Майкл Фараде́й (англ. Michael Faraday , 22 сентября 1791, Лондон - 25 августа 1867, Лондон) - английский физик-экспериментатор и химик. Член Лондонского
королевского общества (1824) и множества других научных организаций, в том числе иностранный почётный член Петербургской академии наук (1830).
Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя. Среди других его открытий - первый трансформатор, химическое действие тока, законы электролиза, действие магнитного поля на свет, диамагнетизм. Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод, анод, электролит, диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм и др.
Фарадей - основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл. Основной идейный вклад Фарадея в физику электромагнитных явлений заключался в отказе от ньютонова принципа дальнодействия и во введении понятия физического поля - непрерывной области пространства, сплошь заполненной силовыми линиями и взаимодействующей с веществом.
Лоренц известен прежде всего своими работами в области электродинамики и оптики. Объединив концепцию непрерывного электромагнитного поля с представлением о дискретных электрических зарядах, входящих в состав вещества, он создал классическую электронную теорию и применил её для решения множества частных задач: получил выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля (сила Лоренца), вывел формулу, связывающую показатель преломления вещества с его плотностью (формула Лоренца - Лоренца), разработал теорию дисперсии света, объяснил ряд магнитооптических явлений (в частности, эффект Зеемана) и некоторые свойства металлов. На основе электронной теории учёный развил электродинамику движущихся сред, в том числе выдвинул гипотезу о сокращении тел в направлении их движения (сокращение Фицджеральда - Лоренца), ввёл понятие о «местном времени», получил релятивистское выражение для зависимости массы от скорости, вывел соотношения между координатами и временем в движущихся относительно друг друга инерциальных системах отсчёта (преобразования Лоренца). Работы Лоренца способствовали становлению и развитию идей специальной теории относительности и квантовой физики. Кроме того, им был получен ряд существенных результатов в термодинамике и кинетической теории газов, общей теории относительности, теории теплового излучения.
Он также предсказал «квантовую телепортацию», предсказал и измерил гиромагнитный эффект Эйнштейна - де Хааза. С 1933 года работал над проблемами космологии и единой теории поля. Активно выступал против войны, против применения ядерного оружия, за гуманизм, уважение прав человека, взаимопонимание между народами.
Эйнштейну принадлежит решающая роль в популяризации и введении в научный оборот новых физических концепций и теорий. В первую очередь это относится к пересмотру понимания физической сущности пространства и времени и к построению новой теории гравитации взамен ньютоновской. Эйнштейн также, вместе с Планком, заложил основы квантовой теории. Эти концепции, многократно подтверждённые экспериментами, образуют фундамент современной физики.
34. ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА?
Мы приступаем теперь к изучению нового раздела физики «Электродинамика». Само это название показывает, что речь пойдет о процессах, которые определяются движением и взаимодействием электрически заряженных частиц. Такое взаимодействие называется электромагнитным. Изучение природы этого взаимодействия приведет нас к одному из самых фундаментальных понятий физики - понятию электромагнитного поля.
Электродинамика - это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.
Среди четырех типов взаимодействий, открытых наукой,- гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых - именно электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни и технике мы чаще всего встречаемся с различными видами электромагнитных сил. Это силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных.
Электромагнитные взаимодействия позволяют видеть книгу, которую вы читаете, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без этих сил. Живые существа и даже человек, как показали полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения не оказывают никакого влияния на жизнедеятельность организмов. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь.
При взаимодействии частиц в самых малых системах природы - в атомных ядрах - и при взаимодействии космических тел электромагнитные силы играют важную роль, в то время как сильные и слабые взаимодействия определяют процессы только в очень малых масштабах, а гравитационные - только в космических. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в
молекулы (химические силы) и образование макроскопических количеств вещества определяются исключительно электромагнитными силами. Трудно, почти невозможно указать явления, которые не были бы связаны с действием электромагнитных сил.
К созданию электродинамики привела длинная цепь планомерных исследований и случайных открытий, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая гипотезой великого английского ученого Джемса Клерка Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем. Лишь во второй половине XIX в., после создания электродинамики, началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио А. С. Поповым - одно из важнейших применений принципов новой теории.
При развитии электродинамики впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики.
Бесчисленные практические применения электромагнитных явлений преобразовали жизнь людей на всем земном шаре. Современная цивилизация немыслима без широчайшего применения энергии электрического тока.
Наша задача состоит в изучении основных законов электромагнитных взаимодействий, а также в знакомстве с основными способами получения электрической энергии и использования ее на практике.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Электромагнитные поля и электромагнитные взаимодействия исследует раздел физики, называемый электродинамикой .
Классическая электродинамика изучает и описывает свойства электромагнитных полей. Рассматривает законы, по которым электромагнитные поля взаимодействуют с телами, обладающими электрическим зарядом.
Базовые понятия электродинамики
Основой электродинамики неподвижной среды являются уравнения Максвелла. Электродинамика оперирует такими основными понятиями как электромагнитное поле, электрический заряд, электромагнитный потенциал, вектор Пойнтинга.
Электромагнитным полем называют особый вид материи, который проявляется при воздействии одного заряженного тела на другое. Часто при рассмотрении электромагнитного поля выделяют его составляющие: электрическое поле и магнитное поле. Электрическое поле создает электрический заряд или переменное магнитное поле. Магнитное поле возникает при движении заряда (заряженного тела) и при наличии переменного во времени электрического поля.
Электромагнитный потенциал - это физическая величина, определяющая распределение электромагнитного поля в пространстве.
Электродинамику разделяют на: электростатику; магнитостатику; электродинамику сплошной среды; релятивистскую электродинамику.
Вектор Пойнтинга (вектор Умова — Пойнтинга) - это физическая величина, являющаяся вектором плотности потока энергии электромагнитного поля. Величина данного вектора равна энергии, которая переносится в единицу времени сквозь единичную площадь поверхности, которая перпендикулярна направлению распространения электромагнитной энергии.
Электродинамика составляет основу для изучения и развития оптики (как раздела науки), физики радиоволн. Этот раздел науки является фундаментом для радиотехники и электротехники.
Классическая электродинамика, при описании свойств электромагнитных полей и принципов их взаимодействия, использует систему уравнений Максвелла (в интегральной или дифференциальной формах), дополняя ее системой материальных уравнений, граничными и начальными условиями.
Структурные уравнения Максвелла
Система уравнений Максвелла имеет такое же значение в электродинамике как законы Ньютона в классической механике. Уравнения Максвелла были получены в результате обобщения многочисленных экспериментальных данных. Выделают структурные уравнения Максвелла, записывая их в интегральном или дифференциальном виде и материальные уравнения, которые связывают векторов c параметрами, характеризующими электрические и магнитные свойства вещества.
Структурные уравнения Максвелла в интегральном виде (в системе СИ):
где - вектор напряженности магнитного поля; — вектор плотности электрического тока; - вектор электрического смещения. Уравнение (1) отображает закон создания магнитных полей. Магнитное поле возникает при движении заряда (электрический ток) или при изменении электрического поля. Это уравнение - обобщение закона Био-Савара-Лапласа. Уравнение (1) носит название теоремы о циркуляции магнитного поля.
где - вектор индукции магнитного поля; - вектор напряжённости электрического поля; L - замкнутый контур, по которому происходит циркуляция вектора напряженности электрического поля. Другое название уравнения (2) — это закон электромагнитной индукции. Выражение (2) означает то, что вихревое электрическое поле порождается благодаря переменному магнитному полю.
где - электрический заряд; - плотность заряда. Уравнение (3) называют теоремой Остроградского — Гаусса. Электрические заряды являются источниками электрического поля, существуют свободные электрические заряды.
Уравнение (4) свидетельствует о том, что магнитное поле является вихревым. Магнитных зарядов в природе не существует.
Структурные уравнения Максвелла в дифференциальном виде (система СИ):
где - вектор напряженности электрического поля; - вектор магнитной индукции.
где — вектор напряженности магнитного поля; - вектор диэлектрического смещения; - вектор плотности тока.
где - плотность распределения электрического заряда.
Структурные уравнения Максвелла в дифференциальной форме определяют электромагнитное поле в любой точке пространства. Если заряды и токи распределены в пространстве непрерывно, то интегральная и дифференциальная формы уравнений Максвелла эквивалентны. Однако если имеются поверхности разрыва, то интегральная форма записи уравнений Максвелла является более общей.
Для достижения математической эквивалентности интегральной и дифференциальной форм уравнений Максвелла дифференциальную запись дополняют граничными условиями.
Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле и наоборот, то есть эти поля неразрывны и образуют единое электромагнитное поле. Источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо переменное во времени магнитное поле. Магнитные поля возбуждаются движущимися электрическими зарядами (токами) или переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не являются симметричными относительно электрического и магнитного полей. Это происходит из-за того, что электрические заряды существуют, а магнитных нет.
Материальные уравнения
Систему структурных уравнений Максвелла дополняют материальными уравнениями, которые отражают связь векторов c параметрами, характеризующими электрические и магнитные свойства вещества.
где - относительная диэлектрическая проницаемость, - относительная магнитная проницаемость, — удельная электропроводность, - электрическая постоянная, - магнитная постоянная. Среда в таком случае считается изотропной, неферромагнитной, несегнетоэлектрической.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Получите дифференциальную форму уравнения непрерывности из системы уравнений Максвелла. |
| Решение | В качестве основы для решения задачи используем уравнение:
где - площадь произвольной поверхности, на которую опирается замкнутый контур L. Из (1.1) имеем: Рассмотрим бесконечно малый контур, тогда
Так как поверхность является замкнутой, то выражение (1.2) можно переписать как:
Запишем еще одно уравнение Максвелла:
Продифференцируем уравнение (1.5) по времени, имеем: Принимая во внимание выражение (1.4), уравнение (1.5) представим в виде: Мы получили уравнение (1.5) непрерывности в интегральной форме. Для того, чтобы перейти к дифференциальной форме уравнения непрерывности перейдем к пределу: Мы получили уравнение непрерывности в дифференциальной форме: |
Закон Кулона:
где F – сила электростатического взаимодействия между двумя заряженными телами;
q 1 , q 2 – электрические заряды тел;
ε – относительная, диэлектрическая проницаемость среды;
ε 0 =8,85·10 -12 Ф/м – электрическая постоянная;
r – расстояние между двумя заряженными телами.
