Программа курса общей физики (экспериментальный поток, осень 2009 г.)

Лекция 1
Электромагнитное взаимодействие. Его место среди других взаимодействий в природе. Классификация случаев (по Зоммерфельду). Роль моделей в физике. Разновидности моделей: абстрактная, физическая, математическая, компьютерная, демонстрационная. Безразмерный параметр как критерий правильности выбора абстрактной модели.
Электрический заряд. Линейная, поверхностная и объемная плотность электрического заряда. Микроскопические носители заряда. Опыт Милликена. Закон сохранения заряда.

Лекция 2
Электростатика. Закон Кулона. Его полевая трактовка. Вектор напряженности электрического поля. Силовые линии электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей.
Вектор электрической индукции. Поток вектора электрической индукции. Теорема Остроградского – Гаусса. Её представление в дифференциальной форме. Примеры применения теоремы.

Лекция 3
Работа сил электростатического поля. Потенциальность электростатического поля. Потенциал. Нормировка потенциала. Связь потенциала с вектором напряженности электростатического поля. Эквипотенциальные точки и эквипотенциальные области. Свойства эквипотенциальных точек.
Циркуляция вектора напряженности электрического поля. Теорема о циркуляции. Её представление в дифференциальной форме. Уравнения Лапласа и Пуассона. Роль граничных условий.

Лекция 4
Электрический диполь. Поле диполя. Потенциал поля диполя. Понятие о диполь-дипольном взаимодействии.
Проводники в электростатическом поле. Напряженность поля у поверхности и внутри проводника. Распределение заряда по проводнику. Проводящий шар в однородном электростатическом поле. Электростатическая защита. Заряд и поле Земли.

Лекция 5
Электроёмкость. Простой конденсатор. Ёмкость плоского, сферического и цилиндрического конденсаторов. Емкость батареи конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора.
Диэлектрики. Свободные и связанные заряды. Вектор поляризации. Связь вектора поляризации со связанными зарядами.

Лекция 6
Вектор электрической индукции в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость вещества. Материальное уравнение для векторов электрического поля.
Теорема Остроградского – Гаусса для случая диэлектриков. Её дифференциальная форма. Граничные условия для векторов напряженности и электрической индукции. Закон преломления линий индукции. Диэлектрический шар в однородном электрическом поле.

Лекция 7
Векторы напряженности и индукции электрического поля в продольной и поперечной узких полостях в однородном диэлектрике. Принципиальные методы определения векторов напряженности и индукции электрического поля в диэлектрике.
Энергия системы электрических зарядов. Энергия взаимодействия и собственная энергия. Энергия электростатического поля. Ее объемная плотность.

Лекция 8
Пондеромоторные силы в электрическом поле. Методы их вычислений. Связь пондеромоторных сил с энергией системы зарядов.
Электронная теория поляризации диэлектриков. Локальное поле. Неполярные диэлектрики. Формула Клаузиуса – Моссотти. Полярные диэлектрики. Функция Ланжевена. Поляризация ионных кристаллов.

Лекция 9
Электрические свойства кристаллов. Пироэлектрики. Пьезоэлектрики. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Применение пьезоэффекта.
Сегнетоэлектрики. Их основные свойства. Сегнетоэлектрические домены. Гистерезис. Зависимость диэлектрической проницаемости и диэлектрической восприимчивости сегнетоэлектрика от напряженности поля.

Лекция 10
Точка Кюри сегнетоэлектрика. Классификация фазовых переходов по Эренфесту. Сегнетоэлектрические фазовые переходы первого и второго рода. Применение сегнетоэлектриков.
Постоянный электрический ток. Направление электрического тока. Сила и плотность тока. Линии тока и трубки тока. Электрическое поле в проводнике с током и его источники. Условие стационарности тока.

Лекция 11
Закон Ома для участка цепи. Электрическое напряжение и разность потенциалов. Падение напряжения. Электросопротивление. Удельное электросопротивление и удельная электропроводность вещества. Дифференциальная форма закона Ома.
Ток в сплошной среде. Уравнение непрерывности. Граничные условия для вектора плотности тока. Закон преломления линий тока.

Лекция 12
Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца. Его дифференциальная форма. Закон сохранения энергии для цепей постоянного тока.
Сторонние силы. Примеры сторонних сил. Напряженность поля сторонних сил. Электродвижущая сила. Закон Ома для замкнутой цепи. Показания вольтметра, подключенного к участку цепи постоянного тока.

Лекция 13
Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Метод контурных токов. Простые контуры. Примеры применения правил Кирхгофа.
Магнетизм. Взаимодействие токов. Элемент тока. Закон Ампера. Его полевая трактовка. Векторы напряженности и индукции магнитного поля.

Лекция 14
Закон Био – Савара – Лапласа. Примеры его применения.
Теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля. Примеры ее применения. Дифференциальная форма теоремы о циркуляции. Вихревой характер магнитного поля.

Лекция 15
Понятие о векторном потенциале. Связь векторного потенциала с напряженностью магнитного поля. Аналогия векторного и скалярного потенциалов. Примеры использования векторного потенциала.
Пондеромоторные силы в магнитном поле. Определение единицы силы тока – ампера. Потенциальная функция тока. Ее связь с пондеромоторными силами и моментами сил.

Лекция 16
Элементарный ток и его магнитный момент. Поле элементарного тока. Элементарный магнитный момент в магнитном поле. Понятие о магнитном диполь-дипольном взаимодействии.
Магнитное поле движущегося заряда. Сила Лоренца. Эффект Холла.

Лекция 17
Электромагнитная индукция. Поток вектора магнитной индукции. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца. Дифференциальная форма закона электромагнитной индукции.
Баллистический метод измерения магнитной индукции. Пояс Роговского. Измерение им магнитного напряжения. Токи Фуко.

Лекция 18
Квазистационарные токи. Критерий квазистационарности. Явление самоиндукции. Коэффициент самоиндукции (индуктивность). Экстратоки замыкания и размыкания.
Явление взаимной индукции. Коэффициент взаимной индукции. Магнитная энергия совокупности контуров с током.

Лекция 19
Магнитная энергия тока. Магнитная энергия системы контуров с током. Энергия магнитного поля. Ее объемная плотность.
Магнетики. Понятие о молекулярных токах. Вектор намагниченности. Его связь с молекулярными токами. Вектор магнитной индукции в веществе. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость вещества. Материальное уравнение для векторов магнитного поля.

Лекция 20
Граничные условия для векторов напряженности и индукции магнитного поля. Закон преломления линий индукции. Магнитная защита. Влияние формы магнетика на его намагниченность.
Векторы напряженности и индукции магнитного поля в продольной и поперечной узких полостях в однородном магнетике. Принципиальные методы определения векторов напряженности и индукции магнитного поля в магнетике.

Лекция 21
Классификация веществ по магнитным свойствам. Выбор классификационного признака. Разновидности магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики, неколлинеарные магнетики, аморфные магнетики и спиновые стекла, суперпарамагнетики.
Ферромагнетики. Их основные свойства. Ферромагнитные домены. Гистерезис. Остаточная индукция. Коэрцитивная сила. Зависимость магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости ферромагнетика от напряженности магнитного поля.

Лекция 22
Температурная зависимость намагниченности ферромагнетика. Точка Кюри. Классификация фазовых переходов по Эренфесту. Магнитные фазовые переходы первого и второго рода. Применение магнитных материалов.
Объяснение диамагнетизма. Ларморова прецессия. Объяснение парамагнетизма по Ланжевену. Функция Ланжевена. Природа ферромагнетизма.

Лекция 23
Микроскопические носители магнетизма. Гиромагнитные опыты. Магнитомеханический опыт Эйнштейна – де-Гааза. Механомагнитный опыт Барнетта. Гиромагнитное отношение.
Электромагнитные колебания. Простой колебательный контур. Собственные колебания в контуре. Уравнение гармонических колебаний. Его решение. Амплитуда и фаза колебаний. Энергия гармонических колебаний.

Лекция 24
Затухающие колебания в контуре. Уравнение затухающих колебаний. Его решение. Частота затухающих колебаний. Показатель затухания. Время релаксации. Логарифмический декремент затухания. Добротность контура.
Вынужденные колебания в контуре. Процесс установления вынужденных колебаний. Резонанс. Напряжения и токи при резонансе. Ширина резонансной кривой. Работа источника тока при резонансе.

Лекция 25
Свободные колебания в связанных контурах. Парциальные колебания. Парциальные частоты. Нормальные колебания (моды). Нормальные частоты. Нормальные колебания и число степеней свободы.
Переменный синусоидальный ток. Фазовый сдвиг между током и напряжением для элементов цепи (сопротивление, емкость, индуктивность). Емкостное сопротивление. Индуктивное сопротивление. Импеданс. Закон Ома для цепей переменного тока. Правила Кирхгофа для цепей переменного тока.

Лекция 26
Резонанс напряжений. Резонанс токов. Векторные диаграммы для этих случаев.
Работа и мощность переменного тока. Эффективные значения тока и напряжения.

Лекция 27
Фильтры. Коэффициент пропускания фильтра. Низкочастотные и высокочастотные фильтры. RC- и RL- фильтры. Резонансный фильтр.
Трехфазный ток. Генератор трехфазного тока. Фазное и линейное напряжения. Роль нулевого провода. Соединение обмоток "звездой" и "треугольником".

Лекция 28
Трансформатор. Его устройство, принцип действия, применение. Роль сердечника. Коэффициент трансформации. Повышающий и понижающий трансформаторы. Высокочастотные токи. Скин-эффект. Толщина скин-слоя.
Ток проводимости и ток смещения. Взаимные превращения электрического и магнитного полей. Основные положения теории Максвелла.

Лекция 29
Система уравнений Максвелла как обобщение опытных данных. Интегральная и дифференциальная форма уравнений Максвелла.
Электромагнитные волны. Волновое уравнение. Его решение. Скорость распространения электромагнитных волн. Поперечность электромагнитных волн. Вектор Умова – Пойнтинга.

Лекция 30
Стоячие электромагнитные волны. Уравнение стоячей волны. Роль граничных условий. Моды. Волновое число. Течение энергии в стоячей волне.
Основные положения классической электронной теории. Опыт Толмена и Стюарта. Законы Ома, Джоуля – Ленца и Видемана – Франца в электронной теории. Трудности классической электронной теории.

Лекция 31
Понятие о зонной теории твердых тел. Энергетические уровни и формирование энергетических зон. Принцип Паули. Функция Ферми – Дирака. Особенности зонной структуры металлов, полупроводников, диэлектриков. Объяснение проводимости твердых тел с помощью зонной теории.
Полупроводники. Их основные свойства. Зависимость электросопротивления полупроводника от температуры. Собственная и примесная проводимость. Полупроводники n- и p-типа. Доноры и акцепторы. Выпрямляющее действие pn-перехода. Фотосопротивление и фотодиод. Транзисторы.

Лекция 32
Контактные явления. Контактная разность потенциалов. Термоэлектричество. Термоэлектродвижущая сила. Термопара. Термобатарея. Эффект Пельтье. Эффект Томсона.
Сверхпроводимость. Основные свойства сверхпроводников. Магнитная индукция внутри сверхпроводника. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость сверхпроводника. Эффект Мейснера. Критическое поле. Высокотемпературная сверхпроводимость. Применение сверхпроводников.

2. Темы семинаров по курсу "Электричество и магнетизм"

Семинары 1–2.
Электростатическое поле. Закон Кулона и принцип суперпозиции. Напряженность электрического поля. Теорема Остроградского – Гаусса.

Семинар 3.
Работа сил электростатического поля. Потенциал. Электрический диполь и его поле.

Семинар 4.
Уравнения Пуассона и Лапласа в задачах электростатики.

Семинары 5–6.
Проводники в электростатическом поле. Метод зеркальных изображений. Заряд и поле Земли.

Семинар 7.
Электроемкость. Простой конденсатор. Емкость плоского, сферического и цилиндрического конденсаторов. Соединения конденсаторов. Сложные конденсаторы.

Семинар 8.
1-я контрольная работа.

Семинары 9–10.
Диэлектрики в электростатическом поле. Граничные условия. Их графическое представление. Локальное электрическое поле.

Семинары 11–12.
Энергия электрического поля. Методы ее вычисления. Пондеромоторные силы в электрическом поле.

Семинары 13–14.
Расчет цепей постоянного тока. Правила Кирхгофа. Метод контурных токов. Токи в сплошных средах.

Семинары 15–16.
Магнитное поле проводников с током. Закон Био – Савара – Лапласа и принцип суперпозиции. Теорема о циркуляции. Векторный потенциал.

Семинар 17.
2-я контрольная работа.

Семинар 18.
Сила Ампера. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в электромагнитных полях.

Семинар 19.
Закон электромагнитной индукции. Самоиндукция и взаимная индукция контуров с током.

Семинар 20.
Магнетики в постоянном магнитном поле. Граничные условия. Их графическое представление. Локальное магнитное поле.

Семинар 21.
Энергия магнитного поля. Методы ее вычисления. Пондеромоторные силы в магнитном поле.

Семинар 22.
Фазовые переходы 1-го и 2-го рода в твердых телах. Их графическое представление.

Семинар 23.
Переходные процессы в электрических цепях.

Семинар 24.
Расчет цепей переменного тока. Метод комплексных амплитуд. Метод векторных диаграмм. Фильтры.

Семинар 25.
Свободные и вынужденные электрические колебания в контурах. Резонанс напряжений и токов.

Семинар 26.
3-я контрольная работа.

3.1. Основная литература.

1. А.Н. Матвеев. Электричество и магнетизм. М.: Высшая школа, 1983.

2. С.Г. Калашников. Электричество. М.: Наука, 1985.

3. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Т. 3. Электричество. М.: Наука, 1983.

3.2. Дополнительная литература.

1. И.Е. Тамм. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989.

2. Э. Парселл. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1975.

3. Н.Н.Брандт, Г.А.Миронова, A.M.Салецкий. Электростатика в вопросах и задачах. Пособие по решению задач. М.: Физический факультет МГУ, 2007.

3.3. Дополнительная литература.

1. Сборник задач по общему курсу физики. Электричество и магнетизм. Под ред. И.А.Яковлева. М., Наука, 1988.

2. И.Е. Иродов. Задачи по общей физике. М.: Наука, 1988.

3. Л.И. Антонов, Л.Г. Деденко, А.Н. Матвеев. Методика решения задач по электричеству. М.: Изд-во МГУ, 1982.