Определение напряженности поля вблизи поверхности заряженного проводника . <...> Теорема Гаусса для вектора магнитной индукции . <...> Силы, действующие на движущиеся заряды в магнитном поле . <...> Циркуляция вектора напряженности вихревого электрического поля . <...> Закон сохранения электрического заряда Электростатика – раздел, изучающий статические (неподвижные) заряды и связанные с ними электрические поля. <...> Сила взаимодействия между зарядами определяется только их взаимным расположением. <...> Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др. <...> Напряженность поля Вокруг заряда всегда есть электрическое поле, основное свойство которого заключается в том, что на всякий другой заряд, помещенный в это поле, действует сила. <...> Электростатическое поле диполя Электрическим диполем называется система двух одинаковых по величине разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми l значительно меньше расстояния до точек, где определяется поле системы, т. е. r 33 (рис. <...> . В поле силы тяжести закреплен точечный заряд −10 мкКл, а под ним на расстоянии 5 м находится частица массой 9 г и зарядом 4 мкКл. <...> Силовые линии электростатического поля Для того чтобы описать электрическое поле, нужно задать вектор напряженности в каждой точке поля. <...> 8 Однородное электростатическое поле изображается параллельными силовыми линиями на равном расстоянии друг от друга. <...> Поток вектора напряженности ностью E 8 Если силовые линии однородного электрического поля напряженпронизывают некоторую площадку S, то поток вектора нагде nE – произведение вектора E 8 (рис. <...> Таким образом, направление вектора Sd Здесь dS d n 8 8 2 S , т.е. ориентация dS в пространстве задается с по8 через произвольную замкнутую поверхность S, окружающую точечный заряд q (рис. <...> Подсчитаем поток через сферу S2, имеющую радиус R2: . следует, что поток и через любую произвольную поверхность S будет равен этой же величине <...>
Физика,_Ч._2_Электричество_и_магнетизм._Электромагнитные_колебания_и_волны.pdf
53(075.8)
22.373
89
..
89
. . II. - . -
: / .. ;
. – 3- ., .
. – : -
, 2011. – 248 .
,
,
. ,
. ,
.
.
– ,
,
, .
.
- 53(075.8)
22.373
- ,
.. -
- ,
..
© , 2006
© .., 2006
© .
, 2011
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 7
1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ПОСТОЯННЫЙ ТОК ........................................... 8
1.1. Электростатическое поле в вакууме ........................................................ 8
1.1.1. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда .... 8
1.1.2. Взаимодействие электрических зарядов в вакууме.Закон Кулона .. 8
1.1.3. Электростатическое поле. Напряженность поля ............................. 10
1.1.4. Сложение электростатических полей. Принцип суперпозиции .... 11
1.1.5. Электростатическое поле диполя ..................................................... 11
Контрольные ворпосы. Упражнения ............................................................. 13
1.2. Теорема Остроградского – Гаусса ........................................................... 14
1.2.1. Силовые линии электростатического поля ...................................... 14
1.2.2. Поток вектора напряженности .......................................................... 15
1.2.3. Теорема Остроградского – Гаусса .................................................... 16
1.2.4. Дифференциальная форма теоремы Остроградского – Гаусса ...... 19
1.2.5. Вычисление электрических полей
с помощью теоремы Остроградского – Гаусса ............................... 20
Контрольные вопросы. Упражнения .......................................................... 26
1.3. Потенциальная энергия и работа электростатического поля.
Связь напряженности с потенциалом .................................................... 27
1.3.1. Работа сил электростатического поля .............................................. 27
1.3.2. Потенциальная энергия ...................................................................... 29
1.3.3. Потенциал. Разность потенциалов .................................................... 30
1.3.4. Связь между напряженностью и потенциалом................................ 32
1.3.5. Безвихревой характер электростатического поля ........................... 33
1.3.6. Силовые линии и эквипотенциальные поверхности ....................... 33
1.3.7. Расчет потенциалов простейших электростатических полей ....... 35
Контрольные вопросы. Упражнения ................................................................ 35
1.4. Диэлектрики в электростатическом поле ............................................. 40
1.4.1. Поляризация диэлектриков ............................................................... 40
1.4.2. Различные виды диэлектриков .......................................................... 44
1.4.3. Вектор электрического смещения D
8
1.4.5. Изменение E
8
и D
8
1.4.4. Поток вектора электрического смещения.
Теорема Остроградского – Гаусса для D
............................................... 48
8
......................................... 49
на границе раздела двух диэлектриков ........... 50
Контрольные вопросы. Упражнения ................................................................ 52
1.5. Проводники в электростатическом поле ............................................... 53
1.5.1. Напряженность и потенциал электростатического поля
в проводнике ....................................................................................... 53
1.5.2. Определение напряженности поля вблизи поверхности
заряженного проводника ................................................................... 54
1.5.3. Экспериментальная проверка распределения заряда
на проводнике ..................................................................................... 55
Контрольные вопросы. Упражнения ................................................................ 58
1.6. Конденсаторы .............................................................................................. 59
3
Стр.3
1.6.1. Электрическая емкость ...................................................................... 59
1.6.2. Соединение конденсаторов ............................................................... 60
1.6.3. Расчет емкостей различных конденсаторов .................................... 62
1.6.4. Энергия электростатического поля .................................................. 64
Контрольные вопросы. Упражнения ................................................................ 67
1.7. Постоянный электрический ток ............................................................. 69
1.7.1. Характеристики электрического тока .............................................. 69
1.7.2. Уравнение непрерывности ................................................................ 70
1.7.3. Сторонние силы и ЭДС ...................................................................... 71
1.7.4. Закон Ома для неоднородного участка цепи ................................... 71
1.7.5. Закон Ома в дифференциальной форме ........................................... 73
1.7.6. Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца ............................ 73
Контрольные вопросы. Упражнения ................................................................ 77
1.8. Электрический ток в металлах, полупроводниках и электролитах 78
1.8.1. Электрический ток в металлах .......................................................... 78
1.8.2. Электрический ток в полупроводниках ........................................... 82
1.8.3. Сверхпроводимость ............................................................................ 87
1.8.4. Эмиссия электронов из проводников ............................................... 89
1.8.5. Контактные явления на границе раздела двух проводников ........ 95
1.8.6. Электрический ток в электролитах................................................... 95
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 101
1.9. Электрический ток в газах ..................................................................... 102
1.9.1. Явление ионизации и рекомбинации в газах ................................. 102
1.9.2. Несамостоятельный газовый разряд ............................................... 103
1.9.3. Самостоятельный газовый разряд .................................................. 107
1.9.4. Типы разрядов .................................................................................. 109
1.9.5. Применение газового разряда ......................................................... 113
1.9.6. Понятие о плазме .............................................................................. 113
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 118
Раздел 2. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ ........................................................................... 119
2.1. Магнитное поле......................................................................................... 119
2.1.1. Магнитные взаимодействия ............................................................ 119
2.1.2. 3акон Био – Савара – Лапласа ......................................................... 121
2.1.3. Магнитное поле движущегося заряда ............................................ 122
2.1.4. Напряженность магнитного поля ................................................... 123
2.1.5. Магнитное поле прямого тока......................................................... 124
2.1.6. Теорема Гаусса для вектора магнитной индукции ....................... 125
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 126
2.2. Силы, действующие на движущиеся заряды в магнитном поле ... 127
2.2.1. Закон Ампера .................................................................................... 127
2.2.2. Взаимодействие двух параллельных проводников с током ......... 127
2.2.3. Воздействие магнитного поля на рамку с током ........................... 128
2.2.4. Единицы измерения магнитных величин ...................................... 130
2.2.5. Сила Лоренца .................................................................................... 131
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 132
2.3. Циркуляция вектора магнитной индукции ........................................ 134
2.3.1. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции .................. 134
4
Стр.4
2.3.2. Магнитное поле соленоида.............................................................. 136
2.3.3. Магнитное поле тороида ................................................................. 139
2.3.4. Работа по перемещению проводника
с током в магнитном поле ................................................................ 139
2.3.5. Эффект Холла ................................................................................... 142
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 143
2.4. Явление электромагнитной индукции ................................................. 144
