Электричество и магнетизм в ВУЗе. Курс лекций МФТИ.

Лекции

Данный курс – один из самых трудноусвояемых из-за огромного объема информации. Этот курс изучали в средней школе, но в этом курсе ВУЗа масса новых представлений, которые нужно освоить, чтобы соответствовать стандарту высшего образования. Курс читается в Гауссовой системе единиц, сильно отличающейся от привычной СИ.

Курс рассчитан на студентов второго курса технических ВУЗов. Каждая лекция представляет собой видео и содержит в себе теоретический материал, демонстрации экспериментов, решение практических задач. Теоретические выкладки проведены с помощью знаний интегрально-дифференциального исчисления, векторной алгебры и теории вероятностей.

В курсе подробно объяснены важные для решения задач методы и понятия, такие как поле диполя, метод изображений, электрическое поле в веществе, энергетический метод вычисления сил, теорема о циркуляции, магнитное поле в веществе, электромагнитная индукция, силы в магнитном поле, свободные колебания, метод комплексных амплитуд, спектральный анализ в линейных системах, уравнения Максвелла, электромагнитные волны в волноводах. 
Рассмотрено большинство задач из задания для студентов МФТИ второго курса третьего семестра. 

Представлены два варианта курса, прочитанных в МФТИ различными преподавателями в разные годы.
Первый курс лекций читал доктор физико-математических наук, профессор Московского физико-технического института, заслуженный деятель науки Российской Федерации, Козел Станислав Миронович. Его курс содержит 27 лекций. 
Второй курс читал кандидат технических наук Владимир Александрович Овчинкин. Его курс содержит 15 лекций-семинаров.

Козел Станислав Миронович

Курс читался осенью 2013 года. Список лекций

01. Закон Кулона. Теорема Гаусса для электрического поля

02. Теорема о циркуляции для электрического поля. Потенциал

03. Проводник в электростатическом поле. Дифференциальные соотношения

04. Метод изображений. Ёмкость. Электрическое поле в веществе

05. Электрическое поле в веществе–2, энергия электрического поля

06. Виды диэлектриков. Теория постоянных токов

07. Магнитное поле в вакууме

08. Интегральные теоремы для магнитного поля в вакууме

09. Магнитное поле в намагничивающихся средах

10. Электромагнитная индукция

11. Сверхпроводимость. Относительность электрического и магнитного поля

12. Теорема взаимности. Вычисление магнитных сил

13. Вывод уравнений Максвелла

14. Электромагнитные волны

15. Давление света. Излучение электромагнитных волн

16. Скин–эффект. Квазистационарные процессы

17. Электрические колебания

18. Метод комплексных амплитуд

19. Спектральное разложение

20. Спектральное разложение (продолжение)

21. Параметрические колебания и автоколебания

22. Шумы

23. Длинные линии

24. Волноводы

25. Падение плоской волны на границу раздела – видео запорчено.

26. Отражение и преломление плоских волн

27. Плазма

Владимир Александрович Овчинкин

Курс состоит из 15 лекций-семинаров. Каждая содержит в себе краткий теоретический обзор и методы решения ключевых задач, важных для понимания принципов практического применения теоретических знаний. Теоретические выкладки проведены с помощью знаний основ интегрально-дифференциального исчисления и векторной алгебры. Рассмотрено большинство задач из задания для студентов МФТИ второго курса третьего семестра.

Список лекций: 

Лекция 1. Диполь. Теорема Гаусса.

Системы единиц СИ и СГСЭ, различие между ними. Отступление о методике изучения раздела общей физики: «Электричество и магнетизм»

Электрический диполь в однородном и неоднородном электрическом поле. Энергия диполя (№ 1.5). Сила взаимодействия диполей (№ 1.9)

Равномерно заряжённый диск (№ 1.10)

Интегральная теорема Гаусса. Дифференциальная теорема Гаусса

Неравномерно заряжённая сфера (№ 1.23)

Лекция 2. Диполь (продолжение). Потенциал.

Метод наложений. Металлический шарик в однородном электрическом поле. Задача определения закона распределения поверхностной плотности заряда сферы, необходимой для однородности электрического поля внутри неё.

Проводящий шар в электрическом поле (№ 1.25)

Диполь в канале внутри слоя (№ 1.16)

Потенциал. Распределение потенциала в плоском конденсаторе (№ 2.5)

Три концентрические заряженные металлические сферы (№ 2.4)

Метод изображений

Поверхность нулевого потенциала двух зарядов (№ 2.19). Сила взаимодействия точечного заряда и металлического шара (№ 2.20)

Лекция 3. Метод изображений (продолжение). Электрическое поле в веществе.

