Электромагнетизм

Приветственное слово автора профессора П.А. Полякова:

Автор и преподаватель курса:

Поляков Петр Александрович - профессор кафедры общей физики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Расписание занятий:

Курс проводится 2 раза в год дистанционно.

Цель курса

Курс «Электромагнетизм» является разделом курса общей физики, в котором излагаются систематизированные знания об основных понятиях и законах электромагнетизма как обобщений опытных фактов, выраженных в математической форме. Изучаются и демонстрируются основополагающие эксперименты, лежащие в основе фундаментальных законов электричества, магнетизма и электродинамики. Разбираются теоретические модели взаимодействия электрических и магнитных полей с веществом и анализируются области их применимости. Разъясняются современные технологии, в основе которых лежат законы электромагнетизма. Дисциплина вырабатывает у студентов основы естественнонаучного мировоззрения и является базой для дальнейшего изучения общепрофессиональных и специальных дисциплин.

Форма обучения заочная (дистанционная)

Форма обучения заочная (дистанционная). Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций, снабженных видеозаписями лекционных экспериментов, и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов. Важным элементом изучения дисциплины является самостоятельное решение физических задач. Решение должно будет содержать строгие и логически верные рассуждения, приводящие к верному ответу.

Требования

Курс рассчитан на бакалавров 1 года обучения. Требуется знание физики и математики в объёме средней школы (11 классов).

Программа курса

Лекция 1. Электромагнитное взаимодействие и его место среди других взаимодействий в природе. Развитие физики электричества в работах М.В.Ломоносова. Электрический заряд. Микроскопические носители заряда. Опыт Милликена. Закон сохранения электрического заряда. Электростатика. Закон Кулона и его полевая трактовка. Вектор напряженности электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей.

Лекция 1. Поток вектора напряженности электрического поля. Электростатическая теорема Остроградского–Гаусса, ее представление в дифференциальной форме. Потенциальность электростатического поля. Потенциал. Нормировка потенциала. Связь вектора напряженности электростатического поля и потенциала. Работа сил электростатического поля. Потенциал системы зарядов.

Лекция 3. Циркуляция вектора напряженности электрического поля. Теорема о циркуляции, ее представление в дифференциальной форме. Уравнения Пуассона и Лапласа. Электрический диполь. Потенциал и напряженность поля диполя.

Лекция 4. Проводники в электростатическом поле. Электростатическая индукция. Напряженность поля у поверхности и внутри проводника. Распределение заряда по поверхности проводника. Электростатическая защита. Связь между зарядом и потенциалом проводника. Электроемкость. Конденсаторы. Емкость плоского, сферического и цилиндрического конденсаторов. Проводящий шар в однородном электростатическом поле.

Лекция 5. Диэлектрики. Свободные и связанные заряды. Вектор поляризации. Связь вектора поляризации со связанными зарядами. Вектор электрической индукции в диэлектрике. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость и вещества. Материальное уравнение для векторов электрического поля. Теорема Остроградского – Гаусса для диэлектриков. Ее дифференциальная форма. Граничные условия для векторов напряженности и электрической индукции. Диэлектрический шар в однородном электрическом поле.

Лекция 6. Энергия системы электрических зарядов. Энергия взаимодействия и собственная энергия. Энергия электростатического поля и ее объемная плотность. Энергия электрического диполя во внешнем поле. Пондеромоторные силы в электрическом поле и методы их вычислений. Связь пондеромоторных сил с энергией системы зарядов.

Лекция 7. Электронная теория поляризации диэлектриков. Локальное поле. Неполярные диэлектрики. Формула Клаузиуса – Моссотти. Полярные диэлектрики. Функция Ланжевена. Поляризация ионных кристаллов. Электрические свойства кристаллов. Пироэлектрики. Пьезоэлектрики. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект и их применение. Сегнетоэлектрики. Доменная структура сегнетоэлектриков. Гистерезис. Точка Кюри. Применение сегнетоэлектриков.

Лекция 8. Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока. Линии тока. Электрическое поле в проводнике с током и его источники. Уравнение непрерывности. Условие стационарности тока. Электрическое напряжение. Закон Ома для участка цепи. Электросопротивление. Закон Ома в дифференциальной форме. Удельная электропроводность вещества.

Лекция 9. Токи в сплошных средах. Заземление. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца и его дифференциальная форма. Сторонние силы. Электродвижущая сила. Закон Ома для замкнутой цепи. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Примеры их применения.

