Интенсивный курс физики
.pdfФедеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I» (ФГБОУ ВПО ПГУПС)
ИНТЕНСИВНЫЙ КУРС ФИЗИКИ
Электростатика, постоянный электрический ток,
магнетизм
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2015
1
Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I» (ФГБОУ ВПО ПГУПС)
ИНТЕНСИВНЫЙ КУРС ФИЗИКИ
Электростатика, постоянный электрический ток,
магнетизм
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2015
1
УДК 531.1 ББК 22.3я73
И73
Р е ц е н з е н т ы:
доктор физико-математических наук, профессор Российского государственного гидрометеорологического университета
А. В. Логинов;
доктор физико-математических наук, профессор Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I
В. М. Уваров
Интенсивный курс физики: электростатика, постоянный электрический И73 ток, магнетизм : учеб. пособие / Е. Н. Бодунов, В. И. Никитченко, А. М. Пе-
тухов, Г. Г. Хохлов. – СПб. : ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2015. – 98 с.
ISBN 978-5-7641-0550-5
Учебное пособие содержит последовательно изложенный теоретический материал по электростатике, постоянному электрическому току и магнетизму.
Пособие предназначено для студентов технических вузов и, прежде всего, студентов ускоренной формы обучения. Оно может быть полезно также учащимся физико-математических школ, изучающим физику по углубленной программе.
УДК 531.1 ББК 22.3я73
ISBN 978-5-7641-0550-5 |
© ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2015 |
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Задача физики как науки – изучение наиболее общих законов природы и объяснение на их основе конкретных явлений и процессов. Физика развивается исходя из потребностей техники, и именно техника определяет основные направления физических исследований.
Для создания современных технических средств необходимо познание явлений и процессов, лежащих в основе принципа их действия. Важнейшие достижения новейшей техники в энергетике, электронике, создании материалов с уникальными свойствами – следствие фундаментальных научных разработок.
В настоящее время физика во многом обеспечивает высокий технический уровень современного производства, а также служит базой для создания новых отраслей техники. На основе достижений физики перестраиваются энергетика, связь, транспорт, строительство и промышленное производство. Без преувеличения можно сказать, что физика является важнейшим теоретическим фундаментом для подготовки специалистов практически по всем техническим дисциплинам, преподаваемым в вузах.
Физика – сложный для изучения предмет, требующий от студента серьезных усилий и систематического труда. Основным условием освоения вузовского курса физики студентами младших курсов является наличие у них базовых знаний в рамках стандартной программы средней общеобразовательной школы. Однако сегодня, несмотря на расширяющийся поток информации в различных областях физической науки, время, предусмотренное учебным планом на изучение этого предмета в общеобразовательных школах, сокращается. Более того, для обучения используются разные по уровню изложения пособия и учебники. В результате большинство студентов младших курсов из-за недостатка знаний по школьному курсу физики сталкивается с серьезными трудностями при изучении этой дисциплины в вузе.
Предлагаемое учебное пособие благодаря краткости, наглядности и доступности изложения поможет студентам технических вузов, и, в первую очередь, занимающимся по ускоренной форме обучения, успешно усвоить лекционный материал.
Данное учебное пособие состоит из четырех разделов: «Электростатика», «Постоянный электрический ток», «Магнетизм» и «Теория Максвелла электромагнитного поля». В каждом разделе содержится краткое изложение теории, даются ответы на основные вопросы не только вузовской, но и школьной программы по физике, приводятся определения и формулы основных законов, в лаконичной форме разъясняются сущность и физический смысл подчиняющихся этим законам явлений и процессов.
3
Пособие позволит в короткие сроки изучить рассмотренные разделы предмета, которые позволят в дальнейшем успешно осваивать технические дисциплины, преподаваемые в вузе. Этому будет способствовать и приведенный список литературы, рекомендуемой студентам для самостоятельного углубленного изучения курса общей физики.
Авторы будут благодарны всем, приславшим свои замечания и предложения.
4
1.ЭЛЕКТРОСТАТИКА
1.1.Электрические заряды.
Закон сохранения электрического заряда
Электростатика изучает свойства и взаимодействия неподвижных в инерциальной системе отсчета заряженных тел или частиц.
Электрическим зарядом называется физическая величина, характеризующая способность тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия.
Различают два вида электрических зарядов – положительные и отрицательные. Единицей измерения заряда в СИ служит кулон (Кл). Наименьший по численному значению заряд, существующий в природе, называется элементарным. Стабильным носителем элементарного положительного заряда является протон, а отрицательного – электрон. Эти заряды равны по модулю, и их численное значение составляет 1,6 10–19 Кл. Все другие заряды кратны элементарному:
q ne,
где e – элементарный заряд, n = 1, 2, 3, ...
Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма элек-
трических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, остается постоянной при любых процессах, происходящих в этой системе.
В большинстве задач, решаемых в электростатике, размеры и форма заряженных тел малы по сравнению с расстояниями между ними. Заряды, удовлетворяющие этому условию, называются точечными зарядами.
1.2. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
Электрические заряды взаимодействуют друг с другом: разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Сила взаимодействия зарядов зависит от их численного значения, расстояния между ними и электрических свойств среды, в которой они находятся.