Метод изображений (повторение). Заряд-изображение. Метод изображений для заземленной (незаземленной) сферы и точечного заряда.

Точечный заряд и сфера (№ 2.30)

Диполь внутри проводящей сферы (№ 2.33)

Диэлектрик в электрическом поле

Теорема Гаусса для вектора электрической индукции

Полый цилиндр с замороженной поляризацией (№ 3.10)

Тонкий длинный цилиндр с замороженной поляризацией (№ 3.7)

Лекция 4. Электрическое поле в веществе (продолжение). Энергия электрического поля.

Теорема Гаусса для вектора электрической индукции (повторение). Вектор электрической индукции. Вид теоремы Гаусса для вектора электрической индукции. Поляризуемость среды. Диэлектрическая проницаемость среды. Уравнение материальных связей.

Диэлектрик со вставленной пластиной в жидкости (№ 3.65)

Граница диэлектрика (№ 3.23)

Шарик в дипольном газе (№ 3.31)

Сферический конденсатор (№ 3.24)

Энергия электрического поля

Сила притяжения между обкладками конденсатора (№ 3.59)

Электростатическая энергия шара (№ 3.43)

Давление на поверхность сферы (№ 3.50)

Лекция 5. Энергетический метод вычисления сил. Постоянный ток.

Разрезанный пополам шарик во внешнем поле (№ 3.53)

Поле диполя. Электрическая сила. Задача определения сил, с которой обе части незаряженного шарика, помещенного во внешнее однородное поле, отталкиваются друг от друга.

Втягивание пластины в конденсатор (№ 3.63)

Конденсатор переменной ёмкости (№ 3.67)

Сферический конденсатор (№ 3.70)

Постоянный ток

Плотность зарядов на границе раздела диэлектриков (№ 4.25)

Сопротивление земли между зарытыми шарами (№ 4.32)

Лекция 6. Магнитное поле.

Теорема Био-Савара-Лапласа. Экспериментально установленная теорема Био-Савара-Лапласа. Примеры вычисления магнитного поля разных конструкций через теорему Био-Савара-Лапласа.

Магнитный момент

Сила Лоренца. Теорема о циркуляции магнитного поля

Ток над плёнкой (№ 7.45)

Соленоид (№ 5.5)

Полый цилиндр с заряжённой нитью (№ 5.14)

Плазменный цилиндр (№ 5.21)

Давление тока, который течёт по проводу (№ 7.38)

Лекция 7. Магнитное поле в веществе.

Поле магнитного момента. Магнитный диполь.

Магнитный момент вращающейся рамки (№ 5.18)

Согнутый соленоид (№ 5.12)

Магнитное поле в веществе

Граничные условия

Плоская пластина из ферромагнетика (№ 6.3 и № 6.4)

Тонкий длинный постоянный магнит (№ 6.5)

Лекция 8. Магнитное поле в веществе.

Цилиндр в магнитном поле. Поле цилиндра из магнетика, помещенного во внешнее магнитное поле. Случай короткого цилиндра. Случай длинного цилиндра. Случай бесконечного цилиндра.

Цилиндр из магнитного материала (№ 6.7)

Электромагнит (№ 6.21)

Катушка, намотанная на сердечник (№ 6.17)

Шарик между проводами (№ 8.61)

Граница магнетика (№ 6.9)

Две иглы с остаточной намагниченностью (№ 8.75)

Лекция 9. Индуктивность. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

Индуктивность. Коаксиальный кабель. Поле внутри коаксиального кабеля. Индуктивность коаксиального кабеля.

Индуктивность двух проводов (№ 5.29)

Взаимная индуктивность (№ 5.30)

Электромагнитная индукция

Вращающийся диск в магнитном поле (№ 7.1)

Ускоритель электронов (№ 8.30)

Электрон в электрическом и магнитном полях (№ 8.35)

Теорема взаимности (№ 5.31)

Лекция 10. Электромагнитная индукция. Сверхпроводники.

Плотность магнитной энергии. Изменение магнитной энергии соленоида при изменении тока, текущего в нём. Втягивание стержня из магнетика в соленоид. Случай двух разных магнетиков в соленоиде.

Электромагнит (№ 7.64)

Магнитная стрелка внутри соленоида (№ 7.12)

Сверхпроводники.

Помещение петли из сверхпроводника в соленоид (№ 7.75)

Метод изображений для сверхпроводников (№ 6.37)

Магнитное давление (№ 8.49)

Лекция 11. Сверхпроводники (продолжение). Электрические цепи.

Сверхпроводники в электрическом и магнитном полях. Сверхпроводящие токи. Граничные условия для сверхпроводников.

