E π A π π ª π KÏ ÛÈÎ º ÛÈÎ I TfiÌÔ ' NÈÎfiÏ Ô. K Ï ÊË HÏÂÎÙÚÔÌ ÁÓËÙÈÛÌfi
ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών ΣΠOY EΣ ΣTIΣ ΦYΣIKEΣ EΠIΣTHMEΣ Θεµατική Ενότητα KΛAΣIKH ΦYΣIKH I Τόµος Γ' Hλεκτροµαγνητισµός NIKOΛAOΣ. KYΛAΦHΣ Καθηγητής Τµήµατος Φυσικής Πανεπιστηµίου Kρήτης ΠATPA 2000
ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών ΣΠΟΥ ΕΣ ΣΤΙΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ Θεµατική Ενότητα ΚΛΑΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ I Τόµος Γ' Hλεκτροµαγνητισµός Συγγραφή NIKOΛAOΣ. KYΛAΦHΣ Καθηγητής Τµήµατος Φυσικής Πανεπιστηµίου Kρήτης Κριτική Ανάγνωση ΣΩTHPIOΣ ΠEPΣI HΣ Oµότιµος Καθηγητής Τµήµατος Φυσικής Aριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης Ακαδηµαϊκός Υπεύθυνος για την επιστηµονική επιµέλεια του τόµου ΑΡΙΣΤΕΙ ΗΣ Ζ ΕΤΣΗΣ Καθηγητής Τµήµατος Φυσικής Πανεπιστηµίου Πατρών Επιµέλεια στη µέθοδο της εκπαίδευσης από απόσταση ΓΙΑΝΝΗΣ ΠΑΡΘΕΝΙΟΣ Γλωσσική Επιµέλεια ΝΙΚΟΛΙΤΣΑ ΝΙΚΟΛΟΠΟΥΛΟΥ Τεχνική Επιµέλεια ΕΣΠΙ ΕΚ ΟΤΙΚΗ Ε.Π.Ε. Καλλιτεχνική Επιµέλεια, Σελιδοποίηση TYPORAMA Συντονισµός ανάπτυξης εκπαιδευτικού υλικού και γενική επιµέλεια των εκδόσεων ΟΜΑ Α ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΕΡΓΟΥ ΕΑΠ / 1997 1999 ISBN: 960 538 020 X Kωδικός Έκδοσης: ΦYE 24/3 Copyright 1999 για την Ελλάδα και όλο τον κόσµο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Οδός Παπαφλέσσα & Υψηλάντη, 26222 Πάτρα Τηλ: (0610) 314094, 314206 Φαξ: (0610) 317244 Σύµφωνα µε το Ν. 2121/1993, απαγορεύεται η συνολική ή αποσπασµατική αναδηµοσίευση του Βιβλίου αυτού ή η αναπαραγωγή του µε οποιοδήποτε µέσο, χωρίς την άδεια του εκδότη.
ÂÚÈÂ fiìâó K º π 1 ÏÂÎÙÚÈÎ appleâ Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 13 1.1 Ο νόµος του Coulomb... 15 1.2 Βαθµωτά και διανυσµατικά πεδία... 18 1.3 Ηλεκτρικό πεδίο... 18 1.3.1 Ηλεκτρικό πεδίο από σηµειακά φορτία... 18 1.3.2 Ηλεκτρικό πεδίο από συνεχή κατανοµή φορτίου... 20 1.4 Ροή διανυσµατικού πεδίου... 25 1.4.1 Ηλεκτρική ροή... 26 1.5 Ο νόµος του Gauss... 28 1.6 Αγωγοί... 32 Σύνοψη... 34 K º π 2 ÏÂÎÙÚÈÎfi Ó ÌÈÎfi Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 35 2.1 ιατηρητικά πεδία δυνάµεων... 37 2.2 υναµική ενέργεια... 37 2.3 υναµικό... 37 2.3.1 υναµικό που οφείλεται σε σηµειακό φορτίο... 39 2.3.2 υναµικό από συνεχή κατανοµή φορτίου... 42 2.4 Προσδιορισµός του ηλεκτρικού πεδίου από το ηλεκτρικό δυναµικό... 44 2.5 υναµικό φορτισµένου αγωγού... 46 Σύνοψη... 47
8 EPIEXOMENA K º π 3 ÎÓˆÙ Î È ÈËÏÂÎÙÚÈÎ Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 49 3.1 Πυκνωτές... 51 3.1.1 Χωρητικότητα πυκνωτών... 51 3.1.2 Υπολογισµός χωρητικότητας πυκνωτή... 51 3.2 Σύνδεση πυκνωτών... 54 3.2.1 Παράλληλη σύνδεση πυκνωτών... 54 3.2.2 Σύνδεση πυκνωτών σε σειρά... 55 3.3 Ενέργεια αποθηκευµένη σε πυκνωτή... 57 3.4 Πυκνωτές µε διηλεκτρικά... 59 3.5 Ηλεκτρικό δίπολο σε ηλεκτρικό πεδίο... 63 Σύνοψη... 65 K º π 4 ƒâ Ì Î È ÓÙ ÛÙ ÛË Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 67 4.1 Ρεύµα... 69 4.2 Πυκνότητα ρεύµατος... 69 4.3 Αντίσταση και νόµος του Ohm... 72 4.4 Ειδική αντίσταση και νόµος του Ohm... 73 4.5 Ειδική αντίσταση µετάλλων... 75 4.6 Απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας σε αντίσταση... 77 Σύνοψη... 79 K º π 5 ÎÏÒÌ Ù Û ÓÂ Ô ÚÂ Ì ÙÔ Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 81
