ЕЛЕКТРИКА ТА МАГНЕТИЗМexp.phys.univ.kiev.ua/ua/Curricula/Semester_1... · 2...

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Фізичний факультет

кафедра експериментальної фізики

Укладач: проф. Ящук В.М.

ЕЛЕКТРИКА ТА МАГНЕТИЗМ

РОБОЧА НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА

для студентів спеціальності 6.070100 фізика

Затверджено

на засіданні кафедри

Протокол №

від „.

Зав. кафедри

_____________ Дмитрук І.М. Підпис

Декан факультету

_____________ Макарець М.В. Підпис

КИЇВ-2018

2

Робоча навчальна програма з дисципліни «Електрика та магнетизм»

Укладач: доктор фізико-математичних наук, професор Ящук Валерій

Миколайович

Лектор: д.ф-м.н., проф. Ящук В.М.

Викладачі:

д.ф.-м.н., доц. Оліх О.Я.

к.ф.-м.н., доц. Кудря В.Ю.

к.ф.-м.н., доц. Кравченко В.М.

к.ф.-м.н., доц. Терентьєва Ю.Г.

к.ф.-м.н., доц. Мягченко Ю.О.

к.ф.-м.н., ас. Башмакова Н.В.

к.ф.-м.н., ас. Павленко О.Л.

Погоджено

з науково-методичною комісією

«____» ______________ 20__р.

___________________________ Підпис голови НМК факультету

3

ВСТУП

Дисципліна "Електрика та магнетизм" є базовою нормативною дисципліною для

студентів 2-го курсу фізичного факультету, що читається в 3 семестрі в обсязі 180 год. (5

кредитів) (лекції – 34 год, практичні/лабораторні роботи – 34/51 год., самостійна робота –

61год.). Закінчується іспитом.

Метою і завданням навчальної дисципліни "Електрика та магнетизм" є вивчення

основних закономірностей, пов`язаних з існуванням в природі електромагнітної взаємодії.

Предмет навчальної дисципліни "Електрика та магнетизм" включає такі основні

тематики: електростатика; постійний електричний струм та провідність середовищ; магнітне

поле у вакуумі та середовищі; електромагнетизм.

Вимоги до знань та вмінь.

Студент повинен знати: Основні фундаментальні закономірності

електромагнітних явищ та важливі прикладні аспекти. Означення основних фізичних

величин, що вводяться в курсі. Формулювання фізичних законів.

Студент повинен вміти: Раціонально в усній та письмовій формі сформулювати

основні закони електромагнетизму; обґрунтувати фундаментальні наслідки, що випливають з

експериментальних законів і вміти застосовувати отримані знання при постановці та

вирішенні задач, особливо проблемного характеру. Вміти створювати фізичні моделі

електромагнітних явищ та користуватися ними.

Місце в структурно-логічній схемі спеціальності. Нормативна навчальна

дисципліна "Електрика та магнетизм" є складовою циклу професійної підготовки фахівців

освітньо-кваліфікаційного рівня "бакалавр". Вона є базовою для курсів «Оптика» та «Атомна

фізика».

Система контролю знань та умови складання іспиту. Навчальна дисципліна

"Електрика та магнетизм" оцінюється за модульно-рейтинговою системою. Вона складається

з 2 модулів.

Результати навчальної діяльності студентів оцінюються за 100 - бальною шкалою в

семестрі.

Форми поточного контролю: оцінювання результатів виконання та захисту

лабораторних робіт, домашніх самостійних завдань; тестів та контрольних робіт, які

виконано студентами під час практичних занять. Крім того, виконується оцінювання

самостійної роботи студентів над проблемними темами, які пропонуються на початку

кожного семестру. При виставленні балів за модульний контроль враховуються:

- якість виконання та оформлення лабораторних робіт; знання та розуміння

матеріалу відповідної теми при захисті кожної лабораторної роботи;

- уміння та навички розв’язування фізичних задач за кожною темою;

- ступінь активності студента при виконанні і захисті лабораторних робіт, під час

розв’язку задач; якість виконання домашніх завдань;

- якість самостійної роботи студента при виконанні відповідних завдань для

самостійної роботи та розробці проблемних тем.

Модульний контроль: 1 колоквіум, 1 модульна контрольна робота.

4

ІІІ семестр:

Робота з вивчення програмного матеріалу протягом ІІІ семестру поділяється на два

змістовні модулі.

І змістовний модуль. Максимальна кількість балів, яка може бути отримана за

підсумком першого змістовного модуля – 20.

У межах першого змістовного модуля передбачається виконання студентами 7

лабораторних робіт та проведення практичних занять з розв’язку фізичних задач за темою

матеріалу модуля (Електростатика. Постійний електричний струм).

Максимальна кількість балів, яка може бути отримана студентом за виконання 7

лабораторних робіт першого модуля – 5.

За підсумками практичних занять з розв’язку задач наприкінці 1 змістовного модуля

проводиться колоквіум. Максимальна кількість балів за колоквіум – 10. Робота студента на

семінарських заняттях в межах кожного модуля максимально може бути оцінена в 5 балів.

Таким чином, розрахунок максимальної кількості балів за перший змістовний модуль має

вигляд:

5 (лаб. роботи) + 5 (семінари) + 10 (колоквіум) = 20 балів

ІІ змістовний модуль. Максимальна кількість балів, яка може бути отримана за

підсумком другого змістовного модуля – 20.

В межах другого змістовного модуля заплановано виконання 7 лабораторних робіт,

проведення модульної контрольної роботи з розв’язку задач. Максимальна кількість балів за

модульну контрольну роботу – 10. Отже, розрахунок максимальної кількості балів за другий

змістовний модуль має вигляд:

5 (лаб. роботи) + 5 (семінари) + 10 (контрольна робота) = 20 балів

При невиконанні лабораторних робіт студент не допускається до складання іспиту.

Таким чином, загальна максимальна кількість балів, яка може бути отримана

студентом за семестр при виконанні завдань двох змістовних модулів − 40.

Підсумковий контроль знань студента проводиться у формі екзамену, під час якого

може бути отримана максимальна кількість балів – 60. На іспит виноситься 3 питання і 1

задача, за кожне питання і задачу студент може отримати максимально по 15 балів.

Підсумкова семестрова рейтингова оцінка складається з семестрової модульної та

екзаменаційної оцінок і дорівнює 100 балам.

Підсумкова оцінка з дисципліни у балах 100-бальної шкали за семестр переводиться у

чотирибальну (національну шкалу):

За 100-бальною шкалою Оцінка за національною шкалою

90 – 100 5 Відмінно

85 – 89 4 Добре

75 – 84

65 – 74 3 задовільно

60 – 64

35 – 59 2 незадовільно

1 – 34

5

При цьому, кількість балів відповідає оцінці:

1-34 – «незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням дисципліни;

35-59 – «незадовільно» з можливістю повторного складання;

60-64 – «задовільно» («достатньо») ;

65-74 – «задовільно»;

75 - 84 – «добре»;

85 - 89 – «добре» («дуже добре»);

90 - 100 – «відмінно».

НАВЧАЛЬНО-ТЕМАТИЧНИЙ ПЛАН вивчення дисципліни

№

теми

Назва теми Кількість годин

Лекці

ї семінари

лаборат.

роботи

самост.

робота

Змістовий модуль 1

1 Електростатика 10 10 15 18

2 Постійний електричний струм 12 8 15 18

Колоквіум 2

№

теми Назва теми Кількість годин

Лекці

ї семінари

лаборат.

роботи

самост.

робота

Змістовий модуль 2

3 Магнітне поле постійного струму 10 10 15 18

4 Електромагнітні явища 12 2 6 7

Модульна контрольна робота 2

ВСЬОГО 44 34 51 61

Кредитів 5. Загальний обсяг 180 год., в тому числі:

Лекції – 34 год. Семінари/лабораторні роботи – 34/51 год. Самостійна робота - 61 год.

6

Тематично – змістовна частина курсу

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ І. Електростатика. Постійний електричний струм.

ТЕМА 1. «Електростатика» ( 10 год.)

Лекція 1. Електрика і магнетизм. Вступ. Електромагнітна взаємодія у

природі. Електричні заряди. Закон Кулона.

Електромагнітна взаємодія у природі. Значення електромагнітної взаємодії.

Місце курсу «Електрика та Магнетизм» в системі загальних курсів фізики.

Стратегія курсу.

Властивості електричних зарядів. Основні носії. Закон Кулона. Закон

збереження електричного заряду. Квантування електричного заряду. Одиниці

вимірювання. Застосування систем одиниць СІ та СГСЕ. Характерні приклади

величин електричних сил. Принцип суперпозиції та його застосування для

неточкових зарядів (Приклад, стержень та точковий заряд).

Практичне заняття 1 (2 год.)

1. Закон Кулона (задачі № 3.1-3.4)

2. Напруженість електричного поля (№ 3.6, 9, 10, 11, 14).

Лабораторне заняття 1. Техніка безпеки (3 год.)

1. Інструктаж з техніки безпеки.

2. Правила поводження студентів в електричному практикумі.

Завдання для самостійної роботи (4 год.)

1. Вивчення матеріалу лекції.

2. Опрацювання проблемного матеріалу, що винесений на самостійне вивчення.

3. Підготовка до виконання лабораторної роботи «Реостат і подільник напруги».

4. Вивчення теоретичного матеріалу за темою лабораторної роботи.

5. Задачі № 3.8, 12 (И.Е.Иродов. Задачи по общей физике)

6. Електричні заряди. Закон Кулона. Теорема Ірншоу.

7. Література [1-4].

Лекція 2. Електричне поле. Теорема Гауса.

Напруженість електричного поля ( Е

). Силові лінії. Принцип суперпозиції, його

застосування для розрахунку просторового розподілу напруженості

електричного поля (приклади: диполь, стержень). Одиниці вимірювання.

Реальні величини Е. Оцінка напруженості поля в атомі.

Теорема Гауса. Приклади застосування теореми Гауса ( рівномірно заряджена

куля; нитка; рівномірно заряджена площина). Теорема Гауса в диференціальній

формі. Дивергенція Е

.

7


1. Теорема Гауса (№ 3.19, 22, 25, 26; напруженість поля нескінченного зарядженого

циліндра, двох різнозначно заряджених коаксіальних циліндричних поверхонь,

зарядженої сферичної поверхні, об’ємно-зарядженої кулі).

Лабораторне заняття 2. Виконання лабораторної роботи «Реостат і подільник напруги»

(3 год.)

1. Перевірка рівня підготовленості студентів до виконання лабораторної роботи.

2. Проведення вимірювань фізичних величин, передбачених у даній роботі.

3. Перевірка отриманих експериментальних результатів.




3. Обробка результатів вимірювань та оформлення лабораторної роботи.


5. Задачі № 3.21, 23, 24 (И.Е.Иродов. Задачи по общей физике)

6. Теорема Гауса.

Література [1-4].

Лекція 3. Потенціал. Потенціальна енергія електрично заряджених об’єктів.

Консервативність електричного поля. Різниця потенціалів. Потенціал.

