Электромагнитные взаимодействия в природе

Вид материала

Закон

Содержание 20.2 Обобщение законов и теорем электростатики на диэлектрики 20.3 Граничные условия в диэлектриках

Подобный материал:

• Электромагнитные волны, электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве, 134.85kb.
• В. И. Секерин Новосибирск, mist-ia@mail, 78.65kb.
• Лекция 8 Концепция уровней биологических структур и организация живых систем, 152kb.
• Четыре типа взаимодействий в природе. Сравнение их свойств и количественные соотношения, 506.15kb.
• Электромагнитные волны. Радиосвязь, 88.78kb.
• Тема: Роль насекомых в природе. Охрана насекомых, 115.29kb.
• Кэтрин Р. Култер. Портреты гомеопатических препаратов,, 2900.22kb.
• Лекция Типы взаимодействия в природе. Слайд, 24.94kb.
• Вопросы по курсу «концепции современного естествознания» Для студентов вечерней формы, 19.76kb.
• Сухарев Дмитрий Викторович, 83.09kb.

Введение


Электромагнитные взаимодействия в природе

• Типы фундаментальных взаимодействий: относительные константы взаимодействий, эффективный радиус взаимодействия
  
• Области применения сильного, слабого и гравитационного взаимодействий
  
• Роль электромагнитных взаимодействий в микросистемах и макросистемах
  
• Примеры сил электромагнитной природы:
  
• Свет – электромагнитная волна
  
• Роль электромагнитных взаимодействий в живой ткани
  
• Электромагнитные взаимодействия и физические и химические свойства вещества
  

Электрический заряд и его свойства

• Электрический заряд – фундаментальное понятие для электромагнитных взаимодействий
  
• Определение заряда
  
• Электрический заряд – отличительный признак электромагнитных взаимодействий
  
• Заряд – мера электромагнитного взаимодействия
  
• Заряд – источник электромагнитного поля
  
• Заряд – скаляр
  
• Свойства заряда
  
  • Наличие двух типов зарядов (экспериментальный факт, отталкивание и притяжение)
    
  • Квантование (дискретность) заряда
    
  • Закон сохранения заряда
    
  • Инвариантность заряда
    

Глава 1. Электростатическое поле в вакууме


1. Закон Кулона

• Законы физики – опытные факты
  
• Закон Кулона
  
• Замечания к формулировке закона
  
  • Выполняется только для точечных зарядов
    
  • Коэффициент пропорциональности
    
  • Направление и точка приложения силы
    
• Кулон – единица измерения заряда
  

2. Электрическое поле

• Электрическое поле – форма материи, передает электрическое взаимодействие
  
• Обнаружение поля
  
• Пробный заряд
  

3. Напряженность электрического поля

• Обнаружить поле – обнаружить действие силы на заряд
  
• Сила характеризует не только поле
  
• Напряженность
  
• Однозначность напряженности
  
• Напряженность поля, создаваемого точечным зарядом
  
• [Е] = В/м
  
• Однородное электростатическое поле
  

4. Принцип суперпозиции

• Принцип в физике
  
• Принцип суперпозиции
  
• Аналогия с принципом независимости действия сил
  
• Две формы принципа суперпозиции
  
• Закон Кулона и принцип суперпозиции полностью описывают электростатику
  
• Напряженность поля, создаваемого заряженным объемом
  
  • объемная плотность
    
  • поверхностная плотность
    
  • линейная плотность зарядов
    

5. Линии вектора напряженности

• Силовые линии (линии вектора напряженности электростатического поля)
  
• Характеристики
  
  • Однозначность
    
  • Направленность
    
  • Плотность силовых линий равна модулю напряженности
    
• Противоречия
  
  • Не определено поведение вблизи заряда
    
  • Поле описывается непрерывным образом, а линии – дискретным
    
• Силовые линии однородного поля
  

6. Поток вектора напряженности

• Поток – строгий аналог для нестрогого понятия числа силовых линий
  
• Поток произвольного векторного поля
  
• Аналогия с потоком в гидродинамике
  
• Единицы измерения, вспомогательный характер
  

7. Теорема Остроградского-Гаусса

• Теорема Остроградского-Гаусса
  
• Доказательство
  
  • Поле уединенного заряда внутри замкнутой поверхности
    
    • Понятие телесного угла
      
  • Поле уединенного заряда вне замкнутой поверхности
    
  • Поле системы точечных зарядов
    
• Теорема Остроградского-Гаусса для непрерывного распределения заряда
  
• Применимость теоремы
  
  • Поле заряженной сферы
    
  • Поле бесконечной заряженной плоскости
    

8. Дифференциальная форма теоремы Остроградского-Гаусса

• Теорема Остроградского-Гаусса в дифференциальной форме
  
• Источники электрического поля – только электрические заряды
  
• Дивергенция вектора напряженности – мера возникновения (исчезновения) силовых линий
  

9. Работа сил электростатического поля по перемещению заряда

• Работа по перемещению пробного заряда q_п из точки 1 в точку 2 в поле точечного заряда q
  
• Потенциальность электростатического поля
  
• Теорема о циркуляции вектора напряженности электростатического поля
  
• Замечания по теореме
  
  • Линии напряженности электростатического поля не могут быть замкнуты.
    
  • Теорема о циркуляции является критерием потенциальности поля.
    

10. Потенциал электростатического поля

• Работа и изменение потенциальной энергии
  
• Начало отсчета потенциальной энергии
  
• Потенциал – работа сил поля по перемещению единичного заряда из данной точки на бесконечность
  
• Потенциал – работа внешних сил по перемещению единичного заряда из бесконечности в данную точку
  
• Измеряется потенциал в Вольтах
  
• Определение работы через разность потенциалов
  
• Потенциал точки поля точечного заряда
  
• Принцип суперпозиции
  
• Эквипотенциальная поверхность
  
  • Свойства эквипотенциальных поверхностей
    

11. Связь вектора напряженности и потенциала электростатического поля

• Сравнение выражений для элементарной работы через разность потенциалов и силу
  
• Компонента напряженности вдоль некоторого направления
  
• Связь напряженности и потенциала в декартовой системе координат
  
• Вектор напряженности направлен в сторону максимального убывания потенциала
  

12. Поле электрического диполя

• Определение классического диполя
  
• Плечо диполя
  
• Дипольный момент
  
• Модель жесткого диполя
  
• Потенциал поля диполя
  

13. Диполь в электрическом поле

• Диполь в однородном электрическом поле
  
  • Пара сил
    
  • Момент сил
    
  • Устойчивое состояние диполя в однородном электрическом поле
    
• Диполь в неоднородном электрическом поле
  

Глава 2 Электростатическое поле

при наличии проводников и диэлектриков


14. Электрическое поле заряженного проводника произвольной формы

• Модель проводника
  
• Отличительным свойство проводника – наличие свободных носителей заряда
  
• Распределение заряда по объему проводника
  
  • Однородный проводник
    
  • Неоднородный проводник (диэлектрическая полость)
    
  • Заряд может распределяться только по поверхности
    
  • Накапливания заряда внутри проводника происходить не может
    
• Напряженность поля вблизи поверхности заряженного проводника
  
• Распределение заряда по поверхности проводника
  

15. Электростатическая индукция

• Проводник во внешнем поле
  
• Электростатическая индукция
  
• Индуцированные (индукционные) заряды
  
• Искажение внешнего поля
  

16. Электрическая емкость проводника и системы проводников

• Уединенный проводник
  
• Величина потенциала проводника пропорциональна полученному заряду
  
• Электрическая емкость (электроемкость) уединенного проводника
  
• Емкость уединенного шара
  
• Емкость проводника при наличии других проводящих тел
  
• Конденсатор, как система, обладающая максимальной емкостью
  
• Классификация конденсаторов по форме
  
• Плоский конденсатор
  
  • Напряженность поля между обкладками
    
  • Электроемкость конденсатора
    
  • Шаги по увеличению емкости
    
  • Последовательное и параллельное соединения конденсаторов
    

17. Классификация диэлектриков

• Модель диэлектрика
  
• Полярные и неполярные молекулы
  
• Основные классы диэлектриков
  
  • Неполярные
    
  • Полярные
    
  • Ионные кристаллы
    
  • Диэлектрики со специфическими свойствами
    
    • Пьезоэлектрики
      
    • Пироэлектрики
      
    • Сегнетоэлектрики
      

18. Качественные механизмы поляризации диэлектриков

• Определение поляризации диэлектрика
  
• Ориентационная поляризация в полярных диэлектриках
  
• Индуцированная поляризация в неполярных диэлектриках
  
  • Индуцированный дипольный момент
    
  • Поляризуемость молекулы
    
• Поляризация в ионных кристаллах
  

19. Вектор поляризованности, связанные заряды

• Определение вектора поляризованности
  
• Однородная поляризация
  
• Связанные заряды, их отличие от индуцированных зарядов в проводнике
  
• Однородный плоскопараллельный слой изотропного диэлектрика в однородном поле\
  
  • Связь нормальной составляющей вектора поляризованности с поверхностной плотностью связанных зарядов
    
