Федеральное агенство железнодорожного транспорта.

Уральский Государственный Университет путей сообщения.

Кафедра «Физика»

Курс лекций по физике. Часть 2.

Электромагнетизм.

Учебное пособие

Екатеринбург

2011

Оглавление

Оглавление 2

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА 3

Глава 2. Постоянный ток. 20

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ 28

Глава 4.Электромагнитная индукция. 52

Глава 6. Электромагнитные колебания и волны. 72

Экзаменационные вопросы 77

Лекция 1

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА

1.1. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда.

Любое заряженное тело всегда имеет заряд q, равный целому числу n элементарных зарядов

|q| = n|е|,

и который может быть как положительным, так и отрицательным. Элементарный электрический заряд – это отрицательный заряд - электрон:

е = – 1,6 · 10^-19 Кл,

где Кл (кулон) – краткое обозначение единицы измерения величины заряда. Существует и аналогичный положительный элементарный заряд р, который имеет частица протон.

р = + 1,6 · 10^-19 Кл.

Результирующий заряд тела:

q = n₁e + n₂p,

где n₁ – число отрицательных зарядов; n₂ – число положительных зарядов.

Для n₁ > n₂, q < 0; n₁ < n₂, q > 0, n₁ = n₂, q = 0.

В изолированной от внешней среды системе заряженных тел сумма всех зарядов остаётся постоянной.

Постоянство электрического заряда в изолированной системе заряженных тел называется законом сохранения электрического заряда:

(1.1)

1.2. Закон Кулона

Электрические заряды q₁ и q₂, на расстоянии r друг от друга, взаимодействуют между собой с силой

, (1.2)

где F_1,2, F_2,1 – сила, действующая на первый заряд со стороны второго и наоборот; – относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды, ε₀=8,85 ·10^-12 ;

Опытом установлено, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые - притягиваются (рис.1.1). Силы притяжения и отталкивания направлены вдоль прямой, соединяющей заряды.

_1,2

+q₁ +q₂

+q_{1 1,2} -q₂

Рис.1.1

Среда, отличная от вакуума, всегда ослабляет кулоновскoе взаимодействие зарядов в раз по

сравнению с взаимодействием их вакууме:

, (1.3)

В связи с этим закон Кулона формулируется так:

Сила электрического взаимодействия двух точечных зарядов в среде прямо пропорциональна величине каждого из зарядов, обратно пропорциональна

диэлектрической проницаемости среды и квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

и записывается в виде:

, (1.4)

1.3. Напряженность электрического поля

Каждый электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, обеспечивающее взаимодействие зарядов.

Электрическое поле способно оказывать силовое воздействие на помещенный в это поле заряд q. В связи с этим одним из методов исследования электрического поля является метод пробных зарядов. Пробный заряд q должен быть положительным, точечным и малым по величине, чтобы не искажать исследуемое электрическое поле.

Сила F, действующая на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, зависит от свойств поля в этой точке и величины пробного заряда.

Отношение

, (1.5)

Называется напряжённостью, зависит только от свойств поля в рассматриваемой точке и, следовательно, является независимой от величины пробного заряда характеристикой поля.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силыдействующей на пробный заряд.

Сила, действующая на заряд q в электрическом поле

, (1.6)

Напряженность электрического поля - это силовая характеристика поля, действующего на единичный положительный зарядq₊ = 1Кл.

1.4. Электрическое поле точечного заряда

Взаимодействие заряда q₁ с зарядом q₂ можно рассматривать как взаимодействие электрического поля заряда q₁ на заряд q₂:

,(1.7)

где:

Аналогично напряжённость поля Е, созданного произвольным по величине точечным зарядом q на расстоянии r от него:

, (1.8)

где вектор _{совпадает с вектором силы , действующей на пробный заряд q+:}

1.5. Принцип суперпозиции для электрического поля

Электрические поля чаще всего создаются несколькими зарядами. (рис.1.2). Электрическое поле, создаваемое зарядами равно геометрической сумме полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности.

П

q₁

оместим в точкуА пробный заряд q+ и рассмотрим силы , действующие на него со стороны зарядов q₁ и q₂. Согласно принципу суперпозиции сил, известному из механики, результирующая сила

где

Тогда

.

Для электрических полей, как и для механических сил, справедлив принцип суперпозиции

(1.9)

Напряженность электрического поля, созданного несколькими зарядами равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности.