Giáo trình Vật lý cơ bản Tập 2: Điện và Từ học - Mir Publishers Moscow

Sách giáo khoa Vật lý đại cương tập 2: Điện từ học. Kiến thức cơ bản, dễ hiểu về điện trường, từ trường, sóng điện từ. Tài liệu học tập hữu ích.

• Người hướng dẫn: Academician G. Landsberg (Editor)
• Chuyên ngành: Physics
• Đề tài: Điện và Từ (Electricity and Magnetism)
• Loại tài liệu: Textbook
• Năm xuất bản: 1988
• Địa điểm: Moscow

Mục lục chi tiết

• From the Preface to the First Russian Edition
• 1. Chapter i. Conductors and Insulators
• 1.1. Division of Bodies into Conductors and Insulators
• 1.2. Positive and Negative Charges
• 1.3. What Happens During Electrostatic Charging
• 1.4. Electrostatic Charging by Friction
• 1.5. Charging by Induction
• 1.6. Charging by Light. Unit of Charge
• 1.7. Effect of Electric Charge on Surrounding Bodies
• 1.8. The Idea of Electric Field
• 1.9. Electric Field Strength
• 1.10. Composition of Fields
• 1.11. Electric Field in Insulators and Conductors
• 1.12. Graphic Representation of Fields
• 1.13. Main Features of Electric Field-Strength Patterns
• 1.14. Application of the Method of Field Lines to Problems in Electrostatics
• 1.15. Work Done in Displacing an Electric Charge in an Elec­tric Field
• 1.16. Why Was the Potential Difference Introduced
• 1.17. Conditions for Charge Equilibrium in Conductors
• 1.18. What Is the Difference Be­tween an Electrometer and an Electroscope
• 1.19. Measurement of the Potential Difference in Air. Electric Field of the Earth
• 1.20. Simple Electric Field Configurations
• 1.21. Charge Distribution in a Conductor. Surface Charge Density
• 1.22. Types of Capacitors
• 1.23. Parallel and Series Connection of Capacitors
• 1.24. Dielectric Per­mittivity
• 1.25. Why Is Electric Field Weakened in a Dielectric? Polarization of Dielec­trics
• 1.26. Energy of Charged Bodies. Energy of Electric Field
• 1.27. Electric Current and Electromotive Force
• 1.28. Manifestations of Electric Cur­rent
• 1.29. Direction of Current
• 1.30. Strength of Current
• 1.31. “Velocity of Elec­tric Current” and Velocity of Charge Carriers
• 1.32. Voltage Distribution in a Current-Carrying Conductor
• 1.33. Resistance of Wires
• 1.34. Temperature Dependence of Resistance
• 1.35. Series and Parallel Connection of Wires
• 1.36. Voltage Distribution in a Circuit. “Losses” in Wires
• 1.37. What Must be the Resistances of a Voltmeter and an Ammeter
• 1.38. Shunting of Measuring Instruments
• 1.39. Thermal Effect of Current
• 1.40. Heating by Current. Work Done by Electric Current
• 1.41. Power of a Current
• 1.42. Electric Heating Appliances. Design of Heating Appliances
• 1.43. Electric Current in Electrolytes
• 1.44. Faraday’s First Law of Electrolysis
• 1.45. Faraday’s Second Law of Electrolysis
• 1.46. Ionic Conduction in Electrolytes
• 1.47. Motion of Ions in Electrolytes
• 1.48. Elementary Electric Charge
• 1.49. Primary and Secondary Processes in Electrolysis
• 1.50. Graduating Ammeters with the Help of Elec­trolysis
• 1.51. Technical Applications of Electrolysis
• 1.52. Chemical and Thermal Generators
• 1.53. Emergence of EMF and Current in a Galvanic Cell
• 1.54. Polarization of Electrodes
• 1.55. Depolarization of Galvanic Cells
• 1.56. Ohm’s Law for Closed Circuits
• 1.57. Voltage Across the Terminals of a Current Source and EMF
• 1.58. Connection of Current Sources
• 1.59. Ther­mocouples as Generators
• 1.60. Measurement of Temperature with the Help of Ther­mocouples
• 1.61. Electric Current in Metals
• 1.62. Electron Conduction in Metals
• 1.63. Structure of Metals
• 1.64. Reasons Behind Electric Resistance
• 1.65. Emission of Electrons by Incandes­cent Bodies
• 1.66. Electric Current in Gases
• 1.67. Intrinsic and Induced Conduction in Gases
• 1.68. Induced Conduction in a Gas
• 1.69. Ap­plications of Corona Discharge
• 1.70. Applications of Arc Discharge
• 1.71. What Occurs During a Glow Discharge
• 1.72. Nature of Cathode Rays
• 1.73. Electron Conduction in a High Vacuum
• 1.74. Cathode-Ray Tube
• 1.75. Electric Current in Semiconductors
• 1.76. Nature of Electric Current in Semiconductors
• 1.77. Motion of Electrons in Semicon­ductors. p- and n-Type Semiconductors
• 1.78. Basic Magnetic Phenomena
• 1.79. Natural and Artificial Magnets
• 1.80. Poles of a Magnet and Its Neutral Zone
• 1.81. Magnetic Effect of Electric Current
• 1.82. Magnetic Effects of Currents and Permanent Magnets
• 1.83. Origin of the Magnetic Field of Permanent Magnets. Ampere’s Hypothesis on Elementary Currents
• 1.84. Magnetic Field and Its Manifestations. Magnetic Mo­ment. Unit of Magnetic Induction
• 1.85. Measurement of Magnetic Induction with the Help of Magnetic Needle
• 1.86. Composition of Magnetic Fields
• 1.87. Magnetic Field Lines
• 1.88. Instruments for Measuring Magnetic Induction
• 1.89. Magnetic Field of Current
• 1.90. Magnetic Field of a Straight Conductor and of a Circular Current Loop. Right-Hand Screw Rule
• 1.91. Magnetic Field of a Solenoid. Equivalence of a Solenoid and a Bar Magnet
• 1.92. Magnetic Field in a Solenoid. Magnetic Field Strength
• 1.93. Magnetic Field of Moving Charges
• 1.94. Magnetic Field of the Earth
• 1.95. Magnetic Field of the Earth
• 1.96. Elements of the Earth’s Magnetism
• 1.97. Magnetic Anomalies and Magnetometric Prospecting of Mineral Resources
• 1.98. Time Variation of Elements of the Earth’s Magnetic Field. Forces Acting on Current-Carrying Conduc­tors in a Magnetic Field
• 1.99. Effect of a Magnetic Field on a Straight Current-Carrying Conductor. Left-Hand Rule
• 1.100. Effect of a Magnetic Field on a Current Loop or on a Solenoid
• 1.101. Galvanometer Based on Interaction of Magnetic Field and Current
• 1.102. Lorentz Force and Aurora Borealis
• 1.103. Conditions for Emergence of Induced Current
• 1.104. Direction of Induced Cur­rent. Basic Law of Electromagnetic Induction
• 1.105. Electromagnetic Induction and Lorentz Force
• 1.106. Induced Currents in Bulky Conductors. Magnetic Properties of Bodies
• 1.107. Magnetic Permeability of Iron
• 1.108. Permeability of Different Materials. Paramagnetics and Diamagnetics
• 1.109. Motion of Paramagnetics and Diamagnetics in a Magnetic Field. Molecular Theory of Magnetism
• 1.110. Properties of Ferromagnetics
• 1.111. Fundamen­tals of the Theory of Ferromagnetism
• 1.112. Constant and Alternating Electromotive Force
• 1.113. Experimental Investigation of the Form of an Alternating Current. Amplitude, Frequency and Phase of Sinusoidal Alternating Current and Voltage
• 1.114. Strength of Alternating Current
• 1.115. Ammeters and Voltmeters
• 1.116. Inductance of a Coil
• 1.117. Alternating Current Through a Capacitor and a Large- Inductance Coil
• 1.118. Ohm’s Law for Alternating Current. Capacitive and Inductive Reactances
• 1.119. Summation of Currents for Parallel Connection of Elements in an A. Summation of Voltages in Series Connection of Elements of an A. Phase Shift Between Current and Voltage
• 1.120. Power of Alternating Current
• 1.121. Centralized Production and Distribution of Electric Power
• 1.122. Rectification of Alternating Current
• 1.123. Electric Machines: Generators, Motors and Electromagnets
• 1.124. Separately Excited and Self- Excited Generators
• 1.125. Three-Phase Current
• 1.126. Three-Phase Electric Motor
• 1.127. Basic Operating Characteristics and Features of D. Motors with Shunt and Series Excitation
• 1.128. Efficiency of Generators and Motors
• 1.129. Ap­plication of Electromagnets
• 1.130. Relays and Their Application in Engineering and Automatic Control
• Answers and Solutions
• Appendices
• 1. Fundamental Physical Constants
• 2. Factors and Prefixes Used with the SI Units
• Subject Index

