Книга написана на основе курса лекций, читанных автором в течение многих лет на физическом факультете Московского государственного университета. В результате обобщения опытных фактов формулируются в сжатой, но ясной форме основные законы электродинамики и выясняется их физический смысл. Изложение построено на основе СИ. В новом издании сделаны некоторые дополнения и изменения к предыдущему изданию (1977 г.).
Для студентов физических и физико-математических факультетов университетов, физико-технических и инженерно-физических институтов, а также всех вузов, где физика является основной дисциплиной; может быть полезна для преподавателей физики в высшей школе.
Табл. 18. Ил. 448
ОГЛАВЛЕНИЕ
От редакции .................................... 9
Из предисловия к первому изданию....................... 10
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ Глава I. Электрические заряды......................... II
§ 1. Введение (11). §2. Закон взаимодействия электрических зарядов (12). §3. Абсолютная электростатическая система единиц (14). §4. Международная система единиц (СИ) (16). § 5. Гальванические элементы (18). § 6. Электризация как разделение зарядов (18). § 7. Электроны (19).
Глава II. Электрическое поле......................... 20
§ 8. Понятие об электрическом поле (20). § 9. Напряженность электрического поля (21). § 10. Сложение электрических полей (22). § П. Объемная и поверхностная плотности заряда (23). § 12. Линии напряженности электрического поля (24). § 13. Теорема Остроградского — Гаусса (27). § 14. Уравнение Пуассона (34). § 15. Диполь в электрическом поле (35).
Глава III. Разность потенциалов....................... 38
§ 16. Работа в электростатическом поле (38). § 17. Разность потенциалов (39). § 18. Условия равновесия зарядов в проводниках (41). § 19. Разность потенциалов и напряженность поля (42). § 20. Эквипотенциальные поверхности (43). § 21. Измерение напряжения между проводниками (44). § 22. Нормальные элементы (46). § 23. Электрический зонд (47). § 24. Потенциал в простейших электрических полях (48). § 25. Вычисление потенциала в поле заданных зарядов (50). § 26. Общая задача электростатики (52). § 27. Проводники в электрическом поле (53). § 28. Точная проверка закона Кулона (55). §29. Острия (56). §30. Электростатический генератор (57).
Глава IV. Энергия электрического поля.................. . 59
§ 31. Электрическая емкость (59). § 32. Емкость простых конденсаторов (60). § 33. Метод зеркальных изображений (63). § 34. Энергия заряженного конденсатора (64). § 35. Соединение конденсаторов (65). § 36. Сложные конденсаторы (67). § 37. Энергия электрического поля (69).
Глава V. Диэлектрики............................. 72
§ 38. Поляризация диэлектриков (72). § 39. Поляризованность (75). § 40. Напряженность электрического поля внутри диэлектрика (77). §41. Электрическое смещение в диэлектрике (79). §42, Изотропные и ани-
1*
ОГЛАВЛЕНИЕ
зотропные диэлектрики (82). § 43. Преломление линий смещения и напряженности поля (83). § 44. Законы электрического поля в диэлектриках (84). § 45. Механические силы при наличии диэлектриков '(86). § 46. Электронная теория поляризации диэлектриков (87). § 47. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков (89). § 48. Диэлектрическая проницаемость полярных диэлектрикоз (91). § 49. Определение дипольных моментов молекул (93). § 50. Сегнетоэлектрики (94). § 51. Пьезоэлектрический эффект ( 97). § 52. Обратный пьезоэлектрический эффект (102).
лава VI. Постоянный электрический ток.................. 101
§ 53. Характеристики электрического тока (106). § 54. Уравнение непрерывности (108). § 55. Действия электрического тока (109). § 56. Баллистический гальванометр (112). § 57. Закон Ома (113). § 58. Измерение сопротивлений (115). § 59. Сопротивление проволок (116). § 60. Зависимость сопротивления от температуры (117). § 61. Закон Ома в дифференциальной форме (119). § 62. Электролитическая ванна (122). § 63. Заземление в линиях связи (123).
лава VII. Электродвижущая сила...................... I2i
§ 64. Источники тока (126). § 65. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля — Ленца (126). § 66. Энергия, освобождаемая в гальваническом элементе (127). § 67. Электродвижущая сила гальванического элемента (128). § 68. Напряжение на зажимах источника тока (131). §69. Электродвижущая сила и работа источника тока (133). § 70. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа (135). § 71. Мощность во внешней цепи и коэффициент полезного действия источника тока (141). § 72. Закон сохранения энергии для электрического поля (143). § 73. Квазистационарные токи (145). § 74, Конденсатор в цепи с сопротивлением (147) ,
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 'лава VIII. Магнитное поле токов в вакууме................ 15!
