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

Vedclass pdf generator app on play store
Vedclass iOS app on app store

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 $\frac{\lambda}{2 \pi \epsilon_{0} l}$

897-s43

Similar Questions

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

  • [IIT 2018]

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 :

  • [AIEEE 2009]

$10 \,cm$ 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 ?

$\left(\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}}=9 \times 10^{9} Nm ^{2} / C ^{2}\right)$

  • [NEET 2020]