q Ā andĀ theĀ ballsĀ formĀ anĀ
equilateralĀ triangleĀ withĀ sidesĀ ofĀ 25.0Ā cm.Ā Ā Ā
SKETCH:Ā Ā
- 29. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
847Ā
Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forceĀ betweenĀ twoĀ charges, 1q and 2 ,q Ā isĀ 2
12 1 2 / .F kq q rļ½ Ā TheĀ
magnitudeĀ ofĀ F Ā inĀ theĀ aboveĀ figureĀ is 2 2
/ .F kq rļ½ Ā UsingĀ NewtonāsĀ SecondĀ Law,Ā itĀ isĀ foundĀ thatĀ
sinyT T mgļ”ļ½ ļ½ Ā Ā andĀ cos 2 cos .xT T Fļ” ļ±ļ½ ļ½ Ā
SIMPLIFY:Ā EliminatingĀ T Ā inĀ theĀ aboveĀ equationsĀ yieldsĀ ļØ ļ©tan / 2 cos .mg Fļ” ļ±ļ½ Ā RearrangingĀ gives,Ā
ļØ ļ© 2 2
/ 2tan cos / .F mg kq rļ” ļ±ļ½ ļ½ Therefore,Ā theĀ chargeĀ q Ā isĀ
2
.
2 tan cos
mgr
q
k ļ” ļ±
ļ½ Ā
FromĀ theĀ sketch,Ā itĀ isĀ clearĀ thatĀ theĀ distanceĀ ofĀ theĀ ballĀ toĀ theĀ centerĀ ofĀ theĀ triangleĀ isĀ ļØ ļ©/ 2cos .d r ļ±ļ½ Ā
Therefore 2 2
tan / .L d dļ± ļ½ ļ Ā Ā
CALCULATE:Ā SubstitutingĀ theĀ numericalĀ values,Ā 0.250 m,r ļ½ Ā 3
5.00 10 kg,m ļ
ļ½ ļ Ā 2
9.81 m/s ,g ļ½ Ā
1.00 mL ļ½ Ā andĀ 30ļ± ļ½ ļ° (exact)Ā givesĀ
0.250 m
0.1443 m
2cos(30 )
d ļ½ ļ½
ļ°
Ā
ļØ ļ© ļØ ļ©
2 2
1.00 m 0.1443 m
tan 6.856
0.1443 m
ļ”
ļ
ļ½ ļ½
Ā
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ©
23 2
7
9 2 2
5.00 10 kg 9.81 m / s 0.250 m
1.69463 10 C
2 8.99 10 N m / C 6.856cos(30 )
q
ļ
ļ
ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ ļ ļ°
Ā
ROUND:Ā 0.169 Ī¼Cq ļ½ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā ThisĀ chargeĀ isĀ approximatelyĀ 11Ā ordersĀ ofĀ magnitudeĀ largerĀ thanĀ theĀ elementaryĀ
chargeĀ e.Ā Ā TheĀ chargeĀ requiredĀ toĀ deflectĀ 5.00Ā gĀ ballsĀ byĀ aĀ distanceĀ ofĀ 25.0Ā cmĀ wouldĀ needĀ toĀ beĀ fairlyĀ
large.Ā
21.72. THINK:Ā Ā TwoĀ pointĀ chargesĀ lieĀ onĀ theĀ xāaxis.Ā AĀ thirdĀ pointĀ chargeĀ needsĀ toĀ beĀ placedĀ onĀ theĀ xāaxisĀ
suchĀ thatĀ itĀ isĀ inĀ equilibrium.Ā ThisĀ meansĀ thatĀ theĀ netĀ forceĀ onĀ theĀ thirdĀ chargeĀ dueĀ toĀ theĀ otherĀ
chargesĀ isĀ zero.Ā
SKETCH:Ā Ā
- 30. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
848Ā
Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā InĀ orderĀ forĀ theĀ thirdĀ chargeĀ toĀ beĀ inĀ equilibrium,Ā theĀ forceĀ onĀ itĀ dueĀ to 1,q Ā 1,F
ļµļ²
Ā Ā mustĀ beĀ
equalĀ inĀ magnitudeĀ andĀ oppositeĀ inĀ directionĀ toĀ 2F
ļ²
Ā theĀ forceĀ dueĀ toĀ 2 .q Ā NoteĀ thatĀ theĀ signĀ ofĀ theĀ
thirdĀ chargeĀ isĀ irrelevant,Ā soĀ IĀ canĀ arbitrarilyĀ assumeĀ itĀ isĀ positive.Ā Ā SinceĀ 1 2 ,q qļ¾ Ā theĀ thirdĀ chargeĀ
mustĀ beĀ closerĀ toĀ 2q Ā thanĀ toĀ Ā 1q .Ā Also,Ā sinceĀ 1q Ā andĀ 2q Ā areĀ oppositelyĀ charged,Ā theĀ forcesĀ onĀ aĀ
particleĀ betweenĀ themĀ willĀ beĀ inĀ theĀ sameĀ directionĀ andĀ henceĀ cannotĀ cancel.Ā TheĀ thirdĀ chargeĀ mustĀ
beĀ inĀ theĀ region 20.0 cm.x ļ¾ TheĀ netĀ forceĀ onĀ 3q Ā isĀ
ļØ ļ©
1 3 2 3
net 2 2
3 3 2
.
k q q k q q
F
x x x
ļ½ ļ
ļ
Ā
SIMPLIFY:Ā SolvingĀ net 0F ļ½ Ā forĀ 3x Ā yieldsĀ ļØ ļ© ļØ ļ©
22
2 3 1 3 2 2 3 2or .q x q x x q x xļ½ ļ ļ Ā ThereforeĀ theĀ
positionĀ ofĀ 3q Ā isĀ 1 2
3
1 2
.
q x
x
q q
ļ½
ļ
Ā
CALCULATE:Ā PuttingĀ inĀ theĀ numericalĀ valuesĀ yields
ļØ ļ©ļØ ļ©
3
6.0 Ī¼C 20.0 cm
47.32 cm.
6.0 Ī¼C 2.0 Ī¼C
x ļ½ ļ½
ļ
Ā Ā
ROUND:Ā UsingĀ onlyĀ twoĀ significantĀ digits,Ā theĀ position 3x is 3 47 cmx ļ½ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā ThisĀ isĀ correctĀ since 3 2x xļ¾ .Ā
21.73. THINK:Ā InĀ thisĀ problem,Ā aĀ gravitationalĀ forceĀ onĀ anĀ objectĀ isĀ balancedĀ byĀ anĀ electrostaticĀ forceĀ onĀ
theĀ object.Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ electricĀ forceĀ onĀ 2q Ā isĀ givenĀ byĀ 2
1 2 / .EF kq q dļ½ Ā Ā TheĀ gravitationalĀ forceĀ onĀ 2m Ā isĀ
g 2F m gļ½ .Ā
SIMPLIFY:Ā ļØ ļ©2 2
1 2 2 2 1 2/ / .kq q d m g m kq q gdļ½ ļ ļ½ Ā
CALCULATE:Ā SubstitutingĀ theĀ numericalĀ values,Ā 1 2 2.67 Ī¼e, 0.360 mq q dļ½ ļ½ ļ« ļ½ producesĀ Ā
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ©ļØ ļ©
2
9 2 2 6
2 22
8.99 10 N m / C 2.67 10 C
0.05041 kg.
9.81 m / s 0.360 m
m
ļ
ļ ļ
ļ½ ļ½ Ā
ROUND:Ā KeepingĀ onlyĀ threeĀ significantĀ digitsĀ givesĀ 2 50.4 g.m ļ½ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā ThisĀ makesĀ senseĀ sinceĀ EF Ā isĀ small.Ā
21.74. THINK:Ā BecauseĀ thisĀ isĀ aĀ twoādimensionalĀ problem,Ā theĀ directionsĀ ofĀ forcesĀ areĀ importantĀ forĀ
determiningĀ aĀ netĀ force.Ā
SKETCH:Ā Ā
- 31. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
849Ā
Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forceĀ betweenĀ twoĀ chargesĀ isĀ 2
1 2 / .F k q q rļ½ Ā TheĀ netĀ forceĀ on 1q Ā
isĀ
1 2 1 3
12 13net 2 2
1 2
Ė Ė.
k q q k q q
F F F x y
r r
ļ½ ļ« ļ½ ļ ļ
ļµļ² ļµļ²ļ²
Ā TheĀ directionĀ ofĀ theĀ netĀ forceĀ isĀ ļ± ļ½ tanļ1
Fy
Fx
ļ¦
ļØļ§
ļ¶
ļøļ· .Ā
SIMPLIFY:Ā NotĀ neededĀ
CALCULATE:Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
9 2 2 9 2 2
net 2 2
9 9
8.99 10 N m / C (2.0 C)(5.0 C) 8.99 10 N m / C (2.0 C)(3.0 C)
Ė Ė
3 m 4 m
Ė Ė9.99 10 N 3.37 10 N
F x y
x y
ļ ļ ļ
ļ½ ļ«
ļ½ ļ ļ ļ« ļ
ļ²
Ā
TheĀ magnitudeĀ ofĀ netF
ļµļ²
Ā isĀ Fnet ļ½ 9.992
ļ«3.372
ļ109
N ļ½10.5ļ109
N. TheĀ directionĀ ofĀ netF
ļµļ²
Ā isĀ
ļ± ļ½ tanļ1 3.37ļ109
N
ļ9.99ļ109
N
ļ¦
ļØļ§
ļ¶
ļøļ· ļ½161.36ļ° withĀ respectĀ toĀ theĀ positiveĀ xāaxis,Ā orĀ 18.64ļ° Ā aboveĀ theĀ negativeĀ xā
axisĀ (theĀ netĀ forceĀ pointsĀ upĀ andĀ toĀ theĀ left,Ā inĀ theĀ IIĀ quadrant).Ā
ROUND:Ā KeepingĀ onlyĀ twoĀ significantĀ digitsĀ yieldsĀ ļØ ļ© ļØ ļ©8 9
net
Ė Ė1.0 10 N 3.4 10 NF x yļ½ ļ ļ ļ« ļ Ā andĀ
Fnet ļ½11ļ109
N Ā atĀ 19ļ° Ā aboveĀ theĀ negativeĀ xāaxis.Ā
Ā
21.75. THINK:Ā ToĀ solveĀ thisĀ problem,Ā theĀ forceĀ dueĀ toĀ theĀ chargesĀ andĀ theĀ tensionĀ inĀ theĀ stringĀ mustĀ
balanceĀ theĀ gravitationalĀ forceĀ onĀ theĀ spheres.Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ forceĀ dueĀ toĀ electrostaticĀ repulsionĀ ofĀ theĀ twoĀ spheresĀ isĀ 2 2 2
E 1 2 / / .F kq q d kq dļ½ ļ½ Ā
ApplyingĀ NewtonāsĀ SecondĀ LawĀ yieldsĀ (I) EsinxT T Fļ±ļ½ ļ½ Ā andĀ (II) cos .yT T mgļ±ļ½ ļ½ Ā
3
0.45 m, 2.33 10 kg, 10.0 .L m ļ±ļ
ļ½ ļ½ ļ ļ½ ļ° Ā
- 32. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
850Ā
Ā
SIMPLIFY:Ā Ā DividingĀ (I)Ā byĀ (II)Ā givesĀ ļØ ļ© ļØ ļ©2 2
Etan / / .F mg kq d mgļ± ļ½ ļ½ Ā AfterĀ simpleĀ manipulation,Ā itĀ isĀ
foundĀ thatĀ theĀ chargeĀ onĀ eachĀ sphereĀ isĀ q ļ½ d2
mgtanļ± / k ļ½ 2Lsinļ± mgtanļ± / k Ā Ā usingĀ 2 sin .d L ļ±ļ½ Ā
CALCULATE:Ā SubstitutingĀ theĀ numericalĀ values,Ā itĀ isĀ foundĀ thatĀ
q ļ½ 2ļØ ļ© 0.45 mļØ ļ© sin10.0ļ°ļØ ļ©
2.33ļ10ļ3
kg 9.81 m / s2
ļØ ļ©tan 10.0ļ°ļØ ļ©
8.99ļ109
N m2
/ C2
ļ½1.0464ļ10ļ7
C.Ā
ROUND:Ā KeepingĀ onlyĀ twoĀ significantĀ digitsĀ gives q ļ½ 0.10 ļC Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā ThisĀ isĀ reasonable.Ā TheĀ relativelyĀ smallĀ spheresĀ andĀ smallĀ distanceĀ willĀ meanĀ theĀ
chargeĀ isĀ small.Ā
Ā
21.76. THINK:Ā Ā Ā IĀ wantĀ toĀ findĀ theĀ magnitudeĀ andĀ directionĀ ofĀ theĀ netĀ forceĀ onĀ aĀ pointĀ chargeĀ 1q Ā dueĀ toĀ
pointĀ chargesĀ 2q Ā and 3.q Ā TheĀ chargesĀ 1,q 2 ,q Ā andĀ 3q Ā areĀ locatedĀ atĀ (0,0), (2.0,0.0), Ā
and (0, 2.00),ļ respectively.Ā Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ magnitudeĀ ofĀ theĀ forceĀ betweenĀ twoĀ chargesĀ isĀ 2
1 2 / .F k q q rļ½ Ā TheĀ netĀ forceĀ onĀ 1q Ā
isĀ
1 2 1 3
net 12 13
2 2
1 2
Ė Ė.
