Первая часть посвящена законам электростатики – науки, изучающей электрические взаимодействия неподвижных зарядов и связанных с ними электрических полей. <...> Для возникновения элекростатического поля требуются неподвижные, каким-то образом зафиксированные в пространстве заряды, а для возникновения электрического тока, напротив, требуется наличие свободных, не закрепленных заряженных частиц. <...> Электрический заряд – источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем. <...> Поэтому электрические заряды входят в состав всех тел. <...> Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных час4 тиц – электронов, протонов и др. <...> Закон Кулона Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных зарядов был установлен в 1785 г. французским физиком Ш.О. Кулоном (1736–1806). <...> 5 (1.1) Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от этого тела до других тел, несущих электрический заряд. <...> В результате опытов Кулон установил, что сила взаимодействия двух точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. <...> 15 r 7 Напряженность электростатического поля Для понимания происхождения и передачи сил, действующих между покоящимися зарядами, необходимо допустить наличие между зарядами какого-либо физического агента, осуществляющего это взаимодействие. <...> Отсюда следует, что электрическое поле – особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами. <...> Для того чтобы выяснить имеется ли в данном месте электрическое поле, нужно поместить туда заряженное тело. <...> Электрическое поле – особая форма материи, существующая наравне с частицами. <...> Для того, чтобы сила, действующая на пробный заряд, характеризовала поле в данной точке, пробный заряд должен быть точечным. <...> Вектор E Таким образом, напряженность <...>
Физика._Электричество_и_магнетизм.pdf
УДК 53(075.8)
ББК 22.33я73
К77
Кравченко Н.С.
К77
Физика. Электричество и магнетизм / Н.С. Кравченко, Е.В. Лисичко,
С.И. Твердохлебов; Томский политехнический университет. –
Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 155 с.
В пособии рассмотрено содержание фундаментальных законов электростатики
и магнетизма. Даны разъяснения основных законов, явлений, понятий электростатики
и магнетизма.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 140400 «Электроэнергетика
и электротехника», 150700 «Машиностроение», 220400 «Управление
в технических системах», 220700 «Автоматизация технологических процессов и
производств», 230700 «Прикладная информатика», 280700 «Техносферная безопасность».
УДК
53(075.8)
ББК 22.33я73
Рецензенты
Доктор физико-математических наук, профессор ТГПУ
Ю.П. Кунашенко
Кандидат педагогических наук, доцент ТГУ
О.Г. Ревинская
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013
© Кравченко Н.С., Лисичко Е.В.,
Твердохлебов С.И., 2013
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2013
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
ЧАСТЬ I. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Тема 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ
1.1. Заряды. Свойства зарядов
1.2. Взаимодействие электрических зарядов в вакууме.
Закон Кулона
1.3. Электростатическое поле.
Напряженность электростатического поля
1.4. Сложение электростатических полей.
Принцип суперпозиции
1.5. Применение принципа суперпозиции к расчету полей
1.6. Силовые линии напряженности электростатического поля
1.7. Поток вектора напряженности
1.11. Работа сил электрического поля.
Консервативность электростатических сил
1.12. Теорема о циркуляции вектора напряженности
электростатического поля
1.13. Потенциальная энергия и потенциал
электростатического поля
1.14. Диполь в электростатическом поле
1.15. Связь между напряженностью электростатического поля
и потенциалом
1.16. Эквипотенциальные поверхности
1.17. Вычисление разности потенциалов по напряженности
поля простейших электростатических полей
Тема 2. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
2.1. Микро- и макрополе
2.2. Проводники и диэлектрики
2.3. Диполь в электрическом поле
2.4. Поляризация диэлектриков
2.5. Вектор поляризации. Поляризованность
2.6. Связь между вектором поляризации и поверхностной
плотностью связанных (поляризационных) зарядов
151
3
4
4
4
5
7
8
9
13
16
1.8. Теорема Остроградского–Гаусса (теорема Гаусса) 17
1.9. Применение теоремы Гаусса к расчету электрических полей 20
1.10. Дифференциальная форма теоремы Остроградского-Гаусса 27
28
30
31
34
36
38
40
48
48
48
50
51
52
53
Стр.151
2.7. Закон Гаусса для вектора поляризации Р
2.8. Вектор электростатической индукции.
Закон Гаусса для вектора электростатической индукции
2.9. Относительная диэлектрическая проницаемость
2.10. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред
2.11. Сегнетоэлектрики
2.12. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты
2.13. Проводники в электрическом поле.
Равновесие зарядов в проводниках
2.14. Поле вблизи поверхности заряженного проводника
2.15. Электростатическая индукция
Тема 3.
3.1. Электроемкость проводника. Энергия электрического поля
3.2. Взаимная электроемкость. Конденсаторы
3.3. Плоский, сферический и цилиндрический конденсаторы
3.4. Соединения конденсаторов
3.5. Энергия электрического поля
ЧАСТЬ II. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Тема 4.
4.1.Понятие об электрическом токе
4.2. Сила тока. Плотность тока
4.3. Уравнение непрерывности
4.4. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Напряжение
4.5. Закон Ома для однородного участка цепи
4.6. Закон Ома в дифференциальной форме
4.7. Закон Ома для неоднородного участка цепи.
Закон Ома для замкнутой цепи
4.8. Работа и мощность электрического тока.
Закон Джоуля–Ленца
4.9. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме
4.10. Законы Кирхгофа
4.11. Электрический ток в электролитах
4.12. Закон Ома для электролитов
4.13. Электрический ток в газах. Проводимость газов
4.14. Несамостоятельный газовый разряд
4.15. Самостоятельный газовый разряд
ЧАСТЬ III. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
Тема 5.
5.1. Понятие о магнитном поле
152
54
55
56
58
60
62
64
65
67
69
71
72
74
75
78
78
79
80
81
82
83
83
85
86
87
88
90
91
92
94
99
99
Стр.152
5.2. Вектор магнитной индукции – силовая характеристика
магнитного поля
5.3. Силовые линии магнитного поля
5.4. Закон Гаусса для магнитного поля
в дифференциальной и интегральной форме
5.5. Закон Био–Савара–Лапласа
5.6. Применение закона Био–Савара–Лапласа
для расчета магнитных полей
5.7. Закон полного тока
5.8. Применение закона полного тока
для вычисления простейших полей
5.9. Закон полного тока в дифференциальной форме
5.10. Действие магнитного поля на проводники и контур с током.
Закон Ампера
5.11. Взаимодействие параллельных токов.
Основная электрическая единица СИ – Ампер
5.12. Действие магнитного поля на контур с током
5.13. Работа по перемещению проводника с током
в магнитном поле
5.14. Действие магнитного поля на заряженные частицы.
Сила Лоренца
5.15. Движение заряженной частицы
в однородном магнитном поле
5.16. Магнитные силы – релятивистская добавка
к кулоновским силам
5.17. Эффект Холла
5.18. Явление электромагнитной индукции
5.19. Вихревое электрическое поле
5.20. Закон электромагнитной индукции
в дифференциальной форме
5.21. Электронный механизм возникновения э.д.с. индукции
5.22. Электромагнитная индукция в технике
100
101
102
103
104
107
109
111
112
113
114
115
116
117
119
120
121
122
123
123
124
5.23. Токи Фуко (вихревые токи) 125
5.24. Явление самоиндукции. Индуктивность
5.25. Экстратоки замыкания и размыкания
5.26. Взаимная индукция
126
128
131
5.27. Энергия магнитного поля.
Объемная плотность энергии магнитного поля
Тема 6. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
6.1. Магнитное поле в веществе
6.2. Диамагнетики. Парамагнетики
153
133
135
135
137
Стр.153
6.3. Намагниченность
6.4. Закон полного тока для магнитного поля в веществе
6.5. Ферромагнетики
Тема 7. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА
7.3. Система уравнений Максвелла в интегральной форме
7.4. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме
7.5. Материальные уравнения Максвелла
138
140
141
143
7.1. Электромагнитная теория Максвелла (60-е годы XIX века) 143
7.2. Основные положения теории Максвелла
143
147
148
149
154
Стр.154