Сверхпроводящий шар в магнитном поле (№ 6.23)

Дроссель с сердечником (№ 9.8)

Контур с генератором (№ 9.44)

Экстраток (№ 9.15 )

Добротность

Медленно затухающие колебания (№ 9.30)

Резонансный контур (№ 9.53)

Задача. Контур со сверхпроводящей катушкой

Лекция 12. Вынужденные колебания.

Метод комплексных амплитуд. Начальные сведения о комплексных числах. Импеданс. Реактивное сопротивление катушки. Векторная диаграмма. Резонанс напряжений. Фазовая характеристика колебательного контура. Резонанс токов.

Векторная диаграмма для напряжений (№ 10.56)

Схема из индуктивности с малыми омическими потерями (№ 10.27)

Резонанс токов (№ 10.12)

Характеристики колебательного контура

Колебательный контур с малым затуханием (№ 10.20)

Лекция 13. Элементы спектрального анализа.

Представление периодических сигналов

Ряд Фурье. Разные представления периодических сигналов через ряд Фурье. Гармоника. Амплитуда гармоники

Представление периодических сигналов

Соотношение неопределённостей

Синусоида, подаваемая на колебательный контур (№ 11.16)

Прямоугольные импульсы, подаваемые на колебательный контур (№ 11.15)

Амплитудно-модулированный сигнал

Фазово-модулированный сигнал

Квадратичное преобразование с усреднением (№ 11.2)

Амплитудно-модулированный сигнал (№ 11.34)

Лекция 14. Автоколебания. Уравнения Максвелла.

Автоколебания (№ 11.37)

Трёхэлектродная лампа. Крутизна анодно-сеточной характеристики. Условие установления автоколебаний. Задача определения максимально возможного значения активного сопротивления колебательного контура для возникновения автоколебаний.

Уравнения Максвелла

Теорема Пойнтинга

Конденсатор, пробиваемый искрой (№ 12.5)

Задача. Вихревое электрическое поле

Вектор Пойнтинга (№ 12.27)

Лекция 15. Электромагнитные волны. Волноводы и резонаторы.

Электромагнитные волны

Волновое число. Смысл волнового числа. Фаза. Длина волны. Фазовая скорость. Плоская волна.

Волновое уравнение для поля в среде

Прямоугольный волновод

Объёмный резонатор

Прямоугольный резонатор (№ 12.48)

Коаксиальный кабель (№ 12.43)

Волновод квадратного сечения (№ 12.46)

Задача. Коэффициент стоячей волны

Место проведения: Московский физико-технический институт, кафедра общей физики. Преподаватель: Кандидат технических наук Владимир Александрович Овчинкин. Курс читался в третьем семестре, осенью 2014 г. Общий объем 11 Гб (3 DVD-диска), формат mp4. Продолжительность каждой лекции – академическая пара (1,5 часа).

Демонстрации.

Список опытов:

01. Притяжение наэлектризованных тел.

02. Электроскоп. Электризация трением.

03. Султанчики.

04. Силовые линии электрического поля.

05. Металлический конус.

06. Большой шар с малым отверстием.

07. Сетка Кольбе.

08. Клетка Фарадея.

09. Электрический ветер. Вращение тел.

10. Электрический ветер. Гашение свечи.

11. Эффекты поляризации.

12. Электроскоп. Зависимость емкости от присутствия других тел.

13. Звонок Франклина.

14. Зависимость емкости плоского конденсатора от среды и расстояния между пластинами.

15. Втягивание твердого диэлектрика в конденсатор.

16. Втягивание жидкого диэлектрика в конденсатор.

17. Взрыв проволочки.

18. Магнитное поле прямого провода с током (опыт Эрстеда).

19. Взаимодействие токов (станок Ампера).

20. Притяжение и отталкивание параллельных проводников с током.

21. Поле магнита и соленоида.

22. Ориентация катушки с током.

23. Модель магнетика.

Лекторы:

Овчинкин Владимир Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры общей физики МФТИ, учитель физики физико-математического лицея №5, г. Долгопрудный.

Гавриков Андрей Владимирович, кандидат физико-математических наук, Доцент кафедры общей физики МФТИ.

Курсы лежат в свободном доступе интернет, но для тех, кому удобнее иметь его в своем личном распоряжении предлагаю приобрести DVD-диски. Поскольку имеются два однотипных варианта, то Вам предоставляется возможность выбора.

По поводу приобретения обращайтесь на spbura@yandex.ru, либо vk.com/uraspb

Если Вы считаете этот материал полезным для Ваших друзей — поделитесь ссылкой в социальных сетях.

Обновлено: 28.02.2019 — 16:48

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *