Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Rogozin-fiz2

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

14.02.2015

Размер:

5.74 Mб

Скачать

☆

1 / 251 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

« НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

С.И. Кузнецов, К.И. Рогозин

ФИЗИКА

Часть II Электричество и магнетизм.

Электромагнитные колебания и волны

Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Издательство Томского политехнического университета

2013

	УДК 53(075.8)
	ББК 22.3я73
	К891
	Кузнецов С.И. , К.И. Рогозин
К891	Физика. Ч. II. Электричество и магнетизм. Электромагнит-

ные колебания и волны: учебное пособие / С.И. Кузнецов. – 3-е изд., перераб. доп.; Национальный исследовательский Томский политехнический университет.– Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 248 с.

В учебном пособии рассмотрены свойства материи, связанные с наличием в природе электрических зарядов, которые определяют возникновение электромагнитных полей. Даны разъяснения основных законов, явлений и понятий электромагнетизма. Рассмотрены законы, связанные с электромагнитными колебаниями и распространением волн. Раскрыты принципы теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных волн и связь между оптическими и электромагнитными явлениями.

Цель пособия – помочь студентам освоить материал программы, научить активно применять теоретические основы физики как рабочий аппарат, позволяющий решать конкретные задачи, связанные с повышением ресурсоэффективности.

Подготовлено на кафедре общей физики ТПУ и кафедре общей физики АлтГТУ им. И.И. Ползунова,, по программе курса физики высших технических учебных заведений. Соответствует инновационной политике ТПУ и направлено на активизацию научного мышления и познавательной деятельности студентов.

Предназначено для межвузовского использования студентами технических специальностей очной и дистанционной формы обучения.

УДК 53(075.8) ББК 22.3я73

Рецензенты

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической физики ТГУ

А.В. Шаповалов

Доктор физико-математических наук, профессор заведующий кафедрой общей информатики ТГПУ

А.Г. Парфенов

политехнического университета, 2013

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 ...............................................	48
1.4.4. Поток вектора электрического смещения.
Теорема Остроградского – Гаусса для D .........................................	49
r
1.4.5. Изменение E и D 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

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

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

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

ВВЕДЕНИЕ

Во второй части пособия рассмотрены вопросы электростатики, классической электродинамики и электромагнитные колебания и волны, включая экспериментальные законы и общую теорию методов. Возможно, это самый важный раздел физики, поскольку электромагнитные взаимодействия не только объясняют все электрические и магнитные явления, но и обеспечивают силы, благодаря которым вещество на атомном и молекулярном уровне существует как целое. Изучение электромагнитных взаимодействий на основе квантовой механики позволяет объяснить существование и свойства атомов, молекул и твердых тел.

Пособие ориентировано на организацию самостоятельной работы студентов. Для удобства работы в приложении приведены фундаментальные физические константы, таблицы физических величин, некоторые справочные данные и сведения о размерностях физических величин. Более точные значения физических постоянных и таблицы физических величин приведены в справочнике «Фундаментальные константы. Таблицы физических величин», размещенном в электронном читальном зале НТБ ТПУ http://www.lib.tpu.ru.

Знание законов электромагнетизма играет огромную роль в решении большого количества проблем современной науки и техники и определяет развитие энергетики, транспорта, вычислительной техники, физики плазмы, термоядерного синтеза и т.д. Дефектоскопия, электромагнитные линзы, магнитная запись информации, поезда на магнитной подушке – вот далеко не полный перечень перспективных областей промышленного применения электромагнитного поля. В течение многих лет не ослабевает интерес к электромагнитным полям биологических объектов, повышено внимание к среде их обитания.

Для настоящего курса физики реализовано его мультимедийное сопровождение и создан электронный учебник, размещенный в электронном читальном зале НТБ ТПУ, в среде дистанционного обучения "MOODLE" http://mdl.lcg.tpu.ru и в корпоративной сети ТПУ WEB CT http://e-le.lcg.tpu.ru. Наиболее полно материал курса изложен на сайте преподавателя http://portal.tpu.ru/SHARED/s/SMIT.

Автор считает приятным долгом выразить свою благодарность коллективу кафедры общей физики ТПУ за помощь в составлении и оформлении учебного пособия.

Автор с благодарностью примет все замечания и пожелания читателей, способствующие улучшению курса по адресу smit@tpu.ru

1.1.ЭЛЕКТРОСТАТИКА И ПОСТОЯННЫЙ ТОК

1.1.Электростатическое поле в вакууме

1.1.1. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда

Электростатика – раздел, изучающий статические (неподвижные) заряды и связанные с ними электрические поля.

Перемещение зарядов либо отсутствует, либо происходит так медленно, что возникающие при движении зарядов магнитные поля ничтожны. Сила взаимодействия между зарядами определяется только их взаимным расположением. Следовательно, энергия электростатического взаимодействия – потенциальная энергия.

Несмотря на обилие различных веществ в природе существуют только два вида электрических зарядов: заряды подобные тем, которые возникают на стекле, потертом о шелк, и заряды, подобные тем, которые появляются на янтаре, потертом о мех. Первые были названы положительными, вторые – отрицательными зарядами. Так их назвал американский ученый Бенджамин Франклин в 1746 г. Одним из фундаментальных законов природы является закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы сохраняется при любых процессах, проходящих внутри этой системы.

Электрические заряды не существуют сами по себе, а являются внутренними свойствами элементарных частиц – электронов, протонов и др.

Опытным путем в 1914 г. американский физик Р. Милликен показал, что электрический заряд дискретен. Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда e =1,6 10−19 Кл:

q = ±ne ,

где n – целое число.

Электрон и протон являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.

1.1.2. Взаимодействие электрических зарядов в вакууме. Закон Кулона

Точечным зарядом (q) называется заряженное тело, размеры которого пренебрежительно малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которым оно взаимодействует.

В результате опытов Кулон установил, что сила взаимодействия

точечных зарядов в вакууме пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

F =

q1q2

(1.1.1)

Кл2

4πε0 r2

где

ε0

= 8,85 10−12

= 8,85

10−12

– электрическая постоянная;

Н м2

множитель 4π выражает сферическую симметрию закона Кулона.

В векторной форме закон Кулона имеет следующий вид:

q q

F =

1 2

(1.1.2)

rr12

4πε0

где

– единичный вектор, направленный от положительного заряда к

отрицательному.

В электростатике взаимодействие зарядов подчиняется третьему закону Ньютона: силы взаимодействия между зарядами равны по величине и направлены противоположно друг другу вдоль прямой, связывающей эти заряды (рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1

Для определения силы взаимодействия тел, которые не могут рассматриваться как точечные заряды, необходимо разбивать эти тела на элементарные участки, а затем интегрировать по объему.

Закон Кулона справедлив при расстояниях 10−15 < r <107 м. Внутри ядра действуют уже другие силы, не кулоновские.

1.1.3. Электростатическое поле. 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. Электрическое поле обеспечивает взаимодействие электрических зарядов.

Электрические и магнитные поля – частный случай более общего – электромагнитного поля (ЭМП). Они могут порождать друг друга, превращаться друг в друга. Если заряды не движутся, то магнитное поле не возникает.

ЭМП – не абстракция, а объективная реальность – форма существования материи, обладающая определенными физическими свойствами, которые мы можем измерить.

Не существует статических электрических полей, не связанных с зарядами, как не существует «голых», не окруженных полем зарядов.

Силовой характеристикой поля, создаваемого зарядом q, является отношение силы, действующей на заряд, к величине этого заряда, назы-

ваемое напряженностью электростатического поля, т.е.
E =	F =	q			,	(1.1.3)
E =	F =	4πε0r2			,	(1.1.3)
	q	4πε0r2
или в векторной форме –
r	q		r
E =	q		r	,		(1.1.4)
E =	4πε0r2 r			,		(1.1.4)
	4πε0r2 r

здесь r – расстояние от заряда до точки, где мы изучаем это поле. Тогда

r r

F = qE и, при q = +1, F = E.

Вектор напряженности электростатического поля равен силе,

действующей в данной точке на помещенный в нее пробный единичный положительный заряд.

Направление вектора напряженности определяет направление силы, действующей на положительный заряд, помещенный в рассматриваемую точку.

Единица измерения напряженности электростатического поля –

Вольт на метр (В/м).

В СИ Е =	q	, размерность напряженности [E]=	Н	или	В.
	4πε0r2		Кл
					м

1 / 251 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
14.02.20152.05 Mб11Referat_o_Islame.pdf
#
30.04.2019663.55 Кб3Rekomendatsii_KR-po_makro_2012.doc
#
14.02.20154.96 Mб25RiSO_1semestr.doc
#
14.02.2015909.69 Кб235Rogach_ekon.pdf
#
14.02.20152.19 Mб42rogat-econom.pdf
#
14.02.20155.74 Mб87Rogozin-fiz2.pdf
#
12.03.20166.18 Mб703Rogozina_up2.pdf
#
21.11.20181.97 Mб6Ryady.doc
#
14.02.201512.79 Mб427Sadovaya_Graphica.doc
#
12.03.2016717.71 Кб21Sartakova_Metodologia_nauchnykh_issledovaniy.pdf
#
14.02.20153.96 Mб77SEMESTR_2_DLYa_PEChATI__ChAST_2.pdf