Электричество и магнетизм - Матвеев А.Н.

Название: Электричество и магнетизм. 1983.

Автор: Матвеев А.Н.  

Изложение курса начинается с экспериментального обоснования теории электричества и магнетизма и базируется на релятивистских представлениях, известных студентам из предшествующих разделов курса общей физики Связь между электрическими и магнитными полями выявляется на самой ранней стадии изложения. Наряду с традиционными достаточно подробно изложены новые вопросы курса' флуктуации тока в Цепях, аномальный скин-эффект, волноводы и резонаторы и др.
Книга представляет собой третий том курса общей физики для университетов и вузов. Первый том «Механика и теория относительности» вышел в 1976 г., второй том «Молекулярная физика» — в 1981 г.
Для студентов физических факультетов вузов.

Данный курс отражает современный уровень науки и образования и учитывает изменения в программе общей физики.
Поскольку основные положения теории относительности известны из курса механики, можно при изложении электричества и магнетизма с самого начала опираться на релятивистскую природу магнитного поля и представить электрическое и магнитное поля в их взаимной связи и единстве. Поэтому изложение материала в данной книге начинается не с электростатики, а с анализа основных понятий, связанных с зарядами, силами и электромагнитным полем. При этом определенный запас сведений о законах электромагнитных явлений, имеющийся у студента из курса физики средней школы, преобразуется в современное научное знание, а обоснование теории анализируется в свете современного состояния экспериментальных основ электромагнетизма с учетом пределов применимости используемых понятий. Это приводит иногда к необходимости выхода за пределы теории электромагнетизма в строгом смысле этого слова. Например, вопрос об экспериментальном обосновании закона Кулона для больших расстояний не может быть изложен без упоминания о его связи с нулевой массой покоя фотонов. И хотя полностью и строго этот вопрос излагается в квантовой электродинамике, его основные общие черты целесообразно изложить в классической теории электромагнетизма. Это создаст у студента общее представление о проблеме и о связи изучаемого материала с материалом будущих курсов. Последнее обстоятельство имеет немаловажное методическое значение.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 11
Введение 13

1. Заряды, поля, силы.
§ 1. Микроскопические носители электрических зарядов 16
Классификация. Электрон. Протон. Нейтрон. Что означает непрерывное распределение электрического элементарного заряда? Спин и магнитный момент
§ 2. Заряженные тела. Электризации 20
Термоэлектронная работа выхода. Энергетический спектр электронов. Энергия Ферми. Контактная разность потенциалов. Электризация
§ 3. Элементарный заряд и его инвариантность 28
Опыты Милликена. Резонансный метод измерения заряда. Отсутствие дробного заряда. Равенство положительных и отрицательных элементарных зарядов. Инвариантность заряда
§ 4. Электрический ток 32
Движение зарядов. Непрерывное распределение зарядов. Объемная плотность зарядов. Концентрация зарядов. Поверхностная плотность зарядов. Плотность тока. Сила тока через поверхность
§ 5. Закон сохранения заряда 37
Два аспекта понятия сохранения заряда. Интегральная формулировка закона сохранения заряда. Дивергенция. Формула Гаусса — Остроградского. Дифференциальная формулировка закона сохранения заряда
§ 6. Закон Кулона 44
Экспериментальные проверки закона Кулона. Метод Кавендиша. Проверка закона для больших расстояний. Проверка закона для малых расстояний. Полевая трактовка закона Кулона. Электрическое поле. О границах применимости классической концепции поля
§ 7. Принцип суперпозиции 52
Принцип суперпозиции для взаимодействия точечных зарядов. Полевая формулировка принципа суперпозиции. Пробные заряды. Границы применимости принципа суперпозиции
§ 8. Магнитное поле 55
Необходимость возникновения магнитного поля при движении зарядов. Взаимодействие точечного заряда и бесконечной прямой заряженной нити. Релятивистская природа магнитного поля. Силы взаимодействия параллельных проводников с током. Единица силы тока. Магнитное поле
§ 9. Сила Лоренца. Сила Ампера б]
Преобразование сил. Сила Лоренца. Индукция магнитного поля. Сила Ампера. Переход от объемных токов к линейным. Магнитное поле прямолинейного тока
§ 10. Закон Био-Савара бб
Взаимодействие элементов тока Об экспериментальной проверке закона взаимодействия. Полевая трактовка взаимодействия. Закон Био —Савара. Сила взаимодействия прямолинейных токов
§ 11. Преобразование полей 72
Инвариантность выражения для силы в электромагнитном поле. Преобразование полей. Применения формул (11.15). Поле точечного заряда, движущегося равномерно и прямолинейно
Задачи 77