EPIEXOMENA 9 5.1 Ηλεκτρεγερτική δύναµη... 83 5.2 Σύνδεση αντιστάσεων... 85 5.2.1 Σύνδεση αντιστάσεων σε σειρά... 85 5.2.2 Παράλληλη σύνδεση αντιστάσεων... 86 5.3 Nόµοι του Kirchhoff... 89 5.4 Κυκλώµατα µε αντίσταση και χωρητικότητα... 95 5.4.1 Φόρτιση πυκνωτή µέσω αντίστασης... 95 5.4.2 Εκφόρτιση πυκνωτή µέσω αντίστασης... 97 Σύνοψη... 100 K º π 6 ª ÁÓËÙÈÎ appleâ Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 101 6.1 Μαγνητικό πεδίο... 103 6.2 Μαγνητική δύναµη πάνω σε αγωγό διαρρεόµενο από ρεύµα... 105 6.3 Μαγνητική ροπή σε ρευµατοφόρο βρόχο... 108 6.4 Κίνηση φορτίου σε οµογενές µαγνητικό πεδίο... 110 6.5 Το φαινόµενο Hall... 111 6.6 Ο νόµος των Biot και Savart... 112 6.7 Μαγνητική δύναµη µεταξύ δύο παράλληλων ρευµατοφόρων αγωγών... 117 6.8 Ο νόµος του Gauss στον Μαγνητισµό... 118 6.9 Ο νόµος του Ampère... 118 Σύνοψη... 122 K º π 7 ª ÁÓËÙÈÎ Âapple ÁˆÁ Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 123 7.1 Πειράµατα επαγωγής... 125 7.2 Ο κανόνας του Lenz... 126
10 EPIEXOMENA 7.3 Ο νόµος του Faraday... 128 7.4 Κίνηση αγωγού σε µαγνητικό πεδίο... 133 7.5 Γεννήτριες και κινητήρες... 136 Σύνοψη... 138 K º π 8 ÙÂapple ÁˆÁ Î È ÌÔÈ Âapple ÁˆÁ Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 139 8.1 Αυτεπαγωγή... 141 8.2 Κυκλώµατα µε αντίσταση και πηνίο... 142 8.2.1 Σύνδεση κυκλώµατος RL µε µπαταρία... 143 8.2.2 Αποσύνδεση κυκλώµατος RL από µπαταρία... 144 8.3 Ενέργεια µαγνητικού πεδίου... 145 8.4 Αµοιβαία επαγωγή... 148 8.5 Κυκλώµατα LC... 150 8.6 Κυκλώµατα RLC... 153 Σύνοψη... 156 K º π 9 ÎÏÒÌ Ù ÂÓ ÏÏ ÛÛfiÌÂÓÔ ÚÂ Ì ÙÔ Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 157 9.1 Πηγές εναλλασσόµενου ρεύµατος... 159 9.2 Αντίσταση σε κύκλωµα ac... 159 9.3 Πηνίο σε κύκλωµα ac... 161 9.4 Πυκνωτής σε κύκλωµα ac... 162 9.5 RLC σε κύκλωµα ac... 163 9.6 Ισχύς κυκλώµατος ac µε RLC σε σειρά... 166 Σύνοψη... 169
EPIEXOMENA 11 K º π 10 ÍÈÛÒÛÂÈ ÙÔ Maxwell Î È ËÏÂÎÙÚÔÌ ÁÓËÙÈÎ Î Ì Ù Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 171 10.1 Ανακεφαλαίωση εξισώσεων Ηλεκτροµαγνητισµού... 173 10.2 Ο γενικευµένος νόµος του Ampère... 174 10.3 Ηλεκτροµαγνητικά κύµατα... 179 10.3.1 Κύµατα... 180 10.3.2 Kυµατική εξίσωση... 182 10.3.3 Παραγωγή ηλεκτρικών και µαγνητικών κυµάτων... 183 10.3.4 Λήψη ραδιοφωνικών κυµάτων... 185 10.4 Σχέση µεταξύ E και B στα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα... 187 10.5 Ενέργεια ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων... 191 10.6 Ορµή και πίεση ακτινοβολίας... 192 10.7 Το φάσµα της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας... 193 10.8 Οι εξισώσεις του Maxwell σε διαφορική µορφή... 194 10.8.1 Ο νόµος του Gauss στον Ηλεκτρισµό... 194 10.8.2 Ο νόµος του Gauss στον Μαγνητισµό... 196 10.8.3 Ο νόµος του Faraday... 196 10.8.4 Ο νόµος του Ampère... 197 Σύνοψη... 198 Aπαντήσεις ασκήσεων αυτοαξιολόγησης... 199 Eυρετήριο... 233 Bιβλιογραφία για παραπέρα µελέτη... 237