- •Предисловие
- •Введение
- •I. Электрическое поле
- •I.1. Исходные положения. Основные понятия и определения
- •I.2. Основной закон электростатики
- •I.3. Электростатическое поле. Напряженность поля
- •I.4. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциал поля
- •I.5. Связь между силовой и энергетической характеристиками электростатического поля
- •I.6. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме
- •I.7. Диэлектрики в электростатическом поле. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •I.8. Проводники в электростатическом поле. Конденсаторы
- •I.9. Энергия электростатического поля
- •Краткие выводы
- •Вопросы для самоконтроля и повторения
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •II. Постоянный электрический ток
- •II.1. Электрический ток и его характеристики
- •II.2. Закон Ома в дифференциальной форме
- •II.3. Последовательное и параллельное соединение проводников. Электроизмерительные приборы
- •II.4. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца
- •II.5. Закон Ома в интегральной форме
- •II.6. Расчет разветвленных цепей постоянного тока
- •Краткие выводы
- •Вопросы для самоконтроля и повторения
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •III. Магнитное поле
- •III.1. Магнитное поле и его характеристики
- •III.2. Закон Био-Савара-Лапласа
- •III.3. Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца
- •III.4. Проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера
- •III.5. Циркуляция вектора индукции магнитного поля в вакууме
- •III.6. Теорема Гаусса для магнитного поля в вакууме
- •III.7. Магнитные свойства вещества
- •Краткие выводы
- •Вопросы для самоконтроля и повторения
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •IV. Электромагнитная индукция
- •IV.1. Закон электромагнитной индукции
- •IV.2. Явление самоиндукции. Индуктивность контура
- •IV.3. Взаимная индукция
- •IV.4. Энергия магнитного поля
- •IV.5. Практическое применение электромагнитной индукции
- •Краткие выводы
- •Вопросы для самоконтроля и повторения
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •V. Элементы теории электромагнитного поля
- •V.1. Вихревое электрическое поле
- •V.2. Ток смещения
- •V.3. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
- •Краткие выводы
- •Вопросы для самоконтроля и повторения
- •VI. Электромагнитные колебания и волны
- •VI.1. Свободные колебания в rlc-контуре
- •VI.2. Вынужденные колебания. Переменный электрический ток
- •VI.3. Резонанс в электрических цепях
- •VI.4. Источники электромагнитных волн
- •VI.5. Уравнения электромагнитной волны
- •VI.6. Плоская электромагнитная волна
- •VI.7. Энергия и импульс электромагнитной волны
- •Краткие выводы
- •Вопросы для самоконтроля и повторения
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •VII. Основы волновой оптики
- •VII.1. Краткая история развития представлений о природе света
- •VII.2. Интерференция света
- •VII.3. Дифракция света
- •VII.4. Поляризация света
- •VII.5. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом
- •Краткие выводы
- •Вопросы для самоконтроля и повторения
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Основные физические величины и их единицы в си
- •Производные единицы электрических и магнитных величин
- •Элементы векторной алгебры
- •Основные законы и формулы классической электродинамики
- •Некоторые знаменательные события в истории развития электродинамики
- •Оглавление
- •Александр Фёдорович Ан
Вопросы для самоконтроля и повторения
Что является причиной возникновения вихревого электрического поля? Чем оно отличается от электростатического поля?
Чему равна циркуляция вектора напряженности вихревого электри-ческого поля?
Для чего введено понятие тока смещения? Что он собой по существу представляет?
Запишите обобщенную теорему о циркуляции вектора напряженности магнитного поля.
Запишите полную систему уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной формах, объясните физический смысл каждого из уравнений.
Запишите полную систему уравнений Максвелла для стационарных полей и объясните физический смысл каждого из уравнений.
Какие основные выводы можно сделать на основе электромагнитной теории Максвелла?
Полная система уравнений Максвелла для электромагнитного поля имеет вид
.
Для какого переменного электромагнитного поля справедлива приведенная ниже система уравнений?
.
VI. Электромагнитные колебания и волны
VI.1. Свободные колебания в rlc-контуре
Электромагнитными колебаниями называют периодические процессы, при которых происходят взаимосвязанные изменения электрических параметров (зарядов, токов, напряжений) и превращения энергии электрического и магнитного полей.
Для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний используется колебательный контур – электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С, катушки индуктивностью L и резистора сопротивлением R.
