ФИЗИКА / 0837200_DA350_klimovskiy_a_b_kurs_lekciy_po_fizike_chast_2_elektromagnetiz

Федеральное агентство по образованию Ульяновский государственный технический университет

А. Б. Климовский

Курс лекций по физике

Часть 2

Электромагнетизм. Волны. Оптика. Квантовая физика

Для студентов заочно-вечерней формы обучения

Издание второе, исправленное

Рекомендовано Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям 551100 и 654300 «Проектирование и технология электронных средств» и специальностям 200800 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» и 220500 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств»

Ульяновск 2005

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ФИЗИКЕ

Введение

В настоящее время, строго говоря, ф и з и к о й считают науку, изучающую про-

стейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Изучаемые физикой явления (механические, тепловые и др.) присутствуют во всех более сложных явлениях (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются наиболее общими.

Изучение физики выполняет двойную функцию, во-первых, – это формирование правильного физического мировоззрения, и, во-вторых, – создание фундаментальной базы теоретической подготовки, без которых невозможна успешная деятельность специалиста. Первая функция – содержательномировоззренческая, может быть реализована при знакомстве с физическими моделями объектов и процессов реального мира, с физическими теориями, в которых, пользуясь модельными представлениями, описываются явления окружающего мира, и с законами физики, отражающими общее в характеристиках происходящих явлений. Вторая функция – познавательнометодологическая, способствующая развитию мышления, реализуется в знакомстве и освоении логики и технологии познавательного процесса на примерах лучших образцов научной мысли, созданных в процессе кропотливой многовековой работы огромного числа физиков-исследователей и обобщенных гениальными умами человечества.

Как и в первой части курса, мы во второй части будем начинать с простых моделей, с каждой темой включая в рассмотрение новые свойства явлений, что будет приводить сначала к постепенному, а затем к принципиальному усложнению используемых моделей и изучаемых теорий. Где это возможно, мы будем следовать историческому изменению физической картины мира, проходя путь, по которому шла физика в своем развитии.

Лекционный курс построен в соответствии с программой курса физики, читаемого в трех семестрах, что отражено в структуре курса лекций, который состоит из трех частей. В первую часть включены два больших раздела – физические основы механи-

ки и электричество. Во второй части рассмотрены три раздела – электромагнетизм, физика волновых процессов и квантовая физика. В третьей части – оставшиеся разделы курса – статистическая физика и термодинамика, элементы физики твердого тела и физика атомного ядра и элементарных частиц. Каждый раздел состоит из нескольких тем, каждая тема снабжена перечнем вопросов, которые в ней рассмотрены и могут быть включены в билеты экзамена или зачета.

Выполнение лабораторных работ позволит дополнить теоретический материал знакомством на практике с основными физическими явлениями и понятиями соответствующих разделов, а также познакомиться с техникой физического эксперимента.

Решение задач в контрольных работах даст возможность применить полученные знания в простейших модельных ситуациях, шире и глубже усвоить изучаемый материал.

4

Магнитное поле в вакууме

Электромагнетизм

В предыдущей части курса физики мы начали рассмотрение электрических явлений. Мы рассмотрели электростатическое взаимодействие неподвижных зарядов и научились описывать движущиеся заряды – ввели основные понятия для описания электрического тока и познакомились с основными законами. При этом о взаимодействии между движущимися зарядами мы пока не говорили, поскольку это взаимодействие не сводится к электростатическому. Для его описания необходимы другие законы – законы магнетизма, которыми мы и займемся в данном разделе.

Сегодня нам известно, что между электричеством и магнетизмом существует тесная связь, более того, знаем, что это проявления одного электромагнитного взаимодействия, однако впервые эту связь обнаружили лишь в XIX веке, во второй половине которого установили единство электрического и магнитного взаимодействий. История же магнетизма уходит в глубокую древность к античным цивилизациям Малой Азии, на территории которой, в Магнезии, впервые нашли горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. Такие образцы, по названию местности, стали называть магнитами.

Изучение магнитных явлений мы начнем с самого простого – с магнитного поля в вакууме (в отсутствии магнитных сред). При этом сначала рассмотрим стационарные (не изменяющиеся во времени) поля. Затем перейдем к изучению влияния магнитных сред на магнитные поля – магнитному полю в веществе. Далее рассмотрим систему основных уравнений электромагнетизма – уравнения Максвелла. И закончим тему

электромагнитными колебаниями.

Тема: Магнитное поле в вакууме

Вопросы:

1.Магнитное поле и его характеристики. Источники магнитного поля.

2.Принцип суперпозиций магнитных полей. Вектор индукции магнитного поля. Способы определения индукции магнитного поля в вакууме. Закон Ампера.

3.Вращение контура с током в однородном магнитном поле. Магнитный момент контура с током.

4.Закон Био–Савара и его применение для расчета магнитных полей.

5.Магнитное поле кругового контура с током.

6.Магнитное поле прямолинейного проводника.

7.Магнитное поле соленоида.

8.Взаимодействие прямолинейных проводников с током.

9.Движение заряженных частиц в магнитном поле. Сила Лоренца.

10.Явление Холла.

