Учебно-методическая карта дисциплины
Утверждаю
Декан физического факультета БГУ
____________________ В.М.Анищик
11.06.2012 .
Регистрационный № УД-32/р.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.
Учебная программа для специальности
Физика (по направлениям)
Факультет физический
Кафедра общей физики
Курс 2
Семестр 3
Лекции 62 час. Экзамен 3 семестр
Практические
занятия 50 час. Зачет 3 семестр
Лабораторные
занятия 60 час. Зачет 3 семестр
Контролируемая самостоятельная Курсовая работа - нет
работа 8 час.
Всего аудиторных
часов по дисциплине 180 час.
Всего часов по дисциплине 310 час. Форма получения
Высшего образования дневная
Составил И.Н. Медведь к.б.н., доцент
МИНСК 2012
Учебная программа составлена на основе типовой (для дисциплин обязательного компонента) учебной программы (для всех остальных), утвержденной 14 апреля 2009 г.,
регистрационный номер ТД-G 181/тип.
Рассмотрена и рекомендована к утверждению в качестве рабочего варианта на заседании кафедры общей физики
7 мая 2012 г., протокол № 8
Заведующий кафедрой
доцент ___________________И.И. Жолнеревич
Одобрена и рекомендована к утверждению
Ученым Советом физического факультета
11 июня 2012 г., протокол № 11
Председатель
профессор ________________В.М. Анищик
Пояснительная записка
Дисциплина «Электричество и магнетизм» представляет собой органичную часть классического курса физики и посвящен изучению электромагнитных взаимодействий и их доминирующего влияния на основные физические (и химические) свойства микро- и макросистем.
Изложение дисциплины строится по индуктивному принципу на основе экспериментальных данных с учетом исторической последовательности развития представлений о взаимодействии заряженных тел и создаваемых ими полей.
Настоящая дисциплина позволяет сформировать основные представления об электромагнитных свойствах микро- и макроскопических систем и заложить необходимый фундамент для усвоения последующих разделов общей (оптики, атомной и ядерной физики) и теоретической (электродинамики, квантовой механики) физики. Студент должен знать:
- основные законы электромагнитных взаимодействий;
- законы постоянного и переменного тока;
- уравнения Максвелла;
- свойства диэлектриков и магнетиков.
и уметь:
- рассчитывать электрические и магнитные поля в вакууме и веществе;
- выполнять расчет цепей квазистационарных переменных токов;
-применять законы электромагнетизма к решению задач.
Общее количество часов – 310; аудиторное количество часов — 180, из них: лекции — 62 , лабораторные занятия — 60, практические занятия — 50, контролируемая самостоятельная работа — 8. Форма отчётности — два зачета и экзамен.
Содержание учебного материала
1. Введение. Электромагнитные взаимодействия в природе. Электрический заряд, дискретность и инвариантность заряда.
2. Электростатическое поле в вакууме.Закон Кулона. Электрическое поле. Напряженность. Полевая трактовка закона Кулона. Принцип суперпозиции.
Линии вектора напряженности, поток вектора напряженности.
Теорема Гаусса. Дифференциальная формулировка теоремы Гаусса.
Работа сил электростатического поля. Потенциальный характер электростатического поля. Теорема о циркуляции вектора напряженности электростатического поля. Разность потенциалов, потенциал. Потенциал поля точечного заряда, системы точечных зарядов и непрерывного распределения зарядов. Принцип суперпозиции для потенциала.
Эквипотенциальные поверхности. Связь напряженности и потенциала.
Основная задача электростатики. Поле электрического диполя.
3. Электростатическое поле при наличии проводников.Поле заряженного проводника произвольной формы. Распределение зарядов по поверхности проводника. «Стекание» заряда с проводника. Проводники в электростатическом поле. Электростатическая защита. Заземление. Генератор Ван-де-Граафа.
Понятие о методе изображений.
Емкость уединенного проводника и системы проводников. Конденсаторы и их емкость. Соединение конденсаторов.
4. Электростатическое поле при наличии диэлектриков.Классификация диэлектриков, диполь как модель при описании диэлектриков. Молекулярная картина поляризации диэлектриков. Количественная характеристика поляризации - поляризованность (вектор поляризации). Вектор поляризации и связанные заряды. Описание электростатического поля в диэлектриках, вектор электрического смещения. Теорема Гаусса для диэлектриков. Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость.
Граничные условия, преломление линий векторов напряженности и смещения на границе раздела диэлектриков. Основные сведения о сегнетоэлектриках.Пьезоэлектрики и их практическое использование. Пироэлектрики.
5. Энергия электростатического поля.Энергия взаимодействия дискретных зарядов. Энергия взаимодействия при непрерывном распределении зарядов. Собственная энергия.
Энергия заряженного проводника, конденсатора.
Объемная плотность энергии электрического поля. Энергия взаимодействия заряженных тел.
Энергия диполя в электрическом поле.
Силы, действующие в электрическом поле на: дискретно и непрерывно распределенные заряды, диполи, проводники, диэлектрики. Вычисление сил из выражения для энергии.
6. Электрический ток.Cила и плотность тока. Уравнение непрерывности. Закон Ома. Закон Джоуля-Ленца. Условия существования электрического тока. Электродвижущая сила (ЭДС). Падение напряжения. Электрическое поле внутри проводника с током и вблизи его поверхности.
Линейные цепи. Правила Кирхгофа.
Квазистационарные токи. Условия квазистационарности.
7. Стационарное магнитное поле в вакууме. Закон взаимодействия элементов тока (закон Лапласа – Био – Савара – Ампера). Полевая трактовка закона взаимодействия элементов тока, вектор магнитной индукции. Закон Ампера. Сила Лоренца.
Теорема Био-Савара-Лапласа.Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции. Вихревой характер магнитного поля.
Магнитный поток. Теорема о полном потоке. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент.
8. Магнитное поле в веществе.Классическая теория намагничивания, вектор намагничивания. Объемные и поверхностные токи намагничивания, связь с вектором намагничивания. Описание магнитного поля в магнетиках, напряженность магнитного поля.
Классификация магнетиков, магнитная восприимчивость и проницаемость. Источники линий напряженности. Граничные условия для векторов индукции и напряженности, преломление линий.
Измерение магнитной проницаемости, индукции, напряженности. Магнитная экранировка.
9. Электромагнитная индукция.Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца. Природа сторонних сил при явлении электромагнитной индукции, дифференциальная формулировка закона электромагнитной индукции. Вывод закона электромагнитной индукции из закона сохранения энергии.
Явление самоиндукции, индуктивность. Понятие о скин-эффекте. Взаимная индукция контуров с током, взаимная индуктивность. Принцип действия трансформатора.
Энергия магнитного поля контуров с током. Энергия магнитного поля соленоида с током. Объемная плотность энергии магнитного поля. Энергия магнитного поля.
10. Электромагнитные колебания.Колебательный контур, собственные незатухающие электромагнитные колебания. Период собственных колебаний. Превращение энергии в колебательном контуре.
Свободные электромагнитные колебания в контуре с активным сопротивлением.
Вынужденные электромагнитные колебания. Активное, емкостное и индуктивное сопротивление в цепи переменного тока. Последовательная цепь переменного тока с различной нагрузкой, импеданс. Энергия и мощность в цепи переменного тока.
Разветвленная цепь переменного тока, метод проводимостей. Резонанс напряжений. Резонанс токов.
Трехфазный ток и его применение в технике и передаче электроэнергии на расстояние.
11. Магнетики.Магнитомеханические явления. Экспериментальное подтверждение существования магнитных моментов атомов (опыт Штерна и Герлаха). Диамагнетизм, ларморова прецессия.
Парамагнетики, закон Кюри.
Особенности намагничивания ферромагнетиков. Гистерезис. Домены.Механизмы перемагничивания. Зависимость ферромагнитных свойств от температуры.
Понятие о антиферромагнетизме, ферримагнетизме.
12. Уравнения Максвелла и основные свойства электромагнитных волн.Обобщения Максвелла: вихревое электрическое поле и токи смещения. Полная система уравнений Максвелла. Теория Максвелла и границы ее применимости.
Электромагнитные волны и их свойства. Закон сохранения энергии электромагнитного поля, поток энергии. Излучение электромагнитных волн.
Экспериментальное подтверждение теории Максвелла: опыты Герца и Лебедева.
13. Электрический ток в реальных средах.Природа носителей заряда в металлах. Эффект Холла. Температурная зависимость электропроводности металлов. Сверхпроводимость. Классическая теория проводимости (Друде-Лоренца) и ее затруднения.
Понятие о зонной теории проводимости. Энергетические зоны металлов, полупроводников, изоляторов. Собственная проводимость полупроводн. Примесная (электронная и дырочная) проводимость.
Работа выхода электрона с поверхности металла. Контактные явления в металлах. Контактная разность потенциалов.
Контакт полупроводников с различным типом проводимости. Р-n переход и его свойства. Полупроводниковые диод и транзистор. Понятие о микроэлектронике.
Термоэлектродвижущая сила, эффект Пельтье и эффект Томсона.
Механизм электропроводности электролитов. Зависимость электропроводности электролитов от температуры.
Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Формула Ричардсона. Закон трех вторых. Электровакуумные приборы.
Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды. Основные типы газового разряда.
Плазменное состояние вещества. Виды плазмы. Условия получения и существования плазмы.
