rdy w/ hw

This commit is contained in:
2025-12-15 15:36:14 +03:00
parent 9f8ca01d6a
commit bd2a69bf40
7 changed files with 123 additions and 212 deletions

View File

@@ -25,7 +25,7 @@
#align(center)[=== Электростатика. Постоянный ток.]
#align(center)[===== №1]
#align(center)[===== №1] // ready
Система состоит из полусферы несущей равномерно распределённый заряд с поверхностной плотностью $sigma eq 5 " нКл/м"^2$. Рассчитать модуль напряжённости электростатического поля, создаваемого полусферой в её центре.
@@ -59,7 +59,7 @@ $
d E eq k frac(d q, R^2) eq k frac(sigma R^2 sin theta d theta d phi, R^2) eq k sigma sin theta d theta d phi.
$
Расписав составляющие:
Расписав составляющие (так как поле направлено к центру, значение с минусом):
$
d E_x eq -k sigma sin^2 theta cos phi d theta d phi, \
@@ -87,9 +87,9 @@ $
*Ответ*: $E approx 0.14 "кВ/м"$.
#align(center)[===== №2]
#align(center)[===== №2] // ready
Система представляет собой область пространства заполненного зарядом с объёмной плотностью $rho = rho_0 exp(-alpha r^3)$, где $rho_0$ и $alpha$ -- положительные постоянные, а $r$ -- расстояние от центра системы. Найти модуль напрёжённости электростатического поля, как функцию $r$.
Система представляет собой область пространства заполненного зарядом с объёмной плотностью $rho = rho_0 exp(-alpha r^3)$, где $rho_0$ и $alpha$ -- положительные постоянные, а $r$ -- расстояние от центра системы. Найти модуль напряжённости электростатического поля, как функцию $r$.
*Решение*:
@@ -104,10 +104,16 @@ $
По закону Гаусса:
$
integral.cont_S bold(E) dot d bold(S) eq frac(Q_"вн", epsilon_0)
integral.cont_S arrow(E) dot d arrow(S) eq frac(Q_"вн", epsilon_0)
$
Система обладает сферической симметрией.
Система обладает сферической симметрией. Модуль $E(r)$ одинаков по всей сфере радиуса $r$, тогда (площадь поверхности сферы $4 pi r^2$):
$
integral.cont_S arrow(E) dot d arrow(S) eq E(r) integral.cont_S d S eq E(r) dot S eq E(r) dot 4 pi r^2
$
$
E(r) 4 pi r^2 eq frac(Q_"вн" (r), epsilon_0) arrow.double E(r) eq frac(Q_"вн" (r), 4 pi epsilon_0 r^2)
@@ -132,12 +138,12 @@ $
Подставим в закон Гаусса:
$
E(r) eq frac(rho_0, 3 epsilon_0 alpha r^2) (1 - e^(-alpha r^3))
E(r) eq frac(Q_"вн" (r), 4 pi epsilon_0 r^2) eq frac(frac(4 pi rho_0, 3 alpha)(1 minus e(minus alpha r^3)), 4 pi epsilon_0 r^2) eq frac(rho_0, 3 epsilon_0 alpha r^2) (1 - e^(-alpha r^3))
$
*Ответ*: $E(r) eq frac(rho_0, 3 epsilon_0 alpha r^2) (1 - exp(-alpha r^3))$.
#align(center)[===== №3]
#align(center)[===== №3] // ready
Система состоит из равномерно заряженного шара радиуса $R eq 20 "см"$. Рассчитать разность потенциалов между точками, лежащими на расстоянии $r_1 eq 1 "см"$ и $r_2 eq 15 "см"$ от центра шара. Объёмная плотность заряда $rho eq 10 " нКл/м"^3$. Диэлектрическая проницаемость вещества из которого состоит шар $epsilon = 1$.
@@ -161,7 +167,7 @@ $
Поток через сферу радиуса $r$ равен:
$
integral.cont bold(E) dot d bold(S) eq E(r) dot 4 pi r^2 eq frac(Q_"вн", epsilon_0).
integral.cont arrow(E) dot d arrow(S) eq E(r) dot 4 pi r^2 eq frac(Q_"вн", epsilon_0).
