Частина 1. Електростатика

Національний технічний Університет України

«Київський політехнічний інститут»

Фізика

Розділ "Електрика і магнетизм"

Конспект лекцій для студентів спеціальностей "Промислова біотехнологія", "Обладнання фармацевтичної та мікробіологічної промисловості"

Укладач: Кузь О.П.

Київ - 2009

Конспект лекцій з фізики розділ «Електрика та магнетизм» для студентів біотехнологічних спеціальностей усіх форм навчання [Текст]/Укладач: Кузь О.П. – К.:НТУУ «КПІ», 2009.

Рекомендовано Методичною радою НТУУ «КПІ»

(протокол №9 від 21.05.09 р.)

Навчальне видання

Фізика

Розділ "Електрика і магнетизм"

Конспект написано для більш детального ознайомлення студентів з програмним матеріалом. Викладено основні поняття та терміни, а також додатковий матеріал, що дає можливість студентам опанувати знання необхідні для подальшого вивчення фахових дисциплін.

Укладач: Кузь Олександр Павлович, ст.викладач

Відповідальний

За випуск Л.П.Гермаш, канд.техн.наук, професор

Рецензенти: М.Г.Находкін, докт.ф-м. наук, професор

Ю.І.Джежеря, докт.ф-м. наук, професор

Вступ

Даний конспект лекцій з фізики розділ «Електрика та магнетизм» написаний на основі типової програми по фізиці для студентів напряму «Біотехнологія» затвердженої МОН України. Рекомендується для студентів біотехнологічних спеціальностей усіх форм навчання. В ньому викладено основні теоретичні положення і методи теорії електростатичного поля, постійного електричного струму, теорії магнітного поля а також виникнення електричних коливань. Це дає змогу застосувати дану інформацію при вивченні та розв»язуванні задач електротехніки, радіотехніки та розумінні процесів що відбуваються у природі. Для більш детального розуміння матеріалу, лекції ілюструються рисунками, що дають змогу більш глибоко зрозуміти представлений матеріал. В кінці кожного розділу є питання для самоконтролю, що допомагає студентам звернути увагу на основні положення при самостійному вивченні матеріалу.

Розділ «Електрика та магнетизм» викладається в 1 та 2 семестрі. Кожен параграф відповідає окремій лекції у відповідності до робочого учбового плану.

При вивченні цього розділу фізики студенти повинні знати:

- основні закони, фізичні величини та одиниці їх вимірювань;

- загальні фізичні закономірності що лежать в основі природних явищ та процесів;

- теоретичні та практичні основи застосування вивченого матеріалу.

Після вивчення матеріалу розділу «Електрика та магнетизм» студент повинен уміти:

- пояснювати фізичні процеси, що лежать в основі природних явищ;

- застосовувати сучасні фізичні методи і обладнання для вимірювання основних параметрів фізичних об»єктів;

- застосовувати отримані знання фізичних положень, законів та теорій при розгляді та аналізі окремих явищ, а також при вивченні фахових дисциплін.

ЗМІСТ

Вступ Частина 1. ЕЛЕКТРОСТАТИКА..................................................................... Розділ 1. ЕЛЕКТРОСТАТИЧНЕ ПОЛЕ У ВАКУУМІ § 1. Електростатичне поле............................................... 1.1. Електростатика. Електричний заряд та його властивості......... 1.2. Закон Кулона.................................................................................. 1.3. Напруженість електричного поля................................................ 1.4. Потенціал електричного поля...................................................... 1.5. Зв’язок між напруженістю і потенціалом електричного поля.. 1.6. Еквіпотенціальні поверхні............................................................ 1.7. Електричний диполь..................................................................... 1.8. Диполь в однорідному зовнішньому полі................................... 1.9. Диполь в неоднорідному зовнішньому полі............................... § 2. ОПИС ВЕКТОРНОГО ПОЛЯ................................................................. 2.1. Потік вектора напруженості електричного поля........................ 2.2. Теорема Гауса................................................................................ 2.3. Дивергенція вектора напруженості............................................. 2.4. Теорема Остроградського – Гауса............................................... 2.5. Циркуляція і ротор вектора напруженості.................................. 2.6. Теорема Стокса.............................................................................. § 3. ОБЧИСЛЕННЯ НАПРУЖЕНОСТІ ПОЛЯ НА ПІДСТАВІ ТЕОРЕМИ ГАУСА.......................................................................................... 3.1. Неможливість стійкої рівноваги заряду в електричному полі.. 3.2. Поле рівномірно зарядженої площини........................................ 3.3. Поле двох паралельних пластин.................................................. 3.4. Поле зарядженого циліндра.......................................................... 3.5. Поле сферичної зарядженої поверхні.......................................... 3.6. Поле об’ємно зарядженої кулі...................................................... Питання для самоконторолю Розділ 2. ДІЕЛЕКТРИК В ЗОВНІШНЬОМУ ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ § 4. ДІЕЛЕКТРИК В ЗОВНІШНЬОМУ ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ............ 4.1. Полярні і неполярні молекули..................................................... 4.2. Поляризація діелектриків............................................................. 4.3. Опис векторного поля в діелектриках......................................... 4.4. Сегнетоелектрики.......................................................................... 4.5. Умови на межі двох діелектриків................................................ Питання для самоконтролю Розділ3. ПРОВІДНИК В ЗОВНІШНЬОМУ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОМУ ПОЛІ § 5. ПРОВІДНИК В ЗОВНІШНЬОМУ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОМУ ПОЛІ................................................................................................................. 5.1. Рівновага зарядів в провіднику.................................................... 5.2. Провідник в зовнішньому полі..................................................... 5.3. Електроємність. Конденсатори і їх ємність............................... 5.4. З’єднання конденсаторів............................................................... Питання для самоконтролю Розділ 4. ЕНЕРГІЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ § 6. ЕНЕРГІЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ.......................................... 6.1. Енергія точкових зарядів.............................................................. 6.2. Енергія зарядженого провідника................................................. 6.3. Енергія зарядженого конденсатора............................................. 6.4. Енергія електростатичного поля.................................................. Питання для самоконтролю Розділ 5. ПОСТІЙНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ. § 7. ПОСТІЙНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ ТА ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИКИ........................................................................................... 7.1. Електричний струм. Постійний струм. Сила і густина струму....................................................................................................... 7.2. Рівняння неперервності................................................................. 7.3. Електрорушійна сила.................................................................... 7.4. Правила Кірхгофа для розгалужених мереж.............................. 7.5. Потужність постійного струму.................................................... § 8. КЛАСИЧНА ЕЛЕКТРОННА ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ МЕТАЛІВ......................................................................................................... 8.1. Основи класичної теорії та її дослідне підтвердження............. 8.2. Закон Ома з погляду класичної теорії електропровідності...... 8.3. Закони Джоуля-Ленца, Відемана-Франца, їх розгляд на підставі теорії Друде-Лоренца..................................................... 8.4. Недоліки класичної теорії............................................................. Питання для самоконтролю Розділ 6. КОНТАКТНА І ОБ’ЄМНА РІЗНИЦЯ ПОТЕНЦІАЛІВ § 9. РОБОТА ВИХОДУ ЕЛЕКТРОНА.......................................................... 9.1. Робота виходу електрона.............................................................. 9.2. Термоелектронна емісія................................................................ 9.3. Термоелектронні явища. Явище Зеєбека. Контактна і об’ємна різниця потенціалів (або ЕРС)...................................................... 9.4. Явище Пельтьє.............................................................................. Питання для самоконтролю Розділ 7. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІДИНАХ § 10. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІДИНАХ................................................ 10.1. Електроліти. Електролітична дисоціація.................................... 10.2. Електроліз. Закони Фарадея......................................................... 10.3. Електропровідність електролітів................................................. 10.4. Електрохімічні потенціали........................................................... Питання для самоконтролю Розділ 8. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ГАЗАХ § 11. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У ГАЗАХ.................................................... 11.1. Іонізація та рекомбінація.............................................................. 11.2. Несамостійний газовий розряд..................................................... 11.3. Самостійний газовий розряд........................................................ 11.4. Тліючий розряд.............................................................................. 11.5. Іскровий розряд............................................................................. 11.6. Коронний розряд........................................................................... 11.7. Дуговий розряд.............................................................................. Питання для самоконтролю Частина 2. ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ Розділ 1. МАГНІТНЕ ПОЛЕ У ВАКУУМІ § 1. МАГНІТНЕ ПОЛЕ І ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИКИ............................... 1.1. Магнітне поле................................................................................ 1.2. Індукція магнітного поля.............................................................. 1.3. Закон Біо-Савара-Лапласа............................................................ 1.4. Магнітне поле прямого струму.................................................... 1.5. Магнітне поле на осі колового струму........................................ § 2. ЗАКОН ПОВНОГО СТРУМУ................................................................. 2.1. Потік і циркуляція вектора магнітної індукції........................... 2.2. Магнітне поле соленоїда і тороїда............................................... 2.3. Закон Ампера................................................................................. 2.4. Сила Лоренца................................................................................. § 3. КОНТУР ЗІ СТРУМОМ В ЗОВНІШНЬОМУ МАГНІТНОМУ ПОЛІ................................................................................................................. 3.1. Стан контуру зі струмом в зовнішньому магнітному полі.................................................................................................. 3.2. Робота при переміщенню контуру зі струмом в магнітному полі.................................................................................................. 3.3. Рух заряджених частинок в магнітному полі. Циклотрон...................................................................................... Розділ 2. МАГНІТНЕ ПОЛЕ В РЕЧОВИНІ § 4. МАГНІТНЕ ПОЛЕ В МАГНЕТИКАХ................................................... 4.1. Намагнічування магнетиків. Опис магнітного поля в магнетиках...................................................................................... 4.2. Напруженість магнітного поля.................................................... 4.3. Умови на межі двох магнетиків................................................... § 5. КЛАСИФІКАЦІЯ МАГНЕТИКІВ.......................................................... 5.1. Магнітний момент атома, класифікація магнетиків.................. 5.2. Діамагнетики.................................................................................. 5.3. Парамагнетики............................................................................... 5.4. Феромагнетики.............................................................................. 5.5. Намагнічування і пере магнічення феромагнетиків. Точка Кюрі................................................................................................ Питання для самоконтролю Розділ 3. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ § 6.ЕЛЕКТРИЧНІ КОЛИВАННЯ................................................................. 6.1. Електромагнітна індукція. Досліди Фарадея.............................. 6.2. ЕРС індукції. Закон електромагнітної індукції Фарадея. Правило Ленца............................................................................... 6.3. Вихрові струми. Скін-ефект......................................................... 6.4. Явище самоіндукції. Індуктивність............................................. 6.5. Струми замикання і розмикання. ................................................ 6.6. Взаємна індукція............................................................................ 6.7. Енергія магнітного поля струму. Енергія і густина енергії магнітного поля............................................................................. Питання для самоконтролю Розділ 4. ЕЛЕКТРИЧНІ КОЛИВАННЯ § 7. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ......................................................... 7.1. Квазістаціонарний струм.............................................................. 7.2. Коливальний контур. Вільні коливання в контурі без активного опору............................................................................. 7.3. Вільні загасаючі коливання......................................................... 7.4. Вимушені коливання. Резонанс................................................... Питання для самоконтролю Розділ 5. СИСТЕМА РІВНЯНЬ МАКСВЕЛА § 8. ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ.................................................................. 8.1. Вихрове електричне поле............................................................. 8.2. Електромагнітне поле................................................................... 8.3. Струм зміщення. Система рівнянь Максвела............................. Література

Частина 1. Електростатика