[ Сивухин ] Том 3 - Электричество

Д.В.Сивухин

ОБЩИЙ КУРС ФИЗИКИ. Т.III ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Книга написана на основе лекций, читанных автором для студентов Московского физико-технического института. Главное внимание уделяется выяснению физического смысла и содержания основных положений и понятий науки об электричестве, установлению границ применимости физических законов, идеализированных моделей и схем, применяемых в физике. Цель книги

— развитие у студентов навыков физического мышления и умения самостоятельно ставить и решать конкретные физические задачи.

Для студентов университетов, физико-технических и инженерно-физических институтов, а также всех вузов, где физика является основной дисциплиной.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие	7
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. Действие на расстоянии и полевое взаимодействие	9
§ 2. Электрический заряд и напряженность электрического поля.	14
ГЛАВА I
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
§ 3. Закон Кулона. Принцип суперпозиции электростатических полей.	18
§ 4. Электрический диполь	24
§ 5. Поток вектора и электростатическая теорема Гаусса	28
§ 6. Применения теоремы Гаусса	33
§ 7. Дифференциальная форма электростатической теоремы Гаусса	40
§ 8. Математическое дополнение. Формула Гаусса — Остроградского	43
§ 9. Теорема Ирншоу	46
§ 10. Электрическое поле в веществе	48
§ 11. Проводники в электрическом поле	52
§ 12. Поляризация диэлектриков	59
§ 13. Теорема Гаусса для диэлектриков	63
§ 14. Граничные условия	64
§ 15. Поляризуемость и диэлектрическая проницаемость	66
§ 16. Поле равномерно поляризованного шара	70
§ 17. Потенциальность электростатического поля	73
§ 18. Электрический потенциал	75
§ 19. Вычисление потенциала по напряженности поля	79
§ 20. Измерение разности потенциалов электрометром. Электрический зонд	82
§ 21. Электрическое поле Земли	86
§ 22. Общая задача математической электростатики	88
§ 23. Метод электрических изображений	90
§ 24. Точечный заряд над плоской поверхностью диэлектрика	95
§ 25. Электрическое поле заряженного проводящего эллипсоида	96
§ 26. Емкость проводников и конденсаторов	101

§ 27. Потенциальные и емкостные коэффициенты	109
§ 28. Электрическая энергия	112
§ 29. Локализация электрической энергии в пространстве	116
§ 30. Взаимная энергия точечных зарядов	119
§ 31. Термодинамика диэлектриков	121
§ 32. Свободная энергия и силы	125
§ 33. Максвелловские натяжения и давления	131
§ 34. Вычисление пондеромоторных сил в общем виде	137
§ 35. Электронная теория поляризации неполярных диэлектриков	141
§ 36. Электронная теория поляризации полярных газообразных	148
диэлектриков
§ 37. Пьезоэлектричество	153
§ 38. Пироэлектричество	160
§ 39. Сегнетоэлектричество	162
ГЛABA II
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
§ 40. Плотность тока. Закон сохранения электрического заряда	174
§ 41. Закон Ома	176
§ 42. Вывод законов Ома и Джоуля — Ленца	179
§ 43. Сторонние силы. Концентрационный элемент	190
§ 44. Законы Ома и Джоуля — Ленца в интегральной форме	194
§ 45. Правила Кирхгофа	198
§ 46. Стационарные токи в массивных проводниках	203
§ 47. Электролитическая ванна	207
§ 48. Процессы установления тока при зарядке и разрядке конденсатора	210
ГЛАВА III
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
§ 49. Силы, действующие в магнитном поле на движущиеся заряды и токи	213
§ 50. Магнитное поле равномерно движущегося заряда. Закон Био и Савара	218
§ 51. Расчет магнитных полей с помощью закона Био и Савара. Системы	222
единиц
§ 52. Момент сил, действующих на виток с током в магнитном поле	226
§ 53. Теорема Гаусса для магнитных полей	229
§ 54. Дополнительные сведения о телесных углах	231
§ 55. Теорема о циркуляции магнитного поля в вакууме	234
§ 56. Дифференциальная форма теоремы о циркуляции	238
§ 57. Эквивалентность магнитных полей тока и магнитного листка	241
§ 58. Магнитное поле в веществе	248
§ 59. Теорема о циркуляции магнитного поля в веществе.	252
§ 60. Граничные условия для векторов В и Н	254
§ 61. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость	256
§ 62. Работа при перемещении витка с током в постоянном магнитном поле	261
§ 63. Способ Гаусса измерения магнитных полей	263

§ 64. Электромагнитная индукция	264
§ 65. Правило Ленца	268
§ 66. Максвелловская трактовка явления электромагнитной индукции	271
§ 67. Флюксметр и пояс Роговского	275
§ 68. Индуктивность проводов. Явления при замыкании и размыкании тока	281
§ 69. Магнитная энергия токов	288
§ 70. Локализация магнитной энергии в пространстве	292
§ 71. Теорема о сохранении магнитного потока	295
§ 72. Энергия и силы	296
§ 73. Термодинамика магнетиков	302
§ 74. Ферромагнетизм	304
§ 75. Магнитные свойства атомов	309
§ 76. Объяснение диамагнетизма	312
§ 77. Объяснение парамагнетизма	315
§ 78. Гиромагнитные явления	322
§ 79. Теория ферромагнетизма	325
§ 80. Сверхпроводники и их магнитные свойства	332
ГЛАВА IV
УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА
§ 81. Ток смещения	346
§ 82. Система уравнений Максвелла	351
§ 83. Скорость распространения электромагнитных возмущений	355
§ 84. Энергия и поток энергии	362
§ 85. Международная система единиц (СИ)	370
ГЛABA V
ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ПОЛЯХ
§ 86. Движение в постоянных и однородных полях	381
§ 87. Дрейф заряженной частицы в неоднородном магнитном поле при	385
наличии слабого электрического поля
§ 88. Адиабатический инвариант	393
§ 89. Определение удельного заряда частицы	400
§ 90. Измерение элементарного заряда методом масляных капель	404
§ 91. Электромагнитная масса	408
ГЛАВА VI
ЭЛЕКТРОЛИТЫ
§ 92. Электролиз и электролитическая диссоциация	413
§ 93. Примеры электролиза	417
§ 94. Законы электролиза Фарадея и элементарный заряд	419
§ 95. Скорости ионов и электропроводность электролитов	421
§ 96. Гальванические элементы и аккумуляторы	426
ГЛАВА VII
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В МЕТАЛЛАХ, ПОЛУПРОВОДНИКАХ И

ВАКУУМЕ
§ 97. Инерция электронов в металлах	435
§ 98. Явление Холла	438
§ 99. Применения статистики Ферми—Дирака к электронам в металлах	443
§ 100. Металлы и полупроводники	450
§ 101. Термоэлектронная эмиссия	459
§ 102. Электронные лампы и их применения	467
§ 103. Вторичная и автоэлектронная эмиссия	472
ГЛАВА VIII
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ
§ 104. Контактная разность потенциалов	476
§ 105. Термоэлектрический ток	481
§ 106. Явление Пельтье	487
§ 107. Термодинамика термоэлектрических явлений. Явление Томсона	490
§ 108. Выпрямляющее действие контактов полупроводников	494
ГЛАВА IX
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ГАЗАХ
§ 109. Ионизация и рекомбинация	498
§ 110. Измерение потенциала ионизации методом электронного удара	501
§ 111. Измерение слабых токов.	505
§ 112. Несамостоятельная проводимость газов	506
§ 113. Измерение коэффициентов рекомбинации	509
§ 114. Измерение подвижностей ионов.	512
§ 115. Теория Таунсенда	515
§ 116. Закон Пашена	521
§ 117. Тлеющий разряд	523
§ 118. Искровой разряд	529
§ 119. Коронный разряд	531
§ 120. Дуговой разряд	533
§ 121. Плазма	535
ГЛАВА Х
КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
§ 122. Уравнение колебательного контура	544
§ 123. Свободные колебания гармонического осциллятора	549
§ 124. Затухающие колебания	553
§ 125. Баллистический гальванометр	556
§ 126. Векторная диаграмма и комплексные обозначения	557
§ 127. Вынужденные колебания затухающего осциллятора под действием	561
синусоидальной силы
§ 128. Вынужденные колебания под действием несинусоидальной силы.	569
Теорема Фурье
§ 129. Закон Ома для переменных токов (синусоидально меняющихся во	573
времени)

§ 130. Правила Кирхгофа для переменных токов	578
§ 131. Эффективные напряжение и ток	581
§ 132. Процессы установления колебаний	583
§ 133. Автоколебания. Ламповый генератор	593
§ 134. Релаксационные колебания	600
§ 135. Параметрическое возбуждение колебаний	602
§ 136. Трансформатор	606
§ 137. Колебания с двумя степенями свободы	612
§ 138. Волновое уравнение	616
§ 139. Плоские электромагнитные волны	620
§ 140. Стоячие волны	624
§ 141. Поле излучения диполя Герца	627
§ 142. Демонстрационные опыты с электромагнитными волнами	636
§ 143. Волны вдоль проводов	642
§ 144. Свойства быстропеременных токов. Скин-эффект	648
§ 145. Давление и импульс электромагнитных волн	655
§ 146. Принципы радиосвязи	659
ПРИЛОЖЕНИЯ
Важнейшие формулы электродинамики в системе СИ	668
Некоторые физические постоянные	676
Именной указатель	677
Предметный указатель	680

Учение об электричестве включает три группы вопросов. К первой группе относятся основные понятия и общие принципы, управляющие электрическими и магнитными явлениями; ко второй — электрические и магнитные свойства вещества; к третьей — технические и практические применения электричества.

