Р.А. БРАЖЕ В.М. ПРОКОФЬЕВ
ИЗБРАННЫЕ
ПО
ЛЕКЦИИ
ФИЗИКЕ
4.2. Электричество и магнетизм
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Р.А. Браже
В.М. Прокофьев
ИЗБРАННЫЕ
ПО
ЛЕКЦИИ
ФИЗИКЕ
Часть 2. Электричество и магнетизм Методические указания для студентов УлГТУ
Ульяновск
1999
УДК
530.1(075)
ББК
22.3я73 Б 87
Браже Р.А., Прокофьев В.М. Избранные
лекции
по
физике.
Часть
2.
Электричество
и
магнетизм.
Методические указания для студентов УлГТУ. — Ульяновск: УлГТУ, 1999. — 48с.
Представлены
оригинальные
лекции
по
разделу
«Электричество
и
магнетизм» общего курса физики ведущих преподавателей кафедры физики УлГТУ.
Пособие
предназначено
для
студентов
1—2
курса
технических
направлений обучения и может быть использовано при самостоятельном и ускоренном изучении дисциплины.
Рецензент д-р физ.-мат. наук профессор Э.Т. Шипатов Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета
БРАЖЕ Рудольф Александрович ПРОКОФЬЕВ Вячеслав Михайлович Избранные лекции по физике Методические указания для студентов УлГТУ Редактор Н.А. Евдокимова Подписано в печать 28. 09. i)9. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 2,79. Уч.- изд. л. 1,74. Тираж 200 экз. Заказ &&• Ульяновский государственный технический университет, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32. Типография УлГТУ: 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32.
СОДЕРЖАНИЕ
5. Уравнения электромагнитного поля (Браже Р.А.) 6. Релятивистский характер магнитного поля ( Браже Р.А.)
4 15
7. Некоторые прикладные задачи электро- и магнитостатики (Прокофьев В.М.) 21 8. Законы стационарных токов (Прокофьев В.М.)
33
Приложение 1. Математическое описание физических полей (Браже Р.А.)
43
Использованная литература
48
Уравнения электромагнитного поля
§ 1. Характеристики электрического и магнитного полей
Основной силовой характеристикой электрического поля является напряженность электрического поля — физическая величина, равная силе, с которой это поле действует на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:
(5.1)
E-J-
Единица измерения напряженности электрического поля в СИ, в соответствии с (5.1),
Гг-1 iTT/ъл Н - С - М Дж /С ВТ 1 £=1Н/Кл=1 =1 — =1 =1 В/м. Кл-с-м А-м А-м
Для учета диэлектрических свойств среды часто используют дополнительную силовую характеристику — индукцию электрического поля
, под ко-
торой понимают величину
(5.2)
Иногда, по историческим причинам, величину D
4
называют электрическим смещением.
Здесь SQ = 8,85-10 ~12 ф/м — электрическая постоянная или диэлектрическая проницаемость вакуума, а е — относительная диэлектрическая проницаемость сре-
ды. Единица измерения индукции электрического поля в СИ, согласно (5.2),
м -м
Наряду с силовыми характеристиками для консервативных электрических полей, в которых работа по перемещению электрического заряда не зависит от формы траектории, а определяется лишь его начальным и конечным положениями, вводится энергетическая характеристика поля — потенциал. Потенциалом электрического поля в данной точке пространства называется физическая величина, численно равная работе по перемещению единичного положительного заряда из некоторой отправной точки, в которой его потенциальная энергия полагается равной нулю, в данную точку поля:
За точку нулевой потенциальной энергии перемещаемого заряда в физике обычно принимают бесконечно удаленную точку, а в электротехнике — поверхность заземленного проводника. Единица измерения потенциала, согласно (5.3),
=
Кл
Кл-с
Основной силовой характеристикой магнитного поля принято считать индукцию магнитного поля — физическую величину, равную отношению макси-
мального вращательного момента, действующего в однородном магнитном поле на контур с током, помещенный в это поле, к магнитному моменту контура:
3_
max
(5.4)
т Под магнитным моментом контура с током понимают произведение силы тока в этом контуре на его площадь: Рт -IS. Из школьного курса физики известно, что на проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.
В
Поэтому рамка с
током
повернуться
плоскостью
своей
стремится пер-
пендикулярно полю (рис. 5.1). Соответствующий вращательный момент M = 2[rF], а магнитный момент контура Рис. 5.1. На рамку с током в магнитном поле действует вращательный момент,
Рт = 21 г I.
обусловленный парой сил Ампера
Следовательно,
— /7 3 _ max
(5.5)
II
Выражение (5.5) приводит к другому определению индукции магнитного поля, как физической величины, равной отношению силы, с которой поле действует на перпендикулярный ему проводник с током, к длине этого проводника и силы тока в нем. И по (5.4), и по (5.5)
В]= 1-3-= 1 Т л J А-м
(тесла). V
}
С учетом магнитных свойств среды часто пользуются другой силовой характеристикой — напряженностью магнитного поля, определяемой как
(5.6)
где
//о= 4л-10
«12,56-10
Гн/м — магнитная постоянная или магнитная про-
ницаемость вакуума, а //— относительная магнитная проницаемость среды.
. Н =1
Гтт1 L
J
Тл
.Тл-м-А . Тл-м-А , . . =1 =1 —= 1 А / м . Гн/м Вб Тл-м2
§ 2. Первое уравнение Максвелла
Рассмотрим некоторый замкнутый проводящий контур L (рис. 5.2), пронизываемый изменяющимся во времени магнитным полем. Согласно закону электромагнитной индукции, открытому М. Фарадеем в 1831 г., в контуре индуцируется э д с , пропорциональная скорости изменения магнитного потока: £"/=-АФ/А?. тывает
Знак "минус" здесь учи-
правило
Ленца:
возникающая
э д с всегда приводит к появлению индукционного тока, направленного таким образом,
чтобы
препятствовало
его
магнитное
изменению
поле
внешнего
Рис
5
-2 Появление индукционного тока в контуре, пронизываемом изменяющимся во времени магнитным полем
магнитного поля. Так как магнитный поток является, в общем случае, функцией не только времени, но и координат, то правильнее будет записать этот закон в виде
«~£. По определению э д с в контуре равна работе сторонних сил по перемещению единичного точечного заряда, т.е.
Л
1
kf
Ь
L
dl 6
"'
Вместо напряженности поля сторонних сил Е^ = А^ /Q в последнее выражение можно подставить сумму
где Ёэя — напряженность электростатического поля, так как в поле неподвижных зарядов работа по перемещению некоторого пробного заряда по замкнутому контуру равна нулю:
L
эл
Напомнив Вам эту школьную истину, мы теперь можем переписать (5.7) в виде
£f=-jEdl.
(5.8)
L
С другой стороны,
s
= J\\—}dS, I - T - I " 5V^7
/ (5.9) ^
где S — произвольная поверхность, стягиваемая контуром L. Тогда (5.7) эквивалентно следующей записи:
= — dS. i v dt)
(5.10)
Выдающийся английский физик Джеймс Клерк Максвелл первым догадался, что наличие проводящего контура для появления электрического поля в окрестности изменяющегося во времени магнитного поля вовсе необязательно. Он лишь позволяет обнаружить это поле по возникающему в нем индукционному току. Характерной особенностью этого поля является то, что оно не связано с какими - либо зарядами, его силовые линии замкнуты. Поэтому такое поле называют вихревым электрическим полем. Согласно (5.10) и понятиям (П1.1), (П1.3), введенным в приложении 1, циркуляция вектора напряженности вихревого электрического поля по некоторому контуру L равна взятому со знаком
"минус " потоку вектора скорости
изменения индукции магнитного поля через произвольную поверхность S , стягиваемую данным контуром.
§ 3. Второе уравнение Максвелла
В соответствии с (5.10) вихревое электрическое поле создается изменяющимся во времени магнитным полем.
Но тогда,
наоборот,
магнитное
поле
(всегда вихревое) должно создаваться изменяющимся во времени электрическим полем:
(5.11) «
где S' — некоторая поверхность, стягиваемая произвольным контуром L (рис. 5.3). Если вместо поверхности S рассмотреть некоторую поверхность S, пересекаемую током плотности j = 1 / S, где / — сила переменного тока, протекающего через конденсатор, то на его обкладках должно выполняться равенство
и а
а
д(о =
a\s
a\d.
Здесь ток смещения.
Y=J^>c
Здесь d и Sc — соответственно расстояние между обкладками конденсатора емкости С и их площадь. Если вид поверхности ( S или S ) не оговорен заранее, то, в общем случае, следует вместо (5.11) записать
I
I- Ток проводимости
такое выражение:
Линии Н Рис. 5.3. Токи проводимости и смещения и создаваемые ими магнитные поля
/э а
Из него следует, что изменяющееся во времени электрическое поле, току проводимости — току,
(5.12)
7+—
подобно
связанному с движением зарядов в проводящей
среде, создает в окружающем пространстве магнитное поле. По этой причине его называют током смещения, имея в виду, что плотность этого тока равна скорости изменения индукции ( смещения ) электрического поля:
J см
(5.13)
Согласно (5.12), циркуляция вектора напряженности магнитного поля по некоторому контуру L равна потоку вектора плотности полного тока,
ю
скла-
дывающегося из тока проводимости и тока смещения, через произвольную поверхность S, стягиваемую контуром L. Поэтому (5.12) называют законом полного тока.
§ 4. Третье уравнение Максвелла
Рассмотрим положительный точечный заряд Q, создающий в
некоторой
точке пространства электрическое поле напряженности Ё (рис. 5.4). Для поля точечного заряда, как известно,
е, 2
Окружим
этот
заряд
произвольной
замкнутой поверхностью S, проходящей через
рассматриваемую
вектора
Ё
точку.
Поток
через поверхность S ( см.
П1.3)
§EdS = S
Q
Q
S
Рис. 5.4. К выводу теоремы ГауссаИспользуя (5.2), можем записать
Остроградского
(5.14)
Если внутри поверхности S находятся несколько зарядов или имеется некоторое непрерывное распределение заряда, то в правой части (5.14), в силу принципа суперпозиции (наложения) электрических полей,
следует указать
полный заряд:
и
(5.15) s
v
где р - объемная плотность заряда. Таким образом, поток вектора индукции электрического поля произвольную замкнутую поверхность S равен заряду,
через
охватываемому этой
поверхностью. Выражение (5.15) называется теоремой Гаусса - Остроградского. Ее связь с математической теоремой Остроградского - Гаусса будет показана ниже.
§ 5. Четвертое уравнение Максвелла
Теорема Гаусса - Остроградского (5.15) показывает, что электростатическое поле создается электрическими зарядами. Так как магнитное поле, согласно (5.12), создается движущими электрическими зарядами — токами проводимости и изменяющимися во времени электрическими полями — токами смещения, то отдельных магнитных зарядов нет. Поэтому поток вектора индукции магнитного поля через произвольную замкнутую поверхность S равен нулю:
(5.16)
§ 6. Полная система уравнений Максвелла
Сведем теперь выражения (5.10), (5.12), (5.15) и (5.16) в единую систему уравнений, называемых по традиции уравнениями Максвелла:
12
(5.17.1)
(5.17.2) L
5V
(5.17.3) V
(5.17.4)
Применяя для первых двух уравнений теорему Стокса (П1.9), а для двух последних — теорему Остроградского - Гаусса (П1.7), легко перейти от уравнений Максвелла, записанных в интегральной форме (5.17), к дифференциальной форме этих уравнений: •*ТТ"> = -—,
(5.18.1)
(5.18.2)
(5.18.3)
div£ = 0.
