background image

3- ELECTRIC FLUX DENSITY AND

GAUSS’S LAW

1


background image

3- ELECTRIC FLUX DENSITY AND GAUSS’S LAW

3.1 Electric Flux Density

3- ELECTRIC FLUX DENSITY AND GAUSS’S LAW

3.1 Electric Flux Density

The electric field is dependent on the medium in which

the charge is placed.

A new vector  called the Electric flux density measured

in ( C/m2 ) which is independent of the medium and

defined for free space by:

and for any material as:
where

2


background image

Example: Determine at (4, 0, 3) if there is a point charge

—5π mC at (4, 0, 0) and a line charge 3π mC/m along the y-

axis.

Solution:

Let DQ + DL where DQ and DL are flux densities due

to the point charge and line charge, respectively, as

shown in the figure

3


background image

4


background image

3.2- Gauss's Law

3.2- Gauss's Law

Gauss’s law states that:

The electric flux density (D) passing through any closed

surface is equal to the total charge enclosed ( Qenc ) by

that surface.

The closed surface (known as Gaussian surface) is

chosen such that:

is normal or tangential to the Gaussian surface and

ІDІ is constant on that surface.

When is normal to the surface, • dS = D dS because

D is constant on the surface.

When is tangential to the surface, • dS = 0.

5


background image

The dS is defined as the differential surface (or

area) defined as

dS = dSa

n

where dS is the area of the surface element

and a

n

is a unit vector normal to the surface

dS and directed away from the volume.

6


background image

The differential normal area dS in:

A- Cartesian Coordinates is shown in the figures.

7


background image

B- Cylindrical Coordinates is shown in the figures.

8


background image

C- Spherical Coordinates is shown in the figures.

9


background image

Example: Point Charge

A point charge Q is located at the origin. Determine

D at a point P

10


background image

Since is everywhere normal to the Gaussian

surface, that is, Dr ar . Applying Gauss's

law ( Qenclosed = Q ) gives:

where

is the area of the Gaussian surface. Thus

11


background image

Example: Infinite Line Charge

An infinite line of uniform charge pL C/m lies

along the z-axis. Determine at a point P.

12


background image

we choose a cylindrical surface containing P to

satisfy symmetry condition as shown in Figure. D is

constant on and normal to the cylindrical Gaussian

surface; that is, Dp ap. If we apply Gauss's law

to an arbitrary length l of the line:

where                                is the surface area of the

Gaussian surface. Note that

evaluated on the

top and bottom surfaces of the cylinder is zero since has

no z-component; that means that is tangential to those

surfaces. Thus

13


background image

Example: Uniformly Charged Sphere
A sphere of radius a with a uniform volume  charge

density pv C/m3. Determine everywhere.
Solution:

We construct Gaussian surfaces for r < a and r > a

separately.

Since the charge has spherical symmetry, it is

obvious that a spherical surface is an appropriate

Gaussian surface.

14


background image

For r < a: The total charge enclosed by the spherical

surface of radius r, as shown in figure (a), is

and

Hence,                                        or

15


background image

For r > a, the Gaussian surface is shown in

figure (b).

and                           then                            or

16


background image

Thus,

and |D| is as sketched in the figure

17


background image

Example: A charge distribution with spherical

symmetry has density

Determine everywhere.

18


background image

Solution:

For r < R:

or

19


background image

For r > R:

or

20


background image

Example: A coaxial cable
Two coaxial cylindrical conductors of inner radius a

and outer radius b are infinite in extent . Assume a

total charge +Q is placed on the outer surface of the

inner cylinder and –Q on the inner surface of the

outer cylinder, find everywhere.

21


background image

We choose Gaussian surface as a circular

cylinder of length L and radius ρ

For Gaussian surface  of ρ < a:
Qenc = 0 , then: = 0 for ρ < a.

For Gaussian surface a < ρ < b:

We will assume a charge distribution of ρS on the

outer surface of the inner conductor

from which we have:

22


background image

Because the charge on the inner cylinder must

terminate on a negative charge on the inner surface

of the outer cylinder, the total charge on that

surface must be

and the surface charge on the outer cylinder is

found as

or

23


background image

For Gaussian surface of ρ > b:

The total charge enclosed would then be zero,

for there are equal and opposite charges on

each conducting cylinder. Hence

24


background image

Example:
A 50-cm length of coaxial cable having an inner

radius of 1 mm and an outer radius of 4 mm. The

space between conductors is assumed to be filled

with air. The total charge on the inner conductor is

30 nC. Find the charge density on each conductor,

and the and fields.

25


background image

26




رفعت المحاضرة من قبل: Bilal AL Qazzaz
المشاهدات: لقد قام 21 عضواً و 436 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