Өткізгіш бетінің эквипотенциал беттері
Қазақстан Республикасының ғылым және білім министрлігі
С. Аманжолов атындағы Шығыс Қазақстан мемлекеттік университеті
Әкбар Н.
Электродинамикадан орта мектепке арналған демонстрациялық құрылғыларды құрастыру
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В011000 - Физика мамандығы
Өскемен 2020
Қазақстан Республикасының ғылым және білім министрлігі
С. Аманжолов атындағы Шығыс Қазақстан мемлекеттік университеті
Қорғауға жіберілді
_______________2020 ж.
Физика және технологиялар
кафедрасының меңгерушісі
______________Г.С. Бектасова
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: Электродинамикадан орта мектепке арналған демонстрациялық құрылғыларды құрастыру
5В011000 - Физика мамандығы бойынша
Орындаған күндізгі оқу бөлімінің
4-курс студенті
Н.Ж. Әкбар
Ғылыми жетекші
аға оқытушы
___________2020 ж.
А.М. Жилкашинова
Нормабақылаушы
--------
___________2020 ж.
Өскемен 2020
Мазмұны
Анықтамалар
4
Қысқартылған сөздер мен белгіленулер
5
Кіріспе
6
1
Демонстрациялық құрылғылардағы физикалық құбылыстардың негізгі теориялары
8
1.1
Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
8
1.2
Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі. Асқан өткізгіштік
15
1.3
Электромагниттік индукция. Магниттік ағын. Ленц заңы
22
1.4
Сұйықтықтағы электр тогы. Электролиз үшін Фарадей заңы
27
2
Демонстрациялық құрылғылармен электродинамика тақырыбын орта мектепте оқыту әдістемесі
34
2.1
2.2
Жаңғыртылған бағдарлама бойынша мектеп курсында зерттеу жұмысын ұйымдастыру бағытында пьезогенераторларды зерттеу
Пәнді игеруге арналған күнтізбелік-тақырыптық жоспар
44
47
2.3
Тақырып бойынша жоспарланған есептер
49
2.4
Тақырып бойынша материалдарды меңгеруге арналған тесттік тапсырмалар
2.5
52
Қорытынды
57
Қолданған әдебиеттер тізімі
58
Қосымша А
Қосымша Б
Қосымша В
Анықтамалар
Электростатикалық индукция - өткізгішті сыртқы электр өрісіне ендіргенде ондағы электрондардың ығысып қайта орналасуы нәтижесінде оның беттерінің әр таңбалы зарядтармен зарялталуы.
Эквипотенциал бет - өткізгіштің барлық нүктелерінің потенциалдары өзара тең өткізгіштің беті.
Автоэлектрондық эмиссия - зарядтың өткізгіштің үшкір ұшынан ұшып шығу құбылысы.
Электр өткізгіш орта - сыртқы электр қозғаушы күшінің әсерінен ортада белгілі бір бағытта заряд тасылатын орта.
Электрондар - өткізгіштердегі заряд тасушылар.
Еркін электрондар - атомдардың өзара әрекеттесуі нәтижесінде сыртқы валенттік электрондары төл ядроларының өрісінен кетіп, басқа кез келген ядролардың өрісінде еркін қозғалуы.
Фонондар - кристалдың периодты потенциалдық өрісінің элементар қозулары.
Сындық температура - өткізгіштің асқын өткізгіш күйіне көшетін температурасы.
Сындық тоқ - асқын өткізгіштік күйін бұзатын тоқ.
Атом - химиялық элементтерді құрайтын, олардың өзіне тән ерекшеліктерін сақтайтын ең кішкене бөлшек.
Кернеу - ток тудыратын электр өрісін сипаттайтын физикалық шама.
Электрлік кедергі - электр тізбегінің немесе өткізгіштің электр тогына қарсы бағытталған әсерін сипаттайтын шама.
Электр тогы - электр қозғаушы күштің әсерінен зарядтардың (зарядталған бөлшектер немесе дене) бағытталған қозғалысы.
Тұрақты ток - уақыт бойынша бағыты және шамасы өзгермейді. Тұрақты ток көздері: аккумуляторлар, батареялар.
Айнымалы ток - бағыты мен шамасы периодты түрде өзгеріп отыратын электр тогы.
Электр өрісі - электрмагниттік өрістің дербес бір түрі. Ол электр зарядының айналасында немесе бір уақыт ішіндегі магнит өрісінің өзгерісі нәтижесінде пайда болады.
Ом заңы - электр тогының негізгі заңдарының бірі. Өткізгіштегі ток күшінің (І) осы өткізгіштің ұштары арасындағы кернеумен (U) байланысын анықтайды.
Диссоциациялану дәрежесі - иондарға ыдыраған молекула санының жалпы молекула санына қатынасы.
Диссоциация құбылысы - ерітіндідегі молекулалардың иондарға ыдырауы.
Қысқартылған сөздер мен белгіленулер
U - өткізгіштегі кернеу;
J - өткізгіштегі ток;
- өткізгіштің кедергісі;
ЭҚК - электр қозғаушы күш;
- меншікті кедергі;
- температура;
Σ - меншікті өткізгіш.
L - сымның ұзындығы;
S - көлденең қиманың ауданы;
Q - заряд;
F - инерция күші;
Е - металл кернеулігі;
j - ток тығыздығы;
t - уақыт, с;
Cνr - газдың меншікті жылу сыйымдылығы;
N - электрондардың саны;
R - өткізгіштің t0C-тағы кедергісі;
R0 - өткізгіштің 00С-тағы кеедргісі
L - контурдың индуктивтілігі
Z - ионның атомының валенттілігі
eN0 - электрондардың бір мөлінің зарядына тең әмбебап шама.
k - электролит арқылы бір өлшем заряд тасылғанда электродта бөлінетін заттың массасын көрсететін тұрақты.
AZ - химиялық балама
Кіріспе
Физика - жаратылыстану ғылымдарының бірі болғандықтан, физикалық құбылыстарды зерттеуде, оны мектеп курсында оқып-үйретуде теорияның практикамен тығыз байланысты болуы және оның демонстрациялық құрылғылар көмегімен әрдайым дәлелденіп отыруы өте маңызды. А.Эйнштейн айтқандай: Қоршаған әлем туралы білімді тек логикалық түрде ойлап меңгеру мүмкін емес, нақты әлем туралы білім тәжірибеден басталып, тәжірибемен аяқталуы тиіс [6].
Физиканың өзге салалары секілді, электродинамика да практикаға, оның демонстрациялық түрде теориямен байланысының дәлелденіп отыруына мұқтаж. Бұл дипломдық жұмыста электродинамиканың мектеп курсында оқытылатын әр тарауына байланысты демонстрациялық құрылғылар қарастырылған. Дипломдық жұмыстың екінші бөлімінде сол демонстрациялық құрылғыларды мектеп курсындағы педагогикалық үрдісте пайдалана білудің және жалпы электродинамика тарауын оқытудың тиімді әдістері қарастырылған.
Демонстация (лат. demostratio көрсету) - бір нәрсені көпшілікке көрсету деген мағынаны, ал педагогикада, сондай-ақ, түсіндіру деген мағынада да қолданылады [1]. Яғни, бұл дипломдық жұмыста электродинамикалық теориялардың эксперимент жүзінде көрініс табуы және мектеп курсына тән демонстрациялық құрылғылар қарастырылып, теориямен байланысы талқыланды.
Дипломдық жұмысымыз электродинамиканың мектеп курсында өтілетін барлық тарауын қамту үшін, электростатика, тұрақты ток, магнит өрісіндегі электр тогы, әр түрлі ортадағы электр тогы тақырыптарына демонстрациялық жұмыстар жасалды.
Физика пәніндегі электродинамика бөлімін оқытуда қазіргі заманауи технологияларды қолдана отырып, оқытудың сыни тұрғысынан ойлау технологиясымен оқыту әдістемесін қолдандым. Сыни тұрғыдан ойлау - бақылаудың, тәжірибенің, ойлау мен талқылаудың нәтижесінде алынған ақпаратты ойлауға, бағалауға, талдауға және синтездеуге бағытталған пәндік тәсіл, бұл одан кейін де әрекет жасауға негіз бола алады.
Жаңа ХХІ ғасырды - білім ғасыры, ақпарат ғасыры десек те, физикалық қағидалар кеше, бүгін, ертең және әрқашанда табиғат құбылыстарын сипаттаушы негізгі заңдылықтар болып қала бермек.
Жоғарыда айтылғандай, экспермент физиканың ғылымдағы айрықша үлесіне сәйкес, оқыту үрдісінің негізгі құраушы бөлігі және уақыт өткен сайын эксперименттің оқу жүйесіндегі маңызы үдей түсуде. Өйткені экспериментсіз физиканы, физикасыз экспериментті елестетудің өзі мүмкін емес. Тек эксперимент қана оқушыларға әлемнің материалды екенін, оны оқып-түсінуге болатындығын және табиғатты танудың жалғыз құралы екендігіне көз жеткізеді [15].
Сондай-ақ, демонстрациялық құрылғылар құрау барысында, жаңартылған мектеп бағдарламасына сәйкес, мектеп курсында зерттеу жұмыстарын ұйымдастыру мәселесіне тереңірек зерттеулер жүргізе отырып, пьезогенераторларды зерттеу және қазіргі қоғамда пайдалану тақырыбында қосымша жұмыстар жүргізіліп, дипломдық жұмысқа енгізілді.
Дипломдық жұмыстың соңында оқушылардың білімін бекіту мақсатында тақырыпқа сәйкес есептер мен тесттер құрастырылды.
Жұмыстың өзектілігі: Электродинамика бөлімі бойынша демонстрациялық құрылғылар құрастыру және оны педагогикалық үрдісте қолданаудың тиімді әдістерін зерттей отырып мектеп курсында қолдану.
Ғылыми жаңалық: Теориялық тұрғыда дәлелденген мағлұматтар мен тәжірибелерді демонстрациялық түрде көрсету. Бұл - тәжірибенің жаңалығы.
Дипломдық жұмыстың мақсаты: Мектеп курсына арналған демонстрациялық құрылғылар жасау және оларды жаңартылған мектеп бағдарламасына сәйкес қолдана білуді талдау. Оқушылардың білімін бекітуде есептер мен тесттер құрастыру.
Зерттеу нысаны: Зерттеу нысаны ретінде электростатикалық өткізгіштер, электролиттер, потенциалдық беттер және оқу үрдісі алынды.
Зерттеу мақсаттары: Көзделген мақсатымызға жету үшін келесі жұмыстар атқарылды:
1. Электродинамиканың бірнеше бөлімі бойынша демонстрациялық құралдардағы физикалық заңдылықтарға анықтама беру.
2. Тәжірибе жүзінде шыққан нәтижелерді теориямен салыстырып отыру.
3. Істелген жұмыстарды мектеп курсында және қазіргі қоғамда қолдана алу.
4. Тақырыпқа сәйкес есептер мен тест сұрақтарын құрастыру.
Зерттеу әдісі: Зерттеудің басты әдістері эксперимент және талдау.
Ғылыми-практикалық маңызы: Демонстрациялық құрылғыларды қарапайым әдістермен құрастыра алуға болатындығы және мектеп курсында қолдануға болатындығы айқын болды.
Диплом кіріспеден, екі бөлімнен, қорытынды және қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады.
1 Демонстрациялық құрылғылардағы физикалық құбылыстардың негізгі теориялары
Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
Еркін қозғалып заряд тасуға қатыса алатын бөлшектері бар орта электр өткізгіш орта деп аталады. Орта қатты, сұйық, газ күйінде болады. Ал заряд тасушы бөлшектер электрондар, атомдар мен молекулалардың оң және теріс зарядталған иондары болуы мүмкін.
Заряд тасушылаары еркін электрондар болатын қатты денелерде сыртқы электр өрісінің әсерінен жүретін құбылыстарды қарастырайық.
Зарядталмаған өткізгішті сыртқы электр өрісіне (Есырт.) (мысалы, жазық конденсатордың астарларының арасындағы электр өрісіне) орналастырсақ, оның электрондары өріс бағытына кері бағытта ығысып қозғалысқа келеді, яғни тоқ пайда болады:
I=j∙n0S (1)
мұнда S - өткізгіштің қимасының ауданы, n0 - қима бетінің бірлік нормалі.
Электрондар өткізгіштің сәйкесті бетіне шоғырланып оны теріс зарядтайды. Ал, өткігіштің қарама-қарсы беті электрондардың жетіспеуі салдарынан оң зарядталады. Өткізгіштің зарядталған беттері сыртқы электр өрісіне қарама-қарсы бағытталған - ішкі электр өрісін (Еішкі.) тудырады. Ішкі электр өрісі сыртқы электр өрісін бейтараптай бастайды.
Өткізгішті сыртқы электр өрісіне ендіргенде ондағы электрондардың ығысып қайта орналасуы нәтижесінде оның беттерінің әр таңбалы зарядтармен зарядталуын электростатикалық индукция дейді.