Tóm tắt

I. Giáo Trình Điện Và Từ Tổng Quan Quan Trọng Cần Nắm Vững

Điện và từ là hai hiện tượng vật lý cơ bản, tương tác điện từ chi phối hầu hết các hiện tượng chúng ta quan sát được hàng ngày. Giáo trình vật lý cơ bản về điện và từ cung cấp nền tảng lý thuyết và thực nghiệm cho việc hiểu và ứng dụng các hiện tượng này. Từ những ứng dụng đơn giản như đèn điện, động cơ điện, đến những công nghệ phức tạp như viễn thông, điện tử, tất cả đều dựa trên các nguyên lý của điện và từ. Việc nắm vững kiến thức về điện và từ là vô cùng quan trọng đối với sinh viên các ngành kỹ thuật, vật lý và những ai muốn khám phá thế giới tự nhiên. Tài liệu gốc nhấn mạnh rằng, “ba cuốn sách này tạo thành một khóa học vật lý cơ bản đã trở nên rất phổ biến ở Liên Xô”. Do đó, đây là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và sâu rộng. Điện học nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến điện tích đứng yên (tĩnh điện học) và dòng điện (điện động lực học). Từ học nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến từ trường và từ tính của vật chất. Hai lĩnh vực này không tách rời nhau, mà có mối quan hệ mật thiết được mô tả bởi các phương trình Maxwell. Nội dung của giáo trình thường bao gồm các khái niệm cơ bản như điện trường, từ trường, điện thế, cường độ điện trường, cảm ứng từ, các định luật cơ bản như định luật Gauss, định luật Ampere, và các ứng dụng thực tiễn của điện và từ trong kỹ thuật. Nghiên cứu điện và từ không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thế giới tự nhiên, mà còn mở ra nhiều cơ hội để phát triển các công nghệ mới, cải thiện cuộc sống và giải quyết các vấn đề toàn cầu.

1.1. Tầm quan trọng của việc học Điện và Từ trong Vật lý

Học điện và từ là điều kiện tiên quyết để hiểu nhiều lĩnh vực khác của vật lý và kỹ thuật. Ví dụ, điện từ học ứng dụng giúp chúng ta thiết kế các thiết bị điện tử, hệ thống viễn thông, và các loại máy móc điện. Kiến thức về điện và từ cũng cần thiết để nghiên cứu các hiện tượng như sóng điện từ, quang học, và vật lý hạt nhân. Việc nắm vững các nguyên lý cơ bản của điện và từ giúp chúng ta giải quyết các vấn đề thực tế trong công nghiệp, năng lượng, và y học. Học điện và từ còn rèn luyện tư duy logic, khả năng phân tích và giải quyết vấn đề, những kỹ năng quan trọng cho sự thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tài liệu gốc đề cập đến việc “tập trung vào việc giải thích các hiện tượng vật lý theo cách kết hợp sự chặt chẽ khoa học và một hình thức dễ hiểu đối với học sinh”. Do đó, tài liệu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu rõ các nguyên tắc hơn là chỉ đơn thuần ghi nhớ công thức.

1.2. Các Khái niệm Cốt lõi trong Điện và Từ trường bạn nên biết

Một số khái niệm cốt lõi trong điện và từ cần được nắm vững bao gồm: điện tích, điện trường, từ trường, điện thế, cường độ điện trường, cảm ứng từ, điện dung, cuộn cảm, dòng điện, điện trở, và mạch điện. Hiểu rõ mối quan hệ giữa các khái niệm này là rất quan trọng. Ví dụ, hiểu được mối quan hệ giữa điện trường và điện thế giúp chúng ta giải quyết các bài toán về tĩnh điện. Tương tự, hiểu được mối quan hệ giữa từ trường và dòng điện giúp chúng ta thiết kế các động cơ điện và máy phát điện. Việc nắm vững các khái niệm cơ bản này sẽ giúp bạn dễ dàng tiếp thu các kiến thức nâng cao hơn về điện và từ.

1.3. Lịch sử phát triển của lý thuyết Điện và Từ trường

Lý thuyết điện và từ đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài và đầy thú vị. Các nhà khoa học như Coulomb, Ampere, Faraday, và Maxwell đã có những đóng góp quan trọng trong việc xây dựng và hoàn thiện lý thuyết này. Coulomb đã phát biểu định luật Coulomb về lực tương tác giữa các điện tích. Ampere đã phát hiện ra mối liên hệ giữa dòng điện và từ trường. Faraday đã phát hiện ra hiện tượng điện từ cảm ứng. Maxwell đã tổng hợp các định luật điện và từ thành phương trình Maxwell, mô tả đầy đủ các hiện tượng điện từ. Nghiên cứu lịch sử phát triển của lý thuyết điện và từ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình hình thành và phát triển của khoa học, đồng thời giúp chúng ta đánh giá cao những đóng góp của các nhà khoa học đi trước.

II. Vấn Đề Thường Gặp Hiểu Sai Định Luật Gauss Ampere ra sao

Nhiều sinh viên và người học vật lý thường gặp khó khăn trong việc hiểu và áp dụng định luật Gauss và định luật Ampere. Một trong những sai lầm phổ biến là áp dụng các định luật này một cách máy móc mà không hiểu rõ các điều kiện áp dụng. Định luật Gauss chỉ áp dụng cho các hệ có tính đối xứng cao, ví dụ như hệ hình cầu, hình trụ, hoặc mặt phẳng. Tương tự, định luật Ampere chỉ áp dụng cho các hệ có dòng điện phân bố đối xứng. Một sai lầm khác là không tính đến tất cả các nguồn điện trường hoặc từ trường khi áp dụng các định luật này. Ví dụ, khi tính điện trường bằng định luật Gauss, cần phải tính đến tất cả các điện tích bên trong mặt Gauss. Khi tính từ trường bằng định luật Ampere, cần phải tính đến tất cả các dòng điện xuyên qua vòng Ampere. Việc hiểu sai các điều kiện áp dụng và không tính đến tất cả các nguồn điện trường hoặc từ trường có thể dẫn đến kết quả sai lệch. Để khắc phục vấn đề này, cần phải nắm vững lý thuyết, luyện tập giải nhiều bài tập, và tham khảo ý kiến của giáo viên hoặc người có kinh nghiệm.

2.1. Giải thích chi tiết Định luật Gauss và điều kiện áp dụng

Định luật Gauss phát biểu rằng thông lượng điện trường qua một mặt kín bằng tổng điện tích bên trong mặt kín chia cho hằng số điện môi chân không (ε₀). Định luật này được biểu diễn bằng công thức: ∮ E · dA = Q/ε₀. Để áp dụng định luật Gauss một cách chính xác, cần phải chọn mặt Gauss sao cho điện trường có độ lớn không đổi trên mặt Gauss và vuông góc hoặc song song với mặt Gauss. Điều này chỉ có thể thực hiện được đối với các hệ có tính đối xứng cao. Cần lưu ý rằng định luật Gauss chỉ cho phép tính điện trường một cách dễ dàng trong các trường hợp đặc biệt, nhưng nó luôn đúng trong mọi trường hợp.

2.2. Giải thích chi tiết Định luật Ampere và điều kiện áp dụng

Định luật Ampere phát biểu rằng tích phân đường của từ trường dọc theo một vòng kín tỉ lệ với dòng điện tổng cộng xuyên qua vòng kín. Định luật này được biểu diễn bằng công thức: ∮ B · dl = μ₀I. Để áp dụng định luật Ampere một cách chính xác, cần phải chọn vòng Ampere sao cho từ trường có độ lớn không đổi dọc theo vòng Ampere và song song với vòng Ampere. Điều này chỉ có thể thực hiện được đối với các hệ có dòng điện phân bố đối xứng. Cần lưu ý rằng định luật Ampere chỉ cho phép tính từ trường một cách dễ dàng trong các trường hợp đặc biệt, nhưng nó luôn đúng trong mọi trường hợp.

III. Phương Pháp Giải Bài Tập Điện Từ Bí Quyết Nắm Chắc Lý Thuyết

Để giải bài tập điện từ một cách hiệu quả, cần phải kết hợp giữa việc nắm vững lý thuyết và kỹ năng giải bài tập. Trước hết, cần phải hiểu rõ các khái niệm cơ bản, các định luật, và các công thức. Sau đó, cần phải phân tích kỹ đề bài, xác định các đại lượng đã cho, các đại lượng cần tìm, và các mối quan hệ giữa chúng. Tiếp theo, cần phải lựa chọn phương pháp giải phù hợp, áp dụng các công thức và định luật một cách chính xác, và thực hiện các phép tính một cách cẩn thận. Cuối cùng, cần phải kiểm tra lại kết quả, xem xét tính hợp lý của kết quả, và so sánh với các kết quả đã biết. Luyện tập giải nhiều bài tập khác nhau sẽ giúp bạn rèn luyện kỹ năng giải bài tập, nắm vững lý thuyết, và tự tin hơn khi đối mặt với các bài toán khó.

3.1. Phân tích và áp dụng Định luật Coulomb để giải bài tập

Để giải bài tập sử dụng định luật Coulomb, trước hết cần xác định các điện tích, khoảng cách giữa chúng và môi trường xung quanh. Định luật Coulomb cho biết lực tương tác giữa hai điện tích điểm tỉ lệ thuận với tích của độ lớn hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Công thức: F = k * |q1 * q2| / r². Lưu ý, lực này là lực hút nếu hai điện tích trái dấu và lực đẩy nếu hai điện tích cùng dấu. Khi có nhiều điện tích tác dụng lên một điện tích khác, cần tính tổng hợp lực bằng cách cộng vector các lực do từng điện tích gây ra. Việc vẽ sơ đồ lực giúp hình dung và tính toán dễ dàng hơn.

3.2. Ứng dụng các phương trình Maxwell trong giải quyết các bài toán

Phương trình Maxwell là một hệ thống gồm bốn phương trình mô tả đầy đủ các hiện tượng điện từ. Các phương trình này bao gồm định luật Gauss cho điện trường, định luật Gauss cho từ trường, định luật Faraday về cảm ứng điện từ, và định luật Ampere-Maxwell. Để giải bài tập bằng phương trình Maxwell, cần xác định các điều kiện biên, các nguồn điện trường và từ trường, và các đại lượng cần tìm. Tùy thuộc vào bài toán cụ thể, có thể cần phải giải hệ phương trình vi phân, sử dụng các phương pháp giải tích hoặc số. Việc nắm vững các khái niệm về điện trường, từ trường, điện thế, và dòng điện là rất quan trọng để giải bài tập bằng phương trình Maxwell.

IV. Ứng Dụng Điện Từ Trường Động Cơ Điện Máy Phát Điện Viễn Thông

Các nguyên lý của điện và từ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và kỹ thuật. Động cơ điện và máy phát điện là hai ví dụ điển hình về ứng dụng của hiện tượng điện từ cảm ứng. Động cơ điện biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, trong khi máy phát điện biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Viễn thông dựa trên việc truyền tải sóng điện từ để truyền thông tin từ xa. Các thiết bị điện tử như điện thoại, máy tính, và tivi đều sử dụng các mạch điện tử phức tạp, hoạt động dựa trên các nguyên lý của điện và từ. Ngoài ra, điện và từ còn được ứng dụng trong y học, năng lượng, và nhiều lĩnh vực khác. Ví dụ, máy MRI sử dụng từ trường mạnh để tạo ra hình ảnh chi tiết về cơ thể người.

4.1. Cơ chế hoạt động và ứng dụng của Động cơ điện

Động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý lực từ tác dụng lên dòng điện chạy trong một từ trường. Một cuộn dây dẫn điện được đặt trong một từ trường. Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, lực từ tác dụng lên cuộn dây, tạo ra một momen xoắn làm quay cuộn dây. Các động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, từ các thiết bị gia dụng nhỏ đến các máy móc công nghiệp lớn. Ví dụ, máy bơm nước, máy giặt, máy khoan, và xe điện đều sử dụng động cơ điện.

4.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện

Máy phát điện hoạt động dựa trên hiện tượng điện từ cảm ứng. Khi một cuộn dây dẫn điện quay trong một từ trường, từ thông qua cuộn dây thay đổi, tạo ra một điện áp cảm ứng trong cuộn dây. Điện áp cảm ứng này tạo ra một dòng điện trong cuộn dây. Các máy phát điện được sử dụng để cung cấp năng lượng điện cho các hộ gia đình, các nhà máy, và các thành phố. Ví dụ, các nhà máy thủy điện, nhiệt điện, và điện gió đều sử dụng máy phát điện.

4.3. Ứng dụng của Điện từ trong lĩnh vực viễn thông

Trong viễn thông, sóng điện từ được sử dụng để truyền thông tin từ xa. Thông tin được mã hóa vào sóng điện từ bằng cách thay đổi các đặc tính của sóng, như biên độ, tần số, hoặc pha. Sóng điện từ sau đó được phát đi từ một anten và thu lại bởi một anten khác. Các hệ thống viễn thông hiện đại sử dụng nhiều loại sóng điện từ khác nhau, từ sóng vô tuyến đến sóng vi ba và ánh sáng. Ví dụ, điện thoại di động, wifi, và truyền hình vệ tinh đều sử dụng sóng điện từ.

V. Thách Thức Tương Lai Vật Liệu Mới và Năng Lượng Tái Tạo cần Điện Từ

Nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới và năng lượng tái tạo đặt ra nhiều thách thức và cơ hội cho lĩnh vực điện và từ. Các vật liệu mới như siêu vật liệu (metamaterials) có thể được thiết kế để có các tính chất điện từ độc đáo, mở ra các ứng dụng mới trong viễn thông, quang học, và cảm biến. Năng lượng tái tạo, như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, đòi hỏi các hệ thống lưu trữ và truyền tải điện hiệu quả, dựa trên các nguyên lý của điện và từ. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này có thể giúp chúng ta giải quyết các vấn đề năng lượng toàn cầu, giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, và tạo ra một tương lai bền vững.

5.1. Nghiên cứu và ứng dụng của Siêu vật liệu Metamaterials

Siêu vật liệu là các vật liệu nhân tạo có cấu trúc được thiết kế để có các tính chất điện từ độc đáo, không có trong tự nhiên. Ví dụ, siêu vật liệu có thể có chiết suất âm, cho phép tạo ra các thấu kính siêu phân giải, hoặc có thể hấp thụ hoàn toàn sóng điện từ, cho phép tạo ra các lớp áo tàng hình. Nghiên cứu và phát triển siêu vật liệu mở ra nhiều ứng dụng mới trong viễn thông, quang học, cảm biến, và nhiều lĩnh vực khác. Tài liệu nhấn mạnh tầm quan trọng của “các ứng dụng công nghệ của các định luật vật lý,” và siêu vật liệu là một ví dụ điển hình cho sự tích hợp này.

5.2. Điện và Từ trong các hệ thống lưu trữ năng lượng

Các hệ thống lưu trữ năng lượng, như pin và siêu tụ điện, đóng vai trò quan trọng trong việc tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện. Các nguyên lý của điện và từ được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống lưu trữ năng lượng này. Ví dụ, các vật liệu điện cực và chất điện ly trong pin được lựa chọn để có các tính chất điện hóa tốt, cho phép lưu trữ và giải phóng năng lượng một cách hiệu quả. Các siêu tụ điện sử dụng điện trường để lưu trữ năng lượng, có ưu điểm là tốc độ sạc và xả nhanh hơn pin.

VI. Kết Luận Tương Lai Phát Triển Của Điện Từ Học Là Gì

Điện và từ là một lĩnh vực nghiên cứu rộng lớn và đầy tiềm năng. Các tiến bộ trong công nghệ, vật liệu, và lý thuyết đang mở ra nhiều cơ hội để khám phá và ứng dụng các hiện tượng điện từ. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này có thể giúp chúng ta giải quyết các vấn đề năng lượng, môi trường, y tế, và viễn thông, tạo ra một tương lai tốt đẹp hơn cho nhân loại. Việc tiếp tục đầu tư vào giáo dục, nghiên cứu, và phát triển trong lĩnh vực điện và từ là rất quan trọng để đảm bảo sự phát triển bền vững của xã hội. Tài liệu gốc nhấn mạnh sự cần thiết phải chú ý đến các ứng dụng công nghệ của các định luật vật lý; lĩnh vực điện và từ không ngừng phát triển và ứng dụng trong mọi khía cạnh của cuộc sống.

6.1. Các Hướng Nghiên Cứu Mới Trong Lĩnh Vực Điện và Từ

Một số hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điện và từ bao gồm: nghiên cứu các vật liệu mới có tính chất điện từ độc đáo, phát triển các thiết bị điện tử linh hoạt và có thể co giãn, nghiên cứu các hệ thống truyền tải điện không dây hiệu quả, và phát triển các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh bằng từ trường. Nghiên cứu và phát triển trong các hướng này có thể dẫn đến các đột phá công nghệ và các ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

6.2. Tầm quan trọng của việc học tập và nghiên cứu Điện và Từ

Việc học tập và nghiên cứu điện và từ là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu của xã hội hiện đại. Các kỹ sư và nhà khoa học làm việc trong lĩnh vực này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ mới, giải quyết các vấn đề toàn cầu, và cải thiện cuộc sống của con người. Việc khuyến khích sinh viên và nhà nghiên cứu theo đuổi lĩnh vực điện và từ là rất quan trọng để đảm bảo sự phát triển bền vững của xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mir Publishers Moscow www.com ELEMENTARY TEXTBOOK ON PHYSICS Edited by G. Landsberg These three volumes form a course on elementary physics that has become very popular in the Soviet Union. Each sectioh was written by an authority in the appropriate field, while the overall unity and editing was supervised by Academician G. This textbook has gone through ten Russian editions and a great deal of effort went into the last edition to introduce SI units and change the terminology and notation for the physical units.

A feature of this course is the relatively small number of formulas and mathematical manipulations. Instead, attention was focussed on explaining physical phenomena in such a way as to combine scientific rigour and a form understandable to school children. Another aspect of the text is the technological application of the physical laws. These features make the text a world-class textbook.

For students preparing to enter universities and colleges to study physics, and for those it high schools specialising in physics.com ELEMENTARY TEXTBOOK ON PHYSICS Volume 2 www.com S J l EMEHT APHb l M YMEBHMK 0M3MKM riofl pe^aKL^Meii aKafleMMKa T. /lA H flC B E P rA B 3-x TOMax TOM 2 3J1EKTPMHECTBO M MArHETM3M M3flaTenbCTBo «HayKa» Mockbs www.com ELEMENTARY TEXTBOOK ON PHYSICS Edited by G. Landsberg In three volumes Volume 2 ELECTRICITY AND MAGNETISM Mir Publishers Moscow www.com Translated from Russian by Natalia Wadhwa First published 1988 Revised from the 1985 Russian edition Ha ane/iuucKOM * 3 biKe Printed in the Union o f Soviet Socialist Republics © H 3 ,aaTejibCTBO «Hayica». TjiaBHaa peflaKima ISBN 5-03-000225-1 (J)H3HKo-MaTeMaTHHecKofl JiHTepaTypbi, 1985 ISBN 5-03-000223-5 © English translation, Mir Publishers, 1988 www.com Contents From the Preface to the First Russian Edition 10 Chapter i.

Conductors and Insulators (13). Division of Bodies into Conductors and Insulators (15). Positive and Negative Charges (17). What Happens During Electrostatic Charging (19)? 1.

Electrostatic Charging by Friction (22). Charging by Induction (25). Charging by Light. Unit of Charge (31).

Effect of Electric Charge on Surrounding Bodies (34). The Idea of Electric Field (35). Electric Field Strength (37). Composition of Fields (39).

Electric Field in In­ sulators and Conductors (40). Graphic Representation of Fields (41). Main Features of Electric Field-Strength Patterns (45). Application of the Method of Field Lines to Problems in Electrostatics (45).

Work Done in Displacing an Electric Charge in an Elec­ tric Field (48). Why Was the Potential Difference Introduced (55)? 2. Conditions for Charge Equilibrium in Conductors (57). What Is the Difference Be­ tween an Electrometer and an Electroscope (61)? 2.

Measurement of the Potential Difference in Air. Electric Field of the Earth (65). Simple Electric Field Configurations (66). Charge Distribution in a Conductor.

Surface Charge Density (72). Types of Capacitors (77). Parallel and Series Connection of Capacitors (80). Dielectric Per­ mittivity (81).

Why Is Electric Field Weakened in a Dielectric? Polarization of Dielec­ trics (85). Energy of Charged Bodies. Energy of Electric Field (87). Electric Current and Electromotive Force (90).

Manifestations of Electric Cur­ rent (95). Direction of Current (98). Strength of Current (99). “Velocity of Elec­ tric Current” and Velocity of Charge Carriers (100).

Voltage Distribution in a Current-Carrying Conductor (102). Resistance of www.com 6 Contents Wires (106). Temperature Dependence of Resistance (109). Series and Parallel Connection of Wires (113).

Voltage Distribution in a Circuit. “Losses” in Wires (117). What Must be the Resistances of a Voltmeter and an Ammeter (120)? 3. Shunting of Measuring Instruments (121).

Thermal Effect of Current 123 4. Heating by Current. Work Done by Electric Current (124). Power of a Current (125).

Electric Heating Appliances. Design of Heating Appliances (129). Electric Current in Electrolytes 136 5. Faraday’s First Law of Electrolysis (136).

Faraday’s Second Law of Electrolysis (138). Ionic Conduction in Electrolytes (140). Motion of Ions in Electrolytes (142). Elementary Electric Charge (143).

Primary and Secondary Processes in Electrolysis (144). Graduating Ammeters with the Help of Elec­ trolysis (147). Technical Applications of Electrolysis (148). Chemical and Thermal Generators 152 6.

Emergence of EMF and Current in a Galvanic Cell (156). Polarization of Electrodes (161). Depolarization of Galvanic Cells (163). Ohm’s Law for Closed Circuits (167).

Voltage Across the Terminals of a Current Source and EMF (169). Connection of Current Sources (172). Ther­ mocouples as Generators (178). Measurement of Temperature with the Help of Ther­ mocouples (179).

Electric Current in Metals 183 7. Electron Conduction in Metals (184). Structure of Metals (186). Reasons Behind Electric Resistance (187).

Emission of Electrons by Incandes­ cent Bodies (189). Electric Current in Gases 192 8. Intrinsic and Induced Conduction in Gases (192). Induced Conduction in a Gas (192).

Ap­ plications of Corona Discharge (201). Applications of Arc Discharge (207). What Occurs www.com Contents 7 During a Glow Discharge (209)? 8. Nature of Cathode Rays (212).

Electron Conduction in a High Vacuum (218). Cathode-Ray Tube (223). Electric Current in Semiconductors 226 9. Nature of Electric Current in Semiconductors (226).

Motion of Electrons in Semicon­ ductors. p- and n-Type Semiconductors (229). Basic Magnetic Phenomena 239 10. Natural and Artificial Magnets (239).

Poles of a Magnet and Its Neutral Zone (241). Magnetic Effect of Electric Current (244). Magnetic Effects of Currents and Permanent Magnets (246). Origin of the Magnetic Field of Permanent Magnets.

Ampere’s Hypothesis on Elementary Currents (255). Magnetic Field and Its Manifestations. Magnetic Mo­ ment. Unit of Magnetic Induction (259).

Measurement of Magnetic Induction with the Help of Magnetic Needle (260). Composition of Magnetic Fields (261). Magnetic Field Lines (262). Instruments for Measuring Magnetic Induction (264).

Magnetic Field of Current 266 12. Magnetic Field of a Straight Conductor and of a Circular Current Loop. Right-Hand Screw Rule (266). Magnetic Field of a Solenoid.

Equivalence of a Solenoid and a Bar Magnet (269). Magnetic Field in a Solenoid. Magnetic Field Strength (272). Magnetic Field of Moving Charges (274).

Magnetic Field of the Earth 276 13. Magnetic Field of the Earth (276). Elements of the Earth’s Magnetism (278). Magnetic Anomalies and Magnetometric Prospecting of Mineral Resources (281).

Time Variation of Elements of the Earth’s Magnetic Field. Forces Acting on Current-Carrying Conduc­ tors in a Magnetic Field 283 14. Effect of a Magnetic Field on a Straight Current-Carrying Conductor. Left-Hand Rule (283).

Effect of a Magnetic Field on a Current Loop or on a www.com 8 Contents Solenoid (288). Galvanometer Based on Interaction of Magnetic Field and Current (293). Lorentz Force and Aurora Borealis (299). Conditions for Emergence of Induced Current (302).

Direction of Induced Cur­ rent. Basic Law of Electromagnetic Induction (312). Electromagnetic Induction and Lorentz Force (317). Induced Currents in Bulky Conductors.

Magnetic Properties of Bodies 322 16. Magnetic Permeability of Iron (322). Permeability of Different Materials. Paramagnetics and Diamagnetics (326).

Motion of Paramagnetics and Diamagnetics in a Magnetic Field. Molecular Theory of Magnetism (330). Properties of Ferromagnetics (333). Fundamen­ tals of the Theory of Ferromagnetism (338).

Constant and Alternating Electromotive Force (341). Experimental Investigation of the Form of an Alternating Current. Amplitude, Frequency and Phase of Sinusoidal Alternating Current and Voltage (347). Strength of Alternating Current (351).

Ammeters and Voltmeters (352). Inductance of a Coil (356). Alternating Current Through a Capacitor and a Large- Inductance Coil (357). Ohm’s Law for Alternating Current.

Capacitive and Inductive Reactances (360). Summation of Currents for Parallel Connection of Elements in an A. Summation of Voltages in Series Connection of Elements of an A. Phase Shift Between Current and Voltage (367).

Power of Alternating Current (372). Centralized Production and Distribution of Electric Power (379). Rectification of Alternating Current (381). Electric Machines: Generators, Motors and Electromagnets 386 18.

Separately Excited and Self- Excited Generators (398). Three-Phase Current (402). Three-Phase Electric Motor (407). Basic Operating Characteristics and Features of D.

Motors with Shunt and Series Excitation (418). Efficiency of Generators and Motors (424). Ap­ plication of Electromagnets (428). Relays and Their Application in Engineering and www.com Contents 9 Automatic Control (430) Answers and Solutions (432) Appendices (442) 1.

Fundamental Physical Constants (442). Factors and Prefixes Used with the SI Units (442). Subject Index (443) www.com From the Preface to the First Russian Edition The second volume of Elementary Textbook on Physics contains the theory of electric and magnetic phenomena. It does not include problems concerning electromagnetic oscillations and waves since, in accordance with the general outline of this course, these questions are associated with the basic theory of oscillations and waves and make up, together with acoustics and optics, the third volume of the course.

The general concepts which served as the guidelines during the compila­ tion of this volume have been mentioned in the preface to the first volume. Since the material contained in this book is intended for the high-school students, a higher level of knowledge is expected from the reader. The mathematical formulas occupy little space in this book and like in the previous volume are mainly encountered in brevier. This book was prepared with the active cooperation of S.com Chapter 1 Electric Charges 1.

Electric Interaction Let us suspend a light body, say, a paper core, on a silk thread. Then we rub a glass rod against a silk cloth and bring it close to the body. The core will first be attracted to the rod but then, having touched it, will be repelled (Fig. Now we touch a similar paper core with the same glass rod rubbed against silk, remove the rod and place the cores at a small distance from each other.

They will repel each other (Fig. A paper core is repelled from the glass rod by which it has been charged. Before we touched the cores with the glass rod rubbed against silk, they had been in equilibrium in the vertical position under the action of the force of gravity and tension of the thread. Now their equilibrium position has changed.

This means that in addition to the forces mention­ ed above, some other forces are acting on the cores. These forces differ from the forces of gravity, the forces emerging as a result of deforma­ tions of bodies, friction and other forces which we have studied in the course on mechanics. In the simple experiments described above, we en­ counter the manifestations of forces known as electric forces. The bodies that exert electric forces on surrounding objects are referred to as electrically charged bodies, and electric charges are said to be located on such bodies.com 12 Chapter 1 Two paper cores suspended on silk threads and charged by a glass rod repel each other: mg is the force of gravity acting on a paper core, F is the electric force and N is the force balancing the tension of the thread.

In the above experiments, glass was charged by rubbing against silk. We could take, however, sealing wax, ebonite, plexiglass, or amber instead of glass and replace the silk cloth by leather, rubber or some other material. Experiments show that any object can be electrically charged by friction. Electric repulsion of charged bodies is used in the construction of the electroscope, an instrument for detecting electric charges.

It consists of a metal rod with a very thin aluminium or paper leaf (or two leaves) attached to its end (Fig. The rod is fixed in a glass jar with the help of an ebonite or amber stopper to protect the leaves from air currents. Figure 3b shows a schematic diagram of an electroscope which we shall use henceforth. Let us touch the rod of an electroscope with an electrically charged body, say, by a glass rod rubbed against silk.

The leaves will be repelled by Fig. A simple electroscope: (a) general and (b) schematic diagram. (a) the rod and will diverge through a certain angle. If we now remove the rod, the leaves will remain deflected, which indicates that a certain charge has been transferred to the electroscope during its contact with the charged body.com Electric Charges 13 Let us charge the electroscope with the help of the glass rod, mark the deflection of the leaves, touch the rod again with the charged glass and then remove the glass rod.