• Объемная плотность нескомпенсированных связанных зарядов
  
  • Условия появления ненулевого связанного заряда в объеме
    

20. Описание электростатического поля в диэлектриках

20.1 Диэлектрическая восприимчивость,

диэлектрическая проницаемость, вектор смещения

• Однородный диэлектрик в перпендикулярном однородном электростатическом поле
  
  • Напряженность поля внутри диэлектрика
    
  • Диэлектрическая восприимчивость
    
  • Диэлектрическая проницаемость среды
    
  • Вектор электрического смещения
    
• Внешнее поле не перпендикулярно грани однородного диэлектрика
  
  • Поведение линий напряженности и вектора смещения на границе диэлектрика
    

20.2 Обобщение законов и теорем электростатики на диэлектрики

• Закон Кулона
  
• Принцип суперпозиции
  
• Теорема о циркуляции
  
• Теорема Остроградского-Гаусса для вектора смещения
  
  • Интегральная форма
    
  • Дифференциальная форма
    

20.3 Граничные условия в диэлектриках

• Граничные условия для тангенциальных составляющих:
  
  • вектора напряженности
    
  • вектора электрического смещения
    
• Граничное условие для нормальных составляющих:
  
  • вектора напряженности
    
  • вектора электрического смещения
    
  • Граничное условие в случае отсутствия свободных зарядов
    
• Изменение направления вектора напряженности на границе
  

21. Сегнетоэлектрики

• Сходство с ферромагнетиками
  
• Основные свойства сегнетоэлектриков
  
• Домены
  
  • Определение
    
  • Причина образования
    
  • Независимость размеров от температуры
    
  • Поведение доменов во внешнем поле
    
• Гистерезис вектора поляризованности
  
  • Эффект насыщения
    
  • Эффект запаздывания
    
  • Остаточная поляризация и коэрцетивная сила
    
  • Энергетика процесса
    
• Точки Кюри и причины их наличия
  

Глава 3 Энергетика электростатических процессов


24. Энергия взаимодействия системы неподвижных зарядов

(потенциальная энергия системы зарядов)