Означення Тамма. Одиниці вимірювання. Потенціал електричного поля

точкового заряду. Принцип суперпозиції, його застосування для розрахунку

просторового розподілу потенціалу. Потенціальна енергія системи зарядів.

Зв`язок між величинами Е

та φ. Розрахунок просторового розподілу Е

по

розподілу φ та навпаки. Рівняння Пуассона та Лапласа. Ротор Е. Приклади

розрахунку просторового розподілу φ: (а) сфера; (б) куля; (в) диполь.

Енергія системи електричних зарядів. Приклади знаходження енергії взаємодії

для простих атомних та молекулярних систем: (а) атом водню, Не, молекула

водню; (б) оцінка енергії, що виділяється при поділі ядра U235; (в) дисперсійні

сили, потенціал Леонарда-Джонса.

Практичне заняття 3 (2 год.).

1. Електричний потенціал (№ 3.31, 32, 34, 36, 48, 51; потенціал заряджених рівномірно сфери,

кулі, циліндра, системи коаксіальних циліндрів).

Лабораторне заняття 3. Виконання лабораторної роботи «Метод компенсації в

електричних вимірюваннях» (3 год.)









8

5.Задачі № 3.33, 35, 44, 50 (И.Е.Иродов. Задачи по общей физике)

6. Потенціал. Різниця потенціалів.


Лекція 4. Електричне поле в речовині. Провідники в електричному полі.

Електрична ємність.

Електричне поле в речовині. Провідники в електричному полі.

Еквіпотенціальність поверхні. Розподіл заряду по поверхні провідника.

Електрична ємність. Одиниці вимірювання. Принципи розрахунку

електринчлектричних ємностей провідників. Конденсатори, енергія

зарядженого конденсатора. Густина енергії.


1. Енергія електричного поля (№ 3.136, 137, 143, класичний радіус електрона).

Лабораторне заняття 4. Виконання лабораторної роботи «Залежність опорів металів та

напівпровідників від температури» (3 год.)









5.Задачі № 3.140, 145, 146 (И.Е.Иродов. Задачи по общей физике)

6.Електричне поле в речовині.

Література [1-4, 7, 8].

Лекція 5. Діелектрики в електричному полі. Явище поляризації. Неполярні

та полярні діелектрики.

Означення. Поведінка молекул в електричному полі. Полярні та неполярні

молекули. Вектор поляризації Р

. Зв`язок Р

з поверхневою та об`ємною

густиною зв`язаного заряду. Електрична сприйнятливість æ. Вектор зміщення

D

або електрична індукція. Діелектрична проникність ε. Граничні умови для

векторів Е

і D

.

Поляризація неполярних діелектриків. Значення Е

д діючого поля та

усереднена величина Е (Емакроскопічне). Модель Лоренца. Формула Клаузіуса-

Моссоті. Прикладні аспекти. Фото електрографічний запис і нформації. Лазерні

принтери та копіювальні пристрої.

Полярні діелектрики

Дипольні молекули. Потенціальна енергія диполя в електричному полі.

Обертовий момент, що діє на дипольну молекулу в електричному полі. Зв’язок

9

між електричною сприйнятливістю , дипольним моментом окремої молекули

P0 та температурою. Піроелектрики, сегнетоелектрики та п’єзоелектрики.

Прикладні аспекти. Запис інформації, ультразвукові випромінювачі та

приймачі. Сенсори.


1. Провідники в електростатичному полі. Метод електричних зображень. Конденсатори

(№ 3.58, 62, 65, 66, 110, 112, 115, 122).

Лабораторне заняття 5. Захист виконаних лабораторних робіт (3 год.)

1. Перевірка оформлення студентами виконаних лабораторних робіт.


3. Перевірка теоретичних знань студентів по даним лабораторним роботам.







6. Задача: знайти геометричне місце точок можливого удару блискавкою, що може

бути пов`язано з зарядженою хмарою, що знаходиться на відстані 1 км над Землею.

Заряд хмари 10 Кл.


ТЕМА 2. Постійний електричний струм.Провідність середовищ різного

типу. (12 год.)

Лекція 6. Постійний електричний струм, та провідність середовищ різного

типу. Основні означення, характеристики, закономірності.

Означення електричного струму. Характеристики: сила струму (І), густина

струму (j). Одиниці вимірювання. Умови існування електричного струму. Носії

електричного струму (charge carriers). Рівняння нерозривності. Загальна

залежність густини струму від типу середовища та напруженості електричного

поля (Е). Рухливість носіїв струму (μ). Коефіцієнт електропровідності

(провідність) (σ). Випадок незалежності σ от Е

, закон Ома в диференціальній

формі. Закон Ома в інтегральній формі.


1. Діелектрики в електричному полі. Конденсатори з діелектриками (№ 3.74, 76, 77, 79,

85, 86, 95).

Лабораторне заняття 6. Виконання лабораторної роботи «Вивчення електростатичних

полів» (3 год.)


10








5.Задачі 3.80, 83, 90 (И.Е.Иродов. Задачи по общей физике)

6. Характеристики: сила струму (І), густина струму(j).

7. Провідність.

Література [1-4, 6-8].

Лекція 7. Провідність середовищ різного типу. Провідники. Деякі

прикладні аспекти, що стосуються електричних кіл.

Класифікація середовищ за величиною питомого опору та температурною

залежністю. Провідники, напівпровідники, діелектрики. Носії струму в металах.

Експерименти Рікке, Мандельштама-Папалеккі, Лоренса-Стюарта і Толмена.

Модель Друде, омічна закономірність. Закон Джоуля-Ленца.

Прикладні аспекти. Електрорушійна сила. Спад напруги. Закон Ома для

неоднорідної ділянки кола, для повного кола. Розгалужені кола. Правила

Кірхгофа. Потужність струму.


1. Постійний електричний струм (№ 3.149, 150, 153, 155, 156, 164).

Лабораторне заняття 7. Виконання лабораторної роботи «Процеси в електричному колі

змінного струму» (3 год.)









5. Задачі 3.151, 152, 162 (И.Е.Иродов. Задачи по общей физике)

6. Закон Ома. Зонна модель.


Лекція 8. Провідність напівпровідників. Зонна модель.

11

Застосування зонної моделі до опису електричних властивостей провідників,

напівпровідників та діелектриків. Напівпровідники. Залежність опору

напівпровідників від температури. Вплив домішок на властивості

напівпровідників. Напівпровідники p- та n-типу..

Лекція 9. Перехід p-n в напівпровідниках. Фундаментальні та прикладні

аспекти. Перспективи розвитку електроніки

Перехід p-n в напівпровідниках. Приклвадні аспекти: Напівпровідникові діод,

тріод, світлодіод, фотодіод.

Неорганічні та органічні фотовольтаічні елементи .Сонячна енергетика. OLEDи

та органічні фотовольтаїчні елементи. Мікроелектроніка. Інтегральна

електроніка. Наноелектроніка.

Фотопровідність.Прикладні аспекти: напівпровідникові сенсори(системи

наведення та ін..)

Лекція 10. Провідність діелектриків.

Провідність діелектриків. Зонна модель. Стрибковий механізм. Вольтамперна

характеристика. Струми, обмежені просторовим зарядом. Фотопровідність.

Прикладні аспекти: Фотоелектрографічний та фотоелектропластичний запис

інформаціі. Лазерні принтери та копіювальні пристрої.

Лекція 11. Розподіл Фермі-Дірака. Термоелектричні контактні явища.

Термоелектронна та фотоелектронна емісія. Прикладні аспекти.

Розподіли в фізиці. Функція розподілу Фермі-Дірака. Її застосування для опису

електронних процесів. Контактна різниця потенціалів. Ефект Зеєбека. Ефект

Пельтьє. Ефект Томсона. Механізми термоелектричних ефектів. Термоемісія.

Формула Річардсона. Електровакуумні пристрої. Діод, тріод, тетрод, пентод.

Фотоелектронний помножувач. X-випромінювання. Ренгенівські

випромінювачі.

Лекція 12. Електричний струм в газах та електролітах.

Несамостійний та самостійні розряди в газах. Кінетичні рівняння, що описують

струм в газах. Вольт-амперна характеристика розряду. Типи електричного

розряду. Прикладні аспекти: Розрядні джерела світла, електрозварка.

Електричний струм в електролітах. Рівняння, що описують струм в

електролітах. Вольт-амперна характеристика. Закони електролізу.

Прикладні проблеми: Гальванопластика, хімічні джерела струму. Акумулятори

для електромобілів та різного типу озброєнь. Застосування в молекулярній

біології та медицині.

12


1. Електрорушійна сила. Правила Кірхгофа. (№ 3.171, 172, 174, 175, 183, 184, 190).

2. Закон Джоуля-Ленца (№ 3.191, 192, 196, 200).

Лабораторне заняття 8. Виконання лабораторної роботи «Спад напруги на реактивних

опорах» (3 год.)










6. Провідники. Закон Джоуля-Ленца.



1. Електричний струм в металах, електролітах, газах і у вакуумі (№ 3.208, 210, 212, 216,

218, 219, 220).

Лабораторне заняття 9. Виконання лабораторної роботи «Релаксаційні коливання у схемі

з неоновою лампою» (3 год.)










6. Напівпровідники. Діелектрики.


Лабораторне заняття 10. Виконання лабораторної роботи «Вивчення роботи дзеркального

гальванометра» (3 год.)






13





1. Колоквіум.

ТИПОВЕ ЗАВДАННЯ НА КОЛОКВІУМ

1. Основні закони електростатики.

2. Методика застосування принципу суперпозиції для знаходження просторового розподілу

напруженості електричного поля.

3. Методика застосування теореми Гауса для знаходження просторового розподілу

напруженості електричного поля.

4. Модель Друде, основне підгрунтя, позитивні результати та недоліки.

5. Знайти силу струму, що тече через опір R у схемі. Внутрішніми опорами джерел ЕРС

можна знехтувати.

6. Термоелектричні ефекти Зеєбека, Пельтьє, Томсона. Суть та механізми.

7. Р-n перехід в напівпровідниках. Вольт-амперна характеристика.

Контрольні запитання до змістового модуля 1 1.Властивості електричного заряду. Закон Кулона. Системи одиниць фізичних величин СГС,

СІ. Електричне поле. Напруженість поля. Принцип суперпозиції полів.

2.Електричне поле в речовині. Теорема Гауса. Застосування теореми Гауса. Диференційна

форма теореми Гауса.

3.Застосування теореми Гауса для розрахунку розподілу напруженості електричного поля

різних об`єктів (нескінченна площина, сфера, куля, нитка).

4.Електричне поле в провідниках. Напруженість електричного поля поблизу зарядженого

провідника. Електростатичний захист.

5.Електричне поле в провідниках. Електричне поле всередині та на поверхні провідника.

6.Електричне поле в провідниках. Еквіпотенціальність поверхні.

7.Робота по замкнутому шляху в електричному полі.

14

8.Потенціал електричного поля.

9.Зв’язок між величинами напруженості та потенціалу електричного поля. Розрахунок

просторового розподілу напруженості по розподілу потенціалу та навпаки.

10. Рівняння Лапласа та Пуассона.

11. Енергія системи електричних зарядів. Приклади (потенціальна енергія атому водню,

атому гелію та молекули водню).

12. Потенціальна енергія зарядженого провідника.

13. Електрична ємність. Конденсатори. Ємність плоского, циліндричного та сферичного

конденсаторів.

14. Діелектрики. Явище поляризації. Вектор поляризації, його зв’язок з поверхневою та

об’ємною густиною зв’язаних електричних зарядів.

15. Поляризація полярних діелектриків. Зв’язок між електричною сприйнятливістю ,

дипольним моментом окремої молекули P0 та температурою.

16. Поляризація неполярних діелектриків. Значення Е

д діючого поля та усереднена

величина Е (Емакроскопічне). Модель Лоренца. Формула Клаузіуса-Моссоті.

17. Вектор електричної індукції (зміщення). Електрична сприйнятливість, діелектрична

проникливість.

18. Електростатичні методи запису інформації. Принцип роботи копіювальних апаратів та

лазерних принтерів.

19. Граничні умови для векторів напруженості електричного поля та зміщення.

20. Постійний електричний стум. Основні характеристики. Типи носіїв електричного

струму.

21. Електричний струм в провідниках. Модель Друде.

22. Закон Ома. Омічні середовища.

23. Закон Джоуля-Ленца.

24. Електричний струм в напівпровідниках.

25. Правила Кірхгофа для розрахунку електричних кіл.

26. Електричний струм в діелектриках.

27. Залежність опору провідників, напівпровідників та діелектриків від температури.

Зонна теорія.

28. Зонна теорія. Вплив домішок на властивості напівпровідників. Напівпровідники p- та

n-типу.

29. Електричний струм в електролітах.

30. Електричний струм в газах.

31. Розподіл Фермі-Дірака та його застосування до опису електронних процесів.

32. Розподіл Фермі-Дірака. Термоелектронна емісія.

33. Термоелектричні контактні явища. Ефект Зеєбека.

34. Термоелектричні контактні явища. Ефект Пельтьє.

15

35. Термоелектричні контактні явища. Ефект Томсона.

36. Контактні явища. Напівпровідниковий діод та пристрої на його основі (Випрямляч.

Фотодіод. Світлодіод, ( LED). Органічні світлодіоди (OLED, полімерні діоди).

37. Сонячний елемент (фотовольтаїчний елемент).

38. Напівпровідниковий тріод.

39. Електричний струм у вакуумі. Вакуумна електроніка. Діод. Тріод. Пентод.

40. Вакуумна електроніка. Фотоелектронний помножувач. Рентгенівські випромінювачі.

41. Мікроелектроніка. Інтегральні схеми. Наноелектроніка. Молекулярна електроніка.

ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 2. Магнітне поле постійного струму. Електромагнетизм.

ТЕМА 3. Магнітне поле постійного струму. ( 10 год.)

Лекція 12. Магнітна взаємодія електричних струмів у вакуумі. Вектор індукції

магнітного поля ( B

)

Магнітна взаємодія електричних струмів у вакуумі. Закон Ампера. Означення величини

індукції магнітного поля B

. Сила Лоренца. Принцип суперпозиції. Розрахунок просторового

розподілу вектора B

поля прямолінійного провідника зі струмом. Силові лінії магнітного

поля.


1. Магнітне поле струмів у вакуумі (№ 3.222, 224, 226, 229, 230, 232).

Лабораторне заняття 11. Виконання лабораторної роботи «Вимірювання напруженості

магнітного поля вздовж осі соленоїда індукційним методом» (3 год.)










6. Закон Ампера. Принцип суперпозиції.


16

Лекція 13. Магнітні поля струмів різних конфігурацій. Магнітний диполь. Теорема про

циркуляцію вектора B та її застосування. Теорема Гауса.

Сила взаємодії двох довгих прямолінійних провідників зі струмом. Введення одиниці

величини струму А (в CI). Магнітне поле кільцевого струму. Магнітний диполь. Дипольний

магнітний момент Pm. Деякі приклади: характерні величини B та Pm; полярні сяйва.

Теорема про циркуляцію вектора B . Її застосування для визначення просторового розподілу

індукції магнітного поля В осі тороїдального соленоїда, коаксіального провідника. Ротор B .

Теорема Гауса для магнітного поля. Потік та дивергенція вектора B .


1. Теорема про циркуляцію вектора магнітної індукції (№ 3.233, 237, 238, 243, 247, 249).

Лабораторне заняття 12 Виконання лабораторної роботи «Розширення шкали

мікроамперметра та вольтметра» (3 год.)







3. Підготовка до наступної лабораторної роботи.



6. Магнітний диполь. Полярні сяйва.


Лекція 14. Релятивістський підхід до розгляду взаємодії рухомого заряду та провідника

Електрична взаємодія рухомого заряду та провідника зі струмом. Чи не можна обійтись без

поняття магнітного поля постійного струму?


1. Дія магнітного поля на струм. Рух електричних зарядів в електричному і магнітному

полях (№ 3. 258, 260, 274, 390, 391, 394, 397, 399).

Лабораторне заняття 13. Виконання лабораторної роботи «Явище гістерезису в

феромагнетику» (3 год.)









17


6. Теорема Гауса для магнітного поля.


Лекція 15. Магнітне поле в речовині. Основні характеристики та співвідношення.

Вектор напруженості магнітного поля Н

. Магнетики

Гіпотеза Амера. Елементарні диполі. Струм намагнічення (Im). Вектор намагнічення Р

n.

Співвідношення Рm і Іn, іm. Теорема про циркуляцію вектора B для середовища. Вектор Н

.

Співвідношення Рm та Н. Магнітна сприйнятливість χ та проникність μ. rot H.

Магнетики: Парамагнетизм. Діамагнетизм. Феромагнетизм. Основні механізми явищ.

Експериментальні критерії ідентифікації магнетиків. Граничні умови для векторів B і Н

.


1. Магнітне поле в речовині (№ 3.252, 278, 280, 281, 290, 295, 296).

Лабораторне заняття 14. Виконання лабораторної роботи «Визначення концентрації

носіїв заряду в напівпровідниках з ефекту Холла» (3 год.)










6. Елементарні диполі. Магнетики.


Лекція 16. Системи одиниць СГСМ, СГСЕ та Гаусова. Прикладні аспекти магнетизму.

Особливості застосування систем одиниць СГСВ, СГСМ та Гаусової до опису магнітних

явищ. Прикладні аспекти магнетизму. Запис інформації.


1. Закон електромагнітної індукції (№ 3.301, 304, 305, 308, 309, 313, 315, 317, 319, 320).

Лабораторне заняття 15. Виконання лабораторної роботи «Двопровідна лінія» (3 год.)









18


6. Індуктивність.

ТЕМА 4. Електромагнітні явища. (12 год)

Лекція 17.Закон електромагнітної індукції. Вихрове поле. Струм зміщення.

Рівняння Максвела.

Закон електромагнітної індукції Фарадея. Вихрове електричне поле.

Струм зміщення( підстави введення в рівняння Максвела)


1. Самоіндукція, взаємоіндукція (№ 3.322, 325, 326, 329, 331, 337, 356).

2. Перехідні процеси в RL-колах (№ 3.334).

3. Енергія магнітного поля (№ 3.352).

4. Струм зміщення. Рівняння Максвелла (№ 3.363, 364, 371, 373, 375, 386).

Лабораторне заняття 16. Виконання лабораторної роботи «Ефект Пельтьє» (3 год.)










6. Електромагнетизм.


Леуція 18.Рівняння Максвела.

Система Рівнянь Максвела. Електромагнітне поле. Хвильове рівняння та його розв’язки.

Плоска хвиля. Параметри, що їх характеризують. Властивості електромагнітних хвиль

(поперечність, здатність переносити енергію, вектор Умова-Пойтінга). Імпульс. Тиск, що

створює електромагнітна хвиля.

Лекція 19 Прикладні проблеми електромагнетизму. I.

Проходження електромагнітної хвилі через границю поділу двох середовищ. Базові

закони геометричної оптики. Процеси випромінювання та поглинання електромагнітних

хвиль. Шкала електромагнітних хвиль. Процеси, що спричинюють поглинання та

випромінювання електромагнітних хвиль.

Лекція 20.Перенесення інформації електромагнітними хвилями(Радіо, телебачення,

локація)

19


1. Модульна контрольна робота.







2. Опрацювання проблемного матеріалу, що винесений на самостійне вивчення

(Коливальні процеси в електричному колі. Змінний електричний струм.

Трансформатори. Електродвигуни.).



5. Задачі № 3.365,372, 387 (И.Е.Иродов. Задачи по общей физике)



Лекція21. Прикладні проблеми електромагнетизму.II.

Коливальні процеси в електричному колі. Радіо, телебачення, локація.

Лабораторне заняття 17. Виконання лабораторної роботи «Розширення шкали

мікроамперметра та вольтметра» (3 год.)









5. Задачі № 3.365,372, 387 (И.Е.Иродов. Задачи по общей физике)



Лекція 22. Прикладні проблеми електромагнетизму.III. Змінний

електричний струм. Трансформатори. Електродвигуни (демонстрація).







20





1. Модульна контрольна робота № 2.

ТИПОВЕ ЗАВДАННЯ МОДУЛЬНОЇ КОНТРОЛЬНОЇ РОБОТИ № 2

1. Знайти індукцію магнітного поля в центрі контура, що має форму рівнобічного трикутника

зі стороною l = 30 см, якщо по ньому тече струм I = 2 А.

2. Непровідна сфера радіуса R, заряджена рівномірно з поверхневою густиною , обертається

з кутовою швидкістю навколо осі, що проходить через її центр. Знайти магнітну індукцію

B в центрі сфери. Та магнітний момент.

3. На залізному осерді у вигляді тора з середнім радіусом R = 10 см є обмотка із загальним

числом витків N = 2000. В осерді зроблено поперечну прорізь шириною d = 2 мм. При силі

струму I = 0,5 А через обмотку індукція магнітного поля в зазорі B = 1 Тл. Нехтуючи

розсіянням магнітного потоку на краях зазора, знайти магнітну проникність заліза .

4. Прямокутна рамка ширини a і висоти b та прямий дріт, по якому тече струм I, лежать в

одній площині (рис.). Рамку поступально переміщують праворуч зі сталою швидкістю v.

Знайти ЕРС індукції в рамці як функцію відстані x.

5. Знайти взаємну індуктивність тороїдальної котушки і нескінченного прямого дроту,

розташованого на її осі. Котушка має прямокутний переріз, її внутрішній радіус дорівнює a,

зовнішній b. Довжина сторони поперечного перерізу тора, паралельна дроту, дорівнює h.

Число витків котушки N. Система перебуває в однорідному магнетику з магнітною

проникністю .

6. Велика пластина з однорідного діелектрика з проникністю рухається зі сталою

нерелятивістською швидкістю v в однорідному магнітному полі з індукцією B (рис.). Знайти

поляризованість P діелектрика та поверхневу густину зв’язаних зарядів.

Контрольні запитання до змістового модуля 2

1. Магнітне поле постійного струму. Закон Ампера.

21

2. Магнітне поле постійного струму. Індукція магнітного поля.

3. Магнітне поле постійного струму. Сила Лоренца.

4. Магнітне поле постійного струму. Сила взаємодії двох довгих прямолінійних провідників

зі струмом.

5. Введення одиниці величини струму А (в СІ).

6. Магнітне поле кільцевого струму. Магнітний диполь. Дипольний магнітний момент.

7. Магнітне поле Землі. Полярні сяйва.

8. Вектор індукції магнітного поля В. Силові лінії магнітного поля. Принцип суперпозиції.

9. Теорема Гауса для магнітного поля. Потік та дивергенція вектора індукції магнітного

поля.

10.Застосування принципу суперпозиції. Розрахунок просторового розподілу вектора В поля

прямолінійного провідника зі струмом.

11.Розрахунок розподілу індукції магнітного поля. Нескінченний прямолінійний провідник із

струмом.

12.Теорема про циркуляцію вектора індукції магнітного поля, її застосування для обчислення

просторового розподілу індукції магнітного поля.

13.Потік магнітного поля. Індуктивність.

14.Магнітне поле в речовині. Магнітна сприйнятливість, магнітна проникність.

15.Магнітне поле в речовині. Напруженість магнітного поля.

16.Граничні умови для векторів індукції та напруженості магнітного поля.

17.Діамагнетики.

18.Парамагнетики.

19.Феромагнетики. Принципи магнітного запису інформації.

20.Закон електромагнітної індукції Фарадея. Вихрове електричне поле.

21.Струм зміщення.

22.Система рівнянь Максвела.

23.Електромагнітні хвилі. Швидкість розповсюдження, коефіцієнт заломлення.

24.Основні характеристики електромагнітних хвиль (частота, довжина хвилі, поляризація,

хвильовий вектор, фазова та групова швидкості).

25.Отримання хвильового рівняння з системи рівнянь Максвела.

26.Хвильове рівняння та його розв’язки. Плоска хвиля. Параметри, що їх характеризують.

27.Енергія магнітного поля.

28.Властивості електромагнітних хвиль: поперечність.

29.Властивості електромагнітних хвиль: здатність переносити енергію; вектор Умова-

Пойтинга.

30.Властивості електромагнітних хвиль: тиск, що створює електромагнітна хвиля.

31.Властивості електромагнітних хвиль: імпульс.

22

32.Проходження електромагнітної хвилі через границю розділу двох середовищ.

33.Шкала електромагнітних хвиль. Процеси, що спричиняють випромінювання та

поглинання електромагнітних хвиль.

Перелік запитань на іспит

42. Властивості електричного заряду. Закон Кулона. Системи одиниць фізичних величин

СГС, СІ. Електричне поле. Напруженість поля. Принцип суперпозиції полів.

43. Електричне поле в речовині. Теорема Гауса. Застосування теореми Гауса.

Диференційна форма теореми Гауса.

44. Застосування теореми Гауса для розрахунку розподілу напруженості електричного

поля різних об`єктів (нескінченна площина, сфера, куля, нитка).

45. Електричне поле в провідниках. Напруженість електричного поля поблизу

зарядженого провідника. Електростатичний захист.

46. Електричне поле в провідниках. Електричне поле всередині та на поверхні провідника.

47. Електричне поле в провідниках. Еквіпотенціальність поверхні.

48. Робота по замкнутому шляху в електричному полі.

49. Потенціал електричного поля.

50. Зв’язок між величинами напруженості та потенціалу електричного поля. Розрахунок

просторового розподілу напруженості по розподілу потенціалу та навпаки.

51. Рівняння Лапласа та Пуассона.

52. Енергія системи електричних зарядів. Приклади (потенціальна енергія атому водню,

атому гелію та молекули водню).

53. Потенціальна енергія зарядженого провідника.

54. Електрична ємність. Конденсатори. Ємність плоского, циліндричного та сферичного

конденсаторів.

55. Діелектрики. Явище поляризації. Вектор поляризації, його зв’язок з поверхневою та

об’ємною густиною зв’язаних електричних зарядів.

56. Поляризація полярних діелектриків.

57. Поляризація неполярних діелектриків.

58. Вектор електричної індукції (зміщення). Електрична сприйнятливість, діелектрична

проникливість.

59. Електростатичні методи запису інформації. Принцип роботи копіювальних апаратів та

лазерних принтерів.

60. Граничні умови для векторів напруженості електричного поля та зміщення.

61. Постійний електричний стум. Основні характеристики. Типи носіїв електричного

струму.

62. Електричний струм в провідниках. Модель Друде.

63. Закон Ома. Омічні середовища.

23

64. Закон Джоуля-Ленца.

65. Електричний струм в напівпровідниках.

66. Правила Кірхгофа для розрахунку електричних кіл.

67. Електричний струм в діелектриках.

68. Залежність опору провідників, напівпровідників та діелектриків від температури.

Зонна теорія.

69. Зонна теорія. Вплив домішок на властивості напівпровідників. Напівпровідники p- та

n-типу.

70. Електричний струм в електролітах.

71. Електричний струм в газах.

72. Розподіл Фермі-Дірака та його застосування до опису електронних процесів.

73. Розподіл Фермі-Дірака. Термоелектронна емісія.

74. Термоелектричні контактні явища. Ефект Зеєбека.

75. Термоелектричні контактні явища. Ефект Пельтьє.

76. Термоелектричні контактні явища. Ефект Томсона.

77. Контактні явища. Напівпровідниковий діод та пристрої на його основі (Випрямляч.

Фотодіод. Світлодіод, LED. Органічні світлодіоди (OLED, полімерні діоди), дисплеї.

78. Сонячний елемент (фотовольтаїчний елемент).

79. Напівпровідниковий тріод.

80. Електричний струм в вакуумі. Вакуумна електроніка. Діод. Тріод. Пентод.

81. Вакуумна електроніка. Фотоелектронний помножувач. Рентгенівські випромінювачі.

82. Мікроелектроніка. Інтегральні схеми. Наноелектроніка. Молекулярна електроніка.

83. Магнітне поле постійного струму. Закон Ампера.

84. Магнітне поле постійного струму. Індукція магнітного поля.

85. Магнітне поле постійного струму. Сила Лоренца.

86. Магнітне поле постійного струму. Сила взаємодії двох довгих прямолінійних

провідників зі струмом.

87. Введення одиниці величини струму А (в СІ).

88. Магнітне поле кільцевого струму. Магнітний диполь. Дипольний магнітний момент.

89. Магнітне поле Землі. Полярні сяйва.

90. Вектор індукції магнітного поля В. Силові лінії магнітного поля. Принцип

суперпозиції.

91. Теорема Гауса для магнітного поля. Потік та дивергенція вектора індукції магнітного

поля.

92. Застосування принципу суперпозиції. Розрахунок просторового розподілу вектора В

поля прямолінійного провідника зі струмом.

93. Розрахунок розподілу індукції магнітного поля. Нескінченний прямолінійний

24

провідник із струмом.

94. Теорема про циркуляцію вектора індукції магнітного поля, її застосування для

обчислення просторового розподілу індукції магнітного поля.

95. Потік магнітного поля. Індуктивність.

96. Магнітне поле в речовині. Магнітна сприйнятливість, магнітна проникність.

97. Магнітне поле в речовині. Напруженість магнітного поля.

98. Граничні умови для векторів індукції та напруженості магнітного поля.

99. Діамагнетики.

100. Парамагнетики.

101. Феромагнетики. Принципи магнітного запису інформації.

102. Закон електромагнітної індукції Фарадея. Вихрове електричне поле.

103. Струм зміщення.

104. Система рівнянь Максвела.

105. Електромагнітні хвилі. Швидкість розповсюдження, коефіцієнт заломлення.

106. Основні характеристики електромагнітних хвиль (частота, довжина хвилі,

поляризація, хвильовий вектор, фазова та групова швидкості).

107. Отримання хвильового рівняння з системи рівнянь Максвела.

108. Хвильове рівняння та його розв’язки. Плоска хвиля. Параметри, що їх

характеризують.

109. Енергія магнітного поля.

110. Властивості електромагнітних хвиль: поперечність.

111. Властивості електромагнітних хвиль: здатність переносити енергію; вектор Умова-

Пойтинга.

112. Властивості електромагнітних хвиль: тиск, що створює електромагнітна хвиля.

113. Властивості електромагнітних хвиль: імпульс.

114. Проходження електромагнітної хвилі через границю розділу двох середовищ.

34.Феромагнетики. Принципи магнітного запису інформації.

35.Закон електромагнітної індукції Фарадея. Вихрове електричне поле.

36.Струм зміщення.

37.Система рівнянь Максвела.

38.Електромагнітні хвилі. Швидкість розповсюдження, коефіцієнт заломлення.

39.Основні характеристики електромагнітних хвиль (частота, довжина хвилі, поляризація,

хвильовий вектор, фазова та групова швидкості).

40.Отримання хвильового рівняння з системи рівнянь Максвела.

41.Хвильове рівняння та його розв’язки. Плоска хвиля. Параметри, що їх характеризують.

42.Енергія магнітного поля.

25

43.Властивості електромагнітних хвиль: поперечність.

44.Властивості електромагнітних хвиль: здатність переносити енергію; вектор Умова-

Пойтинга.

45.Властивості електромагнітних хвиль: тиск, що створює електромагнітна хвиля.

46.Властивості електромагнітних хвиль: імпульс.

47.Проходження електромагнітної хвилі через границю розділу двох середовищ.

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

а) основна:

1 Гуменюк А.Ф. Електрика та магнетизм – К.: «Четверта хвиля», 2008, - 506 с.

2 .Дж.Орир Физика (перекл. з англ.) М «Мир», 1981

3. Э.Парселл. БКФ. Электричество и магнетизм.(переклад з англ.).- М., «Наука»,

1971

4. Д.В.Сивухин. Общий курс физики, ч.3. Электричество и магнетизм.- М.,

«Наука», 1977 г.

5. Савельев

6. А.Н.Матвеев. Электричество и магнетизм.- М., «Высшая школа», 1983 г.

7. И.Е.Иродов. Задачи по общей физике.- М., «Наука», 1988 г.

б) додаткова:

3.. Р.Фейнман, Лейтон, Сэндс. Фейнмановские лекции по физике,(перекл. з

англ.) ч. 5, 6, 7.- М., «Мир», 1966

4.. И.Е.Тамм. Основы теории электричества.- М., «Наука», 1976 .

5.. Ч.Китель. Введение в физику твердого тела(перекл.з англ.)- М., «Наука»,

1966 .

ЕЛЕКТРИКА ТА МАГНЕТИЗМexp.phys.univ.kiev.ua/ua/Curricula/Semester_1... · 2...

Documents

Transcript of ЕЛЕКТРИКА ТА МАГНЕТИЗМexp.phys.univ.kiev.ua/ua/Curricula/Semester_1... · 2...