physics in electricity

7/28/2019 Physics in Electricity

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"Your pow er i s tu rn ing our darkness to dawn , So ro ll on C o lumbia , ro ll on ."~Fro m "Rol l on Columbia,"by Wo ody G uthrie, Ame rican musician referring to the Colum bia River

I e v i e w I P c e ,%, i e w

E l e c t r i c i t y : I t s U s e s a n dI t s V i s u a l i z a t i o nC h a p t e r O v e r v i e wSect ion R. 1 provides a br ief int rodu ct ion. Sect ions R.2-R.4 discuss elect r ic i ty at ho meand elsewhere, including autom obi les and co mp uters. Se ct ion R.5 poses tw o elect r icalquest ions, and Se ct ion R.6 prese nts the electr ic f luid mod el and R.7 appl ies i t toansw er them . S ect ion R.8 discusses w hy the electr ic f luid mo del m ust be extended,and how to reconci le the col lect ive nature of the elect r ic f luid with the behavior ofindiv idual elect rons. Se ct ion R.9 reviews vectors, pr im ar i ly addit ion and su btract ion,and Sect ion R.10 discusses tw o ru les for mul t ip ly ing vec tors, the sca lar product andthe vec tor product .

Ro l

R.1.1

I n t r o d u c t i o nW i t h o u t e l e ct ri c i ty , m o d e r n li fe w o u l d b e i m p o s s ib l e . A l m o s t e v e r y i t e m o n y o u rp e r s o n ~ f r o m y o u r s h o e s t o y o u r s u n g l a s s e s ~ o w e s i t s m a n u f a c t u r e t o e l e c t r i c a lp o w e r . I n d e e d , s i n c e th i s i s a ls o t ru e o f y o u r c l o t h i n g , w i t h o u t e l e c t r i c i t y y o um i g h t w e l l b e c o m p l e t e l y n a k e d .T h i s c h a p t e r d i s c u s s e s e l e c t r i c i t y i n t h e h o m e . M o s t i m p o r t a n t l y , i t t r i e s t om a k e p h y s i c a l a n d p e rc e p t i b l e t h a t d i f f i c u l t - t o -v i s u a l i z e s t u f f c a l l e d e l e c t r i c i t y .T h e n e x t c h a p t e r r e p o r t s t h e s tr u gg l e s o f e a r ly s c i e n t i s t s ~ e v e n a s t h e y w e r el e a rn i n g t o a s k t h e r i g h t q u e s t i o n s ~ t o g ra sp th e e l u s iv e e l e c t r ic i t y . T o g e t h e r ,b o t h c h a p t e r s p r o v i d e a fo u n d a t i o n o f i d e as a n d c o n c e p t s , e x p r e s s e d m a i n l yw i t h o u t e q u a t i o n s .T h e E l e c tr ic F l u i d M o d e l S e r v es a s a C o n c e p t u a l G u i d eO n c e t h e ru l e s t o p ro d u c e a n d d e t e c t s t a t i c e l e c t r i c i t y w e re e s t a b l i s h e d , t h em a j o r a d v a n c e s w e re (1 ) S t e p h e n G ra y ' s 1 7 2 9 d i s c o v e ry o f t w o c l as se s o fm a t e r i a l s ( c o n d u c t o rs , w h i c h t ra n s p o r t e l e c t r i c i t y , a n d i n s u l a t o rs , w h i c h d on o t t ra n s p o r t e l e c t r i c i ty ) ; (2 ) C h a r l e s D u fa y ' s 1 7 3 3 d i s c o v e ry o f t w o c l a ss e so f e l e c t ri c c h a rg e s a n d t h e ru l e t h a t "o p p o s i t e s a t t ra c t a n d l i ke s re p e l " ; a n d( 3 ) B e n j a m i n F r a n kl in 's 1 7 5 0 d e v e l o p m e n t o f t h e e lec tr i c f lu i d mod el . T h i s m o d e li m p l i e s t h e f i rs t q u a n t i ta t i v e l a w o f e l e c t r i c i t y ~ t h e L a w o f C o n s e r v a t i o n o f


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Rev iew /Prev iew ~ Electr ic i ty: I ts Use s and I ts Visual izat ion

E l e c tr i c C h a rg e . O n c e t h is l aw w a s u n d e r st o o d , i t b e c a m e e a s ie r t o m a n i p u l a t ee l e c t r i c i t y , a n d t o s t u d y o t h e r e l e c t r i c a l p h e n o m e n a i n a q u a n t i t a t i v e f a s h i o n .T h e a m o u n t o f e l e c t r i c f lu i d is k n o w n a s e l e c t r i c c h a r g e Q ; i ts u n i t i s t h e coulomb,o r C .T h e e l e c t r i c fl u id m o d e l s e rv e s as a c o n c e p t u a l g u i d e t h r o u g h C h a p t e r 8 ,w h i c h d e a l w i t h s t a t i c e l e c t r i c i t y a n d e l e c t r i c c u r r e n t s . T h e m a t h e m a t i c a l t h e -o r y o f e l e c t r i c i t y i n e l e c tr i c a l c o n d u c t o r s , a l t h o u g h n o t s t r i c t l y a n a lo g o u s t o t h em a t h e m a t i c a l t h e o r y o f o r d i n a r y f lu i ds , n e v e r t h e l e s s d e s c r i b e s a t y p e o f f lu i d .A s f o r a i r a n d w a t e r , t h e a m o u n t o f t h e e l e c t r ic f l u i d i s c o n s e r v e d . H o w e v e r ,c o m p a r e d t o a i r a n d w a t e r , t h e e l e c t r i c f l u i d h a s s o m e s p e c i a l p r o p e r t i e s . T h u s ,t w o b l o b s w i t h a n e x c e s s ( o r a d e f i c it ) o f e le c t r i c f lu i d re p e l e a c h o t h e r ( a c o n s e -q u e n c e o f D u f a y ' s d i sc o v e r y ), w h e r e a s t w o d r o p s o f w a t e r a r e in d i f fe r e n t t o e a c ho t h e r .O u r m o d e r n v i e w o f o rd i n a r y m a t t e r i s t h a t i t h a s re l a ti v e l y li g h t a n d m o -b i l e n e g a t i v e l y c h a r g e d e l e c t r o n s , a n d r e l a t i v e l y h e a v y a n d i m m o b i l e p o s i t i v e l yc h a r g e d n u c l e i . T h i s v i e w c a n b e m a d e c o n s i s t e n t w i t h t h e e l e c t r i c f l u i d m o d e l

a n d c a n e x p l a i n G r a y ' s t w o c l as s es o f m a t e r i a ls , c o n d u c t o r s a n d i n s u la t o rs .R .2

R~2.1

E l e c t r i c i t y a t H o m e : A P r e s u m e dC o m m o n E x p e r i e n c eH o t , N e u t r al , a n d G r o u n dM o d e r n b u i l d i n g s a r e e q u i p p e d w i t h t h r e e - h o l e e l e c t r i c a l w a l l o u t l e t s ( o r r e -c e p t a c le s , o r s o c k e t s ), w h e r e t h e p l u g s o f e l e c t r ic a l d e v i c e s m u s t b e i n s e r t e d t oo b t a i n e l e c t r i c a l p o w e r , a s i n F i g u r e R . 1 ( a ). T h e h o l e s o f t h e o u t l e t a r e c a l l e dhot, neutral, a n d ground. I n n o r m a l o p e r a t i o n , e l e c t r i c c u r r e n t i s c a r r i e d o n l y b yt h e h o t a n d n e u t r a l w i r e s . E l e c t r i c c u r r e n t i s m e a s u r e d i n amperes ( A ) , o r a m p s .I f y o u s t o o d o n t h e g r o u n d i n b a re f e e t a n d a c c i d e n t a ll y t o u c h e d t h e n e u -t r al o r t h e g r o u n d w i r e o f a p r o p e r l y w i r e d e l e c t r ic a l o u t l e t , y o u w o u l d n o t b es h o c k e d . H o w e v e r , y o u w o u l d r e c e i v e a s h o c k if y o u t o u c h e d t h e h o t w i re : y o u r

N e u t r a l H o t

Cont ac t on baseG r ou nd ( t o hot )(a) (b)

L ight bul b

Metal l ic sides ofbul b hol de r( to neutral )

Figure R.1 ( a) Gr ou nde d thr e e - pr ong w a l l out le t . ( b) Li ghtbulb w i th e le c t ri c a l c ontac tson its base and on sides.


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R. 2 E lec t ri c it y a t Hom e: A P resumed C om mo n Exper ience

" H o t ""Neutral""Ground" wire

Motor inside case

Drill jMetal handle

Internal "short"to metal case You

Feet on groundFi gure R.2 How gr ounde d w i r ing pr ote c t s you w he nthere is a snort.f e e t, t o u c h i n g t h e g r o u n d , w o u l d p r o v i d e a p a t h f o r th e c u r r e n t t o f lo w , t h u sc o m p l e t i n g a n e l e c t r i c c i r c u i t .T h e s iz e d i ff e r e n c e i n F i g u re R .1 (a ) b e t w e e n t h e n e u t r a l a n d h o t h o l e s ~t h e n e u t r a l h o l e i s v i s i b l y l o n g e r t h a n t h e h o t o n e - - i s t o e n s u r e t h a t o n l y o n eo f t h e t w o p o s s i b le t y p e s o f c o n n e c t i o n t a k e s p l a c e i n d e v i c e s l ik e a l a m p .F i g u r e R . 1 ( b ) i l lu s t ra t e s t h e c o n n e c t i o n s f o r a l i g h t b u l b i n s e r t e d i n a l a m p w i t ha m o d e r n , a s y m m e t r i c a l ( " p o la r i ze d " ) t w o - p r o n g p l u g , w h i c h i n t u r n i s p l u g g e di n t o a c o r r e c t l y w i r e d w a l l - s o c k e t . T h e w a l l - s o c k e t ' s h o t w i r e i s c o n n e c t e d t ot h e ( r e la t i v e l y in a c c e s s i b le ) b a s e o f t h e b u l b - h o l d e r . F o r a n o l d - f a s h i o n e d s y m -m e t r i c a l ( " u n p o l a r i z e d " ) t w o - p r o n g p l u g , t h e h o t w i r e c o u l d j u s t as l ik e l y b ec o n n e c t e d t o t h e m o r e a c c i d e n ta l ly t o u c h e d t h r e a d e d e n d o f t h e b u l b - h o ld e r ;t h e f ir st c a r t o o n c h a r a c te r s , o f t h e p r e p o l a r i z e d p l u g 1 9 3 0 s, r e g u l a r l y r e c e i v e ds h o c k s i n t h i s m a n n e r . T o h e l p e n s u r e p r o p e r w i r i n g , i n s i d e t h e l a m p t h e s c r e w sf o r t h e t w o e l e c t r ic a l c o n n e c t i o n s t y p i c a l l y h a v e d i f f e r e n t c o l o rs , o n e l i ke c o p p e r( t h e h o t w i r e ) a n d o n e t h a t i s s i lv e r - gr a y (t h e n e u t r a l w i r e ) .T h e r o u n d p r o n g , o r g r o u n d w i re , i s e m p l o y e d f o r sa f e t y p u r p o s e s . F i g u r e R . 2d e p i c t s a " s h o r t " b e t w e e n t h e h o t w i r e a n d t h e e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i n g c a s e o fa n e l e c t r i c d r i l l . ( A " s h o r t " i s a c o n n e c t i o n t h a t s h o u l d n ' t b e t h e r e ; s h o r t s a r eu n d e s i r a b l e . ) W i t h o u t t h e g r o u n d w i r e , t h e d r i l l o p e r a t o r w o u l d p r o v i d e t h eo n l y p a t h f r o m t h e h o t w i r e t o g r o u n d : h o t w i r e t o s h o r t t o c a s e t o p e r s o n t og r o u n d . W i t h t h e g r o u n d w i re , t h e r e i s a n a l t e r n a t e " p a t h o f l e a s t r e s i st a n c e "t h r o u g h w h i c h m o s t o f t h e e l e c tr ic c u r r e n t c a n p a ss : h o t w i r e t o s h o r t t o c a se t og r o u n d w i r e t o g r o u n d .

