Тербелмелі контурдағы электромагниттік тербелістер
Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі
Академик Е.А. Бөкетов атындағы
Қарағанды мемлекеттік университеті
Лесбек Е.Е.
Электродинамика бөлімін оқытуда жаңа педагогикалық технологияларды қолдану
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В071700 - Физика-информатика мамандығы
Қарағанды 2022
Академик Е.А. Бөкетов атындағы
Қарағанды мемлекеттік университеті
Қорғауға жіберілді
профессор Ж.С. Ақылбаев
атындағы инженерлік
жылу физикасы
кафедрасының меңгерушісі
____________К.М. Шаймерденова
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: Электродинамика бөлімін оқытуда жаңа педагогикалық технологияларды қолдану
5В071700 - Физика-информатика мамандығы
Орындаған: Е.Е. Лесбек
Ғылыми жетекшісі,
х.ғ.к., доцент Х.Есенболды
Қарағанды 2022
Академик Е.А. Бөкетов атындағы Қарағанды мемлекеттік университеті
Физика-техникалық факультеті
5В071700- Физика информатика мамандығы
Профессор Ақылбаев Ж.С. атындағы
инженерлік жылу физикасы кафедрасы
Бекітемін
Кафедра меңгерушісі
__________К.М. Шаймерденова
19 Қыркүйек 2020 ж
Дипломдық жұмысты жобаны орындауға
ТАПСЫРМА
Студент Лесбек Еркебұлан Есжанұлы
аты- жөні
2 курс, ФиИ-410 тобы, 5В071700 - Физика информатика мамандығы, күндізгі оқу бөлімі.
1. Дипломдық жұмыстың тақырыбы Электродинамика бөлімін оқытуда жаңа педагогикалық технологияларды қолдану 19 Қыркүйек 2021 ж. № _________ бұйрықпен бекітілді.
2. Студенттің аяқталған жұмысты тапсыру мерзімі 30.04. 2022ж.
3. Жұмысқа бастапқы мәліметтер (заңдар, әдеби көздер, мәліметтер): Мектеп оқулықтары 7,8,9,10,11 сынып оқулықтары.
4. Дипломдық жұмыста өңдеуге жататын мәселелер тізімі электродинамика бөлімін қарастыру.
5. Графикалық материалдар тізімі (сызбалар, кестелер, диаграммалар және т.б.) жұмыс бөлігінің суреті, графиктер мен кестелер.
6.Негізгі ұсынылатын әдебиеттер тізімі: 1. С.Тұяқбаев, Б.Кронгарт, В.Кем, В.Загайнова-Жалпы білім беретін мектептің жаралытылыстану-Ф49 математика бағытындағы 11-сыныбына арналған оқулық С.Тұяқьаев, Ш.Насохова, Б.Кронгарт, т.б.- Өңд. 2-бас. - Алматы; Мектеп, 2011. - 400 б,. сур. 2. Кронгарт Б.А., т.б. Физика. Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану- математика бағытындағы 10- сыныбына арналған оқулық Б.Кронгарт, В.Кем, Н.Қойшыбаев. - Өнд., толықт, 3-бас. Алматы; Мектеп, 2014 - 400 б., сур. 3. Закирова Н.А. ж.б. Физика. Жалпы білім беретін мектептің 8-сыныбына арналған оқулық Н.А.Закирова, Р.Р.Аширов - Астана; "Арман- ПВ" баспасы, 2018. - 304 б. 4. Закирова Н.А., Аширов Р.Р. Физика; жалпы білім беретін мектептің 11-сыныбының жаратылыстану- математика бағытына арналған оқулық. Н.А.Закирова, Р.Р.Аширов.- Нұр- Сұлтан; "Арман- ПВ" баспасы, 2020. - 336 б.
7. Жұмыс бойынша консультациялар (оларға қатысты жұмыс бөлімдерін көрсетумен)
Бөлімнің, тараудың нөмірі, атауы
Ғылыми жетекші, кеңесші
Тапсырма-ны алу мерзімдері
Тапсыр-маны берді
(қолы)
Тапсыр-маны қа-былдады (қолы)
1 Электродинамика бөлімін оқытуда жаңа педагогикалық технологияларды қолдану.
Хуанбай Есенболды
13.11.2019ж
2 Мектеп оқулықтарына электродинамика бөлімін тауып оқып танысу.
Хуанбай Есенболды
13.01.2020ж
3 Жаңа педагогикалық әдістерді зерттеу.
Хуанбай Есенболды
14.03.2020ж
8. Дипломдық жұмысты (жобаны) орындау кестесі
№
Жұмыстың кезеңдері
Жұмыс кезеңдерін орындау мерзімдері
Ескерту
1
Дипломдық жоба тақырыбын бекіту
19.09.2021 ж.
2
Дипломдық жобаны дайындау үшін материалдар жинау
28.10.2021 ж. - 11.11.2021 ж.
3
дипломдық жұмыстың (жобаның) теориялық бөлімін дайындау
Мұнай қалдықтарын өңдеу бойынша зерттеудің қазіргі жағдайы
13.11.2021 ж. -12.01.2022 ж.
4
дипломдық жұмыстың (жобаның) сараптамалық бөлімін дайындау
13.01.2021ж. - 15.03.2022ж.
5
Дипломдық жұмыстың (жобаның) толық мәтінінің жобалық нұсқасын аяқтау
16.03.2021ж.-30.03.2022ж.
6
Дипломдық жұмысты (жобаның) алдын-ала қорғауға ұсыну
04.04.2022ж.
7
Дипломдық жұмысты(жобаның) сын-пікірге ұсыну
06.04.2022ж.
8
Дипломдық жұмыстың (жобаның) ғылыми жетекшінің пікірімен және сын-пікірмен соңғы нұсқасын тапсыру
30.04.2022ж.
9
Дипломдық жұмысты (жобаның) қорғау
Тапсырманың берілген күні: 21.10.2021ж
Ғылыми жетекші х.ғ.к., доцент Х.Есенболды
қолы аты-жөні, ғылыми атағы, қызметі
Тапсырманы қабылдады: студент Е.Е. Лесбек
қолы
МАЗМҰНЫ
Кіріспе
7
1 Электродинамика бойынша жалпы шолу
10
1.1 Электромагниттік индуксия. Электромагниттік индукция заңы 15
2 Тербелмелі контурдағы электромагниттік тербелістер
15
1.3 Жоғары молекулалы көмірсутекті қоспаларды толқындық әдіспен өңдеуді жетілдіріудің жаңа бағыттары ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .
16
1.4 Сұйық ортадағы кавитациялык әсердің физика-химиялық үрдістері ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
18
1.4.1 Көмірсутекті отындардың физика-химиялық қасиеттерін арттыратын кавитациялық технологиялар ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ...
24
1.4.2 Кавитация түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
28
1.5 Кавитацияның мұнай өнеркәсібінде қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
30
2 Мұнай қалдықтарын ультрадыбыстық ыдыратуды зерттеу әдістемелері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
43
2.1 Ультрадыбыстық диспергатордың зертханалық құрылғысының сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
43
2.2 Жеңіл және орташа көмірсутекті фракцияларды алуға арналған зертханалық қондырғы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
46
2.3 Мұнай және мұнай өнімдерінің тығыздығын анықтау әдісі ... ... ... ..
48
2.4 Мұнай және мұнай өнімдерінің тұтқырлығын анықтау ... ... ... ... ... .
50
3 Зерттеу нәтижелері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
53
3.1 Атасу - Алашанкоу мұнай қалдықтарымен Жана-Өзен қамбалық мұнай қалдықтарының реологиялық қасиеттеріне ультрадыбыстық кавитацияның әсерін зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
53
3.2 Жана-Өзен қамбалық мұнай асфальтенінің ыдырауы мен гидрленуін кванттық-химиялық есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
58
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
62
Қолданылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
65
Қосымша ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
69
Кіріспе
Электродинамика бөлімі мектептегі ең қиын бөлімдердің бірі болып табылады олар электрлік, магниттік құбылыстарды, электромагниттік тербелістерді зерттейтін курс және толқындар, толқындық оптика мәселелері және арнайы салыстырмалық элементтерді
. Жалпы білім беру мәселелерін шешу негізінен осыған байланысты бөлімінде қазіргі физиканың негізгі ұғымы енгізілуі тиіс электромагниттік өріс, сонымен қатар физикалық ұғымдар: электр заряды, электромагниттік тербелістер, электромагниттік толқын және оның жылдамдығы. Мұнда электромагниттік толқындардың қасиеттері, олар туралы түсінік беру керек тарату, радиобайланыс, теледидар принциптері бойынша.
Оқушылар негізгі физиканың теориясымен таныстырылады - макроскопиялық электродинамика теориясы, негізгі жасаушысы Дж.К.Максвелл болды.
Электродинамика бөлімін оқу кезінде ойдың кеңеюі және мектеп оқушыларының санасына материя ұғымын тереңдету. Әзірге олар тек оқып келді материяның бір түрі - субстанция. Енді екінші (ерекше) түрің кездестіреді материяның - электромагниттік өріс арқылы олар оның заттан айырмашылығын біледі. Сағат арнайы салыстырмалық теориясының негіздерін қарастыра отырып, оқцшыларды таныстырады кеңістік пен уақыттың физикалық ұғымдары.
Электродинамика бөлімінің логикалық құрылымын қарастырсақ, онда олады ажырату керек: электромагниттік өріс және электр заряды; өріс пен заттың, электрлік және магниттік заттың қасиеттері; ток және электр тізбектерінің заңдылықтарын оқу; STO элементтерімен танысу; электродинамиканың негізгі техникалық қолданылуын көрсету.
Электродинамика-физиканың зарядталған денелер мен бөлшектердің арасындағы өзара әрекетті іске асыратын материяның ерекше түрі электр өрісінің заңдылықтарын және қасиеттерін зерттейтін бөлімі.
Қазіргі кезде жақсы зерттелген, дегенмен әлі де жұмбақ электрлік құбылыстармен үнемі кездесіп отырамыз.Ежелгі заманда янтарьды теріге ысқанда, оның жеңіл заттарды өзіне тарту қасиетін аңғарған. Осы құбылысты ежелгі грек философы Фалес ( шамамен б.з.д. 625-547 жж.) сипаттаған.
Электрлік құбылыстардың табиғатын түсініп білуге кеткен уақыт бірнеше кезеңдерге бөлінеді. Біріншісін, медициналық деп атауға болады.Бұл кезең ХVII ғасырдың ортасында дейін созылған. Осы кезеңде денелерді электрлеудің әр түрлі тәсілдері ашылды, жеңіл нәрселерді тарту қасиетті тек янтарьда ғана емес, шыны, эбонит, фарфорда да болатыны анықталды.Емшілер мен тәуіптер денелердің электрлену қасиетін өз тәжірибелерінде қолдануға тырысты.Электрленген денелердің әрекетімен салыстырғанда сезімтал магниттер ерекше құрметке ие болды.Осы себепті магниттік және электрлік материалдарды бірінші болып сипаттау ағылшын королевасы І Елизаветаның лейб-медигімедицина докторы У. Гильберттің (1544-1603) қаламұшынан шыққаны түсінікті. Ол 1600 жылы өзінің `'Магнит пен магниттік денелер және үлкен магнит Жер туралы'' кітабында ол электрлік деп атаған үйкелісте ерекше күш пайда болатынын көрсеткен.У.Гильберт электрлік зарядты байқауға арналған алғашқы қарапайым құрал- электроскопты құрастырған.
Содан кейін электрлік және магниттік құбылыстарда И.Ньютонның тартылыс теориясына ұқсас түсіндірілетін механикалық кезең басталды. Француз физигі Ш.О.Кулон (1736-1806) осы уақытқа дейін электростатиканың негізгі заңы деп аталатын нүктелік зарядтардың өзара әрекеттесу заңын ашты. Италия физигі Л.Гальвани (1735-1798) бақамен тәжірибелер жүргізіп жануарлардың электрлік қасиетін ашты. Италия физигі А.Вольта (1745-1827) гальвани тогының ұзақ әрекет ететін алғашқы көзі - вольта бағанасын құрастырды.
XVIII ғасырда орыс оқымыстылары М.В.Ломоносов (1711-1765) және Г.В.Рихман (1711-1753) үйде `'жайтартқыш-машина'' құрып, атмосферадағы электрді зерттеді. Тәжірибе кезінде найзағай түсіп Г.В.Рихман қаза тапты. М.В.Ломоносов зерттеулер жүргізіп, электрлік өзара әрекеттесудің сандық негізін құрды.
1826 ж. неміс физигі Г.С.Ом (1787-1854) эксперимент арқылы электр тізбегіндегі ток күші, кернеу және кедергіні байланыстыратын негізгі заңды ашты.
Француздың ұлы физигі А.М.Ампердің электродинамика саласындағы еңбегі өте зор. Ол магнит өрісінің магнит тіліне әрекет күшін анықтайтын ережені тұжырымдады (Ампер ережесі). Ток пен магнит арасындағы өзара әрекеттесуді бақыфлайтын көптеген құралдар жасап шығарады. Электр токтарының өзара әрекет күштерін ашты (Ампер заңы). А.М.Ампер магнитизмнің теориясын құрды.