В настоящем курсе основное внимание уделяется вопросам первой группы, которые излагаются с наибольшей полнотой. Принят индуктивный метод изложения. Основные понятия и принципы устанавливаются путем обобщения опытных фактов, имеющих ограниченную область применимости. Процесс обобщения идет непрерывно и целенаправленно на протяжении всего изложения, завершаясь в середине курса установлением системы уравнений Максвелла. Все последующее изложение строится с учетом этих уравнений.

Электрические и магнитные свойства вещества в общем курсе физики, естественно, не могут быть рассмотрены с той же степенью подробности. Их полное понимание возможно только на основе квантовой механики, а подробное изложение должно производиться в специальных курсах. Несмотря на это, я стремился уделить большое внимание и этой группе вопросов, насколько это возможно сделать в рамках общего курса физики, предназначенного для студентов младших курсов. При этом я широко пользовался методами термодинамики. Без применения термодинамики невозможно полное и ясное изложение не только частных, но и общих вопросов макроскопической электродинамики.

Что касается технических и прочих применений учения об электричестве, то этим вопросам уделено значительно меньше внимания, чем они того заслуживают. Из таких вопросов рассмотрены лишь некоторые, и притом только с принципиальной стороны.

ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абрагам 367	Гамильтон 26
Абрикосов 341	Гаусс 10, 26, 29, 32, 33, 35, 40—47,
Авенариус 483, 494	51, 53, 63, 64, 66, 68, 92, 93, 96,
Авогадро 314, 322, 420,	109, 117, 119, 177, 204, 229, 241,
Альвен 619	263, 264, 346, 356
Ампер 10, 216, 241—243, 292	Гель 526
Аррениус 415, 424	Гельмгольц 135, 110, 221, 266, 267,
Арцимович 393	420
Астои 524	Герц Генрих 10, 11, 360, 361, 627,
Бардин 342	628, 631, 633, 63-i, 636, 637, 639,
Баркгаузен 330, 331	642, 659
Барлоу 216	Герц Густав 502, 503
Барнет 324	Гинзбург 170, 171
Био 218, 221, 222, 236, 282, 283, 346,	Гитторф 422, 424
631, 632	Гольдман 163
Боголюбов 312	Гольдстейн 528
Богуславский 466	Грин 10
Бозе 342	Гротгус 413, 415
Бойе 493	Гук 546
Больцман 149, 152, 187, 192, 317, 441,	Гухер 503
463	Даниэль 429—431
Бор 13, 142, 249, 309—311, 317, 503	Дебай 304, 3IC
Браун 268, 488	Де Гааз 304, 323, 587
Валашек 163	Дешман 463
Ван-Ален 398	Джиок 304
Ван-де-Грааф 58, 59	Джорджи 379
Ван-Лёвен 309	Джоуль 179, 186, 194, 197, 198, 414
Вант-Гофф 415	Дирак 187, 188, 321, 342, 353, 441,
Вебер Вильгельм 10, 223, 360	443, 444. 461
Вейнер 163	Дорфман 328
Вейсс 166, 170, 309, 325—32Э	Друде 187, 188, 443, 447
Вернов 398	Дэви 419, 533
Видеман 187, 447, 448	Дэвис 503
Вильсон 136, 404	Жуковский 322
Вирсма 304	Зеебек 481, 482, 494
Вольта 429, 476, 478, 479, 482	Зелени 513
Вул 163	Зоммерфельд 187, 188, 443, 447, 448
Гейзенберг 142, 329	Иоффе 404, 405, 490

