- •Федеральное агентство по образованию
- •Предмет курса «Электромагнетизм».
- •Основные понятия и законы. Электрический заряд и его свойства.
- •Взаимодействие заряженных частиц. Закон Кулона (1785г).
- •Электрическое поле неподвижного точечного заряда.
- •Принцип суперпозиции для напряжённости.
- •Электрическое поле точечного диполя.
- •Особенности расчёта напряжённости электрического поля при непрерывном пространственном распределении заряда.
- •Электрическое поле на оси равномерно заряженного тонкого кольца.
- •Электрическое поле на оси равномерно заряженного круга.
- •Электрическое поле равномерно заряженной нити ().
- •Частные случаи.
- •Теорема Гаусса.
- •Применение теоремы Гаусса.
- •Теорема о циркуляции вектора электростатического поля. Понятие потенциала.
- •Понятие потенциала.
- •Потенциал поля точечного заряда.
- •Потенциал поля системы зарядов.
- •Связь между потенциалом и вектором.
- •Эквипотенциальные поверхности.
- •Проводник в электрическом поле.
- •Поле внутри и снаружи проводника.
- •Поле у поверхности проводника.
- •Силы, действующие на поверхность проводника.
- •Свойства замкнутой проводящей оболочки.
- •Общая задача электростатики.
- •Понятие электроемкости. Конденсаторы.
- •Конденсаторы.
- •Ёмкость плоского конденсатора.
- •Ёмкость сферического конденсатора.
- •Вектор поляризации (поляризованность).
- •Поле в диэлектрике.
- •Диэлектрическая восприимчивость и её связь с диэлектрической проницаемостью.
- •Вектор электрической индукции .
- •Физические условия на границе раздела диэлектриков.
- •Энергия электрического поля.
- •Работа поля при поляризации диэлектрика.
- •Электрическая энергия системы зарядов.
- •Примеры.
- •Постоянный ток. Электрический ток.
- •Сила тока.
- •Плотность тока.
- •Закон Ома для однородного проводника.
- •Закон Ома в дифференциальной форме.
- •Закон Ома для участка, содержащего сторонние силы.
- •Закон Ома в интегральной форме для участка, содержащего источник тока.
- •Закон Ома для замкнутой цепи.
- •Соединение проводников.
- •Закон Джоуля - Ленца.
- •Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа.
- •Примеры и задачи для самостоятельного решения.
- •Магнетизм. Магнитное поле.
- •Графическое изображение постоянного магнитного поля.
- •Примеры движения заряженных частиц в электромагнитном поле.
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции.
- •Принцип суперпозиции для вектора .
- •Магнитное поле в веществе (предварительные сведения).
- •Примеры расчета магнитных полей постоянных токов.
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Основные законы магнитного поля. Теорема Гаусса для вектора .
- •Теорема о циркуляции вектора .
- •Применение теоремы о циркуляции вектора .
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Сила Ампера. Закон Ампера.
- •Момент сил, действующий на контур с током.
- •Работа по перемещению контура с током в постоянном магнитном поле.
- •Взаимодействие токов.
- •Примеры
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Вещество в магнитном поле.
- •Вектор напряженности магнитного поля . Теорема о циркуляции вектора .
- •Связь между и,и.
- •Применение теоремы о циркуляции .
- •Электромагнетизм. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца.
- •Природа сторонних сил в явлении электромагнитной индукции.
- •Явление самоиндукции.
- •Энергия магнитного поля.
- •Примеры проявления самоиндукции.
- •Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность. Эдс взаимной индукции.
- •Явление магнитоэлектрической индукции. Токи смещения.
- •Теорема полного тока.
- •Уравнения Максвелла в интегральной форме.
Особенности расчёта напряжённости электрического поля при непрерывном пространственном распределении заряда.
Можно выделить три типа непрерывного распределения заряда: объёмное, поверхностное, линейное.
Объёмное распределение характеризуется объёмной плотностью заряда:
;
поверхностное – поверхностной плотностью заряда:
;
линейное – линейной плотностью заряда:
.
При известных распределениях ,,конечный заряд находится интегрированием соответственно по объёму, поверхности, линии:
,
,
.
Считая элементарный заряд точечным, для напряжённости поля точечного заряда в диэлектрике следует записать:
.
Результирующее поле находится интегрированием:
,.
Например, в случае объёмного распределения:
,
где интегрирование проводится по всему пространству, в котором отлично от нуля.
Таким образом, зная распределение зарядов ,,, можно полностью решить задачу о нахождении напряжённости электрического поля. В общем случае расчёт сопряжён со значительными математическими трудностями, так как связан с вычислением трёх интегралов для нахождения проекций,,. Задача облегчается в случаях, когда распределение зарядов обладает некоторой симметрией.
Электрическое поле на оси равномерно заряженного тонкого кольца.
Выделим элементарный участок кольца с зарядом
,
где R- радиус кольца.
В точке на оси с координатой напряженность от элементарного участка направлена вдольв случае.
Очевидно, результирующее поле направлено вдоль оси . Найдем проекцию:
;
Результирующая напряженность равна:
где- заряд кольца,.
Напряженность электрического поля равна нулю в центре кольца и убывает до нуля при по закону обратных квадратов:
,
так как для этих точек . Таким образом, величина напряженности принимает максимальное значение в некоторой точке на оси, которую можно найти, используя необходимое условие максимума:
.
Координата этой точки равна:
.
Убедитесь в этом самостоятельно. Максимальное значение равно:
.
Электрическое поле на оси равномерно заряженного круга.
Результирующее поле на оси круга можно вычислить как сумму полей колец с радиусами от до– радиус круга:
;
,
где ;
Получим
.
Зависимость представлена на графике. Вблизи кругаили при(неограниченная пластина). Напряженность не зависит от расстояния:
.
Поле неограниченной пластины является однородным. Вдали от круга при электрическое поле убывает как поле точечного заряда по закону обратных квадратов:
,
где - заряд круга.
Самостоятельно исследуйте электрическое поле на оси круглого отверстия в неограниченной равномерно заряженной пластине.
Электрическое поле равномерно заряженной нити ().
а)Электрическое поле на оси прямой нити (). Введем обозначение, где- длина нити,– расстояние до точки от ближайшего конца нити.
Напряженность от элементарного участка нити равна:
.
Для результирующей напряженности получаем:
.
Для точек, удаленных от нити, при условии , напряженность убывает по закону обратных квадратов:
.
б) Электрическое поле прямой нити в точках вне оси.
Геометрия положения точки пространства относительно нити однозначно задается расстоянием и угламии.
Выделим элементарный участок нити, который создает элементарную напряженность в точке величиной
.
Здесь ,– расстояние от элементарного участкадо точки,- полярный угол для элементарного участка,- угловой размер элементарного участка.
В последнем соотношении произведем замену переменной интегрирования на полярный угол. Воспользуемся для этого геометрической связью
,
- элементарный участок дуги окружности радиусом .
Для проекций иполучаем:
,
.
Интегрируя от донаходим для проекций:
,
.
Модуль результирующего вектора равен , а направление вектора определяется углом, для которого выполняется условие:
.
Отметим, что электрическое поле прямой нити обладает осевой симметрией.