Fizyka doświadczalna - elektromagnetyzm

Program wykładu: 1.Ładunek elektryczny ■ Ziarnista struktura ładunków ■ Prawo zachowania ładunku ■ Niezmienność ładunku ■ Prawo Coulomba i przenikalność dielektryczna próżni ■ Natężenie pola elektrycznego ■ Strumień pola elektrycznego ■ Prawo Gaussa, pole elektrostatyczne kuli, płaszczyzny i nitki nieskończenie długiej. 2. Pole elektrostatyczne ■ Zachowawczość pola ■ Potencjał pola elektrostatycznego ■ Napięcie ■ Praca a potencjał ■ Natężenie pola jako ujemny gradient potencjału ■ Siła działająca na ładunek powierzchniowy ■ Zmiana natężenia pola elektrostatycznego po przejściu przez naładowaną warstwę ■ Energia pola elektrostatycznego ■ Energia układu ładunków. 3. Różniczkowa postać prawa Gaussa ■ Równanie Poissona ■ Równanie Laplace'a ■ Twierdzenie o jednoznaczności rozwiązania równania Laplace’a ■ Przewodniki w polu elektrostatycznym ■ Natężenie pola przy powierzchni naładowanego przewodnika ■ Pojemność elektryczna ■ Pola ładunków poruszających się - zmiany składowych natężenia pola. 4. Środek rozkładu ładunku ■ Momenty rozkładu ładunku - monopol, dipol, kwadrupol ■ Dipol elektryczny w polu jednorodnym i niejednorodnym ■ Pole dipola - potencjał i natężenie ■ Energia oddziaływania dwóch dipoli. 5. Materia w polu elektrycznym ■ Przewodniki i izolatory ■ Polaryzowalność atomowa i cząsteczkowa ■ Gęstość polaryzacji ■ Polaryzacja dielektryka ■ podatność elektryczna i stała dielektryczna względna ■ Pole elektryczne w spolaryzowanej płycie płasko - równoległej oraz w kuli ■ Równania elektrostatyki w dielektrykach ■ Wektor przesunięcia D ■ Dielektryk ze stałymi elektrycznymi momentami dipolowymi ■ prawo Curie i Curie-Weissa ■ Dielektryk z indukowanymi elektrycznymi momentami dipolowymi ■ Związek podatności elektrycznej materii z polaryzowalnością atomową (równanie Clausiusa-Mossotiego) ■ Ferroelektryki ■ Elektrety ■ Piezo- i piroelektryczność, elektrostrykcja ■ Pole elektryczne na powierzchniach granicznych dielektryków ■ gęstość energii pola elektrycznego.

6. Prąd elektryczny ■ Natężenia prądu ■ Wektor gęstości prądu ■ Równanie ciągłości ■ Klasyczny model przewodnictwa elektrycznego ■ Ruchliwość ładunków ■ Prawo Ohma w postaci polowej ■ Prądy stacjonarne i niestacjonarne ■ Prądy ograniczone ładunkiem przestrzennym ■ Prawa Kirchoffa ■ Siła elektromotoryczna ■ Zależność temperaturowa oporu metali. 1. Pole magnetyczne ■ Siła Lorentza ■ Podstawowe zjawiska elektromagnetyzmu ■ Prąd elektryczny jako źródło pola magnetycznego ■ Prawo Biota-Savarta ■ Prawo Ampera w postaci całkowej i różniczkowej ■ Pola magnetyczne wybranych konfiguracji przewodników z prądem ■ Potencjał wektorowy pola magnetycznego. 2. Zjawisko indukcji magnetycznej ■ Prawo indukcji Faradaya ■ Prądy indukcyjne ■ Siła elektromotoryczna indukcji ■ Reguła Lenza ■ Prądy wirowe ■ Zjawisko indukcji wzajemnej ■ Zjawisko samoindukcji ■ Prądy niestacjonarne ■ Prąd przesunięcia ■ Równania Maxwella. 3. Magnetyczny moment dipolowy ■ Momenty magnetyczne atomów i jąder ■ Magneton Bohra i magneton jądrowy ■ Siły wynikające z prawa Lorentza i Biota- Savarta, przykłady ■ Prądy polaryzacyjne w dielektrykach, a I prawo Maxwella ■ Magnetyczne własności materii ■ Wektor magnetyzacji M ■ Zależność pomiędzy wektorem magnetyzacji a prądami związanymi (molekularnymi) ■ Wektor natężenia pola magnetycznego H ■ Zdolność magnetyzacji materii ■ Podatność magnetyczna ■ Diamagnetyki, paramagnetyki i ferromagnetyki ■ Histereza magnetyczna ■ Zachowywanie się wektora B i H na powierzchniach granicznych.

Literatura: 1.C. Bobrowski Fizyka – krótki kurs, WNT, Warszawa D.J. Griffith, Podstawy elektrodynamiki, PWN, Warszawa, J. Massalski, M. Massalska, Fizyka dla inżynierów, WNT, Warszawa J. Orear, Fizyka, WNT, Warszawa E.M. Purcell, Elektryczność i magnetyzm, PWN, Warszawa R. Resnick, D. Halliday, Fizyka, t. I, II, PWN, Warszawa S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, PWN, Warszawa A. Hennel, W. Krzyżanowski, W. Szuszkiewicz, K. Wódkiewicz, Zadania i problemy z fizyki, PWN, Warszawa A.N. Kucenko, J.W. Rublew Zbiór zadań z fizyki dla wyższych uczelni technicznych, PWN, Warszawa R. Sikora, K. Chłędowska, Wybrane problemy fizyki z rozwiązaniami cz. II, Oficyna Wydawnicza PRz, Rzeszów W.S. Wolkensztejn, Zbiór zadań z fizyki, PWN, Warszawa 1974.

Warunki zaliczenia przedmiotu: Zaliczenie wykładu – na podstawie obecności Zaliczenie ćwiczeń – warunki poda prowadzący ćwiczenia Egzamin – forma pisemna: pytania problemowe + zadania + opracowanie jednego z podanych tematów Ocena = 0,3 * ocena z ćwiczeń + 0,7*ocena z egzaminu

Ładunek elektryczny Natura ładunku jest ziarnista, kwantowa Cała materia zbudowana jest z cząstek elementarnych o ładunku ujemnym, ładunku dodatnim i cząstek elektrycznie obojętnych. Ładunek punktowy punkt materialny obdarzony różnym od zera ładunkiem elektrycznym

Zasada zachowania ładunku – sumaryczny ładunek układu odosobnionego jest wielkością stałą (algebraiczna suma ładunków w układzie izolowanym jest stała i nie zmienia się w czasie) Prawo niezmienności ładunku elektrycznego - wartość ładunku elektrycznego nie zależy od jego prędkości i jest taka sama we wszystkich układach inercjalnych. foton przed po e+e+ e-e-

Pole elektrostatyczne – mówimy, że w pewnym obszarze istnieje pole elektrostatyczne, jeżeli na każdy ładunek umieszczony w tym obszarze działa siła proporcjonalna do wielkości tego ładunku Źródłem pola są ładunki elektryczne – pole źródłowe. Ładunek wytwarza pole w otaczającej go przestrzeni i dopiero te pole działa na pozostałe ładunki. Pole elektrostatyczne

+q +Q Prawo Coulomba – oddziaływanie pomiędzy ładunkami punktowymi dla próżni

Dla ośrodka materialnego Przenikalność względna ośrodka – wskazuje ile razy przenikalność bezwzględna ośrodka jest większa od przenikalności próżni

Przenikalność względna dielektryków Rodzaj dielektryka Przenikalność elektryczna względna  r olej transformatorowy2  2,5 Amoniak (-34ºC – ciecz)22 Chlorek sodu6 porcelana6  8 szkło3,1  4,4 Powietrze, para wodna1 Woda (ciecz)80

Wielkości charakteryzujące pole elektrostatyczne dla ładunku punktowego Wektor natężenia pola elektrostatycznego Potencjał pola elektrostatycznego dla ładunku punktowego

Linie pola - tory do których styczne pokrywają się w każdym punkcie z wektorem natężenia. Kierunek jest określony przez zwrot wektorów natężenia, czyli zwrot sił działających na ładunki dodatnie. Linie te mają początek i koniec - nie są to linie zamknięte. ładunek próbny – mały, tak by nie zaburzał pola, które „mierzy” i dodatni

Linie pola ładunków punktowych q0q0

Pole jednorodne - pole, w którego wszystkich punktach wektor natężenie pola jest jednakowy ma taką samą wartość, kierunek i zwrot linie sił są równoległe. kondensator płaski pole jednorodne Pole pochodzące od ładunku punktowego nie jest jednorodne!!!.

Zasada superpozycji - natężenie pola elektrostatycznego dowolnym punkcie jest sumą wektorową natężeń pól w tym punkcie, pochodzących od każdego z ładunków

Linie pola elektrycznego i powierzchnie ekwipotencjalne układu ładunków punktowych. Im większe zagęszczenie linii sił, tym natężenie pola elektrostatycznego jest większe.

Przykłady linii pola elektrostatycznego

Strumień pola Φ E Strumień pola jest proporcjonalny do liczby linii pola elektrostatycznego przechodzących przez daną powierzchnię A wektor A – długość pole powierzchni kierunek  do powierzchni zwrot wychodzi z powierzchni

Strumień pola elektrycznego przez dowolną powierzchnię

Strumień pola przez powierzchnię zamkniętą znajdującą się w zewnętrznym polu elektrycznym Zamknięta powierzchnia dzieli przestrzeń na dwa obszary – wewnątrz i na zewnątrz powierzchni dA jest zawsze prostopadły do powierzchni i skierowany na zewnątrz strumień przechodzący przez powierzchnię zamkniętą jest równy zeru – linie pola, które wchodzą do powierzchni muszą ją opuścić.