Электромагниттiк өрiс туралы мағлұматтар

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 17 бет
Таңдаулыға:

Бізді қоршаған ортадағы материя өзін зат немесе электромагниттік өріс түрінде көрсетеді. Қозғалыстағы зарядталған бөлшектердің немесе денелердің өзара әрекетін жүзеге асыратын материяның ерекше түрін электромагниттік өріс деп атайды.

Электр өрісі деп қозғалмайтын зарядқа да, қозғалатын зарядқа да әсер ететін электромагниттік өрістің бір бөлігін айтады.

Электр зарядтарының бір-бірімен әсерлесуін зерттеуде оларға әсер етуші күштер неге пайда болатыны және ол күштер бір зарядтан екінші зарядқа қалай берілетіні туралы сұрақтар туады. Тыныштықта тұрған зарядтар арасында пайда болатын бұл әсер электр өрісі арқылы атқарылады. Кеңістіктің қайсыбір жерінде электр заряды пайда болса, оның маңында электр өрісі пайда болады. Электр өрісінің басты қасиеті ретінде - осы өріске орналастырылған басқа зарядқа күштің әсер етуі болып табылады . Электр өрісінің не екенін білу үшін ең әуелі күштің қалай тасымалданатынын түсінуге тура келеді. Бір дененің екінші денеге әсер күші тек екі түрлі тәсілмен тасымалданады. Оның біреуі - екі дененің тікелей өзара жанасуы арқылы тасымалданса, енді біреуі - екі дененің арасындағы орта арқылы тасымалданады. Темір балғамен металды соққан кезде олардың тікелей өзара соқтығысуы арқылы күш балғадан металл денеге беріледі де, соның нәтижесінде дене деформацияланады. Адамдар екі топқа бөлініп арқан тартқан кезде әр топ өздерінің күшін арасындағы арқан арқылы қарсы жаққа тасымалдайды. Бұл жерде арқан олардың арасындағы күшті тасымалдайтын орта болып саналады. Жоғарыдағы мысалдардан күшті тасымалдау амалын оңай білуге болады. Бірақ, кейбір күштердің тасымалдау амалы көзге көрінерлік болмайтындықтан оны түсіну біраз қиындау болады. Мысалы, кеңістікте тұрған ауыр денені басқа дене сүйеп тұрмаған болса, Жер Шарының тартылыс күші әсерінен жерге құлап түсер еді. Алайда, Жер мен ауыр дене өзара жанасып тұрған жоқ, және олар арасында күшті тасымалдайтын жоғарыдағы арқан сияқты дене де жоқ. Ендеше, Жердің тартылыс күші әсері қалай ауыр денеге тасымалданады? Бұл сұраққа былай деп анық жауап беруге болар еді: Жердің тартылыс күші олардың арасындағы тартылыс күш өрісі (тасымалдаушы орта) арқылы ауыр денеге беріледі. Жер Шары өзінің маңындағы кеңістікте тартылыс күш өрісін тудырады. Сондықтан осы тартылыс күш өрісінде тұрған барлық денелер тартылыс күш өрісі тасымалдаған жердің тартылыс күшінің әсеріне ұшырайды. Осы заман физикасы тартылыс күш өрісінің бір түрлі “материя” екендігін, материя болғанда әдеттегідей атом, молекулалардан құралатын жай ғана материя емес, “ерекше материя” екендігін анықтады. Ол әдеттегі материяларда болатын энергия, масса және импульс сияқты негізгі қасиеттерге ие.

Электр өрісі дегеніміз не? Заряд маңындағы кеңістікте біртүрлі “ерекше материя” бар болып, ол арқылы зарядтар арасындағы өзара әсер күші тасымалданады. Бұл “ерекше материя” дегеніміз дәл электр өрісі болып табылады. Дене зарядталған кезде оның маңындағы кеңістікте электр өрісін тудырады. Басқаша айтқанда, заряд немесе зарядталған дене үнемі өзі тудырған электр өрісінің қоршауында болады. Электр өрісінің бір маңызды қасиеті сол өрісте тұрған кез келген зарядтарға күш әсерін береді. Бұл күшті біз электр өріс күші деп атаймыз. Мысал үшін q1 заряды екінші бір q2 зарядтың маңында, басқаша айтқанда, $q_{2}$ зарядының электр өрісінде тұрсын делік. q1 зарядқа берілетін әсер күші дегеніміз дәл q2 зарядтың электр өрісінің әсер күші болып табылады. Осыған ұқсас, q2 заряды q1 зарядының маңында, яғни, q1 зарядының электр өрісінде орналасқанда, q2 зарядының ұшыраған әсер күші дәл q1 зарядының электр өрісінің әсер күші болып табылады. q1 заряд тудырған электр өрісі бойынша айтқанда, q1 заряды электр өрісін тудырушы заряд болса, ал q2 зарядының тудырған электр өрісі бойынша айтсақ, q2 заряд электр өрісін тудырушы заряд болып табылады. Электр өрісі де Жер Шарының тартылыс күш өрісі сияқты масса, энергия, импульс сияқты әдеттегі материялық денелерде болатын негізгі қасиеттерге ие болады.

Ұлы ағылшын ғалымы Майкл Фарадей, электр зарядтары бiр-бiрiне тiкелей әсер етпейдi деп жорамал жасайды. Олардың әрқайсысы қоршаған ортада электр өрiсiн туғызады. Бiр зарядтың өрiсi екiншi зарядқа әсер етедi, және керiсiнше. Зарядтан алыстаған сайын өрiс төмендейдi.

Басқа бiр ғалым - Джемс Клерк Максвелл - электромагниттiк әсерлесу кеңiстiкте ақырлы жылдамдықпен таралатынын теориялық дәлелдедi. Максвелл электромагниттiк әсердiң таралуы бостықтағы жарық жылдамдығына тең, яғни 3 км/с.

Электромагниттiк өрiстiң негiзгi қасиетi - оның әлектр зарядтарына қандайда бiр күшпен әсер етуi.

Қозғалмайтын зарядтардың электр өрiсiн электростатикалық деп атайды. Ол тек электр зарядтарынан пайда болады және уақыт бойынша өзгермейдi. Электр өрiсi осы зарядтармен қоршаған кеңiстiкте бар болады және онымен үздiксiз байланыста болады.

Электр өрісін сипаттайтын шамаларды анықтайық. Ол үшін ең қарапайым $q$ нүтелік зарядтың өрісін екінші q нүктелік зарядтың көмегімен зерттйік. Қозғалмайтын q зарядтың өрісіне орналасқан q бақылаушы зарядқа Кулон күші әрекет етеді:

$F_{1} = k_{r^{2}}^{qq_{1}}$

Осы нүктедегі екінші бір q сынақ заряд әкелеміз. Сонда оған F күш әрекет ететін болады.

Электр зарядтары бір-біріне тікелей әсер етпейді. Әрбір зарядталған дене қоршаған кеңістікте электр өрісін жасайды. Бұл өріс басқа зарядталған денелерге әсер етеді. Электр өрісінің негізгі қасиеті - белгілі бір күшпен электр зарядтарына әсер ету. Осылайша, зарядталған денелердің өзара әрекеттесуі олардың бір-біріне тікелей әсер етуімен емес, зарядталған денелерді қоршап тұрған электр өрістері арқылы жүзеге асырылады.

Зарядталған денені қоршап тұрған электр өрісін сынақ заряды деп атауға болады - зерттелетін зарядтардың айтарлықтай қайта бөлінуін тудырмайтын кішкентай нүктелік заряд.

Электр өрісін сандық анықтау үшін электр өрісінің кернеулігінің күштік сипаттамасы енгізіледі.

Электр өрісінің күші - бұл кеңістіктің берілген нүктесіне орналастырылған оң сынақ зарядына әсер ететін күштің осы зарядтың шамасына қатынасына тең физикалық шама:

$E = \frac{F}{q}$

Электр өрісінің кернеулігі-векторлық физикалық шама. Кеңістіктің әр нүктесіндегі вектордың бағыты оң сынақ зарядына әсер ететін күш бағытымен сәйкес келеді.

Уақыт өте келе қозғалмайтын және өзгермейтін зарядтардың электр өрісі электростатикалық деп аталады. Көптеген жағдайларда, қысқаша айтқанда, бұл өріс Жалпы терминмен - электр өрісімен белгіленеді

Егер сынақ зарядының көмегімен бірнеше зарядталған денелер тудыратын электр өрісі зерттелсе, онда алынған күш әр зарядталған дененің жағында жеке-жеке сынақ зарядына әсер ететін күштердің геометриялық қосындысына тең болады. Демек, кеңістіктің белгілі бір нүктесінде зарядтар жүйесі шығаратын электр өрісінің күші зарядтардың бір нүктесінде жеке-жеке пайда болатын электр өрістерінің кернеулерінің векторлық қосындысына тең:

$\overrightarrow{E} = \overrightarrow{E_{1}} + \overrightarrow{E_{2}} + \ldots.$

Электр өрісінің Бұл қасиеті өрістің суперпозиция принципіне бағынатындығын білдіреді.

Кулон Заңына сәйкес, одан r қашықтықта Q нүктелік заряды нәтижесінде пайда болатын электростатикалық өрістің кернеуі модульге тең

$E = \frac{1}{4\pi\varepsilon} \bullet \frac{Q}{r^{2}}$

Бұл өріс кулоновский деп аталады. Кулон өрісінде вектордың бағыты зарядтың Q белгісіне байланысты: егер Q > 0 болса, онда вектор зарядтың радиусына бағытталған, егер Q < 0 болса, онда вектор зарядқа бағытталған.

Электр өрісін көрнекі түрде бейнелеу үшін қуат сызықтары қолданылады. Бұл сызықтар вектордың бағыты әр нүктеде тангенстің күш сызығына бағытына сәйкес келетін етіп жасалады (сурет. 1. 2. 1) . Электр өрісін күш сызықтарын қолдана отырып бейнелеген кезде олардың тығыздығы өріс күші векторының модуліне пропорционалды болуы керек.

Сурет 1. 2. 1.

Электр өрісінің күш сызықтары

Суретте оң және теріс нүктелік зарядтардың кулондық өрістерінің күш сызықтары көрсетілген. 1. 2. 2. Себебі кез-келген заряд жүйесі жасаған электростатикалық өріс суретте көрсетілген кулондық нүктелік зарядтардың өрістерінің суперпозициясы түрінде ұсынылуы мүмкін. 1. 2. 2 өрістерді кез-келген электростатикалық өрістің қарапайым құрылымдық бірлігі ("кірпіш") ретінде қарастыруға болады.

Сурет 1. 2. 2.

Кулон өрістерінің күш сызықтары

$q$ зарядының Кулон өрісі векторлық түрде жазуға ыңғайлы. Ол үшін радиус векторын Q зарядынан бақылау нүктесіне дейін жүргізу керек. Содан кейін Q > 0 кезінде вектор параллель, ал Q < 0 кезінде Вектор параллель болады, сондықтан оны жазуға болады:

$\overrightarrow{E} = \frac{1}{4\pi\varepsilon} \bullet \frac{Q}{r^{3}}\overrightarrow{r}$

мұндағы r-радиус-Вектор модулі .

Суреттегі өрістердің суперпозиция принципін қолдану мысалы ретінде электрлік диполь өрісінің күш сызықтарының суреті -белгілі бір қашықтықта орналасқан q және-q әр түрлі белгілерінің бірдей екі зарядының жүйесі.

Электрлік диполь өрісінің күш сызықтары

$\overrightarrow{E} = \overrightarrow{E_{1}} + \overrightarrow{E_{2}}$

Электрлік диполдың маңызды сипаттамасы диполь моменті деп аталады:

$\overrightarrow{P} = \overrightarrow{l}q$

Мысалы, бейтарап су молекуласы (H2O) электрлік диполь моментіне ие, өйткені екі сутегі атомының орталықтары оттегі атомының центрімен бір түзу сызықта емес, 105° бұрышта орналасқан (сурет. 1. 2. 4) . Су молекуласының диполь моменті p = 6, 2 * 10-30 Кл · М.

сурет. 1. 2. 4

Көптеген электростатикалық мәселелерде электр өрісін берілген зарядтардың таралуы арқылы анықтау қажет. Мысалы, ұзын біртекті зарядталған жіптің электр өрісін табу керек (сурет. 1. 2. 5) одан R қашықтықта.

сурет. 1. 2. 5

P бақылау нүктесіндегі өрісті жіптің Δx кішкентай элементтері құрған кулон өрістерінің суперпозициясы түрінде ұсынуға болады, τΔx заряды бар, мұндағы τ - жіптің бір ұзындыққа заряды. Тапсырма элементар өрістерді қорытындылауға (біріктіруге) дейін азаяды, нәтижесінде алынған өріс тең болады.

$E = \frac{\tau}{2\pi\varepsilon R}$

Электр өрісінің кернеулігі кеңістіктегі кез келген нүктенің электр өрісінің күйін сипаттау үшін енгізілген физикалық шама болып, электр өрісінің күштік қасиетін береді.

Кеңістіктің белгілі бір нүктесіне бір сынақ зарядын енгізіп, оған әсер ететін өріс күшінің бар-жоқтығын білу арқылы сол орында электр өрісінің бар-жоқтығын анықтай аламыз. Сондай-ақ, өрістің зарядқа берген электр өріс күшінің шамасы және бағытын анықтау арқылы осы нүктедегі электр өрісінің жағдайын да білуге болады. Кеңістіктің белгілі бір нүктесіндегі электр өрісініңкүйін анықтау үшін әдетте заряды өте аз болатын нүктелік зарядты сынақ заряды ретінде электр өрісіне енгіземіз. Тәжірибелердің нәтижесінен сынақ заряд q0-ге әсер ететін F электр өріс күшінің шамасы мен бағыты q0 зарядының шамасы мен таңбасына тәуелді болатындығы дәлелденді. Электр өріс күшінің шамасы сынақ зарядының шамасына тура пропорционал, ал бағыты сынақ зарядының таңбасына байланысты өзгеріп отырады. Сондай-ақ, электр өріс күші мен сынақ зарядының қатынасының $\frac{F}{q}$ шамасы және бағыты сынақ зарядына тәуелді болмай, тек сынақ заряды орналасқан нүктедегі электр өрісінің күйіне ғана тәуелді болады. Сондықтан біз осы қатынас арқылы электр өрісінің күйін сипаттаймыз және оны элекр өрісінің кернеулігі деп атаймыз. Әдетте ол E мен белгіленеді

Бұл өрнектен көретініміз: электр өрісінің кез келген нүктесіндегі электр өріс кернеулігінің шамасы осы өріске енгізілген сынақ заряд ұшыраған электр өріс күші мен сынақ зарядының қатынасына тең болады. Электр өрісінің кернеулігі электр өріс күші сияқты вектор болғандықтан, тек шамасына ғана емес, бағытына да көңіл бөлуге тура келеді. Оң нүктелік заряд белгілі бір электр өрісінде тебілу күшінің әсеріне ұшырайтын болса, онда ол электр өрісі сөзсіз оң зарядтан пайда болады. Электр өріс кернеулігінің бағыты өрісті тудырған оң зарядтан басталып сыртқа қарай бағытталады. Ал енді оң заряд белгілі бір электр өрісінде тартылыс күштің әсеріне ұшыраса, онда электр өрісін тудырушы заряд сөзсіз теріс заряд болады. Бұл кезде электр өріс кернеулігінің бағыты өрісті тудырушы теріс зарядқа қарай бағытталған болады. Әдеттегі жағдайда электр өрісінің әрбір нүктесіндегі электр өріс кернеулігінің шамасы мен бағыты бірдей болмауы мүмкін. Ал кейбір ерекше жағдайда, электр өрісінің белгілі бір аумағы ішіндегі кез келген нүктелердегі электр өріс кернеулігінің шамасы мен бағыты да бірдей болуы мүмкін. Мұндай электр өрісі біртекті электр өрісі деп аталады. Мысалы, аудандары өте үлкен бір-біріне өте жақын орналасқан екі жазық металл пластинка зарядтары бірдей әр аттас зарядтармен зарядталған болса, онда олардың арасындағы электр өрісі біртекті өріс болып саналады. Электр өріс кернеулігінің өлшем бірлігіне Н/Кл, не тарихи орын алған В/м қолданылады. Егер де кейбір нүктеде өріс кернеулігі белгілі болса, онда осы нүктеге орналастырылған электр зарядына q әсер етуші күшті F анықтауға болады:

$F = qE$

Электр өрісі мен электр өріс кернеулігі арасындағы айырмашылықтар.

Электр өрісі мен электр өрісінің кернеулігін зерттеген кезде төмендегі түсініктер бойынша қателеспеуге көңіл бөлгеніміз жөн.

Электр өрісінің кернеулігі электр өрісінің тек өзіне ғана тән қасиеті болып, q0 сынақ зарядын электр өрісіне енгізумен еш байланысы жоқ.

Электр өрісі кернеулігінің анықтамасын енгізген кезде q0 сынақ заряды мен ол ұшыраған электр өріс күші F-ті қолдандық. Осы екі шама арқылы электр өріс кернеулігінің анықтамасын (1) - ші өрнекте көрсетілгендей етіп бердік. Осы өрнек бойынша студенттер арасында “электр өрісінің кернеулігі сынақ заряд ұшыраған электр өріс күшіне тура пропорционал, ал сынақ зарядының шамасына кері пропорционал болады” деп айтқандары да жоқ емес. Әрине, бұл мүлде қате түсінік. Жоғарыдағы (1) -ші өрнекте пішіні жағынан $q_{0}$ сынақ заряды қамтылғанымен, бірақ $\frac{F}{q_{0}}$ қатынасының шамасы шындығында $q_{0}$ сынақ зарядына байланысты емес. Ол тек электр өрісін тудырушы зарядпен және оған байланысты салыстырмалы орнымен анықталады.

Электр өрісінің кернеулігі мен электр өріс күші бір-біріне байланысты және бір-бірінен айырмашылығы бар екі түрлі физикалық үғым болып табылады. Олар бір-бірімен тығыз байланысты болғандықтан, әдетте бұл екі ұғымды бірдей деп қарайтындар да жоқ емес. Электр өрісінің кернеулігі электр өріс күшінің себебінен заряд күштің әсеріне ұшырауы негізінде енгізілді және ол электр өрісінің күштік қасиетін сипаттайды. Сондай-ақ, электр өрісінің кернеулігі сынақ зарядын электр өрісіне енгізу арқылы ол ұшыраған электр өріс күшінің шамасы мен бағыты арқылы анықталады. Электр өрісінің кернеулігі электр өрісінің өзіне ғана тән қасиет болғандықтан электр өрісін тудырушы зарядқа және онымен байланысты салыстырмалы орнына тәуелді болып, электр өрісіне енгізілген сынақ зарядымен еш байланысы жоқ. Ал электр өріс күші электр өрісін тудырушы зарядының қасиетіне және онымен байланысты салыстырмалы орнына байланысты ғана болып қалмастан, электр өрісіне енгізілген зарядтың қасиетіне де байланысты болады.

Берілген электр өрісі туралы айтқанда, зарядының шамалары бірдей емес және зарядының таңбасы да әртүрлі екі зарядты электр өрісінің белгілі бір нүктесіне орналастыратын болсақ, ол екі зарядтың ұшыраған электр өріс күштері бірдей болмайды. Бірақ бұл нүктедегі электр өрісінің кернеулігі екі заряд үшін де бірдей, тұрақты болып қала береді.

Кернеуліктің бірлігі ретінде Ньютонның кулонға қатынасы Н/Клалынады. $E = \frac{F}{q}$ осы өрнектен кернеулік электр өрісінің күштік сипаттамасы болып абылатынын көреміз. Расында да, Е кернеулік q=1Кл болғанда F күшке тең. Ендеше кернеуліктің кез келген нүктесіндегі бағыты үшін де осы нүктедегі оң сынақ зарядына өрістің әрекет ететін күшініңбағыты алынады.

q оң зарядтың кернеулік векторы зарядтан сыртқа қарай түзу бойымен бағытталады.

Егер q заряд теріс болса, онда кернеулік вектор зарядқа қарай бағытталады.

М. Фарадейдің ұсынысы бойынша электр өрісін кернеулік сызықтарымен, басқаша айтқанда, күш сызықтарымен көрнекі түрде кескіндеу қабылданған. Мысалы, нүктелік зарядтардың электр өрісі, алдындағы сурет бойынша радиалдық күш сызықтарымен бейнеленеді.

Күш сызықтарының бағыттары үшін өріс кернеулігі векторларының бағыттары алынады. Сондықтан оң зарядтың күш сызықтарының бағыты зарядтан сыртқа қарай, ал теріс зарядтың күш сызықтары зарядқа қарай бағытталады.

Электр өрісінің күш сызықтары қисық сызықтармен кез-келген нүктесіндегі электр өрісінің кернеулігі осы нүкте арқылы жүргізілген жанама бойында жатады .

Қисықтаң кез-келген нүктесі арқылы жүргізілген жанама өрістің кернеулік векторының бағыттарына сәйкес келетін сызықтарды күш сызықтары (кернеулік сызықтары) деп атаймыз.

Белгілі бір аймақта электр өрісінің кернеулігі жоғары болған сайын ол жердегі өрістің күш сызықтары тығызырақ орналасады. Расында да, нүктелік зарядқа жақын жерлерде өріс кернеулігі күштірек болғандықтан, күш сызықтары да жиірек орналасқан. Бұл шарт екі немесе одан да көп зарядтар жүйесінің электр өрісін кескіндеу кезінде де орындалады .

Күш сызықтарын көрнекі етіп көрсету үшін металл пластинкалары орнатылған шыны бетіне гипосульфиттің ұсақ үгінділерін себейік. Пластинкалар зарядталған кезде оны жайлап қозғасақ үгінділер электр өрісінің күш сызықтарының бойымен орналасады .

Біртекті өріс электр өрісінің жеке жағадайы болып саналады. Егер электр өрісі кернеулігінің векторы * E * өрістің барлық нүкте жерінде бірдей (F= const) болса, ондай өрісті біртекті деп атайды. Біртекті элекр өрісін жақын орналасқан параллель екі пластинаның арасында алуға болады. Ол үшін пластиналарды абсолют мәндері тең әр аттас зарядтармен біркелкі зарядтау керек .

Cуретте параллель пластиналардың арасындағы электр өрісінің күш сызықтары көрсетілген. Пластиналар арасындағы кңістікте біртекті элекр өрісі пайда болады. Шынында да, осы бөліктегі өріс кернеулігі векторларының модульдері де, бағыттары да бір-біріне тең, яғни $E = cons$

Электр өрісінің өзіне тән бірқатар қасиеттері бар .

1. Зарядтар жүйесінің электростатикалық өрісінің күш сызықтары тұйықталмаған. Өйткені олар оң зарядтарда басталып, теріс зарядтарда аяқталады .

2. Жеке зарядтардың күш сызықтары зарядтан шексіздікке кетеді немесе шексіздіктен зарядқа келеді.

3. Электр өрісінің күш сызықтары қиылыспайды. Мұндай қорытынды тәжірибе нәтижелерінен туындайды. Расында да, өрістің кез келген нүктесінде * E * векторының бір ғана бағыты бар. Олай болса, кез келген нүктеде де күш сызықтары қиылыспайды, кері жағдайда *E * векторының нақ сол нүктеде бірнеше бағыты болған болар еді.

Заряд орын ауысьырғанда электр өрісінің жасайтын жұмысызаряд траекториясының пішініне тәуелсіз болады. Ол тек зарядтың бастапқы және соңғы орындарына ғана тәуелді.

Егер B нүктесіне q оң зарядты орналастырсақ, онда өріс оған $F = qE$ күшпен әрекет етеді.