Ирншоу 46, 47, 53

Кавендиш 18, 33 Камерлинг-Оннес 332 Карлейль 419 Кеттеринг 437 Кённингам 406

Кирхгоф 10, 198—201, 578, 579, 643, 648

Клаузиус 148, 152, 414, 490, 491, 493, 494

Кобеко 163 Кольрауш Рудольф 223, 360

Кольрауш Фридрих 422, 424

Кориолис 191, 277, 392 Крукс 511, 527

Кулон 9, 18—20, 23, 34—37, 42, 96, 218, 231, 329, 346, 373, 498, 635

Кундт 160 Купер 342 Курчатов 163

Кюри Жак 153, 157, 163 Кюри Пьер 153, 157, 162—164, 166,

170, 172, 173, 304, 309, 318, 321, 326-329, 331

Ландау 171, 331, 342, 450 Ланжевен 160, 309, 316—318, 321,

325, 327, 328 Лаплас 10, 89, 90, 99, 178, 204, 208 Лармор 312, 314, 315

Лаутон 36

Лебедев 641, 642, 658

Лекланше 431

Ленгмюр 465—467, 535 Ленц 179, 186, 194, 197, 198, 268—

270, 283, 295, 315, 357, 414, 487

Леру 492

Лехер 642—646 Ле Шателье 158, 268, 488

Липпман 157 Лондон Ганс 336, 337 Лондон Фриц 336, 337

Лорентц 13, 18, 74, 147, 148, 170, 187, 215, 264, 265, 273, 277, 372, 394, 401, 437, 439

Лоусон 540 Мак-Клюнг 510 Маклаков 594

Максвелл 11—14, 18, 36, 63, 133, 135, 140, 177, 223, 231, 273, 346, 347, 350, 351, 353—355, 358—363, 370—372, 376, 379, 386, 408, 463, 578, 629—631, 635, 641— 643, 645, 652, 655

Мандельштам 436, 586, 606

Мейсснер 155, 335, 336

Менделеев 504 Мерц 166 Милликен 404—408 Миткевич 533 Морзе 661 Моссотти 148, 152 Неель 331 Нейман Карл 10 Нейман Франц 10

Hep нет 319—321, 425

Николь 642 Никольс 419

Ньютон 9, 47, 361, 370, 617

Огава 163 Оксенфельд 325, 336,

Ом 176, 177, 179, 181, 184,185,194— 199, 205, 333, 342, 414, 427, 435, 507, 508, 573, 574, 576, 644

Оствальд 417

Остроградский 10, 43—45, 117, 241 Папалекси 436, 586, 606 Паули 321, 342, 444, 449 Пашен 521, 523

Пельтье 481, 487—491, 493, 494

Петров 533 Планк 310 Плимптон 36 Поггендорф 201

Пойнтинг 364, 367, 374, 627, 646, 657

Поккельс 163	Томсон Элиу 269, 583
Поль 22, 481, 482	Тэт 494
Попов 12, 642	Уитстон 200
Пристли 36	Умов 364
Пуассон 10, 89, 465, 542	Фарадей 10—12, 57—59, 90, 104, 133,
Рауль 415	264, 419, 420, 422
Резерфорд 13, 509, 510, 512	Фейнман 87
Рике 435	Ферми 185, 187, 188, 321, 342, 441,
Ричардсон 463	443—449, 459—462, 477, 478,
Роговский 275, 276	489, 543
Розинг 325	Фохт 161
Роуланд 221	Франк 502, 503
Савар 218, 221, 222, 236, 282, 283,	Франклин 55
346, 631, 632	Франц 187, 447, 448
Симон 304	Френкель 329, 451
Скотт 437	Фуко 270, 308
Снеллиус 641	Фурье 323, 561, 569, 570, 572, 573,
Соломон 163	594, 661
Стокс 240, 293, 406, 408	Хаблютцель 163
Столетов 305	Хевисайд 372
Стюарт 179, 437	Холл 438, 439, 441-443, 458
Таунсенд 404, 515—519, 521, 522,	Шриффер 342
530	Эдисон 460
Тесла 651—653	Эйлер 559
Толмен 179, 437	Эйнштейн 192, 323, 342, 411, 587
Томсон Вильям (Кельвин) 481, 491	Эйхенвальд 221
—494, 551	Эрстед 217
Томсон Дж. Дж. 13, 400, 402—404	Юнг 153
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автоколебания 593	Антисегнетоэлектричество 173
Адиабатический инвариант 393	— , точка Кюри 173
Аккумулятор, емкость 434	Антиферромагнетизм 331
— свинцовый 433	Антиферромагнетики 304, 331
— щелочной 434	Апериодический процесс 555
Акцепторы 458	Баллистическая постоянная 557
Ампер (единица тока) 196, 223	Баллистический гальванометр 556
Ампера закон 216	Баркгаузена эффект 330
— теорема 241	Барлоу колесо 216
Ампер-витки 608	Барнета опыт 324
Амплитуда 551, 554, 622	Биения 584
Анодный ток 469	Био—Савара закон 221
Антенна 659	Боковые полосы 661
Антикатод 527	Бора и Ван-Лёвен теорема 309

— магнетон 310 Ван-де-Граафа генератор 58

Вебер (единица магнитного потока) 282

Ведущий центр 385 Вейсса постоянная 325 Векторная диаграмма 557 Векторные линии 22 Векторный метод 559

Взаимодействие переменных токов

582

Видемана—Франца закон 187, 447 Вильсона камера 136 Внутреннее (дифференциальное)

сопротивление лампы 469 Волновая зона 632 Волновое уравнение 618

—число 623 Волновой вектор 623 Волны альвеновские 619

—синусоидальные

(монохроматические) 622

—стоячие 624, 627, 646

—сферические 633

Вольт (единица напряжения) 196 Вольтова дуга 533 Вольты закон последовательных

контактов 476

— ряд 476

Восприимчивость магнитная 256, 375 Время затухания 554, 562

—инерционное 180

—релаксации 210

—свободного пробега 181

—установления 562 Вторичные электроны 472 Вырождение 616 Гальванический элемент 429

—— Вольты 429

—— вторичный 433

—— Даниэля 429

——, деполяризация 431

—— Лекланше 431

— — сухой 432

Гамильтона оператор “набла” 26 Газ вырожденный 445

—— полностью 446

—— сильно 446 Гамма 224 Гармоники 625

Гармонический осциллятор 549 Гаусс (единица напряженности магнитного поля) 224

Гаусса—Остроградского формула 44 Гаусса способ 263

—теорема 32, 63

——, дифференциальная форма 41, 63

——, для магнитных полей 229, 250 Геля закон 526 Генри (единица индуктивности) 283 Герца вибратор 636

—диполь 627—636

——, излучение 634

—резонатор 637

Гетеродин 665 Гинзбурга теория 170

Гиромагнитное отношение 310 Гиромагнитные явления 322 Гистерезис, двойные петли 173

—диэлектрический 169

—магнитный 256, 306

——, тепло 308

—, петля 169, 306

Глубина модуляции 570, 661 Градиент 76 Грамм-эквивалент 420

Граничные условия 65, 254, 255, 353, 625

Гротгуса гипотеза 413 Двойной электрический слои 427,

459

Дебаевская длина (радиус) 530, 542 Дебаевский потенциал 543 Действие на .расстоянии 9 Дейтерий 540

Декремент 554	Задача многих тел 453
Демодуляция (детектирование) 663	— одного тела 453
— сеточная 665	Заряд магнитный 231, 353
Детектор 638, 663	Заряды индукционные 52
Джоуля—Ленца закон 1SG, 197	— поляризационные 60
Диамагнетизм 312	— свободные 61
Диамагнетик 256, 304	— связанные 60
Дивергенция 41, 45	Защита магнитная 258
Динатронный эффект 472	— электростатическая 57
Диод вакуумный 460	Зеебека явление 481
Диполь магнитный 24	Зонд капельный 84
— электрический 24	— пламенный 85
Диссоциации степень (коэффициент)	— радиоактивный 85
416	— электрический 84
Дифференцирующие и	Зонная теория 453
интегрирующие ячейки 548	Излучение бетатронное 540
Диффузия амбиполярная 536	— магннтотормозное 540
Диэлектрик (изолятор) 450, 456	— рекомбинационное 504
Диэлектрическая проницаемость 374	— тормозное 540
— — абсолютная 374	— ускоренно движущегося заряда
— — относительная 376	635
Длина волны 623	Импеданс 573
Добротность 554, 564	Импульс электромагнитный 367
Домены диэлектрические 168	Индуктивности коэффициенты 286
— магнитные 329	Индуктивность взаимная 286
Доноры 457	— — единицы длины линии 644
Дорфмана опыт 328	— провода 281
Дрейф 179, 385	— соленоида 282
— магнитный 388—392	—, теорема взаимности 286
— центробежный 392	Индукции вектор 63
— электрический 383, 387	Индукция магнитная 254
Дрейфовая теория 386	— электрическая 52
Дроссель 574	— электромагнитная 264
Друде формула 187	— —, максвелловская трактовка 271
Дырки 456	— —, механическая аналогия 277
Емкость 101	— —, основной закон 266
— двух параллельных проволок 106	— —, — —, дифференциальная
— единицы длины линии 044	форма 273
— конденсатора плоского 103	— —, фарадеева трактовка 264
— — слоистого 107	— —, электродвижущая сила 2G3
— — цилиндрического 105, 108	Ионизация 498
— — шарового 103	—, метод электронных ударов 502
— эллипсоида 109	— объемная 498