k q q k q q
F F F x y
r r
ļ½ ļ« ļ½ ļ ļ
ļµļ² ļµļ² ļµļ²
Ā
SIMPLIFY:Ā NotĀ neededĀ Ā
CALCULATE:Ā PuttingĀ inĀ theĀ numericalĀ valuesĀ yieldsĀ
- 33. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
851Ā
Ā
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
ļØ ļ©
9 2 2 9 9 9 2 2 9 9
net
2 2
5 5
8.99 10 N m / C (100. 10 C)(80.0 10 C) 8.99 10 N m / C (100. 10 C)(60.0 10 C)
Ė Ė
2.00 m 2.00 m
Ė Ė1.798 10 N 1.348 10 N
F x y
x y
ļ ļ ļ ļ
ļ ļ
ļ ļ ļ ļ ļ ļ
ļ½ ļ
ļ½ ļ ļ ļ
ļµļ²
TheĀ magnitudeĀ ofĀ netF
ļµļ²
Ā isĀ 2 2 5 5
net 1.798 1.348 10 N 2.247 10 N.F ļ ļ
ļ½ ļ« ļ ļ½ ļ
ļ²
TheĀ directionĀ ofĀ netF
ļµļ²
Ā isĀ
1 1.348
tan 36.860 .
1.798
ļ± ļ ļ¦ ļ¶
ļ½ ļ½ ļ ļ°ļ§ ļ·
ļØ ļø
Ā
ROUND:Ā RoundingĀ toĀ threeĀ significantĀ digits,Ā itĀ isĀ foundĀ thatĀ 5
net 2.25 10 NF ļ
ļ½ ļ
ļ²
Ā
andĀ 36.9ļ± ļ½ ļ° Ā belowĀ
theĀ horizontal.Ā
DOUBLEĀCHECK:Ā Ā SinceĀ bothĀ forcesĀ actingĀ onĀ 1q Ā areĀ attractive,Ā itĀ isĀ expectedĀ thatĀ theĀ directionĀ ofĀ
theĀ netĀ forceĀ wouldĀ beĀ betweenĀ theĀ twoĀ contributingĀ forceĀ vectors.Ā
21.77. THINK:Ā IfĀ itĀ isĀ assumedĀ thatĀ theĀ thirdĀ chargeĀ isĀ positive,Ā thenĀ theĀ thirdĀ chargeĀ experiencesĀ aĀ
repulsiveĀ forceĀ withĀ 1q Ā andĀ anĀ attractiveĀ forceĀ withĀ 2.q Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā Because 1 2q qļ¾ andĀ theĀ forceĀ between 1q and 3q isĀ attractive,Ā theĀ possibleĀ regionĀ
where 3q canĀ experienceĀ zeroĀ netĀ forceĀ isĀ inĀ theĀ region 0x ļ¼ .Ā TheĀ netĀ forceĀ on 3q Ā isĀ
ļØ ļ© ļØ ļ©
1 3 2 3
net 2 2
3 2 3
.
0
k q q k q q
F
x x x
ļ½ ļ ļ«
ļ ļ
Ā Ā
SIMPLIFY:Ā Ā SolvingĀ net 0F ļ½ Ā forĀ 3x Ā yields ļØ ļ©
22
3 2 1 2 3 implies:x q q x xļ½ ļ
Ā
ļØ ļ© ļØ ļ©3 2 1 2 3 3 2 1 2 3(I) or (II)x q q x x x q q x xļ½ ļ ļ ļ½ ļ Ā
EquationĀ (I)Ā gives 3 0x ļ¾ andĀ equationĀ (II)Ā gives 3 0.x ļ¼ Ā ThereforeĀ theĀ correctĀ solutionĀ isĀ theĀ solutionĀ
ofĀ EquationĀ (II).Ā SolvingĀ (II)Ā yieldsĀ
1 2
3
2 1
.
q x
x
q q
ļ
ļ½
ļ
Ā
CALCULATE:Ā SubstitutingĀ 1 1.00 Ī¼C,q ļ½ Ā Ā 2 2.00 Ī¼Cq ļ½ ļ Ā andĀ 2 10.0 cmx ļ½ Ā intoĀ aboveĀ equationĀ givesĀ Ā
3
1.00 Ī¼C 10.0 cm
24.142 cm
2.00 Ī¼C 1.00 Ī¼C
x
ļ ļ
ļ½ ļ½ ļ
ļ
Ā
ROUND:Ā 3 24.1 cmx ļ½ ļ Ā Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā TheĀ negativeĀ valueĀ ofĀ xĀ indicatesĀ thatĀ 3q Ā isĀ locatedĀ inĀ theĀ regionĀ 0x ļ¼ ,Ā asĀ
expected.Ā Ā
21.78. THINK:Ā TheĀ electrostaticĀ forceĀ onĀ aĀ beadĀ isĀ balancedĀ byĀ itsĀ gravitationalĀ weight.Ā
SKETCH:Ā Ā
- 34. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
852Ā
Ā
Ā Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ repulsiveĀ forceĀ betweenĀ twoĀ chargedĀ beadsĀ isĀ 1 2
E 2
.
q q
F k
d
ļ½
Ā
UsingĀ NewtonāsĀ SecondĀ
Law,Ā 1 2
E 22
sin
q q
F k m g
d
ļ±ļ½ ļ½ .Ā
SIMPLIFY:Ā ThereforeĀ theĀ distanceĀ d Ā isĀ 1 2
2
.
sin
kq q
d
m g ļ±
ļ½ Ā Ā
CALCULATE:Ā SubstitutingĀ theĀ numericalĀ valuesĀ intoĀ theĀ aboveĀ equationĀ givesĀ
ļØ ļ©
ļØ ļ© ļØ ļ©
9 2 2 6 6
3 2
8.99 10 N m / C (1.27 10 C)(6.79 10 C)
1.638 m.
3.77 10 kg 9.81 m/s sin 51.3
d
ļ ļ
ļ
ļ ļ ļ
ļ½ ļ½
ļ ļ°
Ā
ROUND:Ā KeepingĀ onlyĀ threeĀ significantĀ digitsĀ givesĀ 1.64 m.d ļ½ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā TheĀ beadsĀ areĀ veryĀ light,Ā soĀ aĀ smallĀ chargeĀ isĀ sufficientĀ toĀ causeĀ aĀ relativelyĀ largeĀ
separation.Ā
21.79. THINK:Ā SinceĀ thisĀ isĀ aĀ twoĀ dimensionalĀ problem,Ā electrostaticĀ forcesĀ areĀ addedĀ asĀ vectors.Ā ItĀ isĀ
assumedĀ thatĀ AQ Ā isĀ aĀ positiveĀ charge.Ā Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
Ā
SKETCH:Ā Ā
- 35. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
853Ā
Ā
Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā ToĀ balanceĀ theĀ forcesĀ 1F Ā andĀ 2F ,Ā theĀ chargeĀ onĀ 0Q Ā mustĀ beĀ positive.Ā TheĀ electrostaticĀ
forcesĀ onĀ AQ Ā areĀ
A A 0 A
1 2 02 2 2
1 2 0
, , and .
k q Q k q Q kQ Q
F F F
r r r
ļ½ ļ½ ļ½ Ā ApplyingĀ NewtonāsĀ SecondĀ Law,Ā itĀ isĀ
foundĀ thatĀ 0 1 2x xF F Fļ½ ļ« Ā orĀ 2
0 A 0 1 2/ cos cos .kQ Q r F Fļ± ļ±ļ½ ļ« Ā Ā UsingĀ 1 2r rļ½ Ā thisĀ becomesĀ
A0 A
2 2
0 1
2cos .
k q QkQ Q
r r
ļ±ļ½ Ā
SIMPLIFY:Ā SolvingĀ theĀ aboveĀ equationĀ for 0Q Ā givesĀ theĀ charge 0 ,Q Ā ļØ ļ©
2
0 0 1/ 2cos .Q r r q ļ±ļ½ Ā FromĀ theĀ
aboveĀ figure,Ā itĀ isĀ notedĀ thatĀ ļØ ļ© ļØ ļ©
2 2
0 2 2 2 2,r a a aļ½ ļ« ļ½ Ā Ā ļØ ļ©
2 2
1 2 5,r a a aļ½ ļ« ļ½ Ā andĀ Ā
2 2 2 3 2 3
cos cos(45 ) cos45 cos sin 45 sin cos 10.
