Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Sivuhin_III

.pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
36.18 Mб
Скачать

Д.В.Сивухин

ОБЩИЙ КУРС ФИЗИКИ. Т.III ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Книга написана на основе лекций, читанных автором для студентов Московского физико-технического института. Главное внимание уделяется выяснению физического смысла и содержания основных положений и понятий науки об электричестве, установлению границ применимости физических законов, идеализированных моделей и схем, применяемых в физике. Цель книги

— развитие у студентов навыков физического мышления и умения самостоятельно ставить и решать конкретные физические задачи.

Для студентов университетов, физико-технических и инженерно-физических институтов, а также всех вузов, где физика является основной дисциплиной.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

7

ВВЕДЕНИЕ

 

§ 1. Действие на расстоянии и полевое взаимодействие

9

§ 2. Электрический заряд и напряженность электрического поля.

14

ГЛАВА I

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

 

§ 3. Закон Кулона. Принцип суперпозиции электростатических полей.

18

§ 4. Электрический диполь

24

§ 5. Поток вектора и электростатическая теорема Гаусса

28

§ 6. Применения теоремы Гаусса

33

§ 7. Дифференциальная форма электростатической теоремы Гаусса

40

§ 8. Математическое дополнение. Формула Гаусса — Остроградского

43

§ 9. Теорема Ирншоу

46

§ 10. Электрическое поле в веществе

48

§ 11. Проводники в электрическом поле

52

§ 12. Поляризация диэлектриков

59

§ 13. Теорема Гаусса для диэлектриков

63

§ 14. Граничные условия

64

§ 15. Поляризуемость и диэлектрическая проницаемость

66

§ 16. Поле равномерно поляризованного шара

70

§ 17. Потенциальность электростатического поля

73

§ 18. Электрический потенциал

75

§ 19. Вычисление потенциала по напряженности поля

79

§ 20. Измерение разности потенциалов электрометром. Электрический зонд

82

§ 21. Электрическое поле Земли

86

§ 22. Общая задача математической электростатики

88

§ 23. Метод электрических изображений

90

§24. Точечный заряд над плоской поверхностью диэлектрика

95

§ 25. Электрическое поле заряженного проводящего эллипсоида

96

§ 26. Емкость проводников и конденсаторов

101

§ 27. Потенциальные и емкостные коэффициенты

Ю9

§ 28. Электрическая энергия

П2

§ 29. Локализация электрической энергии в пространстве

116

§ 30. Взаимная энергия точечных зарядов

П9

§ 31. Термодинамика диэлектриков

121

§ 32. Свободная энергия и силы

125

§ 33. Максвелловские натяжения и давления

131

§ 34. Вычисление пондеромоторных сил в общем виде

137

§ 35. Электронная теория поляризации неполярных диэлектриков

141

§ 36. Электронная теория поляризации полярных газообразных

148

диэлектриков

 

§ 37. Пьезоэлектричество

153

§ 38. Пироэлектричество

160

§ 39. Сегнетоэлектричество

162

ГЛABA II

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

 

§ 40. Плотность тока. Закон сохранения электрического заряда

174

§ 41. Закон Ома

175

§ 42. Вывод законов Ома и Джоуля — Ленца

179

§ 43. Сторонние силы. Концентрационный элемент

190

§44. Законы Ома и Джоуля — Ленца в интегральной форме

194

§ 45. Правила Кирхгофа

198

§ 46. Стационарные токи в массивных проводниках

203

§ 47. Электролитическая ванна

207

§ 48. Процессы установления тока при зарядке и разрядке конденсатора

210

ГЛАВА III

 

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

 

§ 49. Силы, действующие в магнитном поле на движущиеся заряды и токи

213

§ 50. Магнитное поле равномерно движущегося заряда. Закон Био и Савара

218

§ 51. Расчет магнитных полей с помощью закона Био и Савара. Системы

222

единиц

 

§ 52. Момент сил, действующих на виток с током в магнитном поле

227

§ 53. Теорема Гаусса для магнитных полей

229

§ 54. Дополнительные сведения о телесных углах

231

§ 55. Теорема о циркуляции магнитного поля в вакууме

234

§ 56. Дифференциальная форма теоремы о циркуляции

238

§57. Эквивалентность магнитных полей тока и магнитного листка

241

§ 58. Магнитное поле в веществе

248

§ 59. Теорема о циркуляции магнитного поля в веществе.

