- •Введение
- •Электромагнетизм
- •1. Электростатика
- •1.1. Электрический заряд
- •1.2. Закон Кулона
- •1.3. Напряженность электростатического поля
- •1.4. Поток вектора напряженности. Теорема Гаусса
- •1.5. Потенциал. Разность потенциалов
- •1.6. Диэлектрики в электрическом поле
- •1.7. Проводники в электрическом поле
- •1.8. Электрическая емкость. Конденсаторы
- •Примеры решения задач
- •Контрольные вопросы и задания
- •2. Законы постоянного тока
- •2.1. Сила тока. Закон Ома
- •2.2. Последовательное и параллельное соединение проводников
- •2.3. Правила Кирхгофа
- •2.4. Действие электрического тока
- •Примеры решения задач
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Магнетизм
- •3.1. Магнитное поле. Опыт Ампера
- •3.2. Магнитная индукция
- •3.3. Закон Био-Савара-Лапласа
- •3.4. Силы Ампера и Лоренца
- •3.5. Магнитный поток. Теорема Гаусса и закон полного тока
- •3.6. Явление электромагнитной индукции
- •3.7. Явление самоиндукции
- •3.8. Энергия магнитного поля
- •Примеры решения задач
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Электромагнитные колебания
- •Примеры решения задач
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Уравнения Максвелла
- •5.1. Ток смещения
- •5.2. Уравнения Максвелла в интегральной форме
- •5.3. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме
- •5.4. Свойства уравнений Максвелла
- •Примеры решения задач Задача 5.1.
- •Контрольные вопросы и задания
- •6.Основные понятия, законы и формулы
- •10. Температурная зависимость сопротивления
- •32. Мощность в цепи переменного тока
- •33.Уравнения Максвелла в интегральной форме
- •7. Задачи для самостоятельного решения
- •8. Пример научной проблемы и технического использования электростатики
- •8.1. Влияние дискретности распеделения заряда на электростатическое поле и его силовые характеристики
- •Справочные материалы
- •Удельное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления (при 20,0)
- •Относительные диэлектрические проницаемости
- •Библиографический список учебной и научной литературы
- •Заключение
- •Предметный указатель
- •Содержание
Примеры решения задач
Задача 1.1
Определить напряжённость поля, создаваемого зарядом, равномерно распределённым по тонкому прямому стержню с линейной плотностью 200 нКл/м, в точке, лежащей на перпендикуляре, восстановленном в середине стержня, на расстоянии 40 см от его середины. Длина стержня 60 см (рис. 1.21).
Р
ешение
Разобьем стержень на бесконечно малые элементы dl=dy; y – координата данного элемента. Заряд элемента dq=τdy можно считать точечным. Напряженность поля, созданного зарядом dq в точке А на расстоянии r от заряда, равна:
,
(1)
г
де
;
(2)
Рис. 1.21
α
– угол между перпендикуляром к стержню
и радиус-вектором r
элемента стержня, проведенным из точки
А.
Направление вектора напряженности (см.
на рис. 1.21). Так как
![]()
,
то
,
то
.
(3)
Найдем проекции dE на координатные оси:
;
,
(4)
Проекции полной напряженности на оси рассчитываются интегрированием:
;
,
(5)
причем интегрирование производится по всей длине стержня. Здесь использован принцип суперпозиции в проекциях на оси. Полная напряженность вычисляется по теореме Пифагора:
.
(6)
С учетом (1) и (4) получим из (5):
![]()
,
(7)
.
Постоянную
величину
выносим за знак интеграла и подставим
пределы интегрирования: угол α изменяется
от (–α0)
до α0,
где
.
Далее, первообразная функция от
– это
,
а от
–
.
Тогда
,
.
Окончательно получаем для напряженности:
,
.
Ответ: E = 5,4.103 В/м.
Задача 1.2.
Д
ва
одинаковых плоских воздушных конденсатора
ёмкостью по 100 пФ каждый соединены в
батарею последовательно. Определить,
на сколько изменится ёмкость батареи,
если пространство между пластинами
одного из конденсаторов заполнить
парафином с диэлектрической проницаемостью
2.
Решение
Общую
ёмкость при последовательном соединении
конденсаторов С1
и С2
можно: найти из формулы:
.
Поэтому общая ёмкость батареи, состоящей
из двух одинаковых конденсаторов
ёмкостьюС0
(до заполнения одного из конденсаторов
парафином) равна:
.
После заполнения парафином одного из
конденсаторов его ёмкость
,
а до заполнения была равна
,
то есть ёмкость возросла в ε раз:
.
Найдём новую общую ёмкость батареи:
.
Таким образом, изменение ёмкости батареи
равно:
.
Подставим численные значения:
.
Ответ:
.
Задача 1.3.
Э
лектрическое
поле создано заряженной (Q
= 0,2 мкКл)
металлической сферой радиусом 5 см.
Какова энергия поля, заключенного в
сферическом слое, ограниченном сферой
и концентрической с ней сферической
поверхностью, радиус которой в 3 раза
больше радиуса сферы?
Решение:
Энергию поля, заключенную в сферическом слое, будем находить через объемную плотность энергии, равную по определению
,
(1)
а для энергии электростатического поля
.
(2)
Напряженность электростатического поля, созданного уединенной металлической заряженной сферой, вне этой сферы (при r > R0) такая же, как и напряженность поля точечного заряда, находящегося в центре сферы:
,
(3)
причем будем считать, что ε = 1 (поле в вакууме).
Из (1) – (3) следует, что энергия, заключенная в любом малом объеме dV, равна:
.
(4)
Поскольку поле сферически симметрично, в качестве dV следует брать тонкий шаровой слой, концентрический данной сфере, с внутренним радиусом r, внешним радиусом (r + dr), тогда в пределах этого слоя значение напряженности можно считать одинаковым и равным (3). Объем слоя можно найти, перемножив площадь сферы на его толщину, так как слой тонкий:
.
(5)
Наконец, искомую энергию находим, проинтегрировав (4) по объему, то есть в пределах R0 < r < R:

,
.
Ответ: W = 2,4 мДж.
