ФИЗИКА ч.2 Электричество и магнетизм Преподаватель: Тупицкая Наталья Анатольевна – доцент, кандидат физико-математических наук Телефон кафедры:

Основная литература Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Высш. шк., Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. шк., Трофимова Т.И. и Павлова З.Г. «Сборник задач по курсу физики с решениями». – М.: Высш. шк., 1999 Дополнительная литература Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2 – М.Наука, 1989 Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. – М.: Интеграл-Пресс, 1997

Задания на контрольные работы 3 «Электричество и магнетизм». Методические указания к выполнению контрольных работ – СПб.: Изд-во СЗТУ, Цаплев В.М., Лиходаева Е.А., Орехова И.Г. Курс физики. Электричество и магнетизм.: Учебное пособие. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2006.

Объем учебной работы по текущему третьему семестру (по 2-ому разделу): - лекционный материал - 16 ч.; - практические занятия – 8 ч.; - лабораторные работы – 12 ч. Результатами самостоятельной работы студентов является: - представление отчетов по выполненным лабораторным работам; -решение контрольной работы. Форма отчетности – экзамен.

Повторение Виды фундаментального взаимодействия: - гравитационное взаимодействие; - электромагнитное взаимодействие; - сильное взаимодействие; - слабое взаимодействие. Закон всемирного тяготения

Электромагнетизм Лекция 1. Электростатика Основные темы лекции 1. Электрическое поле в вакууме 1.1. Закон сохранения электрического заряда 1.2. Закон Кулона 1.3. Напряженность и потенциал электростатического поля.. Циркуляция вектора Е Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Гаусса.

1. Электрическое поле в вакууме 1.1. Закон сохранения электрического заряда Элементарный заряд (е) – 1,6· Кл Заряд – неотъемлемое свойство элементарных частиц. Электрически изолированной системой называется система тел, которая не обменивается электричес- кими зарядами со внешними телами N – целое число: 1,2,3… Суммарный заряд электрически изолированной системы не меняется со временем. Закон сохранения:

1.2. Закон Кулона. (1785 г) Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями до других заряженных тел. Шарль Огюстен Кулон ( )

Сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль соединяющей их прямой. (1.1)

Единицы системы СИ: заряд – 1 Кл (Кулон) - универсальная электрическая постоянная (1.2)

Задание 1. Как изменится сила взаимодействия двух точечных зарядов, если величину одного из зарядов и расстояние между ними увеличить в два раза. Варианты ответов. а) сила не изменится; б) сила увеличится в два раза; в) сила уменьшится в два раза.

Задача 1.1 Четыре одинаковых точечных заряда 20 нКл закреп- лены в вершинах квадрата со стороной 10 см. Найти силу, действующую на один из этих зарядов со сторо- ны трех остальных. Дано: q = 20 нКл = = 2·10 -8 Кл а = 10 см = 0,1 м F - ?

Подставим числовые значения:

Электростатическое поле возникает вокруг неподвижных электрических зарядов. Поле – область пространства, в каждой точке которого действуют силы по определенному закону Повторение: Основная силовая характеристика электростатичес- кого поля – его напряженность Напряженность и потенциал электростатического поля. Циркуляция вектора Е.

Напряженность электрического поля E – это физическая величина, равная отношению силы F, действующей со стороны поля на неподвижный точечный пробный электрический заряд, помещен- ный в рассматриваемую точку поля, к величине этого заряда q 0. (1.3) Единицы системы СИ: Напряженность эл. поля – 1 В/м

Напряженность поля точечного заряда: (1.4)

Принцип суперпозиции: Напряженность электрического поля системы зарядов равна сумме напряженностей полей каждого из этих зарядов в отдельности. (1.5) Силовыми линиями электрического поля называ- ются линии, проведенные в поле так, что касатель- ные к ним в каждой точке совпадают по направле- нию с вектором напряженности электрического поля.

Если напряженность электрического поля во всех точках одинакова, то такое поле называется однородным.

Задание 2 Дано графическое изображение электростатического поля отрицательного заряда. Нарисуйте вектор напряженности этого поля в заданной точке С. Т.СТ.С

т.С Ответ к заданию 2

Распределение зарядов. dl dq - линейная плотность заряда dS dq dV

Задача 1.2 Найти напряженность электрического поля тонкого стержня длиной 20 см, заряженного с линейной плотностью заряда 400 нКл/см, в точке, расположенной на оси стержня на расстоянии 20 см от его конца. Дано: τ = 400 нКл/см = 4·10 -5 Кл/м a = l = 20 см = 0,2 м Е - ?

Повторение. Поле называется потенциальным, если работа силы не зависит от формы пути или работа силы на произвольной замкнутой траектории равна нулю. Электростатическое поле потенциально! Найдем работу по перемещению заряда q 0 в электростатическом поле по замкнутой траектории.

Циркуляция вектора напряженности электростатического поля вдоль произвольного замкнутого контура равна нулю. (1.6) Работа в потенциальном поле совершается за счет убыли потенциальной энергии.

Потенциалом электростатического поля называется физическая величина, равная отношению потенци- альной энергии пробного точечного электрического заряда, помещенного в данную точку поля, к величи- не этого заряда q 0. (1.7) Энергетической характеристикой электростатического (кулоновского) является потенциал.

Для точечного заряда: φ = 0 при r, следовательно С = 0. (1.8)

Потенциал поля системы точечных зарядов: (1.9) Единицы системы СИ: Потенциал – 1 В 1 Вольт – это потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1 Дж. Потенциал –величина скалярная

Работа сил поля по перемещению точечного заряда: (1.10) Связь напряженности и потенциала: (1.11)

Для однородного поля: Поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал, называется эквипотенциальной поверхностью. Для полей со сферической и цилиндрической симметрией:

1.2. Поток вектора напряженности электрического поля. Элементарным потоком вектора напряженности электрического поля через малый элемент поверхности называется величина (1.12)

(1.13) Геометрический смысл потока: Единицы системы СИ: Поток вектора Е – 1 В·м Геометрический смысл потока вектора напряженности через некоторую поверхность: поток равен числу силовых линий, пронизывающих эту поверхность

1.6. Теорема Гаусса. Найдем поток вектора Е сквозь произвольную замкнутую поверхность. q 1, q 2, … q n. - система точечных зарядов S1S1 S2S2

1. Заряд q i находится внутри поверхности S.

2. Заряд q i находится вне поверхности S. 3. Поток вектора E поля системы зарядов.

(1.14) Теорема Гаусса: Поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую по- верхность равен отношению алгебраической суммы электрических зарядов, охваченных этой поверх- ностью, к электрической постоянной ε 0.

Бесконечная плоскость, равномерно заряженная с поверхностной плотностью заряда 5нКл/см2, пересекает сферу по диаметру. Найти поток вектора напряженности через сферическую поверхность, если диаметр сферы 4 см. Дано: σ = 5 нКл/см 2 = = 5·10 -5 Кл/м 2 d = 4 см = 4·10 -2 м N -? Задача 1.3

При r R Внутри сферы (при r < R) поле равно 0. Пример 1. Поле заряда q, равномерно распределенного по поверхности сферы радиуса R.

(1.16) (1.15)

Пример 2. Поле заряда, равномерно распределенно- го по бесконечной плоскости с поверхностной плотностью σ. E

(1.17) (1.18)