Ro2o2 V o l t a g e a n d F r e q u e n c y o f E l ec t ri c a l P o w e r i n th e H o u s eV o l t a g e b e a r s m u c h t h e s a m e r e l a t i o n s h i p t o e l e c t r i c i t y as p r e s s u r e d o e s t o w a t e r .W e w r i t e V a s a n a b b r e v i a t i o n f o r t h e u n i t o f v o l t ag e , t h e vo l t . T h e e l e c t r i c a l


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Rev iew /Prev ie w ~ Elec tr i c ity : I t s Uses and I t s Visua l iza tion

p o w e r i n a h o u s e i n t h e U n i t e d S t a te s is p r o v i d e d a t 1 2 0 V. T h e v o l t a g e o s-c i ll at e s f r o m m i n i m u m t o m a x i m u m a n d b a c k ag a i n i n 1 / 6 0 o f a s e c o n d . T h i sc o r r e s p o n d s t o a fr e q u e n c y o f 6 0 c p s ( c y c l e s p e r s e c o n d ) o r, m o r e t e c h n i c al ly ,6 0 H z (hertz). T h e p o w e r i s p r o v i d e d b y a n e le c t ri c c o m p a n y , w h i c h u s es h u g ee l e c t r i c a l g e n e r a t o r s t o c o n v e r t m e c h a n i c a l e n e r g y f r o m t u r b i n e s t o e l e c t r i c a le n e r gy . T h e t u r b i n e s a r e d r i v e n b y w a t e r o r b y s t e a m . T h e m e c h a n i c a l e n e r g y o ft h e c h u r n i n g w a t e r s o f t h e C o l u m b i a R i v e r ( re c a l l t h e q u o t e a t t h e b e g i n n i n g o ft h e c h a p t e r ) p r o v i d e s a l a rg e f ra c t i o n o f t h e p o w e r n e e d s o f t h e P a c if ic N o r t h -w e s t . O n t h e o t h e r h a n d , t h e c h e m i c a l e n e r g y re l e a s e d b y b u r n i n g c o a l o r o il , o rt h e n u c l e a r e n e r g y r e l e a se d i n a n u c l e a r r e a c t o r, v a p o r i z e s w a t e r i n t o s t e a m a n dd r i v e s th e s t e a m t h a t t u r n s a t u r b i n e .T h e e l e c t r ic l i g h t h a d a n e x t r a o r d i n a r y i n f l u e n c e o n h u m a n s o c ie t y. A m e r i c a nc h i l d r e n l e a r n t h a t , in t h e 1 8 3 0s , t h e y o u n g p r e s i d e n t - t o - b e A b r a h a m L i n c o l ns t a y e d u p l a t e re a d i n g b y c a n d l e l ig h t . H o w e v e r , b y t h e 1 8 90 s , h o u s e l i g h t i n gb y e l e c t r i c i t y w a s b e c o m i n g a v a i l a b l e i n l a r g e c i t i e s . N e v e r t h e l e s s , n o t u n t i l t h eR u r a l E le c t r if i c a ti o n P r o j e c t o f t h e 1 9 3 0 s d i d m a n y p a r t s o f t h e U n i t e d S t a te sf i n al ly b e c o m e f r e e d o f t h e f ir e h a z a r d s o f o i l l a m p s a n d c a n d l e s . I n t h e y e a r2 0 0 0 , m a n y p e o p l e i n t h e U n i t e d S t at e s w e r e s ti ll al iv e w h o c o u l d r e m e m b e rn o t h a v i n g e l e c t r i c a l l i g h t i n g .

R~2.3 W a tts a nd I m pe da nc e M a t c h i ngW h e n y o u t u r n o n a l i g h t s w i t c h , l i g h t is p r o d u c e d b y b u l b s t h a t a r e r a te d i n u n i tso f t h e watt, o r W . ( T h e w a t t i s t h e S I , o r SystO me lnternationale, u n i t o f po w e r ,o r e n e r g y p e r s e c o n d ; i t i s a j o u l e p e r s e c o n d , o r J /s . ) I f t h e r e i s a n e l e c t r i c a lp o w e r f a i lu r e , fo r i l l u m i n a t i o n y o u u s e a f la s h li g h t, w i t h p o w e r p r o v i d e d b y o n eo r m o r e voltaic ce lls; f o r a c a r t h e p o w e r i s p r o v i d e d b y s i x v o l t a i c c e l l s i n s e r i e s ,w h i c h t r u l y c o n s t i t u t e s a battery.I f y o u h a v e e v e r t r i e d t o p o w e r a h o u s e l i g h t b u l b w i t h a c a r b a t te r y , y o un o t i c e d t h a t i t d i d n o t l i g h t. T h i s i s d u e t o p o o r impedance matching. A m e c h a n i c a le x a m p l e o f p o o r i m p e d a n c e m a t c h i n g i s t h e u s e o f a r e g u l a r t e n n i s b a ll w i t h( r e l a t i v e l y s m a l l) t a b l e - t e n n i s r a c k e t s . Impedance mismatch o f a n o th e r t y p e o c c u r sw h e n a b u l b i n t e n d e d f o r a l o w v o l t a g e a p p l i c a t io n ( fl as h li g h ts , a u t o m o b i l e s ,s o m e e x t e r n a l h o u s e l i g h t i n g ) is u s e d i n a h o u s e a p p l i c a ti o n ; t h e b u l b t h e n g e t ss o m u c h p o w e r t h a t i t b u r n s u p . A m e c h a n i c a l e x a m p l e i s t h e u s e o f a t a b l e - t e n n i sb a l l w i t h ( r e l a t i v e l y l a r g e ) r e g u l a r t e n n i s r a c k e t s . P r o p e r i m p e d a n c e m a t c h i n g i sa f u n d a m e n t a l d e s i g n p ri n c i p l e .W e n o w p r e v i e w a f e w s i m p l e b u t i m p o r t a n t e q u a t i o n s i n o rd e r to a p p l yt h e m t o s o m e r e a l - l i f e s i t u a t i o n s .

R . 2 ~ 4 Cur rent I s t he Ra te o f Cha rge F lowI f a c o n s t a n t c u r r e n t I f l o w s f o r a t i m e t, t h e n i t t r a n s f e r s a c h a r g e Q g i v e n b y

H e n c e t h e u n i t o f c h a r ge , t h e c o u l o m b ( C ) , h as t h e s a m e u n i t s a s t h e a m p e r e -s e c o n d , s o C = A - s . I f 0 . 2 C o f c h a r g e i s t r a n s f e r r e d i n 5 s , b y ( R . 1 ) t h i s c o r r e -s p o n d s t o a c u r r e n t I = 0 . 2 / 5 = 0 . 0 4 A .


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R.2 Electricity at Hom e: A Presumed Com mon Experience

R~2o5

H i g h v o l t a g e R e s i s t a n c e R L o w v o l t a g eI n ~ O u t

C u r r e n t ! C u r r e n t !I _ A V II . . . . . . I

R e sp o n se ~ i = .& V ~ D r i v i n g f o r c eRFigure R.3 A resistor , a voltage difference , and ane l e c t ri c c u r r e n t: O h m ' s l aw .O hm 's L a w : W he n C u r r e n t Is P r o po r ti o na lt o the Dr iv ing Vo l t ageO h m ' s l a w i s a n e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d r e l a t i o n t h a t h o l d s f o r m o s t m a t e -r i al s (e . g. , s e a w a t e r o r c o p p e r w i r e ) , b u t n o t a ll m a t e r i a l s ( e . g ., t h e i m p o r t a n ts e m i c o n d u c t o r s s i li c on a n d g e r m a n i u m ) . W h e n t h e t w o e n d s o f a w i r e a r e c o n-n e c t e d , r e s p e c ti v e l y , t o t h e h i g h - a n d l o w - v o l t a g e t e r m i n a l s o f a v o l t a ic c e l l o r o fa n e l e c t r i c a l o u t l e t , t h e r e i s a v o l t a g e d i f f e r e n c e A V a c ro s s t h e w i r e . A s s o c i a t e dw i t h A V i s t h e e l e c t r ic c u r r e n t I p a s s i n g t h r o u g h t h e w i re . S e e F i g u r e R . 3, w h e r et h e w i r e is r e p r e s e n t e d b y a j a g g e d l in e .O h m ' s l a w s a ys t h a t ( 1 ) c u r r e n t I f l ow s i n t h e d i r e c t i o n f r o m h i g h v o l t ag e t ol o w v o l t a g e ; ( 2 ) I i s p r o p o r t i o n a l t o t h e voltage difference A V a c r o s s t h e o b j e c t :

i i i i i i i i i i i iii ii ii ii ii E ! ii! iii ii iii ! ii i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ! i i i i i i i ! i i i i i i i i i i i iiiiiiiilI n ( 2 ) , propor t ional m e a n s t h a t R , c a l l e d t h e electrical resistance, i s i n d e -p e n d e n t o f t h e v a l u e o f A V . O h m ' s l a w h o l d s f o r c o p p e r, b u t n o t f o r si li c o n.E q u a t i o n ( R .2 ) c a n b e m a d e t o a p p l y t o s il ic o n i f w e l e t R d e p e n d o n A V .H e r e ' s h o w t o " r e a d " ( R . 2 ) . K n o w i n g h o w t o " r e a d " a n e q u a t i o n i s a n i m p o r -t a n t s ki ll . E q u a t i o n ( R .2 ) i m p l i e s t h a t i f w e m e a s u r e b o t h t h e " i n p u t" A V a n dt h e " o u t p u t " l , a n d th e n w e e m p l o y R = A V / I , t h e n w e c a n o b t a i n t h e e l e c -t r i c a l r e s i s t a n c e R . T h e u n i t o f e l e c t r i c a l r e s i s t an c e , t h e o h m , o r f 2 ( t h e G r e e kl e t t e r O m e g a ) , i s t h e s a m e a s a v o l t / a m p = V / A . T h u s S2 = V / A . E q u a t i o n ( R .2 )d o e s n o t a p p l y t o o b je c t s t h a t s t o r e a p p r e c i a b l e a m o u n t s o f e l e c t ri c a l e n e r g y( c a p a c i to r s ) o r m a g n e t i c e n e r g y ( i n d u c t o r s ).E q u a t i o n ( R .2 ) a l so i m p l i e s t h a t i f y o u i n c r e a s e t h e " i n p u t" A V , t h e n y o u a l s oi n c r e a s e t h e " o u t p u t " l ; a n d a t f ix e d A V i f y o u i n c r e a s e t h e r e s i s ta n c e R, t h e n y o ud e c r e a s e " o u t p u t " I . S e e F i g u r e R . 3 . A n e q u a t i o n l i k e ( R . 2 ) h o l d s f o r t h e watercurrent t h r o u g h a p i p e w i t h a f luid resistance, d r i v e n b y t h e pressure differenceb e t w e e n o n e e n d o f t h e p i p e a n d t h e o t h e r. O f c o u rs e , t h e u n i t s o f v o l t a g e a n dp r e s s u r e a r e d i f fe r e n t , a s ar e t h e u n i t s o f e l e c t r ic c u r r e n t a n d w a t e r c u r r e n t , a n da s a r e t h e u n i t s o f e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e a n d f l u i d r e s is t a n c e . N o t e t h a t i t is p r e s s u r edifference t h a t d r i v e s a w a t e r c u r r e n t ; w a t e r w i l l n o t f l o w t h r o u g h a p i p e w h o s ee n d s a r e c o n n e c t e d t o t w o r e s e r v o i r s a t t h e s a m e p r e s s u r e . S i m i l a rl y , i t i s v o l t a g edifference t h a t d r i v e s e l e c t r ic c u r r e n t t h r o u g h a w i r e ; e l e c t r ic c h a r g e ! 2 w i l l n o tf lo w t h r o u g h a w i r e w h o s e e n d s a re c o n n e c t e d t o t w o c h a r g e re s e rv o i rs a t t h es a m e v o l t ag e . F o r w a t e r, w e a l so c a n d r i v e w a t e r c u r r e n t w i t h w a t e r p u m p s . F o re l e c tr i c it y , w e a ls o c a n d r iv e a n e l e c t ri c c u r r e n t w i t h v o l ta i c c e ll s, t h e r m o e l e c t r i c


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Rev iew/ P r ev i ew ~ E lec t r i c i ty : I t s U ses a nd I t s V isua l i z a t ion

R.2~.6

R~2~7

R~2,8

d e v i c e s, e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o n , a n d b y a v a r i e ty o f o t h e r m e a n s . A n y s o u r c eo f e n e r g y t h a t d r i v e s a n e l e c t r ic c u r r e n t ( e v e n v o l t a g e d i f f e r e n c e ) i s c a l l e d a nelectromotive force, o r emf. S u c h a s o u r c e o f e n e r g y do e s w o r k o n t h e e l e c t ri cc h a r g e , s o i t a ls o p r o v i d e s a fo r c e t h a t c a u s e s a n e l e c t r i c c u r r e n t t o f lo w .P o w e r Is th e P r o d u c t o f C u r r en t a n d V o l ta g e D i f fe r en c eT h e p o w e r 72 ( in w a t t s , o r W ) g o i n g i n to a r e s i st o r ( in t h e f o r m o f h e a t ) i s g i v e n b y

- I A V. (R.3)W h e n ( R .2 ) a n d ( R .3 ) a re c o m b i n e d , t h e y y ie l d a n o t h e r e q u a t i o n ,

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

f ir st o b t a i n e d b y J o u le , a n d f o r t h a t r e a s o n s o m e t i m e s c a l l e d Joule's law.F r o m ( R . 3 ), t h e g r e a t e r t h e c u r r e n t I a t f i xe d A V , t h e g r e a t e r t h e p o w e r72; a n d t h e g r e a t e r t h e v o l t a g e d i f f e r e n c e A V a t fi x e d c u r r e n t I , t h e g r e a t e r t h ep o w e r ~P: 4 A a t 1 2 0 V p r o v i d e s 4 8 0 W ; 8 A a t 1 2 0 V p r o v i d e s 9 6 0 W ; a n d8 A a t 2 40 V p r o v i d e s 1 9 2 0 W . W e w i l l n o w e m p l o y e q u a t i o n s ( R . 1 - R . 4 ) t oa n s w e r s o m e b a s i c q u e s t i o n s a b o u t p o w e r , v o l t a g e , c u r r e n t , e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e ,a n d e l e c t r i c a l s a f e t y .