1-сурет. Сыртқы электр өрісі пайда болғандағы өткізгіш
Өте аз уақыт аралығында (τ ≈ 10-9с) өткізгіштегі ішкі электр өрісі (Еішкі.) сыртқы электр өрісін (Есырт.) толық бейтараптайды, яғни
Eсырт.=Eішкі (2)
теңдігі орындалады. Динамикалық тепе-теңдік орнайды. Электрондардың қозғалысы тоқталып, тоқ нөлге теңеседі
j=σE. (3)
(3)-теңдігінен өткізгіштің ішкі көлеміндегі электр өрісі нөлге айналатындығын, яғни
E=0 (4)
болатындығын көреміз. Ал өткізгіштің ішінде көлемдік зарядтың жоқтығы, яғни ρ=0 болатындығы белгілі. Басқаша айтқанда, өткізгішті тұрақты электр өрісіне ендіргенде зарядтар өткізгіштің бетінде қалыңдығы атом өлшемімен шамалас қабатта орналасады да, оның ішкі көлемінде заряд болмайды. Әрине, өткізгіштің ішкі қабатында атомдар мен молекулалардың зарядтары бар. Бірақ оң заряд пен теріс зарядтардың сандары бірдей болғандықтан, олар бірін-бірі бейтараптайды.
Өткізгіш бетінің кез-келген нүктелерінің арасындағы потенциал айырымы (∆φ=-Elcosα) нөлге тең.
Яғни өткізгіштің барлық нүктелерінің потенциалдары өзара тең. Өткізгіштің беті - эквипотенциал бет.
Электр өрісінің кернеулігі өткізгіш бетіне перпендикуляр бағытталған, яғни оның тангенциал құраушысы нөлге тең. Ал егер электр өрісінің тангенциал құраушысы нөлге тең болмаса, онда оның әсерінен өткізгіштің электрондары қозғалысқа келіп, олар кернеуліктің тангенциал құраушысы нөлге тең болғанша қайта таралып орналасады.
Өткізгішті сыртқы электр өрісіне ендіргенде оның еркін электрондарының қайта таралып орналасуы нәтижесінде, онда сыртқы электр өрісіне қарама-қарсы бағытталған ішкі электр өрісі пайда болады. Өткізгіштің өріске қарсы және бағытындағы беттері зарядталып, олардың өрісі сыртқы өріске қарама-қарсы бағытталады. Бұл құбылысты - электростатикалық индукция дейді.
Динамикалық тепе-теңдік орнаған сәттен бастап ішкі электр өрісі сыртқы электр өрісін толық бейтараптайды. Өткізгіштің ішкі қабатында заряд болмайды, электр өрісі нөлге тең болады. Өткізгіштің беті эквипотенциал бетке айналады.
Сыртқы элек өрісінің кернеулігі өткізгіш бетіне перпендикуляр бағытталады, яғни оның тангенциал құраушысы нөлге тең болады.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің кернеулігін табайық. Өткізгіштің бетінен ∆S-ке тең элементін бөліп алып, оған биіктігі h-қа тең тік цилиндр тұрғызып, оның толық S бетінен ағып өтетін электр өрісінің ағынын Гаусс теоремасы арқылы табайық.
Өткізгіштерде заряд тек оның бетінде орналасатындықтан, цилиндрдің ішіндегі толық заряд
Q=Sσ (5)
шамасына тең. Мұнда σ - зарядтың беттік тығыздығы. Өткізгіш ішінде заряд, яғни электр өрісі жоқ. Сондықтан цилиндрдің өткізгіш ішінде орналасқан бөлігінің беті арқылы өтетін Е векторының ағыны нөлге тең. Ал цилиндрдің өткізгіштің сыртында орналасқан бөлігінің бетінен өтетін кернеулік векторының ағыны екі құраушыдан тұрады: бірінші, цилиндрдің бүйір бетіне сәйкесті ағын, екінші, цилиндрдің табандары арқылы өтетін ағын. Егер цилиндрдің биіктігін нөлге дейін азайтсақ, оның бүйір бетіне сәйкесті ағын нөлге ұмтылып, толық ағын цилиндрдің табандары ∆S арқылы ағып өтетін ағынмен ғана анықталады.
Өткізгіштің бетінің маңындағы өрістің кернеулігінің нормаль құраушысы зарядтың беттік тығыздығы арқылы толық анықталады. Өткізгіш маңындағы өрістің кернеулігінің тангенциал құраушысын талдайық.
Кернеуліктің тангенциал құраушысының нөлге тең болатындығын, мәңгілік қозғалтқыш (двигатель) жасауға мүмкін еместігін пайдаланып, былай дәлелдеуге болады. Ол үшін өткізгіштің іші арқылы өтетін, тұйық контурдың бойымен оң зарядты тасығанда кернеуліктің тангенциал құраушысы істейтін жұмысын табайық. Есептеу барысын оңайлату мақсатымен контурдың АВ және СД қабырғалары перпендикуляр болсын деп есепейік.
2-сурет. Өткізгіштің іші арқылы өтетін тұйық контур
Өткізгіштің ішінде өріс жоқ. Сондықтан контурдың өткізгіш ішінде орналасқан қабырғалары арқылы зарядты тасығанда істелген жұмыс, кернеуліктің тангенциал құраушысы да нөлге тең болады. Кернеуліктің тангенциал құраушысы Еτ өткізгіштің сыртында нөлге тең болмасын дейік. Оң зарядты АВ қабырғасының бойымен тасығанда Еτ кернеулігі оң жұмыс істейді. Ал контурдың АВ және СД қабырғаларын өткізгіш бетіне шексіз жақындатсақ, АД және ВС қабырғаларының ұзындықтары да, олардың бойымен оң зарядты тасығанда істейтін жұмыстар да нөлге дейін азаяды. Сонымен АВСД - тұйық контурының бойымен оң зарядты тасығанда кернеуліктің тангенциал құраушысы оң таңбалы жұмыс істейді. Ал жүйе ешқандай өзгеріске ұшырамайды. Бұл циклді қайталап жүргізіп істелетін жұмыстың шамасын шексіз көбейтуге болады. Сонымен өрістің кернеулігінің тангенциал құраушысы Еτ ешқандай қосымша энергия жұмсамай шексіз үлкен жұмыс істейді. Яғни кернеуліктің тангенциал құраушысы мәңгілік қозғалтқыш - мәңгілік энергия көзін жасауға мүмкіндік береді. Бұл мүмкін емес. Сондықтан кернеуліктің тангенциал құраушысы нөлге тең болу керек. Екінші жағынан, өткізгіштің ішінде элек өрісінің және оның кернеулігінің тангенциал құраушысының Еτ нөлге тең болуы электросататикалық өрістің потенциалдық қасиетінің салдары. Еτ=0 теңдігі - электр өрісі кернеулігінің өткізгіш бетіне перпендикуляр болатындығының куәсі.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің кернеулігі өткізгіш бетіне перпендикуляр бағытталып, шамасы En=σε0 теңдігімен, яғни зарядтың беттік тығыздығы арқылы анықталады.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің пайда болу табиғатын қарастырайық. Өткізгіш бетінің ∆S элементар бөлігін бөліп алайық. Өткізгіш бетінің маңындағы электр өрісінің негізгі көздер өткізгіштің ∆S элементар бетінде және одан тыс орналасқан зарядтар болады. Сондықтан өткізгіш бетінің маңындағы электр өрісінің кернеулігі Е екі құраушыдан тұрады.
∆S бетінде орналасқан зарядтар өткізгіштің бетінің сыртында да (Е1), ішінде де (Е11) шамалары бірдей, бағыттары қарама-қарсы өріс тудырады, яғни
E1=E11=σ2ε0 (6)
E1=-E11 (7)
теңдіктері орындалады. Өткізгіштен тыс орналасқан зарядтар оның бетінің маңында да E2, ішінде де E11 өріс тудырады. Өріс үздіксіз болғандықтан, олардың кернеуліктері бағыты жағынан да, шамасы жағынан да бірдей болады, яғни
E1=E21 (8)
теңдігі орындалады. Өткізгіштің ішінде қорытқы өріс (Е) нөлге тең:
E1=E11+E21=0 (9)
яғни E1=-E11 болады. (8)-(9)-теңдіктерін пайдаланып,
E1=E2=12E (10)
теңдігін табамыз.
Мынадай қорытынды жасауға болады: Өткізгіштің бетінің маңындағы өрістің кернеулігі өзара тең екі құраушыдан тұрады: бір құраушысы өткізгіштің элементар бетінде орналасқан зарядтардың өрісінің кернеулігі, ал екінші құраушысы өткізгіштің элементар бетінен тыс орналасқан зарядтардың өрісінің кернеулігі.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің кернеулігі өткізгіш бетіне перпендикуляр бағытталып, шамасы зарядтың беттік тығыздығына тура пропорционал болады, яғни, En=σε0 теңдігі орындалады.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің кернеулігі өзара тең екі құраушыдан тұрады: бір құраушысы өткізгіштің элементар бетінде орналасқан зарядтардың өрісінің кернеулігі, ал екінші құраушысы өткізгіштің элементар бетінен тыс орналасқан зарядтардың өрісінің кернеулігі.
Өткізгіш бетіндегі зарядтың тығыздығы беттің қисықтығына тәуелді. Қисықтық үлкен болса, зарядтың беттік тығыздығы үлкен, ал қисықтық кіші болса, кіші болады. Яғни беттің қисықтық радиусы мен зарядтың беттік тығыздықтары бір-біріне кері пропорционал заңдылықпен өзгереді σ1σ2=r2r1.
Өткізгіш бетіндегі зарядтардың тығыздығы зарядтар жүйесінің потенциалдық энергиясының ең аз мәнімен анықталады.
Зарядталған өткізгіштің бетінің қисықтығы үлкен, яғни ол үшкір болса, ондағы зарядтың беттік тығыздығы да, сәйкесті электр өрісінің кернеулігі де үлкен болып, оның әсерінен өткізгіштің үшкір ұшынан зарядар ұшып шығады дейді. Шындығында, ешқандай заряд ұшып шықпайды. Зарядтар ұшып шығу үшін, яғни электрондарды металдан жұлып шығару үшін, электр өрісінің кернеулігі 105-107 Всм-ден кем болмау керек. Бұл құбылысты автоэлектрондық эмиссия дейді. Зарядтың өткізгіштің үшкір ұшынан ұшып шығу құбылысын төмендегідей түсіндіруге болады.
Өткізгіштің үшкір бетінің маңындағы кеңістікте орналасқан зарядталған бөлшектер (мысалы, ғарыш сәулелерінің әсерінен пайда болаған оң және теріс зарядталған иондар мен электрондар) өткізгіш бетіндегі зарядтардың электр өрісінің әсерінен үдей қозғалып, ауа бөлшектерін (атомдарды, молекулаларды) иондайды. Өткізгіш бетінің маңында зарядталған бөлшектерге толы көлемдік аймақ пайда болады. Аймақтағы зарядтармен өткізгіш бетінде орналасқан зарядтар Кулон және Ньютон заңдарына сәйкес бір-бірімен шамасы жағынан өзара тең, ал бағыты жағынан қарама-қарсы күштермен әсерлеседі. Олардың әсерлесуі кезінде алатын импульстары шамалары жағынан өзара тең, бағыттары жағынан қарама-қарсы. Аймақтағы таңбалары өткізгіш бетінде орналасқан зарядтардың таңбалары мен қарма-қарсы зарядтар өткізгішке қарай қозғалып, оған онымен соқтығысады. Өткізгіш бетіндегі және оған түскен зарядтардың импульстері де, таңбалары да қарма-қарсы болғандықтан, олар бірін-бірі толық бейтараптайды. Зарядтары да, өзара әсерлері де нөлге айналады. Тек өткізгіштің бетіндегі заряд тығыздығы кемиді. Яғни аттас емес зарядтардың өзара әсерлесуі нәтижесінде зарядталған өткізгішке әсер ететін күш пайда болмайды. Ал егер өткізгіш маңындағы кеңістіктегі зарядтар оның бетіндегі зарядтармен аттас болса, онда былай болады. Зарядтар өткізгіш бетіндегі зарядтардан тебіліп сыртқа қарай қозғалады. Сыртқа қозғалыс кезінде олар ортаның бөлшектерін (атомдарды,молекулаларды) ілестіріп әкетеді. Бұл жағдай, жоғарыдағы өткізгіш бетіндегі зарядтың тығыздығының кемуін ескерсек, өткізгіштің үшкір бетінен зарядтардың ұшып шығып жатқан тәріздес болып көрінеді. Аттас зарядтардың өзара әсері өткізгішке түсірілетін реактив күшті тудырады.
Бұл құбылыс электр және магнетизмнің физикалық негіздері[1] кітабында былайша түсіндіріледі: егер зарядталған бөлшектер, мысалы, электрондар дененің ішінде айтарлықтай еркін қозғала алатын болса, онда мұндай заттардың электр тоғын еркін өткізу қабілеті болады. Қозғалыс барысында электр тоғын туғызатын заряд тасымалдаушылар тек электрондар ғана емес, иондар, яғни өздерінен бір немесе бірнеше электрондарды жоғалтқан немесе қосып алған атомдар (молекулалар) да болуы мүмкін.
Электр тоғын өткізу қабілетіне сәйкес барлық заттар - өткізгіштер, шала өткізгіштер (жартылай өткізгіштер) және диэлектриктер (немесе изоляторлар) болып бірнеше топқа бөлінеді. Идеал изоляторлар табиғатта болмайды. Барлық заттар болмашы аз дәрежеде болса да электр тоғын өткізеді. Мысалы, диэлектриктер токты өткізгіштерге қарағанда 1015-1020 есе нашар өткізеді.
Өткізгіштерге барлық металдар, сондай-ақ электролиттер және иондалған газдар жатады. Ал слюда, шыны, эбонит, фарфор, таза су диэлектриктерге жатады.
