Явление электромагнитной индукции 1 страница

ФИЗИКА

раздел «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»

Методические указания

к практическим занятиям, по самостоятельной работе и выполнению

контрольной работы для студентов направлений подготовки:

26.05.05 -	Судовождение;
26.05.06 -	Эксплуатация судовых энергетических установок;
26.05.07 -	Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики;
13.03.02 -	Электроэнергетика и электротехника (профиль – электрооборудование и автоматика судов);
15.03.02 -	Технологические машины и оборудование (профиль – машины и аппараты пищевых производств);
19.03.03 -	Продукты питания животного происхождения;
05.03.06 -	Экология и природопользование

очной и заочной форм обучения

Керчь, 2015 г.

УДК 530.1

Авторы-составители:	Попова Т.П., доктор педагогических наук, профессор кафедры математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «КГМТУ» __________
	Уколов А.И., кандидат физико-математических наук, доцент кафедры математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «КГМТУ» __________
	Прудкий А.С., ассистент кафедры математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «КГМТУ» __________
Рецензент:	Доровской В.А., доктор технических наук, профессор, кафедры «Электрооборудование судов и автоматизация производства» ФГБОУ ВО «КГМТУ» __________

Методические указания по дисциплине «Физика» раздел «Электромагнетизм» к практическим занятиям, по самостоятельной работе и выполнению контрольной работы для студентов направлений подготовки – 26.05.05 - Судовождение; 26.05.06 - Эксплуатация судовых энергетических установок; 26.05.07 - Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики; 13.03.02 - Электроэнергетика и электротехника (профиль – электрооборудование и автоматика судов); 15.03.02 - Технологические машины и оборудование (профиль – машины и аппараты пищевых производств); 19.03.03 - Продукты питания животного происхождения; 05.03.06 - Экология и природопользование очной и заочной форм обучения рассмотрены и одобрены на заседании кафедры математики, физики и информатики ФГБОУ ВО «КГМТУ», протокол № __ от _________ 2015 г.

Зав. кафедрой МФ и И _________ Т.Н. Попова

Методические указания по дисциплине «Физика» раздел «Электромагнетизм» к практическим занятиям, по самостоятельной работе и выполнению контрольной работы для студентов направлений подготовки – 26.05.05 - Судовождение; 26.05.06 - Эксплуатация судовых энергетических установок; 26.05.07 - Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики; 13.03.02 - Электроэнергетика и электротехника (профиль – электрооборудование и автоматика судов); 15.03.02 - Технологические машины и оборудование (профиль – машины и аппараты пищевых производств); 19.03.03 - Продукты питания животного происхождения; 05.03.06 - Экология и природопользование очной и заочной форм обучения утверждены и рекомендованы к публикации на заседании методической комиссии МФ ФГБОУ ВО «КГМТУ», протокол № __ от ________ 201__ г.

© ФГБОУ ВО «Керченский государственный морской технологический университет», 2015 г.

Попова Татьяна Николаевна, 2015 г.

Уколов Алексей Иванович, 2015 г.

Прудкий Александр Сергеевич, 2015 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………………….
Программа по физике раздел «Электромагнетизм»(вопросы для самостоятельной подготовки к зачету или экзамену) …………………………………
Таблица вариантов контрольных работ ……………………………………………..
Теоретические сведения и общие методы решения задач по разделу «Электромагнетизм» ………………………………………………………………………..
Электростатика …………………………………………………………..………….
Постоянный электрический ток ……………………………………………….…..
Магнитное поле ……………………………………………………………..……….
Явление электромагнитной индукции ……………………………………………
Переменный ток ……………………………………………………………………..
Примеры решения задач…………………………………………………………………
Задачи и задания для выполнения контрольной работы………………………
Электростатика …………………………………………………………..………….
Постоянный электрический ток ……………………………………………….…..
Магнитное поле ……………………………………………………………..……….
Явление электромагнитной индукции ……………………………………………
Переменный ток ……………………………………………………………………..
Приложения…………………………………………………………………………………
Список рекомендованной литературы ……………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

За время изучения курса общей физики студент заочного отделения должен представить в контрольную работу по программе семестрового курса.

