Рабочая программа Электродинамика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
Южный федеральный университет
физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
_______________________
"_____"__________________201__ г.
Рабочая программа дисциплины
"Электродинамика"
Направление подготовки
222900 "Нанотехнология и микросистемная техника"
Профиль подготовки
Материалы микро- и наносистемной техники
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Ростов-на-Дону
2010
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины "Электродинамика" являются изучение студентами основ
теории электромагнитного поля, понимание места этой теории в современной научной картине мира, понимание физического смысла уравнений Максвелла и роли потенциалов в описании электромагнитного поля, изучение решений уравнений Максвелла, описывающих свободное поле и поле с источниками, получение представлений об излучении электромагнитных волн, понимание особенностей описания электромагнитного поля в среде, получение
представлений о пассивных и активных средах, приобретение навыков решения стандартных
задач электродинамики и проведения расчетов, необходимых для научного моделирования
физических процессов, оценки результатов экспериментальных исследований и определения
параметров материалов и устройств.
2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина относится к профессиональному циклу. Изучение электродинамики как теоретической дисциплины существенно опирается на предварительное знание математических
курсов (математика, прикладной тензорный анализ, дифференциальный уравнения, методы
математической физики) и вводного курса физики. Ожидается, что студент, приступающий к
изучению электродинамики, должен владеть методами векторного и тензорного анализа,
дифференциального и интегрального исчисления, методами решения дифференциальных и
алгебраических уравнений, обладать знаниями о природе электромагнитных явлений в рамках общего курса физики. Освоение электродинамики является необходимым условием для
последующего изучения курса электротехники. В широком смысле слова электродинамика
как часть теоретической физики обеспечивает фундамент для понимания процессов, происходящих на микро- и наноуровне, в которых важную роль играют электромагнитные взаимодействия.
2
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
"Электродинамика".
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: уравнения Максвелла для электромагнитного поля в вакууме, их физический смысл; закон сохранения заряда; уравнения движения заряда в электромагнитном поле; законы сохранения энергии и импульса для электромагнитного поля; связь между потенциалами и напряженностями поля; роль потенциалов в электродинамике; калибровки Кулона и Лоренца, уравнения для потенциалов поля в различных калибровках; волновые решения уравнений поля
в отсутствие источников; физический смысл запаздывающих потенциалов,
потенциалы Лиенара – Вихерта; определения дипольного и магнитного моменты системы зарядов, тензора квадрупольного момента системы зарядов;
виды излучения электромагнитных волн; уравнения Максвелла для электромагнитного поля в сплошной среде, определения электрической и магнитной
поляризации, электрической и магнитной индукции и напряженностей полей
в среде, диэлектрической и магнитной восприимчивости, диэлектрической и
магнитной проницаемости, проводимости среды, уравнения Максвелла в линейных средах; законы сохранения энергии и импульса для электромагнитного поля в линейных средах; теоремы взаимности; условия на границе раздела
двух сред; классификацию и физические свойства сплошных сред; закон Ома,
закон Джоуля – Ленца; основы электростатики проводников; описание электромагнитного поля в среде с пространственной и временной дисперсией .
Уметь: решать стандартные задачи электродинамики, в частности, рассчитывать потенциалы и напряженности электромагнитного поля в вакууме и
сплошной среде, различать виды поляризации электромагнитных волн, вычислять степень поляризации волны и интенсивность излучения; вычислять
емкостные коэффициенты; различать пассивные и активные среды; отличать
механизмы поляризации диэлектриков.
Владеть: методами решения задач электродинамики с использованием математического аппарата векторного и тензорного анализа, дифференциального и интегрального вычисления; методами приближенного описания полей систем зарядов и
токов на больших расстояниях от источников; представлениями о свойствах
диэлектриков, парамагнетиков, диамагнетиков, полупроводников, проводников, сверхпроводников, сегнетоэлектриков, пьезоэлектриков, ферромагнетиков и антиферромагнетиков, а также о таких явлениях как электрострикция,
электрокалорический эффект, прямой и обратный пьезоэффект.
3
1
2
3
4
Раздел
дисциплины
Уравнения электромагнитного поля в вакууме
Потенциалы электромагнитного поля
Свободное электромагнитное поле
Запаздывающие
потенциалы
Поле систем зарядов и токов на
больших расстояниях
6
Излучение электромагнитных
волн
7
Уравнения электродинамики
сплошных сред
8
Обзор физических
свойств сплошных
сред
9
Электромагнитное
поле в среде с пространственной и
временной
дисперсией
Итого
5
5
Виды учебной работы, вклю- Формы текущего
чая самостоятельную работу
контроля успестудентов и трудоемкость (в
ваемости (по
часах)
неделям семестра)
всего
аудиторных
сам.
Форма
промежучасов лекции практ. работа
точной аттестазанятия
ции (по семестрам)
1-3
24
6
6
12
контроль
самостоятельной работы
4-5
24
4
8
12
контроль
самостоятельной работы
6-7
16
4
4
8
контроль
самостоятельной работы
8
8
2
2
4
контроль
самостоятельной работы
9
12
2
4
6
контроль
самостоятельной работы
Неделя семестра
№
п/п
Семестр
4. Структура и содержание дисциплины "Электродинамика".
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы, 144 часа.
1011
16
4
4
8
1214
16
6
2
8
1517
24
6
6
12
18
4
2
–
2
144
36
36
72
контроль
стоятельной
ты
контроль
стоятельной
ты
контроль
стоятельной
ты
контроль
стоятельной
ты
саморабосаморабосаморабосаморабо-
зачет
5. Образовательные технологии
Основные виды учебной работы – лекции и практические занятия. Лекции сопровождаются показом презентаций. На практических занятиях закрепляется теоретический материал,
студенты овладевают навыками решения задач и проведения необходимых расчетов, проводится контроль самостоятельной работы каждого студента в группе.
4
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Примеры контрольных вопросов и заданий для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по отдельным разделам дисциплины:
К разделу 1 "Уравнения электромагнитного поля в вакууме":
1. Записать систему уравнений Максвелла в скалярной форме.
2. Записать систему уравнений Максвелла в интегральной форме.
3. Вывести уравнение баланса энергии из уравнений Максвелла.
К разделу 2 "Потенциалы электромагнитного поля":
1. Доказать, что если потенциалы электромагнитного поля удовлетворяют неоднородным уравнениям д'Аламбера, то калибровка Лоренца является следствием уравнения
непрерывности.
2. Найти потенциал и напряженность электрического поля шара, равномерно заряженного по объему. Радиус шара R, полный заряд q
3. Вычислить электростатическую энергию сферы с радиусом R и зарядом q, равномерно
распределенным по поверхности.
4. Определить напряженность магнитного поля, создаваемого постоянным током J, текущему по бесконечному цилиндрическому проводнику кругового сечения радиуса a.
Решить задачу с помощью уравнений магнитостатики в интегральной форме, а также
путем введения векторного потенциала.
К разделу 3 "Свободное электромагнитное поле":
1. Считая компоненты тензора поляризации заданными, найти интенсивность полностью
поляризованной и полностью неполяризованной волн, степень поляризации и степень
деполяризации волны.
2. Электромагнитное поле разложимо по плоским монохроматическим волнам, т. е. в
интеграл Фурье по трем координатам и времени. Записать уравнения Максвелла для
гармоник Фурье.
К разделу 4 "Запаздывающие потенциалы":
Получить выражения для напряженностей электрического и магнитного поля для запаздывающих потенциалов Лиенара – Вихерта.
К разделу 5 "Поле систем зарядов и токов на больших расстояниях":
Доказать, что тензор квадрупольного момента системы зарядов, для которой полный
заряд Q равен нулю и дипольный момент d равен нулю, не зависит от выбора начала
координат.
К разделу 6 "Излучение электромагнитных волн":
Вычислить интенсивность дипольного излучения.
К разделу 7 "Уравнения электродинамики сплошных сред":
Вывести закон сохранения импульса электромагнитного поля в среде.
К разделу 8 "Обзор физических свойств сплошных сред":
1. Записать закон Кулона в анизотропных средах.
2. Вычислить емкость двухслойного цилиндрического конденсатора.
К разделу 8 "Электромагнитное поле в среде с пространственной и временной дисперсией":
Записать дисперсионное уравнение, определяющее зависимость диэлектрической
проницаемости от частоты и волнового вектора.
5
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины "Электродинамика":
а) основная литература:
1. В. В. Батыгин, И. Н. Топтыгин, Современная электродинамика. Часть I. Микроскопическая теория, Москва – Ижевск, НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2005.
2. И. Н. Топтыгин, Современная электродинамика. Часть II. Теория электромагнитных явлений в веществе, Москва – Ижевск, НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2005.
б) дополнительная литература:
1. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Теория поля, Москва, “Наука”, 1988.
2. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Электродинамика сплошных сред, Москва, “Наука”,
1982.
3. В. Г. Левич, Курс теоретической физики. Том I, Москва, “Наука”, 1969.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
Презентации к лекциям и задания для самостоятельной работы студентов, размещенные
в Цифровом кампусе ЮФУ.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины "Электродинамика":
Персональный компьютер (ноутбук) и проектор для демонстрации презентаций.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению полготовки "222900 Нанотехнология и микросистемная
техника" и профилю подготовки "Материалы микро- и наносистемной техники".
Автор – доцент кафедры теоретической и вычислительной физики Шестакова Т. П.
Рецензент (ы) _________________________
Программа одобрена на заседании Ученого Совета физического факультета ЮФУ
от ___________ года, протокол № ________.
6