- •Часть II. Электричество и магнетизм.
- •Цель обучения
- •Содержание лекционного курса «Электричество и магнетизм» Семестр 3
- •Раздел 1. Электростатика /1а, 1б, 2б, 3б, 4б, 6б, 7б/
- •1.1. Предмет классической электродинамики. Электрическое поле. Напряженность электрического поля.
- •1.2. Основные уравнения электростатики в вакууме.
- •1.3. Электростатическое поле в диэлектриках.
- •1.4. Проводники в электростатическом поле. Конденсаторы. Энергия электрического поля.
- •Раздел 2. Постоянный электрический ток /1а, 1б, 2б, 3б, 4б, 6б, 7б/
- •2.1. Постоянный электрический ток.
- •2.2. Основы классической теории электропроводности металлов.
- •2.3. Электрический ток в различных средах.
- •Раздел 3. Магнитное поле постоянного тока. /1а, 1б, 2б, 3б, 4б, 7б, 8б/
- •Раздел 4. Квазистационарные электромагнитные поля. Электромагнитные колебания и волны /2а, 1б, 2б, 3б, 5б, 7б, 8б/
- •4.4. Общие свойства и характеристики волновых процессов.
- •Лекция 1 Предмет классической электродинамики. Электрическое поле. Напряженность электрического поля.
- •1. Электростатика
- •1.1. Электрические заряды. Способы получения зарядов. Закон сохранения электрического заряда.
- •1.2. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона. Применение закона Кулона для расчета сил взаимодействия протяженных заряженных тел.
- •1.3. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей.
- •Лекция 2 Основные уравнения электростатики в вакууме.
- •1.4. Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Гаусса.
- •Применение теоремы Гаусса для расчета электрических полей.
- •Работа сил поля по перемещению заряда. Потенциал и разность потенциалов электрического поля.
- •1.7. Связь между напряженностью и потенциалом электрического поля. Градиент потенциала. Теорема о циркуляции электрического поля.
- •1.8. Эквипотенциальные линии и поверхности и их свойства.
- •1.9. Потенциалы простейших электрических полей.
- •Лекция 3 Электростатическое поле в диэлектриках.
- •1.10. Поляризация диэлектриков. Свободные и связанные заряды. Основные виды поляризации диэлектриков.
- •2) Деформационная или электронная поляризация (неполярные диэлектрики).
- •3) Ионная поляризация (кристаллы).
- •4) Сегнетоэлектрики и пироэлектрики.
- •1.11. Вектор поляризации и вектор электрической индукции.
- •1.12. Напряженность электрического поля в диэлектрике.
- •Лекция 4 Проводники в электростатическом поле. Конденсаторы. Энергия электрического поля.
- •1 .15. Равновесное распределение зарядов на проводниках.
- •1.16. Электроемкость проводников. Конденсаторы.
- •1.17. Вычисление емкости простых конденсаторов.
- •1.18. Соединение конденсаторов.
- •1) Последовательное соединение.
- •2) Параллельное соединение.
- •1.19. Энергия системы неподвижных точечных зарядов.
- •1.20. Энергия заряженного проводника и заряженного конденсатора.
- •1.21. Энергия электростатического поля.
- •Лекция 5
- •2. Постоянный электрический ток
- •2.1. Характеристики тока. Сила и плотность тока. Падение потенциала вдоль проводника с током.
- •2.2. Закон Ома для однородного участка цепи. Сопротивление проводников.
- •2.3. Дифференциальная форма закона Ома.
- •2.4. Сторонние силы. Эдс источника тока. Закон Ома для неоднородного участка цепи и для замкнутой цепи.
- •Напряжение на зажимах источника тока.
- •2.6. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа.
- •2.8. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца.
- •2.9. Кпд источника тока.
- •Лекция 6 Основы классической теории электропроводности металлов.
- •2.10. Природа носителей тока в металлах.
- •2.11. Основные положения классической электронной теории проводимости металлов Друде – Лоренца.
- •2.12. Вывод законов Ома, Джоуля-Ленца и Видемана-Франца на основе теории Друде-Лоренца.
- •2.13. Затруднения классической теории электропроводности металлов. Сверхпроводимость металлов. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости.
- •Лекция 7 Электрический ток в различных средах.
- •2.14. Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея.
- •2.15. Электропроводность газов. Основные виды газового разряда. Плазма.
- •2.16. Электрический ток в вакууме. Работа выхода электрона из металла. Явление термоэлектронной эмиссии.
- •Лекция 8
- •3. Магнитостатика
- •Постоянное магнитное поле.
- •3.1. Взаимодействие проводников с током. Закон Ампера.
- •3.2. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции магнитных полей.
- •Лекция 9 Контур с током в магнитном поле.
- •3.4. Магнитный момент тока.
- •3.5. Магнитное поле на оси кругового витка с током.
- •3.6. Момент сил, действующих на контур с током в магнитном поле.
- •3.7. Энергия контура с током в магнитном поле.
- •3.8. Контур с током в неоднородном магнитном поле.
- •3.9. Работа, совершаемая при перемещении контура с током в магнитном поле.
- •Лекция 10 Основные уравнения магнитостатики в вакууме.
- •3.10. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса в магнитостатике. Вихревой характер магнитного поля.
- •3.11. Теорема о циркуляции магнитного поля. Магнитное напряжение.
- •3.12. Магнитное поле соленоида и тороида.
- •1) Магнитное поле на оси прямого длинного соленоида.
- •2) Магнитное поле на оси тороида.
2.11. Основные положения классической электронной теории проводимости металлов Друде – Лоренца.
Исходя из представлений о свободных электронах как основных носителях тока в металлах, Друде (Drude P., 1863-1906) разработал классическую теорию электропровод-ности металлов, которая затем была усовершенствована Лоренцем (Lorentz H., 1853-1928).
Основные положения этой теории сводятся к следующим:
1). Носителями тока в металлах являются электроны, движение которых подчиняется законом классической механики.
2). Поведение электронов подобно поведению молекул идеального газа (электронный газ).
3). При движении электронов в кристаллической решетке можно не учитывать столкновения электронов друг с другом.
4). При упругом столкновении электронов с ионами электроны полностью передают им накопленную в электрическом поле энергию.
Средняя тепловая скорость хаотического движения электронов при Т≈300К составляет .
При включении электрического поля на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченное движение (называемое иногда «дрейфовым»), происходящее с некоторой средней скоростью ; возникает направленное движение электронов – электрический ток. Плотность тока определяется по формуле.
Оценки показывают, что при максимально допустимой плотности тока в металлах j = 107 А/м2 и концентрации носителей 1028 – 1029м-3 , . Таким образом, даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов .
2.12. Вывод законов Ома, Джоуля-Ленца и Видемана-Франца на основе теории Друде-Лоренца.
Закон Ома.
Ускорение, приобретаемое электроном в электрическом поле (рис.6.3).
Рис.6.3. К выводу закона Ома.
На пути свободного пробега λ максимальная скорость электрона достигнет величины
,
где τ - время свободного пробега: .
Среднее значение скорости упорядоченного движения есть:
.
Подставив это значение в формулу для плотности тока, будем иметь:
,
Полученная формула представляет собой закон Ома в дифференциальной форме:
,
где σ – удельная электропроводность металла:
.
Закон Джоуля - Ленца
Кинетическая энергия электрона, которую он имеет к моменту соударения с ионом:
.
При столкновении с ионом энергия, полученная электроном в электрическом поле , полностью передается иону. Число соударений одного электрона в единицу времени равно , где λ – длина свободного пробега электрона. Общее число столкновений за единицу времени в единице объема равно . Тогда количество тепла, выделяющегося в единице объема проводника за единицу времени будет:
.
Последнюю формулу можно представить в виде закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме:
,
где ρ =1/σ – удельное сопротивление металла.
Закон Видемана-Франца.
Из опыта известно, что металлы, наряду с высокой электропроводностью, обладают также высокой теплопроводностью. Видеман (Wiedemann G., 1826-1899) и Франц (Franz R.,) установили в 1853г. эмпирический закон, согласно которому отношение коэффициента теплопроводности κ к коэффициенту электропроводности σ для всех металлов приблизительно одинаково и изменяется пропорционально абсолютной температуре:
.
Рассматривая электроны как одноатомный газ, можем на основании кинетической теории газов написать для коэффициента теплопроводности электронного газа:
,
где - удельная теплоемкость одноатомного газа при постоянном объеме.
Разделив κ на σ, приходим к закону Видемана-Франца:
.
Подставив сюда k = 1,38·10-23 Дж/К и е = 1,6·10-19 Кл, найдем, что
,
что очень хорошо согласуется с экспериментальными данными.