Контрольная работа по физике раздел «Электромагнетизм» состоит из девяти задач. Номер варианта контрольной работы определяется по двум последним цифрам номера зачетной книжки. Номер задач, которые входят в вариант, даны в таблице вариантов.

Контрольные работы выполняются чернилами в школьной тетради, на обложке которой приводятся сведения по образцу:

Контрольная работа № __

Студента группы……………… …………………….факультета Шифр (………………………) Номер зачетной книжки Ф.И.О.(в родительном падеже)

Условия задач в контрольной работе надо переписать полностью без сокращений. Для замечаний преподавателя на страницах тетради оставлять поля.

В конце контрольной работы указать список используемой Вами литературы (автора, название учебного пособия, год издания.) Это делается для того, чтобы преподаватель в случае необходимости мог указать студенту, какие вопросы следует изучить для завершения контрольной работы.

Контрольную работу следует высылать на адрес института или сдавать на кафедру математики, физики и информатики. Если контрольная работа при рецензировании не зачтена, студент обязан представить ее на повторную рецензию, выполнив работу над ошибками. Если контрольная работа зачтена с замечаниями, то следует выполнить работу над ошибками до ее защиты преподавателю.

Зачтенные контрольные работы предъявляются экзаменатору. Студент должен быть готов дать пояснения по существу решения задач, входящих в контрольные работы.

Решение задач следует сопровождать краткими пояснениями, в случае необходимости выполняется чертеж к задаче. Решать задачу следует в общем виде с выводом расчетной формулы. После получения расчетной формулы для проверки ее правильности выполняется проверка единиц измерения физических величин.

Значение физических величин подставляют в расчетную формулу только в единицах СИ и получают числовой ответ.

При подстановке в расчетную формулу, а также при записи ответа числовые значения физических величин следует записывать как десятичной дроби с одной значащей цифрой пред запятой на соответствующую степень десяти. Например, вместо 5460 надо записать , вместо 0,00263 записать и т.п. Вычисления по расчетной формуле следует проводить с соблюдением правил приближенных вычислений. Как правило, окончательный ответ следует записывать с точностью до 0,01.

ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ РАЗДЕЛ «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»

(вопросы для самостоятельной подготовки к зачету или экзамену)

Электростатическое поле в вакууме. Электрический заряд. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электрического поля. Принцип суперпозиции. Поток вектора . Теорема Гаусса и ее применение к расчету поля. Теорема Гаусса в дифференциальной форме. Работа электростатического поля. Теорема о циркуляции вектора . Потенциал и его связь с напряженностью. Электрический диполь.

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Поле внутри и у поверхности проводника. Распределение зарядов внутри проводника. Электрическое поле в диэлектрике. Поляризация диэлектрика. Поляризованность. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость. Теорема Гаусса для диэлектриков. Граничные условия на поверхности раздела двух диэлектриков.

Электроемкость уединенного проводника. Электроемкость конденсатора (плоского, сферического, цилиндрического). Энергия системы зарядов и конденсатора. Энергия электростатического поля. Объемная плотность энергии электростатического поля.

Постоянный ток. Характеристики постоянного тока. Сторонние силы. ЭДС. Напряжение. Обобщенный закон Ома. Закон Ома в дифференциальной форме. Закон Джоуля-Ленца. Мощность тока. Правила Кирхгофа. Классическая теория электропроводности металлов. Токи в газах. Газоразрядная плазма. Токи в электролитах. Законы Фарадея. Электролитическая диссоциация. Химические источники тока.

Магнитное поле в вакууме. Магнитная индукция. Магнитное поле движущегося заряда. Принцип суперпозиции полей. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитного поля прямого и кругового токов. Теорема Гаусса и теорема о циркуляции вектора магнитной индукции. Поле соленоида и поле тороида. Закон Ампера. Определение единицы силы тока. Рамка с током в магнитном поле (магнитный момент, потенциальная энергия). Работа при перемещении контура с током.

Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Сила Лоренца. Циклотрон. Масс-спектрограф. Электронно-лучевая трубка. Эффект Холла.

Магнитное поле в веществе. Гипотеза Ампера. Намагниченность. Теорема о циркуляции (закон полного тока) для магнитного поля в веществе. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость. Преломление линий магнитной индукции на границе раздела магнитных сред. Магнитные моменты атомов. Атом в магнитном поле. Диа- и парамагнетики. Ферромагнетики. Кривая намагничивания. Магнитный гистерезис. Точка Кюри.

Явление электромагнитной индукции. Опыт Фарадея. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции. Объяснение явления на основе электронных представлений и на основе закона сохранения энергии. Самоиндукция, индуктивность. Токи при замыкании и размыкании электрической цепи. Энергия магнитного поля. Объемная плотность энергии магнитного поля. Взаимная индукция. Токи Фуко. Электромагнитное поле. Ток смещения. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Колебательный контур. Получение электромагнитных волн. Дифференциальное уравнение электромагнитной волны. Свойства электромагнитных волн. Энергия электромагнитных волн.

Переменный ток. Понятие переменного тока. Переменный ток, текущий через активное сопротивление. Переменный ток, текущий через катушку индуктивности. Переменный ток, текущий через конденсатор. Цепь переменного тока. Резонанс напряжений. Резонанс токов. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока. Генератор тока. Трансформатор. Передача электроэнергии.

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Последняя цифра номера зачетной книжки	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
	1, 40, 111, 247, 313, 422, 511, 583, 689	2,49,112, 248, 314, 423, 510, 582, 670	3,48,113, 249, 315,424, 509, 581, 669	4, 47,114, 250, 316, 423, 508, 580, 649	5, 51,115, 251, 317, 422, 507, 579, 650	6, 52, 116, 252, 318, 421, 506, 578, 631	7, 53, 117, 253, 319, 420, 505, 577, 630	8, 54, 118, 254, 320, 419, 504, 576, 611	9, 55, 119, 255, 321, 418, 503, 575, 610	10, 56, 120, 256, 322, 417, 502, 574, 591
	11, 57, 121, 267, 332, 407, 492, 564, 688	28, 58, 122, 266, 331, 408, 493, 565, 671	29, 59, 123, 265, 330, 409, 494, 566, 668	7, 46, 124, 263, 329, 410, 495, 567, 651	8, 57, 125, 262, 328, 411, 496, 568, 648	9, 74, 126, 261, 327, 412, 497, 569, 632	10, 75, 127, 260, 326, 413, 498, 570, 629	11, 92, 128, 259, 325, 414, 499, 571, 612	2, 93, 129, 258, 324,415, 500, 572, 609	13, 110, 130, 257, 323, 416, 501, 573, 592
	12, 60, 130, 268, 333, 406, 491, 563, 687	27, 61, 136, 269, 334, 405, 490, 562, 672	30, 62, 132, 270, 335, 404, 489, 561, 667	25, 63, 133, 271, 336, 403, 488, 560, 652	8, 58, 134, 272, 337, 402, 487, 559, 647	23, 73, 135, 273, 338, 401, 486, 558, 633	24, 76, 137, 274, 337, 400, 485, 557, 628	39, 91, 138, 275, 338, 399, 484, 556, 613	40, 94, 139, 276, 339, 398, 484. 555, 608	21,55, 109, 143, 277, 397, 483, 554, 593
	13, 64, 141, 154, 287, 391, 473, 544, 686	26, 65, 142, 155, 286, 392, 474, 545, 673	31, 66,117, 143, 285, 393, 475, 546, 666	44, 75, 116, 144, 284, 394, 476, 547, 653	9, 59, 104, 145, 283, 343, 477, 548, 647	22, 72,116, 146, 282, 395, 478, 549, 634	25, 77,112, 147, 281, 342, 479, 550, 627	38, 90,113, 148, 280, 341, 480, 551, 614	41, 95,114, 149, 279,396, 481, 552, 607	54, 115 ,138, 150, 278, 340, 482, 553, 594
	14, 67,121, 166, 288, 390, 472, 543, 685	25, 68, 122, 167, 289, 389, 471, 542, 674	32, 69, 153, 168, 290, 388, 470, 541, 665	43, 74,90, 154, 291, 387, 469, 540, 654	10, 60,91, 155, 292, 386, 468, 539, 646	21, 71,129, 156, 293, 385, 467, 538, 635	26, 78, 118, 157, 294, 384, 466, 537, 626	37, 89, 119, 158, 295, 383, 465, 536, 615	42, 96, 120, 159, 296, 382, 464, 535, 606	34, 53, 107, 160, 297, 381, 463, 534, 595
	15, 70, 161, 221, 342, 371, 453, 524, , 684	24, 71, 162, 220, 341, 372, 454, 525, 675	33, 72, 163, 219, 340, 373, 455, 526, 664	42, 73, 164, 218, 312, 374, 456, 527, 655	11, 61, 165, 217, 311, 375, 457, 528, 645	20, 70, 166, 216, 310, 376, 458, 529, 636	27, 79, 167, 215 309, 377, 459, 530, 625	36, 88, 168, 214, 301, 378, 460, 531, 616	43, 97, 169, 213, 300, 379, 461, 532, 605	52, 106, 170, 212, 299, 380, 462, 533, 596
	16, 76, 171, 222, 343, 370, 452, 523, 683	23, 77, 172, 223, 344, 369, 451, 522, 676	34, 78, 173, 224, 345, 368, 450, 521, 663	41, 79, 174, 225, 346, 367, 449, 520, 656	12, 62, 175, 226, 347, 366, 448, 519, 644	19, 69, 176, 227, 348, 365, 447, 518, 637	28, 80, 177, 228, 349, 364, 446, 517, 624	35, 87, 178, 229, 350, 363, 445, 516, 617	44, 98, 179, 230, 350, 362, 444, 515, 604	51, 105,180, 231, 313, 361, 443, 514, 597
	17, 80, 181, 238, 329, 373, 433, 576, 682	22, 81, 182, 212, 330, 374, 434, 577, 677	35, 82, 156, 183, 319, 357, 435, 578, 662	7, 40, 184, 237, 318, 356, 436, 579, 657	13, 63, 185, 236, 317, 355, 437, 580, 643	18, 68, 186, 235, 317, 354, 438, 581, 638	29, 81, 187, 234, 316, 353, 439, 582, 623	34, 86, 188, 233, 315, 352, 440, 583, 618	45, 99, 189, 232, 314, 351, 441, 512, 603	50, 104,131, 190, 302, 360, 442, 513, 598
	18, 83, 191, 239, 331, 375, 432, 575, , 681	21, 84, 192, 240, 332, 376, 431, 574, 678	36, 85, 193, 241, 320, 358, 430, 573, 661	6, 39, 194, 242, 321, 359, 429, 572, 658	14, 64, 195, 243, 322, 360, 428, 571, 642	17, 67, 196, 244, 323, 361, 427, 570, 639	30, 82, 197, 214, 323, 362, 511, 569, 622	33, 85, 198, 215, 324, 363, 510, 568, 619	46, 100, 199, 216, 325, 364, 509, 567, 602	49, 103, 200, 245, 326, 365, 508, 566, 599
	19, 86, 118, 201, 333, 377, 498, 556, 680	20, 87, 119, 202, 334, 420, 499, 557, 679	37, 88, 120. 203, 328, 372, 500, 558, 660	38, 89, 121, 204, 303, 371, 501, 559, 659	15, 65, 120, 205, 304, 370, 502, 560, 641	16, 66, 119, 206, 305, 369, 503, 561, 640	31, 83, 118, 207, 306, 368, 504, 562, 621	32, 84, 117, 208, 307, 368, 505, 563, 620	19, 47, 101, 209, 308, 367, 506, 564, 601	48, 102, 210, 246, 327, 366, 507, 565, 600

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО РАЗДЕЛУ «ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ»

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Электростатика – раздел физики, изучающий статические (неподвижные) заряды и связанные с ними электрические поля.

Заряд– носитель электрического взаимодействия, определяющий способность тел к электрическому взаимодействию. В Системе Интернациональной единиц измерения физических величин заряд измеряется в «Кулонах»:

.

Существует минимальный неделимый заряд, который назвали элементарным зарядом численно равным заряду протона или модулю заряда электрона:

Кл.

Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда:

,

где n – целое число.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма зарядов замкнутой системы тел, всегда равна нулю. Или: суммарный электрический заряд замкнутой системы не изменяется:

.

Для решения задач применяется следующая запись закона сохранения электрического заряда:

,

т.е. начальный суммарный заряд системы равен конечному.

Закон Кулонаопределяет силу взаимодействия между точечными зарядами: Сила взаимодействия между двумя точечными или сферически симметрично точечными зарядами прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости среды и квадрату расстояния между центрами этих тел:

.

В законе Кулона коэффициент пропорциональности – k равен:

,

где – электрическая постоянная.

Плотность электрического заряда. При распределении заряда по площади говорят о поверхностной плотности заряда:

.

В СИ: .

Поверхностная плотность заряда численно равна первой производной заряда по площади. При поверхностном распределении заряд равен:

.

При линейном распределении заряда говорят о линейной плотности заряда:

.

В СИ: .

Линейная плотность заряда равна первой производной заряда по длине. При линейном распределении заряд равен: .

Распределение заряда по объему характеризуется объемной плотностью заряда:

.

В СИ: .

Объемная плотность заряда равна первой производной заряда по объему. При объемном распределении заряд равен:

.

Электрическое поле – некоторое возмущение в пространстве, существующее независимо от нас, независимо от наших знаний о нем, которое можно обнаружить по взаимодействию на другие тела.

Напряженность электрического поля – силовая характеристика поля, которая количественно характеризует поле.

.

В СИ: .

Напряженность электрического поля точечного заряда

.

Напряженность электрического поля плоскости:

,

где σ – поверхностная плотность заряда.

Напряженность электрического поля двух плоскостей:

.

Напряженность электрического поля бесконечно равномерно заряженной нити:

,

где τ – линейная плотность заряда, r – кратчайшее расстояние от точки до нити.

Напряженность поля полого шара зависит от расстояния от центра шара. Рассмотрим три области – внутри, на поверхности и за поверхностью шара (рис. 1):

1) внутри шара:

;

2) на поверхности шара:

;

3) на расстоянии r от поверхности шара: .

Принцип суперпозиции полей: если электрическое поле создается системой зарядов, то вектор напряженности в любой точке этого поля равен геометрической сумме векторов напряженности, создаваемых каждым из зарядов данной точки поля:

.

Работа электрического поля по перемещению заряда. По определению механической работы: .

С учетом определения напряженности электрического поля

,

получим: .

Из рис. 2 видно, что , а напряженность поля точечного заряда в векторном виде определяется уравнением:

.

Тогда работа по перемещению точечного заряда из точки 1 в точку 2 (с учетом того, что ) будет равна:

.

Работа по перемещению заряда не зависит от пути, а определяется только начальным и конечным положением заряда.

Работа определяется также как разность потенциальных энергий:

.

Если сравнить эти два уравнения по определению работы, можно сказать, что потенциальная энергия электростатического поля равна:

.

Потенциал электрического поля – физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии заряда в данной точке к величине этого заряда:

.

В СИ: .

Следовательно, потенциальная энергия поля равна:

.

Тогда потенциал электрического поля точечного заряда равен:

.

Потенциал поверхности сферы или шара:

.

Принцип суперпозиции для потенциалов: если электрическое поле создается системой электрических зарядов, то результирующий потенциал в данной точке поля равен алгебраической сумме потенциалов полей, создаваемых каждым из зарядов:

.

Взаимосвязь между напряженностью и напряжением электрического поля. На практике часто возникает разность потенциалов между двумя точками поля:

.

Разность потенциалов называется также электрическим напряжением между точками 1 и 2:

.

В СИ: .

С помощью разности потенциалов работа электрического поля по перемещению заряда из одной точки поля в другую определяется выражением:

.

С другой стороны, работа электрического поля равна: и . Следовательно: ,

Тогда получаем взаимосвязь между вектором напряженности и напряжением:

в интегральной форме: ;

в дифференциальной форме: .