Сила взаимодействия двух точечных зарядов q1 и q2, расположенных на расстоянии r друг от друга в вакууме (рис. 1.1), подчиняется опытному закону Кулона: модуль силы F электростатического взаимодействия двух точечных зарядов q1 и q2, находящихся в вакууме, прямо пропорционален
5
произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния r между ними:
F k |
q1q2 |
, |
(1.1) |
|
r2 |
||||
|
|
|
где k – коэффициент пропорциональности
k4 1 0 ,
0 – электрическая постоянная ( 0 = 8,85 · 10–12 Ф/м).
+q1 |
F12 |
… |
–q2 |
|
F21 |
r
Рис. 1.1
Таким образом, закон Кулона записывается следующим образом:
F |
1 |
|
q1q2 |
. |
4 0 |
|
|||
|
|
r2 |
Численное значение коэффициента пропорциональности k 4 1 0 9 109 НКлм22 .
Электростатические силы подчиняются третьему закону Ньютона:
F12 F21, |
|
F12 |
|
|
|
F21 |
|
F. |
|
|
|
|
Как показывает опыт, сила взаимодействия зарядов в однородной, не проводящей электрический ток (диэлектрической) среде уменьшается по сравнению с силой взаимодействия этих зарядов в вакууме. Величина , показывающая, во сколько раз сила электростатического взаимодействия в сре-
де меньше, чем в вакууме, называется относительной диэлектрической про-
ницаемостью среды. Закон Кулона с учетом диэлектрической проницаемости записывается в виде
F |
1 |
|
q1q2 |
. |
4 0 |
|
|||
|
|
r2 |
6
1.3. Электрическое поле. Напряженность поля
Взаимодействие между электрически заряженными телами и частицами осуществляется с помощью электромагнитного поля, которое представляет собой одну из форм материи.
Электрическое поле является частью электромагнитного поля, создаваемой электрически заряженными телами или частицами и действующей на эти объекты. Электрическое поле, создаваемое неподвижными в инерциальной системе отсчета зарядами, называется электростатическим полем.
Для обнаружения и опытного исследования электростатического поля используется пробный точечный положительный заряд, т. е. такой, который не искажает исследуемого поля (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле). Если в поле, создаваемое зарядом или системой зарядов, поместить пробный заряд q0, то на него со стороны поля действует сила F, разная в разных его точках, которая согласно закону Кулона (1.1) пропорциональна пробному заряду q0. Поэтому отношение F/q0 не зависит от q0 и характеризует электростатическое поле в точке, в которой находится пробный заряд. Векторная величина
E F q0
называется напряженностью и является силовой характеристикой электростатического поля.
На любой заряд q, внесенный в точку поля с напряженностью E, со стороны поля действует сила, модуль которой
F qE.
Графически электрические поля изображаются с помощью силовых линий.
Силовая линия – воображаемая линия, в каждой точке которой касательная к этой линии совпадает с вектором напряженности E. Силовые линии начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных зарядах. Густота силовых линий пропорциональна модулю напряженности. Силовые линии не пересекаются.
На рис. 1.2 приведено графическое изображение поля уединенных точечных (рис. 1.2, а) и двух разноименных близко расположенных (рис. 1.2, б) зарядов.
Поле, напряженность которого во всех точках одинакова (E = const), называется однородным. Силовые линии однородного электростатического поля представляют собой прямые параллельные линии, расстояние между которыми одинаково (рис. 1.2, в).
7
а |
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
в |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.2
Напряженность электрического поля в СИ измеряется в Н/Кл.
1.4. Напряженность поля точечного заряда. Принцип суперпозиции электрических полей
Напряженность электрического поля зависит от значения зарядов, создающих это поле, их пространственного распределения, координат точки, в которой определяется напряженность, и электрических свойств среды, ко-
торые определяются диэлектрической проницаемостью . Модуль напряженности поля, создаваемого точечным зарядом q в точке, удаленной от заряда на расстояние r,
E 4 1 0 qr2 .
Если электрическое поле создано системой зарядов, то его напряженность определяется по принципу суперпозиции: напряженность поля, создаваемого системой зарядов, в любой его точке равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности:
n
E E1 E2 ... En Ei ,
i 1
где n – число зарядов; E1, E2, …, Ei, …, En – напряженность полей, создаваемых зарядами q1, q2, …, qi, …, qn в данной точке поля.
Принцип суперпозиции позволяет определить электростатические поля любой системы неподвижных зарядов, поскольку неточечные заряды всегда можно свести к совокупности точечных.
В качестве примера рассмотрим электростатическое поле электрического диполя.
8
Электрический диполь есть система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (+Q, –Q), расположенных на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 1.3). Это расстояние предполагается значительно меньшим расстояния до точек пространства (например, точки А или В на рис. 1.3), в которых вычисляется напряженность электрического поля (rʹ, r << l). Вектор p, направленный от отрицательного заряда к положительно-
му и равный по модулю p Q l , называется электрическим моментом дипо-
ля, или дипольным моментом.
|
|
ЕВ |
|
Е– |
Е+ |
l О |
r |
|
|
В |
|
|
|
r
Е–
А
ЕА Е+
Рис. 1.3
Согласно принципу суперпозиции напряженность E поля диполя в произвольной точке (точки А или В на рис. 1.3)
E E E ,
где E+ и E– – напряженность полей, создаваемых соответственно положительным и отрицательным зарядами. Расчет показывает, что в точке А
EA |
1 |
|
2 p |
|
r3 . |
||
4 0 |
В точке B на рис. 1.3 при том же расстоянии (т. е. при rʹ = r) напряженность поля в два раза меньше, чем в точке A, т. е.
9