Волгоградский государственный технический университет
Кафедра «Экспериментальная физика»
Материалы
курса
«ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»
Специальность 510400 – физика
Третий семестр
Лекции 72 часа, семинары 54 часа, физпрактикум 72 часа.
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
1. Цель курса ………………………………………………………………….. 2
2. Темы и содержание лекций ………………………………………………… 3
3. Литература……………………………………………………………….…. 6
4. Семинары и контрольные работы …………………………………….…… 7
5. Лабораторные работы ……………………………………………………... 8
6. Экзаменационные вопросы ……………………………………………….. 12
Лектор курса
Михайлов Владимир Константинович
Волгоград 2014
Физики делятся на теоретиков, которые описывают то, чего никто никогда не наблюдает, и экспериментаторов, которые наблюдают то, чего никто не может описать.
Д. Биргхоф
1. Цель курса
Курс «Электромагнетизм» даёт основные теоретические сведения, практические и экспериментальные навыки, необходимые для понимания последующих дисциплин, для осмысленной работы в лабораториях специализации, для формирования общей способности будущих специалистов к самостоятельной работе.
Цель курса включает в себя следующее:
первичное систематическое ознакомление студентов с основными явлениями, понятиями и законами электромагнетизма, с электромагнитными свойствами вещества и поля;
обучение методам решения соответствующих классов задач;
привитие навыков экспериментальных исследований, практической работы с электро- и радиоизмерительными приборами.
Эта цель достигается аудиторными (лекционными, семинарскими, лабораторными) и самостоятельными занятиями, в результате которых студент должен знать:
определения электромагнитных величин и единицы их измерения в системе СИ;
формулировки всех законов электромагнетизма;
сущность основных электромагнитных явлений (эффектов);
методы решения типовых задач электромагнетизма;
студент должен уметь:
применять аппарат физики и математики для решения конкретных задач электромагнетизма;
разбираться в специальной физико-математической литературе, где используются законы и уравнения электромагнетизма;
свободно пользоваться стандартными электроизмерительными и электронными приборами для проведения простейших экспериментов, для правильного измерения электромагнитных величин, для наблюдения электромагнитных процессов.
Все виды занятий по электромагнетизму проводятся в третьем семестре и требуют от студентов знаний основ механики, математического анализа, векторного анализа и дифференциальных уравнений.
Курс «Электромагнетизм» является фундаментальным в системе таких физических дисциплин, как «Электродинамика», «Оптика и волновые процессы», «Методы математической физики», а также практически для всех специальных курсов радиоэлектронного направления.
2. Темы и содержание лекций
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ (16 часов)
1.1. Заряды. Закон Кулона. Электрическое поле. (1-12) *)
Виды взаимодействий в природе. Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряжённость поля. Напряжённость поля точечного заряда. Принцип суперпозиции.
1.2. Теорема Гаусса (13,14)
2. Теорема Гаусса (интегральная и дифференциальная формы). Применения теоремы Гаусса. Теорема Ирншоу.
1.3. Потенциал (15-20, 24-26)
Теорема о циркуляции вектора Е. Потенциал и разность потенциалов. Аддитивность потенциала. Энергия заряда в электрическом поле. Единица потенциала. Потенциалы полей точечного заряда и сферы. Вычисление поля через распределение его потенциала. Эквипотенциальные поверхности.
Электрический диполь. Потенциал и поле точечного диполя. Диполь в электростатическом поле. Энергия диполя в поле Е.
1.4. Проводник в электростатическом поле (27-30)
Сплошной проводник в электростатическом поле. Свободные заряды. Поле у поверхности проводника. Свойства замкнутой проводящей оболочки. Метод изображений.
1.5. Электроёмкость. Энергия электрического поля. (31-37)
Ёмкость уединённого проводника. Единица ёмкости. Конденсатор. Ёмкости плоского, цилиндрического и сферического конденсаторов. Погонные ёмкости двухпроводной и коаксиальной линий. Энергия заряженного конденсатора. Распределение энергии в электрическом поле.