252

§ 60. Граничные условия для векторов В и Н

254

§ 61. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость

253

§ 62. Работа при перемещении витка с током в постоянном магнитном поле

261

§ 63. Способ Гаусса измерения магнитных полей

263

§ 64. Электромагнитная индукция

264

§ 65. Правило Ленца

268

§ 66. Максвелловская трактовка явления электромагнитной индукции

271

§ 67. Флюксметр и пояс Роговского

275

§ 68. Индуктивность проводов. Явления при замыкании и размыкании тока

281

§ 69. Магнитная энергия токов

283

§ 70. Локализация магнитной энергии в пространстве

292

§ 71. Теорема о сохранении магнитного потока

295

§ 72. Энергия и силы

293

§ 73. Термодинамика магнетиков

302

§ 74. Ферромагнетизм

304

§ 75. Магнитные свойства атомов

309

§ 76. Объяснение диамагнетизма

312

§ 77. Объяснение парамагнетизма

315

§ 78. Гиромагнитные явления

322

§ 79. Теория ферромагнетизма

323

§ 80. Сверхпроводники и их магнитные свойства

332

ГЛАВА IV

 

УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА

 

§ 81. Ток смещения

346

§ 82. Система уравнений Максвелла

351

§ 83. Скорость распространения электромагнитных возмущений

355

§ 84. Энергия и поток энергии

362

§ 85. Международная система единиц (СИ)

370

ГЛABA V

 

ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

 

ПОЛЯХ

 

§ 86. Движение в постоянных и однородных полях

331

§ 87. Дрейф заряженной частицы в неоднородном магнитном поле при

385

наличии слабого электрического поля

 

§ 88. Адиабатический инвариант

393

§ 89. Определение удельного заряда частицы

400

§ 90. Измерение элементарного заряда методом масляных капель

404

§ 91. Электромагнитная масса

408

ГЛАВА VI

 

ЭЛЕКТРОЛИТЫ

 

§ 92. Электролиз и электролитическая диссоциация

413

§ 93. Примеры электролиза

417

§ 94. Законы электролиза Фарадея и элементарный заряд

418

§ 95. Скорости ионов и электропроводность электролитов

421

§ 96. Гальванические элементы и аккумуляторы

426

ГЛАВА VII

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В МЕТАЛЛАХ, ПОЛУПРОВОДНИКАХ И

 

ВАКУУМЕ

 

§ 97. Инерция электронов в металлах

435

§ 98. Явление Холла

438

§ 99. Применения статистики Ферми—Дирака к электронам в металлах

443

§ 100. Металлы и полупроводники

450

§ 101. Термоэлектронная эмиссия

459

§ 102. Электронные лампы и их применения

467

§ 103. Вторичная и автоэлектронная эмиссия

472

ГЛАВА VIII

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ

 

§ 104. Контактная разность потенциалов

476

§ 105. Термоэлектрический ток

481

§ 106. Явление Пельтье

487

§ 107. Термодинамика термоэлектрических явлений. Явление Томсона

490

§ 108. Выпрямляющее действие контактов полупроводников

494

ГЛАВА IX

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ГАЗАХ

 

§ 109. Ионизация и рекомбинация

498

§ 110. Измерение потенциала ионизации методом электронного удара

502

§ 111. Измерение слабых токов.

505

§ 112. Несамостоятельная проводимость газов

50о

§ 113. Измерение коэффициентов рекомбинации

509

§114. Измерение подвижностей ионов.

5!2

§ 115. Теория Таунсенда

515

§ 116. Закон Пашена

521

§ 117. Тлеющий разряд

523

§ 118. Искровой разряд

529

§ 119. Коронный разряд

531

§ 120. Дуговой разряд

533

§ 121. Плазма

535

ГЛАВА Х

 

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

 

§ 122. Уравнение колебательного контура

544

§ 123. Свободные колебания гармонического осциллятора

549

§ 124. Затухающие колебания

553

§ 125. Баллистический гальванометр

556

§ 126. Векторная диаграмма и комплексные обозначения

557

§ 127. Вынужденные колебания затухающего осциллятора под действием

 

синусоидальной силы

561

§ 128. Вынужденные колебания под действием несинусоидальной силы.

569

Теорема Фурье

 

§ 129. Закон Ома для переменных токов (синусоидально меняющихся во

573

времени)

 

§ 130. Правила Кирхгофа для переменных токов

578

§ 131. Эффективные напряжение и ток

581

§ 132. Процессы установления колебаний

583

§ 133. Автоколебания. Ламповый генератор

593

§ 134. Релаксационные колебания

600

§ 135. Параметрическое возбуждение колебаний

602

§ 136. Трансформатор

606

§ 137. Колебания с двумя степенями свободы

612

§ 138. Волновое уравнение

616

§ 139. Плоские электромагнитные волны

620

§ 140. Стоячие волны

624

§ 141. Поле излучения диполя Герца

627

§ 142. Демонстрационные опыты с электромагнитными волнами

636

§ 143.

Волны вдоль проводов

642

§ 144.

Свойства быстропеременных токов. Скин-эффект

648

§ 145.

Давление и импульс электромагнитных волн

655

§ 146.

Принципы радиосвязи

659

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

Важнейшие формулы электродинамики в системе СИ

668

Некоторые физические постоянные

676

Именной указатель

677

Предметный указатель

680

Учение об электричестве включает три группы вопросов. К первой группе относятся основные понятия и общие принципы, управляющие электрическими и магнитными явлениями; ко второй — электрические и магнитные свойства вещества; к третьей — технические и практические применения электричества.

В настоящем курсе основное внимание уделяется вопросам первой группы, которые излагаются с наибольшей полнотой. Принят индуктивный метод изложения. Основные понятия и принципы устанавливаются путем обобщения опытных фактов, имеющих ограниченную область применимости. Процесс обобщения идет непрерывно и целенаправленно на протяжении всего изложения, завершаясь в середине курса установлением системы уравнений Максвелла. Все последующее изложение строится с учетом этих уравнений.

Электрические и магнитные свойства вещества в общем курсе физики, естественно, не могут быть рассмотрены с той же степенью подробности. Их полное понимание возможно только на основе квантовой механики, а подробное изложение должно производиться в специальных курсах. Несмотря на это, я стремился уделить большое внимание и этой группе вопросов, насколько это возможно сделать в рамках общего курса физики, предназначенного для студентов младших курсов. При этом я широко пользовался методами термодинамики. Без применения термодинамики невозможно полное и ясное изложение не только частных, но и общих вопросов макроскопической электродинамики.

Что касается технических и прочих применений учения об электричестве, то этим вопросам уделено значительно меньше внимания, чем они того заслуживают. Из таких вопросов рассмотрены лишь некоторые, и притом только с принципиальной стороны.