Атомдардың электрондық қабықшалары шартты түрде қозғалған электрондардың тудыратын шеңберлі электр токтарынан құралады деп қарастыруға болады.
Атомдағы шеңберлі электр токтары магниттік өрісті тудыпуы керек. Электр токтарына сыртқы электр өрісі әсер еткенде, атомдық магниттік өріс бағыттас болса, магниттік өріс күшею немесе атомның өрісі қарсы бағытталса, өріс әлсіреу керек.
Атомдарда магниттік өрістің болуы және заттағы магниттік өрісті өзгерту мүмкіншілігі туралы гипотеза толығынан табиғатқа сай болып шықты. Тәжірибенің көрсетуінше, заттарды оларға сыртқы магниттік өрістің әсеріне қатысты негізгі үш топқа (диамагнетиктер, парамагнетиктер,ферромагнетиктер) бөлуге болады.
1.Электродинамика бойынша жалпы шолу
Электродинамика-физиканың зарядталған денелер мен бөлшектердің арасындағы өзара әрекетті іске асыратын материяның ерекше түрі электр өрісінің заңдылықтарын және қасиеттерін зерттейтін бөлімі.
Қазіргі кезде жақсы зерттелген, дегенмен әлі де жұмбақ электрлік құбылыстармен үнемі кездесіп отырамыз.Ежелгі заманда янтарьды теріге ысқанда, оның жеңіл заттарды өзіне тарту қасиетін аңғарған. Осы құбылысты ежелгі грек философы Фалес ( шамамен б.з.д. 625-547 жж.) сипаттаған.
Электрлік құбылыстардың табиғатын түсініп білуге кеткен уақыт бірнеше кезеңдерге бөлінеді. Біріншісін, медициналық деп атауға болады.Бұл кезең ХVII ғасырдың ортасында дейін созылған. Осы кезеңде денелерді электрлеудің әр түрлі тәсілдері ашылды, жеңіл нәрселерді тарту қасиетті тек янтарьда ғана емес, шыны, эбонит, фарфорда да болатыны анықталды.Емшілер мен тәуіптер денелердің электрлену қасиетін өз тәжірибелерінде қолдануға тырысты.Электрленген денелердің әрекетімен салыстырғанда сезімтал магниттер ерекше құрметке ие болды.Осы себепті магниттік және электрлік материалдарды бірінші болып сипаттау ағылшын королевасы І Елизаветаның лейб-медигімедицина докторы У. Гильберттің (1544-1603) қаламұшынан шыққаны түсінікті. Ол 1600 жылы өзінің `'Магнит пен магниттік денелер және үлкен магнит Жер туралы'' кітабында ол электрлік деп атаған үйкелісте ерекше күш пайда болатынын көрсеткен.У.Гильберт электрлік зарядты байқауға арналған алғашқы қарапайым құрал- электроскопты құрастырған.
Содан кейін электрлік және магниттік құбылыстарда И.Ньютонның тартылыс теориясына ұқсас түсіндірілетін механикалық кезең басталды. Француз физигі Ш.О.Кулон (1736-1806) осы уақытқа дейін электростатиканың негізгі заңы деп аталатын нүктелік зарядтардың өзара әрекеттесу заңын ашты. Италия физигі Л.Гальвани (1735-1798) бақамен тәжірибелер жүргізіп жануарлардың электрлік қасиетін ашты. Италия физигі А.Вольта (1745-1827) гальвани тогының ұзақ әрекет ететін алғашқы көзі - вольта бағанасын құрастырды.
XVIII ғасырда орыс оқымыстылары М.В.Ломоносов (1711-1765) және Г.В.Рихман (1711-1753) үйде `'жайтартқыш-машина'' құрып, атмосферадағы электрді зерттеді. Тәжірибе кезінде найзағай түсіп Г.В.Рихман қаза тапты. М.В.Ломоносов зерттеулер жүргізіп, электрлік өзара әрекеттесудің сандық негізін құрды.
1826 ж. неміс физигі Г.С.Ом (1787-1854) эксперимент арқылы электр тізбегіндегі ток күші, кернеу және кедергіні байланыстыратын негізгі заңды ашты.
Француздың ұлы физигі А.М.Ампердің электродинамика саласындағы еңбегі өте зор. Ол магнит өрісінің магнит тіліне әрекет күшін анықтайтын ережені тұжырымдады (Ампер ережесі). Ток пен магнит арасындағы өзара әрекеттесуді бақыфлайтын көптеген құралдар жасап шығарады. Электр токтарының өзара әрекет күштерін ашты (Ампер заңы). А.М.Ампер магнитизмнің теориясын құрды.
Электрлік құбылыстарды зерттеуде ағылшынның ұлы физигі М.Фарадейдің еңбегі зор.Ол сол кездегі белгілі электр түрлерінің тепе-теңдігін дәлелдеді (`'жануар'', `'электромагнетизм'',термоэлектр,га львани электрі және үйкелістен пайда болатын электр). Электролиттен токтың өтуін зерттеп, электролиз заңдарын, электромагниттік индукция құбылысын ашты.Электр өрісі электрлік өзара әрекеттесуді іске асыратын материяның ерекше түрі-электр өрісі ұғымын енгізді.
Ағылшын физигі Д.К.Максвелл (1831-1879) электромагниттік өріс теориясын құрды.Максвелл өз теориясын электрлік құбылыстардың негізгі заңдылықтарын өрнектейтін теңдеулер жүйесі түрінде тұжырымдады.Ол жылдамдығы жарық жыламдығымен бірдей электромагниттік толқындардың бар екенін болжады.
Электрлік құбылыстарды зерттеген басқа атақты физиктердің де еңбегін атап өту қажет.Орыс физигі Э.Х.Ленц (1804-1865) индукциялық ток бағытын анықтау ережесін және токтың жылулық әрекетінің заңынтағайындады.Токтың жылулық әрекетін Э.Х.Ленцтен тәуелсіз ағылшын физигі.Д.П.Джоуль (1818-1889) ашты.Орыс физигі Б.С.Якоби (1801-1874) жұмыс белдігі (вал), айналмалы электроқозғалтқышты ойлап тапты, бірқатар телеграф аппараттарын құрастырды.
Орыс физигі А.Г.Столетов (1839-1896) заттардың магниттік қасиетін зерттеп, заттардың магниттік қасиетін және олардың магниттелуін өлшейтін бірқатар эксперименттер қойды.Орыс физигі П.Н.Лебедев (1866-1912) асқан шебер экспериментатор ретінде белгілі. Қысқа толқынды 4мм және 6мм-лік электромагниттік толқындар алу және қабылдау комплексін құрды.П.Н.Лебедев жарықтың бетке түсіретін қысымын эксперимент арқылы өлшеп, жарықтың электромагниттік теориясын тәжірибе жүзінде дәлелдеп,
`'Ұлы тәжірибе қоюшы (виртуоз)'' деген атақ алды.Неміс физигі Г.Р.Герц (1857-1894) Максвеллдің теория жүзінде болжаған электромагниттік толқындарын бірінші болып алды. Неміс физигі Г.Р.Кирхгоф (1824-1887) тармақталған электр тізбегіндегі электр тогының өту заңдылығын ашты және өткізгіштердегі ток қозғалысының жалпы теориясын құрды.
Физиканың барлық бөлімдерінің ішінен электродинамика барынша толық зерттелген, оған дәлел электродинамиканың заңдары практикада, техникада кеңінен қолданылады. Қазіргі кезде кванттық электродинамиканың рөлі өте үлкен. Оның теориялық зерттеулері жаңа сезімтал электрондық құрылымдарды, микрочип, микропроцессор сияқты құралдарды жасап шығаруға мүмкіндік берді.
1.1.Электромагниттік индуксия
Электромагниттік индукция заңы
Эрстед ашқан өткізгіштегі токтың магниттік қасиеттерінен кейін ғалымдардың көпшілігі, мысалы, Америка, Фарадей және т.б. осы құбылысты терең жан-жақты зерттеулерін бастады. Әлемдегі көптеген құбылыстардың симметриялы болып келуі, айталық оң мен сол, оң және теріс заряд, солтүстік пен оңтүстік магнит полюстері және т.б. ғалымдарға тура жол сілтегендей болды. Егер өткізгіштегі электр тогы төңірегіндегі кеңістікте магнит өрісін тудыратын болса, онда магнит өрісі де өз кезегінде өткізгіште электр тогын тудыруы тиіс деген сенімде болды ғалымдар. Эрстед ашқан жаңалықтан 12 жыл өткеннен кейін М.Фарадей арманына жетіп,ғылыми әлемді дүрліктіріп қана қоймай, адамзат қоғамының бұдан әрі дамуының өзегіне айналған электромагниттік индукция құбылысын ашты. К.Максвелл Фарадейдің ашқан жаңалығын математикалық теңдеулерге айналдырып, біріккен өріс теориясын, яғни электромагниттік өріс теориясын жасады да, ал оған іле-шала дерлік неміс ғалымы Г.Герц Максвеллдің эектромагниттік толқындар жайлы гипотезасын тәжірибе жүзінде дәлелдеп, электромагниттік толқындарды алды.
Енді М.Фарадейдің тәжірибелеріне тоқтала кетейік. Оның біреуі соншалықты қарапайым, оны кез келген мектеп зертханасында, тіптен үй жағдайында да жасауға болады. Олүшін тұрақты магнит, сезгіш гальванометр, катушка (соленоид) немесе жай ғана контур керек.Контурдың ұштары гальванометрге жалғанады (11.1-сурет). Егер магнитті контурға сұқсақ, не одан суырсақ, онда гальванометрдің тілі қозғалысқа келеді, яғни ток пайда болады. Ал егер магнит тыныштықта тұрса, онда токтың ешқандай белгісі жоқ. Неліктен осындай қарапайым көрінетін құбылысты байқау үшін, тіпті Фарадей тәрізді асқан дарынның өзіне 12 жылдай уақыт қажет болады екен. Бар мәселе өлшеу аспаптарында еді. Фарадейдің де, басқа ғалымдардың да қолында осы заманғы сезгіш әрі дәл өлшейтін құралдары болған жоқ.
Фарадей заманында пайда болған токты бақылау, өлшеу үшін тангенс-гальванометрді пайдаланған. Тангенс-галванометрдің жұмыс істеу принципі Эрстед ашқан магнит өрісінің магнит тіліне әрекет етуіне негізделген.
11.1-сурет 11.2-сурет
Токты осылайша өлшеу СГСМ жүйесінің құрылуына негіз болды, бұл жүйеде сантиметр (см), грамм (г), секунд (с), токтың магниттік күші алынады. Тангенс-гальванометр- мыс сымнан жасалған, N орамдары бар , радиусы R болатын дөңгелек өткізгіш (11,2-сурет). Дөңгелектің центрінде (радиуспен салыстырғанда) магнит тілі орналасқан. Ток жоқ кезде магнит тілі меридиан (Жердің магнит өрісінің) жазықтығынды орналасады, міне осы жазықтыққа дөңгелек токтың жазықтығын да орналастырады.
11.3-сурет
Тангенс-гальванметрдің орамы арқылы ток жібергенде магнит тілі қайсыбір бұрықа бұрылады.Осы бұрыштың тангенсі бойынша Жердің магнит өрісінің индукциясын біле отырып, өткізгіштегі ток күшін табуға болады.Сондықтан жолақ магниттің тангенс-гальванометрдің магнит тіліне әрекетін болдырмау үшін оны контурға ұзын сымдармен қосып, басқа бөлмеге апарып қояды. Магнит контурға қатысты қозғалғанда өткізгіште индукция тогының пайда болатынын тұңғыш рет Фарадей байқады. Бұл 1831 жылы еді. Фарадей осы жылы индукциялық токтың өзін тудыратын себепке тәуелділігін тағайындады. Қайта қойылған тәжірибелердің негізінде ашылған жаңа құбылыстың мәнін ашатын негізгі үш жағдайды бөліп көрсетейік.
1.Катушкаға магнитті енгізгенде және оны суырып алғанда гальванометр тілі ауытқиды (11.1 және 11.3-суреттер). Магнитті сұғу және суыру кезіндегі тілдің қозғалыс бағыты қарама-қарсы. Бұл индукция тогының бағыты өзгереді деген сөз. Тілдің ауытқуы магнитті енгізу және шығару жылдамдығы неғұрлым көп болса, соғұрлым үлкен (11.4,а,ә,б-суреттер). Сонымен қатар ток күшінің кіретін және шығатын магниттер санына тура пропорционал болатыны да анықталды. (11.4-сурет). Егер магнитті катушкаға (контурға) баяу енгізсек, онда ток күші магнитті кенеттен енгізгенге қарағанда аз болады.(11.4, ә- сурет).
