Раздел III. Электромагнитные колебания и волны.

Вопросы для самопроверки.

1. Что представляет собой колебательный контур? Какие колебания называются электромагнитными?

2. Выведите формулу Томсона для периода собственных колебаний.

3. Что представляет собой электромагнитная волна? Скорость распространения электромагнитной волны.

4. Что такое диамагнетики и парамагнетики? В чем различие их магнитных свойств?

5. Что такое намагниченность? Какая величина может служить её аналогом в электростатике?

6. Запишите и объясните соотношения между магнитной проницаемостью и восприимчивостью для парамагнетика; для диамагнетика.

7. Запишите соотношение между векторами магнитной индукции, напряжённости магнитного поля и намагниченности.

8. Объясните петлю гистерезиса ферромагнетика. Как по внешнему виду такой петли можно охарактеризовать свойства ферромагнетика?

9. Каков механизм ферромагнетиков? Где их применяют?

10. Какова природа ферромагнетизма. Какую температуру для ферромагнетизма называют точкой Кюри?

11. Что является причиной возникновения вихревого электрического поля? Чем оно отличается от электростатического поля?

12. Чему равна циркуляция вихревого электрического поля?

13. Что собой представляет по существу ток смещения?

14. Выведите и объясните выражение для плотности тока смещения.

15. Запишите полную систему уравнений Максвелла в интегральной форме и объясните физический смысл каждого из уравнений.

16. Запишите полную систему уравнений Максвелла в дифференциальной форме и объясните физический смысл каждого из уравнений.

17. Запишите полную систему уравнений Максвелла для стационарных полей (Е=const,B=const) в интегральной форме и объясните физический смысл каждого из уравнений.

18. Почему постоянные электрические и магнитные поля можно рассматривать обособленно друг от друга? Запишите для них уравнения Максвелла.

19. Почему уравнения Максвелла в интегральной форме являются более общими?

20. Какие основные выводы можно сделать на основе теории Максвелла?

21. Какие процессы происходят при свободных колебаниях в колебательном контуре? Чем определяется их период?

22. Запишите и проанализируйте дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний в контуре.

23. Что такое автоколебания? В чём их отличие от вынужденных и свободных незатухающих колебаний? Где они применяются?

24. Что называется переменным током? Его основные характеристики.

25. От чего зависит индуктивное и ёмкостное сопротивление?

26. Что называется реактивным сопротивлением?

27. Как сдвинуты по фазе колебания переменного напряжения и переменного тока текущие через конденсатор? Ответ обосновать также с помощью векторных диаграмм.

28. Как сдвинуты по фазе колебания переменного напряжения и переменного тока текущие через катушку индуктивности? Ответ обосновать также с помощью векторных диаграмм.

29. Как сдвинуты по фазе колебания переменного напряжения и переменного тока текущие через резистор? Ответ обосновать также с помощью векторных диаграмм.

30. Назовите характерные признаки резонанса напряжений.

31. Как вычислить мощность, выделяемую в цепи переменного тока? Что называется коэффициентом мощности?

32. Что такое электромагнитная волна? Какова скорость её распространения?

33. Что может служить источником электромагнитных волн?

34. Каковы физические процессы, приводящие к возможности существования электромагнитных волн?

35. Почему Герц в своих опытах использовал открытый колебательный контур?

36. Как можно представить себе шкалу электромагнитных волн, и каковы источники излучения разных видов волн?

37. Запишите волновое уравнение для векторов E, Hпеременного электромагнитного поля и объясните физический смысл.

38. Как определяется фазовая скорость электромагнитных волн?

39. Как определить объёмную плотность энергии в электромагнитной волне?

40. В чём заключается физический смысл вектора Умова-Пойтинга? Чему он равен?

41. Принцип работы радиопередатчика и супергетеродинного приёмника.

42. Устройство и принцип действия генератора переменного тока.

43. Что такое переменный ток? Как можно получить переменный ток?

44. Активное сопротивление в цепи переменного тока.

45. Что называется действующим или эффективным значением тока и напряжения переменного тока?

46. Амплитудные значения напряжения на активной нагрузке, на катушке, на конденсаторе.

47. Дать определение активной мощности тока. Что называют коэффициентом мощности?

48. Реактивное сопротивление в цепи переменного тока.

49. Полное сопротивление в цепи переменного тока.

50. Закон Ома для цепи переменного тока.

Качественные задачи.

1. Какое устройство обеспечивает автоматическую перемену направления тока в витках обмотки якоря в электродвигателе постоянного тока?

2. Изменится ли направление вращения якоря электродвигателя постоянного тока, если изменить направление токов, питающих как якорь, так и обмотку электромагнита (см. рис.44)? Почему?