2. Постоянное электрическое поле.
§ 12. Постоянное электрическое поле 80
Неподвижный заряд. Существо модели. Границы применимости модели
§ 13. Дифференциальная формулировка закона Кулона 81
Теорема Гаусса. Измерение заряда. Физическая основа справедливости теоремы Гаусса. Дифференциальная формулировка закона Кулона. Уравнение Максвелла для div E. Силовые линии. Источники и стоки вектора Е. Инвариантность заряда
§ 14. Потенциальность электростатического поля S6
Работа в электрическом поле. Потенциальность кулоновского поля. Ротор вектора. Формула Стокса. Дифференциальная формулировка потенциальности поля. Градиент. Скалярный потенциал. Неоднозначность скалярного потенциала. Нормировка. Выражение работы через потенциал. Потенциал поля точечного заряда. Потенциал поля системы точечных зарядов. Потенциал поля непрерывного распределения зарядов. Потенциал поля поверхностных зарядов. Бесконечность потенциала поля точечного заряда Конечность потенциала при непрерывном распределении заряда с конечной плотностью. Непрерывность потенциала Теорема Ирншоу
§ 15. Электростатическое поле в вакууме 98
Постановка вопроса Прямое использование закона Кулона. Вычисление потенциала. Использование теоремы Гаусса. Уравнения Лапласа и Пуассона Бесконечный равномерно заряженный круглый цилиндр
§ 16. Электростатическое поле при наличии проводников 104
Дифференциальная форма закона Ома. Классификация материалов по проводимости. Отсутствие электрического поля внутри проводника. Отсутствие в проводнике объемных зарядов. Электрическая индукция. Поле вблизи поверхности проводника. Механизм образования поля вблизи поверхности проводника. Зависимость поверхностной плотности зарядов от кривизны поверхности. Стекание заряда с острия. Электроскопы и электрометры. Металлический экран. Потенциал проводника Емкость уединенного проводника Система проводников. Конденсаторы. Проводящий шар в однородном поле. Поле диполя. Метод изображений
§ 17. Электростатическое поле при наличии диэлектриков 134
Дипольный момент непрерывного распределения зарядов. Поляризация диэлектриков. Молекулярная картина поляризации. Зависимость поляризованности от напряженности электрического поля. Влияние поляризации на электрическое поле Объемная и поверхностная плотность связанных зарядов. Электрическое смещение. Электростатическая теорема Гаусса при наличии диэлектриков. Граничные условия. Граничные условия для нормальной составляющей вектора D. Граничные условия для тангенциальной составляющей вектора Е. Преломление силовых линий на границе раздела диэлектриков. Знаки связанных зарядов на границе раздела диэлектриков. Метод изображений. Диэлектрический шар в однородном поле
§ 18. Энергия электростатического поля 152
Энергия взаимодействия дискретных зарядов. Энергия взаимодействия при непрерывном распределении зарядов. Собственная энергия. Плотность энергии поля. Энергия поля поверхностных зарядов. Энергия заряженных проводников. Энергия диполя во внешнем поле. Энергия диэлектрического тела во внешнем поле
§ 19. Силы в электрическом поле 161
Природа сил. Сила, действующая на точечный заряд. Сила, действующая на непрерывно распределенный заряд. Сила, действующая на диполь. Момент сил, действующих на диполь. Объемные силы, действующие на диэлектрик. Силы, действующие на проводник. Поверхностные силы, действующие на диэлектрик. Объемные силы, действующие на сжимаемый диэлектрик. Вычисление сил из выражения для энергии
Задачи 174

3. Диэлектрики.
§ 20. Локальное поле 178
Отличие локального поля от внешнего. Вычисление напряженности локального поля
§ 21. Неполярные диэлектрики 180
Молекулярная диэлектрическая восприимчивость. Разреженные газы. Плотные газы
§ 22. Полярные диэлектрики 183
Зависимость поляризованности от температуры. Поле насыщения. Разреженные газы Квантовая интерпретация поляризованности полярных газообразных диэлектриков. Плотные газы. Полярные жидкости. Ионные кристаллы
§ 23. Сегнето электрики 189
Определение. Петля гистерезиса. Точка Кюрн. Молекулярный механизм спонтанной поляризованности. Диэлектрические домены. Антисегнетоэлектрики
§ 24. Пьезоэлектрики 193
Свойства пьезоэлектриков. Продольный и поперечный пьезоэффекты. Механизм пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект. Отлнчие обратного пьезоэффекта от элек1 рестрикции. Пироэлектрики
Задачи 196

4. Постоянный электрический ток.
§ 25. Электрическое пою при наличии постоянных токов 198
По ie внутри проводника. Вопрос об источниках поля. Поле вне проводника. Поверхностные заряды. Объемные заряды. Механизм осуществления постоянною тока. Изменение потенциала вдоль проводника с током
§ 26. Сторонние э. д. с. 202
Сущность сторонних э. д с. Механическая сторонняя э. д. с. Гальванические элементы. Элемент Вольта. Область действия сторонних э. д. с. Закон сохранения энергии. Поляризация элемента. Способы деполяризации. Аккумуляторы
§ 27. Дифференциальная форма закона Джоули-Ленца. Работа, совершаемая при прохождении тока, и развиваемая мощность 209
Работа, совершаемая при прохождении тока. Мощность. Дифференциальная форма закона Джоуля — Ленца. Источник энергии для работы электрического тока Вывод закона Ома исходя из электронной картины электропроводности. Вывод закона Джоуля - Ленца исходя из электронной теории электропроводности. Недостатки классической теории электропроводности. Основные черты квантовой трактовки электропроводности
§ 28. Линейные цепи. Правила Кярхгофа 213
Изолированная замкнутая цепь. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа
§ 29. Токи в сплошной среде 217
Постановка задачи Вывод формулы. Условия применимости (29.6). Коаксиальные электроды. Неоднородная среда
§ 30. Заземление линий передач 220
Постановка задачи. Расчет сопротивления. Экспериментальная проверка. Напряжение шага
Задачи 223

5. Электропроводность.
§ 31. Электропроводность металлов 226
Доказательство отсутствия переноса вещества электрическим током в металлах. Опыты Толмена и Стюарта. О зонной теории. Зависимость сопротивления от температуры. Эффект Холла. Магнето-сопротивление. Подвижность электронов. Сверхпроводимость. Критическая температура. Критическое поле. Эффект Мейсснера. Поверхностный ток. Сверхпроводники первого и второго рода. Объяснение сверхпроводимости
§ 32. Электропроводность жидкостей 234
Диссоциация. Расчет электропроводимости. Зависимость электропроводимости от концентрации. Зависимость электропроводимости от температуры. Электролиты
§ 33. Электропроводность газов 237
Самостоятельный и несамостоятельный ток. Несамостоятельный ток. Плотность тока насыщения. Характеристика тока. Самостоятельный ток. Действие пространственного заряда. Подвижность зарядов. Сравнение выводов из (33.18) с экспериментом
§ 34. Электрический ток в вакууме 241
Термоэлектронная эмиссия. Характеристики электронного облака. Плотность тока насыщения. Закон трех вторых
Задачи 248

6. Стационарное магнитное поле.
§ 35. Закон полного тока 250
Постановка задачи. Интегральная формулировка закона полного тока. Дифференциальная форма закона полного тока. Экспериментальная проверка закона полного тока. Вывод дифференциальной формулировки непосредственным дифференцированием формулы Био — Савара
§ 36. Уравнения Максвелла для стационарного магнитного ноля 255
Уравнение для div В. Уравнения Максвелла. Тип решаемых задач
§ 37. Векторный потенциал 257
Возможность введения векторного потенциала.- Неоднозначность векторного потенциала. Калибровка потенциала. Уравнение для векторного потенциала. Закон Био-Савара. Поле элементарного тока
§ 38. Магнитное иоле при наличии магнетиков 264
Определение. Механизмы намагничивания. Намагниченность. Векторный потенциал прн наличии магнетиков. Объемная плотность молекулярных токов. Поверхностные молекулярные токи. Однородно намагниченный цилиндр. Напряженность магнитного поля. Уравнение для напряженности. Зависимость намагниченности от напряженности. Поле в магнетике. Постоянные магниты. Граничные условия для векторов поля. Граничное условие для нормальной составляющей вектора В. Граничное условие для тангенциальной составляющей вектора Н. Преломление магнитных силовых линий. Измерение индукции магнитного поля. Поля бесконечного соленоида и однородно намагниченного бесконечно длинного цилиндра. Измерение магнитной проницаемости, индукции и напряженности поля внутри магнетика. Шар из магнетика в однородном поле. Магнитная экранировка
§ 39. Силы в магнитном поле 280
Силы, действующие на ток. Сила Лоренца. Силы и момент сил, действующие на магнитный момент. Объемные силы, действующие на несжимаемые магнетики
Задачи 284