11.4-сурет
Тәжірибелердің тағы бір сериясы жүргізілді. Жолақ магнитті тогы бар катушкамен алмастырсақ және бірінші катущканың ұштарын гальванометрге жалғап, екінші катушка арқылы ток жіберсек, онда токты қосып-ажыратқанда және реостат арқылы ток күшін арттырып-азайтқанда, гальванометрдің тілі ауытқиды (11,5-сурет). Токты қосқанда және ажыратқанда, катушкаларды жақындатқанда гальванометрдің тілі бір жаққа, ал токты ағытқан кезде немесе азайтқан кезде немесе катушкаларды бір-бірінен алыстатқанда ол басқа жаққа ауытқиды.
Егер деформация арқылы катушканың көлемін өзгертсе, онда токтың пайда болатыны тағайындалған. Ал контур біртекті магнит өрісінде индукция сызықтары оның жазықтығына перпендикуляр болатындай етіп ауыстырса, онда гальванометр токты көрсетпейді (11,6-сурет). Егер контурды осы өрісте айналдырсақ, онда гальванометр токтың бар екенін көрсетеді әрі токтың бағыты айналу бағытына тәуелді болады.
Осы тәжірибелерден:
1. Контурда оны тесіп өтетін магнит өрісі индукция векторының ағыны уақыт бойынша өзгеретін кездеғана индукцияның ЭҚК-і пайда болады, яғни .
2. Индукциялық токтың шамасы контурды тесіп өтетін магнит ағынының өзгеріс жылдамдығы, яғни шамасына тәуелді.
3. Өткізгіш магнит өрісінің күш сызықтарын қиып өткенде контурда индукциялық ток пайда болады. Бұл тәжірибелерді жоққа шығармайды. Шынында, контурдың элементтері (11,6-суретте, 1,2 элементтер) магнит өрісінің күш сызықтарын қиып өтсе, онда сол қол ережесі бойынша 1-элементте сағат тілі бағытымен бағыттас, ал 2-элементте сағат тілі бағытына қарама-қарсы бағытта жүретін ток пайда болады. Нәтижесінде қорытқы ток шамасы нөлге айналады. Бірақ басқа тәжірибелердің нәтижесіне сәйкес берілген тұйық контурды тесіп өтетін магнит ағынының өзгерісі нөлге тең.
11.5-сурет 11.6-сурет
11.7-сурет 11.8-сурет
Магнит өрісінің сыртына шығатындай ұзын, жұмсақ сыммен өткізгішті тұйықтайық. Магнит өрісінің күш сызықтарын кесіп өтетіндей етіп өткізгішті магнит өрісінде қозғалтсақ, гальванометр токтың пайда болғанын тіркейді (11.7-сурет).
Өткізгіш жылдамдығының бағытын қарама-қарсы бағытқа өзгертсек, токтың бағыты да қарама-қарсы бағытқа өзгереді. Егер өткізгішті магнит өрісінің күш сызықтары бойымен "сырғытсақ", онда гальваномерт токты көрсетпейді (11.8-сурет). Себебі Лоренц күшті немесе жағдайында нөлге тең, мұндағы - және векторларының арасындағы бұрыш, ал өткізгіш ішінде зарядталған бөлшектердің бағытталған қозғалысы жоқ.
Өз тәжірибелерін жалпылай отырып, Фарадей мынадай қорытындыға келді: контурда пайда болатын индукцияның ЭҚК-і контурды тесіп өтетін магнит өрісіне тура пропорционал:
k пропорционалдық коэффициентінің мәні магнит ағынының өлшем бірлігін таңдап алғанға тәуелді. Егер ол бірге тең деп қабылдаса, ал вольтпен, уақыт секундпен алынса, онда магнит ағынының бір секундтағы өзгерісі өзі орайтын өткізгішке бір вольтқа тең ЭҚК-ін туғызу керек. SI жүйесінде ондай ағын 1Вб-ге (Вебер) сәйкес.
2 Тербелмелі контурдағы электромагниттік тербелістер
Электромагниттік тербелістерді алу үшін индуктивтігі L катушкамен тұйықталған сыйымдылығы С зарядталған конденсетордан тұратын тізбек пайдаланылады. Осындай электр тізбегі тербелмелі контур деп аталады. Тербелмелі контурда пайда болатын электромагниттік тербелістердің негізгі заңдылықтарын тағайындау үщін катушка мен жалғастырушы сымдардың электр кедергісі нөлге тең идеал тербелмелі контурды қарастырайық (1.1-сурет).
Алдымен, конденсаторды тұрақты ток көзіне қосып, зарядтап алайық (1.2-суретте кілт 1-жағдайда). Сонда конденсатордың астарларында заряд жинақталып, онда энергиясы электр өрісі пайда болады. Енді кілтті 2-жағдайға әкеліп, зарядталған конденсаторды катушкамен тұйықтайық (1.2-сурет, 2-жағдай).
1.1-сурет 1.2-сурет
1.3-сурет
Катушка арқылы ток жүріп, конденсатор разрядтала бастайды (1.3, а-сурет). Токтың өсуімен катушкадағы магнит өрісінің индукциясы да артады, сондықтан контурда өздік индукция электр қозғаушы күші пайда болады. Ленц ережесі бойынша, өздік индукция тогы контурда өсіп келе жатқан конденсатордың разрядталу тогына қарама-қарсы бағытталады (1.3, ә-сурет). Бұл разрядталу тогының өсу жылдамдығын азайтады. 1.4-суретте разрядталу тогының уақытқа тәуелділік графигі кескінделген. Ток күші артқан сайын катушкадағы магнит өрісінің энергиясы артады, ал конденсатордың электр өрісінің энергиясы кемиді. Контурдағы электромагниттік өрістің толық энергиясы тұрақты болып қалады, мұндағы і- ток күшінің илездік мәні.
Конденсатор разрядталғанда ток күшінің және оған сәйкес магнит өрісі индукциясының өсуі де баяулайды. Конденсатор толық разрядталған мезетте өздік индукция электр қозғаушы күші (ЭҚК) нөлге айналады, ал ток күші мен магнит өрісінің индукциясы ең үлкен мәніне ие болады. Бұл мезетке 1.3, б-сурет және 1.4-суреттегі 1-нүкте сәйкес келеді. Осы кезде магнит өрісінің энергиясы максимал, ал электр өрісінің энергиясы нөлге тең, мұндағы - ток күшінің амплитудасы.
Бұдан соң ток күші және онымен бірге катушканың магнит өрісі кеми бастайды да, контурда өздік индукция электр қозғаушы күші пайда болады. Өздік индукция тогы контурдағы токпен бағыттас, себебі Ленц ережесі бойынша ол азайып келе жатқан токты күшейтеді (1.3, в-сурет және 1.4-суретегі 1-2 бөлік).
1.4-сурет
Конденсатор қайта зарядтала бастайды. Ток күшінің азаюы артады, оған сәйкес өздік индукция ЭҚК-і өседі де, ток күші нөлге тең болған мезетте электр қозғаушы күші максимал мәнге ие болады. (1.3, г-сурет және 1,4-суреттегі 2-нүкте) Конденсатор толық зарядталып, оның энергиясы ең үлкен мәніне жетеді, алмагнит өрісінің энергиясы нөлге айналады.
Міне, біз сапалық жағынан электромагниттік тербелістердің жарты периодын сипаттап өттік.
Бұдан соң процесс кері бағытта қайталанып, тағы жарты период өткенде жүйе алғашқы күйге қайтып оралады (1.4-суреттегі 4-нүкте).
Электромагниттік тербелістер кезінде контурда электр өрісінің энергиясы магнит өрісінің энергиясына және керісінше периодты түрде айналып отырады.
Идеал тербелмелі контурда энергия шығыны болмайды, сондықтан тербелістер өшпейді. Толық энергия сақталады және кез келген мезетте ол мынаған тең:
яғни
Бірақ, шын мәнінде , сондықтан өткізгіштер қызып энергия шығыны болады. Біртіндеп электромагниттік тербелістердің энергиясы катушка мен жалғастырғыш сымдардың ішкі энергиясына айналады да, тербелістер өшеді.
Тербелмелі контур кез келген радиобайланыс қондырғысының ең маңызды бөлігі болып табылады. Ол радиотехникалық құралдың резонанстық жүйесі ретінде қолданылады.
Жоғары жиілікті генераторларда (§1.6) тербелмелі контур электромагниттік тербелістердің көзі болып табылады.
Оптикалық диапазондағы электромагниттік тербелістер радиобайланыс, радиолокация және радионавигация салаларында кеңінен қолданылып отыр.
2.1. Еркін электромагниттік тербелістерді сипаттайтын теңдеу
Біз қарастырған тербелмелі контурда электромагниттік тербелістер алу үшін алғашқы уақыт мезетінде конденсаторға заряд берілді де, бұдан соң жүйеге сырттан ешқандай әрекет болған жоқ. Сыртқы әрекет жоқ кезде тербелмелі контурда пайда болатын электромагниттік тербелістерді еркін тербелістер деп атайды.
Идеал тербелмелі контурдағы (R=0) еркін электромагниттік тербелістердің теңдеуін қорытып шығарайық. §1.1-та көрсетілгендей, идеал тербелмелі контурда толық электромагниттік энергия сақталады, яғни
Осы өрнектен уақыт бойынша туынды алайық. Тұрақты шаманың туындысы нөлге тең болғандықтан,
Кез келген шаманың уақыт бойынша туындысы оның өзгеріс жылдамдығын анықтайды. Олай болса, соңғы өрнектен магнит өрісі энергиясының өсу жылдамдығы электр өрісі энергиясының кему жылдамдығына тең екенін көреміз.
Ток күшінің анықтамасынан , олай болса
бұдан
(1.1)
Ток күшінің уақыт бойынша туындысын табайық:
, сонғы өрнекті (1.1)-ге қойсақ,
немесе
(1.2)
аламыз. (1.2) өрнегі конденсатордың астарларындағы заряд тербелістерінің дифференциалдық теңдеуі болып табылады.
Енді бізге осы теңдеуді шешіп, зарядтың уақытқа тәуелділік теңдеуін анықтау керек. Ол үшін мынадай белгілеу енгізейік:
(1.3)
Сонда (1.2) теңдеуі
(1.4)
түріне енеді. (1.2) немесе (1.4) теңдеулерінен зарядтың уақыт бойынша екінші туындысы кері таңбамен алынған зарядтың өзіне тура пропорционал екенін көреміз. Математика курсынан мұндай қасиет тек синус немесе косинус функциясына ғана тән екені белгілі. Бұдан конденсатордың астарларындағы заряд уақытқа тәуелді синус не косинус заңымен өзгереді деген қорытынды жасауға болады. Конденсатордың акстарларындағы зарядтың максимал мәні , ал косинус пен синус функцияларының қабылдайтын ең үлкен мәні бірге тең екенін ескерсек, (1.4) теңдеудің шешімі мен косинустың (немесе синустың) көбейтіндісі түрінде жазылуы керек.
Енді косинустың аргументін анықтайтың. Аргумент тек уақытқа ғана тең деп алсақ,
бұдан
яғни
Мұны (1.4) - пен салыстырсақ, -тың формулаға кірмей қалғаның көреміз. Осы көбейткішті аргументке енгізіп, теңдеуді
(1.5)
түрінде жазсақ,
немесе
шығады. Сонымен (1.4) өрнегін алдық. Олай болса (1.5) өрнегі (1.4) теңдеуінің шешімі болып табылады. Косинус функциясының орнына синусты алсақ та осындай нәтиже шығады.
Сонымен, тербелмелі контурда конденсатордың астарларындағы заряд шамасы уақытқа тәуелді косинус (синус) заңы бойынша өзгереді. Бұл тәуелділіктің математикалық өрнегі:
Жалпы жағдайда бұл теңдеу
(1.6)
түрінде жазылады. Мұндағы бастапқы фаза деп аталады. Ол ұғыммен келесі параграфта танысасындар.
Физикалық шаманың ең үлкен мәнінің модулі тербеліс амплитудасы деп аталады. Механикалық тербелістерде амплитуда дененің тепе-теңдік күйінен ең үлкен ауытқуына, ал электромагниттік тербелістерде конденсатор астарларындағы электр зарядының ең үлкен мәніне () тең. Амплитуда тербелістің бастапқы шарттарына тәуелді.
Тербелістегі физикалық шаманың мәні қайталанып келетін ең аз уақыт аралығын Т тербеліс периоды деп атайды. Осыған парапар мынадай анықтама беруге болады: тербелмелі жүйенің толық бір тербеліс жасауына кеткен уақыт тербеліс периоды деп аталады. Бұл екі анықтамадан тербеліс периоды SI жүйесіне секундпен өлшенетінін көреміз.
Периодпен тағы бір маңызды шама- тербеліс жиілігі v бірмәнді байланысқан. Тербеліс жиілігі деп бірлік уақыт ішіндегі тербеліс санына тең шаманы айтады. Тербеліс периоды мен жиілігінің арасындағы байланыс:
(1.7)
SI жүйесіндегі жиіліктің өлшем бірлігі неміс физигі Г.Герцтің құрметіне 1Гц (герц) деп аталады. Егер бір секундта бір тербеліс жасалса, жиілік 1Гц-ке тең болады, яғни
(1.5) теңдеуден конденсатор астарларындағы зарядтың тербеліс периоды косинустың периодымен анықталатыны көрініп тұр. Математика курсынан косинустың ең кіші периоды 2PI екенін білеміз. Олай болса, t=T уақыт өткенде косинустың аргументі мәнін қабылдайды. Бұдан
(1.8)
Мұндағы 2PI секундтағы тербеліс санына тең шамасын, яғни меншікті циклдік жиілікті (дөңгелек жиілік)( (1.3) өрнегінен анықтаймыз:
(1.9)
Меншікті циклдік жиілік тербелмелі контурдың парамертлері индуктивтік және сыйымдылық арқылы сипатталады.
