Контрольные вопросы и задания

1. Назовите условия возникновения и существования электрического тока.

2. Что такое сторонние силы и какова их природа?

3. В чем заключается физический смысл электродвижущей силы, действующей в цепи?

4. Какова связь между сопротивлением и проводимостью, удельным сопротивлением и удельной проводимостью?

5. Что понимают под средней, дрейфовой или упорядоченной скоростью движения носителей тока?

6. Что понимают под напряженностью поля сторонних сил?

7. Выведите законы Ома и ДжоуляЛенца в дифференциальной форме.

8. В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока?

9. Проанализируйте обобщенный закон Ома. Какие частные законы можно из него получить?

10. Как формулируются правила Кирхгофа? На чем они основаны?

11. Как составляются уравнения, выражающие правила Кирхгофа? Как избежать лишних уравнений?

12. Что называется самостоятельным и несамостоятельным разрядом?

13. Перечислите виды разряда.

3. Магнетизм

3.1. Магнитное поле. Опыт Ампера

В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед показывал студентам тепловое действие тока. При включении тока отклонилась стрелка случайно оказавшегося рядом компаса. Описание этого опыта вызвало лавину новых открытий. Так родилась новая область физики – электродинамика. Частью электродинамики (электромагнетизма) является магнитостатика, изучающая не изменяющиеся во времени (стационарные, или постоянные) магнитные поля.

Магнитное поле – силовое поле (подобное гравитационному или электрическому), окружающее токи и постоянные магниты. Магнитное поле не действует на неподвижные заряды, оно может создаваться только движущимися зарядами и действует только на движущиеся заряды. Магнитные силы, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся заряды, могут:

– искривлять их траекторию (если заряд движется в свободном пространстве);

– отклонять проводник (если заряды движутся в проводнике);

– поворачивать контур (если проводник образует замкнутый контур).

Все объекты, на которые действует магнитное поле:

1. движущиеся заряды,

2. проводники с током,

3. контуры с током,

4. постоянные магниты,

5. изменяющееся электрическое поле,

являются источниками магнитного поля.

Сразу после открытия Эрстеда произошел решающий сдвиг. Вместо магнитов стали изучать взаимодействие проводов с током, и в том же 1820 г. были сформулированы закон Био–Савара и закон Ампера.

Сила взаимодействия бесконечно длинных параллельных проводников с током определяется законом Ампера (рис. 3.1):

,

где – магнитная проницаемость среды;и– силы токов;–расстояние между проводниками;– длина проводника.

Как видно из рис. 3.1, сонаправленные параллельные токи притягиваются, противоположно направленные – отталкиваются.

Рис. 3.1. Магнитное взаимодействие параллельных и

антипараллельных токов

3.2. Магнитная индукция

Для описания магнитного поля нужно ввести его характеристики. Естественно это сделать так же, как, например, в электричестве, по силовому действию поля. Сделать это можно несколькими способами. В качестве объекта, на который действует сила со стороны магнитного поля, можно выбрать любой из объектов или движущийся заряд, или проводник с током, или контур с током, или магнит.

Индукция магнитного поля является силовой характеристикой магнитного поля:

; ,

где – максимальный вращающий момент, действующий на плоский контур с током;– площадь поверхности, натянутой на контур тока;– максимальная сила, действующая на точечный заряд, движущийся со скоростью.

Магнитный момент контура с током

,

где – единичная положительная нормаль к контуру, направление которой связано с направлением тока в контуре правилом правого винта.

Направление нормали выбирается по правилу правого буравчика: за положительное направление нормали принимается направление поступательного движения буравчика, который вращается в направлении тока, текущего в рамке.

Если рамка содержит витков провода, то магнитный момент рамки

.

Рамка с током будет поворачиваться в магнитном поле до тех пор, пока вращающий момент не станет равным нулю. В этом случае магнитный момент будет направлен по магнитному полю. Следовательно, магнитное поле поворачивает магнитные моменты так, чтобы они были направлены по полю.

Принцип суперпозиции для индукции магнитного поля. Если магнитное поле создается несколькими источниками, то вектор магнитной индукции в данной точке определяется как сумма векторов магнитной индукции полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

; ,

где – длина проводника с током, создающим магнитное поле.

Вращающий момент, действующий на контур с током в магнитном поле,

, .

Сила, действующая на контур с током в неоднородном магнитном поле,

,

где производная берется по направлению нормали или по направлению вектора. Направление векторав общем случае не совпадает ни с вектором, ни с вектором. Векторсовпадает по направлению лишь с направлением элементарного приращения вектора, взятого в направлении.

Напряженность магнитного поля является вспомогательным вектором. Во многих случаях она значительно упрощает изучение поля в магнетиках

,

где – магнитная постоянная,Гн/м;– намагниченность вещества.

Связь между индукцией и напряженностью магнитного поля (в изотропной среде, в слабых полях):

,

где – магнитная проницаемость среды. В вакууме , и магнитная индукция

.