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ

Абрагам 367 Абрикосов 341 Авенариус 483, 494

Авогадро 314, 322, 420,

Альвен 619

Ампер 10, 216, 241—243, 292

Аррениус 415, 424 Арцимович 393 Астои 524 Бардин 342

Баркгаузен 330, 331 Барлоу 216 Барнет 324

Био 218, 221, 222, 236, 282, 283, 346, 631, 632

Боголюбов 312 Богуславский 466 Бозе 342 Бойе 493

Больцман 149, 152, 187, 192, 317, 441, 463

Бор 13, 142, 249, 309—311, 317, 503 Браун 268, 488

Валашек 163 Ван-Ален 398 Ван-де-Грааф 58, 59 Ван-Лёвен 309 Вант-Гофф 415

Вебер Вильгельм 10, 223, 360 Вейнер 163

Вейсс 166, 170, 309, 325—32Э

Вернов 398

Видеман 187, 447, 448

Вильсон 136, 404 Вирсма 304

Вольта 429, 476, 478, 479, 482

Вул 163 Гейзенберг 142, 329 Гамильтон 26

Гаусс 10, 26, 29, 32, 33, 35, 40—47, 51, 53, 63, 64, 66, 68, 92, 93, 96, 109, 117, 119, 177, 204, 229, 241, 263, 264, 346, 356

Гель 526

Гельмгольц 135, 110, 221, 266, 267, 420

Герц Генрих 10, 11, 360, 361, 627, 628, 631, 633, 63-i, 636, 637, 639, 642, 659

Герц Густав 502, 503 Гинзбург 170, 171 Гитторф 422, 424 Гольдман 163 Гольдстейн 528 Грин 10 Гротгус 413, 415 Гук 546 Гухер 503

Даниэль 429—431 Дебай 304, 3IC

Де Гааз 304, 323, 587

Дешман 463 Джиок 304 Джорджи 379

Джоуль 179, 186, 194, 197, 198, 414 Дирак 187, 188, 321, 342, 353, 441,

443, 444. 461 Дорфман 328

Друде 187, 188, 443, 447 Дэви 419, 533

Дэвис 503 Жуковский 322

Зеебек 481, 482, 494

Зелени 513

Зоммерфельд 187, 188, 443, 447, 448 Иоффе 404, 405, 490 Ирншоу 46, 47, 53

Кавендиш 18, 33 Камерлинг-Оннес 332 Карлейль 419 Кеттеринг 437 Кённингам 406

Кирхгоф 10, 198—201, 578, 579, 643, 648

Клаузиус 148, 152, 414, 490, 491, 493, 494

Кобеко 163 Кольрауш Рудольф 223, 360

Кольрауш Фридрих 422, 424 Кориолис 191, 277, 392 Крукс 511, 527

Кулон 9, 18—20, 23, 34—37, 42, 96, 218, 231, 329, 346, 373, 498, 635

Кундт 160 Купер 342 Курчатов 163

Кюри Жак 153, 157, 163

Кюри Пьер 153, 157, 162—164, 166, 170, 172, 173, 304, 309, 318, 321, 326-329, 331

Ландау 171, 331, 342, 450 Ланжевен 160, 309, 316—318, 321,

325, 327, 328 Лаплас 10, 89, 90, 99, 178, 204, 208

Лармор 312, 314, 315 Лаутон 36

Лебедев 641, 642, 658

Лекланше 431 Ленгмюр 465—467, 535

Ленц 179, 186, 194, 197, 198, 268— 270, 283, 295, 315, 357, 414, 487

Леру 492

Лехер 642—646

Ле Шателье 158, 268, 488 Липпман 157 Лондон Ганс 336, 337

Лондон Фриц 336, 337

Лорентц 13, 18, 74, 147, 148, 170, 187, 215, 264, 265, 273, 277, 372, 394, 401, 437, 439

Лоусон 540 Мак-Клюнг 510 Маклаков 594

Максвелл 11—14, 18, 36, 63, 133, 135, 140, 177, 223, 231, 273, 346, 347, 350, 351, 353—355, 358—363, 370—372, 376, 379, 386, 408, 463, 578, 629—631, 635, 641— 643, 645, 652, 655

Мандельштам 436, 586, 606

Мейсснер 155, 335, 336

Менделеев 504

Мерц 166 Милликен 404—408 Миткевич 533 Морзе 661 Моссотти 148, 152 Неель 331 Нейман Карл 10 Нейман Франц 10

