Молекулярная физика. Электричество и магнетизм

Наименование дисциплины: Молекулярная физика. Электричество и магнетизм

Направление подготовки: 210400 Радиотехника

Профиль подготовки:

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Форма обучения: очная

Автор: к. псх. н., доцент, кафедры общей и экспериментальной физики

1.Цетями освоения дисциплины «Молекулярная физика. Электричество и магнетизм» являются: формирование у студентов общих представлений о термомеханических свойствах вещества, макро - и микропараметрах, ознакомление с фундаментальными и феноменологическими законами в данной области;

формирование умений и знаний о теоретических и экспериментальных методах исследования тепловых и родственных им явлений.

Формирование у студентов естественнонаучного мировоззрения путем знакомства с историей важнейших физических открытий, связанных с электрическими и магнитными явлениями, обобщением опытных фактов и формулировкой на их основе принципов теории электромагнетизма, приводящих к системе уравнений Максвелла;

формирование умений и навыков использования теоретических знаний для решения практических задач как в области электрических и магнитных явлений, так и на междисциплинарных границах данного курса с другими разделами физики.

2.Дисциплина «Молекулярная физика. Электричество и магнетизм» относится к базовой части цикла Б2. (математический и естественно - научный цикл).

«Молекулярная физика. Электричество и магнетизм» является второй дисциплиной курса физики, закладывает основы физического мировоззрения, использует знания, полученные при изучении дисциплин «Математический анализ» и «Аналитическая геометрия». Знания и навыки, полученные при изучении дисциплины являются основой для изучения последующих дисциплин курса физики «Колебания и волны. Оптика», «Квантовая физика», а также курсов профессионального цикла «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Основы теории цепей».

3.В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать:

основные законы, управляющие поведением макроскопических тел; связь этих законов со статистическими закономерностями для систем большого числа частиц.

представления о термомеханических свойствах макроскопических объектов и количественных характеристиках этих свойств.

фундаментальные физические законы электромагнетизма, их экспериментальное подтверждение и границы применимости;

понятие элементарного заряда, модели точечного и непрерывного распределения заряда, понятие электростатического поля и метод его описания,

принцип суперпозиции полей;

теорему Гаусса; теорему о циркуляции вектора напряженности электростатического поля;

описание электростатического поля при наличии проводников и диэлектриков;

законы постоянного тока;

основные положения классической теории электропроводности, ее достижения и противоречия;

способы создания стационарного магнитного поля, методы его описания;

теорему о циркуляции вектора напряженности магнитного поля;

природу диа-, пара- и ферромагнетизма;

уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах; граничные условия для векторов поля;

системы единиц измерения физических величин, физические константы и их размерность.

Уметь:

применять законы электромагнетизма для расчета стационарных электрических и магнитных полей;

использовать метод зеркальных изображения для расчета электростатических полей при наличии проводников;

измерять и вычислять емкости заряженных проводников, конденсаторов, соединений конденсаторов;

измерять и вычислять сопротивления, величины токов, напряжения, ЭДС, мощности; использовать метод векторных диаграмм и комплексных амплитуд для расчета цепей квазистационарного переменного тока;

Владеть:

навыками аналитического решения конкретных задач, вычислительными приемами, методиками обработки опытных данных; выполнять экспериментальные исследования термомеханических свойств газов, жидкостей и твердых тел, уметь получать из них информацию о свойствах микроскопических частиц.

навыками решения типовых задач курса электричества и магнетизма, приближенной оценки порядка физических величин;

экспериментальными методами исследования и работы с физическими приборами, обработки и анализа полученных результатов на базе лабораторного физического практикума,

навыками самостоятельной работы с источниками информации.

4.Общая трудоемкость дисциплины составляет 7 зачетных единиц, 252 часа

5.Содержание дисциплины

№ п/п	Раздел дисциплины
2.1	Исходные понятия и определения термодинамики и молекулярной физики Предмет молекулярной физики и термодинамики. Массы атомов и молекул. Количество вещества. Модель идеального газа. Опытные законы идеальных газов. Динамический и статистический методы описания вещества. Термодинамические параметры и процессы. Равновесные и неравновесные процессы.
2.2	Кинетическая теория газов Случайные величины. Вероятность. Частотное определение вероятности. Плотность вероятности. Сложение вероятностей взаимоисключающих событий. Умножение вероятностей для независимых событий. Нормировка вероятности. Среднее значение дискретной случайной величины. Среднее значение непрерывно изменяющейся величины. Дисперсия. Функция распределения. Распределение Гаусса. Равновесное макроскопическое состояние системы. Средняя кинетическая энергия молекул. Распределение молекул газа по скоростям. Вывод распределения Максвелла. Характерные скорости распределения Максвелла.. Распределение Максвелла в приведенном виде. Экспериментальная проверка распределения Максвелла. Частота ударов молекул о стенку. Вывод основного уравнения МКТ газов. Уравнение Менделеева-Клапейрона. Закон Дальтона. Вывод барометрической формулы для идеального случая и реальной атмосферы. Температура. Способ измерения температуры. Эмпирическая шкала температур. Абсолютная термодинамическая шкала температур. Термометры. Нуль Кельвин. Терема о равнораспределении энергии по степеням свободы. Независимость температуры от внешнего потенциального поля. Распределение Больцмана. Соотношение между распределениями Максвелла и Больцмана.
3.1	Электрическое поле и его характеристики Роль электромагнитных взаимодействий в природе. Микроскопические носители зарядов. Элементарный заряд и его инвариантность. Закон сохранения заряда. Закон Кулона. Экспериментальная проверка закона Кулона. Введение понятия электрического поля. Вектор напряженности электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Силовые линии электрического поля. Потенциальность электростатического поля. Электрический потенциал и его нормировка. Потенциал точечного заряда, системы точечных зарядов и непрерывного распределения зарядов.
3.2	Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в вакууме Поток напряженности электрического поля. Теорема Гаусса для электростатического поля. Применение теоремы Гаусса к расчету электростатических полей, создаваемых заряженными телами различной конфигурации.
3.3	Проводники и диэлектрики в электростатическом поле Электрическое поле внутри проводника без тока. Электрическая индукция. Поле вблизи поверхности проводника. Зависимость поверхностной плотности зарядов от кривизны поверхности. Стекание заряда с проводника. Стекание заряда с острия. Металлический экран. Потенциал проводника. Емкость проводника. Энергия системы зарядов. Энергия заряженного уединенного проводника. Энергия заряженного конденсатора. Энергия электростатического поля. Электрический диполь. Дипольный момент. Диэлектрики. Молекулярная картина поляризации. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике.
3.4	Законы постоянного тока Электрическое поле внутри и вне проводника при наличии постоянного тока. Механизм осуществления постоянного тока. Изменение потенциала вдоль проводника с током. Сторонние ЭДС. Работа, совершаемая при прохождении тока. Мощность. Дифференциальная форма закона Ома. Дифференциальная форма закона Джоуля-Ленца. Линейные цепи. Правила Кирхгофа. Заземление линий передач. Напряжение шага.
3.5	Классическая электронная теория проводности металлов Классическая теория электропроводности металлов. Объяснение законов Ома и Джоуля-Ленца. Сверхпроводимость.
3.6	Электропроводность полупроводников с точки зрения зонной теории Зонная модель полупроводников. Собственная и примесная проводимость. P-n переход. Диоды.
3.7	Магнитное поле Магнитное поле и его характеристики. Закон Био-Савара-Лапласа. Поля прямого и кругового токов. Силы, действующие на движущиеся заряды (сила Ампера, сила Лоренца). Сила и момент сил, действующие на проводник и на рамку с током. Магнитный момент контура с током.
3.8	Магнитное поле в веществе Магнитные моменты атомов и молекул. Атом в магнитном поле. Магнитное поле при наличии магнетиков. Механизмы намагничивания. Диамагнетизм. Парамагнетизм. Ферромагнетизм.
3.9	Электромагнитная индукция ЭДС индукции. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца. Дифференциальная запись закона Фарадея. Токи Фуко. Самоиндукция. Энергия магнитного поля.
3.9	Электрические цепи переменного тока. Переходные процессы в цепях с конденсатором и катушкой в моменты включения и выключения цепей. Квазистационарные токи. Электрическая цепь переменного тока, содержащая R. Электрическая цепь переменного тока, содержащая С. Электрическая цепь переменного тока, содержащая L. Электрическая цепь переменного тока, содержащая R, C, L. Мощность в цепи переменного тока. Резонанс токов. Колебательный контур. Цепи с учетом взаимной индукции. Трансформаторы. Методы расчета цепей переменного тока.

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а)основная литература:

1. Матвеев физика; Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1с., ил.

2. Сивухин курсфизики. Термодинамика и молекулярная физика. Учебник. 2 том. 4-ое издание, стереотип.- М: Физматлит, 2с.

3.Волькенштей задач по общему курсу физики. М. – Книжный мир, 2с.

4. Матвеев и магнетизм; Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1с., ил.

5. Сивухин курс физики. Электричество. 3 том. 4-ое издание, стереотип.- М: Физматлит, 2с.

6. Волькенштей задач по общему курсу физики. М. – Книжный мир, 20с.

б)дополнительная литература:

1. Детлаф физики. Учебное пособие для втузов, 4-ое издание, испр., М: Высшая школа. 2с. ил

2. , , Крючков . Молекулярная физика. Термодинамика. Учебники для ВУЗов. Специальная литература - М: Лань, 2с.

3., Воробьев по физике. Учебное пособие для студентов втузов. - 5-ое издан. перераб. и доп. - М: Высшая школа. 1с. ил.

4. Трофимова физики. - М.: Высш. школа, 2с.

5. Иродов по общей физике. (На русском и английском языках) М:- Ланьд: 2с.

6. Детлаф физики. Учебное пособие для втузов, 4-ое издание, испр., М: Высшая школа. 2с. ил

7., Воробьев по физике. Учебное пособие для студентов втузов. - 5-ое издан. перераб. и доп. - М: Высшая школа. 1с. ил.

8. Иродов : Электромагнетизм. Основные законы. Курс физики. Том 2 Издательство: Высшая школа Год: 1991

9. Иродов по общей физике. (На русском и английском языках) М:- Ланьд: 2с.

10. Трофимова физики. - М.: Высш. школа, 2с.

11. Епифанов твердого тела. Учебное пособие – М.: Лань 2с.