Государственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию
Нижегородский государственный университет
им. Н.И.Лобачевского

 УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
о общему курсу

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.
ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ"

для направления подготовки
"физика"
и по специальности
"радиофизика и электроника"

Курс 2
Семестр 3
Лекции 85 час.
Практикум 36 час.
Лаборатория 68 час.
Экзамен 3 семестр
Зачет 3 семестр

 Программа составлена зав. кафедрой общей физики профессором, д. ф.-м. н. Н.С.Степановым и доцентами кафедры общей физики к. ф.-м. н. М.И.Бакуновым и С.Б.Бираговым

 Н. Новгород 1995

 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
"ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.
ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ"

1. Учебные цели курса

Цель курса - сформировать у студентов представление об основных электромагнитных явлениях, принципах и законах электромагнетизма, выработать на основе изучения электромагнитных колебаний единый подход к анализу колебательных систем различной физической природы; научить решению задач с использованием аппарата высшей математики, дать навыки экспериментальной работы с использованием современных измерительных приборов и ЭВМ.

2. Учебные задачи курса

В результате изучения курса студенты должны получить ясное представление об электрическом и магнитном полях и методах их математического описания, научиться использовать простейшие материальные уравнения, связывающие поля в веществе. Студенты должны освоить методы описания собственных и вынужденных колебаний в линейных системах, получить представление об основных особенностях нелинейных колебательных систем.

Курс является основой для последующего изучения таких разделов

теоретической физики как "Электродинамика" и "Специальная теория относительности", а также специальных дисциплин "Теория колебаний",

"Теоретические основы радиотехники", "Теория волновых процессов".

3. Дисциплины, изучение которых необходимо для усвоения курса

Для успешного изучения курса необходимо усвоение таких разделов высшей математики, как математический и векторный анализ, теория дифференциальных уравнений, а также предшествующих разделов цикла общей физики.

ОДЕРЖАНИЕ КУРСА
"ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.
ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ"

Программа курса

I. ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Электрическое поле

Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса (с примерами применения). Теорема о циркуляции вектора . Потенциал.

[1] Введение 1-2, Гл. 1 3-6, 17-18 [2] Гл. 1 п. 1.1-1.4, 1.7-1.13,

гл. 2 п. 2.1-2.5 [3] Вып. 5 Гл. 1, 4, гл. 5 5-8, гл. 6 2,4 [4] 13-15 [5] Гл. 1 1-12.

Проводники в электростатическом поле

Условие равновесия свободных зарядов в проводнике и некоторые следствия из него. Электростатическая экранировка. Электроемкость. Конденсаторы. Типы электростатических задач. Теорема единственности.

[1] Гл. 1 11,26 [3] Гл. 3 п. 3.1-3.5 [4] Вып. 5 Гл. 5 9-10, гл. 6 8,10

[5] 16 [6] Гл. 3 21-26.

Энергия электрического поля

Энергия системы точечных зарядов. Энергия заряженного проводника и конденcатора. Плотность энергии поля.

[2] Гл. 1 п. 1.5-1.6, гл. 2 п. 2.8, гл. 3 п. 3.7 [3] Вып. 5 Гл. 8 2,5 [5] Гл. 4 27-29.

Электрическое поле в диэлектриках

Понятие макроскопического (усредненного) поля в среде. Вектор поляризации. Поляризационные (связанные) заряды. Вектор электрической индукции. Диэлектрическая проницаемость. Уравнения электрического поля в диэлектриках. Граничные условия для векторов и . Энергия электрического поля в среде. Пондеромоторные силы в электрическом поле. Механизмы поляризуемости диэлектриков. Нелинейные диэлектрики. Сегнетоэлектрики.

[1] Гл. 1 12-15, 29, 35, 36, 39 [2] Гл. 9 п. 9.1, 9.5-9.9, 9.12-9.16

[3] Вып. 5 гл. 10 1-5, гл.11 1-7, вып. 6 гл. 16 3 [4] 17, 20-24

[5] Гл. 2 13-20, гл. 4 30.

II. СТАЦИОНАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Электрическое поле внутри и вне проводника с током. Закон Ома. Электро-движущая сила и падение напряжения. Сложные цепи, правила Кирхгофа.

[1] Гл. 2 40-41, 43-45 [2] Гл. 4 п.4.2-4.3, 4.8-4.10 [3] Вып. 5 гл. 13 2

[4] 25-28 [5] Гл. 5 31-37.

III. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Магнитное поле проводников с током

Закон Био-Савара-Лапласа. Поле движущегося заряда. Магнитный поток. Теорема о циркуляции вектора .

[1] Гл. 3 50-51, 53-55 [2] Гл. 6 п. 6.1-6.2, 6.5 [3] Вып. 5 гл.13 1, 5,

гл. 14 17 [4] 10, 35 [5] Гл. 6 38-42.

Действие магнитного поля на проводники с током

Закон Ампера. Пондеромоторные взаимодействия проводников с током.

[1] Гл. 3 49, 52 [2] Гл. 6 п. 6.1 [3] Вып. 5 гл. 13 3-4 [5] Гл. 8 46-49.

Векторный потенциал

Описание магнитного поля при помощи векторного потенциала. Вычисление векторного потенциала заданного распределения токов.

Магнитное поле в веществе

Намагниченность. Вектор намагничения . Напряженность магнитного поля в среде. Теорема о циркуляции вектора . Магнитная проницаемость. Граничные условия и способы измерения векторов и в магнетиках. Природа магнитных свойств магнетиков. Диа-, пара- и ферромагнетики. Постоянные магниты.

[1] Гл. 3 58-61, 74-79 [2] Гл. 10 п. 10.1, 10.2, 10.5-10.11

[3] Вып. 7 гл. 34 1-6, гл. 36 1, 4-6, гл. 37 1, 3-5 [4] 38-43

[5] Гл. 7 43-45, гл. 9 50-54.

IV. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА

Явление электромагнитной индукции

ЭДС индукции в движущихся проводниках. Закон Фарадея. Вихревое электрическое поле. Принцип действия динамомашины и электромотора. Индукционный ускоритель электронов (бетатрон). Измерение циркуляции вектора при помощи пояса Роговского.

[1] Гл. 3 64-67 [2] Гл. 7 п. 7.1-7.5 [3] Вып. 6 гл. 17 1,3 [4] 44-46, 56

[5] Гл. 10 54-58, гл. 17 103, 104

Взаимоиндукция и самоиндукция

Индуктивность. Процессы установления в контуре с индуктивностью, электромеханические аналогии. Коэффициент взаимоиндукции.

[1] Гл. 3 68 [2] Гл. 7 п. 7.6, 7.8, 7. 9 [3] Вып. 6 гл. 16 2, гл. 17 6, 7

[4] Гл. 10 59, 60, 62

Магнитная энергия

Магнитная энергия одиночного контура и 2-х связанных контуров. Плотность энергии магнитного поля.

[1] Гл. 3 69-72 [2] Гл. 7 п. 7.10 [3] Вып. 6 гл. 17 8 [4] Гл. 10 61-62

Электромагнитное поле в вакууме

Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Волновые уравнения. Существование электромагнитных волн.

Система уравнений Максвелла для полей в веществе

Уравнения полей и материальные уравнения. Особенности поляризации диэлектриков в переменных полях. Дисперсия диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость плазмы. Системы единиц.

V. КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЕ ТОКИ.

Свойства идеальных элементов. Расчет цепей синусоидального тока методом векторных диаграммм и комплексных амплитуд. Импеданс двухполюсников. Работа и мощность в цепи переменного тока.

[1] Гл. 10 129-131 [2] Вып. 6. гл. 22 1, 3-5 [3] 48-49.

VI.МЕХАНИЗМЫ ПРОВОДИМОСТИ НЕКОТОРЫХ ПРОВОДНИКОВ.

Классическая электронная теория проводимости металлов и ее недостатки. Электрический ток в электролитах, в плазме. Полупроводники. Введение в зонную теорию проводимости кристаллов.

[1] Гл. 2 42, гл. 7 97-100, гл. 9 [2] Гл. 4 п. 4.1, 4.4-4.6 [3] 31-34

[4] Гл. 12 69-72, 74-75, гл. 13 84, 89.

VII. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ

Внешняя и внутренняя контактная разность потенциалов. Явления в контактах проводников первого и второго рода, химические источники тока. Контактные явления в полупроводниках, полупроводниковые диоды.

[1] Гл. 8 104-108 [2] Гл. 12 76-78.

VIII. ЛИНЕЙНЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Линейные колебательные системы с одной степенью свободы (с примерами). Свободные колебания гармонического осциллятора. Характеристики затухания. Вынужденные колебания, резонансные кривые. Процессы установления колебаний, условия неискаженного воспроизведения сигналов колебательным контуром. Спектральное разложение в радиофизике, колебательный контур как спектральный прибор. Колебательные системы с несколькими степенями свободы, связанные колебания.