(1.9)-ды ескеріп (1.8) өрнегінен
(1.10)
аламыз. Бұдан идеал тербелмелі контурдағы еркін тербелістердің периодын анықтайтын Томсон формуласы. Формуладан контурдың индуктивтігі мен сыйымдылығы артқан сайын тербеліс пермодының да артатыны көрініп тұр. Оның себебі индуктивтік неғұрлым үлкен болса, контурдағы ток күші соғұрлым баяу өзгереді, ал сыйымдылық неғұрлым үлкен болса, конденсатордың қайта зарядталуы соғұрлым ұзақ уақытқа созылады.
Тербелмелі контурдағы электромагниттік тербелістердің пероиды секундтың мыңдық бөлігінен миллиондық бөлігіне дейінгі мәндерге ие болатын өте аз шама, соған сәйкес жиілік (бірнеше миллион герц) өте үлкен шама. Сонымен, тербелмелі контурда жоғары жиіліктегі электромагниттік тербелістер өндіріледі.
(1.6) теңдеуіне сәйкес заряд тербелістерінің амплитудасы уақыттың өтуімен өзгермейді, яғни тербелістер өшпейтін тербелістер. Бірақ кез келген нақты тербелмелі контурдағы тербелістер өшеді. Себебі (1.6) теңдеуін қорытып шығарғанда контурдың кедергісі ескерілмеді.
Ал, шындығында R!=0. Кедергі неғұрлым үлкен болса, энергия шығыны соғұрлым көп. Тербеліс энергиясы біртіндеп жылу эненргиясына айналып, тербеліс периоды да артады. Анығырақ айтқанда, өшетін тербелістер гармоникалық болмайды.
Тербеліс фазасы деп (1.6) теңдеудегі косинустың (немесе синустың) аргументін айтады. Ол тербелістегі шаманың берілген уақыт мезетіндегі сандық мәнін дәл анықтауға мүмкіндік береді. Фаза- периодтың үлесімен өрнектелген уақыттың бұрыштық өлшемі болып табылады:
Бұл күрделі ұғымды келесі параграфта кеңінен қарастырамыз.
2.2. Механикалық және электромагниттік тербелістер арасындағы ұқсастық
Тербелмелі контурда электромагниттік тербелістер жүрген кезде конденсатор арасындағы q заряд және контурдағы ток күші периодты түрде өзгеріп отырады. Енді серіппелі (физикалық) маятниктің тербелістерін еске түсірейік. Онда дененің х координатасы мен υ жылдамдығы периодты өзгеріске ұшырайды. Бұл екі жағдайдағы периодты өзгерістерге түсетін шамалардың физикалық табиғаты әртүрлі, ал тербелістердің теңдеулері, математикалық тұрғыдан алғанда, бірдей. Сондықтан механикалық тербелістер мен электромагниттік тербелістерді салыстырып, олардың арасындағы сәйкестікті (ұқсастықты) айқындаудың пайдасы зор.
Серіппелі маятниктің тепе-теңдік күйіне оның ең аз потенциалдық энергиямен сипатталатын деформацияланбаған күйі х=0 сәйкес келеді. Инерция салдарынан жүк бұл тепе-теңдік күйден өздігінен өтіп кетеді.
Тербелмелі контурдың мұндай орнықты күйі конденсатор зарядталмаған
q=0 мезетке сәйкес келеді, бұл кезде электр өрісінің энергиясы . Тербелмелі контур бұл күйден өздік индукцияның салдарынан өздігінен өтіп кетеді.
1.5-сурет
Механикалық тербелмелі жүйеде жүктің тепе-теңдік күйден ауытқуы тербелмелі контурдығы конденсатордың зарялталуына ұқсас болады. Бұл кезде серіппелі маятникке потенциялдық энергия, ал конденсаторға электр өрісінің энергиясы беріледі (1.5, а-сурет). Екі формуланың жазылу түрі бірдей: механикалық тербелістерде коэффициенті тұр, ал кондинатасы зарядка ссәйкес келеді. Дененің тепе-теңдік күйге қарай қозғалуы контурда электр тогының пайда болуына ұқсас. Дененің жылдамдығы инерцияның әсерінен біртіндеп артатыны сияқты контурдағы ток күші өздік индукция құбылысы салдарынан біртіндеп артады.
Периодтың төрттен бірі өткенде, яғни мезетте жүк тепе-теңдік күйге оралады ал конденсатор толық зарядталады және катушкадағы ток күші максимал мәніне жетеді (1.5, ә-сурет).
Бұл кезде маятниктің потенциялдық энергиясы , ал кинетикалық энергиясы максимал. Осыған ұқсас тербелмелі контурда электр өрісінің энергиясы ал магнит өрісінің энергиясы максимал. Соңғы екі формуланы салыстыра отырып, механикалық тербелістердегі m масса электромагниттік тербелістердегі L индуктивтікке сәйкес екенін көреміз. Жүктің υ жылдамдығы мен і ток күші бір-біріне сәйкес келеді.
Жүк бұдан соң өзінің инерциясымен серіппені сығып, солға қарай жылжиды, ал катушкадағы ток электрондарды конденсатордың зарядталмаған бір астарынан екінші астарына қарай "айдайды". Серіппе сығылады, конденсатор қайта зарядталады.
мезетте жүк өзінің сол жақтағы ең шеткі орнына жетіп тоқтайды, ал конденсатор осы сәтте толық зарядталып болады (1.5, б-сурет), контурдағы ток күші нөлге тең.
Енді жүк серпімділік күшінің әрекетінен оңға қарай қозғала бастайды, ал конденсатор өзінің астарларының арасындағы потенциалдар айырымының әсерінен разрядтала бастайды. Периодтың төрттен үш бөлігі өткенде, яғни мезетте жүк тағы максимал жылдамдықпен тепе-теңдік күйден өтеді; конденсатор толық зарядталған, тізбектегі ток максимал (1.5, в-сурет). Ақырында, t=T болғанда, екі жүйе де бастапқы күйлеріне қайта оралады (1.5, г-сурет).
Сонымен екі жүйедегі (серіппелі маятник пен тербелмелі контур) тербелістер бірдей жүреді, бірақ тербеліске түсетін шамалардың табиғаты әртүрлі. Бұл жерде қандай шаманың тербеліске түсетіні емес, олардың қалай, қандай заңдылықпен тербелетіні маңызды. Тербеліс заңы екі жағдайда да бірдей.
Электромагниттік және механикалық тербелістердің арасындағы сәйкестігі айқындаудың тербелмелі процестерді тереңірек түсінуге көмегін тигізуімен қатар практикалық маңызы да бар. Механикалық және электрлік шамалар арасындағы ұқсастықтарға сәйкес кейбір күрделі механикалық тербелмелі жүйелерді электрлік жүйемен (тербелмелі контурмен) модельдеуге болады. Ал мұның өзі қайсыбір күрделі есептерді шешуге көмегін тигізеді.
Төмендегі 1-кестеде механикалық және электромагниттік тербелістерді сипаттайтын аналогиялық шамалар келтірілген.
1-кесте
Тербелмелі процестер кезіндегі электр және механикалық шамалардың арасындағы сәйкестік
Механикалық тербелістердің
Электромагниттік тербелістер
Координата х
Амплитуда А
Жылдамдығы
Үдеу
Масса m
Серіппенің қатаңдығы k
Күш Ғ
Потенциалдық энергия
Кинетикалық энергия
Электр заряды q
Максимал заряд
Ток күші
Ток күшінің өзгеру жылдамдығы
Индуктивтік L
Сыйымдылыққа кері шама
Кернеу U
Электр өрісінің энергиясы
Мангит өрісінің энергиясы
3.Мектеп курсында электродинамиканы оқу әдісі
Мектептің физика курсында электродинамика бөлімі мен бөлім құрылымы
Электродинамика бөлімі мектептегі ең қиын бөлімдердің бірі болып табылады олар электрлік, магниттік құбылыстарды, электромагниттік тербелістерді зерттейтін курс және толқындар, толқындық оптика мәселелері және арнайы салыстырмалық элементтерді
. Жалпы білім беру мәселелерін шешу негізінен осыған байланысты бөлімінде қазіргі физиканың негізгі ұғымы енгізілуі тиіс электромагниттік өріс, сонымен қатар физикалық ұғымдар: электр заряды, электромагниттік тербелістер, электромагниттік толқын және оның жылдамдығы. Мұнда электромагниттік толқындардың қасиеттері, олар туралы түсінік беру керек тарату, радиобайланыс, теледидар принциптері бойынша.
Оқушылар негізгі физиканың теориясымен таныстырылады - макроскопиялық электродинамика теориясы, негізгі жасаушысы Дж.К.Максвелл болды.
Электродинамика бөлімін оқу кезінде ойдың кеңеюі және мектеп оқушыларының санасына материя ұғымын тереңдету. Әзірге олар тек оқып келді материяның бір түрі - субстанция. Енді екінші (ерекше) түрің кездестіреді материяның - электромагниттік өріс арқылы олар оның заттан айырмашылығын біледі. Сағат арнайы салыстырмалық теориясының негіздерін қарастыра отырып, оқцшыларды таныстырады кеңістік пен уақыттың физикалық ұғымдары.
Электродинамика бөлімінің логикалық құрылымын қарастырсақ, онда олады ажырату керек: электромагниттік өріс және электр заряды; өріс пен заттың, электрлік және магниттік заттың қасиеттері; ток және электр тізбектерінің заңдылықтарын оқу; STO элементтерімен танысу; электродинамиканың негізгі техникалық қолданылуын көрсету.
3.1.Бөлім ретіндегі электродинамика ерекшеліктері
Физика ғылымы
Классикалық механика ұзақ әсер ету және бейнелеу принципінен шықты
осы әрекетті лезде тасымалдау туралы. Электромагниттік жағдайда өзара әрекеттесу ғылымның дамуы көрсеткендей принциптен шығу қажет әрекетті берудің соңғы жылдамдығын ескере отырып, қысқа қашықтықты. Егер ұзақ әсер ету принципі дұрыс болды, содан кейін электромагнетизмде негізгі электр заряды q.
Шын мәнінде, электромагниттік ұғымсыз өріс (электр заряды q түсінігімен бірге) электродинамика жоқ.Электродинамика үшін осы маңызды сұрақтарды шешу маңызды рөлді атқарған М.Фарадей , ал анықтаушы Дж.К.Максвелл жұмысы.
Электродинамикада әртүрлі күштер қарастырылады:
1) Вакуум үшін тыныштықтағы зарядтардың әрекеттесуін сипаттайтын күштер.
Олардың арасындағы қашықтыққа байланысты орталық болып табылады
өзара әрекеттесетін зарядтар және ол жылдамдыққа тәуелді емес.
2) Ток пен магниттік иненің өзара әрекеттесу күші (Оерстед тәжірибесі) мынаған сәйкес әрекет етеді:оларды қосатын сызық олардың арасындағы қашықтыққа ғана байланысты емес сонымен қатар ток күші, бұл өз кезегінде зарядталған бөлшектер мен зарядтың қозғалыс жылдамдығы .
3) Тогы бар екі параллель өткізгіштер арасында пайда болатын күштер орталық болып табылмайды. Олар өткізгіштердегі ток күшіне пропорционалды (демек заряд) және оның қозғалыс жылдамдығы және арасындағы қашықтыққа кері пропорционал.
4) Магнит өрісінен қозғалатын зарядқа әсер ететін күш. Ол заряд жылдамдығына байланысты, бірақ орталық емес.
Барлық жағдайларда біз қандай да бір жүйеге қатысты бөлшектердің жылдамдығы туралы айтамыз бұл электродинамикада ескерілетін нәрсе. Электродинамикада қашықтыққа ғана емес, жылдамдыққа да тәуелді күштерді жүйедегі зарядтардың қозғалысына қарастырыңыз.Ньютонмеханикасындағы күштер қарастырылмады.
Бұл ерекшеліктер негізінен электромагниттік өзара әрекеттестігі ерекше, оларды түсіндіру үшін қысқа қашықтықта әрекет берудің соңғы жылдамдығын ескереді.
3.2.Бөлім ретіндегі электродинамика ерекшеліктері
Мектептің физика курсында
Физиканы оқытуда жетекші рөл физикалық экспериментке беріледі.
Электродинамика бөлімі де ерекшелік емес. Ең алдымен бұл келесі тәжірибелер:1) Кулон әсерлесу күшінің тәуелділігін анықтау осы екі электр зарядтардың модулінің зарядтары және олардың арасындағы қашықтық;2) Эрстед магнитті инеге электр тогының әсерін анықтау;3) Ампер бойынша
параллель токтардың өзара ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Академик Е.А. Бөкетов атындағы
Қарағанды мемлекеттік университеті
Лесбек Е.Е.
Электродинамика бөлімін оқытуда жаңа педагогикалық технологияларды қолдану
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В071700 - Физика-информатика мамандығы
Қарағанды 2022
Академик Е.А. Бөкетов атындағы
Қарағанды мемлекеттік университеті
Қорғауға жіберілді
профессор Ж.С. Ақылбаев
атындағы инженерлік
жылу физикасы
кафедрасының меңгерушісі
____________К.М. Шаймерденова
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: Электродинамика бөлімін оқытуда жаңа педагогикалық технологияларды қолдану
5В071700 - Физика-информатика мамандығы
Орындаған: Е.Е. Лесбек
Ғылыми жетекшісі,
х.ғ.к., доцент Х.Есенболды
Қарағанды 2022
Академик Е.А. Бөкетов атындағы Қарағанды мемлекеттік университеті
Физика-техникалық факультеті
5В071700- Физика информатика мамандығы
Профессор Ақылбаев Ж.С. атындағы
инженерлік жылу физикасы кафедрасы
Бекітемін
Кафедра меңгерушісі
__________К.М. Шаймерденова
19 Қыркүйек 2020 ж
Дипломдық жұмысты жобаны орындауға
ТАПСЫРМА
Студент Лесбек Еркебұлан Есжанұлы
аты- жөні
2 курс, ФиИ-410 тобы, 5В071700 - Физика информатика мамандығы, күндізгі оқу бөлімі.
1. Дипломдық жұмыстың тақырыбы Электродинамика бөлімін оқытуда жаңа педагогикалық технологияларды қолдану 19 Қыркүйек 2021 ж. № _________ бұйрықпен бекітілді.
2. Студенттің аяқталған жұмысты тапсыру мерзімі 30.04. 2022ж.
3. Жұмысқа бастапқы мәліметтер (заңдар, әдеби көздер, мәліметтер): Мектеп оқулықтары 7,8,9,10,11 сынып оқулықтары.
4. Дипломдық жұмыста өңдеуге жататын мәселелер тізімі электродинамика бөлімін қарастыру.
5. Графикалық материалдар тізімі (сызбалар, кестелер, диаграммалар және т.б.) жұмыс бөлігінің суреті, графиктер мен кестелер.
6.Негізгі ұсынылатын әдебиеттер тізімі: 1. С.Тұяқбаев, Б.Кронгарт, В.Кем, В.Загайнова-Жалпы білім беретін мектептің жаралытылыстану-Ф49 математика бағытындағы 11-сыныбына арналған оқулық С.Тұяқьаев, Ш.Насохова, Б.Кронгарт, т.б.- Өңд. 2-бас. - Алматы; Мектеп, 2011. - 400 б,. сур. 2. Кронгарт Б.А., т.б. Физика. Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану- математика бағытындағы 10- сыныбына арналған оқулық Б.Кронгарт, В.Кем, Н.Қойшыбаев. - Өнд., толықт, 3-бас. Алматы; Мектеп, 2014 - 400 б., сур. 3. Закирова Н.А. ж.б. Физика. Жалпы білім беретін мектептің 8-сыныбына арналған оқулық Н.А.Закирова, Р.Р.Аширов - Астана; "Арман- ПВ" баспасы, 2018. - 304 б. 4. Закирова Н.А., Аширов Р.Р. Физика; жалпы білім беретін мектептің 11-сыныбының жаратылыстану- математика бағытына арналған оқулық. Н.А.Закирова, Р.Р.Аширов.- Нұр- Сұлтан; "Арман- ПВ" баспасы, 2020. - 336 б.
7. Жұмыс бойынша консультациялар (оларға қатысты жұмыс бөлімдерін көрсетумен)
Бөлімнің, тараудың нөмірі, атауы
Ғылыми жетекші, кеңесші
Тапсырма-ны алу мерзімдері
Тапсыр-маны берді
(қолы)
Тапсыр-маны қа-былдады (қолы)
1 Электродинамика бөлімін оқытуда жаңа педагогикалық технологияларды қолдану.
Хуанбай Есенболды
13.11.2019ж
2 Мектеп оқулықтарына электродинамика бөлімін тауып оқып танысу.
Хуанбай Есенболды
13.01.2020ж
3 Жаңа педагогикалық әдістерді зерттеу.
Хуанбай Есенболды
14.03.2020ж
8. Дипломдық жұмысты (жобаны) орындау кестесі
№
Жұмыстың кезеңдері
Жұмыс кезеңдерін орындау мерзімдері
Ескерту
1
Дипломдық жоба тақырыбын бекіту
19.09.2021 ж.
2
Дипломдық жобаны дайындау үшін материалдар жинау
28.10.2021 ж. - 11.11.2021 ж.
3
дипломдық жұмыстың (жобаның) теориялық бөлімін дайындау
Мұнай қалдықтарын өңдеу бойынша зерттеудің қазіргі жағдайы
13.11.2021 ж. -12.01.2022 ж.
4
дипломдық жұмыстың (жобаның) сараптамалық бөлімін дайындау
13.01.2021ж. - 15.03.2022ж.
5
Дипломдық жұмыстың (жобаның) толық мәтінінің жобалық нұсқасын аяқтау
16.03.2021ж.-30.03.2022ж.
6
Дипломдық жұмысты (жобаның) алдын-ала қорғауға ұсыну
04.04.2022ж.
7
Дипломдық жұмысты(жобаның) сын-пікірге ұсыну
06.04.2022ж.
8
Дипломдық жұмыстың (жобаның) ғылыми жетекшінің пікірімен және сын-пікірмен соңғы нұсқасын тапсыру
30.04.2022ж.
9
Дипломдық жұмысты (жобаның) қорғау
Тапсырманың берілген күні: 21.10.2021ж
Ғылыми жетекші х.ғ.к., доцент Х.Есенболды
қолы аты-жөні, ғылыми атағы, қызметі
Тапсырманы қабылдады: студент Е.Е. Лесбек
қолы
МАЗМҰНЫ
Кіріспе
7
1 Электродинамика бойынша жалпы шолу
10
1.1 Электромагниттік индуксия. Электромагниттік индукция заңы 15
2 Тербелмелі контурдағы электромагниттік тербелістер
15
1.3 Жоғары молекулалы көмірсутекті қоспаларды толқындық әдіспен өңдеуді жетілдіріудің жаңа бағыттары ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .
16
1.4 Сұйық ортадағы кавитациялык әсердің физика-химиялық үрдістері ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
18
1.4.1 Көмірсутекті отындардың физика-химиялық қасиеттерін арттыратын кавитациялық технологиялар ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ...
24
1.4.2 Кавитация түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
28
1.5 Кавитацияның мұнай өнеркәсібінде қолдану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
30
2 Мұнай қалдықтарын ультрадыбыстық ыдыратуды зерттеу әдістемелері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
43
2.1 Ультрадыбыстық диспергатордың зертханалық құрылғысының сипаттамасы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
43
2.2 Жеңіл және орташа көмірсутекті фракцияларды алуға арналған зертханалық қондырғы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
46
2.3 Мұнай және мұнай өнімдерінің тығыздығын анықтау әдісі ... ... ... ..
48
2.4 Мұнай және мұнай өнімдерінің тұтқырлығын анықтау ... ... ... ... ... .
50
3 Зерттеу нәтижелері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
53
3.1 Атасу - Алашанкоу мұнай қалдықтарымен Жана-Өзен қамбалық мұнай қалдықтарының реологиялық қасиеттеріне ультрадыбыстық кавитацияның әсерін зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
53
3.2 Жана-Өзен қамбалық мұнай асфальтенінің ыдырауы мен гидрленуін кванттық-химиялық есептеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
58
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
62
Қолданылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
65
Қосымша ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
69
Кіріспе
Электродинамика бөлімі мектептегі ең қиын бөлімдердің бірі болып табылады олар электрлік, магниттік құбылыстарды, электромагниттік тербелістерді зерттейтін курс және толқындар, толқындық оптика мәселелері және арнайы салыстырмалық элементтерді
. Жалпы білім беру мәселелерін шешу негізінен осыған байланысты бөлімінде қазіргі физиканың негізгі ұғымы енгізілуі тиіс электромагниттік өріс, сонымен қатар физикалық ұғымдар: электр заряды, электромагниттік тербелістер, электромагниттік толқын және оның жылдамдығы. Мұнда электромагниттік толқындардың қасиеттері, олар туралы түсінік беру керек тарату, радиобайланыс, теледидар принциптері бойынша.
Оқушылар негізгі физиканың теориясымен таныстырылады - макроскопиялық электродинамика теориясы, негізгі жасаушысы Дж.К.Максвелл болды.
Электродинамика бөлімін оқу кезінде ойдың кеңеюі және мектеп оқушыларының санасына материя ұғымын тереңдету. Әзірге олар тек оқып келді материяның бір түрі - субстанция. Енді екінші (ерекше) түрің кездестіреді материяның - электромагниттік өріс арқылы олар оның заттан айырмашылығын біледі. Сағат арнайы салыстырмалық теориясының негіздерін қарастыра отырып, оқцшыларды таныстырады кеңістік пен уақыттың физикалық ұғымдары.
Электродинамика бөлімінің логикалық құрылымын қарастырсақ, онда олады ажырату керек: электромагниттік өріс және электр заряды; өріс пен заттың, электрлік және магниттік заттың қасиеттері; ток және электр тізбектерінің заңдылықтарын оқу; STO элементтерімен танысу; электродинамиканың негізгі техникалық қолданылуын көрсету.
Электродинамика-физиканың зарядталған денелер мен бөлшектердің арасындағы өзара әрекетті іске асыратын материяның ерекше түрі электр өрісінің заңдылықтарын және қасиеттерін зерттейтін бөлімі.
Қазіргі кезде жақсы зерттелген, дегенмен әлі де жұмбақ электрлік құбылыстармен үнемі кездесіп отырамыз.Ежелгі заманда янтарьды теріге ысқанда, оның жеңіл заттарды өзіне тарту қасиетін аңғарған. Осы құбылысты ежелгі грек философы Фалес ( шамамен б.з.д. 625-547 жж.) сипаттаған.
Электрлік құбылыстардың табиғатын түсініп білуге кеткен уақыт бірнеше кезеңдерге бөлінеді. Біріншісін, медициналық деп атауға болады.Бұл кезең ХVII ғасырдың ортасында дейін созылған. Осы кезеңде денелерді электрлеудің әр түрлі тәсілдері ашылды, жеңіл нәрселерді тарту қасиетті тек янтарьда ғана емес, шыны, эбонит, фарфорда да болатыны анықталды.Емшілер мен тәуіптер денелердің электрлену қасиетін өз тәжірибелерінде қолдануға тырысты.Электрленген денелердің әрекетімен салыстырғанда сезімтал магниттер ерекше құрметке ие болды.Осы себепті магниттік және электрлік материалдарды бірінші болып сипаттау ағылшын королевасы І Елизаветаның лейб-медигімедицина докторы У. Гильберттің (1544-1603) қаламұшынан шыққаны түсінікті. Ол 1600 жылы өзінің `'Магнит пен магниттік денелер және үлкен магнит Жер туралы'' кітабында ол электрлік деп атаған үйкелісте ерекше күш пайда болатынын көрсеткен.У.Гильберт электрлік зарядты байқауға арналған алғашқы қарапайым құрал- электроскопты құрастырған.
Содан кейін электрлік және магниттік құбылыстарда И.Ньютонның тартылыс теориясына ұқсас түсіндірілетін механикалық кезең басталды. Француз физигі Ш.О.Кулон (1736-1806) осы уақытқа дейін электростатиканың негізгі заңы деп аталатын нүктелік зарядтардың өзара әрекеттесу заңын ашты. Италия физигі Л.Гальвани (1735-1798) бақамен тәжірибелер жүргізіп жануарлардың электрлік қасиетін ашты. Италия физигі А.Вольта (1745-1827) гальвани тогының ұзақ әрекет ететін алғашқы көзі - вольта бағанасын құрастырды.
XVIII ғасырда орыс оқымыстылары М.В.Ломоносов (1711-1765) және Г.В.Рихман (1711-1753) үйде `'жайтартқыш-машина'' құрып, атмосферадағы электрді зерттеді. Тәжірибе кезінде найзағай түсіп Г.В.Рихман қаза тапты. М.В.Ломоносов зерттеулер жүргізіп, электрлік өзара әрекеттесудің сандық негізін құрды.
1826 ж. неміс физигі Г.С.Ом (1787-1854) эксперимент арқылы электр тізбегіндегі ток күші, кернеу және кедергіні байланыстыратын негізгі заңды ашты.
Француздың ұлы физигі А.М.Ампердің электродинамика саласындағы еңбегі өте зор. Ол магнит өрісінің магнит тіліне әрекет күшін анықтайтын ережені тұжырымдады (Ампер ережесі). Ток пен магнит арасындағы өзара әрекеттесуді бақыфлайтын көптеген құралдар жасап шығарады. Электр токтарының өзара әрекет күштерін ашты (Ампер заңы). А.М.Ампер магнитизмнің теориясын құрды.