Рассмотрим
колебательный процесс в идеализированном
контуре,
сопротивление которого
(рис. 6.1, а). Для возбуждения в контуре
колебаний конденсатор предварительно
заряжают от внешнего источника. Тогда
в начальный момент времени t=0
между обкладками конденсатора возникает
электрическое поле, энергия которого
.
Если замкнуть конденсатор на катушку
индуктивности, он начнет разряжаться,
и в контуре потечет возрастающий со
временем ток i (рис.
6.1, б). В результате энергия электрического
поля будет уменьшаться, а энергия
магнитного поля катушки (
)
– возрастать.
Так как , то, согласно закону сохранения энергии, полная энергия контура
так как она не
рассеивается на нагрев. Поэтому в момент
,
когда
конденсатор
полностью разрядится, энергия
электрического поля обращается в
нуль, а энергия магнитного поля (а,
следовательно, и ток) достигает
максимального значения. Начиная с
этого момента, ток в контуре будет
убывать, начнет ослабевать магнитное
поле катушки и в ней индуцируется ток,
который по правилу Ленца течет в том же
направлении, что и ток разрядки
конденсатора. Конденсатор начнет
перезаряжаться, возникает электрическое
поле, стремящееся ослабить ток, который
к моменту
обращается в нуль, а заряд на обкладках
конденсатора достигает максимума. Далее
те же процессы начнут протекать в
обратном направлении, и система к моменту
времени
вернется к первоначальному состоянию.
После этого рассмотренный цикл разрядки
и зарядки конденсатора будет повторяться,
то есть в контуре совершаются
периодические незатухающие колебания
заряда q
конденсатора, напряжения на его
обкладках
и тока, протекающего через катушку.
В идеальном контуре
ЭДС самоиндукции, возникающая при
изменении тока, равна напряжению на
обкладках конденсатора
,
то есть
Учитывая, что
,
получаем
(6.1)
Полученное
дифференциальное уравнение аналогично
рассмотренному в курсе механики уравнению
.
Таким образом, свободные незатухающие
колебания электрического заряда в
идеальном контуре
происходят с
циклической частотой
(6.2)
а период этих колебаний определяется формулой Томсона
(6.3)
Решением уравнения (6.1) является гармоническая функция
,
(6.4)
где
– максимальный заряд на обкладках
конденсатора.
По гармоническому закону изменяется не только заряд конденсатора, но и напряжение на его обкладках, и сила тока в контуре:
(6.5)
(6.6)
г
де
– амплитуда напряжения на обкладках
конденсатора,
– амплитуда силы тока в контуре.
Из выражений (6.4),
(6.5) и (6.6) следует, что колебания заряда
(напряжения)
и тока в контуре сдвинуты
по фазе на
,
то есть ток достигает максимального
значения в те моменты времени, когда
заряд (напряжение) на обкладках
конденсатора равен
нулю, и наоборот (рис. 6.2).
Уравнение (6.1) можно получить, пользуясь законом сохранения энергии. Найдем производную по времени от полной энергии колебательного контура:
Учитывая, что
и
,
получим
.
Так как в идеальном
контуре
то
и, следовательно,
В
реальном колебательном контуре (рис.
6.3)
,
поэтому энергия колебаний будет
частично
рассеиваться в виде джоулевой
теплоты
и амплитуды колебаний электри-ческого
заряда, напряжения на обкладках
конденсатора и силы тока в контуре со
временем уменьшаются. Записав для такого
контура уравнение по второму правилу
Кирхгофа, получим
или
(6.7)
Сравнивая это уравнение с дифференциальным уравнением свободных затухающих колебаний линейной системы
видим, что для электрического колебательного контура коэффициент затухания равен
Решение уравнения (6.7) имеет вид
где
Очевидно, что если
,
как частный случай получаем циклическую
частоту свободных незатухающих колебаний
Разделив
зависимость
на величину емкости С
конденсатора, получим закон изменения
во времени напряжения на его обкладках:
Зависимость силы тока в контуре от времени
.
Добротность колебательного контура
П
ри
увеличении сопротивления R
контура коэффициент затухания
увеличивается, частота колебаний
уменьшается, период возрастает и при
обращается в бесконечность. Это означает,
что процесс перестает быть периодическим,
колеблющаяся величина асимптотически
приближается к
нулю. Такой процесс называют апериодическим
(рис. 6.4). Сопротивление контура, при
котором вместо
колебаний происходит апериодический
разряд конденсатора, называется
критическим.