A p p l i c a ti o n s : T o a s ters a n d P o w e r C o r dsC o n s i d e r a t o a st e r , o n e o f t h e s i m p l e s t o f e l e c t r i c a l d e v i c e s . It s w o r k i n g e l e m e n ti s a h e a t - r e s i s t a n t w i r e . A s s u m i n g t h a t i t p r o d u c e s 7 - 7 2 0 W , a n d u s i n g A V =1 2 0 V, (R . 3 ) y i e l d s a c u r r e n t o f I - 6 A . P u t t i n g t h i s i n t o ( R . 2 ) y i e l d s a v a l u eo f R - 2 0 s2 f o r t h e e l e c t r i c a l r e s i st a n c e o f t h e t o a s t e r. H e n c e , f r o m t h e c u r r e n tr a t i n g o r p o w e r r a t i n g o f a h o u s e h o l d a p p l i a n c e , w e c a n d e d u c e i t s e l e c t r i c a lr e s i st a n c e . S i m i la r ly , a 5 0 - f o o t- l o n g , 1 6 - g a u g e e x t e n s i o n c o r d t h a t i s r a t e d a t1 3 A f o r 1 25 V m u s t a l so b e r a t e d a t 1 3 . 1 2 5 - 1 6 2 5 W f o r 1 25 V. E x c e s sp o w e r w i l l st a rt t o m e l t t h e w i r e 's i n s u la t io n .O v e r l o a d : F u s e s a n d C i r c u i t B r ea k e rsM o s t m o d e r n h o u s e w i r i n g is r a t e d t o c a r r y sa f e ly a c u r r e n t o f e i t h e r 1 5 A o r2 0 A . C i r c u i t b re a k e r s ( f o u n d i n a f u s e o r b r e a k e r b o x , o f t e n l o c a t e d i n s o m eo b s c u r e p a r t o f t h e h o u s e ) p r o t e c t t h e h o u s e w i r in g f ro m c a r ry i n g t o o l a rg e a ne l e c t ri c c u r re n t ; t h e y " t ri p " if t h e c u r r e n t e x c e e d s t h e r a t e d v a lu e . O v e r l o a d c a no c c u r b y u si n g t o o m a n y a p p l i a n c e s o n t h e s a m e o u t l e t ; i f a 1 0 0 0 W h a i r d ry e r , a6 0 0 W t o as te r , a n d a 1 2 0 0 W m i c r o w a v e o v e n w e r e a l l t o u se t h e s a m e o u t l e t,t h e t o t a l p o w e r c o n s u m p t i o n w o u l d b e 2 8 0 0 W , c o r r e s p o n d i n g t o 2 3 . 3 A , a no v e r l o a d e v e n o n a 2 0 A c i r c u i t .E x t e n s i o n c o r d s p r o v i d e a w a y t o e x c e e d a r a t e d v a lu e , e v e n f o r a h o u s e t h a ti s p r o p e r l y w i r e d . I n t h e s u m m e r o f 1 9 9 2 , a f r a t e r n i t y h o u s e i n B r y a n , Te x a s,b u r n e d d o w n ; s o m e o n e h a d o p e r a t e d a n ai r c o n d i t i o n e r u s in g an e x t e n s i o n c o r dw i t h t o o l o w a c u r r e n t r a ti n g. T h e e x t e n s i o n c o r d , u n d e r t h e o v e r l o a d o f c u r r e n t ,b e g a n h e a t i n g u p l i k e t o a s t e r w i r e , u l t i m a t e l y s e t t i n g o n f i r e t h e i n s u l a t i o n o r a


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R.3 Some Uses o f Electr ical Power 7

n e a r b y o b j e c t . F o r a n ai r c o n d i t i o n e r r a t e d a t 72 - 2 4 0 0 W , a n d A V = 1 2 0 V ,( R . 3 ) y i e ld s I = 2 0 A . C i r c u i t b r e a k e r s c a n s a f e ly c a r ry s u c h a c u r r e n t , b u t a1 0 A o r 1 2 A e x t e n s i o n c o r d c a n n o t . N o t e t h a t , b y ( R . 2 ) , t h e a i r c o n d i t i o n e r ,w h e n r u n n i n g , h a s a n e f f e c ti v e e l e c t r i c a l r e s is t a n c e o f R = 1 2 0 / 2 0 = 6 S2.E l e c t r ic a l m o t o r s , s u c h a s t h o s e e m p l o y e d i n a i r c o n d i t i o n e r s , h a v e d i f f e r e n te l e c tr ic a l p r o p e r ti e s w h e n t h e y a re t u rn i n g t h a n w h e n t h e y h a v e n o t y e t st a rt e dt o t u r n . W h e n t u r n i n g , e l e c t r i c a l m o t o r s p r o d u c e a b a ck e m f t h a t o p p o s e s t h ed r i v i n g em f , a n d t h i s c au s e s t h e c u r r e n t t o b e l e ss w h e n i t is r u n n i n g t h a n w h e n i ti s s t a r t i n g u p . W h e n a n e l e c t r i c a l m o t o r i s p r e v e n t e d f r o m t u r n i n g , n o b a c k e m fi s p r o d u c e d , s o a l a rg e r c u r r e n t g o e s t o t h e m o t o r , w h i c h c a n c a u s e i t t o b u r n o u t .F u s e s a re i n t e n d e d t o b u r n o u t i f e x c e s s i v e l y l a rg e c u r r e n t s f lo w t h r o u g ht h e m , t h u s p r o t e c t i n g e l e c t r i c a l d e v i c e s a n d e l e c t r i c a l w i r i n g f r o m t o o l a r g e ac u r r e n t f l o w . C i r c u i t b r e a k e r s , o n t h e o t h e r h a n d , d o n o t b u r n o u t , a n d c a n b er e s e t, a n d f o r t h a t r e a s o n t h e y h a v e s u p p l a n t e d f u s e s i n m o d e r n b u i l d in g s . I nt h e 1 9 4 0 s a n d e a rl ie r , w h e n f u s e s w e r e u s e d i n s t e a d o f c i r c u i t b r e a k e r s, m a n y ah o u s e b u r n e d d o w n b e c a u s e , o n o v e r l o a d e d c i r c u i t s , p e o p l e " c l e v e r l y " r e p l a c e df u s e s b y p e n n i e s , w h i c h p e r m i t t e d a m u c h h i g h e r c u r r e n t f l o w t h a n t h e f u s e st h e y r e p l ac e d . ( T h o s e w h o k n e w t h a t p e n n i e s w o u l d s e r v e to p a ss c u r re n t , l i kea f u s e , b u t d i d n ' t k n o w t h a t t h e y w o u l d n ' t p r o t e c t t h e h o u s e w i r i n g , u n l i k e af u s e , i l l u s t r a t e t h e m a x i m t h a t " a l i t t l e k n o w l e d g e i s a d a n g e r o u s t h i n g . " ) F u s e s( w h i c h t y p i c a l l y a r e u s e d i n a u t o m o b i l e s ) m u s t b e r e p l a c e d , o n c e t h e c a u s e o ft h e e l e c t r i c a l p r o b l e m h a s b e e n f i x e d .

R ~3 S o m e U s e s o f E l e c t r ic a l P o w e rF a n s , b l e n d e r s , a n d m a n y o t h e r a p p l i a n c e s e m p l o y e l e c t r i c m o t o r s t o c o n v e r te l e c t r i c a l e n e r g y t o m e c h a n i c a l e n e r g y . E l e c t r i c m o t o r s u s e t h e m a g n e t i s m o fe l e c tr ic c u r r e n t s t o p r o v i d e t h e t o r q u e n e e d e d t o t u r n t h e f an o r b le n d e r b l ad e .A u t o m o b i l e s u s e t h e c h e m i c a l e n e r g y o f a c a r b a t t e r y t o p r o v i d e e l e c t r i c a le n e r g y to s t a r t t h e s t ar ti n g m o t o r, w h i c h i n t u r n p r o v i d e s t h e m e c h a n i c a l e n e r g yt o s t a r t t h e g a s o l i n e e n g i n e . ( T h e e a r l i e s t a u t o m o b i l e s e m p l o y e d n o s t a r t i n g m o -t o r s a n d n o b a t t e r i e s ; c a r s w e r e s t a r t e d b y t h e d r i v e r t u r n i n g a c r a n k t o p r o v i d et h e m e c h a n i c a l e n e r g y t o s t a rt t h e e n g i n e . T h a t i s t h e o r i g in o f t h e t e r m c r a n ko v e r u s e d t o d e s c r i b e h o w t h e s t a r t i n g m o t o r g e t s t h e g a s o l i n e e n g i n e t u r n i n g . )T h e c h e m i c a l e n e r g y i n g a s o l i n e ( r e l e a s e d a s e x p l o s i o n s w i t h i n t h e c y l i n d e r so f t h e e n g i n e ) i s c o n v e r t e d t o m e c h a n i c a l e n e r g y ( t h e p i s t o n s m o v e , a n d t h i sc a u s e s t h e c r a n k s h a f t t o t u r n ) . S o m e o f t h i s m e c h a n i c a l e n e r g y g e ts c o n v e r t e di n t o e l e c t r i c a l e n e r g y b y a n e l e c t ri c a l g e n e r a t o r ~ a l s o c a l le d a n a l te r n a t o r. T h i sg o e s i n t o r e c h a rg i n g t h e c h e m i c a l e n e r g y o f t h e b a t t e ry , w h i c h t h e n h a s e n o u g hc h e m i c a l e n e r g y t o s t a r t t h e c a r l a t e r . M o t o r s a n d g e n e r a t o r s a r e d i s c u s s e d i nC h a p t e r 1 3 .R a d i o s a n d T V s r e c e i v e , t u n e , d e m o d u l a t e ( i . e . , e x t r a c t t h e u s e f u l s i g n a l ) ,fi lte r, a n d a m p l i f y w e a k a n d s c r a m b l e d e l e c t r o m a g n e t i c s i gn a ls ( C h a p t e r 1 5 ),m a k i n g t h e m i n t e l l i g i b l e a n d c l e a r . S t e r e o s y s t e m s d o m u c h t h e s a m e f o r u n i n -t e l l i g i b l e s i g n a l s e m b e d d e d i n p l a s t i c o n a r e c o r d o r c o m p a c t d i s k . W e d i s c u s sm a n y a s p e c t s o f t h e o p e r a t i o n o f t h e s e d e v i c e s in C h a p t e r 1 4.A " w a l k m a n " e m p l o y e d t o p l a y c o m p a c t d i s k s ( C D s ) o r c a s s e t t e t a p e s u s e su p t h e c h e m i c a l e n e r g y i n i t s v o l t a i c c e l l s m u c h m o r e r a p i d l y t h a n o n e u s e d o n l y