7. Магнетики.
§ 40. Диамагнетики 288
Ларморова прецессия. Диамагнетизм. Диамагнитная восприимчивость. Независимость диамагнитной восприимчивости от температуры
§ 41. Парамагнетики 292
Механизм намагничивания. Зависимость парамагнитной восприимчивости от температуры. Магнитные моменты свободных атомов. Магнитные моменты молекул. Магнетизм, обусловленный свободными электронами. Парамагнитный резонанс
§ 42. Ферромагнетики 298
Определение. Кривая намагничивания и петля гистерезиса. Кривая магнитной проницаемости. Классификация ферромагнитных материалов. Взаимодействие электронов. Элементарная теория ферромагнетизма. Закон Кюри—Вейсса. Анизотропия намагничивания. Домены. Границы. Перемагничивание. Антиферромагнетизм. Ферримагнетизм. Ферромагнитный резонанс
§ 43. Гиромагнитные эффекты 306
Соотношение между механическими и магнитными моментами. Опыт Эйнштейна — де Гааз. Эффект Барнетта
Задачи 310

8. Электромагнитная индукция и квазистационарные переменные токи.
§ 44. Индукция токов в движущихся проводниках 312
Возникновение э. д. с. в движущемся проводнике. Обобщение на произвольный случай Генераторы переменного тока Закон сохранения энергии
§ 45. Закон электромагнитной индукции Фарадея 316
Определение. Физическая сущность явления. Движущийся проводник в переменном магнитном поле. Применение электромагнитной индукции к генераторам переменного тока
§ 46. Дифференциальная формулировка закона электромагнитной индукции 318
Формулировка. Непотенцнальность индукционного электрического поля. Векторный и скалярный потенциалы в переменном электромагнитном поле. Неоднозначность потенциалов, калибровочное преобразование
§ 47. Энергия магнитного поля 321
Энергия магнитного поля изолированного контура с током. Энергия магнитного поля нескольких контуров с током. Энергия магнитного поля прн наличии магнетиков Плотность энергии магнитного поля. Индуктивность. Поле соленоида. Энергия магнетика во внешнем магнитном поле. Вычисление снл из выражения для энергии. Объемные силы, действующие на сжимаемые магнетики. Энергия магнитного момента во внешнем поле
§ 48. Цепи квазистациоиариого переменного тока 335
Определение. Самоиндукция. Включение и выключение постоянной э. д. с. в цепи с сопротивлением и индуктивностью. Получение прямоугольных импульсов тока. Емкость в цепи. Включение и выключение постоянной э. д. с. в цепи с емкостью н сопротивлением. Цепь с емкостью, индуктивностью, сопротивлением и источником сторонних э. д. с. Переменный ток. Векторные диаграммы. Правила Кирхгофа. Последовательное и параллельное соединения нмпедансов. Метод контурных токов
§ 49. Работа и мощность переменного тока 346
Мгновенная мощность Средняя мощность. Эффективные значения силы тока и напряжения. Коэффициент мощности. Электродвигатели. Синхронные двигатели. Асинхронные двигатели. Создание вращающегося магнитного поля. Согласование нагрузки с генератором. Токи Фуко
§ 50. Резонансы в цепи переменного тока 356
Резонанс напряжений. Резонанс токов. Колебательный контур
§ 51. Цепи с учетом взаимной индукции 359
Роль взаимной индукции. Уравнения для системы проводников с учетом самоиндукции и взаимоиндукции Случай двух контуров. Трансформатор. Векторная диаграмма холостого хода трансформатора Векторная диаграмма нагруженного трансформатора. Автотрансформатор. Трансформатор как элемент цепи. Реальный трансформатор
§ 52. Трехфазный ток 366
Определение. Получение трехфазного тока. Соединение обмоток генератора звездой. Соединение обмоток генератора треугольником. Соединение нагрузок. Получение вращающегося магнитного поля
§ 53. Скии-эффект 369
Сущность явления. Физическая картина возникновения. Элементарная теория. Толщина скин-слоя. Зависимость омического сопротивления проводника от частоты. Зависимость индуктивности проводника от частоты. Закалка металлов токами высокой частоты Аномальный скин-эффект
§ 54. Четырехполюсники 373
Определение. Уравнения. Теорема взаимности. Сопротивление четырехполюсника. Простейшие четырехполюсники. Входное и выходное сопротивления. Коэффициент передачи
§ 55. Фильтры 377
Определение. Фильтр низких частот. Фильтр выcоких частот. Цепочка из фильтров. Полосовой фильтр
§ 56. Бетатрон 380
Назначение Принцип действия. Бетатронное условие. Радиальная устойчивость. Вертикальная устойчивость. Бетатронные колебания. Предел энергий, достижимых в бетатроне
Задачи 383