Енді электр өрісінде өткізгіштер қандай мінез-құлық көрсететінін көрейік. Кернеулігі Е0 солдан оңға қарай бағытталған біртекті электрстатикалық өріске өткізгіш орналасты делік. Электрстатикалық индукция арқылы өткізгіш электрленеді: оның бос зарядтары өткізгіштің бетіне қарай - оң таңбалы өріс бағытымен, ал терістері - өріске қарсы бағыттарда орын ауыстырады.
Сонымен, өткізгіштің бір жағында оң зарядтар, ал екінші жағында теріс зарядтар басым келеді. Өткізгіштің қарама-қарсы жағындағы зарядтар индукцияланған зарядтар деп аталады. Бұл индукцияланған зарядтар туғызатын қосымша өріс Е қос, сыртқы өріске Е0 қарсы бағытталған. Зарядтардың таралып орналасуы қосымша өріс Еқос сыртқы өріспен Е0 өткізгіштің ішіндегі барлық нүктелерде теңескенше жүре береді. Олар теңескен кезде өткізгіштің ішінде қосынды өріс нөле тең:
E=E0+Eқос=0. (11)
Бұдан E=-dφdr өрнегін пайдаланып, мынаны аламыз:
E=-dφdr, яғни φ=const. (12)
Өткізгіштің барлық нүктелеріндегі потенциалдар бір-біріне тең, бірдей екенін көреміз, яғни өткізгіштердің беттері эквипотенциалды беттер екен, кернеулік сызықтары өткізгіштердің беттеріне перпендикуляр болып бағытталады.
Енді электрстатикалық өріске орналасқан өткізгіштің ішінде заряд болмайтынын, зарядтар оның беттеріне орналасатынын дәлелдейік. Өріске тұйықталған өткізгішті орналастырайық. Остроградский-Гаусс теоремасына сәйкес өткізгіштің бетінен өтетін кернеулік векторының ағыны мынаған тең:
N=S0EndS=qε0ε=0, өйткені E=0, (13)
яғни өткізгіштің ішінде q=0 және зарядтар оның бетінде орналасқан.
Ал электр өрісіне орналастырылған өткізгіштің ішінде өрістің болмауы техникада әртүрлі электрлік құралдарды, өткізгіштерді сыртқы электр өрістерінің әсерінен электрстатикалық әдіспен қорғау үшін кеңінен қолданылады.
Өткізгішке жақындаған сайын эквипотенциал беттер өткізгіш беттеріне (оның формасына) анғұрлым ұқсас бола береді.
2-
2-
3-сурет. Өткізгіш бетінің эквипотенциал беттері
Дөңес беттердің маңында эквипотенциал беттер жиі орналасады, демек, мұндағы өріс кернеулігі де көп. Бұдан Остроградский-Гаусс теоремасына сәйкес (En=σε0ε) зарядтардың тығыздығы, әсіресе, дөңес жерлерінде аса көп болады. Өткізгіштің ойыс жерлерінде (тереңдіктерде) эквипотенциал беттер сирегірек орналасқан. Осыған сәйкес бұл жерлерде өрістің кернеулігі мен зарядтардың тығыздығы азырақ болады.
4-сурет. Сүйір ұштар маңындағы өріс кернеулігі
Зарядтардың тығыздығы, әсіресе, сүйір ұштарда көп болады. Сондықтан, мұндай сүйір ұштар маңында өріс кернеулігінің көп болатыны соншалық, өткізгішті қоршайтын газ молекулаларының ионизациясы өтеді. Өткізгіш зарядының таңбасына қарсы иондар оған тартылады да, оның зарядын нейтралдайды. Таңбалары өткізгіш зарядының таңбасындай иондар газдың нейтрал молекулаларын өздерімен бірге ілестіріп, өткізгіштен сыртқа қарай қозғала бастайды. Мұның нәтижесінде электр желі деп аталатын газдың қозғалысы байқалады. Өткізгіштің заряды азаяды, ол сүйір ұштан ағып шығып, желмен айдалып кететін сияқты. Сондықтан мұндай құбылыс зарядтың сүйір ұштан ағуы деп аталады.
Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі. Асқан өткізгіштік
Өткізгіштің кедергісі R оның өлшемдері мен материалына тәуелді екені белгілі. Ал, өткізгіштің кедергісі оның температурасына тәуелді бола ма? Бұл сұраққа жауап беру үшін мынадай тәжірибені жасайық. Вольфрам қылды спиральі бар шамды ток көзіне және амперметрге қосылған тізбекке қосамыз.
5-сурет. R кедергісі бар шамның амперметр және вольтмерт жалғанған тізбекке қосылу схемасы.
Амперметрдің көрсетуін анықтап алып, тізбектегі токты біртіндеп арттырамыз. Ток артқан сайын қызған шам спиральінің жарық шығаруы арта түседі. Ал, кедергінің токқа қатынасы бірітіндеп артады.
1-Кесте. Қызған шамның вольтмер және ампермерт көрсеткіші
U, (B)
0
1
2
3
4
I, (мA)
0
120
180
230
270
1-кестеден тізбектегі тоқ күші Ом заңындағыдай кернеуге тура пропорционал емес екенін көре аламыз. Егер кестеге график тұрғызсақ кедергі сызықты емес, яғни R=const емес екені көрінеді (6-сурет).
6-сурет. Тізбектегі кедергінің кернеуге тәуелді өзгеруі
Тізбекке 0В кернеу бергенде шамның мүлде жанбағанын, әрі қарай кернеуді арттырғанда вольфрам қылының қызып жарық шығаруы күшейгенін бақылай отырып вольфрам қылының кедергісі оның температурасына тәуелді деген қорытындыға келеміз. Вольфрам секілді кез-келген металдың да кедергісі оның температурасына тәуелді болады.
Кейбір таза металдардың кедергісі әжептеуір, ал қорытпаларда кедергі аз артады. Температура артқанда, кедергісі ешқандай өзгермейтін арнайы қорытпалар да бар. Оларға константан мен манганин жатады. Оларды эталондарды, реостаттар мен басқа да аспаптарды дайындауға пайдаланады. Қыздырғанда, кедергісінің өсу себебі өткізгіштің температурасы артқанда, кристалдық тордың түйіндеріндегі иондар тербелісінің күшеюі болып табылады. Нәтижесінде электрондар иондармен жиірек соқтығысады. Бұл олардың өткізгіштегі бағытталған қозғалысына кедергі жасайды, сондықтан кедергі артып, ток кемиді.
Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі былай анықталады:
R=R0(1+αt), (14)
бұдан
α=R-R0R0t, (15)
мұндағы R - өткізгіштің t0C-тағы кедергісі; R0 - өткізгіштің 00С-тағы кеедргісі; t - температура; α - кедергінің температуралық коэффициенті. Ол өткізгіш затының электрлік қасиеттерінің температураға тәуелділігін сипаттайды.
Көптеген тәжірибелер барлық металдар үшін α0 екенін көрсетеді. Химиялық таза металдар үшін:
α≈1273К-1.
Өткізгіштің температуралық коэффициентін SI жүйесіндегі өлшем бірлігі
К-1=11К
болып табылады.
2-кестеде кейбір заттар үшін кедергінің температуралық коэффициентінің мәндері берілген.
2-Кесте. Кейбір заттар үшін кедергінің температуралық коэффициенті (α), К-1
Сыртқы электр қозғаушы күшінің әсерінен ортада белгілі бір бағытта заряд тасылатын болса, ондай ортаны электр өткізгіш орта дейді.
Ортада заряд таситын бөлшектер электрондар, иондалған атомдар, молекулалар болуы мүмкін. Заряд сұйықтарда оң және теріс зарядталған иондармен; газдарда иондалған атомдармен, молекулалармен; қатты денелерде негізінен электрондармен тасылады.
Денелерде зарядтың тасымалдануын сипаттау үшін меншікті электрлік өткізгіштік (σ) деген физикалық шама ендіреді. Меншікті электр өткізгіштік тек ортаның қасиетіне байланысты.
Металдардың электр өткізгіштігінің классикалық электрондық ілімінің негізін салушылар П.К.Л.Друде (1863-1906) мен Х.А.Лоренц (1853-1928). Олардың ілімі мына тұжырымдарға негізделген:
кристалл торының ішінде еркін қозғала алатын электрондар бар. Олар ретсіз жылулық қозғалыста болады;
еркін электрондарды өзара әсерлеспейтін электрондардан тұратын электрондық газ деп қарастырып, олар үшін идеал газдың кинетикалық теориясының барлық заңдарын қолдануға болады;
сыртқы электр өрісінің әсерінен еркін электрондар бағытталған қозғалысқа қатынасып, заряд тасиды - тоқ туғызады.
Лоренц металдағы еркін электрондардың жылдамдық бойынша үлестірілуі Максвелл заңымен анықталады деп Друде теориясын әрі дамытты.
Друде-Лоренц теориясы металдардың жылу және электр өткізгіштігін жап-жақсы түсіндіргенімен олардың жылу сыйымдылығына еркін электрондардың қатынасын түсіндіре алмады.
Металдардың жылу сиымдылығы кристалл торының түйіндерінде орналасқан иондардың тербелмелі қозғалысымен толық анықталады. Электрондардың металдың жылу сыйымдылығына қосатын үлесі жоққа тән. Бұлай болу үшін металдағы электрондардың саны өте аз болу керек. Ал, электрондардың саны өте аз болса, металдың өте жақсы электр және жылу өткізгіштерін түсіндіру қиынға түседі.
Друде-Лоренц теориясы металдың электр және жылу өткізгіштіктерінің табиғатын дұрыс түсіндірмейді.
Алайда, металдардың электр өткізгіштіктерінің классикалық теориясының тұжырымдары кейбір тәжірибе арқылы алынған деректерге сәйкес келмейді.
Бос кеңістіктегі электрондар тұрақты электр өрісінің әсерінен тұрақты үдеу алатындықтан, олардың туғызатын тоғы шексіз үлкен мәнге дейін өсуі мүмкін. Ал, металл өткізгіште тұрақты потенциал айырымының әсерінен тұрақты тоқ туады, яғни тоқ шектелген мән қабылдайды. Классикалық теория металдағы тоқтың шамасының шектеулі болуын электрондардың, ілгерілемелі қозғалыс кезінде, кристалл торының түйіндерінде орналасқан иондармен соқтығысуларымен байланыстыралы. Бұл теория бойынша электрондардың қатарлас екі соқтығысулардың аралығында жүретін жолдары - еркін жүру жолы, кристалл тұрақтысымен (а) анықталып, өте аз 10-8см мәнін қабылдайды. Еркін жүру жолының бұл мәні, тәжірибе арқылы анықталған, өткізгіштегі электрондардың еркін жүру жолынан мыңдаған есе кіші. Бұл жағдай классикалық теорияның өткізгіштегі еркін электрондар ұмтылмалы қозғалыс кезінде кристалл торының түйіндерінде орналасқан кез-келген ионымен соқтығысып, өздерінің ілгерілемелі қозғалысының энергиясын жоғалтады деген тұжырымына қайшы келеді.
Классикалық теория металдардың электр өткізгіштіктерінің температураға байланысты өзгеру заңдылығын да түсіндіре алмады. Температура өскенде металдардың меншікті кедергісі жүздеген, мыңдаған есе өсетіндігі тәжірибе арқылы көрсетілген. Меншікті кедергінің өсуін тек заряд тасушылардың еркін жүру жолының азаюымен ғана түсіндіруге болады. Ал, Друде-Лоренц классикалық теориясы бойынша кристалл өткізгіштеріндегі заряд тасушылардың еркін жүру жолы температураға байланысты болмайды, ол кристалл тұрақтысына тең. Яғни, бұл теория металдардың электр өткізгіштігінің температураға байланысты өзгеру заңын түсіндіре алмайды.
Кристалл - кеңістікте белгілі бір қатаң тәртіппен, заңдылықпен өте тығыз орналасқан не атомдардың, не иондардың, не молекулалардың жиынтығы. Бір өлшем көлемдегі кристалды құраушы бөлшектердің саны шамамен 1022-1023 см-3. Кристалл құраушы бөлшектер кристалл торының түйіндерінде орналасады. Кристалл торы белгілі бір симметрия заңына бағынады. Мысалы, кристалды құраушы бөлшектер кеңістікте периодты түрде орналасады. Бүкіл кристалды, тұтас өзіне-өзін параллель қалдырып, жылжыту (трансляция) векторымен анықталатын аралыққа көшірсек, ол өзімен-өзі дәл келеді. Кристалды құраушы бөлшектер кеңістікте периодты потенциал өрісін тудырады. Өте тығыз орналасқан атомдардың өзара әрекеттесуі нәтижесінде олардың сыртқы валенттік электрондары төл ядроларының өрісінен кетіп, басқа кез-келген ядролардың өрісінде еркін қозғалуына мүмкіндік алады. Бұл жердегі валенттік электрондар дегеніміз - төл ядроларымен байланысы нашар электрондар. Әдетте, көршілес атомдардың ара қашықтығы кристалл тұрақтысы а~10-8 см шамасына тең. Қатты денелер физикасында бұл электрондарды еркін электрондар, не өткізгіш электрондар дейді. Кванттық механика ілімі, егер кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығы қатаң сақталса, бұзылмаса, онда ондай өрісте қозғалатын электрондар, заряд тасуға ешқандай кедергісіз қозғалып қатынаса алатындығын дәлелдеді. Яғни, периодты потенциалдық өрісі бұзылмаған кристалл өткізгіштердің электр кедергісі нөлге тең болады.
Кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығы кез-келген бір себептің әсерінен бұзылса, яғни ақаулар (кемістіктер) пайда болса, еркін электрондар олармен соқтығысу нәтижесінде сыртқы электр өрісінен алған энергияларын жоғалтады, қозғалу бағытын өзгертеді. Электрондардың заряд тасуға қосатын үлесі төмендейді. Тоқ шамасы азаяды. Өткізгіштің электр кедергісі пайда болады.
Кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығының кристалл торына бөгде атомдардың енуі, тор түйіндерінде орналасқан атомдардың, иондардың жылулық тербелмелі қозғалыстарға қатынасуы, кристалдардың шекара беттерінің болуы, зарядталған бөлшектердің әсерінен кристалдың поляризациялануы т.б. нәтижесінде бұзылады.
Кванттық механика ілімінің бұл тұжырымдарын пайдаланып жоғарыдағы классикалық теорияның түсіндіре алмаған құбылыстарын былай түсіндіруге болады: температура өсетін болса тор түйіндерінде орналасқан атомдардың тербелістерінің амплитудасы өседі, электрондардың олармен соқтығысу мүмкіндіктері, яғни, өткізгіштің электр кедергісі артады, заряд тасушы бөлшектердің еркін жүру жолы кемиді.
Еркін электрондардың кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдардың жылулық тербелістерімен соқтығысу табиғатының егжей-тегжейін қарастырайық.
Кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдар, иондар Т=0 болғанда, тербелмелі қозғалысқа қатынаспаса да тыныштық күйде бола алмайтындықтарын көрсетейік.
Егер атом тыныштық күйде болса, оның импульсі нөлге тең, яғни импульсі өте дәл анықталады - импульсті анықтау кезінде жіберілетін қате нөлге тең болады: ∆Px=0. Сондықтан, Гейзенбергтің анықталмағандық принципі бойынша, атомның координатын тапқандағы жіберілетін қате шексіздікке тең, яғни, ∆x=infinity болады. Басқаша айтқанда, атомды кристалл торының түйінінің маңынан табу мүмкін емес, ол кристалл алып тұрған кеңістіктің бүкіл өне бойына таралып орналасады. Ал, шындығында, Т=0 болса да, атомдар температураға тәуелсіз нөлдік тербеліске қатынасады. Температура нөлден жоғары Т!=0 болса, атом тор түйінінің маңында тербелмелі қозғалысқа келеді. Кристалдың ішкі энергиясы артады. Кристалл атомдары бір-бірімен өте күшті байланыста болғандықтан, олардың әрқайсысы іргелес көрші орналасқан атомдарды ілестіре тербеледі. Сондықтан, атомдардың тербелмелі қозғалысы таралып кристалда серпімді толқын пайда болады. Сонымен, кристалдың ішкі энергиясының артуы онда серпімді толқынның пайда болуын туғызады.
Т!=0 болғанда кристалда импульсі және энергиясы Луи де Бройль қатынасымен анықталатын элементар серпімді толқын пайда болады. Элементар серпімді толқынға энергиясы және импульсі осы толқынның энергиясы мен импульсіне тең элементар бөлшек сәйкес қоюға болады. Элементар толқынды кейде кристалдың периодты потенциалдық өрісінің элементар қозулары - фонондар деп атайды.
Фонондар кәдімгі кванттық бөлшектерге ұқсас, бірақ олардан өзгеше. Кәдімгі кванттық бөлшектер кез-келген ортада, тіпті вакуумда да өмір сүреді, ал фонодар вакуумда болмайды, тек материалдық ортада болады. Сондықтан, фононды кәдімгі бөлшектерден айыру үшін квазибөлшектер - кәдімгі бөлшекке ұқсас бөлшек деп атайды. Квазибөлшектердің қатарына спин толқындарын, плазмондарды т.б. жатқызуға болады.
Квазибөлшектер кәдімгі бөлшектер тәріздес екі топқа: Бозе квазибөлшектер, Ферми квазибөлшектерге бөлінеді. Бозе және Ферми квазибөлшектерді спиндердің белгілі бір бағытқа алынған құраушыларының мәндері арқылы айырады.
Фонондар ұғымы еркін электрондармен кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдардың, иондардың өзара әрекеттесулерін қарастыруды жеңілдетеді. Кристалды еркін электрондар мен фонондардан тұратын газдарға толтырылған қуыс ыдыс ретінде қарастыруға болады. Сонда электрондардың кристалл атомдарының, иондарының тербелістерімен соқтығысуларын, электрон және фонон газдарының өзара әсерлесуі нәтижесінде фонондардың жұтылуы, не шығарылуы ретінде қарастырады.
Кристалдағы еркін электрон газы фонон газымен әсерлескенде электрондар сыртқы электр өрісінен алған энергиясын фонондар жүйесіне беріп кристалдың орташа температурасын көтереді, яғни фонондар саны көбейеді.
Электрондар кристалдағы бөгде қоспа атомдармен де, кристалдың басқа да ақауларымен соқтығысқанда да, өздерінің артық энергияларын оларға береді. Берілген энергия қоспа атомның, не басқа ақаудың тербелмелі қозғалысының энергиясына айналады, яғни, бұл да қосымша фонондардың тууына әкеледі. Яғни электрондар мен фонондардың өзара әсерлесуі - металдың кедергісінің пайда болуын туғызатын негізгі құбылыс.
1911 жылы голландия физигі Камерлинг-Оннес асқын өткізгіштік деген ерекше физикалық құбылыс ашты. Кейбір металдардың, мысалы, қорғасын, сынап, қалайы, цинк т.б. электр кедергісі температураны төмендеткенде белгілі бір сындық температурадан бастап нөлге дейін азаятындығын байқады.
7-сурет. Сынаптың электр кедергісінің температураға байланысты өзгеру заңдылығы
7-суретте Камерлинг-Оннестің сынаптың электр кедергісінің температураға байланысты өзгерісін тәжірибе жүзінде зерттеу кезінде алынған қисығы берілген. Суреттен температура 4,150К мәнінен бастап төмендегенде сынаптың электр кедергісі кенеттен нөлге дейін азаятындығын, яғни, ол асқын өткізгіш күйіне көшетіндігін, ал, Т4,150К болғанда, ол қалыпты күйде болатындығын байқаймыз. Өткізгіштің асқын өткізгіш күйіне көшетін температурасын сындық температура ТD деп атайды. Сонымен, сынап үшін сындық температура ТD=4,150К-ға тең болады.
1933 жылы асқын өткізгіштің сыртқы магнит өрісімен әсерлесуін сипаттайтын тағы бір негізгі қасиеті тағайындалды. Неміс физиктері В.Мейсснер мен Р.Оксенфельд, егер магнит өрісінің шамасы аса үлкен болмаса, асқын өткізгіштер оны өзінің ішкі қабатынан сыртқа қарай ығыстыратындығын дәлелдеді. Яғни, магнит өрісі асқын өткізгіштің ішінде нөлге тең болады. Бұл құбылысты Мейсснер құбылысы деп атаған.
Мейсснер құбылысын түсіндіру үшін асқын өткізгіштегі электр және магнит өрістерінің ерекшеліктеріне тоқталайық.
Асқын өткізгіштің кедергісі нөлге тең болғандықтан, одан өтетін тоқ тұрақты болу үшін электр өрісі қажет емес. Орныққан күйдегі асқын өткізгіштің ішінде электр өрісі нөлге тең. Ал егер Е=0 болса, өте аз электр өрісі асқын өткізгіште шексіз үлкен тоқ тудырған болар еді. Бұл мүмкін емес. Электр өрісі асқын өткізгіштің сыртында орналасқан қалыпты күйдегі беттік жұқа қабатта ғана нөлге тең емес. Яғни зарядтар асқын өткізгіштің сыртындағы қалыпты күйдегі беттік жұқа өткізгіш қабат арқылы тасылады.
Асқын өткізгішті магнит өрісіне ендіргенде оның ішінде магнит өрісі орныққан шамасына дейін өседі. Магнит өрісінің өзгерісі электромагниттік индукция заңы бойныша айнымалы электр өрісін тудырады. Айнымалы электр өрісі, асқын өткізгіштің бетіндегі жұқа қабатта магнит өрісі сыртқы магнит өрісін бейтараптайтын беттік айнымалы тоқ тудырады. Асқын өткізгіштің ішінде магнит өрісі нөлге айналады. Сонымен, магнит өрісіне ендірілген асқын өткізгіштің бетіндегі жұқа қабаттан айнымалы тоқ өтіп Мейсснер құбылысын тудырады.
Сыртқы энергия көзіне жалғанған асқын өткізгіштен тоқ өткенде де одан Мейсснер құбылысының әсерінен магнит өрісі ығыстырылып шығарылады. Бұл жағдайда да асқын өткізгіштен беттік тоқ өтеді.
Сонымен, асқын өткізгіште электр кедергісі нөлге тең болады, беттік тоқ жүреді, әрі ол өшпейді және магнит өрісі нөлге тең болады.
Асқын өткізгіш күйіне көше алатын таза өткізгіштер саны көп емес, асқын өткізгіштік қасиеті көп жағдайда қорытпаларда кездеседі. Мейсснер құбылысы толық орын алатын өткізгіштерді І-ші текті асқын өткізгіштер, ал ішіндегі магнит өрісі толық бейтарапталмайтын асқын өткізгіштерді ІІ-ші текті дейді.
Асқын өткізгіш - металл өткізгіштің бір фазалық күйі. Абсолюттік температураны сындық температурадан төмендеткенде Т=TD, өткізгіш қалыпты фазадан асқын өткізгіш фазасына көшеді. Өткізгіш қалыпты фазадан асқын өткізгіш фазаға ауысуы кезінде кристалдың симметриясы, құрылысы өзгермейді, ешқандай жылу жұтылмайды және бөлінбейді, яғни бұл фазалық көшу І-ші текті фазалық көшуге жатпайды. Кристалдың ішкі энергиясы секірмелі түрде өзгермейді, тек электрондық жылу сыйымдылығы ғана секірмелі өзгереді. Сондықтан өткізгіштің қалыпты фазадан асқын өткізгіш фазасына көшуін ІІ-ші текті фазалық көшуге жатқызады.
Өткізгіш асқын өткізгіштік күйінде болу үшін, біріншіден, ондағы заряд тасушылар ең төменгі энергия деңгейінде орналасулары керек, екіншіден, ең төменгі энергия деңгейімен, оған ең жақын орналасқан, қозған энергия деңгейінің арақашықтығы үлкен болу керек.
Электромагниттік индукция. Магниттік ағын. Ленц заңы
Электр және магнит өрістерінің бір-біріне байланысын қарастырайық. Егер электр және магнит өрістері уақыт бойынша өзгеретін болса, олар бірін-бірі тудырады, яғни айнымалы магнит өрісі айнымалы электр өрісін, ал айнымалы электр өрісі айнымалы магнит өрісін тудырады. Айнымалы электромагниттік өрісті өзара байланысты болатын екі құраушыдан тұратын біртұтас объект деп қарастыру керек. Айнымалы электр және магниттік өрістерді бірін-бірі тудыруы арқылы электрлік заряд пен тоқтың жәрдемінсіз кеңістікте электромагниттік толқын түрінде тарала алады.
Айнымалы магнит өрісінің айнымалы электр өрісін тудыруы 1831 жылы Фарадей ашқан электромагниттік индукция құбылысымен байланысты. Бұл құбылыс бойынша, ешбір ток көзіне қосылмаған өткізгішке қарағанда, тұрақты магнитті, болмаса тогы бар өткізгішті қозғалысқа келтірсе, алғашқы кезде тогы жоқ өткізгіште электрлік ток пайда болады. Ток өткізгішті магнит пен тогы бар өткізгішке қарағанда, қозғалысқа келтірген кезде де пайда болады. Сонымен қатар қозғалмайтын өткізгіштің маңында орналасқан қозғалмайтын өткізгіш арқылы айнымалы ток жүргенде де бірінші өткізгіште ток пайда болады. Осы қарастырылған жағдайларды токтың пайда болуы магнит өрісінің айнымалылығымен байланысты. Өткізгіште токтың пайда болуы, онда электр өрісінің туатындығын көрсетеді. Ендеше қарастырылған тәжірибе схемалаларынан уақыт бойынша айнымалы магнит өрісі өзінің маңында айнымалы электр өрісін тудырады деген қорытынды жасауға болады.
Сонымен магнит өрісінде қозғалатын өткізгіште ток пайда болады. Бұл токты индукциялық ток деп атайды. Индукциялық токты өткізгіште пайда болатын электр өрісінің индукциялық электр қозғаушы күші тудырады деп қарастыруға болады. Электр өрісін тудыратын негізгі себеп өткізгішпен бірге υ жылдамдықпен қозғалатын еркін электрондарға магнит өрісінің тарапынан күш әсер етуінен. Бұл күш Лоренц күшімен анықталады:
F=-q[υB]. (16)
Тұйық контур сыртқы магнит өрісінде қозғалған кезде, онда сан жағынан контурға тірелген бетті тесіп өтетін магнит индукциясы ағынының өзгеру жылдамдығына тең электр қозғаушы күш пайда болады.
ε=-dФdt (17)
Осы формула тұйық контурдың белгілі бір бөлігі қозғалатын жағдайға сәйкес келеді. ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
С. Аманжолов атындағы Шығыс Қазақстан мемлекеттік университеті
Әкбар Н.
Электродинамикадан орта мектепке арналған демонстрациялық құрылғыларды құрастыру
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В011000 - Физика мамандығы
Өскемен 2020
Қазақстан Республикасының ғылым және білім министрлігі
С. Аманжолов атындағы Шығыс Қазақстан мемлекеттік университеті
Қорғауға жіберілді
_______________2020 ж.
Физика және технологиялар
кафедрасының меңгерушісі
______________Г.С. Бектасова
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: Электродинамикадан орта мектепке арналған демонстрациялық құрылғыларды құрастыру
5В011000 - Физика мамандығы бойынша
Орындаған күндізгі оқу бөлімінің
4-курс студенті
Н.Ж. Әкбар
Ғылыми жетекші
аға оқытушы
___________2020 ж.
А.М. Жилкашинова
Нормабақылаушы
--------
___________2020 ж.
Өскемен 2020
Мазмұны
Анықтамалар
4
Қысқартылған сөздер мен белгіленулер
5
Кіріспе
6
1
Демонстрациялық құрылғылардағы физикалық құбылыстардың негізгі теориялары
8
1.1
Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
8
1.2
Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі. Асқан өткізгіштік
15
1.3
Электромагниттік индукция. Магниттік ағын. Ленц заңы
22
1.4
Сұйықтықтағы электр тогы. Электролиз үшін Фарадей заңы
27
2
Демонстрациялық құрылғылармен электродинамика тақырыбын орта мектепте оқыту әдістемесі
34
2.1
2.2
Жаңғыртылған бағдарлама бойынша мектеп курсында зерттеу жұмысын ұйымдастыру бағытында пьезогенераторларды зерттеу
Пәнді игеруге арналған күнтізбелік-тақырыптық жоспар
44
47
2.3
Тақырып бойынша жоспарланған есептер
49
2.4
Тақырып бойынша материалдарды меңгеруге арналған тесттік тапсырмалар
2.5
52
Қорытынды
57
Қолданған әдебиеттер тізімі
58
Қосымша А
Қосымша Б
Қосымша В
Анықтамалар
Электростатикалық индукция - өткізгішті сыртқы электр өрісіне ендіргенде ондағы электрондардың ығысып қайта орналасуы нәтижесінде оның беттерінің әр таңбалы зарядтармен зарялталуы.
Эквипотенциал бет - өткізгіштің барлық нүктелерінің потенциалдары өзара тең өткізгіштің беті.
Автоэлектрондық эмиссия - зарядтың өткізгіштің үшкір ұшынан ұшып шығу құбылысы.
Электр өткізгіш орта - сыртқы электр қозғаушы күшінің әсерінен ортада белгілі бір бағытта заряд тасылатын орта.
Электрондар - өткізгіштердегі заряд тасушылар.
Еркін электрондар - атомдардың өзара әрекеттесуі нәтижесінде сыртқы валенттік электрондары төл ядроларының өрісінен кетіп, басқа кез келген ядролардың өрісінде еркін қозғалуы.
Фонондар - кристалдың периодты потенциалдық өрісінің элементар қозулары.
Сындық температура - өткізгіштің асқын өткізгіш күйіне көшетін температурасы.
Сындық тоқ - асқын өткізгіштік күйін бұзатын тоқ.
Атом - химиялық элементтерді құрайтын, олардың өзіне тән ерекшеліктерін сақтайтын ең кішкене бөлшек.
Кернеу - ток тудыратын электр өрісін сипаттайтын физикалық шама.
Электрлік кедергі - электр тізбегінің немесе өткізгіштің электр тогына қарсы бағытталған әсерін сипаттайтын шама.
Электр тогы - электр қозғаушы күштің әсерінен зарядтардың (зарядталған бөлшектер немесе дене) бағытталған қозғалысы.
Тұрақты ток - уақыт бойынша бағыты және шамасы өзгермейді. Тұрақты ток көздері: аккумуляторлар, батареялар.
Айнымалы ток - бағыты мен шамасы периодты түрде өзгеріп отыратын электр тогы.
Электр өрісі - электрмагниттік өрістің дербес бір түрі. Ол электр зарядының айналасында немесе бір уақыт ішіндегі магнит өрісінің өзгерісі нәтижесінде пайда болады.
Ом заңы - электр тогының негізгі заңдарының бірі. Өткізгіштегі ток күшінің (І) осы өткізгіштің ұштары арасындағы кернеумен (U) байланысын анықтайды.
Диссоциациялану дәрежесі - иондарға ыдыраған молекула санының жалпы молекула санына қатынасы.
Диссоциация құбылысы - ерітіндідегі молекулалардың иондарға ыдырауы.
Қысқартылған сөздер мен белгіленулер
U - өткізгіштегі кернеу;
J - өткізгіштегі ток;
- өткізгіштің кедергісі;
ЭҚК - электр қозғаушы күш;
- меншікті кедергі;
- температура;
Σ - меншікті өткізгіш.
L - сымның ұзындығы;
S - көлденең қиманың ауданы;
Q - заряд;
F - инерция күші;
Е - металл кернеулігі;
j - ток тығыздығы;
t - уақыт, с;
Cνr - газдың меншікті жылу сыйымдылығы;
N - электрондардың саны;
R - өткізгіштің t0C-тағы кедергісі;
R0 - өткізгіштің 00С-тағы кеедргісі
L - контурдың индуктивтілігі
Z - ионның атомының валенттілігі
eN0 - электрондардың бір мөлінің зарядына тең әмбебап шама.
k - электролит арқылы бір өлшем заряд тасылғанда электродта бөлінетін заттың массасын көрсететін тұрақты.
AZ - химиялық балама
Кіріспе
Физика - жаратылыстану ғылымдарының бірі болғандықтан, физикалық құбылыстарды зерттеуде, оны мектеп курсында оқып-үйретуде теорияның практикамен тығыз байланысты болуы және оның демонстрациялық құрылғылар көмегімен әрдайым дәлелденіп отыруы өте маңызды. А.Эйнштейн айтқандай: Қоршаған әлем туралы білімді тек логикалық түрде ойлап меңгеру мүмкін емес, нақты әлем туралы білім тәжірибеден басталып, тәжірибемен аяқталуы тиіс [6].
Физиканың өзге салалары секілді, электродинамика да практикаға, оның демонстрациялық түрде теориямен байланысының дәлелденіп отыруына мұқтаж. Бұл дипломдық жұмыста электродинамиканың мектеп курсында оқытылатын әр тарауына байланысты демонстрациялық құрылғылар қарастырылған. Дипломдық жұмыстың екінші бөлімінде сол демонстрациялық құрылғыларды мектеп курсындағы педагогикалық үрдісте пайдалана білудің және жалпы электродинамика тарауын оқытудың тиімді әдістері қарастырылған.
Демонстация (лат. demostratio көрсету) - бір нәрсені көпшілікке көрсету деген мағынаны, ал педагогикада, сондай-ақ, түсіндіру деген мағынада да қолданылады [1]. Яғни, бұл дипломдық жұмыста электродинамикалық теориялардың эксперимент жүзінде көрініс табуы және мектеп курсына тән демонстрациялық құрылғылар қарастырылып, теориямен байланысы талқыланды.
Дипломдық жұмысымыз электродинамиканың мектеп курсында өтілетін барлық тарауын қамту үшін, электростатика, тұрақты ток, магнит өрісіндегі электр тогы, әр түрлі ортадағы электр тогы тақырыптарына демонстрациялық жұмыстар жасалды.
Физика пәніндегі электродинамика бөлімін оқытуда қазіргі заманауи технологияларды қолдана отырып, оқытудың сыни тұрғысынан ойлау технологиясымен оқыту әдістемесін қолдандым. Сыни тұрғыдан ойлау - бақылаудың, тәжірибенің, ойлау мен талқылаудың нәтижесінде алынған ақпаратты ойлауға, бағалауға, талдауға және синтездеуге бағытталған пәндік тәсіл, бұл одан кейін де әрекет жасауға негіз бола алады.
Жаңа ХХІ ғасырды - білім ғасыры, ақпарат ғасыры десек те, физикалық қағидалар кеше, бүгін, ертең және әрқашанда табиғат құбылыстарын сипаттаушы негізгі заңдылықтар болып қала бермек.
Жоғарыда айтылғандай, экспермент физиканың ғылымдағы айрықша үлесіне сәйкес, оқыту үрдісінің негізгі құраушы бөлігі және уақыт өткен сайын эксперименттің оқу жүйесіндегі маңызы үдей түсуде. Өйткені экспериментсіз физиканы, физикасыз экспериментті елестетудің өзі мүмкін емес. Тек эксперимент қана оқушыларға әлемнің материалды екенін, оны оқып-түсінуге болатындығын және табиғатты танудың жалғыз құралы екендігіне көз жеткізеді [15].
Сондай-ақ, демонстрациялық құрылғылар құрау барысында, жаңартылған мектеп бағдарламасына сәйкес, мектеп курсында зерттеу жұмыстарын ұйымдастыру мәселесіне тереңірек зерттеулер жүргізе отырып, пьезогенераторларды зерттеу және қазіргі қоғамда пайдалану тақырыбында қосымша жұмыстар жүргізіліп, дипломдық жұмысқа енгізілді.
Дипломдық жұмыстың соңында оқушылардың білімін бекіту мақсатында тақырыпқа сәйкес есептер мен тесттер құрастырылды.
Жұмыстың өзектілігі: Электродинамика бөлімі бойынша демонстрациялық құрылғылар құрастыру және оны педагогикалық үрдісте қолданаудың тиімді әдістерін зерттей отырып мектеп курсында қолдану.
Ғылыми жаңалық: Теориялық тұрғыда дәлелденген мағлұматтар мен тәжірибелерді демонстрациялық түрде көрсету. Бұл - тәжірибенің жаңалығы.
Дипломдық жұмыстың мақсаты: Мектеп курсына арналған демонстрациялық құрылғылар жасау және оларды жаңартылған мектеп бағдарламасына сәйкес қолдана білуді талдау. Оқушылардың білімін бекітуде есептер мен тесттер құрастыру.
Зерттеу нысаны: Зерттеу нысаны ретінде электростатикалық өткізгіштер, электролиттер, потенциалдық беттер және оқу үрдісі алынды.
Зерттеу мақсаттары: Көзделген мақсатымызға жету үшін келесі жұмыстар атқарылды:
1. Электродинамиканың бірнеше бөлімі бойынша демонстрациялық құралдардағы физикалық заңдылықтарға анықтама беру.
2. Тәжірибе жүзінде шыққан нәтижелерді теориямен салыстырып отыру.
3. Істелген жұмыстарды мектеп курсында және қазіргі қоғамда қолдана алу.
4. Тақырыпқа сәйкес есептер мен тест сұрақтарын құрастыру.
Зерттеу әдісі: Зерттеудің басты әдістері эксперимент және талдау.
Ғылыми-практикалық маңызы: Демонстрациялық құрылғыларды қарапайым әдістермен құрастыра алуға болатындығы және мектеп курсында қолдануға болатындығы айқын болды.
Диплом кіріспеден, екі бөлімнен, қорытынды және қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады.
1 Демонстрациялық құрылғылардағы физикалық құбылыстардың негізгі теориялары
Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
Еркін қозғалып заряд тасуға қатыса алатын бөлшектері бар орта электр өткізгіш орта деп аталады. Орта қатты, сұйық, газ күйінде болады. Ал заряд тасушы бөлшектер электрондар, атомдар мен молекулалардың оң және теріс зарядталған иондары болуы мүмкін.
Заряд тасушылаары еркін электрондар болатын қатты денелерде сыртқы электр өрісінің әсерінен жүретін құбылыстарды қарастырайық.
Зарядталмаған өткізгішті сыртқы электр өрісіне (Есырт.) (мысалы, жазық конденсатордың астарларының арасындағы электр өрісіне) орналастырсақ, оның электрондары өріс бағытына кері бағытта ығысып қозғалысқа келеді, яғни тоқ пайда болады:
I=j∙n0S (1)
мұнда S - өткізгіштің қимасының ауданы, n0 - қима бетінің бірлік нормалі.
Электрондар өткізгіштің сәйкесті бетіне шоғырланып оны теріс зарядтайды. Ал, өткігіштің қарама-қарсы беті электрондардың жетіспеуі салдарынан оң зарядталады. Өткізгіштің зарядталған беттері сыртқы электр өрісіне қарама-қарсы бағытталған - ішкі электр өрісін (Еішкі.) тудырады. Ішкі электр өрісі сыртқы электр өрісін бейтараптай бастайды.
Өткізгішті сыртқы электр өрісіне ендіргенде ондағы электрондардың ығысып қайта орналасуы нәтижесінде оның беттерінің әр таңбалы зарядтармен зарядталуын электростатикалық индукция дейді.
