PHYS1112 Electricity and Magnetism Lecture Notes The University of Hong Kong

Dr Jason Chun Shing Pun Department of Physics The University of Hong Kong January 2005 PHYS1112 Electricity and Magnetism Lecture Notes Pdf Download.

Table of Content

1 Vector Algebra 1

• 1.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
• 1.2 Vector Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
• 1.3 Components of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
• 1.4 Multiplication of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
• 1.5 Vector Field (Physics Point of View) . . . . . . . . . . . . . . . . 6
• 1.6 Other Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Electric Force & Electric Field 8

• 2.1 Electric Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
• 2.2 The Electric Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
• 2.3 Continuous Charge Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
• 2.4 Electric Field Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
• 2.5 Point Charge in E-field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
• 2.6 Dipole in E-field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3 Electric Flux and Gauss’ Law 25

• 3.1 Electric Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
• 3.2 Gauss’ Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
• 3.3 E-field Calculation with Gauss’ Law . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
• 3.4 Gauss’ Law and Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Electric Potential 36

• 4.1 Potential Energy and Conservative Forces . . . . . . . . . . . . . 36
• 4.2 Electric Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
• 4.3 Relation Between Electric Field E and Electric Potential V . . . . 45
• 4.4 Equipotential Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5 Capacitance and DC Circuits 51

• 5.1 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
• 5.2 Calculating Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
• 5.3 Capacitors in Combination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
• 5.4 Energy Storage in Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
• Dielectric Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
• 5.6 Capacitor with Dielectric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
• 5.7 Gauss’ Law in Dielectric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
• 5.8 Ohm’s Law and Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
• 5.9 DC Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
• 5.10 RC Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6 Magnetic Force 73

• 6.1 Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
• 6.2 Motion of A Point Charge in Magnetic Field . . . . . . . . . . . . 75
• 6.3 Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
• 6.4 Magnetic Force on Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7 Magnetic Field 81

• 7.1 Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
• 7.2 Parallel Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
• 7.3 Amp`ere’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
• 7.4 Magnetic Dipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
• 7.5 Magnetic Dipole in A Constant B-field . . . . . . . . . . . . . . . 93
• 7.6 Magnetic Properties of Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

8 Faraday’s Law of Induction 98

• 8.1 Faraday’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
• 8.2 Lenz’ Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
• 8.3 Motional EMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
• 8.4 Induced Electric Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

9 Inductance 107

• 9.1 Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
• 9.2 LR Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
• 9.3 Energy Stored in Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
• 9.4 LC Circuit (Electromagnetic Oscillator) . . . . . . . . . . . . . . . 113
• 9.5 RLC Circuit (Damped Oscillator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

10 AC Circuits 116

• 10.1 Alternating Current (AC) Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
• 10.2 Phase Relation Between i, V for R,L and C . . . . . . . . . . . . . 117
• 10.3 Single Loop RLC AC Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
• 10.4 Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
• 10.5 Power in AC Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

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