9/16/2015 MasteringPhysics: Ch 21 HW

https://session.masteringphysics.com/myct/itemView?view=print&assignmentProblemID=54120373 1/3

The Electric Field inside a Conductor

Learning Goal:

To understand how the charges within a conductor respond to an externally applied electric field.

To illustrate the behavior of charge inside conductors, consider a long conducting rod that is suspended by insulatingstrings (see the figure). Assume that the rod is initially electrically neutral, and that it remains so for this discussion.The rod is positioned along the x axis, and an external electric field that points in the positive x direction (to the right)can be applied to the rod and the surrounding region. The atoms in the rod are composed of positive nuclei (indicatedby plus signs) and negative electrons (indicated by minus signs). Before application of the electric field, these atomswere distributed evenly throughout the rod.

Part A

What is the force felt by the electrons and the nuclei in the rod when the external field described in the problemintroduction is applied? (Ignore internal fields in the rod for the moment.)

Hint 1. Formula for the force on a charge in an electric field

The force   on a charge   in an electric field   is given by

.

ANSWER:

Correct

F ⃗ q E ⃗

= qF ⃗ E ⃗

Both electrons and nuclei experience a force to the right.

The nuclei experience a force to the right and the electrons experience a force to the left.

The electrons experience a force to the left but the nuclei experience no force.

The electrons experience no force but the nuclei experience a force to the right.

9/16/2015 MasteringPhysics: Ch 21 HW

https://session.masteringphysics.com/myct/itemView?view=print&assignmentProblemID=54120373 2/3

Part B

What is the motion of the negative electrons and positive atomic nuclei caused by the external field?

Hint 1. How to approch this part

Newton's 2nd Law tells you that an object at rest will move in the direction of the force applied on it.

Hint 2. Masses and charges of nuclei and electrons

A nucleus contains as many protons as the atom does electrons. So if the atom has N electrons, thenucleus will contain N protons. This means that the force on the nucleus will be N times as much as that onthe electron. This N is of the order of 10­100.However, the mass of a nucleus is roughly 2N times the mass of a proton, since it contains both protonsand neutrons. Each proton itself weighs about 1836 times as much as an electron! So a typical nucleusreally does weigh a lot more than an electron.

Given this information, how would the distance moved by a nucleus compare with that moved by anelectron?

ANSWER:

Correct

The nuclei of the atoms of a conducting solid remain almost in their places in the crystal lattice, while theelectrons relatively move a lot. In an insulator, the electrons are constrained to stay with their atoms (ormolecules), and at most, the charge distribution is displaced slightly.

The motion of the electrons due to the external electric field constitutes an electric current. Since thenegatively charged electrons are moving to the left, the current, which is defined as the "flow" of positivecharge, moves to the right.

Part C

Imagine that the rightward current flows in the rod for a short time. As a result, what will the net charge on the rightand left ends of the rod become?

Hint 1. How to approach this part

Remember that the rod as a whole must remain electrically neutral even if the charges are redistributed.This is because applying an electric field does not change the charge on the rod, only redistributes it.

ANSWER:

Both electrons and nuclei move to the right.

The nuclei move to the right and the electrons move to the left through equal distances.

The electrons move to the left and the nuclei are almost stationary.

The electrons are almost stationary and the nuclei move to the right.

9/16/2015 MasteringPhysics: Ch 21 HW

https://session.masteringphysics.com/myct/itemView?view=print&assignmentProblemID=54120373 3/3

Correct

Given that the positively charged nuclei do not move, why does the right end of the rod become positivelycharged? The reason is that some electrons have moved to the left end, leaving an excess of stationarynuclei at the right end.

Part D

The charge imbalance that results from this movement of charge will generate an additional electric field in theregion within the rod. In what direction will this field point?

Hint 1. Direction of the electric field

The electric field point away from positive charges and towards negative ones.

ANSWER:

CorrectAn electric field that exists in an isolated conductor will cause a current flow. This flow sets up an electric fieldthat opposes the original electric field, halting the motion of the charges on a nanosecond time scale formeter­sized conductors. For this reason, an isolated conductor will have no static electric field inside it, andwill have a reduced electric field near it. This conclusion does not apply to a conductor whose ends areconnected to an external circuit. In a circuit, a rod (or wire) can conduct current indefinitely.

left end negative and right end positive

left end negative and right end negative

left end negative and right end nearly neutral

left end nearly neutral and right end positive

both ends nearly neutral

It will point to the right and enhance the initial applied field.

It will point to the left and oppose the initial applied field.