- •Электрический заряд. Электрическое поле. Основные характеристики электростатического поля – напряженность и потенциал. Графическое представление электростатических полей.
- •Напряженность и потенциал электростатического поля. Расчет полей методом суперпозиции (заряженный стержень, кольцо).
- •Потенциальность электростатического поля. Интегральная и дифференциальная связь напряженности и потенциала.
- •Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в вакууме (без вывода) и применение теоремы к расчету поля заряженной плоскости и сферы.
- •Электростатическое поле в диэлектриках. Диполи. Поведение диполя в однородном и неоднородном электростатическом поле. Поляризованность (вектор поляризации).
- •Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектрике (вывод). Вектор электрического смещения, диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость.
- •Поведение двух векторов e & d на границе двух диэлектриков.
- •Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектрике (без вывода). Свободные и связанные заряды. Расчет поля диэлектрика в виде цилиндра с равномерно распределенным зарядом.
- •Проводники в электростатическом поле. Емкость. Конденсаторы.
- •Емкость. Конденсаторы. Энергия электростатического поля.
- •Постоянный электрический ток. Вектор плотности тока. Классическая теория электропроводимости металлов. Закон Ома в дифференциальной форме.
- •Закон Ома в интегральной форме. Обобщенный закон Ома.
- •Магнитное поле. Вектор магнитной индукции, как силовая характеристика магнитного поля. Силовые линии магнитного поля.
- •Магнитное поле тока. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитной индукции на оси кругового витка с током методом суперпозиции.
- •Расчет магнитного поля прямолинейного проводника с током с помощью закона Био-Савара-Лапласа и принципа суперпозиции.
- •Закон полного тока для магнитного поля в вакууме. Сцепленный ток. Применение закона полного тока для расчета магнитного поля тороида.
- •Применение закона полного тока для расчета магнитного поля тока тороида и длинного соленоида. Вихревой характер магнитного поля.
- •Силовое действие магнитного поля на проводник с током и контур с током.
- •Движение заряженных частиц в магнитном поле. Сила Ампера и Лоренса.
- •Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
- •Явление электромагнитной индукции. Законы Фарадея-Максвелла. Правило Ленца. Вывод закона электромагнитной индукции на основе электронной теории.
- •Явление самоиндукции. Токи замыкания и размыкания. Взаимная индукция.
- •Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии.
- •Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты атомов. Намагниченность. Макро- и микротоки.
- •Закон полного тока для магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля. Поведение векторов в и н на границе магнетиков.
- •Типы магнетиков. Магнитная проницаемость. Элементарная теория диа- и парамагнетизма.
- •Ферромагнетики. Домены. Гистерезис. Точка Кюри.
- •Основы теории Максвелла для электромагнитного поля. Уравнения Максвелла в интегральной форме. Ток смещения.
- •Гармонические электромагнитные колебания и их характеристики. Электрический колебательный контур. Дифференциальное уравнение собственных гармонических колебаний и его решение.
- •Затухающие электромагнитные колебания. Дифференциальное уравнение и его решение. Логарифмический декремент.
- •Вынужденные электромагнитные колебания. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс.
- •Сложение однонаправленных и взаимно перпендикулярных колебаний.
Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии.
Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии.
Из закона сохранения энергии следует, что вся энергия, запасенная в катушке, выделится в виде джоулева тепла. Если обозначить через R полное сопротивление цепи, то за время Δt выделится количество теплоты ΔQ = I2 R Δt.
Ток в цепи равен
|
Выражение для ΔQ можно записать в виде
ΔQ = –L I ΔI = –Φ (I) ΔI. |
В этом выражении ΔI < 0; ток в цепи постепенно убывает от первоначального значения I0 до нуля. Полное количество теплоты, выделившейся в цепи, можно получить, выполнив операцию интегрирования в пределах от I0 до 0. Это дает
|
Энергия магнитного поля, создаваемого током в замкнутом контуре индуктивностью L, равна где I — сила тока в контуре.
Энергия магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, равна
Энергию магнитного поля можно рассматривать как функцию величин, которые характеризуют это поле в окружающем пространстве. Для этого рассмотрим частный случай — однородное магнитное поле внутри длинного соленоида. Подставив в формулу энергии формулу индуктивности соленоида, найдем . Так как I=Bl/(μ0μN) и В=μ0μH , то (2). Магнитное поле внутри соленоида однородно и сосредоточено внутри него, поэтому энергия (2) заключена в объеме соленоида и имеет с нем однородное распределение с постоянной объемной плотностью . Эта формула выводилась для однородного поля, но она верна и для неоднородных полей, также она справедлива только для сред, для которых зависимость В от Н линейная, т.е. оно относится только к пара- и диамагнетикам.
Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты атомов. Намагниченность. Макро- и микротоки.
Экспериментальные исследования показали, что все вещества в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Если два витка с токами поместить в какую-либо среду, то сила магнитного взаимодействия между токами изменяется. Этот опыт показывает, что индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме.
Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции (0) магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью:
Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов.
Для качественного объяснения магнитных явлений с достаточным приближением можно считать, что электрон движется в атоме по круговым орбитам. Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току, поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом pm=ISn, модуль которого: где I=en — сила тока, n — частота вращения электрона по орбите, S — площадь орбиты. Если электрон движется по часовой стрелке, то ток направлен против часовой стрелки.
Намагниченность — векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние физического тела. Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества:
Здесь, M — вектор намагниченности; m - вектор магнитного момента; V — объём.
В общем случае (случае неоднородной, по тем или иным причинам, среды) намагниченность выражается как:
Связь между M и напряженностью магнитного поля H в диамагнитных и парамагнитных материалах, обычно линейна (по крайней мере, при не слишком больших величинах намагничивающего поля): , где χm называют магнитной восприимчивостью.
Мы будем различать макроскопические токи, т.е. электрические токи, протекающие по проводникам в электрических цепях и микроскопические токи, обусловленных движением электронов в атомах и молекулах.
Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее, упорядочивающее действие на эти микротоки. Например, если вблизи какого-то тела поместить проводник с током (макроток), то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор магнитной индукции B характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. Поэтому, при одном и том же макротоке, вектор B в различных средах будет иметь разные значения. Магнитное поле макротока описывается вектором напряженности магнитного поля H.
В среде магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков среды.