ФИЗИКА (лекции часть 1) - Электромагнетизм

МЕХАНИКА

1.1Кинематика …………………………………………………………………..

1.2Динамика ……………………………………………………………………

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

1.3Электрические заряды и их взаимодействие. Электрическое поле …….

1.4Теорема Остроградского-Гаусса ………………………………………….

1.5.Разность потенциалов …………………………………………………….

1.6Электроемкость …………………………………………………………..

ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

1.7Однородный участок цепи……………………………………………….

1.8Неоднородные цепи…………………………………………………………

МАГНЕТИЗМ

2.1. Магнитное поле и магнитная индукция ………………………………

2.2Закон полного тока. Магнитный момент контура. Магнитный поток …

2.3Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях…….

2.4 Электромагнитная индукция. Закон Ленца ………………………………...

2.5Энергия магнитного поля. Коммутация RL и RC цепей ………………..

2.6Магнетики …………………………………………………………………..

2.7Взаимные превращения электрических и магнитных полей. Уравнения Максвелла

……………………………………………………………………....

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

2.8.Основы измерительной техники …………………………………………..

2.9Электрические измерения ……………………………………………...….

Тестовые вопросы для усвоения материала …………………………………..

Список литературы …………………………………………………………….

МЕХАНИКА

Механика – раздел физики, описывающий равновесие и движение тел под действием сил. Классическая механика ограничивается рассмотрением макроскопических, движущихся со скоростями, значительно меньшими скорости света и содержит три раздела: кинематику – учение о формах движения, динамику – учение о влиянии сил на движение и статику – учение о равновесии тел.

1.1 КИНЕМАТИКА

1.1,а Кинематика поступательного движения

Кинематика описывает движение без выяснения его причин. Описать движение – это значит определить изменение положения тела в пространстве в зависимости от времени.

2

простых типа движения: поступательное, при котором все точки движущегося тела имеют

Dt®0

данный момент времени определяется пределом (или производной по времени):

3

промежутка времени Dt ® 0 путь все больше приближается к модулю перемещения Ds ® Dr,

При этом необходимо указывать, что направление скорости в каждой точке совпадает c направлением касательной к траектории.

В физике производная по времени от любой величины называетсяскоростью изменения этой величины, например, сила тока – это скорость изменения заряда:

ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

В общем случае для криволинейного движения по плоскости вектор ускорения удобно представлять в виде суммы двух проекций (см. рис.1.5)

Касательное ускорение at характеризует быстроту изменения скорости по модулю, то есть вдоль касательной к траектории

задается двумя векторными кинематическими уравнениями поступательного движения:

которым, для случая плоского движения, соответствуют четыре проекции на оси координат:

4

Кинематические уравнения вращательного движения аналогичны (1.9):

Зная угловые кинематические величиныj, w, e, общие для всех точек тела при повороте тела на угол j, можно определить линейные кинематические величины, зависящие

от расстояния R точки от оси вращения (см. рис.1.7):

путь S, пройденный точкой, линейную скорость u движения точки, нормальное ускорение aп точки показанные рис.1.7 а)

5

1.1,в Движение точки по окружности

Частный случай – равномерное вращение тела (e = 0), когда точки тела совершают

равномерное движение по окружности(at = 0), то есть за равные промежутки времениt

точка проходит равные путиS (см. рис. 1.7, а). При этом вместе соотношениями(1.13) для характеристики движения используют общее число оборотовN за время t, период T (время полного оборота, [T] = c), частота обращения n (число оборотов в единицу времени, [n] = Гц

= 1/с):

1.1,г Путь

Курс физики в вузе состоит из тех же разделов, что и школьный курс физики. Различие состоит лишь в том, что разделы, знание которых необходимо для инженера связи, изучаются глубже. Прежде всего, это выражается в применении дифференциального и интегрального исчисления к определению различных физических величин.

Рассмотрим, каким образом можно определить длину пути при криволинейн неравномерном движении, если известна зависимость u(t), т. е. величина скорости в каждый момент времени (см. рис.1.8). Весь путь s, проходимый телом за времяt0 = t2 –t1, можно разбить на N участков:

малой величине Dsi движение на каждом участке можно считать равномерным(с постоянной скоростью) и прямолинейным, поэтому элементарный путь на каждом участке Dsi » ui×Dti , a полный путь на всем участке

Последнее неравенство будет тем точнее, чем на большее количество участков N разбит весь путь. В пределе N ® ¥, Dti ® 0, выражение (1.16) станет точным

6

Предел, к которому стремится сумма (1.17), когда наибольший из всех промежутков Dti

1.2 ДИНАМИКА

Динамика описывает влияние сил на движение тел.

Все задачи динамики решаются двумя основными способами: составлением уравнения движения и с помощью законов изменения и сохранения.

1.2,а Уравнение движения

Если в задаче говорится о силах или массе, то для решения таких задач составляют уравнение движения, из которого затем выражают ускорение и подставляют его кинематические уравнения:

При поступательном движении уравнение движения имеет вид:

где d – кратчайшее расстояние от точки O до линии действия силы, называемое плечом

силы.

7

1.2,б Законы изменения и сохранения импульса

Закон изменения импульса (для одного тела и одной внешней силы) имеет вид:

где m – масса тела; u1 и u2 – его начальная и конечная скорости.

Работа внешней силы А может вычисляться различными способами в зависимости от данных задачи. В механике работа определяется перемещением S , которое вызвано внешней силой F :

8

где a – угол между силой и перемещением.

В электростатике работа определяется разностью потенциалов Dj=U, которую прошел заряд q :

полная энергия такой системы определяется уже не только кинетической энергией как в (1.25), а суммой кинетической и потенциальной энергий. При этом в гравитационном поле потенциальная энергия определяется массой телаm и высотой его поднятия над уровнем

кинетической и потенциальной энергий тела в одной точке поля и в другой точке по сохраняется. К примеру, для заряда, который перемещается из точки с потенциаломj1 в точку с потенциалом j2:

где m – масса заряда, u1 и u2 – его начальная и конечная скорости.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Электричество – раздел физики, описывающий свойства полей посредством которых взаимодействуют электрические заряды, особенности движения зарядов в таких полях, характеристики специальных устройств, служащих для накопления энергии этих полей, а также законы направленного движения (токов) зарядов в этих полях.

1.3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

1.3,а Электрические заряды и их взаимодействие

Электрические заряды существуют в природе в виде элементарных заряженн частиц.

Величина заряда обозначается q или Q измеряется в Кулонах: [q] = Кл. Элементарный заряд е = 1,6×10–19 Кл, – это минимальный заряд, которым обладают

положительно заряженные протоны qР=+е и отрицательно заряженные электроны qе=–е. Все вещества состоят из атомов. Атом – это система положительно заряженного ядра,

содержащего протоны, и отрицательно заряженных электронных оболочек с электронами. Вся масса вещества сосредоточена в ядре, поскольку масса протона почти в тысячу раз больше массы электрона. Атом в целом не заряжен, так как суммарный заряд электронов на оболочках равен положительному заряду протонов ядра. При внешних воздействиях атом может либо терять электроны, и становиться при этом положительно заряженным ионом, либо захватывать лишние электроны, становясь отрицательно заряженным ионом. Таким

9

образом, чтобы зарядить тело, не изменяя его массы, необходимо либо перенести на него, либо удалить из него электроны. Результирующий заряд тела

пропорциональна величинам зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстоянияr между ними (опытный закон Кулона)

r

где r – радиус-вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2.

Если заряды помещены в среду с относительнойдиэлектрической проницаемостью e, то величина силы уменьшается в e раз:

осуществляющей это взаимодействие.

Электрическое поле и есть определенный вид материи, которая осуществляет электрические взаимодействия. Оно окружает каждое заряженное тело(с зарядом q) и простирается до бесконечности. Это пространство, в каждой точке которого на внесенный в

него пробный электрический зарядq согласно закону Кулона действует Fсила,

0

пропорциональная величинам q и q0. Отношение величины силы к q0 не зависит от пробного заряда и может характеризовать электрическое поле в точке, где помещен пробный заряд.

10