गाउस नियम का उपयोग किए बिना किसी एकसमान रैखिक आवेश घनत्व $\lambda$ के लंबे पतले तार के कारण विध्युत क्षेत्र के लिए सूत्र प्राप्त कीजिए
Take a long thin wire $XY$ (as shown in the following figure) of uniform linear charge density $\lambda$
Consider a point $A$ at a perpendicular distance $l$ from the mid-point $O$ of the wire, as shown in the following figure.
Let $E$ be the electric field at point $A$ due to the wire,$ XY$.
Consider a small length element $d x$ on the wire section with $OZ =x$
Let $q$ be the charge on this piece.
$=\lambda d x$
Electric field due to the piece,
$d E=\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \cdot \frac{\lambda d x}{(A Z)^{2}}$
However, $A Z=\sqrt{l^{2}+x^{2}}$
$\therefore d E=\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \cdot \frac{\lambda d x}{\left(l^{2}+x^{2}\right)}$
The electric field is resolved into two rectangular components. $d E \cos \theta$ is the perpendicular component and $d E \sin \theta$ is the parallel component. When the whole wire is considered, the component $d E \sin \theta$ is cancelled. Only the perpendicular component $d E \cos \theta$ affects point $A$ Hence, effective electric field at point $A$ due to the element dx is $dE_{1}.$
In $\Delta AZO$
$\therefore d E_{1}=\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \cdot \frac{\lambda d x \cdot \cos \theta}{\left(l^{2}+x^{2}\right)} \dots \ldots(1)$
$\tan \theta=\frac{x}{l} \Rightarrow x=l \cdot \tan \theta \ldots \ldots (2)$
On differentiating equation $(2),$ we obtain $\frac{d x}{d \theta}=l \sec ^{2} \theta \Rightarrow d x$$=l \sec ^{2} \theta d \theta \ldots \ldots (3)$
From equation $(2),$ we have $x^{2}+l^{2}=l^{2} \tan ^{2} \theta+l^{2}=l^{2}\left(\tan ^{2} \theta+1\right)$$=l^{2} \sec ^{2} \theta \ldots \ldots (4)$
Putting equations $(3)$ and $(4)$ in equation $(1),$ we obtain
$d E_{1}=\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \cdot \frac{\lambda l \sec ^{2} \theta d \theta \cdot \cos \theta}{l^{2} \sec ^{2} \theta}$
$= \frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \cdot \frac{\lambda \cos \theta d \theta}{l} \ldots \ldots(5)$
The wire is so long that $\theta$ tends from $-\frac{\pi}{2}$ to $\frac{\pi}{2} .$
By integrating equation $(5),$ we obtain the value of field $E _{1}$ as,
$\int\limits_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} d E_{1}=\int\limits_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \frac{\lambda}{l} \cos \theta d \theta$
$\Rightarrow E_{1}=\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \frac{\lambda}{l}[\sin \theta]_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}$
$\Rightarrow E_{1}=\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}} \frac{\lambda}{l} \times 2$
$\Rightarrow E_{1}=\frac{\lambda}{2 \pi \epsilon_{0} l}$
Therefore, the electric field due to long wire is $\frac{\lambda}{2 \pi \epsilon_{0} l}$
दो अनन्त लम्बाई के समान्तर तार जिन पर रेखीय आवेश घनत्व क्रमश: ${\lambda _1}$ और ${\lambda _2}$ हैं, $R$ मीटर की दूरी पर रखे हैं। उनमें से किसी एक की एकांक लम्बाई पर बल होगा $\left( {K = \frac{1}{{4\pi {\varepsilon _0}}}} \right)$
विभिन्न आवेश वितरणों (charge distributions) से उत्पन्न होनेवाले विद्युत क्षेत्र (electric field) $E$ का एक बिंदु $P(0,0, d)$ पर मापन किया जाता है और इस विद्युत् क्षेत्र $E$ की $d$ पर निर्भरता अलग-अलग पायी जाती है। सूची-$I$ में $E$ और $d$ के बीच मे अलग-अलग सम्बन्ध (relations) दिये गये हैं। सूची-$II$ विभिन्न प्रकार के आवेश वितरणों और उनके स्थानों को बताती हैं। सूची-$I$ के फलनों का सूची-$II$ से सम्बंधित आवेश वितरणों से सुमेल कीजिये।
सूची-$I$ | सूची-$II$ |
$E$ पर निर्भर नहीं करता है | $1.$ मूल बिंदु (origin) पर बिंदु आवेश (point charge) $Q$ |
$E \propto \frac{1}{d}$ | $2.$ एक लघु द्विध्रुव (small dipole) जिसका बिंदु आवेश $Q$ जो $(0,0, l)$ पर है और $-Q$ जो $(0,0,-l)$ पर है। मानिए $2 l \ll d$ |
$E \propto \frac{1}{d^2}$ | $3.$ अनंत (infinite) लम्बाई का एकसमान रेखीय आवेश घनत्व (uniform linear charge density) $\lambda$ वाला तार जो $x$ अक्ष से सम्पाती (coincident) है |
$E \propto \frac{1}{d^3}$ | $4.$ अनंत लम्बाई के एकसमान रेखीय आवेश घनत्व वाले दो तार जो $x$-अक्ष के समांतर हैं। $(y=0, z=l)$ वाले तार पर $+\lambda$ आवेश घनत्व है तथा $(y=0, z=-l)$ वाले तार पर $-\lambda$ आवेश घनत्व है। मानिए $2 l \ll d$ |
$5.$ एकसमान आवेश घनत्व (uniform surface charge density) का अनंत समतल चादर (infinite plane sheet) जो $x y$-तल से सम्पाती है |
किसी खोखले आवेशित चालक में उसके पृष्ठ पर कोई छिद्र बनाया गया है। यह दर्शाइए कि छिद्र में विध्यूत क्षेत्र $\left(\sigma / 2 \varepsilon_{0}\right) \hat{ n }$ है, जहाँ $\hat{ n }$ अभिलंबवत दिशा में बहिर्मुखी एकांक सदिश है तथा $\sigma$ छिद्र के निकट पृष्ठीय आवेश घनत्व है
त्रिज्या $R$ और कुल आवेश $Q$ वाले एक ठोस गोले पर आवेश घनत्व वितरण $P(r)=\frac{Q}{\pi R^{4}} r,$ गोले के केन्द्र से $r_{1}$ दूरी पर गोले के अन्दर एक बिन्दु $'p'$ पर विघुत क्षेत्र का परिमाण है :
$10 \,cm$ त्रिज्या के किसी गोलीय चालक पर $3.2 \times 10^{-7}\, C$ आवेश एकसमान रूप से वितरित है।इस गोले के केन्द्र से $15\, cm$ दूरी पर विध्यूत क्षेत्र का परिमाण क्या है ?
$\left(\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}}=9 \times 10^{9} Nm ^{2} / C ^{2}\right)$