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Re vi e w /Pr e v i e w ~ Ele c t r i c i ty : I t s Use s and I t s Vi sua li za ti on

t o l i s t e n t o r a d i o s t a t i o n s . T h i s i s b e c a u s e i t t a k e s m u c h m o r e e n e r g y t o t u r n aC D a n d t o a m p l i f y t h e s ig n a l f r o m t h e C D t h a n t o s i m p l y a m p l i fy t h e s i g n alf r o m t h e r a d i o s t a t i o n . I n t e r m s o f ( R .3 ) , t h e v o l t a g e d i f f e r e n c e A V is t h e s a m ei n b o t h c as es , b u t t h e c u r r e n t l is m u c h g r e a t e r w h e n t h e C D , r a t h e r t h a n t h er adi o , i s use d.W h e n y o u u s e a c o m p u t e r, t h e k e y b o a r d m a y a c t u a te b y d e t e c t i n g th e e f fe c to f e le c t r ic c h a r g e r u s h i n g b a c k a n d f o r t h w h e n y o u e x e r t p r e s s u r e o n a ke y . I n s id et h e c o m p u t e r i s a " h a r d d is k" m a d e o f a m a g n e t i c r e c o r d i n g m a t e ri a l. T h i s r e c o r d si n f o r m a t i o n a c c o r d i n g to w h e t h e r t h e m a g n e t i z a t io n s o f s o m e t i n y m a g n e t i c p ar -t i c le s a r e p o i n t i n g a l o n g o r o p p o s i t e t o a g i v e n d i r e c t i o n i n t h e p l a n e o f t h e d i sk .M o s t i m p o r t a n t o f a ll t o t h e c o m p u t e r a r e i ts i n te g r a t e d c i rc u i ts , w h i c h c o n t a i nm i n i a t u r i z e d v e r s i o n s o f c i r c u i t d e v i c e s c a l l e d r e s i st o r s ( C h a p t e r 7 ) , c a p a c i t o r s( C h a p t e r 6 ), a n d t r an s i s to r s ( C h a p t e r 7 ). A m o n i t o r u s i n g a v a c u u m t u b e y i e ld si m a g e s f ro m l ig h t p r o d u c e d b y e l e c t r o n s t h a t h a v e b e e n g u i d e d , e i t h e r b y e l e c tr i cf o r c e s ( C h a p t e r s 2 a n d 3 ) o r m a g n e t i c fo r c e s ( C h a p t e r s 1 0 a n d 1 1 ) , t o t h e s c r e e n ,o n w h i c h s p e c i a l m a t e r i a l s c a l l e d p h o s p h o r s ( C h a p t e r 5 ) h a v e b e e n d e p o s i t e d .( P h o s p h o r s a b s o rb e n e r g y f r o m t h e e l e c t ro n s a n d q u i c k l y re l e a se t h a t e n e r g y a sl ig h t .) M a n y p o r t a b l e c o m p u t e r s u s e m o n i t o r s w i t h a l iq u i d c r y s ta l sc r e e n ; th ei m a g e s o n t h e s c r e e n a r e d e t e r m i n e d b y e l e c t r i c f o r c e s a c t i n g o n t h e m o l e c u l e so f t h e l i q u i d c r y s ta l m a t e r i a l. I n k - j e t p r i n t e r s a r e n o t o n l y p o w e r e d a n d c o n -t r o l l e d b y e l e c t r i c i t y , b u t e v e n t h e i n k i s g u i d e d b y e l e c t r i c a l f o r c e s ( C h a p t e r s 2a n d 3 ) a s i t m o v e s d o w n t o w a r d t h e p a p e r . E l e c t r i c a l f o r c e s h o l d t h e i n k t ot h e p a p e r , ju s t a s t h e y h o l d t o g e t h e r t h e a t o m s a n d m o l e c u l e s o f o u r o w nb o d i e s .

Ro4 E l e c t r i c i t y f r o m V o l t a i c C e l l s : D C P o w e ri n a n A u t o m o b i l eV o l t a i c c e l l s c a u s e e l e c t r i c c u r r e n t i n a n e l e c t r i c c i r c u i t t o f l o w i n o n l y o n e d i -r e c t io n , t h e d i r e c t i o n b e i n g d e t e r m i n e d b y h o w i t is w i re d . T h i s i s c a l le d directcurrent, o r d c , i n d i s t i n c t i o n t o t h e o s c i l l a t i n g c u r r e n t p r o v i d e d b y t h e e l e c t r i cc o m p a n y , alternating current, o r ac . H e r e a re s o m e q u e s t i o n s a n d a n s w e r s a b o u te l e c t r i c a l p o w e r a s s o c i a t e d w i t h a n a u t o m o b i l e ' s u s e o f v o l t a i c c el ls .1 . H o w m u c h p o w e r d o c a r h e a d l i g h t s u s e ? T h e r a ti n g s o n t h e p a c k a g e s r e v e a lt h a t e a c h l o w b e a m u s e s 3 5 W a n d e a c h h i g h b e a m u s e s 6 5 W . O r d i n a r yh o u s e l i g h t b u l b s u s u a l l y e x c e e d t h i s , b u t a r e n o t a s b r i g h t ; u n l i k e h e a d l i g h t s ,h o u s e l i g h tb u l b s d o n o t s e n d o f f t h e i r l i g h t in a re l a ti v e l y n a r r o w b e a m .2 . W h a t i s t h e v o l t a g e o f a c a r b a t t e r y ? T y p i c a l c a r b a t t e r i e s a r e r a t e d a t 1 2 V .3 . W h a t d o e s " c h ar g e " m e a n f o r v o l t ai c c e lls ? H e r e c h a r g e h a s t w o m e a n -i ng s . I n t h e c h e m i c a l s e n s e , c h a r g e is t h e a m o u n t o f c h e m i c a l s a v a i la b l e f o re l e c t r i c i t y - p r o d u c i n g c h e m i c a l r e a c t i o n s . I n t h e e l e c t r i c a l s e n s e , c h a r g e i st h e a c t u a l e l e c t r i c i t y r e l e a s e d b y e l e c t r i c i t y - p r o d u c i n g c h e m i c a l r e a c t i o n s .T h e s e n e e d n o t b e t h e s a m e , b e c a u s e t h e c h e m i c a l c h a r g e c a n b e u s e d u p b yn o n - e l e c t r i c i t y - p r o d u c i n g r e a c t io n s . A c a r b a t t e r y m i g h t h a v e a c h a rg e s p e c i -f i e d as 5 0 A -h r , w h i c h b y ( R. 1 ) i s e q u i v a l e n t to 5 0 A . 3 6 0 0 s - 1 .8 1 0 ~ C .


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R . 4 E l e c t r i c i t y f r o m V o l t a ic C e l ls 9

4 . H o w l o n g d o e s i t t a k e t o d i s c h a rg e a c a r b a t te r y ? A c a r b a t t e r y w i t h a c h a r g eo f 5 0 A - h r w i l l d i s c h a r g e a f t e r i t h a s p r o d u c e d e i t h e r 5 0 A f o r o n e h o u r ,o r 1 0 A f o r 5 h o u r s , a n d s o f o r t h . W e n o w f i n d t h e t i m e t o d i s c h a r g e i t i fw e l e a v e t h e h e a d l i g h ts o n . U s in g t h e 3 5 W v a l u e fo r o n e lo w b e a m , w em u s t u s e a p o w e r o f 7 0 W f o r b o t h . F r o m ( R . 3 ), w i t h 1 2 V , t h a t m e a n s ac u r r e n t o f 5 . 8 3 A . H e n c e , b y ( R. 1 ) i t t a k e s 5 0 A - h r / 5 . 8 3 A = 8 . 6 h r t o f u ll yd i s c h a r g e a 5 0 A - h r b a t t e r y .5 . W h a t m a x i m u m c u r r e n t c a n a c a r b a t t e r y p r o v i d e ? A d s f o r b a t t e r i e s t e l lu s t h a t : " 6 0 0 c o l d - c r a n k in g a m p s ." S o m e b a t t e r i e s c a n p r o d u c e a s m u c h a s1 0 0 0 A . T h e y a re i n t e n d e d f o r u s e e i t h e r a t v e r y h i g h t e m p e r a t u r e s ( w h e r et h e y v e r y r e a d i l y d i s c h a r g e d u e t o n o n - e l e c t r i c i t y - p r o d u c i n g c h e m i c a l r e -a c t i o n s ) o r a t v e r y l o w t e m p e r a t u r e s ( w h e r e a l l c h e m i c a l r e a c t i o n s ~ e v e nt h o s e p r o d u c i n g e l e c t r i c i t y ~ a r e s u p p re s s e d ).6 . W h a t i s t h e e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e r o f a c a r b a t t e r y ? W e c a n e s t i m a t e i t , u s i n gt h e m a x i m u m c u r r e n t a n d t h e c o n c e p t o f i m p e d a n c e m a t c h i n g ( o f t h e b a t -

t e r y a n d t h e s t a r ti n g m o t o r ) . I n ( R . 2 ) w e u s e 1 2 V f o r t h e b a t t e r y , a c u r r e n t o f6 0 0 A , a n d a t o t a l re s i s ta n c e o f t h e i m p e d a n c e - m a t c h e d b a t t e r y a n d s t ar t in gm o t o r o f R - r r = 2 r . T h i s l e a d s t o r - R / 2 - A V / 2 I = 0 . 0 1 ~ . A b a t t e r ym a y b e c h a r a c t e r i z e d b y i t s e m f , i ts " c h a rg e , " a n d i t s i n t e r n a l r e s i s t an c e .7 . W h i c h p r o v i d e s e l e c tr ic a l e n e r g y m o r e c h e a p ly , th e b a t t e r y c o m p a n y o r t h ee l e c t ri c c o m p a n y ? T h e e l e c t ri c c o m p a n y ~ b y a b o u t a fa c t o r o f 10 01 . T h i si s w h y w e d o n ' t l i g h t o u r h o u s e s w i t h g i a n t f l a s h l i g h t s . W e u s e b a t t e r i e sp r i m a r i l y b e c a u s e t h e y a r e p o r t a b l e s o u r c e s o f e l e c t r i c a l e n e r g y .8 . W h y d o v o l t a i c c e l l s r u n d o w n ? T h e y o b t a i n t h e i r e n e r g y f r o m c h e m i c a lr e a c t i o n s a t t h e t e r m i n a l s ( c a l l e d t h e e l e c t r o d e s ) . M a t e r ia l a t t h e e l e c t ro d e sa n d i n t h e i n t e r i o r o f t h e v o l t a ic c e l l ( c a l l e d t h e e l e c t r o l y t e ) a re c o n s u m e d b y

t h e c h e m i c a l r e ac t io n s .9 . W h a t is t h e d i f fe r e n c e b e t w e e n t h e w a y e l e c tr ic c h a r g e is c a r ri e d i n a w i r ea n d i n a v o l t ai c c e l l? I n a w i r e , n e g a t i v e l y c h a r g e d e l e c t r o n s c a r r y t h e e l e c t r i cc h a r g e . I n a v o l t a i c c e l l , i o n s ( w h i c h a r e m u c h m o r e m a s s i v e t h a n e l e c t r o n sa n d c a n b e e i t h e r p o s i t i v e o r n e g a t i v e ) c a r r y t h e e l e c t r i c c h a r g e .1 0 . I f a b a t t e r y i s t h o u g h t o f a s a " p u m p " f o r e l e c tr i c it y , w h e r e i n t h e b a t t e r yi s t h e p u m p l o c a te d ? E a c h o f t h e t w o e l e c t r o d e - e l e c t r o l y t e i n t e rf ac e s , a tt h e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e t e r m i n a l s , s e r v e s a s a p u m p . S m a l l A A c e l l s a n dl a r g e r D c e l l s h a v e t h e s a m e c h e m i s t r y , a n d t h u s t h e s a m e p u m p s t r e n g t hp e r u n i t s u r fa c e a r e a o f t h e i r e l e c t r o d e s . B u t t h e m u c h l a r g e r D c e l l h a s am u c h l a r g e r c h a r g e i n i t s e l e c t r o l y t e s a n d e l e c t r o d e s . D a n d A A c e l l s h a v e

a b o u t t h e s a m e i n t e r n a l re s i st an c e .1 1 . D o e s a 9 V b a t t e r y w o r k o n a d i f f e r e n t p r i n c i p l e t h a n a 1 .5 V A A c e ll ? N o .O p e n u p a 9 V b a t t e r y a n d y o u w i l l f i n d s i x 1 . 5 V c e l l s c o n n e c t e d i n s e r i e s( t h e p o s i ti v e t e r m i n a l o f o n e is c o n n e c t e d t o t h e n e g a t i v e t e r m i n a l o f t h en e x t ) . N o t e t h a t n o t a l l 1 . 5 V c e l l s e m p l o y t h e s a m e c h e m i c a l r e a c t i o n s .1 2 . H o w d o j u m p e r c a b le s w o r k ? T h e y c o n n e c t t w o b a t t e ri e s in p a r al le l ( b o t h o ft h e p o s i ti v e t e r m i n a l s a r e c o n n e c t e d , a n d b o t h o f t h e n e g a t i v e te r m i n a l s a r ec o n n e c t e d ) . T h e n b o t h b a t t e r i e s c a n p r o v i d e e l e c t r i c p o w e r t o t h e s t a r t i n gm o t o r .


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1 0 Rev iew /Prev iew = Electr ic i ty: I ts Use s and I ts Visual izat ion

R~ T w o P r a c t ic e E x a m Q u e s t i o n sT h e t w o q u e s t io n s t h a t f o ll o w h a v e c o n s i s te n t l y p r o d u c e d a n e n o r m o u s v a r i e ty o fi n d i v i d u a l l y u n i q u e i n c o r r e c t a n s w e r s , r e v e a l i n g a n e q u a l l y e n o r m o u s v a r i e t y o fi n d i v i d u a l l y u n i q u e i n c o r r e c t c o n c e p t i o n s a b o u t th e s u b j e c t o f e l e c t ri c i ty . A f t e rp o s i n g t h e m , w e w i l l a n s w e r t h e s e q u e s t i o n s e x p l i c i t l y , a n d i n t h e p r o c e s s ( w eh o p e ) e s t a b l is h a c o m m o n l a n g u a g e .1 . A r o c k ' n ' r o ll b a n d i s p l a y i n g a c o n c e r t o n a n e l e c t r i c a ll y c o n d u c t i n g p l a t f o r m( e .g . , s t e e l ) t h a t i s e l e c t r i c a l l y i n s u l a t e d ( e .g . , d r y w o o d ) f r o m t h e r e s t o f t h ec o n c e r t h a l l . D u r i n g t h e c o n c e r t , t h e p l a t f o r m i s a c c i d e n t a l l y c o n n e c t e d t o ah i g h - v o l t a g e a c s o u r c e ; p e r h a p s t h e r e i s a s h o r t c o n n e c t i n g t h e p l a t f o r m t ot h e " h o t " l e a d o f a f r a y e d w i r e f r o m a g u i t a r a m p l i f i e r . T h e b a n d m e m b e r s 'h a i r s t a n d s o n e n d . W h y ? ( N o t e : a t 1 2 0 V , u n l e s s th e p o w e r i s d i r e c t c u r r e n t ,t h e s u r fa c e o f th e b o d y i s u n l i k e l y t o c h a r g e u p e n o u g h f o r h a i r to s t a n d o ne n d ; l e t ' s a s s u m e i t h a p p e n s a n y w a y , f o r a r g u m e n t ' s s a k e . )2 . A t t h e e n d o f t h e c o n c e r t , t h e b a n d m u s t d e s c e n d f r o m t h e p l a t fo r m . A l -t h o u g h i t w o u l d b e s a f e r s i m p l y t o c u t o f f t h e p o w e r , l e t u s a s s u m e t h i sc a n n o t b e d o n e . S h o u l d t h e b a n d m e m b e r s j u m p d o w n f r o m o r s t e p o ff t h ep l a t f o r m ?

T o a n sw e r t h e s e q u e s ti o n s, w h i c h r e q u i r e n o q u a n t i t a t iv e k n o w l e d g e o f e l e c-t ri c i ty , w e s e t u p t h e m e n t a l p i c t u r e o f t h e e l e c t r ic f l u id m o d e l , b a s e d o n a na n a l o g y b e t w e e n e l e c t r i c i t y a n d w a t e r , b o t h o f t h e m f lu i ds . A l t h o u g h t h i s a n a l-o g y i s n o t p e r f e c t , i t w a s t a u g h t w i t h e n t h u s i a s m b y n o l e s s a p r a c t i t i o n e r o ft h e e l e c t r i c a l s c i e n c e t h a n J. J. T h o m s o n . T h o m s o n ' s c a r e f u l m e a s u r e m e n t , i n1 8 9 7 , o f t h e r a ti o o f e l e c t r i c a l c h a r g e t o i n e r t i a l m a s s f o r t h e e m i s s i o n s f r o md i v e rs e c a t h o d e m a t e ri a ls , c o n v i n c e d s c i e nt is ts t h a t t h e r e w a s a u n i q u e c o m m o nc o m p o n e n t t o a ll " c a t h o d e r a y s " ~ t h e e l e c t ro n . I n 1 9 3 6 , a s a n e ld e r s t at e s m a n o fp h y s i c s , T h o m s o n w r o t e :[T h e service o f the electric f lu id concept] to the science of electricity , by suggest-ing an d co-ordina t ing experiments , can h ard ly be overes t ima ted. [For , in thelaboratory ,] i f we mo ve a p iece of brass or decrease the e f fec t we a re observ ing,w e do no t f l y t o th e h igh e r ma th e mat i c s , bu t u se t h e s imp le c onc e p t ion o f t h ee le ct ri c f l u id w h ic h w o u ld t e l l u s a s muc h as w e w a n te d to k no w in a f e wseconds.I n o r d e r t o a v o i d h a v i n g t o " fly t o t h e h i g h e r m a t h e m a t i c s " ( w h i c h e v e nm a t h e m a t i c a l l y s o p h i s t ic a t e d s c ie n t is ts s o m e t i m e s w o u l d l ik e to a v o id ), w e t o ow i l l e m p l o y t h e " c o n c e p t i o n o f t h e e l e c t r ic f lu i d. " T h e r e a d e r w i l l b e w a r n e dw h e n t h e a n a l o g y b r e a k s d o w n , a t w h i c h t i m e t h e m o d e l w i l l b e m o d i f i e d t op r o d u c e a m o r e p r e c i s e p h y s ic a l p i c t u re o f t h e p h e n o m e n o n o f e l e ct ri c it y . Science

c ons tan t l y de v e lops an d re fines i t s mo s t imp or tan t i de as.

Ro6 T h e E l e c t r i c F l u i d M o d e lT h e v e r s i o n o f t h e e l e c t r i c fl u id m o d e l p r e s e n t e d h e r e i s a n e x t e n s i o n o f t h e o r ig -i n a l v e r s i o n b y F r a n k li n . T h e p r e s e n t o n e i s m o r e a c c u r a t e s i n c e i t i s b a s e d o n o u r


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R. 6 Th e E lec tr i c F lu id Mod e l 11

Tab le R.1 Equivalences for the e l ec t r ic f lu id m od eli l i i i i i i i i ! i i ! i ! J i i i i i i! J i i i i i i i i i ! i ii ! i i i i i i! ii i i i i i i i i ii i ! i i i i i i ii i ! ii i ii ! i ii i ii i ii i ii i ii i ! ii i i ii i i! i N i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ! i i i i i i i i i ! i~ ~ # ~ ; ~ ; ~ ; ; ~ @ ~ ii! ! i i i ! i i i i i i i i i ! ! i i i i ! i i i i i i i i i i i i i i i i ! ! i i i i ! i i i ii i i i i i ii i i i i i i ii i i i ! ! ! i i i ii i i i i i ii i i i i i ! i ii i i i i i ii ii i i ! i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii ii i i i i i i i i i i i i i i i ! i i i i i i i i i i ! i i i i i i i i i i i i ! i i i i i i ii ! i i i i i i ; i i i i i i i i l i i l i

1. Am ount (m ass )2. Pressure3. Reservoir4 . M ass f low (m ass curren t )5. P ipes and res is tance to m ass flow6 . Pum ps7 . Reservo i r b reakdow n

Am ount (e l ec t r ic charge)Electr ical potent ial or vol tageC a p a c i t o rC harge f low (e l ec t r ic curren t )W ires and res is t ance to charge f lowB at t e r ies o r the e l ec t r ic com panyElectr ical breakdown (e.g. , sparking)

c u r r e n t k n o w l e d g e o f th e m i c r o s c o p i c c o n s t i tu t i o n o f m a tt e r. U n d e r t h e c i r c u m -s t an c e s , F r a n k l i n 's c o n c e p t i o n w a s r e m a r k a b l y g o o d ; m o r e o v e r , i n t h e s c i e n t i f i ct r a d i t i o n , h e m o d i f i e d h i s v i e w s , a s n e w f a c t s b e c a m e a v a i l a b l e .B r o a d ly s p e a k in g , w e c a n s e t u p t h e e q u i v a l e n c e s s h o w n i n T a b le R . 1.

1 . A m o u n t : M a s s a n d E le c t ri c C h a r g e O r d i n a r y m a t t e r h as a n u m b e r o f p r o p -e r ti e s, t h e m o s t i m p o r t a n t o f w h i c h fo r o u r p u r p o s e s a r e m a s s a n d e l e c tr i cc h a r g e . M a s s M ( m e a s u r e d i n k i lo g r a m s , k g ) i s a p o s i t i v e q u a n t i t y , a n d m a s sd e n s i t y ( m a s s p e r u n i t v o l u m e , k g / m 3 ) i s a l so a p o s i t i v e q u a n t i t y . W a t e r h a sa b a c k g r o u n d m a s s d e n s i t y t h a t i s a l w a y s p o s i t i v e , a n d i n c r e a s e s o n l y s l i g h t l yw h e n t h e s y s t e m i s p u t u n d e r p r e s s u r e . M o r e o v e r , t h e a d d i t i o n o f m a t t e r c a no n l y i n c r e a s e t h e a m o u n t o f m a ss .O n t h e o t h e r h a n d , e l e c t ri c c h a r g e c a n b e e i t h e r p o s i t i v e o r n e g a ti v e . T h en e t e l e c t r i c c h a r g e Q i s t h e a l g e b r a i c s u m o f t h e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e e l e c t r i c

Frankl in, on the other hand, consideredord inary mat te r to be immobi le and un-charged, sort of a sponge for the pos-i t ively charged electr ic f lu id. The mostimportant aspect of Frankl in 's concep-t ion is that there is an electr ic f lu id thatcan be nei ther created nor destroyed,and therefore i t is c o n s e r v e d .

c h a r g e s . I n c r e a s e s i n t h e n e t e l e c t r i c c h a r g e c a no c c u r e i t h e r b y in c r e a s i n g t h e a m o u n t o f p o s i-t i v e c h a r g e o r b y d e c r e a s i n g t h e a m o u n t o f n e g a -t i v e c h a r ge . T h e a d d i t i o n o f m a t t e r c a n i n c re a s e ,d e c r e a s e , o r l e a v e u n c h a n g e d t h e a m o u n t o f e l e c -t r ic c h a r g e . O r d i n a r y a t o m s h a v e z e r o n e t c h a rg e :t h e y h a v e p o s i t i v e c h a r g e i n t h e i r r e l a t i v e l ym a s s i v e n u c l e i a n d a n e q u a l a m o u n t o f n e g a t i v ec h a r g e i n t h e r e l a t i v e l y l i g h t e l e c t r o n s s u r r o u n d -i n g t h e n u c l e u s . T h e l e s s m a s s i v e e l e c t r o n s c a nb e s t r i p p e d o f f o r a d d e d t o a n a t o m o r c o l le c t i o no f a t o m s ( e . g . , a s o l i d ) .

To Frankl in we ow e the conc ept of an excess or def ic i t of e lectr ical f lu id, the idea ofconne ct ing electrical s torage devices in ser ies and in paral le l , a deep appre ciat ion ofthe dist inct ion betw een condu ctors and insulators, and the l ightning rod. He is a lsoresponsible for b i focals, the rocking chair , the heat-reta in ing Frankl in stove, dayl ight-saving t ime, and a host of other invent ive ideas. I t was Frankl in 's fame as a scient is t mmany of h is e lectr ical exper iments were performed in the court of the French King LouisXV mth at la ter gave h im the c red ib i l it y in France to p lead the case o f the A mer icanColonies against the Br i t ish.