Линейная плотность заряда:
где dq – элементарныйзаряд, приходящийся на участок длины dl.
Поверхностная плотность заряда:
где dq – элементарныйзаряд, приходящийся на поверхность ds.
Объемная плотность заряда:
где dq – элементарныйзаряд, в объеме dV.
Напряженность электрического поля:
где F – сила действующая на заряд q .
Теорема Гаусса:
где Е – напряженность электростатического поля;
dS – вектор, модуль которого равен площади пронизываемой поверхности, а направление совпадает с направлением нормали к площадке;
q – алгебраическая сумма заключенных внутри поверхности dS зарядов.
Теорема о циркуляции вектора напряженности:
Потенциал электростатического поля:
где W p – потенциальная энергия точечного заряда q .
Потенциал точечного заряда:
Напряженность поля точечного заряда:
.
Напряженность поля, создаваемого бесконечной прямой равномерно заряженной линией или бесконечно длинным цилиндром:
где τ – линейная плотность заряда;
r – расстояние от нити или оси цилиндра до точки, напряженность поля в которой определяется.
Напряженность поля, создаваемого бесконечной равномерной заряженной плоскостью:
где σ – поверхностная плотность заряда.
Связь потенциала с напряженностью в общем случае:
E= –
gradφ= 
.
Связь потенциала с напряженностью в случае однородного поля:
E = ,
где d – расстояние между точками с потенциалами φ 1 и φ 2 .
Связь потенциала с напряженностью в случае поля, обладающего центральной или осевой симметрией:
Работа сил поля по перемещению заряда q из точки поля с потенциалом φ 1 в точку с потенциалом φ 2:
A=q(φ 1 – φ 2).
Электроемкость проводника:
где q – заряд проводника;
φ – потенциал проводника при условии, что в бесконечности потенциал проводника принимается равным нулю.
Электроемкость конденсатора:
где q – заряд конденсатора;
U – разность потенциалов между пластинами конденсатора.
Электроемкость плоского конденсатора:
где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между пластинами;
d – расстояние между пластинами;
S – суммарная площадь пластин.
Электроемкость батареи конденсаторов:
б) при параллельном соединении:
Энергия заряженного конденсатора:
,
где q – заряд конденсатора;
U – разность потенциалов между пластинами;
C – электроемкость конденсатора.
Сила постоянного тока:
где dq – заряд, протекший через поперечное сечение проводника за время dt .
Плотность тока:
где I – сила тока в проводнике;
S – площадь проводника.
Закон Ома для участка цепи, не содержащего ЭДС:
где I – сила тока на участке;
U
R – сопротивление участка.
Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС:
где I – сила тока на участке;
U – напряжение на концах участка;
R – полное сопротивление участка;
ε – ЭДС источника.
Закон Ома для замкнутой (полной) цепи:
где I – сила тока в цепи;
R – внешнее сопротивление цепи;
r – внутреннее сопротивление источника;
ε – ЭДС источника.
Законы Кирхгофа:
2. 
,
где – алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле;
– алгебраическая сумма падений напряжений в контуре;
– алгебраическая сумма ЭДС в контуре.
Сопротивление проводника:
где R – сопротивление проводника;
ρ – удельное сопротивление проводника;
l – длина проводника;
S
Проводимость проводника:
где G – проводимость проводника;
γ – удельная проводимость проводника;
l – длина проводника;
S – площадь поперечного сечения проводника.
Сопротивление системы проводников:
а) при последовательном соединении:
а) при параллельном соединении:
Работа тока:
,
где A – работа тока;
U – напряжение;
I – сила тока;
R – сопротивление;
t – время.
Мощность тока:
.
Закон Джоуля – Ленца
где Q – количество выделившейся теплоты.
Закон Ома в дифференциальной форме:
j =γE ,
где j – плотность тока;
γ – удельная проводимость;
E – напряженность электрического поля.
Связь магнитной индукции с напряженность магнитного поля:
B =μμ 0 H ,
где B – вектор магнитной индукции;
μ– магнитная проницаемость;
H – напряженность магнитного поля.
Закон Био – Савара – Лапласа:
,
где dB – индукция магнитного поля, создаваемая проводником в некоторой точке;
μ – магнитная проницаемость;
μ 0 =4π·10 -7 Гн/м – магнитная постоянная;
I – сила тока в проводнике;
dl – элемент проводника;
r – радиус-вектор, проведенный из элемента dl проводника в точку, в которой определяется индукция магнитного поля.
