- •Федеральное агентство морского и речного транспорта
- •Предисловие
- •Лекция 1 Электростатика
- •1. Закон сохранения электрического заряда.
- •2. Закон Кулона.
- •3. Электрическое поле и его напряженность.
- •4. Поле диполя.
- •Лекция 2
- •1. Теорема Остроградского – Гаусса.
- •2. Применение теоремы Остроградского - Гаусса к расчету электростатических полей.
- •1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости.
- •2. Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных поверхностей.
- •3. Поле равномерно заряженной сферической поверхности.
- •4. Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити).
- •Лекция 3
- •1. Работа по переносу заряда в электростатическом поле. Потенциал поля.
- •2. Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом.
- •3. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля.
- •Лекция 4 Электрическое поле в диэлектрике.
- •1. Поляризация диэлектриков.
- •2. Напряженность поля в диэлектрике. Поляризованность.
- •3. Электрическое смещение. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектрике.
- •4. Сегнетоэлектрики.
- •5. Пьезоэлектрики.
- •Лекция 5
- •1. Проводник во внешнем электрическом поле.
- •2. Электроемкость уединенного проводника.
- •3. Конденсаторы.
- •4. Параллельное соединение конденсаторов.
- •5. Последовательное соединение конденсаторов.
- •Лекция 6 Электрический ток
- •1. Электрический ток. Сила и плотность тока.
- •2. Сторонние силы. Электродвижущая сила (эдс) и напряжение.
- •3. Закон Ома. Сопротивление проводников.
- •4. Работа и мощность тока. Закон Джоуля- Ленца.
- •5. Правила Кирхгофа.
- •Лекция 7 Классическая электронная теория проводимости металлов.
- •1. Природа электропроводности металлов.
- •2. Кристаллическая решетка металлов. Электронный газ.
- •3. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов.
- •1. Закон Ома.
- •2. Закон Джоуля-Ленца.
- •3. Закон Видемана-Франца.
- •4. Недостатки классической электронной теории проводимости металлов.
- •Лекция 8 Магнитное поле.
- •1. Магнитное поле.
- •2. Закон Био-Савара-Лапласа.
- •3. Закон Ампера.
- •4. Единица магнитной индукции.
- •Лекция 9
- •1. Магнитное поле движущегося заряда.
- •2. Эффект Холла.
- •3. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.
- •Лекция 10
- •1. Явление электромагнитной индукции.
- •2. Закон Фарадея.
- •3. Самоиндукция. Индуктивность контура.
- •4. Взаимная индукция.
- •5. Энергия магнитного поля.
- •6. Циркуляция вектора магнитной индукции.
- •7. Магнитное поле соленоида.
- •Лекция 11 Магнитное поле в веществе.
- •1. Магнитные моменты атомов.
- •2. Диамагнетики.
- •3. Парамагнетики.
- •4. Ферромагнетизм.
- •Лекция 12
- •1. Свободные гармонические колебания в электрическом колебательном контуре.
- •2. Переменный ток.
- •1. Переменный ток, текущий через резистор сопротивлениемR.
- •4. Цепь переменного тока, содержащая последовательно включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор.
- •5. Резонанс напряжений.
- •6. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока.
- •Лекция 13 Уравнения Максвелла.
- •1. Первое уравнение Максвелла.
- •2. Второе уравнение Максвелла.
- •Лекция 14
- •1. Электромагнитные волны. Скорость их распространения.
- •2. Объемная плотность энергии электромагнитного поля. Перенос энергии электромагнитной волной. Вектор Умова - Пойтинга.
- •3. Шкала электромагнитных волн.
- •4. Эффект Доплера для упругих и электромагнитных волн.
- •Лекция 15
- •1. Работа выхода электронов из металлов.
- •2. Контактная разность потенциалов
- •3. Термоэлектрические явления.
- •4. Элементы зонной теории проводимости. Возникновение энергетических зон.
- •5. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории.
- •Лекция 16 Электропроводность полупроводников. Термоэлектрические явления.
- •1. Собственная проводимость полупроводников.
- •2. Примесная проводимость полупроводников.
- •3. Полупроводниковый диод. P-n – переход.
2. Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом.
Работа, совершаемая над зарядом в электрическом поле равна
, (1)
с другой стороны
. (2)
Работа над единичным зарядом
. (3)
Исходя из (3) получим и
. (4)
Знак «-» означает, что вектор направлен в сторону убывания потенциала.
Рассмотрим работу по замкнутому пути единичного заряда
. (5)
Интеграл (5) называется циркуляцией вектора напряженности.
Циркуляция вектора напряженности электростатического поля по любому замкнутому пути равна нулю.
Графически изображать электростатическое поле можно кроме силовых линий еще и с помощью эквипотенциальных поверхностей. Эквипотенциальные поверхности – это поверхности равного потенциала (). Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю, так как.
= 0.
Но с другой стороны работа по перемещению единичного заряда равна
.
Пусть - элемент эквипотенциальной поверхности, тогда
.
Но , значит= 0 и= 900. То есть векторперпендикулярен вектору. Вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальной поверхности. Так как направление векторав данной точке совпадает с направлением силовой линии в этой точке, то и силовые линии перпендикулярны эквипотенциальной поверхности. Зная эквипотенциальные поверхности можно построить силовые линии и наоборот.
Построим эквипотенциальные поверхности для точечного заряда.
Потенциал точечного заряда равен . Эквипотенциальных поверхностей можно провести бесконечно много. Но условились их проводить так, чтобы разность потенциалов для соседних поверхностей была одинакова. Тогда по густоте эквипотенциальных поверхностей можно судить о величине напряженности. | |
Рис. 2. |
|
3. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля.
1). Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости
Разность потенциалов между точками, лежащими на расстояниях иот плоскости, равна
= .
2). Поле двух бесконечных разноименно заряженных плоскостей
Разность потенциалов между плоскостями, расстояние между которыми равно
=
3). Поле равномерно заряженной сферической поверхности радиуса с общим зарядом.
Вне сферы (). Разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстояниииот центра сферы () равна
.
Если , а, то потенциал поля вне сферической поверхности равен
.
Внутри сферической поверхности , а потенциал всюду одинаков и равен
4). Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра радиуса .
Напряженность поля равна
.
Разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстояниях иот оси заряженного цилиндра () равна
= .
Лекция 4 Электрическое поле в диэлектрике.
1. Поляризация диэлектриков.
Диэлектриками называются вещества не способные проводить электрический ток. Все молекулы диэлектрика нейтральны. Суммарный заряд электронов и ядер равен нулю. Диэлектрики бывают неполярными, полярными и ионными.
Неполярные диэлектрики состоят из молекул, у которых электроны расположены симметрично относительно ядер, например, H2, N2, O2. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов у них совпадают. В отсутствии внешнего поля дипольный момент таких молекул равен нулю.
Под действием внешнего электрического поля заряды неполярных молекул смещаются в противоположные стороны – положительные по полю, отрицательные против поля. Возникает индуцированный дипольный момент (рис. 1.). | |
Рис.1. |
|
Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых электроны расположены несимметрично относительно ядер, например, H2O, HCl, CO, SO2, NH3. Центры тяжести отрицательных и положительных зарядов у полярных молекул смещены. Поэтому полярные молекулы в отсутствие внешнего поля обладают дипольным моментом. Однако при отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул из-за теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю. Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле, то силы поля будут стремиться повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент.
Ионные молекулы состоят из молекул, соединенных ионной связью (NaCl, KCl, KBr). Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков. При наложении на ионный кристалл поля происходит деформация кристаллической решетки, приводящая к возникновению дипольных моментов.
Таким образом, внесение всех трех групп диэлектриков во внешнее электрическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика. Диэлектрик поляризуется.
Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей или появление под действием поля ориентированных диполей. Различают три вида поляризации:
1). Электронная или деформационная поляризация диэлектрика с неполярными молекулами. Под действием поля возникает индуцированный дипольный момент за счет деформации электронных орбит.
2). Ориентационная или дипольная поляризация диэлектрика с полярными молекулами.
Она заключается в ориентации дипольных моментов молекул по полю (рис.2). В электрическом поле на диполь действует пара сил, стремящихся повернуть его по направлению поля. | ||
Рис.2. |
|
3). Ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллическими решетками, заключающаяся в смещении подрешетки положительных ионов по полю, а отрицательных против поля, приводящим к появлению дипольных моментов.