херня / физика / EHlektrostatika._Postojannyi_tok._EHlektrodinamika._Magnetizm

А.Г. Москаленко М.Н. Гаршина И.А. Сафонов Т.Л. Тураева

Краткий курс физики

для студентов заочной формы обучения

Часть 2

ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ТОК. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА.

МАГНЕТИЗМ.

1

ВВЕДЕНИЕ

Физика принадлежит к числу фундаментальных наук, и без знания её основ невозможна успешная инженерная деятельность ни в одной области современной техники. Изучение физики позволяет также формировать интеллектуальные качества, необходимые специалисту для самостоятельной творческой работы. Однако освоение курса физики требует от студента – заочника огромных усилий, длительной и кропотливой работы с различными учебниками и пособиями. Для оказания помощи в изучении первой части курса физики и написано данное пособие, включающее основы механики, молекулярную физику и термодинамику.

Теоретический материал представлен в кратком изложении и доступной форме, основное внимание при этом обращается на физическую сущность основных понятий и законов. Наряду с теоретическими основами в пособии рассматриваются практические приёмы решения типовых задач.

Выписка из типовой программы дисциплины Физика за 2011 год ( вторая часть)

1. Электричество и магнетизм. Электростатика.

Закон Кулона. Напряженность и потенциал электростатического поля. Теорема Гаусса в интегральной форме и ее применение для расчета электрических полей.

Проводники в электрическом поле.

Равновесие зарядов в проводнике. Основная задача электростатики проводников. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии электростатического поля между

2

проводниками. Электростатическая защита. Емкость проводников и конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора.

Диэлектрики в электрическом поле.

Электрическое поле диполя. Диполь во внешнем электрическом поле. Поляризация диэлектриков. Ориентационный и деформационный механизмы поляризации. Вектор электрического смещения (электрической индукции). Диэлектрическая проницаемость вещества. Электрическое поле в однородном диэлектрике.

Постоянный электрический ток.

Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности для плотности тока. Закон Ома в интегральной и дифференциальной формах. Закон Джоуля-Ленца. Закон Видемана-Франца. Электродвижущая сила источника тока. Правила Кирхгофа.

1. Магнетизм

Магнитостатика.

Магнитное взаимодействие постоянных токов. Вектор магнитной индукции. Закон Ампера. Сила Лоренца. Движение зарядов в электрических и магнитных полях. Закон Био- Савара-Лапласа. Теорема о циркуляции (закон полного тока).

Магнитное поле в веществе.

Магнитное поле и магнитный дипольный момент кругового тока. Намагничение магнетиков. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Классификация магнетиков.

Электромагнитная индукция.

Феноменология электромагнитной индукции. Правило Ленца. Уравнение электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность соленоида. Работа по перемещению контура с током в магнитном поле. Энергия магнитного поля.

Уравнения Максвелла.

Система уравнений Максвелла в интегральной форме и физический смысл входящих в нее уравнений.

3

1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Электростатика изучает свойства и взаимодействие обладающих электрическим зарядом тел и частиц.

1.1. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона

В природе существуют два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Электрический заряд любого тела дискретен, т.е. кратен элементарному электрическому заряду е (e 1,6 10 19 Кл ). Электрон и протон являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.

Электронейтральность тел и систем объясняется равным количеством положительно и отрицательно заряженных частиц в них. Отрицательный заряд у тел объясняется избыточным количеством электронов в них по сравнению с числом протонов, а положительный – их недостатком.

Распределение макроскопического заряда в пространстве характеризуется введением понятия объемной , поверхност-

где dq – заряд, заключённый соответственно в объёме dV, на поверхности dS и длине dl.

В случае неоднородного распределения заряда, величина q находится путём интегрирования соответствующей плотности:

Все изменения в макро- и микромире происходят с соблюдением закона сохранения электрического заряда,

согласно которому в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной

Наличие у тела электрического заряда проявляется во взаимодействии его с другими заряженными телами. Разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются. Основным законом электростатики является закон Кулона, который определяет силу взаимодействия точечных зарядов. Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует.

Закон Кулона: сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме (воздухе) прямо пропорциональна произведению модулей зарядов q1 и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними

где k – коэффициент пропорциональности, величина которого

где r – вектор, проведенный от одного заряда к другому и имеющий направление к тому из зарядов, к которому приложена сила (рис.1.1).

Силы кулоновского взаимодействия являются центральными, т.е. направлены вдоль прямой, соединяющей центры зарядов.

5

1.2. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля. Принцип суперпозиции полей

Взаимодействие зарядов осуществляется посредством электрического поля – одного из видов материи. Оно существует вокруг заряженных тел и действует на заряды, помещенные в поле, с некоторой силой. Поле, создаваемое неподвижными зарядами и не изменяющееся со временем, называется электростатическим.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность E – это векторная физическая величина, численно равная силе, с которой поле действует на единичный положительный пробный зарядq0 , помещенный в данную точку поля, и направленная в сторону действия силы

( [E] Вм НКл ):

Словами “пробный заряд” подчеркивается то обстоятельство, что он не участвует в создании исследуемого поля и не искажает его, т.е. что он достаточно мал и не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле. Если поле создано положительным зарядом, то вектор E направлен вдоль радиуса - вектора от заряда; если поле создано отрицательным зарядом, то вектор E направлен к заряду (рис. 1.2).

Для поля точечного заряда q сила F , действующая на пробный заряд q0 со стороны поля, будет равна

Тогда в соответствии с формулой (1.6) напряженность поля точечного заряда

6

Учитывая, что F q0E, Fi q0Ei , где E – напряжен-

ность результирующего поля, Ei – напряженность поля,

создаваемого одним зарядом qi , и подставляя эти выражения в

(1.10), получим принцип суперпозиции электростатических полей

i 1

напряжённость E результирующего электрического поля, создаваемого системой зарядов, равна векторной сумме напряжённостей полей, создаваемых в данной точке каждым из этих зарядов в отдельности.

Принцип суперпозиции (1.11) можно использовать для расчета любых электрических полей.

1.3. Линии напряжённости. Поток вектора напряжённости. Теорема Гаусса

Для графического изображения электрических полей применяют силовые линии (линии напряжённости).

Линии напряжённости – это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора E

(рис. 1.3).

E1 E2

Рис.1.3

Силовые линии электрического поля не замкнуты, они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, они непрерывны и не пересекаются.

Густота линий напряжённости выбирается так, чтобы количество линий, пронизывающих единичную площадку,

8

перпендикулярную силовым линиям, было равно числовому значению вектора E .

Рассмотрим некоторую поверхность S, пронизываемую силовыми линиями электрического поля. На этой поверхности

Физический смысл потока: Ф - число пересечений силовых линий с данной поверхностью.

Поток вектора E есть величина алгебраическая, знак его зависит от выбора направления нормали к элементарным площадкам, на которые разбивается поверхность S. В случае замкнутых поверхностей под нормалью к dS понимается обращенная наружу, т.е. внешняя нормаль.

Поэтому в тех местах, где вектор E направлен наружу (т.е. силовые линии выходят из объема, охватываемого поверхно-

стью) En и соответственно dФ положительны, где вектор E

9

направлен внутрь - поток dФ будет отрицателен (рис.1.5).

этой поверхностью.

Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме: поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри

этой поверхности зарядов, деленной на 0 .

Теорему Гаусса используют для расчета симметричных электрических полей.

В таблице приведены формулы расчета напряжённостей некоторых симметричных полей, полученные с помощью теоремы Гаусса.

10