§ 75. Магнитное взаимодействие токов (150). § 76. Магнитная индукция (152). § 77. Абсолютная электромагнитная система единиц (156). § 78. Магнитная постоянная (157). § 79. Напряженность магнитного поля (158). § 80. Линии индукции магнитного поля (160). § 81. Вихревой характер магнитного поля (161). § 82. Магнитный момент тока (166). § 83. Два параллельных проводника с током (167). § 84. Механическая работа в магнитном поле. Магнитный поток (169). § 85. Контур с током в магнитном поле (171). § 86. Магнитное поле движущегося заряда (174). § 87. Опыты Роуланда и Эйхенвальда (175). § 88. Сила Лоренца (177).
'лава IX. Электромагнитная индукция ....._.............. 17
§89. Электромагнитная индукция (178). §90. Закон Ленца (180). §91. Основной закон электромагнитной индукции (181). § 92. Измерение магнитного напряжения (185). § 93. Самоиндукция (187). § 94. Магнитная проницаемость вещества (190). § 95. Исчезновение и установление тока (191).
'лава X. Энергия магнитного поля ..............,,.,... 19,
$96. Собственная энергия тока (193). §97. Энергия магнитного поля (195). § 98. Взаимная индукция (197). $ 99, Взаимная энергия двух токов (199).
ОГЛАВЛЕНИЕ
§ 100. Закон сохранения энергии при наличии магнитного поля (200). § 101. Механические силы в магнитном поле (203). § 102. Давления и напряжения Фарадея — Максвелла (205).
i а в а
XI. Магнетики ............................. 206
§ 103. Намагничивание сред (206). § 104. Напряженность магнитного поля внутри магнетика (208). § 105. Магнитная индукция в магнетике (210). § 106. Законы магнитного поля в магнетиках (211). § 107. Влияние формы тела на намагничивание (213). § 108. Преломление линий индукции магнитного поля (216), § 109. Магнитные свойства веществ. Диамагнетизм и парамагнетизм (219). § 110. Ферромагнетизм (221). § 111. Работа при намагничивании (225). § 112. Магнитные материалы. Ферриты (228). § 113. Магнитные заряды. Формальная теория магнетизма (229). § 114. Влияние среды на магнитное взаимодействие (235). § 115. Природа молекулярных токов (237). § 116. Магнитомеханическое и механомагнитное явления (239). § 117. Магнитный и механический моменты электрона (241). § 118. Объяснение пара- и диамагнетизма (243). § 119. Объяснение ферромагнетизма (246).
Г лава XII. Техническое использование магнитного потока. Генераторы
и двигатели................................. 262
§ 120. Магнитные цепи (252). § 121. Электромагниты (255). § 122. Разветвление магнитного потока (256). § 123. Генераторы переменного тока (258). § 124. Генераторы постоянного тока (260). § 125. Электродвигатель постоянного тока (261). § 126, Синхронные двигатели (263). § 127. Двухфазный ток (264). § 128. Трехфазный ток (265). § 129. Векторные диаграммы (269). § 130. Вращающееся магнитное поле (271).
Г л а в а XIII. Взаимные превращения электрических и магнитных полей.
Теория Максвелла.............................. 275
§ 131. Вихревое электрическое поле (275). § 132. Вихревые токи (277). § 133. Трансформатор (279). § 134. Вытеснение переменного тока (скин-эффект) (282). § 135. Индукционный ускоритель (283). § 136. Ток смещения (285). § 137. Уравнения Максвелла (288). § 138. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме (290). § 139. Значение теории Максвелла (292). § 140. Электромагнитное поле в движущихся телах (294). § 141. Для электромагнитных явлений важно относительное движение (296). § 142. Электромагнитная индукция в движущихся проводниках (299). § 143. Преобразование Лоренца (301).
ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Глава XIV. Природа электрического тока в металлах и полупроводниках 304
§ 144. Измерение заряда электрона (304). § 145. Природа носителей заряда в металлах (306). § 146. Причина электрического сопротивления (309). § 147. Классическая электронная теория металлов (310). § 148. Сверхпроводимость (314). § 149. Пределы применимости классической электронной теории металлов (318). § 150. Концентрация и подвижность электронов в металлах (319). § 151. Полупроводники и диэлектрики (322). § 152. Собственная проводимость полупроводников (323). § 153. Примесная проводимость полупроводников (325). § 154. Понятие об энергетических зонах (327). § 155. Распределение импульса и анергии у электронов (331).
Глава XV. Электрические токи в вакууме.................. 335
§ 156. Электронная эмиссия (335). § 157. Вольт-амперная характеристика вакуумного диода (336). § 158. Зависимость тока насыщения от температуры (339). § 159. Электронная лампа как выпрямитель (341). § 160. Трех-электродная электронная лампа (триод) (342). § 161. Усиление электрических сигналов (345). § 162. Электрические флуктуации (348). § 163. Вторичная электронная эмиссия (350). § 164. Многосеточные лампы (352). § 165. Автоэлектронная эмиссия (353).
Глава XVI. Разряды в газах......................... 354
§ 166. Ионизация газов (354). § 167. Ионизация электронными ударами (355). § 168. Движение ионов в газах (356). § 169. Несамостоятельные и самостоятельные разряды (358). § 170. Возникновение самостоятельных разрядов (360). § 171. Тлеющий разряд (363). § 172. Искровой разряд (367). § 173. Коронный разряд (369). § 174. Молния (370). § 175. Дуговой разряд (372). § 176. Устойчивость электрических разрядов (375). § 177, Плазма (378).
Глава XVII. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных
полях..................................... 379
§ 178. Движение заряженных частиц в однородном электрическом поле (380). § 179. Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле (381). § 180. Циклотрон (383). § 181. Определение удельного заряда электронов методом магнитной фокусировки (385). § 182. Магнетрон (386). § 183.Определение удельного заряда р-частиц(389). § 184. Результаты измерений удельного заряда электрона (391). § 185. Циклотронный (диамагнитный) резонанс (392). § 186. Эффективная масса (394). § 187. Отражение и преломление электронных пучков. Электронная и ионная оптика (395). § 188. Электронный осциллограф (399).
Глава XVIII. Электрический ток в электролитах.............. 400
§ 189. Законы электролиза Фарадея (400). § 190. Электролитическая диссоциация (403). § 191. Движение ионов в электролитах (406), § 192. Проводимость электролитов (408). § 193. Числа переноса. Подвижности ионов в электролитах (409). § 194. Электродные потенциалы (411). § 195. Химические источники тока (415). § 196. Напряжение разложения электролита (419). § 197. Аккумуляторы (420).
Глава XIX. Электрические явления в контактах .............. 422
§ 198. Контактная разность потенциалов (422). § 199. Термоэлектричество (426). §200. Эффект Пельтье (429). §201. ЭффектТомсона (432). §202. Применения термоэлектричества (434). § 203. Электронно-дырочные переходы в полупроводниках (435). § 204. Полупроводниковые диоды (439). § 205. Неравновесные электроны и дырки в полупроводниках (440). § 206. Полупроводниковые усилители (443).
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Глава XX. Собственные электрические колебания.............. 445
j 207. Собственные электрические колебания (445). § 208. Затухание колебаний (448), § 209, Уравнение собственных электрических колебаний.
Колебания в отсутствие затухгшия (450). § 210. Колебания при наличии затухания (452). § 211. Поддержание колебаний. Искровой контур (455). § 212. Автоколебательные системы (456). § 213. Использование отрицательных сопротивлений (457). § 214. Ламповые генераторы. Обратная связь (459). § 215. Условие самовозбуждения (462). § 216. Релаксационные колебания (463).
Глава XXI. Вынужденные электрические колебания. Переменные
токи....................................... 465
§ 217. Сопротивление в цепи переменного тока (465). § 218. Емкость в цепи переменного тока (466). § 219. Индуктивность в цепи переменного тока (469). § 220. Закон Ома для переменных токов (471). § 221. Резонанс напряжений (474). § 222. Установление колебаний (477). § 223. Работа и мощность переменного тока (479). § 224. Разветвление переменных токов (482). § 225. Резонанс токов (484). § 226. Параметрический резонанс (487). § 227. Комплексные величины (489). § 228. Комплексные сопротивления (492).
Глава XXII. Электромагнитные волны вдоль проводов........... 496
§ 229. Распределенные системы (496). § 230. Электромагнитный импульс вдоль проводов (498). § 231. Электромагнитные волны (500). § 232. Стоячие электромагнитные волны (502). § 233. Собственные колебания двухпроводной линии (506). § 234. Экспериментальное исследование стоячих электромагнитных волн (508). § 235. Открытый вибратор (510). § 236. Стоячие волны в катушках (511).
Глава XXIII. Свободные электромагнитные волны............. 512
§ 237. Образование свободных электромагнитных волн (512). § 238. Волновое уравнение (513). § 239. Плоские электромагнитные волны (514). § 240. Свойства электромагнитных волн (516). § 241. Экспериментальное исследование электромагнитных волн (517). § 242. Энергия электромагнитных волн (521). § 243. Элементарный диполь (525). § 244. Давление электромагнитных волн (528). § 245. Импульс и масса электромагнитного поля (529). § 246. Электромагнитная масса движущегося заряда (532).
Глава XXIV. Применение электромагнитных волн для целей связи .... 535
§ 247. Принцип радиосвязи (535). § 248. Модуляция колебаний (536). § 249. Радиопередатчик (539). § 250. Демодуляция колебаний. Радиоприемник (541). §251. Гетеродинный прием (544). § 252. Супергегер-одинный приемник (544). § 253. Полусвободные электромагнитные волны (545).
Добавления........,............................. 548
1. Теория опытов Кавендиша и Максвелла (к § 28) ............. 548
2. Ориентировка полярных молекул в электрическом поле (к § 48) .... 550
3. Линии напряженности и тока (к §61) .....,............. 552
4. Метод контурных тиков (к § 70)....................., . 55^
5. Максвелловское время релаксации (к § 73)................. 554
6. Взаимная энергия двух токов (произвольные контуры) (к § 99) .... 554
7. Теорема Лармора (к $ 115).......................... 555
8. Закон Богуславского — Лэнгмюра (к § 157) ................ 556
9. Устойчивость электрических разрядов (к §§ 176, 213)........... 557
10 К объяснению циклотронного резонанса (к § 185)............. 560
11. Электромагнитное поле диполя (к § 243)................. 562
12. Давление электромагнитных волн (к § 244)................. 564
13. Система единиц Гаусса ............................ 565
14. Таблица электрических и магнитных единиц................ 571
Предметный указатель.............................. 573
ОТ РЕДАКЦИИ
Предлагаемая вниманию читателей книга профессора С. Г. Калашникова «Электричество» написана на основе лекций, которые он читал в течение ряда лет на физическом факультете Московского государственного университета. Лекции С. Г. Калашникова по курсу общей физики и созданный им курс по физике полупроводников всегда отличались глубиной содержания, точностью и прозрачной ясностью изложения и неизменно современным уровнем. Эта особенность лекций привлекала к ним не только студентов, на которых они прежде всего были рассчитаны, но и аспирантов, преподавателей и научных сотрудников всех рангов.
Книга впервые увидела свет в 1956 году, быстро получила широкое признание и ныне является одним из основных учебных пособий для студентов физических специальностей высших учебных заведений. При подготовке переизданий автор постоянно совершенствовал курс, дополняя его новым материалом и расширяя содержание. За несколько дней до своей кончины, последовавшей 23 апреля 1984 года, Сергей Григорьевич Калашников завершил работу над основным текстом настоящего, пятого, издания «Электричества»; не написанным осталось только предисловие
Как и в предыдущих изданиях, автор внес в книгу некоторые улучшения и изменения, сохраняя при этом общий замысел, структуру курса и стиль изложения. Так, расширены и переработаны § 113 (Магнитные заряды. Формальная теория магнетизма), § 117 (Магнитный и механический моменты электрона), § 246 (Электромагнитная масса движущегося заряда). Добавлены важные сведения об изотропных и анизотропных диэлектриках (§ 42), прямом и обратном пьезоэлектрических эффектах (§ 42, 51), энергии заряженного конденсатора (§ 34) и энергии магнитного поля (§ 47), а также о термоэлектричестве (§ 199). Включен вопрос об ориентировке полярных молекул в электрическом поле (Добавление 2). Кроме того, сделано значительное число более мелких вставок и замен в других местах книги.
В процессе редактирования и окончательной подготовки рукописи к публикации проведено уточнение терминологии; обозначения единиц физических величин приведены в соответствии с действующим ГОСТ 8.417—81 (СТ СЭВ 1052—78).
Цена: 150руб.