11.Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока.

12.Магнитный поток. Теорема Гаусса.

13.Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея для ЭДС магнитной индукции. Правило Ленца.

14.ЭДС индукции при вращении контура с током в магнитном поле. Электрический генератор.

15.Явление самоиндукции и взаимоиндукции. Понятие об индуктивности.

16.Энергия магнитного поля.

17.Изменение силы тока в цепи при подключении и отключении источника.

5

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед (H. Ørsted, 1777–1851) 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 м а г н и т о с т а т и к а ,

изучающая не изменяющиеся во времени (стационарные, или постоянные) магнитные поля, с которых мы начнем наше рассмотрение.

М а г н и т н о е п о л е – силовое поле (подобное гравитационному или электриче-

скому), 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:

движущиеся заряды,

проводники с током,

контуры с током,

постоянные магниты,

атакже

изменяющееся электрическое поле,

являются источниками магнитного поля.

Последний источник мы упоминаем пока лишь для полноты картины, говорить о нем будем в самом конце темы, когда будет идти речь об электромагнитной индукции. Пока рассмотрим только первые четыре источника.

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. Принципиальной разницы нет. Обычно используют какой-нибудь из первых двух способов. Мы рассмотрим оба и покажем их равнозначность.

Воспользуемся сначала первым способом – рассмотрим движущийся заряд.

На заряд, движущийся в магнитном поле, будет действовать сила, которую будем на-

зывать магнитной силой FM . Экспериментально установлено:

вектор силы перпендикулярен вектору скорости ( FM V );

если изменить направление скорости заряда, то сила изменит свое направление, но при этом останется перпендикулярной некоторому направлению, совпадающему с направлением магнитной стрелки, помещенной в точку, где находится заряд;

если изменить величину заряда, то сила по величине пропорциональна величине заряда q ( FM ~ q );

6

Магнитное поле в вакууме

если изменить модуль скорости, то величина силы пропорциональна скорости его движения V ( FM ~ V ).

ду направлениями скорости и магнитной стрелки и принимает определенные значения в каждой точке пространства.

щийся заряд) в ту сторону, куда направлен ее северный конец. Величину магнитной индукции в данной точке пространства определим так:

B FM . qV sin α

для нее нет единицы измерения, то выберем единицу измерения индукции магнитного поля так, чтобы коэффициент пропорциональности был равным единице k 1.

или иногда ее называют магнитной составляющей силы Лоренца. В последнем слу-

7

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

заряд q положителен, направление силы совпадает с направлением векторного произ-

V , B противоположны.

Как мы видим, предложенное определение вектора индукции магнитного поля полностью согласуется с экспериментом.

Перейдем ко второму способу определения индукции магнитного поля B – рассмотрим прямолинейный проводник длиной l , по которому течет ток силой I . Экспериментально установлено, что на проводник в магнитном поле действует магнитная сила FA , которая

пропорциональна силе тока ( FA ~ I ),

пропорциональна длине проводника ( FA ~ l ),

перпендикулярна проводнику ( FA l ),

при изменении ориентации проводника с током перпендикулярна некоторому направлению, совпадающему с ориентацией магнитной стрелки.

Таким образом, сила, действующая на проводник с током, называемая с и л о й

Не будем обсуждать детали второго определения, сразу покажем эквивалентность

двух определений. Сила, действующая на проводник FA , должна быть равна сумме сил

FM , действующих на все заряды, протекающие по проводнику.

где dn n S dl – количество зарядов на участке проводника dl , а qdn – суммар-

нитная сила, действующая на участок проводника, будет равна

8

Магнитное поле в вакууме

Величину магнитной индукции этим способом можно определить, например, как

B FA max ,

Idl

где FA max – максимальная сила, действующая со стороны магнитного поля на участок dl проводника с током.

Оба определения совершенно эквивалентны. Обе силы – сила Лоренца (магнитная составляющая силы Лоренца) и сила Ампера – в принципе являются одной и той же силой, только первая – это сила, действующая на один движущийся заряд, а вторая

– на все заряды в участке проводника.

Мы получили пока выражение для силы Ампера, действующей на участок про-

водника бесконечно малой длины dl .

Рассмотрим прямолинейный проводник с током конечной длины, по которому

протекает ток постоянной силы I , помещенный в однородное магнитное поле B (одинаковое во всех точках пространства). На проводник действует сила, равная сумме сил, действующих на каждый бесконечно малый участок проводника,

Подчеркнем, что полученное выражение справедливо только для прямолинейного

проводника при B const , I const .

Суммарная сила Ампера, действующая на замкнутый контур с постоянным то-

ком ( I const ), помещенный в однородное магнитное поле, будет равна нулю

Это значит, что сила Ампера не может передвинуть замкнутый контур.

При этом силы, действующие на отдельные участки контура, не будут равны нулю. Они будут сжимать или растягивать замкнутый контур. Кроме того, силы, приложенные к различным участкам контура, могут его поворачивать. Если суммарный мо-

мент сил будет равен нулю, тогда контур будет только сжиматься либо растяги-

ваться, если не равен – то в этом случае будет поворачиваться.

9