- •7. Распределение зарядов в проводнике. Электрическая емкость уединенного проводника. Конденсаторы.
- •Вопрос №9 Энергия поляризованного диэлектрика. Закон сохранения энергии для электрического поля.
- •Вопрос 10
- •Вопрос 11
- •Вопрос 12 Работа выхода электрона из металла. Термоэлектронная эмиссия
- •Вопрос 13 о бобщённый закон Ома, закон Джоуля-Ленца для участка цепи. Правила Кирхгофа.
- •Вопрос 14 Законы Фарадея для электролиза. Закон Ома для плотности тока в электролите.
- •Вопрос 15 Электропроводность газов. Виды газового разряда
- •Вопрос 16 Границы применимости закона Ома. Плазма.
- •17. Магнитное поле. Магнитная индукция. Сила Лоренца. Закон Ампера.
- •3)Сила Лоренца.
- •4) Закон Ампера.
- •18. Закон Био-Савара–Лапласа. Примеры простейших магнитных полей проводников с током.
- •2). Примеры:
- •1 9. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме. Теорема Остроградского-Гаусса для магнитного поля в вакууме.
- •2) Теорема Остроградского-Гаусса.
- •20. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
- •21. Понятие о магнитоэлектрических и электродинамических измерительных приборах
- •1 ) Магнитоэлектрический прибор.
- •2) Электродинамический прибор.
- •22. Движение заряженных частиц в постоянном магнитном поле.
- •23. Эффект Холла. Экспериментальное определение удельного заряда частиц.
- •2)Определение удельного заряда частицы.
- •24.Ускорители заряженных частиц.
- •Вопрос №28. Опыт Эйнштейна и де Газа. Закон полного тока для магнитного поля в веществе.
- •Вопрос №29. Ферромагнетики. Условия для магнитного поля на границе раздела двух изотропных сред.
- •Вопрос №31. Энергия магнитного поля в неферромагнитной среде.
- •Вопрос №32. Общая характеристика теории Максвелла. Теорема Гаусса и теорема Стокса. Первое уравнение Максвелла.
- •Вопрос №33. Ток смещения. Второе уравнение Масквелла.
- •Вопрос №34. Третье и четвертое уравнения Максвелла.
- •Вопрос №35. Полная система уравнений Максвелла для электромагнитного поля.
Вопрос №31. Энергия магнитного поля в неферромагнитной среде.
Проводник, по которому протекает электрический ток, всегда окружен магнитным полем, причем магнитное поле появляется и исчезает вместе с появлением и исчезновением тока. Магнитное поле, подобно электрическому, является носителем энергии. Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.
Рассмотрим контур индуктивностью L, по которому течет ток I. С данным контуром сцеплен магнитный поток (см. (126.1)) Ф=LI, причем при изменении тока на dI магнитный поток изменяется на dФ=LdI. Однако для изменения магнитного потока на величину dФ (см. § 121) необходимо совершить работу dA=IdФ=LIdI. Тогда работа по созданию магнитного потока Ф будет равна
Следовательно, энергия магнитного поля, связанного с контуром,
W=LI2/2. (130.1)
Исследование свойств переменных магнитных полей, в частности распространения электромагнитных волн, явилось доказательством того, что энергия магнитного поля локализована в пространстве. Это соответствует представлениям теории поля.
Энергию магнитного поля можно представить как функцию величин, характеризующих это поле в окружающем пространстве. Для этого рассмотрим частный случай — однородное магнитное поле внутри длинного соленоида. Подставив в формулу (130.1) выражение (126.2), получим
Так как I=Вl/(0N) (см. (119.2)) и В=0H (см. (109.3)), то
где Sl=V — объем соленоида.
Магнитное поле соленоида однородно и сосредоточено внутри него, поэтому энергия (см. (130.2)) заключена в объеме соленоида и распределена в нем с постоянной объемной плотностью
Выражение (130.3) для объемной плотности энергии магнитного поля имеет вид, аналогичный формуле (95.8) для объемной плотности энергии электростатического поля, с той разницей, что электрические величины заменены в нем магнитными. Формула (130.3) выведена для однородного поля, но она справедлива и для неоднородных полей. Выражение (130.3) справедливо только для сред, для которых зависимость В от Н линейная, т. е. оно относится только к пара- и диамагнетикам (см. § 132).
Вопрос №32. Общая характеристика теории Максвелла. Теорема Гаусса и теорема Стокса. Первое уравнение Максвелла.
Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, смогла объяснить не только уже известные экспериментальные факты, что также является важным ее следствием, но и предсказала новые явления. Одним из важных выводов этой теории явилось существование магнитного поля токов смещения (см. § 138), что позволило Максвеллу предсказать существование электромагнитных волн — переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было доказано что скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного с зарядами и токами) в вакууме равна скорости света с = 3•108 м/с. Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, согласно которой свет представляет собой также электромагнитные волны. Электромагнитные волны на опыте были получены немецким физиком Г. Герцем (1857—1894), доказавшим, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла. Таким образом, теория Максвелла была экспериментально подтверждена.
К электромагнитному полю применим только принцип относительности Эйнштейна, так как факт распространения электромагнитных волн в вакууме во всех системах отсчета с одинаковой скоростью с не совместим с принципом относительности Галилея.
Согласно принципу относительности Эйнштейна, механические, оптические и электромагнитные явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково, т. е. описываются одинаковыми уравнениями. Уравнения Максвелла инвариантны относительно преобразований Лоренца: их вид не меняется при переходе
от одной инерциальной системы отсчета к другой, хотя величины Е, В, D, Н в них преобразуются по определенным правилам.
Из принципа относительности вытекает, что отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если электрическое поле создается системой неподвижных зарядов, то эти заряды, являясь неподвижными относительно одной инерциальной системы отсчета, движутся относительно другой и, следовательно, будут порождать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, неподвижный относительно одной инерциальной системы отсчета проводник с постоянным током, возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных систем, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле.
Таким образом, теория Максвелла, ее экспериментальное подтверждение, а также принцип относительности Эйнштейна приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующейся на представлении об электромагнитном поле.
Математическим выражением теории Максвелла служат четыре уравнения Максвелла. которые принято записывать в двух формах: интегральной и дифференциальной. Дифференциальные уравнения получаются из интегральных с помощью двух теорем векторного анализа - теоремы Гаусса и теоремы Стокса. Теорема Гаусса:
(1) (2)
- проекции вектора на оси; V - объем, ограниченный поверхностью S.
Теорема Стокса: (3)
здесь rot - ротор вектора , который является вектором и выражается в декартовых координатахследующим образом:
S - площадь, ограниченная контуром L.
Первое уравнение Максвелла. Электрическое поле (см. § 137) может быть как потенциальным (eq), так и вихревым (ЕB), поэтому напряженность суммарного поля Е=ЕQ+ЕB. Так как циркуляция вектора eq равна нулю (см. (137.3)), а циркуляция вектора ЕB определяется выражением, то циркуляция вектора напряженности суммарного поля Это уравнение показывает, что источниками электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и меняющиеся во времени магнитные поля.