Электричество и магнетизм

Бакалавриат 2020/2021

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс обязательный (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Факультет физики

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 1-й курс, 3, 4 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Колотова Лада Николаевна, Кунцевич Александр Юрьевич, Тихонов Евгений Сергеевич

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 80

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Все мы привыкли к тому, что, используя электрическую сеть, можно легко включить люстру, зарядить компьютер, запустить нагреватель или кондиционер. Все эти приборы требуют для своей работы энергию, которая доставляется по электрическим сетям, соединяющим генераторы, расположенные на электрических станциях с потребителями. А ведь электрические сети появились по историческим меркам совсем недавно – всего лишь столетие назад. Это стало возможным только после создания науки об электричестве, с которой мы вас и познакомим. Про северное сияние знают все в силу грандиозности и великолепия этого явления. Но не все знают, что северное сияние возникает вследствие прорыва заряженных частиц, которые непрерывно испускает Солнце, через магнитное поле Земли. Если бы магнитное поле Земли не защищало ее поверхность от солнечного ветра (так образно называется испускаемый Солнцем поток заряженных частиц), жизнь на Земле была бы невозможна. В нашем курсе мы рассмотрим основные явления и законы, связанные с магнитным полем. Находясь в автомобиле, вы привычно включаете радиоприемник и GPS-навигатор, а отсутствие сетевого сигнала для вашего мобильного телефона воспринимаете, как личное оскорбление. Работа всех этих приборов, предполагающая связь с удаленными контрагентами, основана на распространении радиоволн. В радиоволне электрическое и магнитное поле «зацепляются» друг за друга, что дает им возможность распространяться с огромной скоростью. То же самое происходит в световых волнах, за счет которых мы видим окружающий мир, только электрическое и магнитное поля меняются в световой волне быстрее, чем в радиоволне. Один из предметов нашего рассмотрения – устройство электромагнитных волн (включающих радиоволны, световые волны и волны других диапазонов) и условия их излучения. По преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в воздухе безо всякой поддержки. Можно ли в реальности осуществить зависание какого-либо предмета в воздухе? Да, можно, если использовать сверхпроводящие материалы. Сверхпроводимость – явление, которое наблюдается при низких температурах в некоторых веществах, в которых электрический ток может течь без сопротивления. Сверхпроводники обладают необычными магнитными свойствами, что и позволяет осуществить «гроб Магомета». Однако сверхпроводники можно использовать и более эффективно. Например, в настоящее время именно со сверхпроводниками связываются надежды на создание кубитов – элементной базы квантовых компьютеров. Подробнее – в нашем курсе.

Цель освоения дисциплины

формирование у студентов четких представлений о фундаментальных понятиях и основных законах в области электродинамики;
развитие практических умений, связанных с применением полученных теоретических знаний, для исследования свойств электрических систем и явлений;
формирование основы для изучения последующих разделов общей и теоретической физики.

Планируемые результаты обучения

Способен использовать физические модели и методы исследований при решении теоретических и прикладных задач
Способен выявлять научную сущность проблем в профессиональной области
Способен учиться, приобретать новые знания, умения, в том числе в области, отличной от профессиональной
Способен критически оценивать и переосмыслять накопленный опыт (собственный и чужой), рефлексировать профессиональную и социальную деятельность
Способен критически оценивать применимость методик и методов
Умеет решать задачи на данную тему
Знает терминологию электростатики
Знает основные теоремы и определения из данного раздела
Знает терминологию магнитостатики
Знает терминологию данного раздела
Знает терминологию из данной области

Содержание учебной дисциплины

Электростатика
Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Закон Кулона и принцип суперпозиции. Напряженность электрического поля. Теорема Гаусса. Теорема Ирншоу. Потенциал электростатического поля. Теорема о циркуляции. Уравнения Пуассона и Лапласа. Электрическая энергия системы зарядов. Энергия электрического поля. Собственная и взаимная энергия системы зарядов. Электростатика. Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Закон Кулона и принцип суперпозиции. Напряженность электрического поля. Теорема Гаусса. Теорема Ирншоу. Потенциал электростатического поля. Теорема о циркуляции. Уравнения Пуассона и Лапласа. Электрическая энергия системы зарядов. Энергия электрического поля. Собственная и взаимная энергия системы зарядов. Проводники в электрическом поле. Электростатическая экранировка. Граничные условия на поверхности проводника. Электрическая ёмкость уединенного проводника. Конденсаторы. Энергия электрического поля в конденсаторе. Заряд и поле Земли. Заземление. Метод изображений. Теорема единственности. Работа выхода. Энергетический метод вычисления сил в электрическом поле. Электрическое поле в веществе. Электрический диполь. Диполь во внешнем поле: потенциальная энергия, момент сил и сила. Среда диполей: вектор поляризации и его связь с поляризационными зарядами. Уравнения электрического поля в среде. Граничные условия. Линейные диэлектрики. Неполярные и полярные диэлектрики. Энергия электрического поля в диэлектрике.
Постоянный электрический ток.
Закон сохранения заряда и уравнение непрерывности. Закон Ома. Релаксация зарядов в среде. Аккумуляция заряда в местах неоднородности. Представление о сторонней силе. Закон Джоуля–Ленца. Правила Кирхгофа. Токи в неограниченных средах. Ток в газе и жидкости. Ток в вакууме. Закон “трех вторых” Лэнгмюра.
Магнитостатика.
Взаимодействие проводников с током и введение магнитного поля для его описания. Вектор магнитной индукции. Сила Лоренца и сила Ампера. Взаимодействие движущихся зарядов и третий закон Ньютона. Закон Био-Савара. Векторный потенциал. Теорема Гаусса и теорема о циркуляции магнитного поля. Магнитостатика. Взаимодействие проводников с током и введение магнитного поля для его описания. Вектор магнитной индукции. Сила Лоренца и сила Ампера. Взаимодействие движущихся зарядов и третий закон Ньютона. Закон Био-Савара. Векторный потенциал. Теорема Гаусса и теорема о циркуляции магнитного поля. Магнитное поле системы токов на большом расстоянии. Магнитный момент. Момент сил и сила, действующие на виток с током во внешнем магнитном поле. Потенциальная энергия витка во внешнем поле. Магнитное поле в веществе. Среда магнитных моментов: вектор намагниченности и его связь с молекулярными токами. Уравнения магнитного поля в среде. Граничные условия для векторов B и H. Представление об эффективных магнитных зарядах. Магнитные свойства вещества. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Парамагнетики, диамагнетики. Магнитная версия теоремы Ирншоу. Возможность левитации диамагнетика. Ферромагнетизм. Петля гистерезиса: поле насыщения, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила. Представление о доменной структуре и ее причинах. Постоянный магнит. Представление о магнитных цепях. Аналог закона Ома и правил Кирхгофа. Магнитное экранирование. Сверхпроводники и их магнитные свойства.
Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях.
Фокусирующие свойства аксиально-симметричного поля. Примеры электрических и магнитных линз. Квадрупольные линзы. Электронный микроскоп. Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле. Циклотронная частота и циклотронный радиус. Циклотрон. Адиабатический инвариант для движения в слабо неоднородном магнитном поле. Отражение заряженных частиц от областей сильного магнитного поля. Движение в скрещенных полях. Магнетрон. Определение удельного заряда электрона. Опыты Милликена.
Электромагнитная индукция и уравнения Максвелла.
Закон электромагнитной индукции Фарадея и правило Ленца. Закон сохранения магнитного потока. Генераторы и электродвигатели. Электромагнитная индукция с точки зрения Фарадея и с точки зрения силы Лоренца. Относительность электрического и магнитного полей. Нерелятивистские преобразования электрического и магнитного полей. Вихревые токи. Собственная индуктивность и взаимная индуктивность. Явления при замыкании и размыкании тока. Энергия магнитного поля. Теорема взаимности. Давление магнитного поля. Энергетический метод вычисления сил в магнитном поле. Закон сохранения заряда и ток смещения. Ток смещения в конденсаторе. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Граничные условия. Материальные уравнения. Закон сохранения энергии для электромагнитного поля. Теорема Пойнтинга. Скин-эффект. Вытеснение переменного тока из объема проводника.
Цепи переменного тока.
Квазистационарные процессы. Уравнение колебательного контура. Линейные цепи. Метод комплексных амплитуд. Свободные затухающие колебания. Закон сохранения энергии в колебательном контуре и добротность контура. Различные определения добротности. Вынужденные колебания. Резонанс напряжений. Резонанс токов. Закон Ома в комплексной форме. Импеданс. Правила Кирхгофа для переменного тока. Мощность переменного тока. Обратная связь и автогенератор. Трансформатор.
Электромагнитные волны.
Волновое уравнение. Плоские волны. Поперечность плоских волн. Связь электрического и магнитного полей в плоской волне. Плотность энергии электрического и магнитного полей в плоской волне. Вектор Пойнтинга плоской волны. Электромагнитный импульс и давление света. Монохроматические плоские волны. Уравнение Гельмгольца. Поляризация монохроматических плоских волн. Классическая электронная теория дисперсии. Разреженная плазма: ионосфера и электронный газ в металлах. Качественное представление об излучении. Представление о резонаторах. Моды резонатора. Двухпроводная линия. Уравнения двухпроводной линии. Условия их применимости. Импеданс линии. Граничные условия для двухпроводной линии, согласование линий.

