Электромагнетизм. Электромагнитные колебания и волны (стр. 1 )

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Физика»

Электромагнетизм.

Электромагнитные колебания

и волны

Методические указания

Пенза 2009г.

Содержатся основные сведения по темам «Электромагнетизм», «Электромагнитные колебания и волны», примеры решения задач, контрольное задание (работа № 4). Подбор материала соответствует рабочей программе курса физики для студентов технических специальностей Пензенского государственного университета.

Методические указания подготовлены на кафедре «Физика» и предназначены для студентов заочного факультета. Студенты дневных факультетов могут использовать данное издание для самостоятельной работы.

Ил. 30, табл. 1, библиогр. назв. 5

Составители: ,

Рецензент: , кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Общая физика» Пензенского государственного педагогического университета им. .

Общие методические указания

Учебная работа студента-заочника по изучению физики складывается из следующих основных элементов: самостоятельного изучения физики по учебным пособиям, решения задач, выполнения контрольных и лабораторных работ, сдачи зачетов и экзаменов.

Указания к самостоятельной работе по учебным пособиям.

1. Изучать курс следует систематически в течение всего учебного процесса. Изучение физики в сжатые сроки перед экзаменом не дает глубоких и прочных знаний.

2. При изучении курса необходимо выбрать какое-либо учебное пособие в качестве основного и придерживаться данного пособия. Замена одного пособия другим в процессе обучения может привести к утрате логической связи между отдельными вопросами. Но если основное пособие не дает полного и ясного ответа на некоторые вопросы программы, необходимо обращаться к другим учебным пособиям.

3. При чтении учебного пособия необходимо составлять конспект, в котором записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения физических величин и их единиц, делать чертежи и решать типовые задачи. При решении задач следует пользоваться Международной системой единиц (СИ).

4. Самостоятельную работу по изучению физики необходимо подвергать систематическому самоконтролю. Для этого после изучения очередного раздела следует ставить вопросы и отвечать на них. При этом надо использовать рабочую программу курса физики.

5. Прослушать курс лекций по физике, организуемый для студентов-заочников. Пользоваться очными консультациями преподавателей, а также задавать вопросы в письменном виде.

Указания к решению задач

1. Указать основные законы и формулы, на которых базируется решение, и дать словесную формулировку этих законов, разъяснить буквенные обозначения формул. Если при решении задач применяется формула, полученная для частного случая, не выражающая какой-либо физический закон, или не являющаяся определением какой-либо физической величины, то ее следует вывести.

2. Нарисовать чертеж, поясняющий содержание задачи (в тех случаях, когда это возможно). Выполнять его надо аккуратно с помощью чертежных принадлежностей.

3. Сопровождать решение задач краткими, но исчерпывающими пояснениями.

4. Получить решение задачи в общем виде, т. е. выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условии задачи. При таком способе решения не производятся вычисления промежуточных величин.

5. Подставить в полученную для искомой величины формулу вместо симво­лов обозначения единиц, произвести с ними необходимые действия и убедиться в том, что полученная при этом единица соответствует искомой величине.

6. Подставить в полученную формулу числовые значения величин, выражен­ные в единицах одной системы. Несоблюдение этого правила приводит к неверно­му результату. Исключение из этого правила допускается лишь для тех однород­ных величин, которые входят в виде сомножителей в числитель и знаменатель формулы с одинаковыми показателями степени. Такие величины необязательно выражать в единицах той системы, в которой ведется решение задачи. Их можно выразить в любых, но только одинаковых единицах.

7. Произвести вычисление искомой величины, руководствуясь правилами приближенных вычислений. Записать в ответе числовое значение и сокращенное наименование единицы искомой величины.

8. При подстановке в рабочую формулу, а также при записи ответа числовые значения величин записать как произведение десятичной дроби с одной значащей цифрой перед запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 2140 надо записать 2,14·103, вместо 0,00192 − записать 1,92·10−3 и т. д.

9. Оценить, где это целесообразно, правдоподобность численного ответа. В ряде случаев такая оценка помогает обнаружить ошибочность полученного резуль­тата. Например, коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть больше единицы, электрический заряд не может быть меньше элементарного заря­да е = 1,60·10−19 Кл, скорость тела не может быть больше скорости света в вакууме ит. д.

Умение решать задачи приобретается длительными и систематическими уп­ражнениями. Чтобы научиться решать задачи и подготовиться к выполнению кон­трольной работы, следует после изучения очередного раздела учебника вниматель­но разобрать помещенные в настоящем пособии примеры решения типовых задач, решить ряд задач из задачников по физике.

10. Каждая контрольная работа оформляется в отдельной тонкой тетради в клеточку. На обложке тетради указать сведения о себе, номер контрольной работы, сведения о преподавателе. На первой странице тетради указать номер варианта (в соответствии с последней цифрой номера вашей зачетной книжки) и выписать но­мера всех задач вашего варианта. При оформлении каждой задачи необходимо пе­реписать полный текст условия, обозначить все заданные и искомые величины.

Рабочая программа по разделам

«Электромагнетизм», «Электромагнитные колебания и волны»

Электромагнетизм

Магнитное поле постоянного тока

Магнитное поле постоянного тока в вакууме и его характеристики. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле прямого и кругового токов. Закон Ампера. Контур с током в магнитном поле. Момент сил. Магнитный момент контура с током. Взаимодействие параллельных проводников. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции и ее применение к расчету магнитного поля соленоида и тороида. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Эффект Холла.

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции. Движение проводника с током в магнитном поле. Явление самоиндукции. Индуктивность. Электродвижущая сила самоиндукции. Токи при замыкании и размыкании электрической цепи. Взаимная индуктивность. Энергия контура с током. Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии магнитного поля.

Магнитное поле в веществе

Намагниченность вещества. Магнитные моменты атомов. Теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость и восприимчивость.

Магнетики. Диа-, пара - и ферромагнетики. Гиромагнитное отношение. Магнитные моменты электронов и атомов. Собственный механический момент электронов (спин). Опыт Штерна и Герлаха по установлению связи магнитного и механического моментов атомов.

Ферромагнетики. Опыты Столетова. Кривая намагничивания. Гистерезис. Домены. Остаточная намагниченность и коэрцитивная сила. Анизотропия ферромагнетиков. Зависимость магнитных свойств ферромагнетика от температуры; фазовые переходы второго рода; точка Кюри. Природа ферромагнетизма.

Уравнения Максвелла

Максвелловская трактовка явлений электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной формах.

Электромагнитные колебания и волны

Свободные гармонические колебания. Дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний в электрическом колебательном контуре. Формула Томсона. Дифференциальное уравнение затухающих и вынужденных электромагнитных колебаний. Условный период. Коэффициент затухания. Логарифмический декремент затухания. Емкостное сопротивление колебательного контура. Индуктивное сопротивление. Явление резонанса в электрическом колебательном контуре.

Волновое уравнение. Плоские электромагнитные волны. Энергия и импульс электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойтинга.

Основные сведения

Электромагнетизм

Введение

Электромагнетизм – раздел курса физики, в котором изучаются свойства электромагнитного поля и взаимодействующего с ним вещества.

В наиболее общем случае электромагнетизм можно рассматривать как особую форму взаимодействия между движущимися электрически заряженными частицами. Передача магнитных взаимодействий осуществляется магнитным полем. Наряду с электрическим полем магнитное поле представляет собой одно из проявлений электромагнитной формы движения материи.

Между магнитным и электрическим полями нет полной симметрии. Источником электрического поля являются электрические заряды, но аналогичных магнитных зарядов пока не обнаружено, хотя гипотезы об их существовании высказывались. Источником магнитного поля является движущийся заряд, т. е. электрический ток.

В атомных масштабах для электронов и нуклонов (протонов, нейтронов) имеются два типа микроскопических токов – орбитальных, связанных с переносом центра тяжести этих частиц в атоме, и спиновых, связанных с их внутренним движением.

Следовательно, количественной характеристикой магнетизма частиц является их орбитальный и спиновый магнитные моменты.

Так как элементарные частицы – электроны, протоны, нейтроны − обладают магнитными моментами, то и любые их комбинации – атомные ядра и электронные оболочки, а следовательно атомы, молекулы и макроскопические тела, могут быть в принципе источниками магнетизма.

Таким образом по существу все вещества обладают магнитными свойствами.