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12 Rev iew /Prev ie w ~ Elec t ri c i ty : I t s Uses and I t s Visua l iza t ion

R e c a ll f ro m ( R .2 ) t h a t t h e u n i t o f c h a r ge , t h e c o u l o m b ( C ) , is b a s e d u p o nt h e u n i t o f e l e c t r ic c u r r e n t , t h e a m p e r e ( A ) . I f o n e a m p o f d c c u r r e n t f lo w sf o r o n e s e c o n d , i t t r a n s f e r s o n e c o u l o m b o f c h a r g e , s o C = A -s . R e c a ll t h a t a5 0 A - h r b a t t e r y h a s a " c h a rg e " Q o f I t , o r (5 0 A ) ( 3 6 0 0 s ) - 1 8 0 , 0 0 0 C . T h i sv a s tl y e x c e e d s t h e a m o u n t t h a t c a n b e h e l d b y t h e n o n c h e m i c a l c h a r g e st or -a g e d e v i c e s c a l l e d c a p a c i t o r s , t o b e d i s c u s s e d s h o r t l y . ( B a t t e r i e s c a n p r o v i d ec u r r e n t s a s l a r g e as t h e i r e m f d i v i d e d b y t h e i r i n t e r n a l r e s i s t a n c e , a n d f o r ac o n s i d e r a b l e p e r i o d o f t i m e . C a p a c i t o r s c a n p r o v i d e v e r y la r g e c u r r e n t s , b u to n l y f o r v e r y s h o r t p e r i o d s o f t i m e . ) T h e c h a r g e o n t h e e l e c t r o n i s - e , w h e r ee ~ 1 . 6 x 1 0 - 19 C . T h i s i s v e r y s m a l l ; b i l l i o n s o f e l e c t r o n s a r e t r a n s f e r r e d t oy o u r c o m b w h e n y o u r u n i t t h r o u g h y o u r h a ir . (T h i s s o u n d s l i ke a l o t o f e l e c -t r o n s . H o w e v e r , y o u r h a i r c o n t a i n s b i l l io n s o f b i l l io n s o f b i l l io n s o f e l e c t r o n s .D o n ' t w o r r y a b o u t r u b b i n g t o o m a n y e l e c t ro n s o u t o f y o u r h ai r.)2 . P r e s s u r e a n d E l e c tr i ca l P o t e n t ia l , o r V o l t a g ea re a . T h i s c a n b e r e w r i t t e n a s P r e s s u r e P i s f o r c e p e r u n i t

f o r c e f o r c e - d i s t a n c e e n e r g yp r e s s u r e - = =a r e a a r e a - d i s t a n c e v o l u m e "D i v i d i n g b o t h t h e f ar l e f t - h a n d a n d t h e f a r r i g h t - h a n d s id e s o f t h i s e q u a t i o nb y m a s s p e r u n i t v o l u m e y i e l d s

p r e s s u r e e n e r g ym a s s p e r u n i t v o l u m e m a s s

T h i s q u a n t i t y , a n e n e r g y p e r u n i t m a s s , h a s t h e s a m e u n i t s a s g r a v i t a t i o n a lp o t e n t i a l a n d i s a n a l o g o u s t o e l e c t ri c a l p o t e n t i a l, w h i c h is an e n e r g y p e r u n i tc h a r g e . H o w e v e r , b e c a u s e a f lu i d li k e w a t e r i s n e a r l y i n c o m p r e s s i b l e , p r e s s u r ea n d p r e s s u r e d i v i d e d b y m a s s p e r u n i t v o l u m e a r e n e a r l y p r o p o r t i o n a l t o e a c ho t h e r . H e n c e p r e s s u r e a n d v o l t a g e a r e n e a r l y a n a l o g o u s .W i t h a n e x c e ss o f p o s i t i v e o r n e g a t i v e c h a r g e , w e c a n p r o d u c e e i t h e r p o s -i ti v e o r n e g a t iv e v o l ta g e . O n t h e o t h e r h a n d , i t i s n o t p o s s i b l e t o p r o d u c es t ab l e n e g a t i v e p r e s s u re s , a l t h o u g h s m a l l n e g a t i v e p r e s s u r e s c a n b e p r o d u c e dt e m p o r a r i l y ( e.g ., w h e n a m o t o r b l a d e t u r n s q u i c k l y t h r o u g h t h e w a t e r ) .A t n e g a t iv e p r e s su r e s, b u b b l e s s p o n t a n e o u s l y f o r m - - t h e t e c h n i c a l t e r m i scav i ta t ion .

P r e s s u r e i n w a t e r d e p e n d s o n t h e c o l li s io n s o f n e u t r a l a t o m s w i t h a w a l l o rw i t h o n e a n o t h e r . P r e s s u r e c h a n g e s a r e c o m m u n i c a t e d s i m i la r ly b y c o ll is i on sb e t w e e n w a t e r m o l e c u le s . T h i s l e ad s to t h e g e n e r a ti o n o f s o u n d , w h i c h i nw a t e r t ra v e l s at a s p e e d o f a b o u t 1 4 3 5 m / s . O n t h e o t h e r h a n d , v o l t a g e c h a n g e sa r e c o m m u n i c a t e d b y th e l o n g - r a n g e e l e c t ri c a l fo r c e, w h i c h p r o p a g a t e s a t t h ev e l o c i t y o f l i g h t ( a b o u t 3 x 1 0 s m / s ) . T h i s i m p l i e s t h a t , a l o n g a n o r d i n a r ye l e c t r ic c i r c u i t , v o l t ag e c h a n g e s a r e n e a r l y i n s ta n t a n e o u s l y t r a n s m i t t e d , a n dt h a t t h r o u g h o u t a " c h a rg e r e s e rv o i r " t h e v o l t ag e i s n e a r l y u n i fo r m . H o w e v e r ,f o r a l o n g c o m m u n i c a t i o n s c a b le , t h e s ig n a l i s p r e c i s e l y a n o n u n i f o r m v o l ta g e ,w h i c h t ra v e l s a l on g t h e c a b l e i n a s h o r t b u t f in i te t i m e .

3 . R e s e r v o i r s a n d C a p a c i t o r s W a t e r is o f te n s t o r e d i n a r e s e rv o i r o r a w a t e rt o w e r . F o r o u r p u r p o s e s , w e w i ll t h i n k o f a r e s e r v o i r a s b e i n g a t a n k o f w a t e r


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R. 6 Th e Electric Flu id Mod el 13

v - ' - -

Figure R.4 Sc he m at ic of how e le c t ri c c har ge goe s to theouts ide of a c ondu c tor . The i nv i s ib le body assoc i a te dw i th the ghost ly hand i s i n e le c tr i c al c ontac t w i th thec age , w hi c h i t se l f is both c har ge d up and on an i nsula t ingplatform.

t h a t i s u n d e r p r e s s u r e . E l e c t r i c c h a r g e , t o o , c a n b e s t o r e d i n e l e c t r i c a l r e s e r -voi r s , c a l l e d capacitors.A l t h o u g h a w a t e r r e s e r v o i r h a s a ll t h e w a t e r u n i f o r m l y d i s t r i b u t e dt h r o u g h o u t i ts volume, a c h a r g e r e s e r v o i r , s u c h a s a m e t a l l i c p l a t e o r b a r , h a sa n y e x c e s s c h a r g e d i s t r i b u t e d ( n o t n e c e s s a r i ly u n if o rm l y l .) o v e r i ts surface. Ap e r s o n s t a n d i n g w i t h i n a c h a r g e d - u p m e t a l c a g e w i l l n o t b e c h a r g e d u p , b u to n p a s s in g h is h a n d t h r o u g h t h e b a rs , c h a r g e w i l l fl ow f r o m t h e o u t s i d e o f t h ec a g e t o t h e p e r s o n ' s h a n d , w h i c h n o w s e rv e s a s p a r t o f t h e o u t s i d e s u r fa c e o ft h e c a g e . S e e F i g u r e R . 4 . I n C h a p t e r 4 , w e w i l l s t u d y w h y t h i s o c c u r s . I t i sr e l a t e d t o t h e f a c t t h a t t h e r e a re t w o t y p e s o f e l e c tr i c c h a rg e , t h a t " o p p o s i t e sa t t r a c t a n d l i k e s r e p e l " , a n d t o t h e s p e c i f i c w a y i n w h i c h t h e e l e c t r i c a l f o r c eb e t w e e n t w o c h a r ge s f al ls o f f w i t h d i s t an c e .B e f o re e l e c t ri c a l r e se r v o ir s, e x p e r i m e n t e r s w o r k e d d i r e c tl y w i t h t h e e l e c -t r i c i t y p r o d u c e d b y a n e l e c t r ic a l s o u r c e ( s u c h a s a s i l k - r u b b e d g la ss r o d ) . T h ef ir st t y p e o f e l e c t ri c a l r e s e r v o i r w a s a b a r o f m e t a l , c a l l e d a p r i m e c o n d u c t o r ,p l a c e d u p o n a n i n s u l a ti n g s u r f a c e t o k e e p i t f r o m l o s i n g it s c h a r g e . ( B e c a u s e ,i n e q u i l i b r i u m , t h e n e t c h a r g e o n a c o n d u c t o r r e s i d e s o n it s s u r fa c e , a c a n -n o n b a l l a n d a m e t a l i z e d b a l l o o n o f t h e s a m e r a d i u s a re e q u a l l y e f fe c t iv e a ts t o ri n g c h a rg e . ) T h e s e c o n d t y p e o f st o ra g e d e v i c e w a s th e L e y d e n j a r ( se eF i g u r e R . 5 ) . I t h a s t w o s u r f a c e s ~ t h e o u t e r t i n f o i l s u r r o u n d i n g t h e g l a s sa n d t h e i n n e r w a t e r s ur fa c e t o u c h i n g t h e g l a s s ~ t h a t h o l d e q u a l a n d o p p o -s it e c h a r g e s + Q L a t e r t h e L e y d e n ja r w a s g i v e n t h e n a m e condenser ( th i su s a g e s u rv i v e s to d a y i n t h e l a n g u a g e o f a u t o m o b i l e i g n i ti o n s y s te m s ) b e c a u s ei t " c o n d e n s e d " t h e e l e c t ri c i ty . T h e r e i s a v o l t a g e d i f f e r e n c e A V a c ro s s t h e t w op l at e s, w i t h + Q a t t h e h i g h e r v o l ta g e . T h e m o d e r n n a m e f o r th e c o n d e n s e r,t h e capacitor, i n d i c a t e s t h a t t h e s e d e v i c e s h a v e t h e capaci ty t o s t o r e e l e c t r i cc h a rg e . T h i s i s e x p r e s s e d i n t e r m s o f w h a t i s c a l le d t h e c a p a c i t a n c e C =Q / A V , w h o s e u n i t i s t h e f a r a d ( F ) , w h i c h i s t h e s a m e a s a c o u l o m b / v o l t ,s o F = C / V .


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1 4 R evi ew /Prev i ew ~ Elec t r i c i ty : I t s Us es an d I t s Vi s u a l i za t i o n

F i g u re R . 5 T h e L e y d e n j a r . T h e g l a ss p r e v e n t sc h a r g e s o n t h e i n n e r a n d o u t e r s u r fa c e s f r o mm a k i n g c o n t a c t .

M o d e r n c a p a c i t o r s c o n s i s t o f t w o p i e c e s ( " pl a te s " ) o f e l e c t r i c a l c o n d u c t o rs e p a r a t e d b y a n e l e c t r i c a l i n s u l a t o r , i n g e o m e t r i e s t h a t m a x i m i z e t h e a r e a o fe a c h p l a t e a n d m i n i m i z e t h e p l a t e s e p a r a t i o n ( s u b j e c t t o n o p l a t e c o n t a c t ,w h i c h w o u l d c a u s e d i s c h a r g e ) . I n t h i s w a y , l a rg e a m o u n t s o f e l e c t r i c c h a r g e ,e q u a l i n q u a n t i t y b u t o p p o s i t e i n s ig n , c a n b e c o l l e c t e d . C a p a c i t o r s a r e c r u c i a lf o r t h e p r o p e r o p e r a t i o n o f n e a r l y a ll t y p e s o f e le c t r i c a l e q u i p m e n t . J u s t ast h e p r e s s u r e i n a p r e s s u r i z e d w a t e r r e s e r v o i r is u n i f o r m , s o t h e v o l t a g e o n as i ng l e c a p a c i t o r p l a t e i s u n i f o r m . T h e t w o p l a t e s o f a c a p a c i t o r a r e l ik e t w od i s t i n c t r e s e r v o i r s o f w a t e r .

4 . M a s s a n d C h a r g e F l o w A m a ss c u r r e n t to a r e g i on c o r r e s p o n d s to an i n c r e a sei n t h e m a s s o f t h a t r e g i o n . M a s s c u r r e n t , o r m a s s fl ow , i s m e a s u r e d i n u n i t so f k g /s e c . W a t e r c u r r e n t is so m e t i m e s e x p r e s s e d i n t e r m s o f v o l u m e f lo w , inu n i t s o f m 3 / s e c .

