Электричество
и магнетизм
Оглавление
Тема 1. Электрическое поле в вакууме 7
§1 Заряд и поле. Закон Кулона. Напряженность поля 7
1.1. Понятие электрического заряда и его свойства 7
1.2. Закон Кулона 10
1.3. Электрическое поле и его характеристики 12
Контрольные вопросы к §1. 16
§2 Работа электрического поля по перемещению заряда. Потенциал. Потенциальный характер электростатического поля 18
2.1. Вывод формулы для расчета работы сил поля при перемещении заряда 18
2.2. Понятие потенциала, потенциальный характер электростатического поля 18
2.3. Связь между напряженностью и потенциалом 22
2.4. Потенциал поля плоского конденсатора, заряженной нити, цилиндрического и сферического конденсаторов. 23
Контрольные вопросы к §2 26
Тесты к теме 1. Электрическое поле в вакууме 26
Тема 2. Проводники и диэлектрики в электрическом поле 29
§3 Проводники в электрическом поле. Диэлектрики. Поляризация диэлектриков. Векторы поляризации и электростатической индукции 29
3.1. Проводники в электрическом поле 29
3.2. Диэлектрики 32
3.3. Векторы поляризации и электростатической индукции 36
Контрольные вопросы к §3 38
§4 Электроемкость. Конденсаторы и их применение. Энергия и плотность энергии заряженного конденсатора 40
4.1. Электроемкость 40
4.2. Конденсаторы и их применение 40
4.3. Энергия и плотность энергии заряженного конденсатора 44
Контрольные вопросы к §4 46
Тесты к теме 2. Проводники и диэлектрики в электрическом поле 46
Тема 3. Электрический ток в различных средах 48
§5 Основные характеристики электрического тока. Закон Ома для участка цепи. Сторонние силы. Закон Ома для полной цепи 48
5.1. Основные характеристики электрического тока 48
5.2. Закон Ома для участка цепи 50
5.3. Сторонние силы. Закон Ома для полной цепи 51
Контрольные вопросы к §5 54
§6 Сопротивление проводников. Сверхпроводимость. Электронная теория проводимости металлов. Законы Ома и Джоуля – Ленца в дифференциальной форме 55
6.1. Сопротивление проводников 55
6.2. Сверхпроводимость 58
6.3. Электронная теория проводимости металлов 58
6.4. Законы Ома и Джоуля - Ленца в дифференциальной форме 60
Применение явления сверхпроводимости. 67
Контрольные вопросы к §6 67
§7 Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца. Разветвление цепи. Правила Кирхгофа 69
7.1. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца 69
7.2. Разветвление цепи 69
7.3. Правила Кирхгофа 71
Контрольные вопросы к §7 73
§8 Понятие зонной теории проводимости. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления и их применение 74
8.1. Понятие о зонной теории проводимости 74
8.2. Контактная разность потенциалов 77
8.3. Термоэлектрические явления и их применение 78
Контрольные вопросы к §8 81
§9 Электролитическая диссоциация. Проводимость электролитов. Законы Фарадея для электролиза. Определение заряда иона. Техническое применение электролиза 83
9.1. Электролитическая диссоциация 83
9.2. Проводимость электролитов 83
9.3. Законы Фарадея для электролиза 85
9.4. Определение заряда иона 86
9.5. Техническое применение электролиза 87
Контрольные вопросы к §9 92
§10 Процессы ионизации и рекомбинации. Несамостоятельный и самостоятельный разряды в газе. Виды разрядов. Применение газовых разрядов 93
10.1. Процессы ионизации и рекомбинации. Несамостоятельный и самостоятельный разряды в газе 93
10.2. Виды разрядов. Применение газовых разрядов 94
Контрольные вопросы к §10 109
§ 11. Понятие о плазме. Катодные и каналовые лучи. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы и их применение. 110
11.1. Понятие о плазме 110
11.2. Термоэлектронная эмиссия 112
11.3. Электронные лампы и их применение 113
§ 12. Собственная и примесная проводимость полупроводников, ее зависимость от температуры и освещенности. Полупроводниковые диоды и транзисторы 117
12.1. Собственная и примесная проводимость полупроводников, ее зависимость от температуры и освещенности 117
12.2. Полупроводниковые диоды и транзисторы 121
Контрольные вопросы к § 12. 124
Тесты к теме 3. Электрический ток в различных средах 125
Тема 4. Магнитное поле в вакууме и веществе 129
§ 13.Взаимодействие токов. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля. Виток с током в магнитном поле. Закон Био - Савара - Лапласа. Магнитное поле прямого, кругового и соленоидального токов 129
13.1 Взаимодействие токов 129
13.2. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля 131
13.3. Виток с током в магнитном поле 133
13.4. Закон Био - Савара - Лапласа. Магнитное поле прямого, кругового и соленоидального токов. 135
Контрольные вопросы к §13 137
§ 14.Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Магнитный поток. Сила Ампера. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Сила Лоренца. Определение удельного заряда электрона 139
14.1. Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Магнитный поток 139
14.2. Сила Ампера 140
14.3. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. 142
14.4. Сила Лоренца 142
14.5.Определение удельного заряда электрона 146
Контрольные вопросы к § 14. 147
§ 15.Магнетики. Намагниченность. Связь индукции и напряженности магнитного поля в магнетике. Магнитная проницаемость и восприимчивость. Магнитомеханические явления 148
15.1. Магнетики. Намагниченность. Связь индукции и напряженности магнитного поля в магнетике. Магнитная проницаемость и восприимчивость 148
15.2. Магнитомеханические явления 149
Контрольные вопросы к § 15. 150
§ 16. Понятие о диа-, пара- и ферромагнетиках. Доменная структура ферромагнетиков. Магнитный гистерезис. Работы Столетова. Точка Кюри. Магнитные материалы и их применение 152
16.1. Понятие о диа-, пара- и ферромагнетиках. Доменная структура магнетиков 152
16.2. Магнитный гистерезис. Работы А.Г. Столетова. Точка Кюри 155
16.3. Магнитные материалы и их применение 157
Контрольные вопросы к § 16. 159
Тесты к теме 4. Магнитное поле в вакууме и веществе 160
Глава 5. Электромагнитные явления 162
§ 17. Электромагнитная индукция. Закон индукции Фарадея и правило Ленца. Самоиндукция и взаимоиндукция. Энергия и плотность энергии магнитного поля 162
17.1. Электромагнитная индукция 162
17.2. Самоиндукция и взаимоиндукция 167
17.3. Энергия и плотность энергии магнитного поля 170
Контрольные вопросы к § 17. 171
§ 18. Получение переменной ЭДС. Сопротивление, индуктивность и емкость в цепи переменного тока. Закон Ома для цепей переменного тока. Резонанс в последовательной и параллельной цепи. Проблема передачи электроэнергии на расстояние, трансформатор 173
18.1. Получение переменной ЭДС 173
18.2. Сопротивление, индуктивность и емкость в цепи переменного тока. Закон Ома для цепей переменного тока 174
18.3. Резонанс в последовательной и параллельной цепи 181
18.4. Проблема передачи электроэнергии на расстояние, трансформатор 183
Контрольные вопросы к § 18. 184
§19. Электрический колебательный контур. Собственные колебания. Формула Томсона. Затухающие колебания. Вынужденные колебания в контуре. Резонанс. Электрические автоколебания. Автогенератор на вакуумном триоде и биполярном транзисторе 186
19.1. Электрический колебательный контур. Собственные колебания. Формула Томсона 186
19.2. Затухающие колебания. Вынужденные колебания в контуре. Резонанс 189
19.3. Электрические автоколебания. Автогенератор на вакуумном триоде и биполярном транзисторе 191
§ 20.Излучение электромагнитных волн. Опыты Герца, вибратор Герца. Изобретение радиосвязи А.С. Поповым. Принцип радиосвязи и радиолокации 194
20.1. Излучение электромагнитных волн 194
20.2. Опыты Герца, вибратор Герца 198
20.3. Изобретение радиосвязи А.С. Поповым. Принцип радиосвязи и радиолокации 199
Контрольные вопросы к § 20. 201
Тесты к теме 5. Электромагнитные явления 201
Тема 1. Электрическое поле в вакууме §1 Заряд и поле. Закон Кулона. Напряженность поля
1.1. Понятие электрического заряда и его свойства.
1.2. Закон Кулона.
1.3. Электрическое поле и его характеристики.
1.1. Понятие электрического заряда и его свойства
Во многих науках существуют базовые понятия, которым нельзя дать определения, но можно описать их свойства. В геометрии таким понятием является точка, в электродинамике – заряд.
Электрический заряд, источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая ее электромагнитное взаимодействие. Вся совокупность электрических и магнитных явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрического заряда.
Рассмотрим ряд опытов, иллюстрирующих основные свойства заряженных тел.
Опыт 1.1. Взаимодействие электрических зарядов
Оборудование:
Станиолевые гильзы на нитях
Два штатива
Стеклянная и эбонитовая палочки
Шелк, шерсть
Рис. 1.
Ход работы:
1.Подвесьте на стойках на небольшом расстоянии друг от друга две гильзы.
2.Отрегулируйте длину нити – гильзы должны висеть на одном уровне.
3.Зарядите одну из них. Другую начинайте приближать. В первый момент они притянутся друг к другу, прикоснутся и резко разлетятся в разные стороны. Продолжайте сближать их до полного соприкосновения, однако гильзы останутся разведенными, под углом друг к другу. Еще раз убеждаемся: одинаково заряженные тела отталкиваются.
4. Между гильзами поместите палочку, имеющую тот же знак заряда, – гильзы разойдутся на больший угол. Перемещайте палочку – и гильзы будут ее «сопровождать». В этом опыте мы имеем три одинаково заряженных тела, отталкивающихся друг от друга.
Выводы: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
Опыт 1.2. Электризация трением.
Цель работы: демонстрация явления электризации тел трением.
Оборудование:
Демонстрационный электроскоп
Цилиндр Фарадея
2 плексигласовых диска (с мехом и без)
Рис .2.
Потерев один плексигласовый диск о другой, по очереди вносят диски в цилиндр Фарадея, не касаясь его стенок и дна, таким образом не передавая заряд на электроскоп.
При вносе любого из дисков отклонение происходит на один и тот же угол. Обратите внимание, после извлечения заряженного диска, хорошо видно, что на электроскопе заряда не остается.
Если сложить оба диска вместе и внести их в цилиндр Фарадея, то никакого отклонения у электроскопа не возникает.
Выводы: по модулю оба полученных заряда одинаковы, и их суммарный заряд равен нулю.
Опыт 1.3. Электростатическая индукция
Оборудование:
Штатив изолирующий с легко вращающейся насадкой
Стеклянная и эбонитовая палочки
Шелк, шерсть
Деревянная линейка
Рис. .3.
Ход работы:
1. Поднесите наэлектризованную палочку к деревянной линейке-«карусели».
2. Линейка поляризуется и начнет притягиваться к палочке. С помощью заряженной палочки вы можете заставить линейку вращаться.
Выводы: наблюдается электризация через влияние (на расстоянии).
Положительные и отрицательные заряды внутри линейки перераспределяются и она ведет себя как заряженное тело, хотя количество зарядов того и другого знака в ней одинаково.
Опыт 1.4. Электризация через влияние.
Цель работы: продемонстрировать электризацию через влияние.
Оборудование: