- •Федеральное агентство морского и речного транспорта
- •Предисловие
- •Лекция 1 Электростатика
- •1. Закон сохранения электрического заряда.
- •2. Закон Кулона.
- •3. Электрическое поле и его напряженность.
- •4. Поле диполя.
- •Лекция 2
- •1. Теорема Остроградского – Гаусса.
- •2. Применение теоремы Остроградского - Гаусса к расчету электростатических полей.
- •1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости.
- •2. Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных поверхностей.
- •3. Поле равномерно заряженной сферической поверхности.
- •4. Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити).
- •Лекция 3
- •1. Работа по переносу заряда в электростатическом поле. Потенциал поля.
- •2. Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом.
- •3. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля.
- •Лекция 4 Электрическое поле в диэлектрике.
- •1. Поляризация диэлектриков.
- •2. Напряженность поля в диэлектрике. Поляризованность.
- •3. Электрическое смещение. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектрике.
- •4. Сегнетоэлектрики.
- •5. Пьезоэлектрики.
- •Лекция 5
- •1. Проводник во внешнем электрическом поле.
- •2. Электроемкость уединенного проводника.
- •3. Конденсаторы.
- •4. Параллельное соединение конденсаторов.
- •5. Последовательное соединение конденсаторов.
- •Лекция 6 Электрический ток
- •1. Электрический ток. Сила и плотность тока.
- •2. Сторонние силы. Электродвижущая сила (эдс) и напряжение.
- •3. Закон Ома. Сопротивление проводников.
- •4. Работа и мощность тока. Закон Джоуля- Ленца.
- •5. Правила Кирхгофа.
- •Лекция 7 Классическая электронная теория проводимости металлов.
- •1. Природа электропроводности металлов.
- •2. Кристаллическая решетка металлов. Электронный газ.
- •3. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов.
- •1. Закон Ома.
- •2. Закон Джоуля-Ленца.
- •3. Закон Видемана-Франца.
- •4. Недостатки классической электронной теории проводимости металлов.
- •Лекция 8 Магнитное поле.
- •1. Магнитное поле.
- •2. Закон Био-Савара-Лапласа.
- •3. Закон Ампера.
- •4. Единица магнитной индукции.
- •Лекция 9
- •1. Магнитное поле движущегося заряда.
- •2. Эффект Холла.
- •3. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.
- •Лекция 10
- •1. Явление электромагнитной индукции.
- •2. Закон Фарадея.
- •3. Самоиндукция. Индуктивность контура.
- •4. Взаимная индукция.
- •5. Энергия магнитного поля.
- •6. Циркуляция вектора магнитной индукции.
- •7. Магнитное поле соленоида.
- •Лекция 11 Магнитное поле в веществе.
- •1. Магнитные моменты атомов.
- •2. Диамагнетики.
- •3. Парамагнетики.
- •4. Ферромагнетизм.
- •Лекция 12
- •1. Свободные гармонические колебания в электрическом колебательном контуре.
- •2. Переменный ток.
- •1. Переменный ток, текущий через резистор сопротивлениемR.
- •4. Цепь переменного тока, содержащая последовательно включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор.
- •5. Резонанс напряжений.
- •6. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока.
- •Лекция 13 Уравнения Максвелла.
- •1. Первое уравнение Максвелла.
- •2. Второе уравнение Максвелла.
- •Лекция 14
- •1. Электромагнитные волны. Скорость их распространения.
- •2. Объемная плотность энергии электромагнитного поля. Перенос энергии электромагнитной волной. Вектор Умова - Пойтинга.
- •3. Шкала электромагнитных волн.
- •4. Эффект Доплера для упругих и электромагнитных волн.
- •Лекция 15
- •1. Работа выхода электронов из металлов.
- •2. Контактная разность потенциалов
- •3. Термоэлектрические явления.
- •4. Элементы зонной теории проводимости. Возникновение энергетических зон.
- •5. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории.
- •Лекция 16 Электропроводность полупроводников. Термоэлектрические явления.
- •1. Собственная проводимость полупроводников.
- •2. Примесная проводимость полупроводников.
- •3. Полупроводниковый диод. P-n – переход.
3. Закон Видемана-Франца.
Металлы обладают как большой электропроводностью, так и теплопроводностью. Так как носители тока и теплоты одни и те же частицы – электроны. Перемещаясь они переносят не только заряд, но и присущую им энергию хаотического движения, то есть осуществляют перенос теплоты.
Видеман и Франц в 1853 году экспериментально установили закон, согласно которому отношение теплопроводности к удельной проводимостидля всех металлов при одной и той же температуре одинаково и увеличиваются пропорционально термодинамической температуре,
,
- постоянная, не зависящая от рода металла.