T o r e p e a t , e l e c t r i c c u r r e n t , o r c h a r g e f lo w , is m e a s u r e d i n u n i t s o f t h e a m -p e r e A , o r c o u l o m b / s e c = C / s , s o m e t i m e s c a l l e d t h e a m p . A n e l e c t r ic c u r r e n tt o a r e g i o n c o r r e s p o n d s t o a n i n c r e a s e i n t h e n e t c h a r g e o f t h a t r e g i o n . An e t i n c r e a s e c a n b e d u e t o a f lo w o f p o si t i v e c h a r g e i n t o t h e r e g i o n , a f l o w o fn e g a t i v e c h a r g e o u t o f th e r e g i o n , o r a c o m b i n a t i o n o f t h e t w o . I n a v o l t a i c c e ll ,

Newton's laws do not c orrectly describethe orbita l motion of e lectrons with ina toms and molecu les. How ever, mod-ern phys ics (properly , wh at is cal ledquan tum mec hanics) permits electronorbits to be described in terms of or-bita ls. These specify the probabil i ty off inding an electron at any given posit ionin space.

o r i n s a lt w a t e r , t h e c h a r g e c a r r ie r s a r e b o t h p o s -i t i v e l y a n d n e g a t i v e l y c h a r g e d i o n s ( e . g . , i n s a l tw a t e r , t h e N a + is a p o s i t i v e i o n , a n d t h e C 1 - i sa n e g a t i v e i o n ) . I o n s l e a d t o ion ic conduc t ion . I na m e t a l , t h e c h a r g e c a r r ie r s a r e e l e c t r o n s . H o w -e v e r , n o t a ll e l e c t r o n s i n a m e t a l a r e a b l e t o m o v ef r e e l y ; t h e o n e s t h a t m o v e f r e e l y a r e c a l l e d con-duc t ion e lec trons . U s in g t h e m o d e r n c o n c e p t i o no f t h e orb i ta l , w e w o u l d s ay t h a t t h e c o n d u c t i o ne l e c t r o n s a r e in de loca l i zed o r b it a ls , w h i c h c a n e x -t e n d t h r o u g h o u t t h e m e t a l . O t h e r e l e c t r o n s i nt h e m e t a l a r e in loca l i zed s t a t e s a n d c a n n o t m o v ef r e e l y . E l e c t r o n s l e a d t o e lec tron ic conduc t ion . I n i n s u la t o r s , a ll t h e o r b i t a l s a r el o c a l i z e d . T h i s e x p l a i n s G r a y ' s o b s e r v a t i o n t h a t s o m e m a t e r i a l s a r e c o n d u c t o r sa n d s o m e a r e i n s u l a t o r s .


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R. 6 The Electric Fluid Mode l 15

E l e c t r i c a l insu la tors , s u c h a s a i r o r g la ss o r w o o d , c o n d u c t e l e c t ri c i ty , b u tm u c h l e s s e f f e c t i v e l y t h a n g o o d e l e c t r i c a l c o n d u c t o r s , s u c h a s c o p p e r . F o re x a m p l e , g l as s i s a b o u t 2 0 o r d e r s o f m a g n i t u d e l e ss e f f e c t i v e t h a n c o p p e ra t c a r r y i n g e l e c t r i c i t y . T h i s e x t r a o r d i n a r y v a r i a t i o n i n m a t e r i a l p r o p e r t i e s i sw h y , a s a f ir st ap p r o x i m a t i o n , w e c a n m a k e a s i m p l e d i s t in c t i o n b e t w e e n c o n -d u c t o r s a n d i n s u l a t o r s . T h e electrical conductiv i ty a n d i t s i n v e r s e , t h e electricalresist iv i ty , p r o v i d e a c o n t i n u o u s s c al e fo r t h e c o n d u c t i n g a b il it ie s o f m a t e r i -a ls . S e m i c o n d u c t o r s , l ik e s il ic o n , a re i n t e r m e d i a t e b e t w e e n c o n d u c t o r s a n di n s u l a t o r s in t h e i r a b i l it y to c o n d u c t e l e c t ri c i ty .5 . P i p e s a n d W i r e s J u s t a s p i p e s h a v e a c e r t a in resistance t o t h e f lo w o f w a t e r, s od o w i r e s h a v e a c e r t a i n resistance t o t h e f lo w o f e le c t r ic i t y . T o m a k e t h e a n a l o g ym o r e p r e c i s e , t h e w a t e r p i p e s s h o u l d b e f i ll e d w i t h f i n e s a n d o r, b e t t e r y e t , w i t hp o w d e r . T h e n t h e f ri c ti o n o n th e w a t e r o c c u rs t h r o u g h o u t t h e v o l u m e o f t h ep i p e , b y c o l li s io n s o f t h e w a t e r a g a i n s t t h e s a n d . T h i s i s l ik e t h e f r i c ti o n o nt h e e l e c t r o n s t h a t o c c u r s t h r o u g h o u t t h e v o l u m e o f t h e w i re , b y c o ll is io n so f t h e e l e c t ro n s a g a i n s t t h e a t o m i c n u c l e i . T h e s a n d a ls o se r v e s t o p r e v e n t

t u r b u l e n t f lo w o f t h e w a t e r. T u r b u l e n t f lo w o f e l e c tr i c it y t ak e s p l a c e o n l yi n i o n i z e d p l a s m a , s u c h a s t h e a t m o s p h e r e o f a s t a r o r i n s i d e s o m e v a c u u mt u b e s .H e r e i s a n i m p o r t a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n w a t e r i n p i p e s a n d e l e c t r o n si n w i r e s : t h e e l e c t r o n s a r e a l w a y s i n t h e w i r e s , r e a d y t o p r o d u c e a n e l e c t r i cc u r r e n t , w h e r e a s s o m e t i m e s t h e p i p e s h a v e t o fi ll w i t h w a t e r b e f o re t h e y c a np r o d u c e a w a t e r c u r r e n t .A q u a n t i t y o f w a t e r , in m o t i o n b e c o m i n g a w a t e r c u r r e n t, is d r i v e n t h r o u g ha p i p e f r o m h i g h e r p r e s s u r e t o l o w e r p r e s s u r e . S i m i l a r l y , a q u a n t i t y o f e l e c -t ri c it y, i n m o t i o n b e c o m i n g a n e l e c tr i c c u r r e n t , i s d ri v e n t h r o u g h a w i r e f r o mh i g h e r v o l t a g e to l o w e r v o l ta g e , a s d e s c r i b e d b y ( R .2 ) . T h e a m o u n t o f m a s sc u r r e n t o r e l e c t ri c c u r r e n t is p r o p o r t i o n a l t o t h e a m o u n t o f t h e p r e s s u r edif ference o r v o l t a g e difference, t h e a m o u n t o f c u r re n t b e i n g inverse ly propor-t iona l t o t h e resistance o f t h e p i p e o r t u b e . M o n i t o r i n g t h e p r e s s u r e d i f f e re n c e( o r v o l t a g e d i f f e r e n c e ) a l o n g t h e l e n g t h o f a c u r r e n t - c a r r y i n g p i p e ( o r w i r e )o f u n i f o r m c o n s t i t u t i o n a n d c r o s s - s e c t i o n s h o w s t h a t i t v a r i e s l i n e a rl y fr o mt h e h i g h e r p r e s s u r e ( o r v o l t a g e ) t o t h e l o w e r o n e . J u s t a s , a t a g i v e n i n s t a n to f t im e , d i f fe r e n t w a t e r m o l e c u l e s e n t e r o n e e n d o f t h e p i p e a n d e x i t th eo t h e r e n d , s o d i f f e r e n t e l e c t r o n s e n t e r o n e e n d o f a w i r e a n d e x i t t h e o t h e re n d .

6 . P u m p s a n d B a t t e r ie s o f V o l ta i c C e l l s J u s t a s w a t e r p u m p s g e n e r a te p re s s u r ed i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e e n d s o f a p i p e , s o d o v o l t a ic c e l ls g e n e r a t e v o l t a g ed i f fe r e n c e s a c ro s s t h e e n d s o f a w i r e . A w a t e r p u m p c a n d r i v e w a t e r c u r r e n ta r o u n d a water c i rcu i t t h a t i n c l u d e s a fo u n t a i n . F o r e x a m p l e , t h e w a t e r c i r c u i tc o u l d b e : p u m p - t o - p i p e # 1 - t o - f o u n t a i n - to - p i p e # 2 - t o - p u m p - t o - p i p e # 1 . . . .S i m i la rl y , a v o l t a i c c e l l c a n d r i v e e l e c t r i c c u r r e n t a r o u n d a n electric circuit t h a ti n c l u d e s , f o r e x a m p l e , a l i g h t b u l b . T h e e l e c t r i c c i r c u i t w o u l d b e : v o l t a i c c e l lt o w i r e # 1 - t o - l ig h t b u l b - t o - w i r e # 2 - t o - v o l t a i c c e l l- to - w i r e # 1 . . . . F u r th e r , a c a -p a c i t o r c a n d r i v e c u r r e n t t h r o u g h a l i g h t b u l b , b u t s u c h c u r r e n t t y p i c a l l y l a s t so n l y a s h o r t t i m e b e c a u s e c a p a c i t o r s u s u a l l y d i s c h a r g e r e l a t i v e l y q u i c k l y .J u s t a s t h e w a t e r c o m p a n y p r o v i d e s w a t e r a t h i g h p r e s s u r e , t h e e l e c t r i cc o m p a n y p r o v i d e s e l e c t r i c i t y a t h i g h v o l t a g e . H o w e v e r , w h e r e a s t h e w a t e rc o m p a n y p r o v i d e s d c p o w e r ( a t a c e r t a i n p r e s s u r e , c o r r e s p o n d i n g t o t h e


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1 6 Rev iew /Prev iew ~ Electr ic i ty: I ts Use s and I ts Visual izat ion

In descr ibing water, w e do not say that "a high pressure passed across the pipe";we say tha t "a high cu rrent passed throug h the pip e, dr ive n by the high pressuredifference across its ends." Ho weve r, in descr ibing electr ic ity, the popu lar press oftenem ploys incorrect usag e, such as "he received a shock wh en a high voltage passedthrough h im." Sometimes s u r g e d = p a s s e d might be employed. By Ohm's law, (R.2),mu ch better usage wo uld be "on touch ing the wire, there was a high voltage differencebetwe en his han d and the ground, causing a large electr ic current to pass throu gh him ."

m

h e i g h t o f t h e w a t e r t o w e r ) , t h e e l e c t r i c c o m p a n y p r o v i d e s a n o s c i ll a ti n g , o ra c , p o w e r . R e c a l l t h a t d c s t a n d s f o r direct current , a n d a c s t a n d s f o r al ternat ingcurrent . V o l t a g e i s s t a n d a r d i z e d t h r o u g h o u t e a c h n a t i o n ( o t h e r w i s e e l e c t r i c a le q u i p m e n t w o u l d n o t o p e r a t e p r o p e r l y ) , w h e r e a s w a t e r p r e s s u r e c a n v a r yc o n s i d e r a b l y f r o m t o w n t o t o w n . H o w e v e r , a c p o w e r v a r i e s f r o m n a t i o n t on a t i o n : i n E u r o p e , i t t y p i c a l l y h as a f r e q u e n c y o f 5 0 H z a n d a v o l t a g e o f2 2 0 V .T h e i d e a o f a b a t t e r y o f v o l t a i c c e ll s i s d u e t o V o l ta . C h e m i c a l e n e r g i e sl i m i t v o l t a ic c e l l s t o e m f s o n t h e o r d e r o f a f e w v o l ts , s o t o g e t h i g h e r v o l t a g e sw i t h v o l t a i c c e l l s , w e f o l l o w V o l t a a n d p u t t h e m i n s e r i e s . B e f o r e V o l t a ,F r a n k li n h a d e m p l o y e d b a t t e r i e s o f L e y d e n j a rs , b o t h i n s e ri e s a n d i n p a r al le l .B r e a k d o w n P h e n o m e n a J u s t as t h e w a l ls o f a r e s e rv o i r or a p i p e n o r m a l l ya r e i m p e r m e a b l e t o t h e f l o w o f w a t e r, s o e le c t r i c a l insulators, s u c h a s a i ro r gl as s o r w o o d , n o r m a l l y a r e i m p e r m e a b l e t o t h e f lo w o f e l e c tr i c it y . I ns o m e c as es , th e r e is t e m p o r a r y e l e c tr ic a l b r e a k d o w n i n a n i n s u l a t o r ~ f o re x a m p l e , s p a rk i n g in a i r - -c o r r e s p o n d i n g t o t h e t e m p o r a r y o p e n i n g o f a r e l ie fv a l v e i n a h i g h p r e s s u r e t a n k . S o m e t i m e s , h o w e v e r , t h e r e i s c a t a s t r o p h i ce l e c tr ic a l b r e a k d o w n ~ s u c h a s s p ar k in g , o r e v e n l i g h t n i n g ~ c o r r e s p o n d i n gt o t h e b u r s t i n g o f a w a t e r t a n k u n d e r t o o h i g h a p r e s s u r e . S p a r k i n g a n dl igh tn ing are very var iab le . A l i g h t n i n g b o l t m i g h t c a r r y a p e a k c u r r e n t o f1 0 , 0 0 0 A a n d t r a n s f e r a n e t n e g a t i v e c h a r g e o f a f e w C f r o m a c l o u d t o t h ee a r t h . ( H o w e v e r , l i g h t n i n g s o m e t i m e s t r a n s f e r s c h a r g e t h e o t h e r w a y ; w h e ni t d o e s t h e b o l t s a r e e x c e p t i o n a l l y p o w e r f u l ! ) U n d e r o r d i n a r y c o n d i t i o n s ,n e g a t i v e c h a r g e f l o w s u p w a r d w i t h i n t h e a t m o s p h e r e f r o m t h e e a r t h , p a r t l yd u e t o n e g a t i v e i o n s f l o w i n g u p w a r d a n d p a r t l y f r o m p o s i t i v e i o n s f l o w i n gd o w n w a r d . L i g h t n i n g i s a c o m p l e x a n d s ti ll p o o r l y u n d e r s t o o d p h e n o m e n o n .