$
Отсюда можно выразить $E(r)$:
@@ -190,7 +196,7 @@ $
*Ответ*: $Delta phi approx 4.2 "B"$.
#align(center)[===== №4]
#align(center)[===== №4] // ready
Зазор между пластинами плоского конденсатора полностью плоская слюдяная пластинка ($epsilon_1 eq 7$) толщиной $d_1 eq 2 "мм"$, и слой парафина ($epsilon_1 eq 2$) толщиной $d_2 eq 1 "мм"$. Рассчитать модули напряжённости электрического поля в обоих диэлектриках, если разность потенциалов между пластинами $U eq 200 В$.
@@ -204,7 +210,7 @@ $
) <img4>
]
При статическом поле в плоском конденсаторе нормальная компонента вектора электрической индукции $bold(D)$ одинакова во всех слоях:
При статическом поле в плоском конденсаторе нормальная компонента вектора электрической индукции $arrow(D)$ одинакова во всех слоях:
$
D eq epsilon_0 epsilon_(r 1) E_1 eq epsilon_0 epsilon_(r 2) E_2.
@@ -242,7 +248,7 @@ $
*Ответ*: $E_1 approx 36 "кВ/м", E_1 approx 0.13 "МВ/м"$.
#align(center)[===== №5]
#align(center)[===== №5] // ready
На расстоянии $l eq 1.5 "см"$ от проводящей плоскости расположен точечный заряд $q eq 100 "мкКл"$. Рассчитайте работу, которую необходимо совершить против электрических сил, чтобы медленно удалить этот заряд от плоскости на бесконечность.
@@ -258,29 +264,40 @@ $
В системе СИ: $l eq 1.5 "см" eq 0.015 "м", space q eq 100 "мкКл" eq 1.0 dot 10^(-4) "Кл"$.
По закону сохранения энергии:
$
Delta E_K plus Delta E_P eq A_"тр" plus A_"вн"
$
Так как мы удаляем заряд медленно, то $Delta E_K eq 0$. Про трение ничего не сказано, поэтому $A_"тр" eq 1$. Тогда:
$
A eq Delta E_P eq E_(P 2) minus E_(P 1)
$
На бесконечности ($E_(P 2)$) равна нулю так как $r eq infinity$, и в формуле $E_P eq k frac(q, r)$ стоит в знаменателе.
Реальный заряд $q$ находится на расстоянии $l$ от плоскости, а мнимый заряд $q' eq -q$ находится на расстоянии $l$ по другую сторону плоскости. Тогда обозначим за $r eq 2 l eq 0.03 "м"$.
Потенциальная энергия взаимодействия двух зарядов $U$ равна:
Потенциальная энергия взаимодействия двух зарядов $E_P$ равна:
$
U eq k frac(q q', r) eq -k frac(q^2, 2 l)
E_P eq k frac(q q', r) eq -k frac(q^2, 2 l)
$
Чтобы удалить заряд в бесконечность, нужно сделать работу $A$:
Нужно учесть, что получившееся значение -- работа по удалению не одного, а двух зарядов. Тогда поделим значение на 2.
$
A eq -U eq k frac(q^2, 2 l)
$
Подставив числа, получим:
$
A approx 0.15 dot 10^3 "Дж"
A eq frac(q^2, 16 pi epsilon_0 l) eq frac(10^4 dot 10^(-12), 16 pi dot 8.85 dot 10^(-12) dot 1.5 dot 10^(-2)) approx 0.15 dot 10^3 "Дж"
$
*Ответ*: $A approx 0.15 dot 10^3 "Дж"$.
#align(center)[===== №6]
#align(center)[===== №6] // ready
По прямому проводнику длина которого $l eq 400 "м"$ течёт постоянный ток, сила которого $I eq 10 "А"$. Рассчитать суммарный импульс электронов в проводнике.
@@ -294,72 +311,34 @@ $
) <img6>
]
Пусть $v_d$ - дрейфовая скорость электронов. Тогда импульс всех электронов $p$ равен:
По формуле плотности тока:
$
p eq M v_d
j eq rho U ", где" rho eq frac(q, l dot S) arrow.double j eq frac(q U, l S)
$
где $M$ - суммарная масса всех электронов в проводнике.
За время $Delta t$ электроны сдвигаются вдоль провода на расстояние:
Так как $j eq I/S$ по определению, то можно выразить заряд:
$
Delta x eq v_d Delta t.
j eq I/S eq frac(q U, l S) arrow.double q eq frac(I l, U)
$
Тогда объем, прошедший через сечение:
Масса всех электронов равна произведению их количества на массу одного электрона:
$
V eq S Delta x eq S v_d Delta t.
m eq n_e dot m_e eq q/e m_e eq frac(I l, U e) m_e
$
Если $n$ - концентрация свободных электронов на метр кубический, то:
По формуле импульса:
$
N eq n V eq n S v_d Delta t
p eq m U eq frac(I l m_e, e)
$
это число электронов, прошедших через сечение. Каждый электрон имеет заряд $e$ по модулю, поэтому полный заряд $Delta Q$:
Подставим числа из условия:
$
Delta Q eq N e eq n e S v_d Delta t.
$
По определению силы тока:
$
I eq frac(Delta Q, Delta t) eq frac(n e S v_d Delta t, Delta t) eq n e S v_d.
$
Пусть площадь сечения - $S$. Тогда объем $V$ равен:
$
V eq S l
$
и число электронов $N$:
$
N eq n V eq n S l.
$
Выразив дрейфовую скорость из $I eq n e S v_d$, получим:
$
v_d eq frac(I, n e S)
$
Тогда, подставив это в $p eq N m_e v_d$:
$
p eq N m_e v_d eq (n S l) m_e dot frac(I, n e S) eq frac(m_e I l, e)
$
Подставим числа и получим:
$
p eq frac(3.644 dot 10^(-27), 1.6 dot 10^(-19)) approx 2.28 dot 10^(-8) "Н/c"
p eq frac(10 dot 400 dot 9.1 dot 10^(-31), 1.6 dot 10^(-19)) approx 2.3 dot 10^(-8).
$
*Ответ*: $p eq 2.3 dot 10^(-8) "Н/с"$.
@@ -367,7 +346,7 @@ $
#align(center)[=== Магнитостатика. Закон электромагнитной индукции Фарадея.]
#align(center)[===== №1]
#align(center)[===== №1] // ready
Замкнутый контур с током имеет вид прямоугольника с диагональю $d eq 16 "см"$, угол между диагоналями $alpha eq 30 degree$. Сила тока, протекающего по контуру $I eq 5 "A"$. Рассчитать модуль индукции магнитного поля в центре контура.
@@ -376,154 +355,73 @@ $
#align(center)[
#figure(
image("assets/7.png"),
image("assets/7.svg"),
supplement: [Рис.],
caption: [Прямоугольный контур с током и его центр.]
) <img7>
]
В системе СИ: $d eq 16 "см" eq 0.16 "м"$. Обозначим стороны прямоугольника $a$ и $b$, тогда длина диагонали $d$ равна:
В системе СИ: $d eq 16 "см" eq 0.16 "м"$.
По принципу суперпозиции для магнитного поля:
$
d eq sqrt(a^2 + b^2).
arrow(B) eq arrow(B)_1 plus arrow(B)_2 plus arrow(B)_3 plus arrow(B)_4.
$
Угол между диагоналями $alpha$ выражается через $a$ и $b$. Для векторов диагоналей $bold(d)_1 eq (a, b), bold(d)_2 eq (a, -b)$ получим:
Так как все $arrow(B)_i$ сонаправлены, то $B eq 2(B_1 plus B_2)$. По закону Био-Савара-Лапласа:
$
cos alpha eq frac(bold(d)_1 dot bold(d)_2, |bold(d)_1||bold(d)_2|) eq frac(a^2 - b^2, a^2 + b^2)
B eq 2(frac(mu_0 I, 2 pi) (frac(cos frac(pi minus phi, 2), d/2 cos phi/2) + frac(cos phi/2, d/2 sin phi/2))) eq \
eq frac(mu_0 I, pi) (frac(1, d/2 sin phi/2 cos phi/2)) eq frac(4 mu_0 I, pi d sin phi)
$
или
Подставив числа из условия, получим:
$
b/a eq tan alpha/2
$
Отсюда:
$
a eq d cos alpha/2, space.quad b eq d sin alpha/2
$
$
a eq d cos 15 degree, space.quad b eq d sin 15 degree
$
По закону Био-Савара:
$
d B eq frac(mu_0 I, 4 pi) frac(d l sin phi, r^2),
$
где $d l$ - элемент проводника, $r$ - расстояние до точки наблюдения, $phi$ - угол между направлением тока и направлением на точку наблюдения. Проводник лежит вдоль оси $x$, точка наблюдения на оси $y$. Тогда расстояние $r eq sqrt(x^2 + y^2)$.
Угол $phi$ между током и направлением на точку:
$
sin phi eq frac(y, sqrt(x^2 + y^2)) eq y/r
$
После подстановки в закон Био-Савара:
$
d B eq frac(mu_0 I, 4 pi) frac(d x, (x^2 + y^2)) dot frac(y, sqrt(x^2 + y^2)) eq frac(mu_0 I, 4 pi) frac(y d x, (x^2 + y^2)^(3/2)).
$
проинтегрировав по длине проводника:
$
B eq frac(mu_0 I, 4 pi) y integral_(x_A)^(x_B) frac(d x, (x^2 + y^2)^(3/2)) eq frac(mu_0 I, 4 pi y) (frac(x_B, sqrt(x^2_B + y^2)) - frac(x_A, sqrt(x^2_A + y^2)))
$
Обозначим углы до концов проводника:
$
cos theta_1 eq frac(x_A, sqrt(x_A^2 + y^2)), space.quad cos theta_2 eq frac(x_B, sqrt(x_B^2 + y^2))
$
тогда
$
B eq frac(mu_0 I, 4 pi y) (cos theta_2 - cos theta_1).
$
По формуле разности косинусов:
$
cos theta_2 - cos theta_1 eq 2 sin frac(theta_2 + theta_1, 2) sin frac(theta_2 - theta_1, 2)
$
Но в точке на перпендикуляре можно возпользоваться более простым выражением:
$
cos theta_2 - cos theta_1 eq sin theta_1 + sin theta_2
$
Так как точка находится напротив середины проводника, то $theta_1 eq theta_2 eq theta$. Тогда:
$
B eq frac(mu_0 I, 2 pi y) sin theta
$
Для симметричного случая можно расписать $sin theta$ как:
$
sin theta eq frac(L/2, sqrt((L/2)^2 + y^2)).
$
Для отрезка длины $L$ на расстоянии $y$ от его середины:
$
B_"отр" eq frac(mu_0 I L, 4 pi y sqrt((L/2)^2 + y^2)).
$
Сумма вкладов двух противоположных сторон длины $a$:
$
B_a^"sum" eq 2 dot frac(mu_0 I a, 4 pi (b/2) sqrt((a/2)^2 + (b/2)^2)) eq frac(mu_0 I a, pi b sqrt((a/2)^2 + (b/2)^2))
$
Аналогично для сторон длины $b$:
$
B_b^"sum" eq frac(mu_0 I b, pi a sqrt((a/2)^2 + (b/2)^2))
$
Сложив, получим:
$
B eq B_a^"sum" + B_b^"sum" eq frac(mu_0 I, pi sqrt((a/2)^2 + (b/2)^2)) (a/b + b/a) eq frac(mu_0 I, pi d/2) (a/b + b/a) eq \
eq frac(2 mu_0 I, pi d) (a/b + b/a) eq frac(2 mu_0 I, pi d) frac(2, sin alpha) eq frac(4 mu_0 I, pi d sin alpha)
$
Подставив числа, получим:
$
B eq frac(4(4 pi dot 10^(-7)) dot 5, pi dot 0.16 dot 0.5) approx 1.0 dot 10^(-4) "Т" eq 0.1 "мТ".
B eq frac(4 dot 4 pi dot 10^(-7) dot 5, pi dot 0.16 dot sin 30 degree) approx 0.1
$
*Ответ*: $B approx 0.1 "мТл"$.