4. Недостатки классической электронной теории проводимости металлов.
1). Из формулы следует, что сопротивление металлов, то есть величина обратная ей,должна возрастать как, так как, топропорциональнои. Этот вывод электронной теории противоречит опытным данным, согласно которым.
2). Чтобы по формуле получить значение удельной электропроводности, совпадающее с опытными данными, нужнопринять намного больше, то есть предположить, что электрон проходит без соударений с ионами решетки сотни межузельных расстояний.
3). Неправильное значение молярной теплоемкости металлов. Согласно кинетической теории, теплоемкость всего металла должна складываться из теплоемкости его кристаллической решетки и теплоемкости его электронного газа и должна быть близка к и превышать теплоемкость диэлектриков в 1,5 раза. В действительности теплоемкость металла мало отличается от теплоемкости диэлектрика и примерно равна, то есть наличие электронной проводимости практически не сказывается на теплоемкости, что непонятно с классической точки зрения. Объяснение этих и других затруднений смогла дать лишь квантовая теория проводимости металлов.
Лекция 8 Магнитное поле.
Изучение этой темы имеет большое значение. Радиотехника, радиоэлектроника, телевидение, ускорители существуют благодаря развитию теории магнитного поля. Электроизмерительные приборы, телефоны, микрофоны работают на основе магнитного действия тока. Большое значение законы магнетизма играют в современной технике и технологии.
1. Магнитное поле.
Опыт показывает, что подобно тому как в пространстве, окружающем электрический заряд, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле называемое магнитным. Наличие поля обнаруживается по его силовому действию на движущиеся заряды, проводники с током и постоянные магниты.
Все постоянные магниты: полосовые, подковообразные и магнитные стрелки обладают двумя разноименными полюсами – северным и южным. Одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются. Постоянные магниты оказывают ориентирующее действие на магнитную стрелку, которая может вращаться вокруг своего центра тяжести.
Исследование поведения магнитных стрелок в различных точках земного шара привели к выводу о существовании магнитного поля Земли. Магнитные полюса Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Вблизи северного географического полюса находится южный магнитный полюс, причем угол между осью вращения Земли и линией, соединяющей магнитные полюсы, составляет 11,5 градусов.
Опыты показали, что постоянное магнитное поле не действует на неподвижные электрические заряды. В свою очередь неподвижные электрические заряды не действуют на магнитную стрелку, то есть не создают магнитное поле.
Начало исследований электромагнитных явлений было положено опытом Эрстеда в 1812году. По проводу любой формы пропускался ток. При прохождении тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле. Ток это направленное движение электрических зарядов. Вокруг любого движущегося заряда должно существовать магнитное поле.
Опыты показали, что вокруг любого движущегося заряда помимо электрического поля возникает магнитное поле. Электрическое поле действует как на неподвижные так и на движущиеся заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.
Подобно тому, как для исследования электрического поля мы использовали пробный точечный заряд, для исследования магнитного поля используется пробный контур с током, циркулирующем в плоском контуре малых размеров. | |
Рис. 1. |
|
Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормальным к контуру. За положительное направление нормали принимается направление, связанное с током, правилом правого винта (буравчика).
При внесении контура в магнитное поле оно оказывает на него ориентирующее действие. Направление положительной нормали контура в магнитном поле принимается за направление поля в данной точке.
Если контур повернуть так, что направление нормали и поля не совпадают, возникает вращательный момент, стремящийся вернуть контур в равновесное положение. Величина этого момента зависит от угла между нормалью и направлением поля, достигая наибольшей величины при , при.
Вращающий момент зависит как от свойств поля, так и от свойств контура
,
где - вектор магнитной индукции, являющийся силовой характеристикой магнитного поля,- магнитный момент контура. Для плоского контура с током
,
- площадь поверхности контура,- единичный вектор нормали к поверхности контура. Направлениесовпадает с положительной нормалью к контуру.
На пробные контуры с разным действуют в данной точке поля разные по величине вращательные моментыполя, однако отношениебудет для всех контуров одинаковым, и может служить характеристикой магнитного поля. Оно называется магнитной индукцией
.
Магнитная индукция в данной точке однородного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на контур с магнитным моментом равным единице.
Графически магнитные поля изображают с помощью силовых линий, или линий магнитной индукции (рис.2-5).
Силовыми линиями магнитного поля называются такие линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этой точке поля.
Направление силовых линий определяется по правилу буравчика.
Рис.2. |
Рис.3. |
Силовые линии магнитного поля замкнуты. Они не начинаются и не кончаются. Линии электростатического поля разомкнуты. Они начинаются на положительных зарядах
Рис.4. |
Рис.5. |
и кончаются на отрицательных.
Поле, обладающее замкнутыми силовыми линиями, называется вихревым.