2 2 2 5 105 5
a a
a a
ļ± ļ” ļ” ļ” ļ±ļ½ ļ° ļ ļ½ ļ° ļ« ļ° ļ ļ½ ļ« ļ½ ļ½ Ā
ThereforeĀ theĀ magnitudeĀ ofĀ charge 0Q is
2
0 2
8 3 48
2 10 10 .
10 505
a
Q q q
a
ļ½ ļ½ Ā Ā
CALCULATE:Ā SubstitutingĀ 1.00 nCq ļ½ ļ
Ā yieldsĀ 0
48
10 1.00 nC 3.036 nC.
50
Q ļ½ ļ ļ ļ½ Ā Ā
ROUND:Ā RoundingĀ toĀ threeĀ significantĀ figuresĀ givesĀ 0 3.04 nC.Q ļ½ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā SinceĀ 0r Ā isĀ largerĀ thanĀ 1,r Ā itĀ isĀ expectedĀ thatĀ 0Q Ā isĀ largerĀ thanĀ 2 2 nC.q ļ½ Ā Ā
- 36. Bauer/Westfall:Ā UniversityĀ Physics,Ā 1EĀ
854Ā
Ā
21.80. THINK:Ā Ā TheĀ twoĀ ballsĀ bothĀ haveĀ aĀ massĀ ofĀ 0.681 kg.m ļ½ TheĀ electrostaticĀ forceĀ betweenĀ twoĀ ballsĀ
is 2 2
E / .F kq dļ½ TheĀ angleĀ 20.0 .ļ± ļ½ ļ° TheĀ chargeĀ onĀ eachĀ ballĀ isĀ theĀ same,Ā 18.0 Ī¼C.q ļ½ FindĀ L.Ā
SKETCH:Ā
Ā
RESEARCH:Ā Ā DecomposeĀ theĀ tensionĀ TĀ intoĀ horizontalĀ andĀ verticalĀ components.Ā NewtonāsĀ SecondĀ
LawĀ onĀ theĀ leftĀ ballĀ yields:Ā
(I)
2
E 2
sinx
q
T T F k
d
ļ±ļ½ ļ½ ļ½ Ā Ā andĀ Ā Ā (II) cos .yT T mgļ±ļ½ ļ½ Ā
UseĀ theĀ twoĀ equationsĀ toĀ eliminateĀ T.Ā FromĀ theĀ sketch, 2 sin .d L ļ±ļ½ Ā SubstituteĀ forĀ d,Ā andĀ solveĀ forĀ L.Ā
SIMPLIFY:Ā Ā Ā DividingĀ theĀ leftĀ handĀ sideĀ ofĀ (I)Ā byĀ theĀ leftĀ handĀ sideĀ ofĀ (II)Ā andĀ equatingĀ theĀ resultĀ toĀ
theĀ quotientĀ obtainedĀ byĀ dividingĀ theĀ rightĀ handĀ sideĀ ofĀ (I)Ā byĀ theĀ rightĀ handĀ sideĀ ofĀ (II)Ā gives:Ā
2
2
tan .
kq
mgd
ļ± ļ½ Ā Ā UsingĀ 2 sin ,d L ļ±ļ½ Ā itĀ isĀ foundĀ thatĀ
2
2 2
tan .
4 sin
kq
mg L
ļ±
ļ±
ļ½ Ā Ā AfterĀ simpleĀ rearrangementĀ
theĀ lengthĀ L Ā isĀ Ā
2
2
.
4 sin tan
kq
L
mg ļ± ļ±
ļ½
Ā
CALCULATE:Ā Ā
ļØ ļ©ļØ ļ©
ļØ ļ©ļØ ļ© ļØ ļ© ļØ ļ©
2
9 2 2 6
2 2
8.99 10 N m / C 18.0 10 C
1.6000 m
4 0.681 kg 9.81 m/s sin 20.0 tan 20.0
L
ļ
ļ ļ
ļ½ ļ½
ļ° ļ°
Ā
ROUND:Ā Ā 1.60 mL ļ½ Ā
DOUBLEĀCHECK:Ā Ā Ā 1.60Ā metersĀ isĀ aĀ realisticĀ lengthĀ forĀ aĀ stringĀ inĀ thisĀ situation.Ā TheĀ unitsĀ ofĀ metersĀ
areĀ appropriateĀ forĀ aĀ measurement.Ā
21.81. THINK:Ā TheĀ netĀ forceĀ onĀ aĀ pointĀ chargeĀ isĀ aĀ sumĀ ofĀ twoĀ repulsiveĀ forcesĀ dueĀ toĀ interactionĀ withĀ 1q Ā
andĀ 2 ,q Ā areĀ positive,Ā thisĀ meansĀ thatĀ theĀ locationĀ ofĀ zeroĀ netĀ forceĀ isĀ locatedĀ inĀ betweenĀ 1q Ā andĀ 2 .q Ā
TheĀ valuesĀ givenĀ inĀ theĀ questionĀ are:Ā Ā
1 3.94 Ī¼C,q ļ½ 1 4.7 m,x ļ½ ļ 2 6.14 Ī¼C,q ļ½ 2 12.2 m,x ļ½ and 3 0.300 Ī¼C.q ļ½ Ā
SKETCH:Ā Ā
Ā
Ā RESEARCH:Ā TheĀ netĀ forceĀ on 3q isĀ givenĀ byĀ
ļØ ļ© ļØ ļ©
1 3 2 3
net 13 23 2 2
3 1 2 3
.
kq q kq q
F F F
x x x x
ļ½ ļ ļ½ ļ
ļ ļ
Ā
SIMPLIFY:Ā Solving net 0F ļ½ for 3x gives ļØ ļ© ļØ ļ©
2 2
3 1 2 1 2 3 .x x q q x xļ ļ½ ļ Ā ThereĀ areĀ twoĀ solutionsĀ ofĀ thisĀ
equation:Ā
- 37. ChapterĀ 21:Ā Electrostatics
855Ā
Ā
(I)Ā ļØ ļ© ļØ ļ©3 1 2 1 2 3x x q q x xļ ļ½ ļ
Ā Ā
andĀ Ā Ā (II)Ā ļØ ļ© ļØ ļ©3 1 2 1 2 3 .x x q q x xļ ļ ļ½ ļ Ā
TheĀ possibleĀ solutionsĀ for 3x areĀ Ā
(I)Ā 1 2 2 1
3
1 2
q x q x
x
q q
ļ«
ļ½
ļ«
Ā Ā Ā andĀ Ā Ā (II)Ā 1 2 2 1
3
1 2
.
q x q x
x
q q
ļ
ļ½
ļ
Ā
TheĀ correctĀ solutionĀ isĀ theĀ firstĀ solutionĀ sinceĀ theĀ twoĀ originalĀ chargesĀ haveĀ theĀ sameĀ sign,Ā andĀ
thereforeĀ theĀ pointĀ whereĀ theĀ forcesĀ balanceĀ isĀ betweenĀ 1x Ā andĀ 2 .x Ā Ā
1 2 2 1
3
1 2
q x q x
x
q q
ļ«
ļ½
ļ«
Ā
CALCULATE:Ā SubstitutingĀ theĀ numericalĀ valuesĀ intoĀ theĀ aboveĀ equationĀ givesĀ
ļØ ļ© ļØ ļ©
3
3.94 Ī¼C 12.2 m 6.14 Ī¼C 4.7 m
2.817 m
3.94 Ī¼C 6.14 Ī¼C
x
ļ« ļ
ļ½ ļ½
ļ«
Ā
ROUND:
Ā
3 2.8 mx ļ½ Ā
Ā DOUBLEĀCHECK:Ā Ā TheĀ totalĀ distanceĀ b 1x Ā andĀ 2x Ā Ā isĀ 16.9Ā m,Ā andĀ theĀ point 3x Ā isĀ betweenĀ 1x Ā andĀ 2x Ā Ā
butĀ closerĀ toĀ theĀ weakerĀ charge.Ā
Ā