Закон полного тока для магнитного поля (теорема о циркуляции вектора B ):
,
где n – число проводников с токами, охватываемых контуром L произвольной формы.
Магнитная индукция в центре кругового тока:
где R – радиус кругового витка.
Магнитная индукция на оси кругового тока:
,
где h – расстояние от центра витка до точки, в которой определяется магнитная индукция.
Магнитная индукция поля прямого тока:
где r 0 – расстояние от оси провода до точки, в которой определяется магнитная индукция.
Магнитная индукция поля соленоида:
B= μμ 0 nI,
где n – отношение числа витков соленоида к его длине.
Сила Ампера:
dF =I,
где dF – сила Ампера;
I – сила тока в проводнике;
dl – длина проводника;
B – индукция магнитного поля.
Сила Лоренца:
F =qE +q [v B ],
где F – сила Лоренца;
q – заряд частицы;
E – напряженность электрического поля;
v – скорость частицы;
B – индукция магнитного поля.
Магнитный поток:
а) в случае однородного магнитного поля и плоской поверхности:
Φ=B n S ,
где Φ –магнитный поток;
B n – проекция вектора магнитной индукции на вектор нормали;
S – площадь контура;
б) в случае неоднородного магнитного поля и произвольной проекции:
Потокосцепления (полный поток) для тороида и соленоида:
где Ψ – полный поток;
N – число витков;
Φ – магнитный поток, пронизывающий один виток.
Индуктивность контура:
Индуктивность соленоида:
L= μμ 0 n 2 V,
где L – индуктивность соленоида;
μ – магнитная проницаемость;
μ 0 – магнитная постоянная;
n – отношение числа витков к его длине;
V – объем соленоида.
Закон электромагнитной индукции Фарадея:
где ε i – ЭДС индукции;
– изменение полного потока в единицу времени.
Работа по перемещению замкнутого контура в магнитном поле:
A=I ΔΦ,
где A – работа по перемещению контура;
I – сила тока в контуре;
ΔΦ – изменение магнитного потока, пронизывающего контур.
ЭДС самоиндукции:
Энергия магнитного поля:
Объемная плотность энергии магнитного поля:
,
где ω – объемная плотность энергии магнитного поля;
B – индукция магнитного поля;
H – напряженность магнитного поля;
μ – магнитная проницаемость;
μ 0 – магнитная постоянная.
3.2. Понятия и определения
? Перечислите свойства электрического заряда.
1. Существуют заряды двух типов – положительные и отрицательные.
2. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.
3.Заряды обладают свойством дискретности – все кратны наименьшему элементарному.
4. Заряд инвариантен, его величина не зависит от системы отсчета.
5. Заряд аддитивен - заряд системы тел равен сумме зарядов всех тел системы.
6. Полный электрический заряд замкнутой системы есть величина постоянная
7. Неподвижный заряд – источник электрического поля, движущийся заряд – источник магнитного поля.
? Сформулируйте закон Кулона.
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Направлена сила вдоль линии, соединяющей заряды.
? Что такое электрическое поле? Напряженность электрического поля? Сформулируйте принцип суперпозиции напряженности электрического поля.
Электрическое поле – вид материи, связанный с электрическими зарядами и передающий действие одних зарядов на другие. Напряженность – силовая характеристика поля, равная силе, действующий на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля. Принцип суперпозиции – напряженность поля, создаваемая системой точечных зарядов, равна векторной сумме напряженностей поля каждого заряда.
? Что называют силовыми линиями напряженности электростатического поля? Перечислите свойства силовых линий.
Линия, касательная в каждой точке которых совпадает с направлением вектора напряженности поля называется силовой. Свойства силовые линии – начинаются на положительных, заканчиваются на отрицательных зарядах, не прерываются, не пересекаются друг с другом.
? Дайте определение электрического диполя. Поле диполя.
Система из двух равных по модулю, противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расстояние между которыми мало по сравнению с расстоянием до точек, где наблюдается действие этих зарядов.Вектор напряженности имеет направление, противоположное вектору электрического момента диполя (который, в свою очередь, направлен от отрицательного заряда к положительному).
? Что такое потенциал электростатического поля? Сформулируйте принцип суперпозиции потенциала.
Скалярная величина, численно равная отношению потенциальной энергии электрического заряда, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда. Принцип суперпозиции – потенциал системы точечных зарядов в некоторой точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов, которые создали бы по отдельности эти заряды в этой же точке пространства.
? Какова связь между напряженностью и потенциалом?
E =- (E -напряженность поля в данной точке поля, j - потенциал в этой точке.)
? Определите понятие «поток вектора напряженности электрического поля». Сформулируйте электростатическую теорему Гаусса.
Для произвольной замкнутой поверхности поток вектора напряженности E электрического поля Ф Е = . Теорема Гаусса:
= (здесь Q i – заряды, охваченные замкнутой поверхностью). Справедлива для замкнутой поверхности любой формы.
? Какие вещества называют проводниками? Как распределены заряды и электростатическое поле в проводнике? Что такое электростатическая индукция?
Проводники -вещества, в которых под действием электрического поля могут двигаться упорядоченно свободные заряды. Под действием внешнего поля заряды перераспределяются, создавая собственное поле, равное по модулю внешнему и направленное противоположно. Поэтому результирующая напряженность внутри проводника равна 0.
Электростатическая индукция - вид электризации, при котором под действием внешнего электрического поля происходит перераспределение зарядов между частями данного тела.
? Что такое электроемкость уединенного проводника, конденсатора. Как определить емкость плоского кондесатора, батареи конденсаторов, соединенных последовательно, параллельно? Единица измерения электроемкости.
Уединенный проводник: где С –емкость, q - заряд, j - потенциал. Единица измерения – фарад [Ф ]. (1 Ф – емкость проводника, у которого потенциал возрастает на 1 В при сообщении проводнику заряда 1 Кл).
Емкость плоского конденсатора . Последовательное соединение: 
. Параллельное соединение: С общ =С
1 +С
2 +…+С
n
? Какие вещества называют диэлектриками? Какие типы диэлектриков вы знаете? Что такое поляризация диэлектриков?
Диэлектрики - вещества, в которых при обычных условиях нет свободных электрических зарядов. Существуют диэлектрики полярные, неполярные, сегнетоэлектрики. Поляризацией называется процесс ориентации диполей под воздействием внешнего электрического поля.
? Что такое вектор электрического смещения? Cформулируйте постулат Максвелла.
Вектор электрического смещения D характеризует электростатическое поле, создаваемое свободными зарядами (т.е. в вакууме), но при таком распределении в пространстве, какое имеется при наличии диэлектрика. Постулат Максвелла: . Физический смысл – выражает закон создания электрических полей действием зарядов в произвольных средах.
? Сформулируйте и поясните граничные условия для электростатического поля.
При переходе электрического поля через границу раздела двух диэлектрических сред вектор напряженности и смещения скачкообразно меняются по величине и направлению. Соотношения, характеризующие эти изменения, называются граничными условиями. Их 4:
(3), (4)
? Как определяется энергия электростатического поля? Плотность энергии?
Энергия W= (E- напряженность поля, e-диэлектрическая проницаемость, e 0 -электрическая постоянная, V - объем поля), плотность энергии
? Определите понятие «электрический ток». Виды токов. Характеристики электрического тока. Какое условие необходимо для его возникновения и существования?
Ток - упорядоченное движение заряженных частиц. Виды – ток проводимости, упорядоченное движение свободных зарядов в проводнике, конвекционный – возникает при перемещении в пространстве заряженного макроскопического тела. Для возникновения и существования тока необходимо наличие заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, и наличие электрического поля, энергия которого восполняясь, расходовалась бы на это упорядоченное движение.
? Приведите и поясните уравнение непрерывности. Сформулируйте условие стационарности тока в интегральной и дифференциальной формах.
Уравнение непрерывности . Выражает в дифференциальной форме закон сохранения заряда. Условие стационарности (постоянства) тока в интегральной форме: и дифференциальной - .
? Запишите закон Ома в интегральной и дифференциальной формах.
Интегральная форма – (I –ток, U - напряжение, R -сопротивление). Дифференциальная форма - (j -плотность тока, g- удельная электрическая проводимость, E - напряженность поля в проводнике).
? Что такое сторонние силы? ЭДС?
Сторонние силы разделяют заряды на положительные и отрицательные. ЭДС- отношение работы по перемещению заряда вдоль всей замкнутой цепи к его величине
? Как определяется работа и мощность тока?
При перемещении заряда q по электрической цепи, на концах которой действует напряжение U , электрическим полем совершается работа , мощность тока (t-время)
? Сформулируйте правила Кирхгофа для разветвленных цепей. Какие законы сохранения заложены в правилах Кирхгофа? Сколько независимых уравнений надо составить на основе первого и второго законов Кирхгофа?
1. Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0.
2. В любом произвольно выбранном замкнутом контуре алгебраическая сумма падений напряжений равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в этом контуре. Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда. Число уравнений в сумме должно быть равно числу искомых величин (в систему уравнений должны входить все сопротивления и ЭДС).
? Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации. Понятие о плазме.
Электрический ток в газах – направленное движение свободных электронов и ионов. При нормальных условиях газы – диэлектрики, проводниками становятся после ионизации. Ионизация – процесс образования ионов путем отделения электронов от молекул газа. Происходит вследствие воздействия внешнего ионизатора – сильного нагрева, рентгеновского или ультрафиолетового облучения, бомбардировки электронами. Рекомбинация – процесс, обратный ионизации. Плазма – представляет собой полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны.
? Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия.
Носители тока в вакууме – электроны, вылетевшие вследствие эмиссии с поверхности электродов. Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретыми металлами.
? Что вы знаете о явлении сверхпроводимости?
Явление, при котором сопротивление некоторых чистых металлов (олово, свинец, алюминий) падает до нуля при температурах, близких к абсолютному нулю.
? Что вы знаете об электрическом сопротивлении проводников? Что такое удельное сопротивление, зависимость его от температуры, удельная электрическая проводимость? Что вы знаете о последовательном и параллельном соединении проводников. Что такое шунт, дополнительное сопротивление?
Сопротивление - величина, прямо пропорциональная длине проводника l
и обратно пропорциональная площади S
поперечного сечения проводника: (r-удельное сопротивление). Проводимость- величина, обратная сопротивлению. Удельное сопротивление (сопротивление проводника длиной 1 м сечением 1 м 2). Удельное сопротивление зависит от температуры , здесь a - температурный коэффициент, R
и R
0 , r и r 0 –сопротивления и удельные сопротивления при t
и 0 0 С. Параллельное - 
, последовательное R=R
1 +R
2 +…+R n
. Шунт- резистор, подключаемый параллельно электроизмерительному прибору, для отведения части электрического тока, чтобы расширить пределы измерений.
? Магнитное поле. Какие источники могут создавать магнитное поле?
Магнитное поле – особый вид материи, посредством которой взаимодействуют движущиеся электрические заряды. Причина существования постоянного магнитного поля неподвижный проводник с постоянным электрическим током, или постоянные магниты.
? Сформулируйте закон Ампера. Как взаимодействуют проводники, по которым ток течет в одном (противоположном) направлении?
На проводник с током действует сила Ампера, равная .
B - магнитная индукция, I- ток в проводнике, Dl –длина участка проводника, a-угол между магнитной индукцией и участком проводника. В одном направлении -притягиваются, в противоположном – отталкиваются.
? Дайте определение силы Ампера. Как определить ее направление?
Это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле. Направление определяем так: ладонь левой руки располагаем так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца были направлены по току в проводнике. Отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.
? Поясните движение заряженных частиц в магнитном поле. Что такое сила Лоренца? Как находится ее направление?
Движущаяся заряженная частица создает свое собственное магнитное поле. Если ее поместить во внешнее магнитное поле, то взаимодействие полей проявится в возникновении силы, действующей на частицу со стороны внешнего поля – силы Лоренца. Направление – по правилу левой руки. Для положительного заряда- вектор B входит в ладонь левой руки, четыре пальца направлены по движению положительного заряда (вектору скорости), отогнутый большой палец показывает направление силы Лоренца. На отрицательный заряд та же сила действует в обратном направлении.
(q
-заряд, v
-скорость, B
- индукция, a- угол между направлением скорости и магнитной индукции).
? Рамка с током в однородном магнитном поле. Как определяется магнитный момент?
Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее определенным образом. Вращающий момент определяется формулой: M =p m xB , где p m - вектор магнитного момента рамки с током, равный ISn (ток на площадь поверхности контура, на единичную нормаль к контуру), B -вектор магнитной индукции, количественная характеристика магнитного поля.
? Что такое вектор магнитной индукции? Как определить его направление? Как графически изображают магнитное поле?
Вектор магнитной индукции – это силовая характеристика магнитного поля. Магнитное поле наглядно изображают с помощью силовых линий. В каждой точке поля касательная к силовой линии совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
? Сформулируйте и поясните закон Био – Савара - Лапласа.
Закон Био – Савара - Лапласа позволяет рассчитать для проводника с током I
магнитную индукцию поля dB
, создаваемого в произвольной точке поля dl
проводника: (здесь m 0 -магнитная постоянная, m-магнитная проницаемость среды). Направление вектора индукции определяется по правилу правого винта, если поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.
? Сформулируйте принцип суперпозиции для магнитного поля.
Принцип суперпозиции - магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:
? Поясните основные характеристики магнитного поля: магнитный поток, циркуляция магнитного поля, магнитная индукция.
Магнитным потоком Ф через какую-либо поверхность S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и косинус угла a между векторами B и n (внешней нормалью к поверхности). Циркуляцией вектора B по заданному замкнутому контуру называется интеграл вида , где dl - вектор элементарной длины контура. Теорема о циркуляции вектора B : циркуляция вектора B по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром. Вектор магнитной индукции – это силовая характеристика магнитного поля. Магнитное поле наглядно изображают с помощью силовых линий. В каждой точке поля касательная к силовой линии совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
? Запишите и прокомментируйте условие соленоидальности магнитного поля интегральной и дифференциальной формах.
Векторные поля, в которых отсутствуют источники и стоки, называют соленоидальными. Условие соленоидальности магнитного поля в интегральной форме: и дифференциальной форме:
? Магнетики. Виды магнетиков. Феромагнетики и их свойства. Что такое гистерезис?
Вещество является магнетиком, если оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.Намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля – парамагнетиками. Эти два класса называют слабомагнитными веществами. Сильномагнитные вещества, намагниченные даже при отсутствии внешнего магнитного поля, называют ферромагнетиками. Магнитный гистерезис – различие в значениях намагниченности ферромагнетика при одной и той же напряженности Н намагничивающего поля в зависимости от значения предварительной намагниченности. Такая графическая зависимость называется петлей гистерезиса.
? Сформулируйте и поясните закон полного тока в интегральной и дифференциальной формах (основные ур-я магнитостатики в веществе).
? Что такое электромагнитная индукция? Сформулируйте и поясните основной закон электромагнитной индукции (закон Фарадея). Сформулируйте правило Ленца.
Явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС индукции) в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном в постоянном магнитном поле называют электромагнитной индукцией. Закон Фарадея: какова бы не была причина изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре ЭДС
Знак минус определяется правилом Ленца – индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.
? В чем заключается явление самоиндукции? Что такое индуктивность, единицы измерения? Токи при замыкании и размыкании электрической цепи.
Возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре под действием собственного магнитного поля при его изменении, происходящем в результате изменения в проводнике силы тока. Индуктивность – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и размеров проводника или контура, [Гн]. В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи. Поэтому величина силы тока не может меняться мгновенно (механический аналог – инертность).
? Явление взаимной индукции. Коэффициент взаимной индукции.
Если два неподвижных контура расположены близко друг к другу, то при изменении силы тока в одном контуре, возникает ЭДС в другом контуре. Это явление называется взаимной индукцией. Коэффициенты пропорциональности L 21 и L 12 называют взаимной индуктивностью контуров, они равны.
? Запишите уравнения Максвелла в интегральной форме. Поясните их физический смысл.
; 
;
; .
Из теории Максвелла следует, что электрическое и магнитное поле нельзя рассматривать как независимые – изменение во времени одного приводит к изменению другого.
? Энергия магнитного поля. Плотность энергии магнитного поля.
Энергия , L –индуктивность, I – сила тока.
Плотность 
, В
– магнитная индукция, Н
– напряженность магнитного поля, V
-объем.
? Принцип относительности в электродинамике
Общие закономерности электромагнитных полей описываются уравнениями Максвелла. В релятивистской электродинамике установлено, что релятивистская инвариантность этих уравнений имеет место только при условии относительности электрических и магнитных полей, т.е. при зависимости характеристик этих полей от выбора инерциальных систем отсчета. В подвижной системе электрическое поле такое же, как в неподвижной, но в подвижной системе имеется магнитное поле, которого в неподвижной системе нет.
Колебания и волны
Определение 1
Электродинамика – это раздел физики, изучающие основные переменные электромагнитного поля, и их взаимодействие.
Классическая электродинамика описывает все свойства электромагнитного поля и принципы его взаимосвязи с другими физическими элементами, которые несут определенный электрический заряд. Это действие можно определить посредством уравнений Максвелла, и выражения мощности Лоренца. При этом всегда применяются такие главные понятия электродинамики как: электромагнитное поле, электромагнитный потенциал, электрический заряд и вектор Пойнтинга.
К основным разделам указанного направления в физике относят:
- магнитостатику;
- электростатику;
- электродинамику сплошной среды.
Основой для оптики, как раздела науки, выступает электродинамика в виде физики радиоволн. Это научное направление считается фундаментом для электротехники и радиотехники.
Электрический заряд
Электромагнитные взаимосвязи относятся к числу самых важных действий в природе. Силы их упругости и трения, давление газа и жидкости можно свести к единому показателю электромагнитной силы между элементами вещества. Сами взаимодействия в электродинамике уже не могут образоваться в более глубоких формах взаимодействий.
Замечание 1
Таким же фундаментальным видом взаимодополнения является тяготение - гравитационное и постоянное притяжение двух физических тел.
Однако между гравитационными процессами и электромагнитными можно наблюдать несколько важных отличий:
- принимать участие в электромагнитных взаимодействиях могут только заряженные тела;
- гравитационная связь- это всегда систематическое притяжение одного тела к другому;
- электромагнитные взаимосвязи могут быть как отталкиванием, так и притяжением;
- взаимодействие в электродинамике гораздо интенсивнее гравитационного;
- каждое заряженное тело имеет определенную величину электрического заряда.
Определение 2
Электрический заряд - это конкретная физическая величина, которая более точно определяет силу электромагнитного взаимодействия между природой и объектам, единицей измерения которой является кулон (Кл)1.
Электрическое поле
Теория близкодействия одержала верх над ранее предложенными гипотезами ученых, в результате чего основным объектом, полноценно передающим взаимодействие между зарядами даже сквозь вакуум, оказалось электромагнитное поле. Решающими в данной сфере стали труды и работы двух известных ученых $XIX$ столетия - Фарадея и Максвелла. Физики смогли открыть принцип работы электрического поля с помощью экспериментальных подтверждений своих утверждений.