Элементы контроля

Контрольная работа
проводится в конце 3-го модуля
Экзамен
Домашнее задание
Домашнее задание, сданное с опозданием, не проверяется и учитывается с оценкой 0 (ноль). При задержке по уважительной причине баллы не снижаются. Домашнее задание включает в себя набор задач, самостоятельно решаемых студентами. По домашнему заданию оформляется отчет в письменном виде. Отчет должен включать решения задач, оформленные студентами. Оценка за каждое домашнее задание выставляется с учетом полноты выполнения задания, оформления результатов, а также знания включенных в программу курса теоретических положений по теме данного задания. На выполнение домашнего задания отводится две недели.
Коллоквиум
проводится в конце 4-го модуля в формате представления и защиты проекта по теме курса. На коллоквиуме студент представляет в форме доклада заранее подготовленный вопрос (задачу), тема которого согласована с преподавателем, ведущим семинары, или с лектором. Вопрос должен быть согласован по-крайней мере за 2 недели до даты коллоквиума.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (4 модуль)
Накопленная (Н) оценка вычисляется по формуле Н=0.35 Кр+0.4Дз+0.25 Кол, где Кр — оценка за контрольную работу, Дз — итоговая (средняя) оценка за домашние задания, Кол — оценка за коллоквиум. Оценка округляется по арифметическим правилам (оценка ниже 0.5 округляется в меньшую сторону). По желанию студента накопленная оценка 9 и 10 зачитывается в качестве итоговой без экзамена. В 2019-2020 году в связи с введением дистанционного обучения накопленная оценка 8 также может быть засчитана в качестве итоговой по желанию студента. Итоговая оценка вычисляется по формуле ИО=0.6 Н+0.4 Э, где Э — оценка, полученная на экзамене. Оценка округляется по арифметическим правилам (оценка ниже 0.5 округляется в меньшую сторону). Данная формула не касается двух случаев: при накопленной оценке 9 при получении на экзамене оценки 10 итоговая оценка равна 10; при накопленной оценке 8 при получении на экзамене оценки 9 или 10 итоговая оценка равна экзаменационной оценке.

Программа дисциплины