Ro T A n s w e r s t o t h e P r a c t i c e E x a m Q u e s t i o n sW i t h t h e f l u i d a n a l o g y i n m i n d , l e t u s c o n s i d e r t h e q u e s t i o n s p o s e d e a r l i e r .1 . W h y d o e s t h e h a i r o f t h e b a n d m e m b e r s s t a n d o n e nd ?

W e f i r s t a n s w e r t h i s q u e s t i o n f o r t h e a r t i f i c i a l s i t u a t i o n w h e r e t h e p o w e ri s d c , r a t h e r t h a n a c . O r d i n a r i l y , t h e p l a t f o r m a n d t h e b a n d m e m b e r s o n i tw i ll b e e l e c t r i c a l ly n e u t r a l. H o w e v e r , i f t h e p l a t f o r m h a s b e c o m e c h a r g e d u pw i t h e i t h e r a n e x c e s s o r d e f i c i t o f e l e c t ro n s , t h e n t h e b a n d m e m b e r s , b e i n gg o o d c o n d u c t o r s r e l a ti v e t o d r y w o o d - - a n i m a l s a re c o m p o s e d m o s t l y o f s a lt y


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R . 7 A n s w e r s m t h e Pr a c ti ce E x a m Q u e s t i o n s 17

From platform To ground(a) (b)

Figure R.6 Depic t ions of e lec t r i c cur ren t f low.(a) Elec tr ic shoc k. (b) Electr ical discharge.

w a t e r - - a l s o w i l l c h a r g e u p . B e c a u s e t h e b a n d m e m b e r s a r e c o n d u c t o r s , t h i se x c e s s c h a r g e g o e s t o t h e i r s u r fa c e , w h i c h i n c l u d e s t h e i r h a ir . S t r a n d s o f h a ir ,b e i n g r e l a ti v e l y l ig h t , a n d c h a r g e d w i t h t h e s a m e s ig n , w i ll re p e l o n e a n o t h e r( t h e y w i ll a ls o b e r e p e l l e d b y t h e c h a r g e a l l o v e r t h e p l a t f o rm ) ; t h u s t h e i r h a i rs t a n d s o n e n d . ( S o m e p e o p l e t h i n k t h a t , s o m e h o w , t h e h a i r s t a n d s u p o n e n db e c a u s e i t is d is c h a r g in g i n t o t h e a i r. N o t s o . H a i r c a n s t a n d u p o n e n d e v e nw h e n t h e v o l t a g e is t o o s m a l l t o c a u s e n o t i c e a b l e d i s c h a rg e i n t o t h e a ir .)2. S h o u l d t h e b a n d m e m b e r s j u m p o f f o r st e p o ff ?

A s s u m e t h a t t h e b a n d m e m b e r s a re w e a r i ng s h o e s w i t h s o le s o f l e a t h e r( a m u c h b e t t e r e l e c t ri c a l c o n d u c t o r t h a n r u b b e r ). W h e n t h e y s t e p d o w n f r o mt h e p l a t f o r m , t h e y w i l l p r o v i d e a r e l a t i v e l y g o o d p a t h f o r e l e c t r i c i t y t o f l o wf r o m t h e p l a t f o r m t o g r o u n d , a n d v i c e v e rs a . T h e e l e c t r i c i t y w i ll b e s u p p l i e dc o n s t a n t l y b y t h e p o w e r s o u r c e , a n d t h u s w i l l f lo w t h r o u g h t h e m a s l o n g ast h e y a r e i n c o n t a c t w i t h b o t h p l a t f o r m a n d g r o u n d . T h e e l e c t r i c a l p a t h f r o mo n e f o o t t o t h e o t h e r p a s se s t h e m i d r i f f a n d w i l l i n c l u d e t h e r e g i o n o f t h eh e a r t , s o t h e c h a n c e o f e l e c t r o c u t i o n w i l l b e s i g n i fi c a n t . S e e F i g u r e R . 6( a ) .O n t h e o t h e r h a n d , i f t h e b a n d m e m b e r s j u m p t o t h e g r o u n d , t h e y w i llb e m u c h s a f e r. A t t h e i n s t a n t t h e y j u m p , t h e y h a v e a s m a ll e x c e s s o f e l e c -t r i c c h a r g e , w h i c h t h e y r e t a i n u n t i l t h e y h i t t h e g r o u n d a n d r e c e i v e a s m a l l ,m o m e n t a r y s h o c k a s t h e y d i s c h a rg e . S e e F i g u r e R . 6 (b ) . T h e y t h e n w i l l b e a tt h e s a m e v o l t a g e a s g r o u n d , a n d t h e r e w i l l b e n o m o r e c u r r e n t f l o w , u n l i k ew h a t w o u l d h a p p e n i f t h e y w e r e t o u c h i n g t h e p l a t f o rm w i t h o n e f oo t , a n dt h e g r o u n d w i t h t h e o t h e r. I n a s e n se , w h i l e i n t h e a i r t h e y a r e li k e a c h a r g e dc a p a c i t o r , a n d w h e n t h e y d i s c h a r g e , t h e y a r e l ik e a d i s c h a r g i n g c a p a c i t o r .

Ho w L ong Do es I t Take to Charge and D i s charge ?A c t u a l l y , t h e p o w e r p r o v i d e d b y t h e e l e c t r i c c o m p a n y i s a c . A n e c d o t a l e v i d e n c ei n d i c a t e s t h a t t h e h a i r - s t a n d i n g - o n - e n d e f f e c t d o e s no t u s u a l l y o c c u r f o r a c v o l t -a g e s: d r iv e r s o f e a r t h - m o v i n g e q u i p m e n t h a v e b e e n k n o w n t o o p e r a t e t h e i r


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1 8 Review /Preview i Electr ic i ty: Its Use s and I ts Visual izat ion

e q u i p m e n t f o r h o u r s , w i t h t h e i r e q u i p m e n t a c c i d e n t a l l y s h o r t e d ( " s h o r t " f o r" s h o r t w i r e c o n n e c t i o n , " w h i c h m e a n s " d i r e c t l y c o n n e c t e d " ) t o h i g h v o l t ag e ( e .g .,4 4 0 V ) a c p o w e r l in e s w i t h o u t n o t i c in g a n y t h i n g u n u s u a l ~ l i k e t h e i r h a ir st a n d-i n g o n e n d .T h e h a i r - s t a n d i n g - o n - e n d e f f e c t c e r t a i n l y o c c u r s f o r p e o p l e s t a n d i n g o n i n s u -l a t e d p l a t f o r m s w h o t o u c h a V a n d e G r a a f g e n e r a t o r a s i t c h a r g e s u p t o t h o u s a n d so f d c v o lt s. A l t h o u g h 4 4 0 V d c p r o b a b l y w o u l d b e s u f f i c ie n t t o c a u s e h a i r t o s t a n do n e n d , f o r t h e 4 4 0 V o f an a c p o w e r l i ne , th e e f f e c t p r o b a b l y d o e s n o t o c c u rb e c a u s e t h e t i m e i t t a k e s h a i r t o r e s p o n d t o c h a r g e a n d d i s c h a r g e e x c e e d s 1 / 6 0o f a s e c o n d . I n C h a p t e r 8 , w e c o n s i d e r t h e c h a r g e a n d d i s c h a r g e o f a c a p a c i t o ro f c a p a c i t a n c e C t h r o u g h a p a t h , s u c h a s a w i r e , w i t h e l e c t r i c a l re s i s t an c e R .( D o n o t c o n f u s e t h e i t a l i c - f o n t c a p a c i t a n c e , C , w i t h t h e R o m a n - f o n t c o u l o m b ,C.) Te c hni c a l ly , th i s i s c a l l e d R C c h a r g e a n d d i s c h a r g e , a n d w e w i l l s h o w t h a ti t t a k e s p l a c e i n t h e c h a r a c t e r i s ti c t i m e R C . ( R h a s t h e u n i t o f f2 = V / A , a n d Ch as th e u n i t o f F = C / V , so R C h a s th e u n i t o f ( V / A ) ( C / V ) = C / A = s e c o nd .)S i n c e i t t a k e s o n t h e o r d e r o f a f e w s e c o n d s f o r s o m e o n e ' s h a i r t o s t a n d u p w h e nc o n n e c t e d t o a V a n d e G r a a f g e n e r at o r, f o r th i s s i t u a ti o n , R C m a y b e a s l a rg e a s af e w s e c o n d s . T h i s l o n g c h a r g i n g t i m e i s a n i n d i c a t io n t h a t , a l t h o u g h V a n d e G r a a fg e n e r a t o r s c a n d e v e l o p a h i g h d c v o l t a g e , t h e y c a n n o t p r o v i d e a l a r g e c o n t i n u -o u s c u r r e n t . F o r t h a t r e a s o n t h e s p a rk , h o w e v e r u n c o m f o r t a b l e , d i s c h a r g e s t h eg e n e r a to r , w h i c h t h e n t a k e s a f e w s e c o n d s t o r e c h a r g e . ( B a t te r i e s p r o d u c e l o w e rv o l ta g e s , b u t m o r e s u s t a i n e d c u r r e n t s .) A f l u i d a n a lo g y t o R C d i s c h a r g e w o u l db e t h e d i s c h a r g e o f a w a t e r t a n k ( o f f in i t e fl u id c a p a c i t y ) t h r o u g h a w a t e r p i p eo f f i n it e fl u i d r e s is t an c e . T h e l a r g e r t h e t a n k o r th e n a r r o w e r ~ a n d t h u s m o r er e s i s t i v e ~ t h e p i p e , t h e l o n g e r t h e t i m e t o c h a r g e o r d i sc h a rg e .

R.7 .2 Ho w L arge Is a Dang e rous l y L a rge Cur ren t?T h e p r e v i o u s e x a m p l e t o u c h e s o n t h e q u e s t i o n o f e l e c t r ic a l sa fe t y. H o w l a r g ea c u r r e n t c a n p a s s t h r o u g h a p e r s o n w i t h o u t h u r t i n g h i m o r h e r ? C u r r e n t i s a ti s s u e h e r e , n o t v o l t a g e . A l t h o u g h v o l t a g e d r i v e s t h e c u r r e n t , t h e c u r r e n t p a s s i n gt h r o u g h a p e r s o n i s r e s p o n s i b l e f o r d e t r i m e n t a l e f f e c t s .T h e r e i s n o s i n g le a n s w e r t o t h i s q u e s t i o n . A t l e a s t t h r e e f a c to r s a r e i m p o r t a n t :( 1 ) t h e e l e c t r ic a l r e s i s ta n c e v a r ie s s i g n if i c a nt ly w i t h t h e m o i s t u r e o n t h e p e r s o n ' ss k i n ( l i e d e t e c t o r s u s e t h e f a c t t h a t p e o p l e u n d e r e m o t i o n a l s t r e s s t e n d t o s w e a t ,a n d s w e a t c o n d u c t s e l e c t ri c i ty m u c h b e t t e r t h a n d r y sk in ; t h u s s w e a t d e c r e as e st h e e l e c t r ic a l r e s i s ta n c e o f t h e s k in ) ; ( 2 ) t h e e l e c t r i c a l re s i s t a n c e d e p e n d s o nw h e r e e l e c tr ic a l c o n t a c t is m a d e ; a n d ( 3 ) th e n a t u r e o f t h e d a m a g e d e p e n d s o nw h e r e t h e c u r r e n t p a ss e s.

T h u s , a p e r s o n w h o t o u c h e s t w o w i r e s a t v e r y d i f f e r e n t v o l t a g e s w i l l g e t as h o c k t h a t d e p e n d s o n w h e r e t h e t w o w i r e s c o n t a c t t h e p e r s o n . I f t h e c o n t a c t isa c ro s s t w o f i n g e rs o n t h e s a m e h a n d , t h e c u r r e n t w i ll fl o w a c r o ss t h e h a n d . B u r ns ,p e r h a p s s e r io u s , m a y r e su l t . H o w e v e r , i f o n e h a n d t o u c h e s o n e w i re , a n d t h e o t h e rh a n d t o u c h e s t h e o t h e r w i re , t h e c u r r e n t w i ll p a s s a c ro s s t h e r e g i o n o f t h e h e a r t .T h i s m a y d i s t u r b t h e n a t u r a l e l e c t r i c a l se l f - e x c i t a ti o n o f t h e h e a r t , s e t t i n g o f ft h e h e a r t i n t o a d i s o r g a n i z e d t w i t c h i n g o f t h e h e a

physics in electricity

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