IX. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Линейные осцилляторы с переменными параметрами, параметрический резонанс. Особенности нелинейного осциллятора (ангармонизм, генерация гармоник, асимметрия резонансной кривой). Автоколебательные системы.

 ЛИТЕРАТУРА ПО КУРСУ

"ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. ФИЗИКА КОЛЕБАНИЙ"

Основная литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество. М.: Наука, 1983.
2. Парселл Э. Берклеевский курс физики. Т.2. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983, 1975.
3. Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 5, 6. М.: Мир, 1977
4. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. М.: Высшая школа, 1983.
5. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. М.: Наука, 1988.

ТЕМЫ И ПЛАН ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

1. Закон Кулона. Принцип суперпозиции 2 часа
2. Теорема Гаусса и теорема о циркуляции 2 часа
3. Потенциал электростатического поля 2 часа
4. Взаимосвязь и . Поле системы двух точечных зарядов 2 часа
5. Проводники в электрическом поле (симметричные поля) 2 часа
6. Проводники в электростатическом поле ( метод изображений) 2 часа
7. Проводники в электростатическом поле ( емкость) 2 часа
8. Работа и энергия в электростатике 4 часа
9. Электрические поля в диэлектриках (симметричные поля) 2 часа
10. Электрические поля в диэлектриках (метод изображений). Пондеромоторные силы 2 часа
11. Контрольная работа 2 часа
12. Закон Био-Савара-Лапласа 2 часа
13. Циркуляция магнитного поля. Сила Ампера 2 часа
14. Магнитное поле в веществе 2 часа
15. Контрольная работа 2 часа
16. Закон электромагнитной индукции (индукция в движущихся проводниках) 2 часа
17. Закон электромагнитной индукции (вихревое электрическое поле) 2 часа
18. Самоиндукция. Магнитная энергия 2 часа
19. Взаимная индукция. Свободные контуры 2 часа
20. Сложение скалярных гармонических колебаний 2 часа
21. Расчет цепей переменного тока 2 часа
22. Свободные колебания 2 часа
23. Вынужденные колебания 2 часа
24. Связанные колебания 2 часа

ЛИТЕРАТУРА ПО ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

1. Сборник задач по общему курсу физики. Электричество и магнетизм. Под ред. И.Е. Яковлева. М.: Наука, 1977.
2. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. М.: Наука, 1988.
3. Сахаров Д.А. Сборник задач по общей физике. М.: Просвещение, 1967.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

1. Определение ЭДС методом компенсации.
2. Проверка законов Кирхгофа.
3. Эффект Холла и электропроводность в полупроводниках.
4. Определение емкости конденсатора.
5. Изучение кривых намагничивания.
6. Исследование электронной лампы.
7. Исследование неоновой лампы.
8. Вольтамперные характеристики нелинейных полупроводниковых элементов.
9. Исследование коэффициентов передачи четырехполюсников.
10. Дифференцирующие и интегрирующие четырехполюсники.
11. Собственные колебания в контуре.
12. Вынужденные колебания в контуре.
13. Параметрический резонанс.
14. Гармонический анализ периодических сигналов.

ПРОГРАММА-МИНИМУМ

1. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции.
2. Теорема Гаусса.
3. Теорема о циркуляции вектора Е. Потенциал.
4. Электроемкость.
5. Энергия электрического поля. Плотность энергии.
6. Закон Био-Савара-Лапласа.
7. Сила Лоренца.
8. Закон электромагнитной индукции.
9. Энергия магнитного поля. Плотность энергии.
10. Система уравнений Максвелла в вакууме.
11. Расчет цепей квазистационарного тока методом векторных диаграмм и комплексных амплитуд .
12. Электрическое поле в диэлектриках. Вектор поляризации. Связанные заряды. Диэлектрическая проницаемость. Вектор электричесской индукции. Граничные условия для векторов E и D.
13. Магнитное поле в веществе. Вектор намагничения. Теорема о циркуляции вектора H. Граничные условия для векторов B и H.
14. Уравнения Максвелла в веществе.
15. Линейный осциллятор: уравнение колебаний, характеристики затухания, резонансные кривые.
16. Условия параметрического резонанса.

АВТОРЫ профессор Н.С.Степанов
доцент М.И.Бакунов
доцент С.Б.Бирагов

ЗАВ.КАФЕДРОЙ профессор Н.С.Степанов
ПРЕДСЕДАТЕЛЬ МЕТОД. КОМИССИИ профессор В.Г.Гавриленко