#align(center)[===== №2]
#align(center)[===== №2] // ready
Два бесконечных прямых параллельных проводника разделены расстоянием $d eq 20 "см"$. По проводникам в противоположных направлениях текут токи $I_1 eq I_2 eq 10 "А"$. Рассчитать модуль напряжённости магнитного поля в точке, равноудалённой от обоих проводников на расстояние $a eq 20 "см"$.
*Решение*: хз
*Решение*:
#align(center)[
#figure(
image("assets/9.png"),
image("assets/9.svg"),
supplement: [Рис.],
caption: [Два параллельных проводника с противоположными токами.]
) <img9>
]
По формуле напряженности магнитного поля для прямого тока:
$
H eq 2 pi r I
$
Результирующее поле направлено вниз:
$
H eq (2I)/(2 pi r) cos pi/3 eq I/(2 pi r)
$
Подставив числа из условия, получим:
$
frac(10, 2 pi dot 0.2) approx 8 "А/м".
$
*Ответ*: $H approx 8 "А/м"$.
#align(center)[===== №3]
#align(center)[===== №3] // ready
По проводу бесконечной длины, имеющего форму цилиндра радиуса $R$ течёт постоянный ток, плотность которого зависит от расстояния до центра провода как $j eq alpha r bold(e)_z$. Рассчитать вектор магнитной индукции создаваемый током внутри и вне провода, как функцию $r$ (магнитная проницаемость всюду равна 1).
По проводу бесконечной длины, имеющего форму цилиндра радиуса $R$ течёт постоянный ток, плотность которого зависит от расстояния до центра провода как $j eq alpha r arrow(e)_z$. Рассчитать вектор магнитной индукции создаваемый током внутри и вне провода, как функцию $r$ (магнитная проницаемость всюду равна 1).
*Решение*:
@@ -538,13 +436,13 @@ $
Для осесимметричного распределения удобно взять круговой контур радиуса $r$, с центром на оси цилиндра. Интеграл по контуру:
$
integral.cont bold(B) dot d bold(l) eq B_phi (r) (2 pi r)
integral.cont arrow(B) dot d arrow(l) eq B_phi (r) (2 pi r)
$
Закон Ампера:
$
integral.cont bold(B) dot d bold(l) eq mu_0 I_"вн" (r)
integral.cont arrow(B) dot d arrow(l) eq mu_0 I_"вн" (r)
$
где $I_"вн" (r)$ - суммарный ток, пронизывающий поверхность, ограниченную контуром.
@@ -583,28 +481,28 @@ $
B_phi (r) eq frac(mu_0 I, 2 pi r) eq frac(mu_0, 2 pi r) dot frac(2 pi alpha R^3, 3) eq frac(mu_0 alpha R^3, 3 r)
$
*Ответ*: $bold(B) (r lt R) eq frac(mu_0 alpha r^2, 3) bold(e)_phi, space bold(B) (r gt R) eq frac(mu_0 alpha R^3, 3 r) bold(e)_phi$.
*Ответ*: $arrow(B) (r lt R) eq frac(mu_0 alpha r^2, 3) arrow(e)_phi, space arrow(B) (r gt R) eq frac(mu_0 alpha R^3, 3 r) arrow(e)_phi$.
#align(center)[===== №4]
#align(center)[===== №4] // ready
В однородное магнитное поле с магнитной индукцией $B eq 0.4 "Тл"$ перпендикулярно полю с постоянной скоростью влетает заряженная частица. В течении $6 "мкс"$ включается постоянное электрическое поле напряжённостью $E eq 300 "В/м"$ сонаправленно магнитному полю. Рассчитать шаг винтовой траектории частицы после выключения электрического поля.
*Решение*: По формуле силы Лоренца:
$
bold(F) eq q(bold(E) + bold(v) times bold(B))
arrow(F) eq q(arrow(E) + arrow(v) times arrow(B))
$
До включения электрического поля:
$
bold(E) eq 0, space.quad bold(F) eq q(bold(v) times bold(B))
arrow(E) eq 0, space.quad arrow(F) eq q(arrow(v) times arrow(B))
$
Поскольку $bold(b) perp bold(B)$, частица движется по окружности
Частица движется по окружности
$
F_"маг" = q v b.
F_"маг" = q v B.
$
Сила Лоренца равна центростремительной силе:
@@ -651,7 +549,7 @@ $
*Ответ*: $h eq 0.28 "м"$.
#align(center)[===== №5]
#align(center)[===== №5] // ready
Квадратная рамка со стороной $a eq 70 "см"$ помещена в магнитное поле так, что нормаль к рамке составляет угол $alpha eq 45 degree$ с направлением магнитного поля. Индукция магнитного поля меняется по закону $B eq B_0 cos omega t$, где $B_0 eq 0.2 "Тл", omega eq 6 " с"^(-1)$. Рассчитать ЭДС индукции, возникающей в рамке в момент времени $t eq 3 "с"$.
@@ -665,52 +563,61 @@ $
)
]
ЭДС индукции определяется законом Фарадея:
По формуле магнитного потока через плоскость:
$
cal(E) eq -frac(d Phi, d t)
Phi eq B S cos alpha
$
где $Phi$ - магнитный поток через рамку:
Площадь рамки:
$
Phi eq bold(B) dot bold(S) eq B S cos alpha
S eq a^2
$
Площадь рамки $S eq a^2$, $alpha$ - угол между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке.
Магнитный поток через рамку:
Так как $B eq B_0 cos(omega t)$:
$
Phi(t) eq B(t) S cos alpha eq B_0 cos (omega t) dot a^2 cos alpha
Phi eq B_0 a^2 cos beta cos (omega t)
$
$
cal(E) eq -frac(d Phi, d t) eq -frac(d, d t) [B_0 a^2 cos alpha cos(omega t)] eq -B_0 a^2 cos alpha frac(d, d t) cos(omega t) \
eq -B_0 a^2 cos alpha dot (-omega sin (omega t)) eq B_0 a^2 omega cos alpha sin(omega t)
$
Подставляем числа:
По закону Фарадея:
$
cal(E) eq 0.2 dot (0.7)^2 dot 6 dot cos 45 degree dot sin(6 dot 3) approx -0.31 "В"
cal(E) eq -Phi'(t) eq B_0 a^2 omega cos beta sin omega t
$
Подставив числа из условия, получим:
$
cal(E) eq 0.2 dot 0.7^2 dot 6 dot cos(45 degree) dot sin (6 dot 3) approx -0.31 "B".
$
*Ответ*: $epsilon eq -0.31 "В"$.
#align(center)[===== №6]
#align(center)[===== №6] // ready
Плотность витков в катушке $n eq 25 " см"^(-1)$. Рассчитать объёмную плотность энергии магнитного поля в катушке при токе $I eq 2 "А"$.
*Решение*: В системе СИ: $n eq 25 " см"^(-1) eq 2500 " м"^(-1)$.
*Решение*:
#align(center)[
#figure(
image("assets/12.png"),
supplement: [Рис.],
caption: [Катушка с током и однородным магнитным полем внутри.]
)
]
В системе СИ: $n eq 25 " см"^(-1) eq 2500 " м"^(-1)$.
По закону Ампера:
$
integral.cont bold(B) dot d bold(l) eq mu_0 I_"внутри"
integral.cont arrow(B) dot d arrow(l) eq mu_0 I_"внутри"
$
Возьмем прямоугольный контур. Одна сторона внутри катушки длиной $l_"внутри"$, другая снаружи. Магнитное поле внутри $bold(B) dot d bold(l) eq B l_"внутри"$. Ток, охваченный контуром: $I_"внутри" eq I dot N_"охваченных витков" eq I n l_"внутри"$. Подставив в закон Ампера, получим:
Возьмем прямоугольный контур. Одна сторона внутри катушки длиной $l_"внутри"$, другая снаружи. Магнитное поле внутри $arrow(B) dot d arrow(l) eq B l_"внутри"$. Ток, охваченный контуром: $I_"внутри" eq I dot N_"охваченных витков" eq I n l_"внутри"$. Подставив в закон Ампера, получим:
$
B l_"внутри" eq mu_0 (n I l_"внутри") arrow.double B eq mu_0 n I.