3. Вентилятор пылесоса приводится в движение электродвигателем, подобным по устройству двигателю постоянного тока, хотя пылесос питается от сети переменного тока, который изменяет своё направление 50 раз в секунду. В пылесосе нет устройства, преобразующего переменный ток в постоянный. Подумайте, каким образом двигатель пылесоса может работать на переменном токе.

4. Проводящая рамка перемещается перпендикулярно линиям магнитного поля (рис.45). Наводится ли при этом ток в рамке? Почему? Предположите, что густота линий магнитного поля в пределах рамки везде одинакова.

6. Электродинамический микрофон состоит из кольцевого магнита и обмотки, прикрепленной к мембране. Обмотка может передвигаться по центральному полюсу магнита под действием звуковых колебаний (на рис.47 показан разрез обмотки). Каким образом микрофон преобразует звуковые колебания в колебания электрического тока?

7. Какие стороны рамки, изображённой на рисунке 48, при её вращении пересекают линии магнитного поля? Какие не пересекают? В каких участках рамки создаётся напряжение?

8. Прибор, называемый магнитометром и служащий для измерения силы магнитного поля Земли, состоит из проводящей рамки 1, электромотора, который приводит в движение рамку (рис. 49). Концы рамки присоединены к кольцам, замкнутым на гальванометр 2 спомощью щеток 3. Объясните действие магнитометра.

9.В генераторах переменного тока напряжение обычно создаётся в неподвижной обмотке, а магнитное поле вращается (рис.50). Почему появляется ток в обмотке, хотя она неподвижна? Почему обмотка надевается на сердечник из мягкой стали?

10. В генераторе переменного тока магнитное поле создаётся не одной парой полюсов, а несколькими. Зависит ли частота индуцированного тока в обмотке от числа пар полюсов (рис.51)? Считайте скорость вращения полюсов постоянной.

11. Генераторы, приводимые в движение гидротурбинами, делают многополюсными, а турбогенераторы имеют лишь два полюса. Чем это вызвано?

12. В каком случае легче вращать ротор генератора, когда внешняя цепь разомкнута или замкнута? Почему?

13. Почему сердечник обмотки индуктора генератора постоянного тока должен обладать остаточным магнетизмом?

14. Двигатели некоторых мотороллеров запускают при помощи аккумулятора, хотя у них нет специальных стартёров, как у автомобиля. Как это должно осуществляться?

15. В гидроаккумулирующих электростанциях электрическая машина должна действовать не только как генератор, но и работать в режиме насоса. Роль какой электрической машины должен выполнять генератор в этом случае? Какой ток должен вырабатывать генератор, чтобы легче это было осуществить?

16. В будущем широкое применение найдут магнитогазодинамические генераторы тока, опытные образцы которых уже действуют в. нашей стране. Внутреннюю энергию газа они непосредственно преобразуют в электрическую. Ток в генераторе создается следующим образом. Струя плазмы (так называется газ, молекулы и атомы которого расщеплены вследствие высокой температуры на электроны и положительные частицы) направляется в промежуток между двумя пластинами, находящимися в сильном магнитном поле (рис.52), при этом между пластинами создаётся напряжение. Объясните причину его возникновения. Если замкнуть проводником пластины, то, каково направление тока в цепи генератора при указанном на рисунке расположении магнитного поля?

17. Почему в магнитогазодинамическом (МГД) генераторе к продуктам сгорания добавляют пары металлов, например калия и цезия, атомы которых легко освобождают свои электроны?

18. Измерительными клещами пользуются для определения силы тока в линии без ее разрыва (рис. 53). Прибор имеет амперметр. Для какого тока (постоянного или переменного) предназначены клещи? Объясните, на каких физических законах основано действие прибора.

19. Внутри катушки с переменным током помещено кольцо переднего закалкой (рис.54). Почему нагревается изделие?

Задачи.

1. Колебательный контур, содержащий последовательно соединенные конденсатор и катушку с активным сопротивлением, подключено внешнее переменное напряжение, частоту которого можно менять, не меняя его амплитуды. При частотах внешнего напряжения ω=400рад/с и ω=600рад/с амплитуды силы тока в цепи оказались одинаковыми. Определите резонансную частоту тока.

2. Колебательный контур содержит катушку индуктивностью L=0.1мГн, резистор сопротивлением R=3Ом, а также конденсатор емкостью C=10нФ. Определите среднюю мощность, потребляемую контуром, необходимую для поддержания в нем незатухающих колебаний с амплитудным значением напряжения конденсаторе U=2B.

3. В цепь колебательного контура, содержащего последовательно соединённые резистор сопротивлением R=40Ом, катушку индуктивностью L=0,36Гн и конденсатор ёмкостью С=28мкФ, подключено внешнее переменное напряжение с амплитудным значением U = 180В и частотой ω =3,14рад/с. Определите амплитудное значение силы тока в цепи.

4. В цепь колебательного контура, содержащего последовательно соединённые резистор сопротивлением R=40Ом, катушку индуктивностью L=0,36Гн и конденсатор ёмкостью С=28мкФ, подключено внешнее переменное напряжение с амплитудным значением U=180В и частотой ω=3,14рад/с. Определите сдвиг по фазе между током и внешним напряжением.

5. В цепь колебательного контура, содержащего последовательно соединённые резистор сопротивлением R=9,7Ом, катушку индуктивностью L=0,2Гн и конденсатор ёмкостью С=40мкФ, подключено внешнее переменное напряжение с амплитудным значением U=180В и частотой ω=3,14рад/с. Определите сдвиг по фазе между током и внешним напряжением.

6. В цепь колебательного контура, содержащего последовательно соединённые резистор сопротивлением R=9,7Ом, катушку индуктивностью L=0,2Гн и конденсатор ёмкостью С=40мкФ, подключено внешнее переменное напряжение с амплитудным значением U=180В и частотой ω=3,14 рад/с. Определите амплитудное значение силы тока в цепи.

7. В цепь колебательного контура, содержащего последовательно соединённые резистор сопротивлением R=9,7Ом, катушку индуктивностью L=0,2Гн и конденсатор ёмкостью С=40мкФ, подключено внешнее переменное напряжение с амплитудным значением U= 180В и частотой ω=3,14рад/с. Определите амплитудное значение напряжения на катушке.

8. В цепь колебательного контура, содержащего последовательно соединенные резистор сопротивлением R=9,7Ом, катушку индуктивностью L=0,2Гн и конденсатор ёмкостью С=40мкФ, подключено внешнее переменное напряжение с амплитудным значением U=180В и частотой ω=3,14 рад/с. Определите амплитудное значение напряжения на конденсаторе.

9. В цепь переменного тока напряжением 220В и частотой 50Гц последовательно включены резистор сопротивлением R=100 Ом, катушка индуктивностью L=0,5Гн и конденсатор ёмкостью С=10мкФ. Определить амплитудное значение силы тока в цепи.

10. В цепь переменного тока напряжением 220В и частотой 50Гц последовательно включены резистор сопротивлением R=100 Ом, катушка индуктивностью L=0,5Гн и конденсатор ёмкостью С=10мкФ. Определить амплитудное значение падения напряжения на активном сопротивлении.

11. В цепь переменного тока напряжением 220В и частотой 50Гц последовательно включены резистор сопротивлением R=100 Ом, катушка индуктивностью L=0,5Гн и конденсатор ёмкостью С=10мкФ. Определить амплитудное значение падения напряжения на конденсаторе.

12. В цепь переменного тока напряжением 220В и частотой 50Гц последовательно включены резистор сопротивлением R=100 Ом, катушка индуктивностью L=0,5Гн и конденсатор ёмкостью С=10мкФ. Определить амплитудное значение падения напряжения на катушке.

13. В цепь переменного тока частотой =50Гц включена катушка длиной l=30см и площадью поперечного сечения S=10см², содержащая N=1000 витков. Определите активное сопротивление катушки, если известно, что сдвиг фаз между напряжением и током составляет 30⁰.

14. К зажимам генератора присоединён конденсатор ёмкостью С=0,15мкФ. Определите амплитудное напряжение на зажимах, если амплитудное значение тока равно 3,3А, а частота тока составляет 5кГц.

15. Определите в случае переменного тока с частотой 50Гц полное сопротивление участка цепи, состоящего из последовательно включённого конденсатора ёмкостью С=10мкФ и резистора сопротивлением R=50 Ом.

16. Разность потенциалов на обкладках конденсатора в колебательном контуре изменяется по закону U=50 cos(3140t). Ёмкость конденсатора 0,9мкФ. Найти индуктивность контура, закон изменения со временем силы тока в цепи, а также длину волны, соответствующую этому контуру.

17. В колебательном контуре индуктивность катушки можно изменять от 50 до 500Гн, а ёмкость конденсатора от 10 до 1000пФ. Какой диапазон частот можно получить при настройке такого контура?

18. Найти частоту собственных электрических колебаний в контуре, содержащем катушку индуктивностью 3мГн и конденсатор ёмкостью 2мкФ.

19. Электромагнитные волны распространяются в однородной среде со скоростью 210м/с. Какую длину волны имеют электромагнитные колебания в этой среде, если их частота в вакууме 1МГц?

20. Найти период колебаний контура, излучающего электромагнитную волну, длина волны которой 3км.

21. Определить период колебаний в контуре, содержащем конденсатор ёмкостью и 500пФ катушка индуктивностью 1мГН.

22. Катушка длиной 50см и площадью поперечного сечения 3см² имеет 1000 витков и соединена параллельно с воздушным конденсатором. Конденсатор состоит из двух пластин площадью 75см² каждая. Расстояние между пластинами 5мм. Определить период колебаний полученного контура.

23. Скорость распространения электромагнитных волн в некоторой среде составляет υ=250Мм/с. Определите длину волны электромагнитных волн в этой среде, если их частота в вакууме ν=1МГц.

24. В вакууме вдоль оси x распространяется плоская электромагнитная волна. Амплитуда напряжённости электрического поля волны равна 10В/м. Определите амплитуду напряжённости магнитного поля волны.

Рекомендуемая литература:

учебные пособия

[1] §33; §34; §35; §36; §37; 38; §40; §41; §42.

[2] стр. 67 – 79.

[3] §137 – 139; §149 – 1524 §161; §163.

[4] Глава 17 стр. 156 – 160. Глава 18 стр. 173 – 180. Глава 19 стр. 189 – 193.

[5] §9; §10; §11; §12.1; §12.2.

[6] §32 стр. 359 – 369; §34 стр. 398 – 403.

[7] §92 – 98; §99 – 102; §108; §109.

[8] §122 – 124; §127.

Сборники задач

[9] 14.5; 14.7; 14.11; 14.13.

[10] 3.230; 4.39; 4.40; 4.44; 4.76; 4.77; 4.91; 4.95; 4.101; 4.103; 4.107; 4.111; 4.157; 4.163; 4.164; 4.168.

[12] 26.17; 26.21; 26.22; 26.23.

Литература

Учебные пособия

основные

1. Грабовский Р.И. Курс физики (для сельскохозяйственных институтов): Учебное пособие для вузов. – М.: Высш. шк. ,1980. –607 с.

2. Иващук О.А., Гришина С.Ю. Методическое пособие по физике для студентов инженерных специальностей сельскохозяйственных ВУЗов. Часть II. Электричество и магнетизм. Орел: издательство Орел ГАУ – 2001 г.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. шк., 2000. – 542 с.

4. Трофимова Т.И. Краткий курс физики: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк.; 2000. – 352 с.

дополнительные

5. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Электродинамика. – М.: Просвещение, 1990. – 319 с.

6. Кухлинг Х. Справочник по физике. – М.: Мир, 1982. – 520 с.

7. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука,1973. Т.II. Электричество. – 432 с.

8. Сивухин Д.В. Общий курс физики. – М.: Наука, 1977. Т. III. Электричество. – 687 с.

Сборники задач, рекомендуемые для самостоятельного решения, основные

9. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 1976. – 464 с.

10. Трофимова Т.И., Павлова З.Г. Сборник задач по курсу физики с решениями: Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Высш. шк. 2001. – 591 с.

дополнительные

11. Мясников С.П., Осанова Т.Н. Пособие по физике: Учеб. пособие для подгот. отделений ВУЗов. – М.: Высш. шк. 1988.- 399 с.

12. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике: учеб. Пособие для студентов ВУЗов. – М.: Высш. шк., 1988.- 527 с.

Содержание

Введение. 3

Методические рекомендации. 4

Раздел I. «Электростатика. Постоянный ток». 8

1. Вопросы для самоконтроля. 8

2. Качественные задачи. 11

2.1 Электростатика. 11

2.2. Электрический ток. Источники тока. Закон Ома. 13

2.3.Работа и мощность тока. 21

3. Задачи. 24

3.1. Электростатика. 24

3.1.1. Расчёт конденсаторных цепей. 28

3.2. Задачи на расчёт сопротивления системы проводников при различных их соединениях в электрических цепях и на применение закона Ома. 31

3.3. Задачи на применения правил Кирхгофа. 34

3.4. Работа и мощность постоянного тока. 38

Рекомендуемая литература. 40

Раздел II. Электромагнетизм.. 41

1. Вопросы для самоконтроля. 41

2. Качественные задачи. 43

3. Задачи. 50

4. Задания на применение законов Ампера и электромагнитной индукции, определения направления индукции магнитного поля и силы Лоренца. 54

Рекомендуемая литература: 64

Раздел III. Электромагнитные колебания и волны. 65

1. Вопросы для самопроверки. 65

2. Качественные задачи. 68

3. Задачи. 72

Рекомендуемая литература: 75

Литература. 76