9. Электромагнитные волны.
§ 57. Ток смещения 388
Сущность процесса. Почему скорость изменения вектора смещения называется плотностью тока? Уравнение Максвелла с током смещения. Релятивистская природа тока смещения
§ 58. Система уравнений Максвелла 393
Система уравнений Максвелла. Физический смысл уравнений Условия применимости уравнений. Полнота и совместность системы уравнений
§ 59. Закон сохранения энергии электромагнитного поля. Поток энергии 396
Формулировка. Поток энергии
§ 60. Движение электромагнитной энергии вдоль линий передач 398
Механизм компенсации потерь энергии на джоулеву теплоту Движение энергии вдоль кабеля. Линия передачи для переменного тока. Уравнения для силы тока и напряжения. Характеристический импеданс и постоянная распространения. Характеристическое сопротивление Скорость распространения. Отражение
§ 61. Излучение электромагнитных воли 405
Уравнение для векторного потенциала. Выбор калибровочной функции Уравнение для векторного потенциала Решение волнового уравнения. Запаздывающие и опережающие потенциалы Вибратор Герца. Скалярный потенциал диполя, изменяющегося со временем Векторный потенциал Электрическое и магнитное поля Поле вибратора в волновой зоне. Мощность, излучаемая вибратором Излучение рамки с током. Излучение ускоренно движущегося электрона Сила торможения излучением
§ 62. Распространение электромагнитных волн в диэлектриках 418
Плоские волны. Уравнения для векторов поля волны. Векторы волны. Фазовая скорость Длина волны. Свойства волн. Плотность потока энергии
§ 63. Распространение электромагнитных воли в проводящих средах 422
Комплексная диэлектрическая проницаемость Глубина проникновения. Физическая причина поглощения. Интерпретация скнн-эффекта. Фазовая скорость и длина волны в проводящей среде Соотношение между фазами колебаний векторов поля. Соотношение между амплитудами векторов поля
§ 64. Инвариантность плоской волны 426
Преобразование полей и варианты преобразований электромагнитного поля. Анализ инвариантов поля
§ 65. Давление электромагнитных волн. Импульс фотона 428
Механизм возникновения давления. Давление. Импульс цуга электромагнитных волн Объемная плотность импульса электромагнитных волн. Импульс фотона
§ 66. Волноводы и резонаторы 431
Участок цепи. Участок проводника. Катушка индуктивности. Конденсатор. Излучение. Волноводы. Прямоугольный волновод Граничная частота. Фазовая скорость. Длина волны в волноводе. Применение метода изображений к анализу волноводов. Дискретность направлений распространения плоских волн от системы излучателей. Граничная длина волны. Длина волны и фазовая скорость в волноводе. Групповая скорость. Соотношение между групповой и фазовой скоростями. Магнитное поле Классификация волн в волноводах. Резонаторы
Задачи 441

10. Флуктуации и шумы.
§ 67. Флуктуации в контуре с током. Шум сопротивления 444
Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы. Применение теоремы о равнораспределении энергии к свободному гальванометру. Флуктуации в колебательном контуре. Распределение флуктуации по частотам. Шум сопротивления. Эквивалентный генератор шума. Мощность шума генератора. Максимальная чувствительность. Эквивалентная шумовая температура приемника. Коэффициент шума приемника. Отношение сигнал — шум
§ 68. Дробовой шум и шум тока 451
Источник дробового шума. Распределение шума по частотам. Шум тока. Методы уменьшения шумовых помех
Задачи 455
Приложение 455
Предметный указатель 460



Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Электричество и магнетизм - Матвеев А.Н. - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.Купить эту книгу


Скачать книгу Электричество и магнетизм - Матвеев А.Н. - depositfiles

Скачать книгу Электричество и магнетизм - Матвеев А.Н. - letitbit




Хештеги: #скачать книгу по физике бесплатно :: #Матвеев :: #физика