ФИЗИКА ДЛЯ УГЛУБЛЕННОГО ИЗУЧЕНИЯ
2. Электродинамика. Оптика
Е.И.Бутиков, А.С.Кондратьев
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 9
I. ЭЛЕКТРОСТАТИКА 11
{_П § 1 Электрический заряд. Закон Кулона 11
Электрический заряд 11 . Электризация тел 12 . Проводники и диэлектрики 12 . Закон Кулона 13 . Единицы заряда 15 . Элементарный электрический заряд 16 . Закон сохранения электрического заряда 17 . {_П § 2. Электрическое поле. Напряженность поля 19
Дальнодействие и близкодействие 19 . Напряженность электрического поля 20 . Принцип суперпозиции 22 . Линии напряженности 23 .
{_П § 3. Теорема Гаусса 24
Поток напряженности 25 . Поля симметричных источников 27 . Теорема Гаусса и геометрия физического пространства 29 .
{_П § 4. Потенциал электростатического поля. Энергия системы зарядов 31
Потенциальная энергия 31 . Потенциал электрического поля 31 . Потенциал поля точечного заряда 32 . Принцип суперпозиции для потенциала 33 . Работа электрического поля. Напряжение 33 . Эквипотенциальные поверхности 34 . Связь напряженности и потенциала 35 . Энергия системы зарядов 35 . Вывод {_П §=kq/r 38 . О модели точечного заряда 38 . Напряженность как градиент потенциала 39 .
{_П § 5. Расчет электрических полей 39
{_П § 6. Проводники в электрическом поле 49
Напряженность поля внутри проводника 49 . Проводники и закон Кулона 49 . Напряженность поля и поверхностная плотность зарядов 50 . Распределение зарядов по поверхности проводника 51 . Распределение зарядов на поверхности 54 . Энергия заряда вблизи проводника 54 . Энергия системы точечных зарядов и проводников 55 . Еще о методе изображений 57 .
{_П § 7. Силы в электростатическом поле Диполь в однородном поле 59 . 59
Энергия диполя во внешнем поле 60 . Диполь в неоднородном поле 61 . Диполь в поле точечного заряда 62 . Силы, действующие на проводник 63 . Электростатическое давление 64 .
{_П § 8. Конденсаторы. Электроемкость 65
Примеры конденсаторов 65 . Единицы емкости 66 . Электроемкость и геометрия конденсатора 67 . Емкость плоского конденсатора 67 . Емкость сферического конденсатора 68 . Емкость уединенного проводника 68 . Конденсатор с диэлектриком 68 . Диэлектрическая проницаемость 69 . Батареи конденсаторов 69 . Поле внутри и вне конденсатора 71 . Заряд на внешней поверхности обкладки 71 . Плоский конденсатор с экраном 73 .
{_П § 9. Энергия электрического поля 75
Энергия плоского конденсатора 75 . Энергия конденсатора 76 . Плотность энергии электрического поля 76 . Энергия заряженного шара 77 . Собственная энергия точечного заряда 77 . Собственная энергия проводника 79 . Энергетические превращения в конденсаторах 79 . Изменение энергии и работа источника 82 . Конденсатор с диэлектриком 83 .
П. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 86
{_П §10. Характеристики электрического тока. Закон Ома 86
Плотность тока 86 . Сила тока 87 . Единица силы тока 88 . Действия электрического тока 88 . Закон Ома 89 . Однородные и изотропные проводники 90 . Удельное сопротивление 90 . Закон Ома для однородного участка 91 . Сопротивление и его единицы 91 . Зависимость сопротивления от температуры 92 . Вольт-амперная характеристика 93 . Линейные и нелинейные явления в электрических цепях 94 . Дифференциальное сопротивление 94 .
{_П §11. Соединение проводников в электрические цепи 95
Эквивалентное сопротивление цепи 95 . Последовательное соединение 95 . Параллельное соединение 96 . Эквивалентные схемы 96 . Расчет мостовой схемы 98 . Измерения в электрических цепях 99 . Шунт для амперметра 100 . Добавочное сопротивление для вольтметра 100 . Мост Уитстона 101 .
{_П §12. Закон Ома для неоднородной цепи 105
Контактная разность потенциалов 105 . Ток в неоднородном участке цепи 106 . Замкнутая неоднородная цепь 107 . Электродвижущая сила 108 . ЭДС в разных источниках 109 . Внутреннее сопротивление источника тока 109 . Простейшая замкнутая цепь 109 . Составная внешняя цепь 110 . Напряжение на источнике тока 112 . Измерение ЭДС 113 .
{_П §13. Расчет цепей постоянного тока 114
Последовательное соединение источников тока 115 . Параллельное
соединение источников тока 116 . Всегда ли нужен второй источник? 116 . Правила Кирхгофа 117 . Правила расчета сложных цепей 119 . Пример расчета 119 .
{_П § 14. Работа и мощность постоянного тока 122
Закон Джоуля— Ленца 122 . Зарядка аккумулятора 124 . Работа источника тока 125 . Определение ЭДС 125 . Мощность и КПД источника тока 126 . Поле сторонних сил 128 . Работа и теплота в произвольной цепи 129 .
{_П § 15. Магнитное поле постоянного тока 130
Индукция магнитного поля 130 . Единица магнитной индукции 131 . Магнитные силовые линии 131 . Закон Био — Савара — Лапласа 131 . Поле кругового тока 133 . Теорема о циркуляции 134 . Поле в соленоиде 135 . Поле в тороидальной катушке 136 . Поле внутри проводника с током 137 . Магнитный поток 138 . Магнитное поле движущегося заряда 138 . О потенциале магнитного поля 140 . Магнитный момент кругового тока 140 .
{_П § 16. Действие магнитного поля на движущиеся заряды 143
Сила Ампера 143 . Взаимодействие двух параллельных токов 144 . Полная магнитная сила, действующая на ток 145 . Единица силы тока — ампер 146 . Механическая работа в магнитном поле 146 . Сила Лоренца 147 . Свойства силы Лоренца 148 . Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях 148 . Циклотронная частота 150 .
III. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ 154
{_П § 17. Явление электромагнитной индукции 154
Индукционный ток 154 . Закон Ленца 156 . ЭДС индукции 156 . Закон электромагнитной индукции 157 . Природа сторонних сил. Вихревое электрическое поле 157 . Сила Лоренца как причина сторонней силы 158 . ЭДС индукции и работа силы Лоренца 158 . Исключения из правила потока 161 . Явление самоиндукции 162 . Индуктивность 162 . Наблюдение самоиндукции 163 . Самоиндукция — аналог инерции 163 . Единица индуктивности 164 . Индуктивность соленоида 164 . Вихревые токи 164 .
{_П § 18. Электрические машины постоянного тока 166
Модель электрической машины 166 . Типы электрических машин 168 . Условия работы электродвигателя 168 . Максимальная мощность двигателя 170 . КПД двигателя 170 .
{_П § 19. Энергия магнитного поля 173
Опыт по обнаружению энергии магнитного поля 173 . Расчет энергии магнитного поля 172 . Объемная плотнеть энергии магнитного поля 174 . Магнитная проницаемость вещества 174 . О природе магнитных свойств вещества 175 .
{_П § 20. Основы теории электромагнитного поля 176
Относительный характер электрического и магнитного полей 176 . Электрическое и магнитное поля в разных системах отсчета 177 . Инварианты электромагнитного поля 178 . Изменяющееся электрическое поле как источник магнитного поля 179 . Обобщение теоремы о циркуляции магнитного поля 181 . Ток смещения 181 . Уравнения Максвелла 182 . Гауссова система единиц 182 . Электродинамическая постоянная 183 . Основные формулы в гауссовой системе 184 .
{_П §21. Квазистационарные явления в электрических цепях 185
Условия квазистационарности 186 . Цепь с активным сопротивлением 186 . Емкостное сопротивление 187 . Индуктивное сопротивление 188 . Фазовые сдвиги 189 . Процесс зарядки конденсатора 190 . Дифференциальное уравнение процесса 191 . Экспоненциальная зависимость 191 . Процесс разрядки конденсатора 192 . Ток в цепи с индуктивностью 193 .
IV. ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 195
{_П § 22. Цепи переменного тока. Закон Ома 195
Прямоугольные импульсы в Ж7-цепочке 195 . Синусоидальное напряжение в С-цепочке 196 . Векторные диаграммы 197 . Последовательная ЖС-цепь 198 . Резонанс напряжений 200 . Параллельная RLC-цепъ 200 . Резонанс токов 201 . Закон Ома 202 .
{_П § 23. Работа и мощность переменного тока. Передача электроэнергии 204
Мгновенная мощность 204 . Средняя мощность. Действующие значения 205 . Потери в линиях передачи 205 . Уменьшение потерь 207 . Высоковольтные линии передачи 207 . Трансформатор 207 , Режим холостого хода 209 . Трансформатор под нагрузкой 209 . Выпрямление переменного тока 210 .
{_П § 24. Трехфазный ток. Электрические машины переменного тока 212
Соединения звездой и треугольником 213 . Векторные диаграммы 214 . Модель синхронного и асинхронного двигателей 215 . Вращающееся магнитное поле 217 .
V. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ 220
{_П § 25. Колебательный контур 220
Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями 220 . Энергия колебаний 221 . Собственная частота 221 . Амплитуда и начальная фаза 221 . Энергетические превращения 222 . Уравнение для колебаний в контуре 223 . Затухание электромагнитных колебаний 224 . Диссипация энергии колебаний 225 . Время жизни колебаний 225 . Точное решение 226 . Контур без сопротивления с неизбежными потерями 229 . Колебательный контур с нелинейными элементами 231 .
{_П § 26. Вынужденные колебания в контуре. Резонанс 232
Уравнение вынужденных колебаний в контуре 233 . Установившиеся колебания в контуре 233 . Резонансный контур
234 . Резонансные кривые 235 . Энергетические превращения при вынужденных колебаниях 236 . Поглощаемая мощность 237 .
{_П § 27. Незатухающие электромагнитные колебания 239
Автоколебания 241 . Механическая модель автоколебательной системы 240 . Фазовая траектория 241 . Амплитуда установившихся автоколебаний 242 . Устойчивость автоколебаний 242 . Предельный цикл 242 . Электромагнитные автоколебания 243 . Параметрический резонанс 243 . Порог параметрического резонанса 244 . Параметрический резонанс и вынужденные колебания 244 . Релаксационные колебания 246 .
{_П § 28. Электромагнитные волны 248
Предсказание электромагнитных волн 248 . Открытый вибратор 248 . Электрическое и магнитное поля вибратора 250 . Опыты Герца 250 . Механизм излучения электромагнитных волн 251 . Излучение осциллирующего заряда 254 . Энергия электромагнитной волны 254 . Поток энергии электромагнитной волны 255 . Поляризация электромагнитных волн 256 . Импульс волны и давление света 258 .
{_П § 29. Свойства и применения электромагнитных волн 259
Диапазоны радиоволн 260 . Распространение радиоволн 260 . Поле сферической волны 260 . Принцип радиосвязи 262 . Амплитудная модуляция 263 . Частотный спектр модулированного сигнала 264 . Реальность боковых частот 264 . Детектирование 265 . Радиосвязь 266 . Полоса пропускания и избирательность 266 . Различные представления модулированного колебания 267 . Пример из акустики 268 .
VI. ОПТИКА 269
{_П § 30. Свет как электромагнитные волны. Интерференция 269
Видимый свет и оптический диапазон 269 . Когерентные и некогерентные волны 269 . Интерференция света 270 . Схема Юнга 271 . Интерференционные полосы 272 . Зеркала Френеля 273 . Интерферометр Майкельсона 275 .
{_П §31. Дифракция света 276
Принцип Гюйгенса— Френеля 276 . Зоны Френеля 277 . Дифракция Френеля на круглом отверстии 278 . Дифракция Френеля на круглом диске. Пятно Араго — Пуассона 279 . Расстояния, на которых сказывается дифракция 280 . Дифракция Фраунгофера 280 .
{_П § 32. Спектральные приборы. Дифракционная решетка 284
Разложение излучения в спектр 284 . Дифракция света на решетке 285 . Главные максимумы 286 . Распределение дифрагировавшего света по максимумам разных порядков 287 . Разрешающая способность решетки 288 . Щели конечной ширины в опыте Юнга 289 .
{_П § 33. Протяженные источники света 291
Роль дифракции в телескопе 292 . Разрешение телескопа 293 .
Звездный интерферометр 294 . Интерференция немонохроматического света
Простейшая модель немонохроматического источника 298 . Картина от двух близких спектральных линий 298 . Опыты с квазимонохроматическим светом 299 . Длина и время когерентности 300 . Время когерентности и ширина спектра 301 . Физические принципы голографии
Зонная пластинка 304 . Фокусирующее действие зонной пластинки 304 . Голограмма точечного источника света 305 . Голограмма сложного объекта 306 . Геометрическая оптика
Показатель преломления среды 308 . Законы геометрической оптики 308 . Принцип Гюйгенса и законы геометрической оптики 310 . Отражение и преломление на искривленной поверхности 311 . Интенсивность отраженного и преломленного света 312 . Естественный свет 312 . Поляризация света при отражении 312 . Принцип Ферма 313 . Изображение в плоском зеркале 313 . Принцип Ферма и формула линзы 314 . Фокусное расстояние линзы 316 . Аберрации 316 .
Оптические приборы, формирующие изображение Геометрическая оптика и волновые свойства света 319 . Камера-обскура 319 . Гомоцентрические и астигматические пучки лучей 320 . Сферическое зеркало 322 . Линзы 323 . Фотоаппарат 326 . Проекционный аппарат 326 . Приборы для визуальных наблюдений 327 . Лупа 328 . Микроскоп 328 . Нормальное увеличение телескопа 330 . Искажение перспективы и объемность изображения 332 . Нормальное увеличение и дифракционный предел 333 . О решении задач 334 . Основы фотометрии 334 .
// @