 |
|
Электростатика в вакууме
Методические рекомендации
По разделу «электричество и магнетизм»
Курса физики
Для студентов инженерных специальностей физико-математического факультета,
Для подготовки
К промежуточному и итоговому тестированию
Тирасполь, 2012
УДК
ББК
Составители: Брусенская Е.И., Хамидуллин Р.А., Ляхомская К.Д.
Рецензенты:
Константинов Н.А., доцент кафедры ОФ и МПФ
Соковнич С.М., доцент кафедры теоретической физики
Методические рекомендации по разделу «электричество и магнетизм» курса физики для студентов инженерных специальностей физико – математического факультета для подготовки к промежуточному и итоговому тестированию. Брусенская Е.И., Хамидуллин Р.А., Ляхомская К.Д, г. Тирасполь, ПГУ им. Т.Г. Шевченко, 2012г.- 69с. (электронный вариант)
В пособии изложены основные положения, законы и выводы, а также приведены основные соотношения по каждой изучаемой теме раздела «электричество и магнетизм». Кроме того, после приведенного справочного материала по соответствующей теме даны варианты тестов промежуточного контроля и примеры практических заданий к нему. В конце пособия приведены тесты итогового контроля по соответствующему разделу физики и примеры контрольных работ с ответами. Данное пособие должно помочь студентам в подготовке к соответствующим формам контроля и является тем минимумом в рамках раздела «электричество и магнетизм», который необходим для сдачи экзамена по физике.
Данное пособие рекомендуется студентам инженерных специальностей физико–математического факультета.
УДК
ББК
Утверждено Научно-методическим советом ПГУ им. Т.Г. Шевченко
© Составители
Брусенская Е.И., Хамидуллин Р.А., Ляхомская К.Д., 2012
Содержание
Введение………………………………………………………………………………...3
Электростатика в вакууме…………………………………………………………...6
Электрическое поле в веществе…………………………………………………….14
Постоянный электрический ток……………………………………………………22
Магнитостатика в вакууме……………………………………………….................28
Магнитное поле в веществе…………………………………………………………35
Электромагнитная индукция и уравнения Максвелла…………………………41
Движение заряженных частиц в электромагнитных полях.
Классическая теория электропроводности………………………………………..47
Электрические колебания. Переменный ток……………………………………..54
Варианты тестов итогового контроля по разделу:
электричество и магнетизм………………………………………………………….61
Примеры контрольных работ с ответами по разделу:
электричество и магнетизм………………………………………………………….62
Приложение 1………………………………………………………………………….64
Приложение 2………………………………………………………………………….66
Приложение 3………………………………………………………………………….67
Литература……………………………………………………………………………..69
Введение
Данное методическое пособие посвящено одному из разделов курса общей физики – разделу: «электричество и магнетизм». Многие выводы и законы, полученные в рамках этого раздела сыграли в свое время огромную роль в развитии таких областей науки и техники как: электротехника, радиоэлектроника, ускорительная техника, проводные системы передачи информации и связи и.т.д.
Как известно все многообразие взаимодействий между объектами в природе можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям в физике: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Эти взаимодействия проявляются в различных пространственных масштабах и характеризуются определенной интенсивностью. Из всех перечисленных взаимодействий в основном только электромагнитные проявляются в пространственных масштабах, характеризующих нашу повседневную жизнь. Практически все известные силы, приводящие к тем или иным физическим явлениям в нашей повседневной жизни, за исключением сил тяготения, являются электромагнитными (так электромагнитную природу имеют, известные из механики, сила упругости, сила трения и т.д.).
Описание электромагнитного взаимодействия в рамках классической физики строится на полевой модели взаимодействия. С точки зрения этой модели взаимодействие между объектами осуществляется с помощью посредника – поля и передается не мгновенно, а с конечной скоростью (в теории электромагнитных полей эта скорость в основном соизмерима со скоростью света) за конечный промежуток времени. Поэтому главными объектами изучения раздела «Электричество и магнетизм» являются электрические и магнитные поля. Как известно в отличие от других объектов классической физики они недоступны для непосредственного наблюдения. Однако об их существовании мы можем судить по их влиянию на определенные объекты.
Так, например, электрические поля способны ускорять (или замедлять) и отклонять заряженные частицы (объекты), в то время как на нейтральные частицы они не оказывают никакого воздействия. Кроме того, переменные электрические поля способны порождать магнитные. Магнитные поля, как правило, можно обнаружить по их способности намагничивать вещество. Помимо этого, переменные магнитные поля способны порождать вихревые электрические поля (в этом и состоит суть явления электромагнитной индукции).
Существование электричества впервые обнаружил в своих опытах древнегреческий философ Фалес Милетский. Он заметил, что, если кусок янтаря потереть о шелк или мех, янтарь обретает способность притягивать мелкие предметы. В средние века открытое Фалесом странное явление тщательно изучал придворный медик английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который обнаружил, что способность электризоваться присуща и многим другим веществам. Дальнейшие исследования, проведенные в Англии и других странах Европы, показали, что некоторые вещества ведут себя как изоляторы. Французский ученый Шарль Дюфе установил, что существуют две разновидности электрических зарядов; теперь мы называем их положительными и отрицательными.
В XVIII—XIX вв. природа электричества частично прояснилась после экспериментов Бенджамина Франклина и Майкла Фарадея. Выяснилось, что электрические заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков притягиваются, и в том и другом случае электрические силы ослабевают с расстоянием в соответствии с законом “обратных квадратов”, который Ньютон вывел ранее для гравитации. Но по величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, наличие которого Кавендишу удалось продемонстрировать только с помощью специального прибора, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать.
Работы Фарадея навели на мысль, что электричество скрыто в атоме, но существование электрона было твердо установлено только в 90-е годы 19-го века после того, как Дж. Дж. Томсон открыл “катодные лучи”. Ныне известно, что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона. Однако не все материальные частицы являются носителями электрического заряда (фотон, нейтрино). В этом отношении возникает отличие электромагнитного взаимодействия от гравитационного: все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.
Как и электричество, магнетизм в природе обнаружили древние греки. Примерно к 600 г. до н. э. им были известны свойства магнитного железняка (оксида железа); как обнаружилось, его куски могут действовать друг на друга на расстоянии. Примерно через 500 лет китайцы открыли поразительную способность магнитного железняка определенным образом ориентироваться в пространстве и создали первый примитивный компас.
К концу XVI в. европейские ученые начали постигать истинную природу магнетизма. Гильберт доказал, что Земля ведет себя как большой магнит, свойства которого весьма напоминают свойства построенной им модели — шара из магнитного железняка. Было установлено, что существуют две разновидности магнетизма, которые в соответствии с магнетизмом Земли получили название северного и южного полюсов.
Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Однако в отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный полюс. В обычном магните, имеющем форму стержня (прямоугольного параллелепипеда), один конец действует как северный полюс, а другой — как южный. Если стержень разрезать пополам, то на месте разреза возникнут новые полюса, т. е. получатся два новых магнита, каждый из которых имеет и северный, и южный полюса. Все попытки получить таким способом изолированный магнитный полюс — монополь — заканчивались неудачей.
Взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов, что соответствует особенностям электрического и гравитационного взаимодействия. Следовательно, электрическая и магнитная силы “дальнодействующие”, и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Например, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Солнце также порождает магнитное поле, которое заполняет всю Солнечную систему. Существует даже галактическое магнитное поле.
Вначале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, тогда как Майкл Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу работы динамо-машины и электрогенератора, которые и ныне играют важную роль в технике.
Основываясь на этих фактах, в 1860-1865 годах Максвелл разработал единую теорию электромагнетизма. Эта теория объяснила все известные в то время экспериментальные факты и предсказала ряд новых явлений, выявленных на практике впоследствии. Например, порождение переменным электрическим полем, магнитного поля.
Важным выводом этой теории стал вывод о существовании электромагнитных волн, способных распространяться в различных средах со скоростями, соизмеримыми со скоростью света, но не превышающими её. Теоретическое исследование этих волн привело Максвелла к созданию электромагнитной теории света.
Теория электромагнетизма построена на системе уравнений Максвелла, которые при наличии начальных и граничных условий дают исчерпывающее описание как состояния электромагнитного поля в некоторый момент времени, так и его дальнейшую эволюцию. Таким образом, система уравнений Максвелла играет такую же роль в электромагнетизме как законы Ньютона в механике или как термодинамические начала в молекулярной физике.
Следует подчеркнуть общефилософское и мировоззренческое значение электромагнитной теории. В рамках электромагнитных явлений отчетливо проявляются особенности полевой теории существования материи, на примере электрических и магнитных полей хорошо прослеживается взаимопревращение ее различных форм и как следствие взаимопревращение характеризующих их различных форм энергии.
Электростатика в вакууме