Атомдардың электрондық қабықшалары шартты түрде қозғалған электрондардың тудыратын шеңберлі электр токтарынан құралады деп қарастыруға болады.
Атомдағы шеңберлі электр токтары магниттік өрісті тудыпуы керек. Электр токтарына сыртқы электр өрісі әсер еткенде, атомдық магниттік өріс бағыттас болса, магниттік өріс күшею немесе атомның өрісі қарсы бағытталса, өріс әлсіреу керек.
Атомдарда магниттік өрістің болуы және заттағы магниттік өрісті өзгерту мүмкіншілігі туралы гипотеза толығынан табиғатқа сай болып шықты. Тәжірибенің көрсетуінше, заттарды оларға сыртқы магниттік өрістің әсеріне қатысты негізгі үш топқа (диамагнетиктер, парамагнетиктер,ферромагнетиктер) бөлуге болады.
1.Электродинамика бойынша жалпы шолу
Электродинамика-физиканың зарядталған денелер мен бөлшектердің арасындағы өзара әрекетті іске асыратын материяның ерекше түрі электр өрісінің заңдылықтарын және қасиеттерін зерттейтін бөлімі.
Қазіргі кезде жақсы зерттелген, дегенмен әлі де жұмбақ электрлік құбылыстармен үнемі кездесіп отырамыз.Ежелгі заманда янтарьды теріге ысқанда, оның жеңіл заттарды өзіне тарту қасиетін аңғарған. Осы құбылысты ежелгі грек философы Фалес ( шамамен б.з.д. 625-547 жж.) сипаттаған.
Электрлік құбылыстардың табиғатын түсініп білуге кеткен уақыт бірнеше кезеңдерге бөлінеді. Біріншісін, медициналық деп атауға болады.Бұл кезең ХVII ғасырдың ортасында дейін созылған. Осы кезеңде денелерді электрлеудің әр түрлі тәсілдері ашылды, жеңіл нәрселерді тарту қасиетті тек янтарьда ғана емес, шыны, эбонит, фарфорда да болатыны анықталды.Емшілер мен тәуіптер денелердің электрлену қасиетін өз тәжірибелерінде қолдануға тырысты.Электрленген денелердің әрекетімен салыстырғанда сезімтал магниттер ерекше құрметке ие болды.Осы себепті магниттік және электрлік материалдарды бірінші болып сипаттау ағылшын королевасы І Елизаветаның лейб-медигімедицина докторы У. Гильберттің (1544-1603) қаламұшынан шыққаны түсінікті. Ол 1600 жылы өзінің `'Магнит пен магниттік денелер және үлкен магнит Жер туралы'' кітабында ол электрлік деп атаған үйкелісте ерекше күш пайда болатынын көрсеткен.У.Гильберт электрлік зарядты байқауға арналған алғашқы қарапайым құрал- электроскопты құрастырған.
Содан кейін электрлік және магниттік құбылыстарда И.Ньютонның тартылыс теориясына ұқсас түсіндірілетін механикалық кезең басталды. Француз физигі Ш.О.Кулон (1736-1806) осы уақытқа дейін электростатиканың негізгі заңы деп аталатын нүктелік зарядтардың өзара әрекеттесу заңын ашты. Италия физигі Л.Гальвани (1735-1798) бақамен тәжірибелер жүргізіп жануарлардың электрлік қасиетін ашты. Италия физигі А.Вольта (1745-1827) гальвани тогының ұзақ әрекет ететін алғашқы көзі - вольта бағанасын құрастырды.
XVIII ғасырда орыс оқымыстылары М.В.Ломоносов (1711-1765) және Г.В.Рихман (1711-1753) үйде `'жайтартқыш-машина'' құрып, атмосферадағы электрді зерттеді. Тәжірибе кезінде найзағай түсіп Г.В.Рихман қаза тапты. М.В.Ломоносов зерттеулер жүргізіп, электрлік өзара әрекеттесудің сандық негізін құрды.
1826 ж. неміс физигі Г.С.Ом (1787-1854) эксперимент арқылы электр тізбегіндегі ток күші, кернеу және кедергіні байланыстыратын негізгі заңды ашты.
Француздың ұлы физигі А.М.Ампердің электродинамика саласындағы еңбегі өте зор. Ол магнит өрісінің магнит тіліне әрекет күшін анықтайтын ережені тұжырымдады (Ампер ережесі). Ток пен магнит арасындағы өзара әрекеттесуді бақыфлайтын көптеген құралдар жасап шығарады. Электр токтарының өзара әрекет күштерін ашты (Ампер заңы). А.М.Ампер магнитизмнің теориясын құрды.
Электрлік құбылыстарды зерттеуде ағылшынның ұлы физигі М.Фарадейдің еңбегі зор.Ол сол кездегі белгілі электр түрлерінің тепе-теңдігін дәлелдеді (`'жануар'', `'электромагнетизм'',термоэлектр,га львани электрі және үйкелістен пайда болатын электр). Электролиттен токтың өтуін зерттеп, электролиз заңдарын, электромагниттік индукция құбылысын ашты.Электр өрісі электрлік өзара әрекеттесуді іске асыратын материяның ерекше түрі-электр өрісі ұғымын енгізді.
Ағылшын физигі Д.К.Максвелл (1831-1879) электромагниттік өріс теориясын құрды.Максвелл өз теориясын электрлік құбылыстардың негізгі заңдылықтарын өрнектейтін теңдеулер жүйесі түрінде тұжырымдады.Ол жылдамдығы жарық жыламдығымен бірдей электромагниттік толқындардың бар екенін болжады.
Электрлік құбылыстарды зерттеген басқа атақты физиктердің де еңбегін атап өту қажет.Орыс физигі Э.Х.Ленц (1804-1865) индукциялық ток бағытын анықтау ережесін және токтың жылулық әрекетінің заңынтағайындады.Токтың жылулық әрекетін Э.Х.Ленцтен тәуелсіз ағылшын физигі.Д.П.Джоуль (1818-1889) ашты.Орыс физигі Б.С.Якоби (1801-1874) жұмыс белдігі (вал), айналмалы электроқозғалтқышты ойлап тапты, бірқатар телеграф аппараттарын құрастырды.
Орыс физигі А.Г.Столетов (1839-1896) заттардың магниттік қасиетін зерттеп, заттардың магниттік қасиетін және олардың магниттелуін өлшейтін бірқатар эксперименттер қойды.Орыс физигі П.Н.Лебедев (1866-1912) асқан шебер экспериментатор ретінде белгілі. Қысқа толқынды 4мм және 6мм-лік электромагниттік толқындар алу және қабылдау комплексін құрды.П.Н.Лебедев жарықтың бетке түсіретін қысымын эксперимент арқылы өлшеп, жарықтың электромагниттік теориясын тәжірибе жүзінде дәлелдеп,
`'Ұлы тәжірибе қоюшы (виртуоз)'' деген атақ алды.Неміс физигі Г.Р.Герц (1857-1894) Максвеллдің теория жүзінде болжаған электромагниттік толқындарын бірінші болып алды. Неміс физигі Г.Р.Кирхгоф (1824-1887) тармақталған электр тізбегіндегі электр тогының өту заңдылығын ашты және өткізгіштердегі ток қозғалысының жалпы теориясын құрды.
Физиканың барлық бөлімдерінің ішінен электродинамика барынша толық зерттелген, оған дәлел электродинамиканың заңдары практикада, техникада кеңінен қолданылады. Қазіргі кезде кванттық электродинамиканың рөлі өте үлкен. Оның теориялық зерттеулері жаңа сезімтал электрондық құрылымдарды, микрочип, микропроцессор сияқты құралдарды жасап шығаруға мүмкіндік берді.
1.1.Электромагниттік индуксия
Электромагниттік индукция заңы
Эрстед ашқан өткізгіштегі токтың магниттік қасиеттерінен кейін ғалымдардың көпшілігі, мысалы, Америка, Фарадей және т.б. осы құбылысты терең жан-жақты зерттеулерін бастады. Әлемдегі көптеген құбылыстардың симметриялы болып келуі, айталық оң мен сол, оң және теріс заряд, солтүстік пен оңтүстік магнит полюстері және т.б. ғалымдарға тура жол сілтегендей болды. Егер өткізгіштегі электр тогы төңірегіндегі кеңістікте магнит өрісін тудыратын болса, онда магнит өрісі де өз кезегінде өткізгіште электр тогын тудыруы тиіс деген сенімде болды ғалымдар. Эрстед ашқан жаңалықтан 12 жыл өткеннен кейін М.Фарадей арманына жетіп,ғылыми әлемді дүрліктіріп қана қоймай, адамзат қоғамының бұдан әрі дамуының өзегіне айналған электромагниттік индукция құбылысын ашты. К.Максвелл Фарадейдің ашқан жаңалығын математикалық теңдеулерге айналдырып, біріккен өріс теориясын, яғни электромагниттік өріс теориясын жасады да, ал оған іле-шала дерлік неміс ғалымы Г.Герц Максвеллдің эектромагниттік толқындар жайлы гипотезасын тәжірибе жүзінде дәлелдеп, электромагниттік толқындарды алды.
Енді М.Фарадейдің тәжірибелеріне тоқтала кетейік. Оның біреуі соншалықты қарапайым, оны кез келген мектеп зертханасында, тіптен үй жағдайында да жасауға болады. Олүшін тұрақты магнит, сезгіш гальванометр, катушка (соленоид) немесе жай ғана контур керек.Контурдың ұштары гальванометрге жалғанады (11.1-сурет). Егер магнитті контурға сұқсақ, не одан суырсақ, онда гальванометрдің тілі қозғалысқа келеді, яғни ток пайда болады. Ал егер магнит тыныштықта тұрса, онда токтың ешқандай белгісі жоқ. Неліктен осындай қарапайым көрінетін құбылысты байқау үшін, тіпті Фарадей тәрізді асқан дарынның өзіне 12 жылдай уақыт қажет болады екен. Бар мәселе өлшеу аспаптарында еді. Фарадейдің де, басқа ғалымдардың да қолында осы заманғы сезгіш әрі дәл өлшейтін құралдары болған жоқ.
Фарадей заманында пайда болған токты бақылау, өлшеу үшін тангенс-гальванометрді пайдаланған. Тангенс-галванометрдің жұмыс істеу принципі Эрстед ашқан магнит өрісінің магнит тіліне әрекет етуіне негізделген.
11.1-сурет 11.2-сурет
Токты осылайша өлшеу СГСМ жүйесінің құрылуына негіз болды, бұл жүйеде сантиметр (см), грамм (г), секунд (с), токтың магниттік күші алынады. Тангенс-гальванометр- мыс сымнан жасалған, N орамдары бар , радиусы R болатын дөңгелек өткізгіш (11,2-сурет). Дөңгелектің центрінде (радиуспен салыстырғанда) магнит тілі орналасқан. Ток жоқ кезде магнит тілі меридиан (Жердің магнит өрісінің) жазықтығынды орналасады, міне осы жазықтыққа дөңгелек токтың жазықтығын да орналастырады.
11.3-сурет
Тангенс-гальванметрдің орамы арқылы ток жібергенде магнит тілі қайсыбір бұрықа бұрылады.Осы бұрыштың тангенсі бойынша Жердің магнит өрісінің индукциясын біле отырып, өткізгіштегі ток күшін табуға болады.Сондықтан жолақ магниттің тангенс-гальванометрдің магнит тіліне әрекетін болдырмау үшін оны контурға ұзын сымдармен қосып, басқа бөлмеге апарып қояды. Магнит контурға қатысты қозғалғанда өткізгіште индукция тогының пайда болатынын тұңғыш рет Фарадей байқады. Бұл 1831 жылы еді. Фарадей осы жылы индукциялық токтың өзін тудыратын себепке тәуелділігін тағайындады. Қайта қойылған тәжірибелердің негізінде ашылған жаңа құбылыстың мәнін ашатын негізгі үш жағдайды бөліп көрсетейік.
1.Катушкаға магнитті енгізгенде және оны суырып алғанда гальванометр тілі ауытқиды (11.1 және 11.3-суреттер). Магнитті сұғу және суыру кезіндегі тілдің қозғалыс бағыты қарама-қарсы. Бұл индукция тогының бағыты өзгереді деген сөз. Тілдің ауытқуы магнитті енгізу және шығару жылдамдығы неғұрлым көп болса, соғұрлым үлкен (11.4,а,ә,б-суреттер). Сонымен қатар ток күшінің кіретін және шығатын магниттер санына тура пропорционал болатыны да анықталды. (11.4-сурет). Егер магнитті катушкаға (контурға) баяу енгізсек, онда ток күші магнитті кенеттен енгізгенге қарағанда аз болады.(11.4, ә- сурет).
11.4-сурет
Тәжірибелердің тағы бір сериясы жүргізілді. Жолақ магнитті тогы бар катушкамен алмастырсақ және бірінші катущканың ұштарын гальванометрге жалғап, екінші катушка арқылы ток жіберсек, онда токты қосып-ажыратқанда және реостат арқылы ток күшін арттырып-азайтқанда, гальванометрдің тілі ауытқиды (11,5-сурет). Токты қосқанда және ажыратқанда, катушкаларды жақындатқанда гальванометрдің тілі бір жаққа, ал токты ағытқан кезде немесе азайтқан кезде немесе катушкаларды бір-бірінен алыстатқанда ол басқа жаққа ауытқиды.
Егер деформация арқылы катушканың көлемін өзгертсе, онда токтың пайда болатыны тағайындалған. Ал контур біртекті магнит өрісінде индукция сызықтары оның жазықтығына перпендикуляр болатындай етіп ауыстырса, онда гальванометр токты көрсетпейді (11,6-сурет). Егер контурды осы өрісте айналдырсақ, онда гальванометр токтың бар екенін көрсетеді әрі токтың бағыты айналу бағытына тәуелді болады.
Осы тәжірибелерден:
1. Контурда оны тесіп өтетін магнит өрісі индукция векторының ағыны уақыт бойынша өзгеретін кездеғана индукцияның ЭҚК-і пайда болады, яғни .
2. Индукциялық токтың шамасы контурды тесіп өтетін магнит ағынының өзгеріс жылдамдығы, яғни шамасына тәуелді.
3. Өткізгіш магнит өрісінің күш сызықтарын қиып өткенде контурда индукциялық ток пайда болады. Бұл тәжірибелерді жоққа шығармайды. Шынында, контурдың элементтері (11,6-суретте, 1,2 элементтер) магнит өрісінің күш сызықтарын қиып өтсе, онда сол қол ережесі бойынша 1-элементте сағат тілі бағытымен бағыттас, ал 2-элементте сағат тілі бағытына қарама-қарсы бағытта жүретін ток пайда болады. Нәтижесінде қорытқы ток шамасы нөлге айналады. Бірақ басқа тәжірибелердің нәтижесіне сәйкес берілген тұйық контурды тесіп өтетін магнит ағынының өзгерісі нөлге тең.
11.5-сурет 11.6-сурет
11.7-сурет 11.8-сурет
Магнит өрісінің сыртына шығатындай ұзын, жұмсақ сыммен өткізгішті тұйықтайық. Магнит өрісінің күш сызықтарын кесіп өтетіндей етіп өткізгішті магнит өрісінде қозғалтсақ, гальванометр токтың пайда болғанын тіркейді (11.7-сурет).
Өткізгіш жылдамдығының бағытын қарама-қарсы бағытқа өзгертсек, токтың бағыты да қарама-қарсы бағытқа өзгереді. Егер өткізгішті магнит өрісінің күш сызықтары бойымен "сырғытсақ", онда гальваномерт токты көрсетпейді (11.8-сурет). Себебі Лоренц күшті немесе жағдайында нөлге тең, мұндағы - және векторларының арасындағы бұрыш, ал өткізгіш ішінде зарядталған бөлшектердің бағытталған қозғалысы жоқ.
Өз тәжірибелерін жалпылай отырып, Фарадей мынадай қорытындыға келді: контурда пайда болатын индукцияның ЭҚК-і контурды тесіп өтетін магнит өрісіне тура пропорционал:
k пропорционалдық коэффициентінің мәні магнит ағынының өлшем бірлігін таңдап алғанға тәуелді. Егер ол бірге тең деп қабылдаса, ал вольтпен, уақыт секундпен алынса, онда магнит ағынының бір секундтағы өзгерісі өзі орайтын өткізгішке бір вольтқа тең ЭҚК-ін туғызу керек. SI жүйесінде ондай ағын 1Вб-ге (Вебер) сәйкес.
2 Тербелмелі контурдағы электромагниттік тербелістер
Электромагниттік тербелістерді алу үшін индуктивтігі L катушкамен тұйықталған сыйымдылығы С зарядталған конденсетордан тұратын тізбек пайдаланылады. Осындай электр тізбегі тербелмелі контур деп аталады. Тербелмелі контурда пайда болатын электромагниттік тербелістердің негізгі заңдылықтарын тағайындау үщін катушка мен жалғастырушы сымдардың электр кедергісі нөлге тең идеал тербелмелі контурды қарастырайық (1.1-сурет).
Алдымен, конденсаторды тұрақты ток көзіне қосып, зарядтап алайық (1.2-суретте кілт 1-жағдайда). Сонда конденсатордың астарларында заряд жинақталып, онда энергиясы электр өрісі пайда болады. Енді кілтті 2-жағдайға әкеліп, зарядталған конденсаторды катушкамен тұйықтайық (1.2-сурет, 2-жағдай).
1.1-сурет 1.2-сурет
1.3-сурет
Катушка арқылы ток жүріп, конденсатор разрядтала бастайды (1.3, а-сурет). Токтың өсуімен катушкадағы магнит өрісінің индукциясы да артады, сондықтан контурда өздік индукция электр қозғаушы күші пайда болады. Ленц ережесі бойынша, өздік индукция тогы контурда өсіп келе жатқан конденсатордың разрядталу тогына қарама-қарсы бағытталады (1.3, ә-сурет). Бұл разрядталу тогының өсу жылдамдығын азайтады. 1.4-суретте разрядталу тогының уақытқа тәуелділік графигі кескінделген. Ток күші артқан сайын катушкадағы магнит өрісінің энергиясы артады, ал конденсатордың электр өрісінің энергиясы кемиді. Контурдағы электромагниттік өрістің толық энергиясы тұрақты болып қалады, мұндағы і- ток күшінің илездік мәні.
Конденсатор разрядталғанда ток күшінің және оған сәйкес магнит өрісі индукциясының өсуі де баяулайды. Конденсатор толық разрядталған мезетте өздік индукция электр қозғаушы күші (ЭҚК) нөлге айналады, ал ток күші мен магнит өрісінің индукциясы ең үлкен мәніне ие болады. Бұл мезетке 1.3, б-сурет және 1.4-суреттегі 1-нүкте сәйкес келеді. Осы кезде магнит өрісінің энергиясы максимал, ал электр өрісінің энергиясы нөлге тең, мұндағы - ток күшінің амплитудасы.
Бұдан соң ток күші және онымен бірге катушканың магнит өрісі кеми бастайды да, контурда өздік индукция электр қозғаушы күші пайда болады. Өздік индукция тогы контурдағы токпен бағыттас, себебі Ленц ережесі бойынша ол азайып келе жатқан токты күшейтеді (1.3, в-сурет және 1.4-суретегі 1-2 бөлік).
1.4-сурет
Конденсатор қайта зарядтала бастайды. Ток күшінің азаюы артады, оған сәйкес өздік индукция ЭҚК-і өседі де, ток күші нөлге тең болған мезетте электр қозғаушы күші максимал мәнге ие болады. (1.3, г-сурет және 1,4-суреттегі 2-нүкте) Конденсатор толық зарядталып, оның энергиясы ең үлкен мәніне жетеді, алмагнит өрісінің энергиясы нөлге айналады.
Міне, біз сапалық жағынан электромагниттік тербелістердің жарты периодын сипаттап өттік.
Бұдан соң процесс кері бағытта қайталанып, тағы жарты период өткенде жүйе алғашқы күйге қайтып оралады (1.4-суреттегі 4-нүкте).
Электромагниттік тербелістер кезінде контурда электр өрісінің энергиясы магнит өрісінің энергиясына және керісінше периодты түрде айналып отырады.
Идеал тербелмелі контурда энергия шығыны болмайды, сондықтан тербелістер өшпейді. Толық энергия сақталады және кез келген мезетте ол мынаған тең:
яғни
Бірақ, шын мәнінде , сондықтан өткізгіштер қызып энергия шығыны болады. Біртіндеп электромагниттік тербелістердің энергиясы катушка мен жалғастырғыш сымдардың ішкі энергиясына айналады да, тербелістер өшеді.
Тербелмелі контур кез келген радиобайланыс қондырғысының ең маңызды бөлігі болып табылады. Ол радиотехникалық құралдың резонанстық жүйесі ретінде қолданылады.
Жоғары жиілікті генераторларда (§1.6) тербелмелі контур электромагниттік тербелістердің көзі болып табылады.
Оптикалық диапазондағы электромагниттік тербелістер радиобайланыс, радиолокация және радионавигация салаларында кеңінен қолданылып отыр.
2.1. Еркін электромагниттік тербелістерді сипаттайтын теңдеу
Біз қарастырған тербелмелі контурда электромагниттік тербелістер алу үшін алғашқы уақыт мезетінде конденсаторға заряд берілді де, бұдан соң жүйеге сырттан ешқандай әрекет болған жоқ. Сыртқы әрекет жоқ кезде тербелмелі контурда пайда болатын электромагниттік тербелістерді еркін тербелістер деп атайды.
Идеал тербелмелі контурдағы (R=0) еркін электромагниттік тербелістердің теңдеуін қорытып шығарайық. §1.1-та көрсетілгендей, идеал тербелмелі контурда толық электромагниттік энергия сақталады, яғни
Осы өрнектен уақыт бойынша туынды алайық. Тұрақты шаманың туындысы нөлге тең болғандықтан,
Кез келген шаманың уақыт бойынша туындысы оның өзгеріс жылдамдығын анықтайды. Олай болса, соңғы өрнектен магнит өрісі энергиясының өсу жылдамдығы электр өрісі энергиясының кему жылдамдығына тең екенін көреміз.
Ток күшінің анықтамасынан , олай болса
бұдан
(1.1)
Ток күшінің уақыт бойынша туындысын табайық:
, сонғы өрнекті (1.1)-ге қойсақ,
немесе
(1.2)
аламыз. (1.2) өрнегі конденсатордың астарларындағы заряд тербелістерінің дифференциалдық теңдеуі болып табылады.
Енді бізге осы теңдеуді шешіп, зарядтың уақытқа тәуелділік теңдеуін анықтау керек. Ол үшін мынадай белгілеу енгізейік:
(1.3)
Сонда (1.2) теңдеуі
(1.4)
түріне енеді. (1.2) немесе (1.4) теңдеулерінен зарядтың уақыт бойынша екінші туындысы кері таңбамен алынған зарядтың өзіне тура пропорционал екенін көреміз. Математика курсынан мұндай қасиет тек синус немесе косинус функциясына ғана тән екені белгілі. Бұдан конденсатордың астарларындағы заряд уақытқа тәуелді синус не косинус заңымен өзгереді деген қорытынды жасауға болады. Конденсатордың акстарларындағы зарядтың максимал мәні , ал косинус пен синус функцияларының қабылдайтын ең үлкен мәні бірге тең екенін ескерсек, (1.4) теңдеудің шешімі мен косинустың (немесе синустың) көбейтіндісі түрінде жазылуы керек.
Енді косинустың аргументін анықтайтың. Аргумент тек уақытқа ғана тең деп алсақ,
бұдан
яғни
Мұны (1.4) - пен салыстырсақ, -тың формулаға кірмей қалғаның көреміз. Осы көбейткішті аргументке енгізіп, теңдеуді
(1.5)
түрінде жазсақ,
немесе
шығады. Сонымен (1.4) өрнегін алдық. Олай болса (1.5) өрнегі (1.4) теңдеуінің шешімі болып табылады. Косинус функциясының орнына синусты алсақ та осындай нәтиже шығады.
Сонымен, тербелмелі контурда конденсатордың астарларындағы заряд шамасы уақытқа тәуелді косинус (синус) заңы бойынша өзгереді. Бұл тәуелділіктің математикалық өрнегі:
Жалпы жағдайда бұл теңдеу
(1.6)
түрінде жазылады. Мұндағы бастапқы фаза деп аталады. Ол ұғыммен келесі параграфта танысасындар.
Физикалық шаманың ең үлкен мәнінің модулі тербеліс амплитудасы деп аталады. Механикалық тербелістерде амплитуда дененің тепе-теңдік күйінен ең үлкен ауытқуына, ал электромагниттік тербелістерде конденсатор астарларындағы электр зарядының ең үлкен мәніне () тең. Амплитуда тербелістің бастапқы шарттарына тәуелді.
Тербелістегі физикалық шаманың мәні қайталанып келетін ең аз уақыт аралығын Т тербеліс периоды деп атайды. Осыған парапар мынадай анықтама беруге болады: тербелмелі жүйенің толық бір тербеліс жасауына кеткен уақыт тербеліс периоды деп аталады. Бұл екі анықтамадан тербеліс периоды SI жүйесіне секундпен өлшенетінін көреміз.
Периодпен тағы бір маңызды шама- тербеліс жиілігі v бірмәнді байланысқан. Тербеліс жиілігі деп бірлік уақыт ішіндегі тербеліс санына тең шаманы айтады. Тербеліс периоды мен жиілігінің арасындағы байланыс:
(1.7)
SI жүйесіндегі жиіліктің өлшем бірлігі неміс физигі Г.Герцтің құрметіне 1Гц (герц) деп аталады. Егер бір секундта бір тербеліс жасалса, жиілік 1Гц-ке тең болады, яғни
(1.5) теңдеуден конденсатор астарларындағы зарядтың тербеліс периоды косинустың периодымен анықталатыны көрініп тұр. Математика курсынан косинустың ең кіші периоды 2PI екенін білеміз. Олай болса, t=T уақыт өткенде косинустың аргументі мәнін қабылдайды. Бұдан
(1.8)
Мұндағы 2PI секундтағы тербеліс санына тең шамасын, яғни меншікті циклдік жиілікті (дөңгелек жиілік)( (1.3) өрнегінен анықтаймыз:
(1.9)
Меншікті циклдік жиілік тербелмелі контурдың парамертлері индуктивтік және сыйымдылық арқылы сипатталады.
(1.9)-ды ескеріп (1.8) өрнегінен
(1.10)
аламыз. Бұдан идеал тербелмелі контурдағы еркін тербелістердің периодын анықтайтын Томсон формуласы. Формуладан контурдың индуктивтігі мен сыйымдылығы артқан сайын тербеліс пермодының да артатыны көрініп тұр. Оның себебі индуктивтік неғұрлым үлкен болса, контурдағы ток күші соғұрлым баяу өзгереді, ал сыйымдылық неғұрлым үлкен болса, конденсатордың қайта зарядталуы соғұрлым ұзақ уақытқа созылады.
Тербелмелі контурдағы электромагниттік тербелістердің пероиды секундтың мыңдық бөлігінен миллиондық бөлігіне дейінгі мәндерге ие болатын өте аз шама, соған сәйкес жиілік (бірнеше миллион герц) өте үлкен шама. Сонымен, тербелмелі контурда жоғары жиіліктегі электромагниттік тербелістер өндіріледі.
(1.6) теңдеуіне сәйкес заряд тербелістерінің амплитудасы уақыттың өтуімен өзгермейді, яғни тербелістер өшпейтін тербелістер. Бірақ кез келген нақты тербелмелі контурдағы тербелістер өшеді. Себебі (1.6) теңдеуін қорытып шығарғанда контурдың кедергісі ескерілмеді.
Ал, шындығында R!=0. Кедергі неғұрлым үлкен болса, энергия шығыны соғұрлым көп. Тербеліс энергиясы біртіндеп жылу эненргиясына айналып, тербеліс периоды да артады. Анығырақ айтқанда, өшетін тербелістер гармоникалық болмайды.
Тербеліс фазасы деп (1.6) теңдеудегі косинустың (немесе синустың) аргументін айтады. Ол тербелістегі шаманың берілген уақыт мезетіндегі сандық мәнін дәл анықтауға мүмкіндік береді. Фаза- периодтың үлесімен өрнектелген уақыттың бұрыштық өлшемі болып табылады:
Бұл күрделі ұғымды келесі параграфта кеңінен қарастырамыз.
2.2. Механикалық және электромагниттік тербелістер арасындағы ұқсастық
Тербелмелі контурда электромагниттік тербелістер жүрген кезде конденсатор арасындағы q заряд және контурдағы ток күші периодты түрде өзгеріп отырады. Енді серіппелі (физикалық) маятниктің тербелістерін еске түсірейік. Онда дененің х координатасы мен υ жылдамдығы периодты өзгеріске ұшырайды. Бұл екі жағдайдағы периодты өзгерістерге түсетін шамалардың физикалық табиғаты әртүрлі, ал тербелістердің теңдеулері, математикалық тұрғыдан алғанда, бірдей. Сондықтан механикалық тербелістер мен электромагниттік тербелістерді салыстырып, олардың арасындағы сәйкестікті (ұқсастықты) айқындаудың пайдасы зор.
Серіппелі маятниктің тепе-теңдік күйіне оның ең аз потенциалдық энергиямен сипатталатын деформацияланбаған күйі х=0 сәйкес келеді. Инерция салдарынан жүк бұл тепе-теңдік күйден өздігінен өтіп кетеді.
Тербелмелі контурдың мұндай орнықты күйі конденсатор зарядталмаған
q=0 мезетке сәйкес келеді, бұл кезде электр өрісінің энергиясы . Тербелмелі контур бұл күйден өздік индукцияның салдарынан өздігінен өтіп кетеді.
1.5-сурет
Механикалық тербелмелі жүйеде жүктің тепе-теңдік күйден ауытқуы тербелмелі контурдығы конденсатордың зарялталуына ұқсас болады. Бұл кезде серіппелі маятникке потенциялдық энергия, ал конденсаторға электр өрісінің энергиясы беріледі (1.5, а-сурет). Екі формуланың жазылу түрі бірдей: механикалық тербелістерде коэффициенті тұр, ал кондинатасы зарядка ссәйкес келеді. Дененің тепе-теңдік күйге қарай қозғалуы контурда электр тогының пайда болуына ұқсас. Дененің жылдамдығы инерцияның әсерінен біртіндеп артатыны сияқты контурдағы ток күші өздік индукция құбылысы салдарынан біртіндеп артады.
Периодтың төрттен бірі өткенде, яғни мезетте жүк тепе-теңдік күйге оралады ал конденсатор толық зарядталады және катушкадағы ток күші максимал мәніне жетеді (1.5, ә-сурет).
Бұл кезде маятниктің потенциялдық энергиясы , ал кинетикалық энергиясы максимал. Осыған ұқсас тербелмелі контурда электр өрісінің энергиясы ал магнит өрісінің энергиясы максимал. Соңғы екі формуланы салыстыра отырып, механикалық тербелістердегі m масса электромагниттік тербелістердегі L индуктивтікке сәйкес екенін көреміз. Жүктің υ жылдамдығы мен і ток күші бір-біріне сәйкес келеді.
Жүк бұдан соң өзінің инерциясымен серіппені сығып, солға қарай жылжиды, ал катушкадағы ток электрондарды конденсатордың зарядталмаған бір астарынан екінші астарына қарай "айдайды". Серіппе сығылады, конденсатор қайта зарядталады.
мезетте жүк өзінің сол жақтағы ең шеткі орнына жетіп тоқтайды, ал конденсатор осы сәтте толық зарядталып болады (1.5, б-сурет), контурдағы ток күші нөлге тең.
Енді жүк серпімділік күшінің әрекетінен оңға қарай қозғала бастайды, ал конденсатор өзінің астарларының арасындағы потенциалдар айырымының әсерінен разрядтала бастайды. Периодтың төрттен үш бөлігі өткенде, яғни мезетте жүк тағы максимал жылдамдықпен тепе-теңдік күйден өтеді; конденсатор толық зарядталған, тізбектегі ток максимал (1.5, в-сурет). Ақырында, t=T болғанда, екі жүйе де бастапқы күйлеріне қайта оралады (1.5, г-сурет).
Сонымен екі жүйедегі (серіппелі маятник пен тербелмелі контур) тербелістер бірдей жүреді, бірақ тербеліске түсетін шамалардың табиғаты әртүрлі. Бұл жерде қандай шаманың тербеліске түсетіні емес, олардың қалай, қандай заңдылықпен тербелетіні маңызды. Тербеліс заңы екі жағдайда да бірдей.
Электромагниттік және механикалық тербелістердің арасындағы сәйкестігі айқындаудың тербелмелі процестерді тереңірек түсінуге көмегін тигізуімен қатар практикалық маңызы да бар. Механикалық және электрлік шамалар арасындағы ұқсастықтарға сәйкес кейбір күрделі механикалық тербелмелі жүйелерді электрлік жүйемен (тербелмелі контурмен) модельдеуге болады. Ал мұның өзі қайсыбір күрделі есептерді шешуге көмегін тигізеді.
Төмендегі 1-кестеде механикалық және электромагниттік тербелістерді сипаттайтын аналогиялық шамалар келтірілген.
1-кесте
Тербелмелі процестер кезіндегі электр және механикалық шамалардың арасындағы сәйкестік
Механикалық тербелістердің
Электромагниттік тербелістер
Координата х
Амплитуда А
Жылдамдығы
Үдеу
Масса m
Серіппенің қатаңдығы k
Күш Ғ
Потенциалдық энергия
Кинетикалық энергия
Электр заряды q
Максимал заряд
Ток күші
Ток күшінің өзгеру жылдамдығы
Индуктивтік L
Сыйымдылыққа кері шама
Кернеу U
Электр өрісінің энергиясы
Мангит өрісінің энергиясы
3.Мектеп курсында электродинамиканы оқу әдісі
Мектептің физика курсында электродинамика бөлімі мен бөлім құрылымы
Электродинамика бөлімі мектептегі ең қиын бөлімдердің бірі болып табылады олар электрлік, магниттік құбылыстарды, электромагниттік тербелістерді зерттейтін курс және толқындар, толқындық оптика мәселелері және арнайы салыстырмалық элементтерді
. Жалпы білім беру мәселелерін шешу негізінен осыған байланысты бөлімінде қазіргі физиканың негізгі ұғымы енгізілуі тиіс электромагниттік өріс, сонымен қатар физикалық ұғымдар: электр заряды, электромагниттік тербелістер, электромагниттік толқын және оның жылдамдығы. Мұнда электромагниттік толқындардың қасиеттері, олар туралы түсінік беру керек тарату, радиобайланыс, теледидар принциптері бойынша.
Оқушылар негізгі физиканың теориясымен таныстырылады - макроскопиялық электродинамика теориясы, негізгі жасаушысы Дж.К.Максвелл болды.
Электродинамика бөлімін оқу кезінде ойдың кеңеюі және мектеп оқушыларының санасына материя ұғымын тереңдету. Әзірге олар тек оқып келді материяның бір түрі - субстанция. Енді екінші (ерекше) түрің кездестіреді материяның - электромагниттік өріс арқылы олар оның заттан айырмашылығын біледі. Сағат арнайы салыстырмалық теориясының негіздерін қарастыра отырып, оқцшыларды таныстырады кеңістік пен уақыттың физикалық ұғымдары.
Электродинамика бөлімінің логикалық құрылымын қарастырсақ, онда олады ажырату керек: электромагниттік өріс және электр заряды; өріс пен заттың, электрлік және магниттік заттың қасиеттері; ток және электр тізбектерінің заңдылықтарын оқу; STO элементтерімен танысу; электродинамиканың негізгі техникалық қолданылуын көрсету.
3.1.Бөлім ретіндегі электродинамика ерекшеліктері
Физика ғылымы
Классикалық механика ұзақ әсер ету және бейнелеу принципінен шықты
осы әрекетті лезде тасымалдау туралы. Электромагниттік жағдайда өзара әрекеттесу ғылымның дамуы көрсеткендей принциптен шығу қажет әрекетті берудің соңғы жылдамдығын ескере отырып, қысқа қашықтықты. Егер ұзақ әсер ету принципі дұрыс болды, содан кейін электромагнетизмде негізгі электр заряды q.
Шын мәнінде, электромагниттік ұғымсыз өріс (электр заряды q түсінігімен бірге) электродинамика жоқ.Электродинамика үшін осы маңызды сұрақтарды шешу маңызды рөлді атқарған М.Фарадей , ал анықтаушы Дж.К.Максвелл жұмысы.
Электродинамикада әртүрлі күштер қарастырылады:
1) Вакуум үшін тыныштықтағы зарядтардың әрекеттесуін сипаттайтын күштер.
Олардың арасындағы қашықтыққа байланысты орталық болып табылады
өзара әрекеттесетін зарядтар және ол жылдамдыққа тәуелді емес.
2) Ток пен магниттік иненің өзара әрекеттесу күші (Оерстед тәжірибесі) мынаған сәйкес әрекет етеді:оларды қосатын сызық олардың арасындағы қашықтыққа ғана байланысты емес сонымен қатар ток күші, бұл өз кезегінде зарядталған бөлшектер мен зарядтың қозғалыс жылдамдығы .
3) Тогы бар екі параллель өткізгіштер арасында пайда болатын күштер орталық болып табылмайды. Олар өткізгіштердегі ток күшіне пропорционалды (демек заряд) және оның қозғалыс жылдамдығы және арасындағы қашықтыққа кері пропорционал.
4) Магнит өрісінен қозғалатын зарядқа әсер ететін күш. Ол заряд жылдамдығына байланысты, бірақ орталық емес.
Барлық жағдайларда біз қандай да бір жүйеге қатысты бөлшектердің жылдамдығы туралы айтамыз бұл электродинамикада ескерілетін нәрсе. Электродинамикада қашықтыққа ғана емес, жылдамдыққа да тәуелді күштерді жүйедегі зарядтардың қозғалысына қарастырыңыз.Ньютонмеханикасындағы күштер қарастырылмады.
Бұл ерекшеліктер негізінен электромагниттік өзара әрекеттестігі ерекше, оларды түсіндіру үшін қысқа қашықтықта әрекет берудің соңғы жылдамдығын ескереді.
3.2.Бөлім ретіндегі электродинамика ерекшеліктері
Мектептің физика курсында
Физиканы оқытуда жетекші рөл физикалық экспериментке беріледі.
Электродинамика бөлімі де ерекшелік емес. Ең алдымен бұл келесі тәжірибелер:1) Кулон әсерлесу күшінің тәуелділігін анықтау осы екі электр зарядтардың модулінің зарядтары және олардың арасындағы қашықтық;2) Эрстед магнитті инеге электр тогының әсерін анықтау;3) Ампер бойынша
параллель токтардың өзара ... 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