• Система из двух неподвижных точечных зарядов
  
• Система из трех точечных зарядов
  
• Система из произвольного числа точечных зарядов
  

25. Энергия системы непрерывно распределенных зарядов

• Полная энергия системы зарядов
  
• Энергия заряженного проводника
  

26. Энергия электростатического поля

• Энергия электростатического поля
  
• Объемная плотность энергии
  

Глава 4 Стационарный электрический ток


27. Сила тока и плотность тока

• Электрический ток, как коллективное явление переноса заряда
  
• Определение силы тока
  
• Направление тока
  
• Линия тока
  
• Трубка тока
  
• Плотность тока
  
• Связь плотности тока и скорости дрейфа
  

28. Уравнение непрерывности

• Уравнение непрерывности в интегральной форме
  
• Уравнение непрерывности в дифференциальной форме
  
• Линии стационарного (постоянного) тока
  
• Условия стационарности тока
  

29. Законы постоянного тока

• Закон Ома в интегральной форме
  
• Сопротивление проводника
  
  • Зависимость сопротивления проводника от его геометрии
    
  • Применимость формулы
    
  • Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры
    
  • Явление сверхпроводимости
    
  • Удельная проводимость
    
• Закон Ома в дифференциальной форме
  
• Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме
  
  • Совпадение с трактовкой работы с точки зрения электростатики
    
• Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме
  
  • Удельная тепловая мощность тока
    

30. Условия существования стационарного тока. Электродвижущая сила

• Условия существования стационарного тока
  
  • 1. Наличие свободных носителей заряда
    
  • 2. Создание замкнутой цепи
    
  • 3. Наличие ненулевой ЭДС
    
    • Необходимость наличия сторонних сил
      
    • Природа сторонних сил
      
    • Работа по перемещению заряда в цепи
      
    • Определение электродвижущей силы
      
    • Напряжение
      
    • Однородные и неоднородные участки цепи
      
    • Сосредоточенные и распределенные источники
      

31. Закон Ома и Джоуля-Ленца для неоднородного участка цепи

• Закон Джоуля-Ленца для неоднородного участка цепи
  
• Закон Ома в дифференциальной форме
  
• Закон Ома в интегральной форме
  
• Понятие внутреннего сопротивления источника ЭДС
  

32. Правила Кирхгофа

• Линейные электрические цепи
  
• Ветвь электрической цепи
  
• Узел
  
• Правило знаков для токов, входящих и выходящих из узла
  
• Первое правило Кирхгофа
  
• Контур
  
• Выбор направления обхода
  
  • Знаки токов и ЭДС
    
• Второе правило Кирхгофа
  
• Связь правил Кирхгофа с законами физики
  

Глава 5. Магнитное поле стационарного тока в вакууме


33. Закон взаимодействия элементов тока.

Вектор магнитной индукции

• Магниты
  
  • Магниты
    
  • Полюса магнитов
    
  • Магнитная стрелка
    
  • Взаимодействие магнитов
    
• Опыт Эрстеда, выводы Ампера
  
  • Силовое взаимодействие между магнитом и проводником, по которому течет электрический ток
    
  • Магнитное поле
    
    • Источники магнитного поля
      
    • Объекты, на которые действует магнитное поле
      
• Закон взаимодействия прямых бесконечно длинных токов
  
  • Сила взаимодействия
    
  • Притяжение и отталкивание
    
• Закон Био-Савара-Лапласа-Ампера
  
  • Сила взаимодействия элементов линейного тока
    
• Вектор индукции магнитного поля (магнитной индукции) – силовая характеристика точки магнитного поля
  
• Закон Био-Савара
  
  • Вектор индукции магнитного поля
    
• Принцип суперпозиции для магнитных полей
  

34. Закон Ампера. Сила Лоренца

• Сила Ампера и закон Ампера
  
• Сила Лоренца
  
  • Магнитная составляющая силы Лоренца
    

35. Линии вектора магнитной индукции.

Теорема о полном магнитном потоке

• Линии вектора магнитной индукции
  
• Замкнутость линий вектора магнитной индукции
  
• Теорема о полном магнитном потоке
  
  • Интегральная форма теоремы
    
  • Дифференциальная форма теоремы
    
• Магнитные заряды
  

36. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции.

Вихревой характер магнитного поля

• Теорема о циркуляции
  
• Применение теоремы о циркуляции позволяет достаточно просто рассчитать индукцию магнитного поля по известному распределению токов, если можно выбрать контур,
  
  • Поле внутри бесконечного соленоида
    
• Не потенциальный характер магнитостатического поля
  
• Дифференциальная форма теоремы о циркуляции
  
  • Теорема Стокса
    
  • Замкнутость линий вектора магнитной индукции
    
  • Вихревой характер магнитного поля
    

37. Контур с током в магнитном поле

• Вектор магнитного момента
  
• Плоский прямоугольный контур в однородном магнитном поле
  
  • Сила Ампера, действующая со стороны магнитного поля на весь контур
    
  • Вращающий момент сил, действующих на контур
    
  • Положение, характеризуемое минимальной потенциальной энергией
    

Глава 6. Магнитное поле в веществе


38. Источники магнитного поля в веществе.

Вектор намагничивания

• Магнетики
  
• Намагничивание
  
• Вихревые локальные молекулярные токи
  
• Качественный механизм намагничивания вещества
  
• Вектор намагничивания
  
• Магнитный момент вещества
  
• Суммарный молекулярный ток через произвольную поверхность внутри вещества
  
• Вихревой характер поля вектора намагничивания
  
• Поверхностный ток намагничивания
  

39. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции в магнетиках.

Напряженность магнитного поля

• Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции в магнетика
  
• Вектор напряженности магнитного поля
  
• Теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля
  

40. Магнитная восприимчивость. Магнитная проницаемость.

Классификация магнетиков

• Магнитная восприимчивость
  
• Магнитная проницаемость
  
• Классификация магнетиков
  
  • Парамагнетики
    
  • Диамагнетики
    
  • Ферромагнетики
    
• Источники линий напряженности магнитного поля
  

41. Граничные условия для векторов напряженности

и магнитной индукции

• Граничные условия для нормальных составляющих
  
  • Замкнутая поверхность в виде прямого цилиндра на границе магнетиков
    
  • Поток вектора магнитной индукции
    
  • Теорема о полном потоке
    
  • Граничные условия для нормальных составляющих
    
• Граничные условия для тангенциальных составляющих
  
  • Малый прямоугольный контур
    
  • Циркуляция вектора напряженности магнитного поля с учетом малой высоты контура
    
  • Теорема о циркуляции вектора напряженности
    
  • Граничные условия для тангенциальных составляющих
    

Глава 7. Нестационарное магнитное поле


42. Явление электромагнитной индукции

• Связь магнитного поля с током
  
• Опыты Фарадея
  
• Определение явления электромагнитной индукции
  
• ЭДС индукции
  
• Правило Ленца
  

43. Природа сторонних сил при явлении электромагнитной индукции

• ЭДС индукции в движущихся проводниках
  
  • Сторонняя сила – сила Лоренца
    
• ЭДС индукции в неподвижных проводниках
  
  • Вихревое электрическое поле (гипотеза Максвелла)
    
  • Закон электромагнитной индукции в интегральной и дифференциальной формах
    

44. Явление самоиндукции. Индуктивность

• ЭДС самоиндукции
  
• Индуктивность контура
  
• Выражение для ЭДС самоиндукции
  
• Индуктивность системы контуров, связанных одним током
  
  • Потокосцепление
    
  • Индуктивность соленоида
    

45. Взаимная индукция

• Коэффициент взаимной индукции
  
• Теорема взаимности
  
• Индуктивность контура
  
• Коэффициент рассеяния (коэффициент связи)
  

46. Трансформаторы

• Задача – преобразование напряжения переменного тока
  
• Схема трансформатора
  
• Постоянство магнитного потока через любое сечение сердечника
  
• Первичная и вторичная обмотки
  
• ЭДС индукции в обмотках
  
• Повышающий и понижающий трансформаторы
  

47. Энергия магнитного поля

• Энергия магнитного поля соленоида
  
  • ЭДС самоиндукции, работа сторонних сил и энергия магнитного поля
    
  • Энергия магнитного поля соленоида
    
  • Объемная плотность энергии магнитного поля
    
• Энергия магнитного поля
  

Глава 8. Электромагнитное поле


48. Токи смещения

• Обобщение теоремы о циркуляции на случай нестационарного тока
  
• Плотность тока смещения
  
• Реальность токов смещения
  

49. Электромагнитное поле. Уравнения Максвелла

• Электромагнитное поле
  
  • Переменное магнитное поле → переменное электрическое поле → вихревое магнитное поле
    
• Электрическое и магнитное поля
  
• Система уравнений Максвелла
  
  • Дифференциальная форма
    
  • Интегральная форма
    
  • Материальные уравнения (уравнения связи)
    
• Основные выводы теории Максвелла:
  
• Применимость уравнений Максвелла
  

50. Волновые уравнения для электромагнитного поля

• Определение волнового процесса (волны)
  
• Система уравнений Максвелла для однородного изотропного диэлектрика
  
• Волновое уравнение для вектора напряженности электрической составляющей
  
• Скорость распространения электромагнитной волны
  
• Показатель преломления среды
  

51. Вектор Умова-Пойтинга

• Вектор Умова-Пойтинга
  
• Уравнение переноса энергии в дифференциальной форме
  
• Уравнение переноса энергии в интегральной форме
  
• Физический смысл вектора Умова-Пойтинга
  

Глава 9. Цепи переменного тока


52. Цепь переменного тока с различной нагрузкой

• Квазистационарные токи
  
• Активная нагрузка
  
• Метод векторных диаграмм
  
• Емкостная нагрузка
  
• Индуктивная нагрузка
  

53. Закон Ома для цепи переменного тока

• Последовательное соединение активной и реактивной нагрузки
  
• Закон Ома
  

54. Резонанс напряжений и токов в цепи переменного тока