1-сурет. Сыртқы электр өрісі пайда болғандағы өткізгіш
Өте аз уақыт аралығында (τ ≈ 10-9с) өткізгіштегі ішкі электр өрісі (Еішкі.) сыртқы электр өрісін (Есырт.) толық бейтараптайды, яғни
Eсырт.=Eішкі (2)
теңдігі орындалады. Динамикалық тепе-теңдік орнайды. Электрондардың қозғалысы тоқталып, тоқ нөлге теңеседі
j=σE. (3)
(3)-теңдігінен өткізгіштің ішкі көлеміндегі электр өрісі нөлге айналатындығын, яғни
E=0 (4)
болатындығын көреміз. Ал өткізгіштің ішінде көлемдік зарядтың жоқтығы, яғни ρ=0 болатындығы белгілі. Басқаша айтқанда, өткізгішті тұрақты электр өрісіне ендіргенде зарядтар өткізгіштің бетінде қалыңдығы атом өлшемімен шамалас қабатта орналасады да, оның ішкі көлемінде заряд болмайды. Әрине, өткізгіштің ішкі қабатында атомдар мен молекулалардың зарядтары бар. Бірақ оң заряд пен теріс зарядтардың сандары бірдей болғандықтан, олар бірін-бірі бейтараптайды.
Өткізгіш бетінің кез-келген нүктелерінің арасындағы потенциал айырымы (∆φ=-Elcosα) нөлге тең.
Яғни өткізгіштің барлық нүктелерінің потенциалдары өзара тең. Өткізгіштің беті - эквипотенциал бет.
Электр өрісінің кернеулігі өткізгіш бетіне перпендикуляр бағытталған, яғни оның тангенциал құраушысы нөлге тең. Ал егер электр өрісінің тангенциал құраушысы нөлге тең болмаса, онда оның әсерінен өткізгіштің электрондары қозғалысқа келіп, олар кернеуліктің тангенциал құраушысы нөлге тең болғанша қайта таралып орналасады.
Өткізгішті сыртқы электр өрісіне ендіргенде оның еркін электрондарының қайта таралып орналасуы нәтижесінде, онда сыртқы электр өрісіне қарама-қарсы бағытталған ішкі электр өрісі пайда болады. Өткізгіштің өріске қарсы және бағытындағы беттері зарядталып, олардың өрісі сыртқы өріске қарама-қарсы бағытталады. Бұл құбылысты - электростатикалық индукция дейді.
Динамикалық тепе-теңдік орнаған сәттен бастап ішкі электр өрісі сыртқы электр өрісін толық бейтараптайды. Өткізгіштің ішкі қабатында заряд болмайды, электр өрісі нөлге тең болады. Өткізгіштің беті эквипотенциал бетке айналады.
Сыртқы элек өрісінің кернеулігі өткізгіш бетіне перпендикуляр бағытталады, яғни оның тангенциал құраушысы нөлге тең болады.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің кернеулігін табайық. Өткізгіштің бетінен ∆S-ке тең элементін бөліп алып, оған биіктігі h-қа тең тік цилиндр тұрғызып, оның толық S бетінен ағып өтетін электр өрісінің ағынын Гаусс теоремасы арқылы табайық.
Өткізгіштерде заряд тек оның бетінде орналасатындықтан, цилиндрдің ішіндегі толық заряд
Q=Sσ (5)
шамасына тең. Мұнда σ - зарядтың беттік тығыздығы. Өткізгіш ішінде заряд, яғни электр өрісі жоқ. Сондықтан цилиндрдің өткізгіш ішінде орналасқан бөлігінің беті арқылы өтетін Е векторының ағыны нөлге тең. Ал цилиндрдің өткізгіштің сыртында орналасқан бөлігінің бетінен өтетін кернеулік векторының ағыны екі құраушыдан тұрады: бірінші, цилиндрдің бүйір бетіне сәйкесті ағын, екінші, цилиндрдің табандары арқылы өтетін ағын. Егер цилиндрдің биіктігін нөлге дейін азайтсақ, оның бүйір бетіне сәйкесті ағын нөлге ұмтылып, толық ағын цилиндрдің табандары ∆S арқылы ағып өтетін ағынмен ғана анықталады.
Өткізгіштің бетінің маңындағы өрістің кернеулігінің нормаль құраушысы зарядтың беттік тығыздығы арқылы толық анықталады. Өткізгіш маңындағы өрістің кернеулігінің тангенциал құраушысын талдайық.
Кернеуліктің тангенциал құраушысының нөлге тең болатындығын, мәңгілік қозғалтқыш (двигатель) жасауға мүмкін еместігін пайдаланып, былай дәлелдеуге болады. Ол үшін өткізгіштің іші арқылы өтетін, тұйық контурдың бойымен оң зарядты тасығанда кернеуліктің тангенциал құраушысы істейтін жұмысын табайық. Есептеу барысын оңайлату мақсатымен контурдың АВ және СД қабырғалары перпендикуляр болсын деп есепейік.
2-сурет. Өткізгіштің іші арқылы өтетін тұйық контур
Өткізгіштің ішінде өріс жоқ. Сондықтан контурдың өткізгіш ішінде орналасқан қабырғалары арқылы зарядты тасығанда істелген жұмыс, кернеуліктің тангенциал құраушысы да нөлге тең болады. Кернеуліктің тангенциал құраушысы Еτ өткізгіштің сыртында нөлге тең болмасын дейік. Оң зарядты АВ қабырғасының бойымен тасығанда Еτ кернеулігі оң жұмыс істейді. Ал контурдың АВ және СД қабырғаларын өткізгіш бетіне шексіз жақындатсақ, АД және ВС қабырғаларының ұзындықтары да, олардың бойымен оң зарядты тасығанда істейтін жұмыстар да нөлге дейін азаяды. Сонымен АВСД - тұйық контурының бойымен оң зарядты тасығанда кернеуліктің тангенциал құраушысы оң таңбалы жұмыс істейді. Ал жүйе ешқандай өзгеріске ұшырамайды. Бұл циклді қайталап жүргізіп істелетін жұмыстың шамасын шексіз көбейтуге болады. Сонымен өрістің кернеулігінің тангенциал құраушысы Еτ ешқандай қосымша энергия жұмсамай шексіз үлкен жұмыс істейді. Яғни кернеуліктің тангенциал құраушысы мәңгілік қозғалтқыш - мәңгілік энергия көзін жасауға мүмкіндік береді. Бұл мүмкін емес. Сондықтан кернеуліктің тангенциал құраушысы нөлге тең болу керек. Екінші жағынан, өткізгіштің ішінде элек өрісінің және оның кернеулігінің тангенциал құраушысының Еτ нөлге тең болуы электросататикалық өрістің потенциалдық қасиетінің салдары. Еτ=0 теңдігі - электр өрісі кернеулігінің өткізгіш бетіне перпендикуляр болатындығының куәсі.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің кернеулігі өткізгіш бетіне перпендикуляр бағытталып, шамасы En=σε0 теңдігімен, яғни зарядтың беттік тығыздығы арқылы анықталады.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің пайда болу табиғатын қарастырайық. Өткізгіш бетінің ∆S элементар бөлігін бөліп алайық. Өткізгіш бетінің маңындағы электр өрісінің негізгі көздер өткізгіштің ∆S элементар бетінде және одан тыс орналасқан зарядтар болады. Сондықтан өткізгіш бетінің маңындағы электр өрісінің кернеулігі Е екі құраушыдан тұрады.
∆S бетінде орналасқан зарядтар өткізгіштің бетінің сыртында да (Е1), ішінде де (Е11) шамалары бірдей, бағыттары қарама-қарсы өріс тудырады, яғни
E1=E11=σ2ε0 (6)
E1=-E11 (7)
теңдіктері орындалады. Өткізгіштен тыс орналасқан зарядтар оның бетінің маңында да E2, ішінде де E11 өріс тудырады. Өріс үздіксіз болғандықтан, олардың кернеуліктері бағыты жағынан да, шамасы жағынан да бірдей болады, яғни
E1=E21 (8)
теңдігі орындалады. Өткізгіштің ішінде қорытқы өріс (Е) нөлге тең:
E1=E11+E21=0 (9)
яғни E1=-E11 болады. (8)-(9)-теңдіктерін пайдаланып,
E1=E2=12E (10)
теңдігін табамыз.
Мынадай қорытынды жасауға болады: Өткізгіштің бетінің маңындағы өрістің кернеулігі өзара тең екі құраушыдан тұрады: бір құраушысы өткізгіштің элементар бетінде орналасқан зарядтардың өрісінің кернеулігі, ал екінші құраушысы өткізгіштің элементар бетінен тыс орналасқан зарядтардың өрісінің кернеулігі.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің кернеулігі өткізгіш бетіне перпендикуляр бағытталып, шамасы зарядтың беттік тығыздығына тура пропорционал болады, яғни, En=σε0 теңдігі орындалады.
Өткізгіш бетінің маңындағы өрістің кернеулігі өзара тең екі құраушыдан тұрады: бір құраушысы өткізгіштің элементар бетінде орналасқан зарядтардың өрісінің кернеулігі, ал екінші құраушысы өткізгіштің элементар бетінен тыс орналасқан зарядтардың өрісінің кернеулігі.
Өткізгіш бетіндегі зарядтың тығыздығы беттің қисықтығына тәуелді. Қисықтық үлкен болса, зарядтың беттік тығыздығы үлкен, ал қисықтық кіші болса, кіші болады. Яғни беттің қисықтық радиусы мен зарядтың беттік тығыздықтары бір-біріне кері пропорционал заңдылықпен өзгереді σ1σ2=r2r1.
Өткізгіш бетіндегі зарядтардың тығыздығы зарядтар жүйесінің потенциалдық энергиясының ең аз мәнімен анықталады.
Зарядталған өткізгіштің бетінің қисықтығы үлкен, яғни ол үшкір болса, ондағы зарядтың беттік тығыздығы да, сәйкесті электр өрісінің кернеулігі де үлкен болып, оның әсерінен өткізгіштің үшкір ұшынан зарядар ұшып шығады дейді. Шындығында, ешқандай заряд ұшып шықпайды. Зарядтар ұшып шығу үшін, яғни электрондарды металдан жұлып шығару үшін, электр өрісінің кернеулігі 105-107 Всм-ден кем болмау керек. Бұл құбылысты автоэлектрондық эмиссия дейді. Зарядтың өткізгіштің үшкір ұшынан ұшып шығу құбылысын төмендегідей түсіндіруге болады.
Өткізгіштің үшкір бетінің маңындағы кеңістікте орналасқан зарядталған бөлшектер (мысалы, ғарыш сәулелерінің әсерінен пайда болаған оң және теріс зарядталған иондар мен электрондар) өткізгіш бетіндегі зарядтардың электр өрісінің әсерінен үдей қозғалып, ауа бөлшектерін (атомдарды, молекулаларды) иондайды. Өткізгіш бетінің маңында зарядталған бөлшектерге толы көлемдік аймақ пайда болады. Аймақтағы зарядтармен өткізгіш бетінде орналасқан зарядтар Кулон және Ньютон заңдарына сәйкес бір-бірімен шамасы жағынан өзара тең, ал бағыты жағынан қарама-қарсы күштермен әсерлеседі. Олардың әсерлесуі кезінде алатын импульстары шамалары жағынан өзара тең, бағыттары жағынан қарама-қарсы. Аймақтағы таңбалары өткізгіш бетінде орналасқан зарядтардың таңбалары мен қарма-қарсы зарядтар өткізгішке қарай қозғалып, оған онымен соқтығысады. Өткізгіш бетіндегі және оған түскен зарядтардың импульстері де, таңбалары да қарма-қарсы болғандықтан, олар бірін-бірі толық бейтараптайды. Зарядтары да, өзара әсерлері де нөлге айналады. Тек өткізгіштің бетіндегі заряд тығыздығы кемиді. Яғни аттас емес зарядтардың өзара әсерлесуі нәтижесінде зарядталған өткізгішке әсер ететін күш пайда болмайды. Ал егер өткізгіш маңындағы кеңістіктегі зарядтар оның бетіндегі зарядтармен аттас болса, онда былай болады. Зарядтар өткізгіш бетіндегі зарядтардан тебіліп сыртқа қарай қозғалады. Сыртқа қозғалыс кезінде олар ортаның бөлшектерін (атомдарды,молекулаларды) ілестіріп әкетеді. Бұл жағдай, жоғарыдағы өткізгіш бетіндегі зарядтың тығыздығының кемуін ескерсек, өткізгіштің үшкір бетінен зарядтардың ұшып шығып жатқан тәріздес болып көрінеді. Аттас зарядтардың өзара әсері өткізгішке түсірілетін реактив күшті тудырады.
Бұл құбылыс электр және магнетизмнің физикалық негіздері[1] кітабында былайша түсіндіріледі: егер зарядталған бөлшектер, мысалы, электрондар дененің ішінде айтарлықтай еркін қозғала алатын болса, онда мұндай заттардың электр тоғын еркін өткізу қабілеті болады. Қозғалыс барысында электр тоғын туғызатын заряд тасымалдаушылар тек электрондар ғана емес, иондар, яғни өздерінен бір немесе бірнеше электрондарды жоғалтқан немесе қосып алған атомдар (молекулалар) да болуы мүмкін.
Электр тоғын өткізу қабілетіне сәйкес барлық заттар - өткізгіштер, шала өткізгіштер (жартылай өткізгіштер) және диэлектриктер (немесе изоляторлар) болып бірнеше топқа бөлінеді. Идеал изоляторлар табиғатта болмайды. Барлық заттар болмашы аз дәрежеде болса да электр тоғын өткізеді. Мысалы, диэлектриктер токты өткізгіштерге қарағанда 1015-1020 есе нашар өткізеді.
Өткізгіштерге барлық металдар, сондай-ақ электролиттер және иондалған газдар жатады. Ал слюда, шыны, эбонит, фарфор, таза су диэлектриктерге жатады.
Енді электр өрісінде өткізгіштер қандай мінез-құлық көрсететінін көрейік. Кернеулігі Е0 солдан оңға қарай бағытталған біртекті электрстатикалық өріске өткізгіш орналасты делік. Электрстатикалық индукция арқылы өткізгіш электрленеді: оның бос зарядтары өткізгіштің бетіне қарай - оң таңбалы өріс бағытымен, ал терістері - өріске қарсы бағыттарда орын ауыстырады.
Сонымен, өткізгіштің бір жағында оң зарядтар, ал екінші жағында теріс зарядтар басым келеді. Өткізгіштің қарама-қарсы жағындағы зарядтар индукцияланған зарядтар деп аталады. Бұл индукцияланған зарядтар туғызатын қосымша өріс Е қос, сыртқы өріске Е0 қарсы бағытталған. Зарядтардың таралып орналасуы қосымша өріс Еқос сыртқы өріспен Е0 өткізгіштің ішіндегі барлық нүктелерде теңескенше жүре береді. Олар теңескен кезде өткізгіштің ішінде қосынды өріс нөле тең:
E=E0+Eқос=0. (11)
Бұдан E=-dφdr өрнегін пайдаланып, мынаны аламыз:
E=-dφdr, яғни φ=const. (12)
Өткізгіштің барлық нүктелеріндегі потенциалдар бір-біріне тең, бірдей екенін көреміз, яғни өткізгіштердің беттері эквипотенциалды беттер екен, кернеулік сызықтары өткізгіштердің беттеріне перпендикуляр болып бағытталады.
Енді электрстатикалық өріске орналасқан өткізгіштің ішінде заряд болмайтынын, зарядтар оның беттеріне орналасатынын дәлелдейік. Өріске тұйықталған өткізгішті орналастырайық. Остроградский-Гаусс теоремасына сәйкес өткізгіштің бетінен өтетін кернеулік векторының ағыны мынаған тең:
N=S0EndS=qε0ε=0, өйткені E=0, (13)
яғни өткізгіштің ішінде q=0 және зарядтар оның бетінде орналасқан.
Ал электр өрісіне орналастырылған өткізгіштің ішінде өрістің болмауы техникада әртүрлі электрлік құралдарды, өткізгіштерді сыртқы электр өрістерінің әсерінен электрстатикалық әдіспен қорғау үшін кеңінен қолданылады.
Өткізгішке жақындаған сайын эквипотенциал беттер өткізгіш беттеріне (оның формасына) анғұрлым ұқсас бола береді.
2-
2-
3-сурет. Өткізгіш бетінің эквипотенциал беттері
Дөңес беттердің маңында эквипотенциал беттер жиі орналасады, демек, мұндағы өріс кернеулігі де көп. Бұдан Остроградский-Гаусс теоремасына сәйкес (En=σε0ε) зарядтардың тығыздығы, әсіресе, дөңес жерлерінде аса көп болады. Өткізгіштің ойыс жерлерінде (тереңдіктерде) эквипотенциал беттер сирегірек орналасқан. Осыған сәйкес бұл жерлерде өрістің кернеулігі мен зарядтардың тығыздығы азырақ болады.
4-сурет. Сүйір ұштар маңындағы өріс кернеулігі
Зарядтардың тығыздығы, әсіресе, сүйір ұштарда көп болады. Сондықтан, мұндай сүйір ұштар маңында өріс кернеулігінің көп болатыны соншалық, өткізгішті қоршайтын газ молекулаларының ионизациясы өтеді. Өткізгіш зарядының таңбасына қарсы иондар оған тартылады да, оның зарядын нейтралдайды. Таңбалары өткізгіш зарядының таңбасындай иондар газдың нейтрал молекулаларын өздерімен бірге ілестіріп, өткізгіштен сыртқа қарай қозғала бастайды. Мұның нәтижесінде электр желі деп аталатын газдың қозғалысы байқалады. Өткізгіштің заряды азаяды, ол сүйір ұштан ағып шығып, желмен айдалып кететін сияқты. Сондықтан мұндай құбылыс зарядтың сүйір ұштан ағуы деп аталады.
Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі. Асқан өткізгіштік
Өткізгіштің кедергісі R оның өлшемдері мен материалына тәуелді екені белгілі. Ал, өткізгіштің кедергісі оның температурасына тәуелді бола ма? Бұл сұраққа жауап беру үшін мынадай тәжірибені жасайық. Вольфрам қылды спиральі бар шамды ток көзіне және амперметрге қосылған тізбекке қосамыз.
5-сурет. R кедергісі бар шамның амперметр және вольтмерт жалғанған тізбекке қосылу схемасы.
Амперметрдің көрсетуін анықтап алып, тізбектегі токты біртіндеп арттырамыз. Ток артқан сайын қызған шам спиральінің жарық шығаруы арта түседі. Ал, кедергінің токқа қатынасы бірітіндеп артады.
1-Кесте. Қызған шамның вольтмер және ампермерт көрсеткіші
U, (B)
0
1
2
3
4
I, (мA)
0
120
180
230
270
1-кестеден тізбектегі тоқ күші Ом заңындағыдай кернеуге тура пропорционал емес екенін көре аламыз. Егер кестеге график тұрғызсақ кедергі сызықты емес, яғни R=const емес екені көрінеді (6-сурет).
6-сурет. Тізбектегі кедергінің кернеуге тәуелді өзгеруі
Тізбекке 0В кернеу бергенде шамның мүлде жанбағанын, әрі қарай кернеуді арттырғанда вольфрам қылының қызып жарық шығаруы күшейгенін бақылай отырып вольфрам қылының кедергісі оның температурасына тәуелді деген қорытындыға келеміз. Вольфрам секілді кез-келген металдың да кедергісі оның температурасына тәуелді болады.
Кейбір таза металдардың кедергісі әжептеуір, ал қорытпаларда кедергі аз артады. Температура артқанда, кедергісі ешқандай өзгермейтін арнайы қорытпалар да бар. Оларға константан мен манганин жатады. Оларды эталондарды, реостаттар мен басқа да аспаптарды дайындауға пайдаланады. Қыздырғанда, кедергісінің өсу себебі өткізгіштің температурасы артқанда, кристалдық тордың түйіндеріндегі иондар тербелісінің күшеюі болып табылады. Нәтижесінде электрондар иондармен жиірек соқтығысады. Бұл олардың өткізгіштегі бағытталған қозғалысына кедергі жасайды, сондықтан кедергі артып, ток кемиді.
Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі былай анықталады:
R=R0(1+αt), (14)
бұдан
α=R-R0R0t, (15)
мұндағы R - өткізгіштің t0C-тағы кедергісі; R0 - өткізгіштің 00С-тағы кеедргісі; t - температура; α - кедергінің температуралық коэффициенті. Ол өткізгіш затының электрлік қасиеттерінің температураға тәуелділігін сипаттайды.
Көптеген тәжірибелер барлық металдар үшін α0 екенін көрсетеді. Химиялық таза металдар үшін:
α≈1273К-1.
Өткізгіштің температуралық коэффициентін SI жүйесіндегі өлшем бірлігі
К-1=11К
болып табылады.
2-кестеде кейбір заттар үшін кедергінің температуралық коэффициентінің мәндері берілген.
2-Кесте. Кейбір заттар үшін кедергінің температуралық коэффициенті (α), К-1
Сыртқы электр қозғаушы күшінің әсерінен ортада белгілі бір бағытта заряд тасылатын болса, ондай ортаны электр өткізгіш орта дейді.
Ортада заряд таситын бөлшектер электрондар, иондалған атомдар, молекулалар болуы мүмкін. Заряд сұйықтарда оң және теріс зарядталған иондармен; газдарда иондалған атомдармен, молекулалармен; қатты денелерде негізінен электрондармен тасылады.
Денелерде зарядтың тасымалдануын сипаттау үшін меншікті электрлік өткізгіштік (σ) деген физикалық шама ендіреді. Меншікті электр өткізгіштік тек ортаның қасиетіне байланысты.
Металдардың электр өткізгіштігінің классикалық электрондық ілімінің негізін салушылар П.К.Л.Друде (1863-1906) мен Х.А.Лоренц (1853-1928). Олардың ілімі мына тұжырымдарға негізделген:
кристалл торының ішінде еркін қозғала алатын электрондар бар. Олар ретсіз жылулық қозғалыста болады;
еркін электрондарды өзара әсерлеспейтін электрондардан тұратын электрондық газ деп қарастырып, олар үшін идеал газдың кинетикалық теориясының барлық заңдарын қолдануға болады;
сыртқы электр өрісінің әсерінен еркін электрондар бағытталған қозғалысқа қатынасып, заряд тасиды - тоқ туғызады.
Лоренц металдағы еркін электрондардың жылдамдық бойынша үлестірілуі Максвелл заңымен анықталады деп Друде теориясын әрі дамытты.
Друде-Лоренц теориясы металдардың жылу және электр өткізгіштігін жап-жақсы түсіндіргенімен олардың жылу сыйымдылығына еркін электрондардың қатынасын түсіндіре алмады.
Металдардың жылу сиымдылығы кристалл торының түйіндерінде орналасқан иондардың тербелмелі қозғалысымен толық анықталады. Электрондардың металдың жылу сыйымдылығына қосатын үлесі жоққа тән. Бұлай болу үшін металдағы электрондардың саны өте аз болу керек. Ал, электрондардың саны өте аз болса, металдың өте жақсы электр және жылу өткізгіштерін түсіндіру қиынға түседі.
Друде-Лоренц теориясы металдың электр және жылу өткізгіштіктерінің табиғатын дұрыс түсіндірмейді.
Алайда, металдардың электр өткізгіштіктерінің классикалық теориясының тұжырымдары кейбір тәжірибе арқылы алынған деректерге сәйкес келмейді.
Бос кеңістіктегі электрондар тұрақты электр өрісінің әсерінен тұрақты үдеу алатындықтан, олардың туғызатын тоғы шексіз үлкен мәнге дейін өсуі мүмкін. Ал, металл өткізгіште тұрақты потенциал айырымының әсерінен тұрақты тоқ туады, яғни тоқ шектелген мән қабылдайды. Классикалық теория металдағы тоқтың шамасының шектеулі болуын электрондардың, ілгерілемелі қозғалыс кезінде, кристалл торының түйіндерінде орналасқан иондармен соқтығысуларымен байланыстыралы. Бұл теория бойынша электрондардың қатарлас екі соқтығысулардың аралығында жүретін жолдары - еркін жүру жолы, кристалл тұрақтысымен (а) анықталып, өте аз 10-8см мәнін қабылдайды. Еркін жүру жолының бұл мәні, тәжірибе арқылы анықталған, өткізгіштегі электрондардың еркін жүру жолынан мыңдаған есе кіші. Бұл жағдай классикалық теорияның өткізгіштегі еркін электрондар ұмтылмалы қозғалыс кезінде кристалл торының түйіндерінде орналасқан кез-келген ионымен соқтығысып, өздерінің ілгерілемелі қозғалысының энергиясын жоғалтады деген тұжырымына қайшы келеді.
Классикалық теория металдардың электр өткізгіштіктерінің температураға байланысты өзгеру заңдылығын да түсіндіре алмады. Температура өскенде металдардың меншікті кедергісі жүздеген, мыңдаған есе өсетіндігі тәжірибе арқылы көрсетілген. Меншікті кедергінің өсуін тек заряд тасушылардың еркін жүру жолының азаюымен ғана түсіндіруге болады. Ал, Друде-Лоренц классикалық теориясы бойынша кристалл өткізгіштеріндегі заряд тасушылардың еркін жүру жолы температураға байланысты болмайды, ол кристалл тұрақтысына тең. Яғни, бұл теория металдардың электр өткізгіштігінің температураға байланысты өзгеру заңын түсіндіре алмайды.
Кристалл - кеңістікте белгілі бір қатаң тәртіппен, заңдылықпен өте тығыз орналасқан не атомдардың, не иондардың, не молекулалардың жиынтығы. Бір өлшем көлемдегі кристалды құраушы бөлшектердің саны шамамен 1022-1023 см-3. Кристалл құраушы бөлшектер кристалл торының түйіндерінде орналасады. Кристалл торы белгілі бір симметрия заңына бағынады. Мысалы, кристалды құраушы бөлшектер кеңістікте периодты түрде орналасады. Бүкіл кристалды, тұтас өзіне-өзін параллель қалдырып, жылжыту (трансляция) векторымен анықталатын аралыққа көшірсек, ол өзімен-өзі дәл келеді. Кристалды құраушы бөлшектер кеңістікте периодты потенциал өрісін тудырады. Өте тығыз орналасқан атомдардың өзара әрекеттесуі нәтижесінде олардың сыртқы валенттік электрондары төл ядроларының өрісінен кетіп, басқа кез-келген ядролардың өрісінде еркін қозғалуына мүмкіндік алады. Бұл жердегі валенттік электрондар дегеніміз - төл ядроларымен байланысы нашар электрондар. Әдетте, көршілес атомдардың ара қашықтығы кристалл тұрақтысы а~10-8 см шамасына тең. Қатты денелер физикасында бұл электрондарды еркін электрондар, не өткізгіш электрондар дейді. Кванттық механика ілімі, егер кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығы қатаң сақталса, бұзылмаса, онда ондай өрісте қозғалатын электрондар, заряд тасуға ешқандай кедергісіз қозғалып қатынаса алатындығын дәлелдеді. Яғни, периодты потенциалдық өрісі бұзылмаған кристалл өткізгіштердің электр кедергісі нөлге тең болады.
Кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығы кез-келген бір себептің әсерінен бұзылса, яғни ақаулар (кемістіктер) пайда болса, еркін электрондар олармен соқтығысу нәтижесінде сыртқы электр өрісінен алған энергияларын жоғалтады, қозғалу бағытын өзгертеді. Электрондардың заряд тасуға қосатын үлесі төмендейді. Тоқ шамасы азаяды. Өткізгіштің электр кедергісі пайда болады.
Кристалдың потенциалдық өрісінің периодтылығының кристалл торына бөгде атомдардың енуі, тор түйіндерінде орналасқан атомдардың, иондардың жылулық тербелмелі қозғалыстарға қатынасуы, кристалдардың шекара беттерінің болуы, зарядталған бөлшектердің әсерінен кристалдың поляризациялануы т.б. нәтижесінде бұзылады.
Кванттық механика ілімінің бұл тұжырымдарын пайдаланып жоғарыдағы классикалық теорияның түсіндіре алмаған құбылыстарын былай түсіндіруге болады: температура өсетін болса тор түйіндерінде орналасқан атомдардың тербелістерінің амплитудасы өседі, электрондардың олармен соқтығысу мүмкіндіктері, яғни, өткізгіштің электр кедергісі артады, заряд тасушы бөлшектердің еркін жүру жолы кемиді.
Еркін электрондардың кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдардың жылулық тербелістерімен соқтығысу табиғатының егжей-тегжейін қарастырайық.
Кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдар, иондар Т=0 болғанда, тербелмелі қозғалысқа қатынаспаса да тыныштық күйде бола алмайтындықтарын көрсетейік.
Егер атом тыныштық күйде болса, оның импульсі нөлге тең, яғни импульсі өте дәл анықталады - импульсті анықтау кезінде жіберілетін қате нөлге тең болады: ∆Px=0. Сондықтан, Гейзенбергтің анықталмағандық принципі бойынша, атомның координатын тапқандағы жіберілетін қате шексіздікке тең, яғни, ∆x=infinity болады. Басқаша айтқанда, атомды кристалл торының түйінінің маңынан табу мүмкін емес, ол кристалл алып тұрған кеңістіктің бүкіл өне бойына таралып орналасады. Ал, шындығында, Т=0 болса да, атомдар температураға тәуелсіз нөлдік тербеліске қатынасады. Температура нөлден жоғары Т!=0 болса, атом тор түйінінің маңында тербелмелі қозғалысқа келеді. Кристалдың ішкі энергиясы артады. Кристалл атомдары бір-бірімен өте күшті байланыста болғандықтан, олардың әрқайсысы іргелес көрші орналасқан атомдарды ілестіре тербеледі. Сондықтан, атомдардың тербелмелі қозғалысы таралып кристалда серпімді толқын пайда болады. Сонымен, кристалдың ішкі энергиясының артуы онда серпімді толқынның пайда болуын туғызады.
Т!=0 болғанда кристалда импульсі және энергиясы Луи де Бройль қатынасымен анықталатын элементар серпімді толқын пайда болады. Элементар серпімді толқынға энергиясы және импульсі осы толқынның энергиясы мен импульсіне тең элементар бөлшек сәйкес қоюға болады. Элементар толқынды кейде кристалдың периодты потенциалдық өрісінің элементар қозулары - фонондар деп атайды.
Фонондар кәдімгі кванттық бөлшектерге ұқсас, бірақ олардан өзгеше. Кәдімгі кванттық бөлшектер кез-келген ортада, тіпті вакуумда да өмір сүреді, ал фонодар вакуумда болмайды, тек материалдық ортада болады. Сондықтан, фононды кәдімгі бөлшектерден айыру үшін квазибөлшектер - кәдімгі бөлшекке ұқсас бөлшек деп атайды. Квазибөлшектердің қатарына спин толқындарын, плазмондарды т.б. жатқызуға болады.
Квазибөлшектер кәдімгі бөлшектер тәріздес екі топқа: Бозе квазибөлшектер, Ферми квазибөлшектерге бөлінеді. Бозе және Ферми квазибөлшектерді спиндердің белгілі бір бағытқа алынған құраушыларының мәндері арқылы айырады.
Фонондар ұғымы еркін электрондармен кристалл торының түйіндерінде орналасқан атомдардың, иондардың өзара әрекеттесулерін қарастыруды жеңілдетеді. Кристалды еркін электрондар мен фонондардан тұратын газдарға толтырылған қуыс ыдыс ретінде қарастыруға болады. Сонда электрондардың кристалл атомдарының, иондарының тербелістерімен соқтығысуларын, электрон және фонон газдарының өзара әсерлесуі нәтижесінде фонондардың жұтылуы, не шығарылуы ретінде қарастырады.
Кристалдағы еркін электрон газы фонон газымен әсерлескенде электрондар сыртқы электр өрісінен алған энергиясын фонондар жүйесіне беріп кристалдың орташа температурасын көтереді, яғни фонондар саны көбейеді.
Электрондар кристалдағы бөгде қоспа атомдармен де, кристалдың басқа да ақауларымен соқтығысқанда да, өздерінің артық энергияларын оларға береді. Берілген энергия қоспа атомның, не басқа ақаудың тербелмелі қозғалысының энергиясына айналады, яғни, бұл да қосымша фонондардың тууына әкеледі. Яғни электрондар мен фонондардың өзара әсерлесуі - металдың кедергісінің пайда болуын туғызатын негізгі құбылыс.
1911 жылы голландия физигі Камерлинг-Оннес асқын өткізгіштік деген ерекше физикалық құбылыс ашты. Кейбір металдардың, мысалы, қорғасын, сынап, қалайы, цинк т.б. электр кедергісі температураны төмендеткенде белгілі бір сындық температурадан бастап нөлге дейін азаятындығын байқады.
7-сурет. Сынаптың электр кедергісінің температураға байланысты өзгеру заңдылығы
7-суретте Камерлинг-Оннестің сынаптың электр кедергісінің температураға байланысты өзгерісін тәжірибе жүзінде зерттеу кезінде алынған қисығы берілген. Суреттен температура 4,150К мәнінен бастап төмендегенде сынаптың электр кедергісі кенеттен нөлге дейін азаятындығын, яғни, ол асқын өткізгіш күйіне көшетіндігін, ал, Т4,150К болғанда, ол қалыпты күйде болатындығын байқаймыз. Өткізгіштің асқын өткізгіш күйіне көшетін температурасын сындық температура ТD деп атайды. Сонымен, сынап үшін сындық температура ТD=4,150К-ға тең болады.
1933 жылы асқын өткізгіштің сыртқы магнит өрісімен әсерлесуін сипаттайтын тағы бір негізгі қасиеті тағайындалды. Неміс физиктері В.Мейсснер мен Р.Оксенфельд, егер магнит өрісінің шамасы аса үлкен болмаса, асқын өткізгіштер оны өзінің ішкі қабатынан сыртқа қарай ығыстыратындығын дәлелдеді. Яғни, магнит өрісі асқын өткізгіштің ішінде нөлге тең болады. Бұл құбылысты Мейсснер құбылысы деп атаған.
Мейсснер құбылысын түсіндіру үшін асқын өткізгіштегі электр және магнит өрістерінің ерекшеліктеріне тоқталайық.
Асқын өткізгіштің кедергісі нөлге тең болғандықтан, одан өтетін тоқ тұрақты болу үшін электр өрісі қажет емес. Орныққан күйдегі асқын өткізгіштің ішінде электр өрісі нөлге тең. Ал егер Е=0 болса, өте аз электр өрісі асқын өткізгіште шексіз үлкен тоқ тудырған болар еді. Бұл мүмкін емес. Электр өрісі асқын өткізгіштің сыртында орналасқан қалыпты күйдегі беттік жұқа қабатта ғана нөлге тең емес. Яғни зарядтар асқын өткізгіштің сыртындағы қалыпты күйдегі беттік жұқа өткізгіш қабат арқылы тасылады.
Асқын өткізгішті магнит өрісіне ендіргенде оның ішінде магнит өрісі орныққан шамасына дейін өседі. Магнит өрісінің өзгерісі электромагниттік индукция заңы бойныша айнымалы электр өрісін тудырады. Айнымалы электр өрісі, асқын өткізгіштің бетіндегі жұқа қабатта магнит өрісі сыртқы магнит өрісін бейтараптайтын беттік айнымалы тоқ тудырады. Асқын өткізгіштің ішінде магнит өрісі нөлге айналады. Сонымен, магнит өрісіне ендірілген асқын өткізгіштің бетіндегі жұқа қабаттан айнымалы тоқ өтіп Мейсснер құбылысын тудырады.
Сыртқы энергия көзіне жалғанған асқын өткізгіштен тоқ өткенде де одан Мейсснер құбылысының әсерінен магнит өрісі ығыстырылып шығарылады. Бұл жағдайда да асқын өткізгіштен беттік тоқ өтеді.
Сонымен, асқын өткізгіште электр кедергісі нөлге тең болады, беттік тоқ жүреді, әрі ол өшпейді және магнит өрісі нөлге тең болады.
Асқын өткізгіш күйіне көше алатын таза өткізгіштер саны көп емес, асқын өткізгіштік қасиеті көп жағдайда қорытпаларда кездеседі. Мейсснер құбылысы толық орын алатын өткізгіштерді І-ші текті асқын өткізгіштер, ал ішіндегі магнит өрісі толық бейтарапталмайтын асқын өткізгіштерді ІІ-ші текті дейді.
Асқын өткізгіш - металл өткізгіштің бір фазалық күйі. Абсолюттік температураны сындық температурадан төмендеткенде Т=TD, өткізгіш қалыпты фазадан асқын өткізгіш фазасына көшеді. Өткізгіш қалыпты фазадан асқын өткізгіш фазаға ауысуы кезінде кристалдың симметриясы, құрылысы өзгермейді, ешқандай жылу жұтылмайды және бөлінбейді, яғни бұл фазалық көшу І-ші текті фазалық көшуге жатпайды. Кристалдың ішкі энергиясы секірмелі түрде өзгермейді, тек электрондық жылу сыйымдылығы ғана секірмелі өзгереді. Сондықтан өткізгіштің қалыпты фазадан асқын өткізгіш фазасына көшуін ІІ-ші текті фазалық көшуге жатқызады.
Өткізгіш асқын өткізгіштік күйінде болу үшін, біріншіден, ондағы заряд тасушылар ең төменгі энергия деңгейінде орналасулары керек, екіншіден, ең төменгі энергия деңгейімен, оған ең жақын орналасқан, қозған энергия деңгейінің арақашықтығы үлкен болу керек.
Электромагниттік индукция. Магниттік ағын. Ленц заңы
Электр және магнит өрістерінің бір-біріне байланысын қарастырайық. Егер электр және магнит өрістері уақыт бойынша өзгеретін болса, олар бірін-бірі тудырады, яғни айнымалы магнит өрісі айнымалы электр өрісін, ал айнымалы электр өрісі айнымалы магнит өрісін тудырады. Айнымалы электромагниттік өрісті өзара байланысты болатын екі құраушыдан тұратын біртұтас объект деп қарастыру керек. Айнымалы электр және магниттік өрістерді бірін-бірі тудыруы арқылы электрлік заряд пен тоқтың жәрдемінсіз кеңістікте электромагниттік толқын түрінде тарала алады.
Айнымалы магнит өрісінің айнымалы электр өрісін тудыруы 1831 жылы Фарадей ашқан электромагниттік индукция құбылысымен байланысты. Бұл құбылыс бойынша, ешбір ток көзіне қосылмаған өткізгішке қарағанда, тұрақты магнитті, болмаса тогы бар өткізгішті қозғалысқа келтірсе, алғашқы кезде тогы жоқ өткізгіште электрлік ток пайда болады. Ток өткізгішті магнит пен тогы бар өткізгішке қарағанда, қозғалысқа келтірген кезде де пайда болады. Сонымен қатар қозғалмайтын өткізгіштің маңында орналасқан қозғалмайтын өткізгіш арқылы айнымалы ток жүргенде де бірінші өткізгіште ток пайда болады. Осы қарастырылған жағдайларды токтың пайда болуы магнит өрісінің айнымалылығымен байланысты. Өткізгіште токтың пайда болуы, онда электр өрісінің туатындығын көрсетеді. Ендеше қарастырылған тәжірибе схемалаларынан уақыт бойынша айнымалы магнит өрісі өзінің маңында айнымалы электр өрісін тудырады деген қорытынды жасауға болады.
Сонымен магнит өрісінде қозғалатын өткізгіште ток пайда болады. Бұл токты индукциялық ток деп атайды. Индукциялық токты өткізгіште пайда болатын электр өрісінің индукциялық электр қозғаушы күші тудырады деп қарастыруға болады. Электр өрісін тудыратын негізгі себеп өткізгішпен бірге υ жылдамдықпен қозғалатын еркін электрондарға магнит өрісінің тарапынан күш әсер етуінен. Бұл күш Лоренц күшімен анықталады:
F=-q[υB]. (16)
Тұйық контур сыртқы магнит өрісінде қозғалған кезде, онда сан жағынан контурға тірелген бетті тесіп өтетін магнит индукциясы ағынының өзгеру жылдамдығына тең электр қозғаушы күш пайда болады.
ε=-dФdt (17)
Осы формула тұйық контурдың белгілі бір бөлігі қозғалатын жағдайға сәйкес келеді. ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz