Міністерство освіти і науки України

Український державний університет водного господарства і природокористування

Кафедра фізики

073–90

В.О.Дубчак, М.О.Ковалець,

В.Ф.Орленко, Є.С.Никонюк

З А Г А Л Ь Н А Ф І З И К А

Частина 2. Магнетизм, електромагнітні коливання і хвилі. Оптика, теорія відносності. Елемен- ти атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та еле- ментарних часток.

За редакцією В.О.Дубчака

Рекомендовано

методичною комісією по спеціальності “Гідромеліорація” як конспект лекцій для студентів інженерно-технічних спеціаль-

ностей, заочна форма навчання

Протокол № від 2002р.

Рівне – 2002

В.О.Дубчак, М.О.Ковалець, В.Ф.Орленко, Є.С.Никонюк. Загальна фізика. За редакцією

В.О.Дубчака. Ч. 2. Магнетизм, електромагнітні коливання і хвилі. Оптика, теорія відносності. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток: конспект лекцій,–Рівне: УДУВГП, 2002.–94с.

Укладачі: В.О.Дубчак, кандидат фізико-математичних

наук, доцент;

М.О.Ковалець, кандидат фізико-математич- них наук, доцент;

В.Ф.Орленко, кандидат фізико-математичних

наук, доцент;

Є.С.Никонюк, кандидат фізико-математичних наук, професор

Комп’ютерний набір: В.Д.Віюк

Відповідальний за випуск: В.Ф.Орленко, зав. кафедри фізики, доцент, кандидат фізико-математичних наук

Рецензенти: М.В.Бялик, доцент кафедри фізики, кандидат

фізико математичних наук;

М.В.Яцков, зав. кафедри хімії, професор, кан-

дидат хімічних наук

ЗМІСТ

Передмова

Розділ ІV. Магнетизм. Електромагнітні коливання і хвилі

§ 4.1. Магнітне поле і його характеристики. Дія магнітного поля на контур зі струмом. Магнітний момент контура. Принцип суперпозиції

§ 4.2. Закон Біо-Савара-Лапласа для елемента струму. Магнітне поле прямолінійного та колового струмів

§ 4.3. Теорема про циркуляцію вектора . Поле соленоїда

§4.4.Дія магнітного поля на струм, закон Ампера. Сила Лоренца

§4.5. Магнітна взаємодія струмів

§ 4.6. Магнітний потік

§ 4.7. Робота переміщення провідника та контура зі струмом у магнітному полі

§ 4.8. Явище електромагнітної індукції. Закон Фарадея, правило Ленца. Явище самоіндукції, індуктивність контура (соленоїда). Взаємоіндукція

§ 4.9. Енергія магнітного поля. Густина енергії магнітного поля

§ 4.10. Магнітне поле в речовині

§ 4.11. Вільні електромагнітні коливання

§ 4.12. Згасаючі електромагнітні коливання

§ 4.13. Вимушені електромагнітні коливання

§ 4.14. Електромагнітні хвилі

Розділ V. Оптика. Теорія відносності

§ 5.1. Закони відбивання і заломлення світла. Явище повного внутрішнього відбивання

§ 5.2. Тонкі лінзи

§ 5.3. Інтерференція світла

§ 5.4. Дифракція світла

1. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля

2. Дифракція Фраунгофера

3. Дифракція рентгенівських променів

§ 5.5. Поляризація світла

1. Типи поляризації. Поляризація при відбиванні

2. Поляризація при подвійному променезаломленні. Поляроїди і поляризаційні призми

3. Інтерференція поляризованих променів. Штучна оптична анізотропія

4. Обертання площини поляризації

§ 5.6. Квантова природа випромінювання. Теплове випромінюван- ня

§ 5.7. Фотоефект

§ 5.8. Тиск світла

§ 5.9. Ефект Комптона

§ 5.10. Гальмівне рентгенівське випромінювання

§ 5.11. Елементи теорії відносності (релятивістська механіка)

Розділ VI. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла

§6.1.Ядерна модель атома. Воднеподібний атом Бора. Спект-ральні серії

§ 6.2. Корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії; гіпотеза де Бройля. Співвідношення невизначеностей Гайзенберга

§ 6.3. Хвильова функція та її зміст. Рівняння Шрьодінгера

§6.4. Частинка в одновимірній прямокутній потенціальній ямі (ящику). Проходження частинки через потенціальний бар’єр

§ 6.5. Квантовий лінійний гармонічний осцилятор

§ 6.6. Воднеподібні атоми в квантовій механіці. Квантові числа електрона в атомі

§ 6.7. Власний момент (спін) електрона. Принцип Паулі. Забудова складних атомів. Характеристичне рентгенівське випромінювання

§ 6.8. Теплові коливання кристалічної гратки і теплоємність твердих тіл

§ 6.9. Елементи зонної теорії твердих тіл

§ 6.10. Розподіл і концентрація носіїв в зонах

§6.11.Електричні властивості металів і напівпровідників

Розділ VІІ. Фізика ядра та елементарних часток

§7.1. Склад і характеристики ядра

§7.2. Дефект маси та енергія зв’язку ядра. Ядерні сили. Моделі ядра

§7.3. Радіоактивність

§7.4. Ядерні реакції

§7.5. Елементарні частинки та фундаментальні взаємодії

Передмова

Друга частина конспекту лекцій з курсу загальної фізики для інженерно-технічних спеціальностей містить короткий виклад розділів: магнетизм (з елементами електромагнітних коливань і хвиль) (доц. Ковалець М.О.); оптика (з елементами теорії відносностей) (доц. Орленко В.Ф.); квантова механіка, фізика твердого тіла (доц. Никонюк Є.С.); фізика ядра та елементарних часток (доц. Дубчак В.О.). Виклад розрахований на 5–7 оглядових лекцій для студентів-заочників по другій частині курсу загальної фізики і виконання ними з цієї частини курсу двох контрольних робіт. Він побудований у відповідності з робочою програмою цієї частини курсу, дотриманням вимог загальноприйнятих найменувань і позначення фізичних величин та одиниць їх вимірювання у системі SI; нумерація формул і малюнків проведена в межах кожного розділу.

Розділ IV. Магнетизм. Електромагнітні коливання і хвилі.

§ 4.1. Магнітне поле і його характеристики. Дія магнітного поля на контур зі струмом. Магнітний момент контура. Принцип суперпозиції

Більше як 2000 років тому була відкрита властивість магнітної стрілки орієнтуватись вздовж земного меридіана. Кінець стрілки, повернутий на північ, дістав назву північного магнітного полюса, а протилежний – південного. Було також відкрито взаємодію полюсів – притягання різнойменних та відштовхування однойменних.

У 1820 році Ерстед відкрив явище відхилення магнітної стрілки електричним струмом, а Ампер – взаємодію паралельних струмів і висунув гіпотезу про те, що магнітні поля створюються струмами, тобто рухомими електричними зарядами. В магнетизмі всі струми поділяються на макроструми, що зумовлені напрямленим рухом вільних носіїв (електронів, дірок, іонів), і мікроструми, що зумовлені рухом електронів в атомах і молекулах; саме мікроструми створюють магнітні поля постійних магнітів. Отже, магнітне поле – особливий вид матерії, що створюється рухомими електричними зарядами (струмами) і діє на рухомі заряди, провідники зі струмом та постійні магніти.

Досліди показують, що магнітне поле певним чином орієнтує вміщений в нього контур зі струмом, тобто на контур з боку магнітного поля діє момент сили. Цей момент дорівнює нулю в рівноважному положенні контура, а в деякому положенні він – максимальний.

Пробний контур характеризується магнітним моментом

, (4.1)

де І – сила струму в контурі, S – його площа, – одиничний вектор нормалі до площини контура, напрямок якого визначається за правилом свердлика.

Відношення максимального обертового моменту до магнітного моменту контура характеризує магнітне поле в даному місці простору і називається магнітною індукцією:

. (4.2)

Напрямок визначається за напрямком магнітного моменту контура з струмом, який перебуває в рівноважному положенні.

В міжнародній системі СІ магнітна індукція вимірюється в Теслах: .

Відмітимо, що у випадку довільної орієнтації контура відносно поля (мал.4.1), на нього діє обертовий момент

(4.3)

де – кут між та . У векторній формі

(4.4)

Для магнітних полів справедливий принцип суперпозиції: індукція магнітного поля, створеного в певній точці простору кількома струмами, дорівнює векторній сумі індукцій полів, створених в цій точці кожним струмом зокрема,

(4.5)

Як вже відмічалось, в будь-якому середовищі існують мікроструми, зумовлені рухом електронів в атомах (мал.4.2). При відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти мікрострумів, завдяки тепловому руху атомів, орієнтовані хаотично і їх магнітні поля в середньому скомпенсовані. В зовнішньому магнітному полі магнітні моменти атомів орієнтуються вздовж ліній поля; сумарне поле мікрострумів стає відмінним від нуля і додається до поля макроструму. Тому результуюче магнітне поле в середовищі буде відрізнятись від поля макроструму:

, (4.6)

де – магнітна проникність середовища (магнетика),яка показує, у скільки разів магнітне поле в середовищі відрізняється від поля макроструму у вакуумі, тобто . Для вакууму .

Історично склалось так, що поле макрострумів характеризується іншою характеристокою – напруженістю магнітного поля ( ). В системі СІ індукція та напруженість магнітного поля мають різні одиниці вимірювання: ; між цими двома характеристиками магнітного поля існує зв’язок

, (4.7)

де – магнітна стала.

Для графічного зображення магнітного поля використовують лінії магнітної індукції, які проводяться так, щоб дотична до них в кожній точці співпадала з напрямком в цій точці. Лінії магнітної індукції проводяться з такою густиною, щоб число ліній, які перетинають нормальну до них площадку одиничної площі чисельно дорівнювало в даному місці простору. Лінії магнітної індукції не мають ні початку, ні кінця, вони або замикаються навколо провідників зі струмом, або ідуть з нескінченності в нескінченність. Їх напрямок встановлюється згідно з правилом свердлика (див.мал.4.3, 4.4).

Магнітне поле прямолінійного Магнітне поле довгого соленоїда нескінченно довгого провідника зі зі струмом.

Магнітне поле називається однорідним, якщо у всіх його точках . Лінії індукції однорідного поля – паралельні прямі, проведені з однаковою густиною. Однорідним є поле всередині нескінченно довгого соленоїда (мал.4.4).

§ 4.2. Закон Біо-Савара-Лапласа для елемента струму. Магнітне поле прямолінійного та колового струмів

Закон Біо-Савара-Лапласа встановлює індукцію магнітного поля, створеного елементом струму в певній точці простору:

(4.8)

або, у скалярній формі,

(4.9)

де – радіус-вектор, проведений від елемента струму до даної точки; – кут між елементом струму і радіусом-вектором . Напрямок визначається за правилом свердлика (мал.4.5).

Індукцію поля, створеного в даній точці простору всім провідником, знаходимо за принципом суперпозиції:

(4.10)

Закон Біо-Савара-Лапласа та принцип суперпозиції дозволяють отримати вирази для магнітних полів, створених провідниками різних конфігурацій. Зокрема: