Раздел 2. Электрическое и магнитное поле

Данный раздел состоит из подразделов: «Электростатическое поле в пустоте», «Электростатическое поле в диэлектрике», «Электростатические цепи», «Магнитное поле неферромагнитной среде», «Магнитное поле ферромагнитной среде», «Магнитные цепи», «Электромагнитная индукция». При изучении данного раздела необходимо обратить внимание на такие вопросы, как: применение закона Кулона и теоремы Гаусса для расчета электростатического поля; физическое строение диэлектрика и поляризация диэлектрика; понятие электрической емкости и вычисление емкости плоского, цилиндрического конденсаторов и двухпроводной линии; способы соединения конденсаторов и расчет электростатических цепей; закон Ампера и формула Био-Саварра в применении к расчету магнитного поля в простейших случаях; работа при перемещении контура с током в магнитном поле; определение индуктивности кольцевой, цилиндрической катушки и двухпроводной линии; понятие взаимного потокосцепления и взаимной индуктивности; определение энергии магнитного поля и объемной плотности энергии магнитного поля; классификация магнитных цепей; закон полного тока в применении к магнитной цепи; расчет разветвленной и неразветвленной однородной и неоднородной магнитной цепи, решение прямой и обратной задач; законы Ома и Кирхгофа для магнитной цепи и аналогии между законами магнитной и электрической цепи; явление электромагнитной индукции и примеры использования электромагнитной индукции.

Литература

[2] Гл.4 § 4.1-4.10; 4.12; 4.16; Гл.7 § 7.1-7.9; Гл.6 § 6.1-6.7

[4] с. 98, 120, 130, 116

[1] Гл.3 § 3.6-3.8

Вопросы для самопроверки:

1. В каком случае тело является электрически нейтральным?

2. Сформулируйте закон Кулона и напишите его математическое выражение?

3. Как и для чего проводятся линии напряженности электрического поля?

4. Чем отличаются друг от друга равномерное и неравномерное электрические поля? Приведите примеры таких полей?

5. Какое электрическое поле называется однородным?

6. Частицы с зарядами –q и +4q находятся на расстоянии 15 см друг от друга. Найти, где находится точка поля, в которой напряженность равна нулю.

7. В каких случаях удобно пользоваться теоремой Гаусса для вычисления напряженности электрического поля?

8. Тонкий длинный провод круглого сечения равномерно заряжен с линейной плотностью τ=10^-11 Кл/см. Найти напряженность электрического поля на расстоянии 16 см от оси в воздухе.

9. На расстоянии 20 мм от точечного заряда, находящегося в вакууме, напряженность поля равна 300 кВ/м. Определить заряд.

10. Плотность заряда на плоской металлической поверхности равна 5·10^-9 Кл/м². Найти в воздухе напряженность электрического поля на очень малом расстоянии от плоскости (по сравнению с ее размерами).

11. Что такое электрический диполь и электрический момент диполя?

12. В чем заключается физическое явление поляризации диэлектрика?

13. Почему в переменном электрическом поле диэлектрик заметно нагревается?

14. Почему электрическое поле в пустоте сильнее, чем в диэлектрике при прочих равных условиях?

15. Что называется абсолютной и относительной диэлектрической проницаемостью?

16. В электрическом поле помещена пластина из изоляционного материала, обернутая металлической фольгой. При какой напряженности произойдет пробой пластины?

17. Пространство между параллельными металлическими пластинами заполнено диэлектриком, пробивная напряженность которого E_пр=15кВ/мм. Рабочее напряжение U_р меньше пробивного в три раза. Определить U_р если толщина диэлектрика d=0,1мм.

18. Как связаны между собой значения электрического смещения и плотности заряда на поверхности проводящего тела в электростатическом поле?

19. Что представляет собой электрическая ёмкость конденсатора?

20. Каждая из двух пластин плоского конденсатора имеет площадь 72см²; изоляция между пластинами – сухая кабельная бумага толщиной 0,2мм с диэлектрической проницаемостью E=3,14. Найти ёмкость конденсатора.

21. Изолятор цилиндрического конденсатора на 70 кВ имеет E_проб=120кВ/см, E=3,5. Каков запас прочности, если внешний радиус конденсатора R₂=4,76см, а отношение радиусов R₂/R₁=2,727. Найти ёмкость, если длина цилиндра 1м.

22. Расстояние между проводами двухпроводной линии 1м. Найти ёмкость линии на 1км, если провода марки М-50 (d=9мм).

23. Как изменяются электрическое смещение и напряженность поля на границе раздела диэлектриков в плоском конденсаторе?

24. Какое соединение конденсаторов называют последовательным, а какое параллельным? В чем основные особенности этих соединений?

25. Эквивалентная емкость двух последовательно соединенных конденсаторов C_экв=240 мкФ. Определить емкость второго конденсатора С₂ если емкость первого конденсатора С₁=400мкФ.

26. Два конденсатора емкостью С каждый соединены последовательно, затем параллельно. В каком случае их эквивалентная емкость больше и во сколько раз?

27. Определить эквивалентную емкость 60 конденсаторов соединенных параллельно, затем последовательно, если емкость каждого конденсатора С=3мкФ.

28. Какой ёмкости конденсатор необходимо подключить параллельно к конденсатору ёмкостью 30 мкФ, чтобы получить емкость батареи 80мкФ?

29. Что такое магнитное поле? Перечислите явления, в которых проявляется действие магнитного поля.

30. В чем состоит закон Ампера? Назовите все величины входящие в формулу Ампера, и единицы их измерения.

31. Для чего введено понятие о линиях магнитной индукции? Как они проводятся?

32. Чему равна намагничивающая сила вдоль контура?

33. Прямой привод расположен в однородном магнитном поле перпендикулярно его направлению. При токе 10А на привод с активной длиной 20см действует сила 1Н. Найти магнитную индукцию. При какой активной длине провода сила равна 2Н? При каком токе в первом случае сила равна 0,75Н?

34. Что называется полным током сквозь поверхность, ограниченную замкнутым контуром?

35. Почему произведение Iω называется намагничивающей силой?

36. В чем состоит правило левой руки?

37. Что такое магнитный поток? Как он определяется для равномерного магнитного поля?

38. Что такое магнитный поток рассеяния?

39. Почему магнитное поле кольцевого витка с током может быть рассчитано с помощью простых математических средств только в точках, расположенных на оси витка?

40. Найти магнитную индукцию на оси кольцевого проводника с радиусом 15см в точке, удаленной от центра на расстояние 26см. при токе 30А.

41. В цилиндрической катушке с индуктивностью L=0,2мГн ток I=10А. пренебрегая магнитным рассеянием, определить магнитное потокосцепление и поток катушки, если число витков W=200.

42. Определить индуктивность участка двухпроводной линии длиной l=500м, выполненной медным проводом радиусом r=0,8см при расстоянии между проводами a=0,5м.

43. Что такое намагничивающая сила?

44. В чем заключается закон полного тока?

45. Как произвести расчет поля кольцевой и цилиндрической катушки?

46. Какие явления наблюдаются на границе двух сред при переходе магнитного потока из одной среды в другую?

47. Что означает числовое значение магнитной проницаемости?

48. Какой вид имеет кривая первоначального намагничивания и какую зависимость она выражает?

49. Объясните явление магнитного насыщения.

50. Почему при циклическом перемагничивании ферромагнитные материалы нагреваются?

51. В чем различие магнитных свойств магнито-мягких и магнито-твердых материалов?

52. Для чего нужно знать площадь петли гистерезиса?

53. Кольцевая катушка (W=2000 витков) с чугунным сердечником имеет средний диаметр 40 см. Найти намагниченность сердечника, если магнитная индукция в нем 0,6Тл при токе в обмотке 2А.

54. При регулировании тока в катушке со стальным сердечником рабочая точка на кривой намагничивания переходит из точки (5А/см; 1,2Тл) в точку (10А/см; 1,4Тл). Как изменится ток, магнитный поток и магнитная проницаемость?

55. Какова зависимость энергии магнитного поля системы катушек от способа их включения (согласное и встречное)?

56. По двум параллельным проводам, расстояние между осями которых 2м, проходят в противоположных направлениях одинаковые токи 400А. Определите магнитную индукцию в точке, которая удалена от оси первого привода на расстояние 1,4м, а от оси второго – на 0.6м.

57. Когда накапливается энергия в магнитном поле катушки?

58. Как определяется энергия электрического поля системы заряженных тел?

59. Что называется магнитной цепью? Какая магнитная цепь называется однородной?

60. Приведите формальную аналогию между величинами, характеризующими магнитную и электрическую цепи?

61. Как записывается закон Ома для магнитной цепи?

62. Почему магнитный поток сквозь любую замкнутую поверхность равен нулю?

63. Каким образом из уравнения закона полного тока получается уравнение второго закона Кирхгофа для магнитной цепи?

63. Какие методы расчета магнитных цепей вы знаете?

64. Магнитный поток в кольцевом сердечнике катушки 1,6·10^-3Вб. Найти магнитное сопротивление цепи, если в катушке из 400 витков проходит ток 1А.

65. Чем отличаются симметричные магнитные цепи от несимметричных?

66. Сколько витков имеет кольцевая катушка, площадь поперечного сечения которой 25см², средний диаметр 40см, магнитный поток внутри нее Ф=3·10^-3Вб? Сердечник катушки имеет воздушный зазор = 0,15см. Материал сердечника – сталь Э21. Ток в ней 10А.

67. Какими магнитными свойствами должны обладать стали для изготовления постоянных магнитов?

68. В чем состоит эффект размагничивания постоянного магнита при наличии воздушного зазора?

69. Дайте формулировки закона электромагнитной индукции Фарадея и Максвелла. Чем отличаются формулировки этих законов? Напишите математическое выражение закона электромагнитной индукции.

70. В чем состоит правило Ленца?

71. В каких случаях применяют правило правой руки?

72. При каком условии прекращается процесс разделения заряда в проводнике, движущемся в магнитном поле?

73. Чему равен ток в контуре, если известно, что потокосцепление контура , а индуктивность его L=11нГн?

74. Какую роль играет магнитное поле при преобразовании электрической энергии в механическую и обратно?

75. Что называется ЭДС самоиндукции? Как определяется ее направление?

76. Потокосцепление катушки без магнитопровода при токе 10А равно 0,01Вб. Найти индуктивность катушки и потокосцепления при токе 5А.

77. Что такое вихревые токи? Какую природу они имеют?

78. Где полезно используются вихревые токи?

79. Какова ЭДС самоиндукции катушки, обладающей индуктивностью L=0,8Гн, если ток в ней уменьшается на 0,4А в течение 0,002с?

Лабораторная работа №3

Исследование явления электромагнитной индукции.

Сборка электрических схем.

Проведение опытов и снятие опытных данных.

Объяснение результатов опытов на основе теории электромагнетизма.