Лекция 10. Магнитостатика. Взаимодействие токов. Элемент тока. Закон Био – Савара – Лапласа и его полевая трактовка. Вектор индукции магнитного поля. Действие магнитного поля на ток. Закон Ампера. Теорема о циркуляции вектора индукции магнитного поля. Дифференциальная форма теоремы о циркуляции. Вихревой характер магнитного поля. Уравнение div B = 0. Понятие о векторном потенциале. Релятивистская природа магнитных взаимодействий.

Лекция 11. Элементарный ток и его магнитный момент. Магнитное поле элементарного тока. Элементарный ток в магнитном поле. Магнитное поле движущегося заряда. Взаимодействие движущихся зарядов. Сила Лоренца. Эффект Холла.

Лекция 12. Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток). Коэффициент самоиндукции (индуктивность). Коэффициент взаимной индукции двух контуров. Потенциальная функция тока. Силы, действующие на контур с током. Взаимодействие двух контуров с током.

Лекция 13. Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции Фарадея и его дифференциальная форма. Правило Ленца. Индукционные методы измерения магнитных полей. Токи Фуко. Явление самоиндукции. Экстратоки замыкания и размыкания. Магнитная энергия тока. Магнитная энергия системы контуров с током. Энергия магнитного поля и ее объемная плотность.

Лекция 14. Магнетики. Понятие о молекулярных токах. Вектор намагниченности вещества и его связь с молекулярными токами. Вектор напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость вещества. Материальное уравнение для векторов магнитного поля. Граничные условия для векторов напряженности и индукции магнитного поля. Магнитная защита. Влияние формы магнетика на его намагниченность.

Лекция 15. Классификация магнетиков. Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Классическое описание диамагнетизма. Ларморова прецессия. Парамагнетизм. Теория Ланжевена. Микроскопические носители магнетизма. Магнитомеханический опыт Эйнштейна – де-Гааза. Механомагнитный опыт Барнетта. Гиромагнитное отношение.

Лекция 16. Ферромагнетики. Спонтанная намагниченность и температура Кюри. Доменная структура. Гистерезис намагничивания, кривая Столетова. Остаточная индукция и коэрцитивная сила. Температурная зависимость намагниченности. Силы, действующие на магнетики в магнитном поле.

Лекция 17. Квазистационарные токи. Условия квазистационарности. Переходные процессы в RC- и LC-цепях. Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Собственные колебания в контуре. Уравнение гармонических колебаний. Энергия, запасенная в контуре. Затухающие колебания. Показатель затухания. Время релаксации. Логарифмический декремент затухания. Добротность контура. Колебания в связанных контурах. Парциальные колебания и их частоты. Нормальные колебания (моды).

Лекция 18. Вынужденные колебания в контуре. Процесс установления вынужденных колебаний. Переменный синусоидальный ток. Активное, емкостное и индуктивное сопротивления. Импеданс. Закон Ома для цепей переменного тока. Метод векторных диаграмм и метод комплексных амплитуд.

Лекция 19. Резонанс напряжений. Напряжения и токи при резонансе. Ширина резонансной кривой. Резонанс токов. Правила Кирхгофа для цепей переменного тока. Работа и мощность переменного тока. Эффективные значения тока и напряжения.

Лекция 20. Техническое применение переменных токов. Генераторы и электродвигатели. Трехфазный ток. Получение и использование вращающегося магнитного поля. Соединение обмоток «звездой» и «треугольником». Фазное и линейное напряжения. Трансформатор. Принцип действия, устройство, применение. Коэффициент трансформации. Роль сердечника.

Лекция 21. Высокочастотные токи. Скин-эффект. Толщина скин-слоя. Система уравнений Максвелла как обобщение опытных данных. Ток проводимости и ток смещения. Взаимные превращения электрического и магнитного полей. Электромагнитные волны. Волновое уравнение. Вектор Умова-Пойтинга. Скорость распространения электромагнитных волн.

Лекция 22. Классическая теория электронной проводимости Друде – Лоренца. Опыт Толмена и Стюарта. Законы Ома, Джоуля – Ленца и Видемана – Франца. Ограниченность классической электронной теории. Понятие о зонной теории твердых тел. Энергетические уровни и формирование энергетических зон. Принцип Паули. Статистика Ферми – Дирака. Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов. Объяснение проводимости твердых тел с помощью зонной теории.

Лекция 23. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводники р- и n-типа, рn-переход. Применение полупроводников: полупроводниковые диоды, транзисторы, фотодиоды, фоторезисторы. Контактные явления. Контактная разность потенциалов. Термоэлектричество. Термодвижущая сила. Термопары. Эффект Пельтье. Явление Томсона. Сверхпроводимость. Основные свойства сверхпроводников. Магнитная индукция внутри сверхпроводника. Эффект Мейснера. Критическое поле. Высокотемпературная сверхпроводимость. Применение сверхпроводников.