(5.18.4)
Часто используется также операторная форма записи уравнений Максвелла с использованием соотношений (Ш. 12), (П1.13):
13
(5.19.1)
(5.19.2)
(5.19.3)
VD = p,
(5.19.4)
Независимо от формы записи, уравнения Максвелла имеют физический смысл, указанный при их выводе. Систему уравнений Максвелла обычно дополняют уравнениями связи:
(5.20)
(5.21)
(5.22)
J=
Связь векторов D и Ё ,В и И ясна из (5.2) и (5.6), а последнее выражение представляет собой закон Ома в дифференциальной форме. Здесь а — удельная проводимость среды (величина обратная ее удельному сопротивлению):
0 = 11 р. Действительно, в однородном электрическом поле отрезка прямого провода ( рис. 1
сеч 5.5),
в котором
действует электрическое
поле напряженности Е = U/1, где U - паде/
ние напряжения на участке длиной /, сила тока, согласно (5.22),
Рис. 5.5. К выводу закона Ома
14
/ = / S i = oES i = oS i — = —, J i ± ^ ^ > R
где /? =
=p S±
сопротивление провода. Выражение / = U/R представляет S±
собой обычную, интегральную форму записи закона Ома для однородного участка цепи.
6.
Релятивистский характер магнитного поля
§ 1. Магнитное поле движущегося заряда
Рассмотрим движение положительного точечного заряда Q вдоль длинного проводника с током / в двух инерциальных системах отсчета (рис. 6.1): лабораторной системе S, в которой проводник покоится, а заряд движется со скоростью v, и в системе отсчета S 7, связанной с движущимся зарядом. Не теряя общности в рассуждениях, допустим, что скорость движения заряда Q по величине и направлению совпадает со скоростью движения электронов в проводнике.
В системе S имеем: р+ = —р_ или р+ + р_ = О — проводник не заряжен, так как объемная плотность положительных зарядов ионов кристаллической решетки равна по величине объемной плотности отрицательного заряда всех электронов в проводнике. v+ = 0 — ионы кристаллической решетки покоятся, v. = v — электроны неподвижны относительно заряда Q. 15
В лабораторной системе S
В системе S', связанной с зарядом Q
I
I
Ток электронов
Ток ионов
Q
V
©
Рис. 6.1. В системе отсчета, связанной с зарядом Q, проводник с током оказывается заряженным и испытывает кулоновское отталкивание от заряда, что воспринимается в лабораторной системе отсчета как действие магнитного поля движущегося заряда
В системе S
имеем:
v+ = - v — ионы кристаллической решетки движутся и создают ток, в то время как электроны неподвижны и тока не создают:
р+ = YP+, Р- = p. IY = ~Р+ 17? Y -\^~
-1/2 fr] , 0 = v/с
— вследствие реляти-
вистского сокращения масштабов проводника, плотность положительного заряда в системе S/ возросла, а отрицательного — уменьшилась, так как в этой системе расстояние между электронами самое большое (собственное расстояние). Тогда суммарная плотность заряда
16
7
и проводник в системе S / оказывается заряженным положительно. Напряженность электрического поля неподвижного точечного электрического заряда Q на расстоянии г
/
= г (в том месте, где находится заряженный
элемент тока длиной dl ) равна
Следовательно, на указанный элемент тока действует сила
Площадь сечения проводника
S=-=-
+
где е
e+nv
p+v
— заряд ионов, an — их концентрация в проводнике. Тогда
г
2
-
о
l
4л£
Q
v
9 2 ' г~ с
Возвращаясь в систему S, замечаем, что по принципу относительности движения
здесь также должно наблюдаться отталкивания элемента тока, рас-
положенного напротив (?, но с большей силой
17
Дело в том, что продольные размеры заряда Q в системе S испытали сокращение, и плотность заряда на стороне, обращенной к проводнику^ возросла в у раз. Таким образом,
г2
с2
Воспользовавшись определением (5.5) индукции магнитного поля, получаем
dF _
B=
Idl0
Так
как
с = (f 0 // 0 )
электродинамическая
I 4л£0
v с2
Q
1
г2
постоянная
(скорость
света
в
вакууме)
, а скорость движения заряда Q в большинстве практических случа-
ев существенно меньше с (/?«!), то для индукции магнитного поля движущегося точечного заряда получаем следующее выражение:
или в векторной форме:
(6.2)
В соответствии с (6.2), силовые линии магнитного поля (линии индукции) должны быть направлены так, как показано на рис. 6.2. Иными словами, направление вектора В удовлетворяет правилу буравчика: если правовинтовой буравчик ввинчивать в направлении движения положительного заряда, то направ-
18
ление вращения рукоятки укажет направление индукции магнитного поля, создаваемого этим зарядом. Подведем теперь некоторые итоги. Взаимодействие движущихся зарядов (токов) было открыто экспериментально в начале XIX в., задолго до соз-
V
дания специальной теории относительности. В частности, было обнаружено, что
магнитная
стрелка,
помещенная
вблизи проводника с током, отклоняет-
Рис. 6.2. Картина силовых линий магнитного поля движущегося заряда
ся. Поэтому такое взаимодействие получило название магнитного взаимодействия. Стали говорить, что вокруг движущихся зарядов (токов) существует особое возмущенное состояние пространства — магнитное поле. Теперь мы видим, что, в действительности, природа этого поля чисто релятивистская: оно обусловлено все теми же электрическими зарядами, но возникает в системах отсчета, относительно которых эти заряды движутся. Конечно, магнитное поле каждого отдельно взятого заряда при нерелятивистских скоростях движения чрезвычайно слабое. Но из-за большой их концентрации в проводниках оно может быть в совокупности весьма сильным, что легко видеть на практике.
§ 2. Закон Био - Савара - Лапласа
Найдем индукцию магнитного поля, создаваемого в некоторой точке Р, удаленной на расстояние г от элемента тока / dl (рис. 6.3). Оно создается всеми зарядами из объема dV = S dl, которые движутся со скоростью v « с. Используя (6.2), получаем
19
л
4тг
где л
концентрация зарядов, входящая в выражение для плотности тока: j ' = Q nv. Следовательно,
Так как
dl 11 j , а yS = /, где/
— сила
тока, то искомая индукция магнитного поля
dir
(6.3)
Рис. 6.3. К выводу закона
4л
Био - Савара - Лапласа Впервые
пропорциональность
индукции
магнитного поля силе тока в проводнике и его ослабление обратно пропорционально квадрату расстояния до проводника экспериментально показали в 1820г. французские физики Ж.Б. Био и Ф. Савар. Позже П.С. Лаплас придал этому факту вид физического закона. Здесь мы поступили иначе: совершенно не опираясь на эксперимент, вывели этот закон из полученной в предыдущем параграфе также чисто теоретически, из общих физических соображений, формулы для магнитного поля движущегося заряда. Это еще раз доказывает, что законы магнетизма тесно связаны с законами электричества, и правильнее говорить о едином электромагнитном взаимодействии.
20
7.
Некоторые прикладные задачи электро- и магнитостатики
§ 1. Введение
В стационарной ситуации система уравнений Максвелла (см. лекцию 5) распадается на две независимые системы уравнений: электростатики
§Edl = 0, L
или
TotE = 0,
— ОЛ С" ОС JLj J7
и магнитостатики
AivB = О,
или
го1Я
= J,
В совокупности с законами Кулона и Био - Савара - Лапласа, определяющими характеристики полей модельных источников (точечного заряда Q и элемента линейного тока)
,. / ег
И .Г!
\St-JLJ 4тг
Mr ^ г
?
21
а также принципом суперпозиции полей получается мощный аппарат для решения большого числа прикладных задач электро- и магнитостатики. Выделим из них наиболее значимые: 1. Нахождение граничных условий при переходе полей из одной среды в другую. 2. Нахождение характеристик полей по известному распределению в пространстве зарядов и токов. 3. Решение вопроса о силах, действующих в стационарных полях, и о характере движения в них зарядов и токов. 4. Определение
емкости
проводника,
конденсаторов
и
индуктивности
проводника. 5. Изучение энергетики стационарных полей. В лекции на конкретных ситуациях показывается решение отдельных из этих задач.
§ 2. Поведение характеристик полей на границе раздела сред
Данная задача решается применением теорем о потоке и о циркуляции векторов Е и D, В и Н в интегральной форме. Результат решения задачи зависит от того, для какой границы раздела она решается. В качестве примера рассмотрим границу раздела диэлектриков с проницаемостями sl и £2. п
Возьмем очень тонкий цилиндр на границе раздела сред. Согласно теореме Гаусса,
Если на границе раздела нет сторонних сво-
22
бодных зарядов, то X#CTOD = 0. Тогда D, AS + D, AS = О (потоком через бо" 2 1 ковую поверхность цилиндра, ввиду малости h, можно пренебречь). Перейдя
к
единой
нормали
к
границе
раздела
Я
(при
этом
А „ = А , a Dln =-Dl ), получим D7n-Dln т.е. нормальная составляющая 2 ~ 1 " вектора
D
при
переходе
не
претерпевает
изменения.
Так
как
Еп =——, то £2^2п -£\Е\„, т.е. нормальные составляющие вектора Ё претер-
певают скачок. Возьмем
>
теперь
на
границе
раздела
2
очень тонкий вытянутый вдоль границы кон-
1
тур и воспользуемся теоремой о циркуляции вектора Ё:
=U
ИЛИ
L
Ь1Т1 + &2т 1=0. 1 2
Перейдем к единому орту т границы раздела. Тогда Е1т -Е2т, т.е. тангенциальные составляющие вектора напряженности электрического поля не претерпевают изменения. Так как
DT =£80ЕТ , то s2Dlr =elD2T. Полученные соот-
ношения позволяют утверждать, что в общем случае линии полей векторов Ё и D на границе раздела преломляются так, что
tg«i
l
Легко убедиться и в том, что при ег > ev DI > DI, a E2 < Е\. Кроме того, линии на границе претерпевают разрыв, что свидетельствует о возникновении на границе раздела связанных зарядов.
23
Аналогично решается задача о границе раздела магнетиков. Так, если на границе не текут токи проводимости, то выполняются условия в
в
т = т
иН
Н
В
1т = 2т> KOju2H2n = v\H\n и//1#2г = {*2 1т- Если// 2 >// 1 ? то
В2 > В1, но Н2 <Н1, причем линии В разрыва не претерпевают, а линии Н претерпевают разрыв из-за возникновения на границе раздела токов намагничивания.
§ 3. Нахождение характеристик полей по принципу суперпозиции
Принцип суперпозиции полей утверждает, что поля различных источников складываются друг с другом, образуя суммарное поле с характеристиками Ё = ]Г Ё} : ,
ве источников полей суммы переходят в интегралы. Рассмотрим в качестве примера две задачи. 1 . Пусть заряд равномерно распределен с линейной плотностью т вдоль окружности радиусом R. Требуется найти выражения для ср и Е вдоль оси окружности. Выделим на окружности элемент dl. Заряд на нем dq = rdl можно считать точечным, его потенциал в точке А на оси 1 dl
+
Потенциал поля всей окружности по принципу суперпозиции т
2
1 2 z
24
f* „
о
rR
1
+z
Так как в силу потенциальности поля
или ду
dz
то в данном случае =-- = 0 и *,
—£ = 0. fy
Тогда Е2
dcp
dz
rR
2sQs (R2+z2
2.Пусть окружность из первой задачи вращается вокруг оси с угловой скоростью со. Найти выражение для индукции магнитного поля В на оси.
Вращение заряженной окружности эквивалентно линейному круговому q току / = — =
= Ктсо, т.е. элементу заряда rd/ соответствует элемент тока
Idl = R Tcodl, создающий на оси индукцию поля
Z
^
A
Представим
dB
в виде
dB = dBL + dBE
(по отношению к оси). В силу симметрии BL = J dBL - 0. Тогда
v
3/2
§ 4. Нахождение характеристик полей при наличии симметрии
Если поля, образуемые источниками, обладают симметрией, позволяющей априори указать характер линий D и Ё, В и Н, то их можно описать теоремой о потоке вектора D: 25
в случае электростатического поля, или теоремой о циркуляции вектора Н:
в случае магнитного поля. Проиллюстрируем это на примере двух задач.
1 . Пусть диэлектрический шар радиусом R с диэлектрической проницаемостью €i заряжен равномерно с плотностью заряда р> О и находится в однородной среде с проницаемостью
£2-
Найти выражения для
ОиЕ внутри шара и за его пределами.
В силу симметрии распределения заряда и однородности шара и окружающей среды, линии вектора D будут иметь вид радиальных прямых. Согласно граничным условиям, Dn не претерпевает изменения на границе раздела сред. Поле будет обладать центральной симметрией. Тогда в теореме о потоке D в качестве вспомогательной поверхности можно взять сферу с центром в точке О. В любой точке этой поверхности Dn = D (если р > О ), а при переходе от одной точки к другой D не меняется. Тогда для области внутри шара
ИЛИ 4m*2Dl = 4тгр-г3,
*j
откуда D{ =-pr,
*J
а
-pr.
26
Для области за пределами шара
или
откуда R
1
R-
Полученные результаты можно отразить графиками D(r)mE ( r ) .
D t-
R
R
Скачок Е на границе раздела сред г = R происходит в результате возникновения поверхностных связанных зарядов на этой границе.
2. Найти напряженность магнитного поля на оси тороида с плотностью
N т намотки п - — и током в нем 1.
27
Поле тороида будет сосредоточено в основном в его внутреннем объеме. Линии поля Н будут иметь вид окружностей с центрами на оси, перпендикулярной оси тороида. Это позволяет использовать в теореме о циркуляции
в качестве
вспомогательного
контура
именно линию напряженности. На ней, при соответствующем выборе орта
г,
Нт = Н и во всех точках Н одинаковы. Тогда
Сумма токов объединяет все токи, пронизывающие любую незамкнутую поверхность, натянутую на данный контур. В случае тороида
Тогда
откуда
Такое же поле будет создаваться и внутри бесконечно длинного соленоида.
28
§ 5. Нахождение емкости конденсаторов и индуктивности проводников
По определению емкости конденсатора С = -*— . Поэтому задача о нахо-
ждении емкости конденсатора сводится к изучению его поля в заряженном состоянии. Рассмотрим в качестве примера цилиндрический конденсатор длиной / , радиусами R\ и ^2 >Ri, заполненный однородным диэлектриком с проницаемостью £ . Поле внутри этого конденсатора в точках, удаленных от торцов цилиндра, обладает осевой симметрией, повторяющей симметрию распределения заряда, и его можно определить по теореме Гаусса:
о
= \DndS + \DndS + !DndS = q. Oj 1^2 »^з
Два последних интеграла по торцевым поверхностям равны нулю, так как для этих поверхностей Dn = Q. Поэтому D • 2лт1 = q,
откуда
В свою очередь
dr
и тогда
29
R
2 fir n fJ — = ^ — r\ 7 In д Г
В результате емкость цилиндрического конденсатора
1п (R2/ R^'
С помощью данного выражения определяется, в частности, погонная емкость
коаксиальных кабелей С = - - - , необходимая при расчетах волнового In ( # 2 / ^ ) сопротивления кабеля. Индуктивность проводящего контура можно определить из соображений, что потокосцепление контура с собственным магнитным полем пропорционально силе тока в контуре: Ф = LI, где L и есть индуктивность контура. Убедиться в справедливости данного утверждения не составит особого труда. Действительно, Ф = §BdS, т.е. Ф ~ В. С другой стороны, по теореме о циркуляции
S §Bdf = //о///, т.е. В ~ /. Или, в конечном итоге, Ф ~ /. Таким образом, задача о L нахождении индуктивности проводника также сводится к задаче о поле этого проводника. Найдем в качестве примера индуктивность тороида. Ранее показано, что поле в нем В = ju0juln. Тогда потокосцепление с собственным полем 4f = 0l-N = BS^N = /JQJU InSLnl - //о// In2V.
Поэтому
индуктивность
тороида
vp L = — = ju0ju n2V, где V - внутренний объем тороида. Мы уже отмечали, что поля тороида и бесконечно длинного соленоида эквивалентны. Следовательно, выражение L = juQjun2V определяет индуктивность и этого соленоида.
30
§ 6. Энергия и силы в стационарном электрическом поле
Вопрос об энергии электростатического поля можно рассмотреть на примере однородного поля плоского конденсатора
=
2
_
2 =
2\d
2d
При этом предполагалось, что диэлектрик в конденсаторе изотропный, поэтому W П — s sb Z .Т ШW = Т7 В и 1 or да V . Величина w = — = - называется плотностью n 0 2 V 2
ED энергии поля. Если поле неоднородно, то W - j w dV = J - dV. При этом нужно v v 2
знать зависимость Е и D от координат. Интересно отметить, что выражение для ED плотности энергии w = - сохраняется и в случае нестационарных электриче-
ских полей. Вернемся в качестве примера к задаче № 1 из § 4 данной лекции и поставим следующие вопросы: а) чему равна энергия поля шара; б) чему равно отношение энергии W\, локализованной в самом шаре, к энергии Wi за его пределами?
ВД f l р2 2 1 2 Wl = J — - — -dV = \ — - — г 4яг dr = v 2 о 9 S^SQ 5 ш
a
F2
2
9
R
31
Wi 1 £^ Таким образом, —- = - — и не зависит от радиуса шара, а W2 5
9е
зависит, и в сильной степени, от радиуса шара. Наиболее общим методом определения сил в электрическом поле является энергетический, основанный на том, что ЗА = -dWnpn q = const. Так как
.В качестве примера рассмотрим состояние диэлек-
трика в плоском конденсаторе. Как известно, пластины конденсатора притягиваются друг к другу, сжимая тем самым диэлектрик. Возникающая при этом сила
х
\dx)q
2
дх
2
(мы рассматривали случай конденсатора, отключенного от источника, когда a- — - const и, следовательно, Е = - = const ). S ££Q Поверхностная плотность сил, или давление на диэлектрик,
F Р=
ED
S
т.е. равно объемной плотности энергии поля внутри диэлектрика. Деформация диэлектрика за счет этого давления называется электрострикцией. Так как выражение для плотности энергии поля сохраняется и в случае нестационарных полей, то электрострикция может быть и переменной
32
Этот факт используется для создания громкоговорителей на основе электретов, в которых электрострикция сильно выражена. Таковы, например, громкоговорители в говорящих часах.
Существует эффект, обратный электрострикции
(возникновения в диэлектрике поля при деформации). На этом эффекте работают электретные микрофоны.
8.
Законы стационарных токов
§ 1. Характеристики электрического тока. Уравнение непрерывности . Условие стационарности
Как известно, электрический ток представляет собой перенос заряда через ту или иную поверхность S (например, через сечение проводника). При отсутствии электрического поля заряды в проводящей среде совершают хаотическое тепловое движение, и через любую поверхность 51 в обоих направлениях вдоль нормали к ней в среднем проходит одинаковое количество носителей одного знака, т.е. ток через S равен нулю. При наложении на среду электрического поля Ё на хаотическое движение зарядов накладывается их упорядоченное движение с некоторой скоростью и, называемой скоростью дрейфа. Следовательно, электрический ток — это упорядоченный перенос электрического заряда . Исходной характеристикой этого переноса является плотность тока j: = q пи, где q — заряд носителя, п — его концентрация, и — скорость дрейфа. Если пе-
33
ренос заряда осуществляется положительными и отрицательными носителями, то
j:=j+ + 7 _ =q+n+U+ +q_n_u_.
Величина, равная потоку вектора плотности
тока j через некоторую площадь S, называется силой тока
1 = 1 jdS s
(rzQdS = ndS).
Энергетическими характеристиками электрических токов являются разность
2_ потенциалов ср2 - ^ = J Edl 1
(работа кулоновских сил по переносу единицы за-
2 ряда из одной точки поля в другую), э д с
= J ECTOpdl
(работа сторонних, неку-
1
2
1-
-
\
-
лоновских сил по переносу единицы заряда) и напряжение U = \(Е + Яотор I dl
1 (полная работа всех сил по переносу единицы заряда). Представим себе произвольную замкнутую поверхность S в проводящей среде, где течет ток плотностью 7- Возьмем в качестве нормали к S внешнюю нормаль п. Тогда $jdS
s имеет смысл заряда, выходящего из объема V, ограниченного S, в единицу времени. В силу закона сохранения заряда
где Q = \pdV — заряд в объеме V. v Таким образом,
Используя теорему Остроградского - Гаусса, получаем
А'
-
9
Р
div / =——. J dt
34
Данное уравнение называется уравнением непрерывности для вектора плотности тока. В условиях стационарности р = const, и тогда из уравнения непрерывности получается условие стационарности тока: divj = 0. Оно означает, что поле вектора j не имеет точечных источников, а его линии замкнуты сами на себя.
§ 2. Закон Ома в локальной форме. Правила Кирхгофа
Из школьного курса физики известен закон Ома в интегральной форме:
справедливый для достаточного широкого класса проводящих сред, пусть даже и в ограниченном интервале параметров существования сред. Возьмем однородный проводник длиной / , проводимостью ст = 1 / р, сечением S, имеющий сопротивление
~ а ~S'
Наложим на него условие квазилинейности, состоящее в том, что поперечными размерами
проводника
можно
пренебречь
по
сравнению
с
продольными
2 г~ (V51 «О. Это условие позволит считать, что интеграл U = \(Е + Естор) dl
не
зависит от выбора точек 1 и 2 на двух сечениях проводника. Тогда закон IR = U можно переписать в виде
35
Так как J | Я
dl ,то dl = ndl, и тогда
Это и есть закон Ома в локальной форме. Его преимущество перед законом Ома в интегральной форме состоит в том, что он приложим для любой точки проводящей среды и связывает характеристику тока j с характеристиками электрического поля Ё и поля сторонних сил Ёстор в данной точке. В области проводника, где Ё стор = О, 7 = &Ё,
т.е. плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля. Уравнения для стационарного тока теперь можно представить в виде системы div 7 = 0
( условие стационарности ),
7 = ег(Я + Естор)
(закон Ома),
div £Ё = р
( теорема Гаусса для электрического поля ),
rot Е = О
( теорема о циркуляции Ё ).
Уравнению E = -grad(p
или
rot Ё = О
соответствует
Е = -V
условие
потенциальности
поля:
из системы уравнений можно выделить
прежде всего одно:
= 0. Решение этого уравнения позволяет по заданному полю сторонних сил найти распределение потенциала при известных а проводящих сред в цепи электрического тока. Для обычных проводников при не очень больших Е электропроводность а от Ё практически не зависит. В случае однородных сред а не зависит и от
36
координат. Однако в цепи мы имеем дело с системами проводников с различными электропроводностями, соприкасающимися по некоторым границам раздела. "Сшивание" решений в различных областях требует граничных условий. Они получаются из уравнений iotE = Q и div7 = 0. Из первого следует, что пЁ2 = пЁ1 , что эквивалентно непрерывности потенциала. Из второго следует, что n2 - n i и™ непрерывность нормально
составляюще
плотности тока на
границе раздела. Если проинтегрировать условие стационарности div 7 = 0 по малой области V схождения нескольких квазилинейных проводников, то с помощью теоремы
Остроградского - Гаусса по-
лучим первое правило Кирхгофа:
Сумма токов в любом узле цепи равна нулю. По своей сути это правило отражает закон сохранения электрического заряда (какой заряд в единицу времени втекает в узел, такой же из него и вытекает). Если уравнение j = cr(ECTOp - Vp) проинтегрировать вдоль линии тока в однородном квазилинейном проводнике на участке 1 —> 2, то получим
2
2 -. £Й (PI - Ф2) + IE cropdl = J О'я) — i \ a
или, после введения сопротивления,
(<Р\ -
37
Суммируя по всем участкам замкнутого контура в цепи и учитывая при этом, что в замкнутом контуре ^ (^ - q>2 )к = О, получим второе правило Кирхгофа: к
Сумма напряжений в любом контуре цепи равна сумме э д с
в этом контуре
(при этом следует помнить об алгебраическом характере UK £}.
§ 3. Простейшая модель омического сопротивления
В самом общем случае электрический ток в среде создается свободными носителями
заряда
обоих
знаков.
Тогда
плотность
тока
7 = 7+ + 7_ = q+n+u+ + q_n_u_. При выполнимости закона Ома j - <JE очевидно, что и± = К±Е, где коэффициенты пропорциональности К± называются подвижностями соответствующих носителей заряда. В условиях стационарности й± = const, что при наличии сил со стороны электрического поля F± = q+E возможно в предположении наличия механизма, аналогичного внутреннему трению Др = —аи. Истоки этого механизма следует искать в процессе столкновения носителей заряда с узлами решетки в кристаллах или с нейтральными молекулами в газах и в электролитах. Из условия стационарности (и+ = const) вытекает, что для каждого из носителей
FTP + qE = О
или
а Ё = qE,
откуда К ± =q+ / « + , т.е. подвижность каждого из носителей обратно пропорциональна коэффициенту силы трения для него. Таким образом, задача описания электропроводности среды сводится к нахождению из микроскопических
38
соображений коэффициентов трения для носителей заряда. В качестве примера рассмотрим электронную модель металлического проводника, предложенную Друде. В этой модели ионы в узлах решетки полагаются неподвижными, т.е. для них а+ = оо, а значит,^ = 0. Электроны, составляющие электронный газ, уподобляемый идеальному газу, ускоряются полем Ё , но при каждом столкновении с ионом решетки полностью теряют свою энергию, а, следовательно, и скорость дрейфа. Если средняя длина пробега электрона < Я >, то среднее время пробега < г>= - , где v0 = — — - средняя скорость теплового движеv0 V лт
ния электрона. (В силу малого значения скорости дрейфа v = v0 + и « v0). Тогда средняя скорость дрейфа на длине пробега
2
2
2т
а плотность электронного тока
2
пе < т > j = еп < и >= - Е = сгЕ. 2 m
Отсюда
2
а-
пе <т>
1
пе <Л>
1
пе
2m
Напомним, что в модели Друде полагалось и « v0 или eEl « kET. Поэтому модель не состоятельна в области низких температур и при сильных электрических полях. Однако и при обычных условиях модель дает иную зависимость а (Т) для металлов, чем это следует из опыта (сг ~ 1 / Т).
39
§ 4. Перенос энергии в электрической цепи и ее превращение
Из школьного курса физики можно составить себе представление о том, что в электрической цепи энергия переносится по проводникам потоком электронов и при наличии в цепи только омических сопротивлений она превращаетf\ ся в тепловую в соответствии с законом Джоуля - Ленца Q — / R A t.
Прежде всего перейдем к локальной форме этого закона. Используем уже известные соотношения для стационарного тока в однородном проводнике I = jS = crES
и
R = l/oS. Тогда
O = cr2E2S2 —-M =
Откуда удельная тепловая мощность
Руд
Это и есть выражение закона Джоуля - Ленца в локальной форме: тепловая мощность тока в данной точке пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Для решения
вопроса
о
характере
электрической
энергии
в
цепи
переноса
следует
обра-
титься к выражению вектора Умова - Пойнтинга для электромагнитного поля 5 = |£1Я|. Из рисунка
видно,
плотность
потока
что
вектор
Пойнтинга,
электромагнитной
направлен внутрь проводника.
Это
т.е.
энергии, означает,
I
что энергию в проводник на любом его участке приносит бегущее вдоль проводника электромагнитное поле. В области действия сторонних сил Ё имеет противоположное направление, а Н направление не меняет. Потому здесь век-
40
тор Пойнтинга направлен не вовнутрь, а наружу. Это означает , что источником электромагнитной энергии является поле сторонних сил. Через боковую поверхность
проводника
Sl - 2тш1
за . At
переносится
энергия
поля
W = S 2тш1 At = ЕН 2тш1 At. Учтем, что для прямолинейного проводника на его поверхности Н = 11 (2тю). Тогда
Q = W = Я— 2ш1 At = EjS0 /А/ = о-Е2 VAt. 2тш или для удельной мощности
О
Руя = <тЕ", что совпадает с законом Джоуля -
Ленца. Таким образом, к любому участку цепи энергия от источника тока приносится бегущим вдоль проводника в окружающем пространстве электромагнитным полем. И, наконец, решим вопрос о перераспределении мощности в цепи с локализованным в ее части полем сторонних сил. Пусть сопротивление этой области (источника) г, а сопротивление внешней цепи R. Тогда полная мощность в цепи, выделяемая за счет работы сторонних сил, Р0 = / 8. Ток в цепи может ме-
няться при изменении R от <х> до 0 от 0 до /кз —£ /г . Поэтому максимальная
полная мощность Р™ах - 8 2/г определяется только характеристиками источни-
2
ка. Мощность, выделяемая внутри источника, Pl =I r, а ее максимальное значение будет при /кз и равно P}max = Р™ах = 8 2/г. Во внешней цепи выделяется
мощность
/=0
Р2=Р0 — Р1=1£ -
f\ 1г.
Она
принимает
нулевые
значения
при
ах
и / = /кз и максимальна при / = /кз / 2. Максимальное значение Р™
=
ё"1(4г\ т.е. в четыре раза меньше максимально возможной мощности источника.
41
}? А
1,0
0,5
КПД электрической цепи
_Р2 _1е-Гг _e-Ir _U TJ — — — — Tj J f> £» f 6 b lt г о -
или иначе
R R+r
При выделении Р™* R = r, поэтому ц = 0,5. Обратим также внимание на то, что
одну
/! < /кз / 2
и ту же (Rl > г)
мощность и
можно
Р2
при /2 > /кз
получить
при
двух
токах
(Я2 < г)- Режиму с /j (R{ > г) соответству-
ет больший КПД. Поэтому этот режим (R > г) является наиболее оптимальным режимом эксплуатации источника тока.
42
Приложение 1
Математическое описание физических полей
Под физическим полем понимается возмущенное состояние пространства, окружающего любой источник силового взаимодействия: гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного ядерных. Соответственно говорят о наличии гравитационного или электромагнитного поля, поля слабых или сильных ядерных сил. В более широком смысле в физике часто говорят о поле температур, поле скоростей и других величин, понимая под этим пространственное распределение соответствующей величины в данный момент времени. Различают скалярные поля (например, поле температур) и векторные поля (например, поле скоростей). Если характеристики поля не зависят от времени, его называют статическим полем. Для описания физических полей применяются вводимые ниже математические понятия, имеющие весьма наглядный геометрический смысл.
1°. Циркуляция векторной функции
Циркуляцией
векторной
функции L
F по замкнутому контуру L называется скалярная величина Г, численно равная криволинейному интегралу от касательной составляющей этой функции по данному контуру (рис.П 1.1):
Рис. П1.1.
(П1.1)
43
Важнейшим свойством циркуляции является ее аддитивность: циркуляция произвольной векторной функции по любому контуру равна сумме циркуляции этой функции по всем малым контурам, на которые можно разбить исходный контур, т.е. N
(П1.2)
Действительно, разбив линией АВ исходный контур на два контура L\ и L2, видим, что L
=
\FdL В
L
Так как А
В
\Fdl = -\Fd~l, Рис. П1.2.
в
А
то для случая N=2 свойство доказано. Для произвольного N оно обобщается методом математической индукции.
2°. Поток векторной функции
—. F
Потоком векторной индукции
F
через
по-
верхность S называется скалярная величина численно равная поверхностному интегралу от нормальной составляющей этой функции по данной поверхности (рис. П 1.3):
(П1.3) Рис. П1.3.
Потоку присуще свойство аддитивности только в том случае, если поверхность замкнутая: поток произвольной вектор-
44
ной функции через любую замкнутую поверхность равен сумме потоков этой функции через все малые замкнутые поверхности, на которые можно разбить исходную поверхность, т.е. N
dS = Z n i=l
§FdS.
(П.1.4)
Действительно, разбив поверхностью D
исходную
поверхность
S
на
две
замкнутые поверхности S\ и 52, видим, что
§FdS + $FdS = §FdS 5, S2 S
D
D
Так как dS2 Т i- d$l , то
\FdSl=-\FdS2, D D
Рис. П1.4.
и для N=2 свойство доказано. На произвольное N его можно обобщить, применяя метод математической индукции.
3°. Градиент скалярной функции
Градиентом ^>(jc,>>,z)
скалярной
называется
правление
которого
вектор в
'г- 9 (х,у)
функции grad#>,
данной
на-
точке
(x,y,z) совпадает с направлением наискорейшего роста функции, а модуль равен наклону поверхности, отображающей эту функцию, в указанном направлении (рис. П1.5).
Рис. П1.5.
45
На рис.П 1.5 сказанное в определении проиллюстрировано для случая функции двух переменных ср(х,у}, причем |grad#? = tga. Для функции трех переменных
, ~ ~ grad
(П1.5)
4°. Дивергенция векторной функции. Теорема Остроградского - Гаусса
Дивергенцией векторной функции
на-
F
F
зывается скалярная величина dS.
рав-
divF,
ная в данной точке пространства пределу отношения
потока
произвольную ность Si, объему
этой
малую
функции
замкнутую
окружающую
данную
через
поверхточку,
к
Vi9 охватываемому указанной по-
верхностью, при устремлении этого объема Рис.Ш.6.
к нулю (рис. Ш .6):
div F - lim
— I FdSf. l
(П1.6)
Используя понятие предела функции, (П1.6) можно записать иначе:
divF =
Отсюда
s
v
Выражение (Ш .7) составляет содержание теоремы Остроградского - Гаусса:
46
Поток векторной функции F
через произвольную замкнутую по-
верхность S равен объемному интегралу от дивергенции этой функции по объему F, охватываемому взятой поверхностью S.
5°. Ротор векторной функции. Теорема Стокса dS
Ротором векторной функции
F
на-
зывается векторная величина, модуль которой в данной точке пространства равен
L.
пределу отношения циркуляции этой функции по произвольному малому контуру Li , охватывающему данную точку, к площади Si
поверхности,
стягиваемой
„, Рис. П1.7.
указанным
контуром, при ее устремлении к нулю, а направление совпадает с направлением положительной нормали к рассматриваемой поверхности при условии, что указанный предел принимает максимальное значение (рис.Ш .7):
(rot F)« = K m
r
i
t
.
(П1.8)
Используя понятие предела функции, (Ш .8) можно представить в виде
rotF
d ' dS^
откуда
L
S
Выражение (Ш .9) составляет теорему Стокса:
47
Циркуляция векторной функции F по некоторому замкнутому контуру L равна потоку ротора этой функции через произвольную поверхность S, стягиваемую взятым контуром L.
6°. Оператор "набла"
Оператором V (набла) называется векторный дифференциальный оператор, компоненты которого являются частными производными по координатным осям: V = i— + J~ + k—. дх. ду dz
(ШЛО)
В векторном анализе доказывается, что
divF = VF, rotF = [VF]. Применяя свойства скалярного и векторного произведения векторов, можно записать div rot F = V • [ VFJ - 0, так как V_L [VFJ.
rot rot F = [v[VFJ] = (FV) V - (VV)F + V(VF) - F(VV),
(П1 .14)
—* — >о Замечая, что FV = 0, F(VV) = 0, и вводя оператор Лапласа V = А (лапласиан),
получаем: rot
rotF = grad
divF-AF.
Использованная литература 1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. — М.: Наука, 1988. — 496 с. 2. Берклеевский курс физики. Т. 2. — М.: Наука, 1971. — 448 с. 3. Фейнмановские лекции по физике. Т. 5. — М.: Мир, 1977. — 302 с.
48
(П1.15)
Ю.В. ПСИГИН, М.Ю. ОБШИВАЛКИН
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Ульяновск
1999
Р.А.БРШ В. М, ПРОЮФЬЕВ
ИЗДАННЫЕ-ЛЕКЦИИ ПО 4.2.
Электричество и магнетизм
Ульяновск
1999