Учебно-методическая карта дисциплины
| Номер раздела, темы, занятия | Название раздела, темы, занятия; перечень изучаемых вопросов | Количество аудиторных часов | Материальное обеспечение занятия (наглядные, методические пособия и др.) | Литература | Формы контроля знаний | |||
| лекции | практические (семинарские) занятия | лабораторные занятия | контролируемая самостоятельная работа студента | |||||
| Электростатическое поле. | ||||||||
| 1.1 | Введение 1..Электромагнитные взаимодействия в природе 2.Электрический заряд и его свойства | Цифровой проектор, УМК | [1] [2] [3] [2]доп | |||||
| 1.2 | Электростатическое поле в вакууме 1. Закон Кулона. 2. Электрическое поле. Напряженность. Полевая трактовка закона Кулона. Принцип суперпозиции. 3. Линии вектора напряженности, поток вектора напряженности. 4. Теорема Гаусса. Дифференциальная формулировка теоремы Гаусса. 5. Работа сил электростатического поля. Разность потенциалов, потенциал. 6. Основная задача электростатики | Цифровой проектор, УМК, демонстрационный эксперимент | [1] [2 [3] [4] [5] |
| 1.3 | Электростатическое поле при наличии проводников 1. Поле заряженного проводника произвольной формы. 2. Проводники в электростатическом поле. | Цифровой проектор, УМК, демонстрационный эксперимент | [1] [2] [3] [1]доп [4] | ||||||||||||||
| 1.4 1.5 | Электростатическое поле при наличии диэлектриков 1. Классификация диэлектриков. 2. Вектор поляризации и связанные заряды 3. Теорема Гаусса для диэлектриков 4. Граничные условия. 5. Основные сведения о сегнетоэлектриках Энергия электростатического поля 1. Энергия взаимодействия дискретных зарядов. 2. Объемная плотность энергии электрического поля 3. Энергия диполя в электрическом поле. 4. Расчет сил в электростатическом поле энергетическим способом | Цифровой проектор, УМК, демонстрационный эксперимент | [1] [2] [3] [2]доп [4] [5] | ||||||||||||||
| Текущий контроль успеваемости студентов по разделу № 1 | Письменное тестирование, письменный коллоквиум, контрольная работа |
| Электрический ток | ||||||||
| 2.1. | Электрический ток в проводниках первого рода 1. Cила и плотность тока. Уравнение непрерывности. 2. Условия существования электрического тока. Электродвижущая сила 3. Линейные цепи. Правила Кирхгофа. 4. Квазистационарные токи. | Цифровой проектор, УМК,демонстрационный эксперимент | [1] [2] [3] [1]доп. [4] [5] | |||||
| Магнитное поле | ||||||||
| 3.1 | Стационарное магнитног поле в вакууме 1. . Закон взаимодействия элементов тока 2. . Закон Ампера. Сила Лоренца. 3. Теорема Био-Савара-Лапласа.Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции 4. Магнитный поток. Теорема о полном потоке. 5. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент. | Цифровой проектор, УМК, демонстрационный эксперимент | [1] [2] [3] [2]доп [4] [5] | |||||
| 3.2 | Магнитног поле в веществе 1. Классическая теория намагничивания, вектор намагничивания. 2. Описание магнитного поля в магнетиках, напряженность магнитного поля. 3. Классификация магнетиков, магнитная восприимчивость и проницаемость. 4. Граничные условия для векторов индукции и напряженности. | Цифровой проектор, УМК, демонстрационный эксперимент | [1] [2] [3] [2]доп [4] [5] |
| Нестационарное магнитное и электрическое поле | ||||||||
| 4.1 | Электромагнитная индукция.
| Цифровой проектор, УМК, демонстрационный эксперимент | [1] [2] [3] [1]доп [4] [5] | |||||
| 4.2 | Электромагнитные колебания 1. Колебательный контур.Период колебаний 2. Свободные электромагнитные колебания в контуре с активным сопротивлением. 3. Вынужденные электромагнитные колебания. 4. Разветвленная цепь переменного тока 5. Трехфазный ток и его применение | Цифровой проектор, УМК, демонстрационный эксперимент | [1] [2] [3] [2]доп [4] [5] | |||||
| 4.3 | Магнетики 1. Магнитомеханические явления 2. Диамагнетизм, ларморова прецессия. Парамагнетики, закон Кюри. 3. Особенности намагничивания ферромагнетиков | Цифровой проектор, УМК, демонстрационнный эксперимент | [1] [2] [3] [2]доп [4] | |||||
| 4.4 | Текущий контроль успеваемости студентов по разделу № 2,3,4 | Письменное тестирование, письменный коллоквиум, контрольная работа | ||||||
| Уравнения Максвелла | ||||||||
| 5.1 | Уравнения Максвелла и основные свойства электромагнитных волн 1. Обобщения Максвелла. Полная система уравнений Максвелла. 2. Электромагнитные волны и их свойства 3. Экспериментальное подтверждение теории Максвелла | Цифровой проектор, УМК, демонстрационный эксперимент | [1] [2] [3] [2]доп [4] | |||||
| Электрический ток в реальных средах | ||||||||
| 6.1 | Электрический ток в реальных средах 1. Природа носителей заряда в металлах. Эффект Холла. 2. Классическая теория проводимости (Друде-Лоренца) и ее затруднения. 3. Понятие о зонной теории проводимости 4 Работа выхода электрона с поверхности металла. Контактные явления в металлах.. 5. Механизм электропроводности электролитов. Зависимость электропроводности электролитов от температуры. 6. Электрический ток в вакууме. 7. Электрический ток в газах. Плазма | Цифровой проектор, УМК, демонстрационный эксперимент | [1] [2] [3] [1]доп [4] [5] | Письменное тестирование | ||||
| 6.2 | Итоговый контроль по курсу | Зачет , экзамен |