1.6. Электрическое поле в диэлектриках (38-48, 50-52)
Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации. Пьезоэффект и его применение. Свободные и связанные заряды. Поляризованность диэлектрика. Теорема Гаусса для поля вектора Р.
Электрическое поле Е в диэлектрике. Вектор D. Связь между векторами Р, Е и D в диэлектриках. Диэлектрическая проницаемость. Ёмкость конденсатора, заполненного диэлектриком. Граничные условия для векторов Е и D. Условия на границе «проводник-диэлектрик».
2. ПОСТОЯННЫЙ ТОК (6 часов)
2.1. Постоянный ток. ЭДС. Закон Ома. (53, 54, 57-61, 64-69)
Понятие тока. Плотность тока. Закон сохранения заряда. Законы Ома и Джоуля-Ленца (интегральная и дифференциальная формы). Электродвижущая сила (ЭДС). Обобщённый закон Ома (дифференциальная и интегральная формы). Выходное напряжение генератора.
_____________________
*)Указаны номера параграфов из [1] в списке литературы.
2.2. Уравнения Кирхгофа (63, 70)
Уравнения Кирхгофа и их вывод из обобщённого закона Ома и из закона сохранения заряда.
Постоянный ток в безграничной слабопроводящей среде.
2.3. Постоянный ток в металлах(145-147, 151)
Свободные носители заряда в металлах. Механизм электрического сопротивления. Классическая электронная теория металлов и объяснение на её основе законов Ома и Джоуля-Ленца. Затруднения классической теории. Граница применимости закона Ома.
3. ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ (10 часов)
3.1. Природа магнитного поля (140,141; [5]: т.5, гл.13, §§ 1, 2, 6)
Определение магнитного поля (формула Лоренца). Инвариантность заряда и сохранение заряда. Релятивистская природа магнетизма. Формулы преобразования полей при нерелятивистских скоростях.
3.2. Магнитное поле в вакууме (76,78-86, 88, 150)
Действие магнитного поля на ток (сила Ампера). Действие магнитного поля на контур с током. Магнитный момент контура с током.
Магнитное поле равномерно движущегося заряда (закон Био-Савара). Магнитное поле тока. Взаимодействие параллельных проводов с токами. Определение ампера. Магнитное взаимодействие движущихся зарядов.
Теорема о циркуляции вектора В. Применения теоремы о циркуляции. Основные уравнения магнитостатики для вакуума.
3.2. Магнитное поле в веществе (79,103-106,108,109.115,118)
Намагничивание вещества. Механизмы намагничивания пара- и диамагнетиков.
Магнитное поле в веществе. Вектор Н. Теорема о циркуляции вектора Н. Связь между векторами М, В и Н у пара- и диамагнетиков. Единицы измерения величин В и Н. Граничные условия.
Эффект Холла.
3.3. Ферромагнетики (110-112,119)
Свойства ферромагнетиков. Кривая намагничивания. Магнитная проницаемость. Гистерезис. Ферромагнитные материалы. Потери энергии при перемагничивании. Природа ферромагнетизма.
4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ (6 часов)
4.1. Электромагнитная индукция (89-91, 131-135, 142)
Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца. ЭДС в проводе, движущемся в магнитном поле. Вихревое электрическое поле. Закон электромагнитной индукции в формулировке Максвелла. Проявления электромагнитной индукции: вихревые токи, скин-эффект.
4.2. Самоиндукция и взаимная индукция (93-99)
Индуктивность контура. Явление самоиндукции. Единицы индуктивности, магнитного потока и магнитного поля в системе СИ. Энергия контура с током. Распределение энергии в магнитном поле. Выражение индуктивности токовой системы через распределение её магнитного поля.
Взаимная индукция. Взаимная индуктивность двух контуров. Соединения катушек. Электрическое и магнитное давление.
5. ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (16 часов)
5.1. Элементы цепей переменного тока (217-219; [5]: т.6, гл.22, §§ 1-3)
Переменный ток. Условие квазистационарности. Функциональные определения элементов R, L и C. Уравнения Кирхгофа.
5.2. Свободные колебания в контуре (207-210, 216)
Понятие колебаний. Амплитуда, частота, фаза. Свободные колебания в идеальном контуре. Превращения энергии в идеальном контуре.
Свободные колебания в реальном контуре. Условие и характеристики затухающих колебаний. Апериодический процесс.
5.3. Переходные процессы (74, 95)
Понятие о переходных процессах. Переходные процессы при включении и выключении постоянного напряжения на последовательных цепях RC, RL и RLC. Перенапряжение.
5.4. Установившиеся синусоидальные процессы в цепях RLC.
Метод векторных диаграмм (217-220, 223)
Амплитудные и фазовые соотношения для токов и напряжений на элементах R, L и C. Векторные диаграммы. Синусоидальное напряжение на последовательной цепи RLC.
Мощность, рассеиваемая на участке цепи переменного тока. Эффективные (действующие) значения периодических величин.
5.5. Метод комплексных амплитуд (227, 228)
Идея метода. Комплексные сопротивления (импедансы). Соединения импедансов. Уравнения Кирхгофа в комплексной форме.
Понятие линейного пассивного двухполюсника. Закон Ома в комплексной форме. Импеданс двухполюсника. Изображение импеданса на комплексной плоскости. Изображение комплексных амплитуд векторными диаграммами.
5.6. Характеристики колебательных контуров
(221, 224, 225; [5]: т.6, гл.23, §§ 1-3)
Установившиеся колебания в последовательном контуре: уравнение колебаний, амплитудно-частотная и фазовая характеристики, полоса пропускания (ширина резонансной кривой), резонанс. Использование резонанса при радиоприёме.
Установившиеся колебания в параллельном контуре: амплитудные и фазовые соотношения. Резонанс токов.
Свойства реальных элементов R, L и C на сверхвысоких частотах.
6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ (10 часов)
6.1. Уравнения Максвелла (136-139)
Гипотеза Максвелла о токе смещения. Примеры, подтверждающие гипотезу Максвелла. Система уравнений Максвелла для вакуума. Вырождение системы для случая статических полей. Уравнения Максвелла для вещества. Материальные уравнения.
6.2. Электромагнитные волны (237-241)
Волновое уравнение. Получение волнового уравнения из уравнений Максвелла. Общее решение одномерного волнового уравнения.
Плоские электромагнитные волны. Структура плоских волн. Скорость волн в среде. Поляризация плоских волн. Бегущие синусоидальные волны. Волновое число. Длина волны.
Сферические волны. Стоячие волны.
6.3. Энергия электромагнитного поля (242, 244. 245)
Энергия и поток энергии электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга. Интенсивность синусоидальных волн. Закон сохранения энергии электромагнитного поля и его непротиворечивость с уравнениями Максвелла. Давление синусоидальных волн. Примеры.
Обобщённое уравнение энергии электромагнитного поля. Примеры процессов, иллюстрирующих уравнение энергии.
7. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА (4 часа)
(123-125, 128-130, 133)
Генераторы переменного и постоянного напряжения. Электродвигатель постоянного напряжения.
Трансформатор и принцип его работы.
Трёхфазные цепи. Соотношения между линейным и фазным напряжениями. Векторные диаграммы.
Вращающееся магнитное поле. Асинхронный двигатель.
3. ЛИТЕРАТУРА
1.Калашников С. Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. – §§ 128, 129.
2. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 2. «Наука», М., 1982.
3. Иродов И. Е. Электромагнетизм. Основные законы. М., 2000.
4. Иродов И. Е. Волновые процессы. Основные законы. М., 1999.
5. Иродов И. Е. Задачи по общей физике. Изд. 4-е. «Физматлит», М., 2001.
6. Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. «Мир»,М.,1977. Т.5-7.
7. Парселл Э. Электричество и магнетизм. «Наука», М., 1975.
8. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. «Высшая школа», М., 1973.
9. Иванов И. И., Равдоник В. С. Электротехника. «Высшая школа», М., 1984.