Неподвижные заряды не могут образовывать магнитное поля, следовательно, в этом аспекте необходимо говорить только о свойствах самого электрическом поле.
Итак, главными характеристиками поля в электродинамике являются:
- электрический заряд может создавать мощное поле вокруг себя;
- электродинамика не нуждается в какой-то конкретной среде и может возникать в веществе и в вакууме, является хорошей альтернативной формой существования всей материи;
- электрическое поле является первичным физическим объектом, которое устанавливает законы поведения динамики процессов в электрической цепи.
Источниками электрического поля считают постоянные электрические заряды, а индикатором для исследования данного явления выступает так называемый пробный заряд. По действию этого вещества можно судить о наличии электрического поля в определенном пространстве. Кроме того, посредством пробного заряда можно определить величину поля в различных сферах его взаимодействия. Естественно, данный элемент в электродинамике должен быть точечным и постоянным.
По мнению ученых, сила, оказывающая влияние на пробный заряд в электрическом поле, абсолютно пропорционально величине общего заряда. Поэтому соотношение интенсивности к потоку энергии уже не зависит от показателя заряда и является одним из свойств поля.
Напряжённость электрического поля представляет собой взаимосвязь вектора силы $\vec {F}$, с которой электромагнитное поле действует на пробный заряд $q$, к самому пробному заряду: ${{\vec {E}}={\frac {\vec {F}}{q}}.}$
Напряжение веществ в поле считается векторной величиной, где в каждой точке пространства находится определенный коэффициент пробного элемента. Поле является заданным, если можно определит зависимость указанного вектора напряжённости от заданных координат точки и от времени.
Замечание 2
Как следует из данного определения, напряжённость принято измерять в Н/кл, однако на сегодняшний день возможно исследовать только свойства этого процесса.
Проводники в электрическом поле
Электрический ток можно легко получить, если полюса батарейки замкнуть металлической проволокой, а если заменить проволоку обычной стеклянной палочкой - никакого тока не возникнет. Металл является основным проводником, а стекло выступает в роли диэлектрика.
Проводники в электродинамике отличаются от диэлектриков отсутствием лишних зарядов, заряженных элементов, положение которых никак не связано с точкой внутри самого вещества. Свободные заряды начинают активно взаимодействовать под влиянием электрического поля и могут двигаться по всему объему проводника.
Определение 3
Проводники - это в первую очередь металлы, в которых абсолютно свободными зарядами считаются только свободные электроны, которые вытекают из особенностей процесса металлической связи.
Дело в том, что валентный постоянный электрон, который расположен на электронной внешней оболочке атома металла, достаточно слабо связан с атомным ядром. При взаимосвязи атомов металла их валентные частицы остаются без оболочки, и «отправляются в свободное плавание».
Проводниками в электрическом поле выступают и электролиты, представляющие собой растворы и расплавы, свободные нано-заряды, в которых проявляется диссоциация молекул на положительные и отрицательные ионы. Если вы бросите в стакан обычной воды щепотку поваренной соли, тогда молекулы $NaCl$ постепенно распадаются на положительные ионы $Na^+$ и $Cl^−$. Под воздействием электрического поля эти показатели начнут образовывать упорядоченное движение, в результате чего возникнет электрический ток.
Природная вода выступает хорошим проводником благодаря наличию растворенных в ней солей, но не таким хорошим, как металлы. Все знают, что тело человека в основным состоит из воды, в которой также растворены определенные элементы соли. Поэтому наше тело также выступает в роли проводника электрического тока.
Стоит отметить, что благодаря наличию огромного количества свободных зарядов, которые способны перемещаться по всему пространственному объему, проводники имеют некоторые характерные общие свойствами.
Электромеханическая аналогия
Между индуктивностью $L$ в электродинамике и массой $m$ в механике нетрудно заметить определенную аналогию. Известно, что для полноценного разгона тела до определенной скорости, необходимо потратить некоторое время, так как мгновенно изменить скорость физического тела невозможно.
При неизменной интенсивности, которая приложена к телу, это время будет напрямую зависеть от массы $m$ тела. Чтобы ток в катушке смог достичь своего максимального значения, требуется время для установления индуктивности индуктивность $L$ катушки.
Скорость тела будет автоматически уменьшаться, если вещества в электрическом поле будут налетать на неподвижную стену. Стена принимает на себя весь удар, и его разрушительная сила тем сильнее, чем больше масса самого тела. На самом деле все электромеханические аналогии простираются достаточно далеко и имеют отношение не только к индуктивности и массы, но и других показателей, отказывающимися крайне полезными на практике.
Осознание единства и постоянства электрической и магнитной взаимосвязи стало первым подтвержденным примером теории объединения физических взаимодействий. На сегодняшний день доказано, что электродинамика и слабое взаимодействия при высоких энергиях объединяются в едином процессе.