Hep нет 319—321, 425

Николь 642 Никольс 419

Ньютон 9, 47, 361, 370, 617

Огава 163 Оксенфельд 325, 336,

Ом 176, 177, 179, 181, 184,185,194— 199, 205, 333, 342, 414, 427, 435, 507, 508, 573, 574, 576, 644

Оствальд 417 Остроградский 10, 43—45, 117, 241 Папалекси 436, 586, 606 Паули 321, 342, 444, 449

Пашен 521, 523

Пельтье 481, 487—491, 493, 494

Петров 533 Планк 310 Плимптон 36 Поггендорф 201

Пойнтинг 364, 367, 374, 627, 646, 657

Поккельс 163

Поль 22, 481, 482

Попов 12, 642 Пристли 36

Пуассон 10, 89, 465, 542

Рауль 415 Резерфорд 13, 509, 510, 512 Рике 435 Ричардсон 463 Роговский 275, 276 Розинг 325 Роуланд 221

Савар 218, 221, 222, 236, 282, 283, 346, 631, 632

Симон 304 Скотт 437

Снеллиус 641

Ферми 185, 187, 188, 321, 342, 441,

Соломон 163

443—449, 459—462, 477, 478,

Стокс 240, 293, 406, 408

489, 543

Столетов 305

Фохт 161

Стюарт 179, 437

Франк 502, 503

Таунсенд 404, 515—519, 521, 522,

Франклин 55

530

Франц 187, 447, 448

Тесла 651—653

Френкель 329, 451

Толмен 179, 437

Фуко 270, 308

Томсон Вильям (Кельвин) 481, 491

Фурье 323, 561, 569, 570, 572, 573,

—494, 551

594, 661

Томсон Дж. Дж. 13, 400, 402—404

Хаблютцель 163

Томсон Элиу 269, 583

Хевисайд 372

Тэт 494

Холл 438, 439, 441-443, 458

Уитстон 200

Шриффер 342

Умов 364

Эдисон 460

Фарадей 10—12, 57—59, 90, 104, 133,

Эйлер 559

264, 419, 420, 422

Эйнштейн 192, 323, 342, 411, 587

Фейнман 87

Эйхенвальд 221

 

Эрстед 217

 

Юнг 153

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Автоколебания 593

Барлоу колесо 216

Адиабатический инвариант 393

Барнета опыт 324

Аккумулятор, емкость 434

Биения 584

— свинцовый 433

Био—Савара закон 221

— щелочной 434

Боковые полосы 661

Акцепторы 458

Бора и Ван-Лёвен теорема 309

Ампер (единица тока) 196, 223

— магнетон 310

Ампера закон 216

Ван-де-Граафа генератор 58

— теорема 241

Вебер (единица магнитного потока)

Ампер-витки 608

282

Амплитуда 551, 554, 622

Ведущий центр 385

Анодный ток 469

Вейсса постоянная 325

Антенна 659

Векторная диаграмма 557

Антикатод 527

Векторные линии 22

Антисегнетоэлектричество 173

Векторный метод 559

— , точка Кюри 173

Взаимодействие переменных токов

Антиферромагнетизм 331

582

Антиферромагнетики 304, 331

Видемана—Франца закон 187, 447

Апериодический процесс 555

Вильсона камера 136

Баллистическая постоянная 557

Внутреннее (дифференциальное)

Баллистический гальванометр 556

сопротивление лампы 469

Баркгаузена эффект 330

Волновая зона 632

Волновое уравнение 618

число 623 Волновой вектор 623

Волны альвеновские 619

синусоидальные

(монохроматические) 622

стоячие 624, 627, 646

сферические 633

Вольт (единица напряжения) 196 Вольтова дуга 533 Вольты закон последовательных

контактов 476

— ряд 476

Восприимчивость магнитная 256, 375 Время затухания 554, 562

инерционное 180

релаксации 210

свободного пробега 181

установления 562 Вторичные электроны 472 Вырождение 616 Гальванический элемент 429

— Вольты 429

— вторичный 433

— Даниэля 429

—, деполяризация 431

— Лекланше 431

— сухой 432

Гамильтона оператор “набла” 26 Газ вырожденный 445

— полностью 446

— сильно 446 Гамма 224 Гармоники 625

Гармонический осциллятор 549 Гаусс (единица напряженности магнитного поля) 224

Гаусса—Остроградского формула 44 Гаусса способ 263

теорема 32, 63

—, дифференциальная форма 41, 63

—, для магнитных полей 229, 250 Геля закон 526

Генри (единица индуктивности) 283 Герца вибратор 636

диполь 627—636

—, излучение 634

резонатор 637 Гетеродин 665 Гинзбурга теория 170

Гиромагнитное отношение 310 Гиромагнитные явления 322 Гистерезис, двойные петли 173

диэлектрический 169

магнитный 256, 306

—, тепло 308

—, петля 169, 306

Глубина модуляции 570, 661 Градиент 76 Грамм-эквивалент 420

Граничные условия 65, 254, 255, 353, 625

Гротгуса гипотеза 413 Двойной электрический слои 427,

459

Дебаевская длина (радиус) 530, 542 Дебаевский потенциал 543 Действие на .расстоянии 9 Дейтерий 540 Декремент 554

Демодуляция (детектирование) 663

сеточная 665 Детектор 638, 663

Джоуля—Ленца закон 1SG, 197 Диамагнетизм 312 Диамагнетик 256, 304 Дивергенция 41, 45 Динатронный эффект 472 Диод вакуумный 460 Диполь магнитный 24

электрический 24

Диссоциации степень (коэффициент) 416

Дифференцирующие и интегрирующие ячейки 548

Диффузия амбиполярная 536 Диэлектрик (изолятор) 450, 456

Диэлектрическая проницаемость 374

— ускоренно движущегося заряда

— — абсолютная 374

635

— — относительная 376

Импеданс 573

Длина волны 623

Импульс электромагнитный 367

Добротность 554, 564

Индуктивности коэффициенты 286

Домены диэлектрические 168

Индуктивность взаимная 286

— магнитные 329

— — единицы длины линии 644

Доноры 457

— провода 281

Дорфмана опыт 328

— соленоида 282

Дрейф 179, 385

—, теорема взаимности 286

— магнитный 388—392

Индукции вектор 63

— центробежный 392

Индукция магнитная 254

— электрический 383, 387

— электрическая 52

Дрейфовая теория 386

— электромагнитная 264

Дроссель 574

— —, максвелловская трактовка 271

Друде формула 187

— —, механическая аналогия 277

Дырки 456

— —, основной закон 266

Емкость 101

— —, — —, дифференциальная

— двух параллельных проволок 106

форма 273

— единицы длины линии 044

— —, фарадеева трактовка 264

— конденсатора плоского 103

— —, электродвижущая сила 2G3

— — слоистого 107

Ионизация 498

— — цилиндрического 105, 108

—, метод электронных ударов 502

— — шарового 103

— объемная 498

— эллипсоида 109

— поверхностная 499

Задача многих тел 453

—, потенциал 502

— одного тела 453

— ударная 516

Заряд магнитный 231, 353

—, энергия 501

Заряды индукционные 52

Ионосфера 536

— поляризационные 60

Ирншоу теорема 46

— свободные 61

Искра конденсированная 529

— связанные 60

Искровые каналы 529

Защита магнитная 258

Катод оксидный 464

— электростатическая 57

— сложный 464, 474

Зеебека явление 481

Катодное падение 523, 526

Зонд капельный 84

— — аномальное 527

— пламенный 85

— — нормальное 526

— радиоактивный 85

— пятно 534

— электрический 84

Катодные лучи 527

Зонная теория 453

Квазикейтральный 509

Излучение бетатронное 540

Квазистациопарность 210, 552

— магннтотормозное 540

Квантовые состояния 443

— рекомбинационное 504

Кеттеринга и Скотта опыт 437

— тормозное 540

Кённингама поправка 406

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]