2.4.1. Опыты Фарадея. Индукционный ток. Правило Ленца ................. 144
2.4.2. Величина ЭДС индукции ................................................................. 145
2.4.3. Природа ЭДС индукции .................................................................. 147
2.4.4. Циркуляция вектора напряженности
вихревого электрического поля ...................................................... 149
2.4.5. Токи Фуко (вихревые токи) ............................................................. 150
2.4.6. Скин-эффект ..................................................................................... 152
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 154
2.5. Ускорители заряженных частиц ........................................................... 155
2.5.1. Классификация ускорителей ........................................................... 155
2.5.2. Линейные ускорители ...................................................................... 155
2.5.3. Циклические ускорители ................................................................. 156
2.5.4. Большой адронный коллайдер ........................................................ 156
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 164
2.6. Самоиндукция и взаимная индукция .................................................. 165
2.6.1. Явление самоиндукции .................................................................... 165
2.6.2. Влияние самоиндукции на ток при замыкании
и размыкании цепи, содержащей индуктивность. ........................ 166
2.6.3. Взаимная индукция .......................................................................... 168
2.6.4. Индуктивность трансформатора ..................................................... 169
2.6.5. Энергия магнитного поля ................................................................ 170
Контрольные вопросы. Упражнения 172
2.7. Магнитные свойства вещества .............................................................. 174
2.7.1. Магнитные моменты электронов и атомов .................................... 174
2.7.2. Атом в магнитном поле ................................................................... 177
2.7.3. Магнитное поле в веществе ............................................................. 178
2.7.4. Диамагнетики и парамагнетики в магнитном поле ...................... 181
2.7.5. Ферромагнетики ............................................................................... 182
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 187
2.8. Уравнения Максвелла ............................................................................. 188
2.8.1. Закон полного тока ........................................................................... 188
2.8.2. Ток смещения .................................................................................... 188
2.8.3. Единая теория электрических и магнитных явлений.
Система уравнений Максвелла ....................................................... 191
2.8.4. Пояснение к теории классической электродинамики ................... 194
2.8.5. Скорость распространения ЭМП .................................................... 195
2.8.6. Релятивистская трактовка магнитных явлений
(общие положения) .......................................................................... 197
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 198
5
Стр.5
3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ....................................... 199
3.1. Электрические колебания ...................................................................... 199
3.1.1. Квазистационарные токи ................................................................. 199
3.1.2. Свободные колебания в электрическом контуре
без активного сопротивления .......................................................... 199
3.1.3. Свободные затухающие электрические колебания....................... 201
3.1.4. Вынужденные электрические колебания. Резонанс ..................... 204
3.1.5. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока ........................ 208
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 209
3.2. Электромагнитные волны ...................................................................... 211
3.2.1. Генерация электромагнитных волн ................................................ 211
3.2.2. Дифференциальные уравнения ЭМВ ............................................. 213
3.2.3. Экспериментальное исследование ЭМВ ........................................ 215
3.2.4. Энергия и импульс электромагнитного поля ................................ 218
Контрольные вопросы. Упражнения .............................................................. 222
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................ 224
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................................... 225
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ФОРМУЛЫ ................................................................... 226
ГЛОССАРИЙ ................................................................................................................ 239
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................................ 245
Значения фундаментальных констант ........................................................ 245
Греческий алфавит ......................................................................................... 245
Множители и приставки для образования десятичных кратных
и дольных единиц и их наименований ........................................................ 245
Производные единицы СИ, имеющие собственные наименования ...... 246
Работа выхода электрона из металлов ........................................................ 246
Подвижность ионов в электролитах ............................................................ 247
Диэлектрические проницаемости ................................................................ 247
Удельное электросопротивление некоторых материалов ...................... 247
6
Стр.6