Физика пәнінен дәріс сабақтарының мән жазбалары
Дәріс№1 Кіріспе
Дәріс № 2 Тақырыбы: Электростатика
Дәріс № 3 Тақырыбы: Электр өрісінің потенциалы
Дәріс № 4 Тақырыбы: Диэлектриктердегі электр өрісі
Дәріс № 6 Тақырыбы: Электростатикалық өрістің энергиясы
Дәріс № 7 Тақырыбы: Тұрақты электр тогы
Дәріс № 8 Тақырыбы: Қатты денелерді жіктеу. Металдардағы тоқтың табиғаты
Дәріс № 9 Тақырыбы: Электролиттердегі ток
Дәріс № 10 Тақырыбы: Магнит өрісі
Дәріс № 11 Тақырыбы: Заттың магниттік қасиеттері
Дәріс № 12 Тақырыбы: Электр магниттік индукция
Дәріс № 13 Тақырыбы: Электр магниттік өріс
Дәріс № 14 Тақырыбы: Квазистационар тоқтар. Электр тербелістер
Дәріс № 15 Тақырыбы: Электромагниттік толқын
Дәріс № 2 Тақырыбы: Электростатика
Дәріс № 3 Тақырыбы: Электр өрісінің потенциалы
Дәріс № 4 Тақырыбы: Диэлектриктердегі электр өрісі
Дәріс № 6 Тақырыбы: Электростатикалық өрістің энергиясы
Дәріс № 7 Тақырыбы: Тұрақты электр тогы
Дәріс № 8 Тақырыбы: Қатты денелерді жіктеу. Металдардағы тоқтың табиғаты
Дәріс № 9 Тақырыбы: Электролиттердегі ток
Дәріс № 10 Тақырыбы: Магнит өрісі
Дәріс № 11 Тақырыбы: Заттың магниттік қасиеттері
Дәріс № 12 Тақырыбы: Электр магниттік индукция
Дәріс № 13 Тақырыбы: Электр магниттік өріс
Дәріс № 14 Тақырыбы: Квазистационар тоқтар. Электр тербелістер
Дәріс № 15 Тақырыбы: Электромагниттік толқын
Электр және магнетизм түралы түсініктердің бастамасы Ежелгі Грециядан таралады. Үйкелген янтарьдың және баска заттардың жеңіл заттарды өзіне тартү құбылысы адамдарға өте ертеден белгілі болатын. Магнит те адамдарға өте ерте заманнан белгілi болатын. Магниттің навигация мақсатында пайдаланылүы оған деген мүқтаждықты арттырды. Магнитті тәжірибе жүзінде алғаш зерттеген француз ғалымы П.Перегринус (1296 жылы) болды. Ол магниттң полюстері болатынын, аттас полюстерінің 6ip-6ipінeн тебілетінін, әр аттас полюстерінің 6ip-6ipінe тартылатынын, ал полюстерді 6ip-6ipiнeн ажыратып бөліп тастауға болмайтынын анықтады.
XV—XVI ғасырларда теңізде жүзү iciнiң қауырт дамуына байланысты компастың қасиеті жан-жақты зерттелді. XVI ғасырдың соңына қарай магнетизм жайлы тәжірибелі едәүір материалдар жинақталды. Электр жайындағы түсініктер бүл кезде өте жүтаң еді.
Электр және магнит құбылыстарын алғаш рет толық, сипаттаған ағылшын ғалымы У. Гильберт болды. Ол өзінің 1600 жы¬лы жарық, көрген «Магнит туралы» кітабында янтарьдан басқа да көптеген заттардың үйкелгенде тартү құбылысына ие болатындығын айтқан. Әлектрлік тебіліс құбылысы оған беймәлім болды. Ол өзінің тәжірибелері мен байқаулары нәтижесінде Жер шары ғаламат үлкен магнит деген ғылыми болжам ұсынды.
Гильберттен кейін де көптеген ғалымдар жер магнитизімін зерттеді. Электр құбылысын зерттеү жұмысы ғасырға жуық, уақыт ұмыт қалды. Электр күштерi түciнiкciз және олардың ic жүзінде пайдаланылуы мүмкіндігі беймәлім болды. Сол себепті мұны жүйелі түрде зерттеүге ынта да болмады.
XVIII ғасырдың басында ашылған жаңалықтар электр құбылыстары жайындағы сол кезге дейін қалыптасқан көзқарасты өзгертуге ықпал жасады. Ceбeбi XVII ғасырдың соңында электр машинасы жасалған болатын. Осы жаңалықтың, нәтижесінде тәжірибе жүргізу ауқымы кеңейді. 1729 жылы ағылшын ғалымы С. Грей заттардың өткізгішке және диэлектрикке (изоляторға) бөлінетіндігін анықтады. Көп ұзамай-ақ 1733 жылы француз ғалымы Ш. Дюфе оң және тepic электр зарядтарының болатынын және аттас электр зарядтардың бip-бipімeн тебілетіндігін, ал әр аттас электр зарядтардың бip-бipінe тартылатындығын ашты.
XVIII ғасырдың орта шенінде, электр құбылыстарына деген қызығушылық арта түсті. Күшті электр разрядтары электр ұшқыны мен найзағайдың арасындағы ұқсастықтың бар екендігіне түрткі болды. Б.Франклиннің, М.В.Ломоносовтың, Г.В.Рихманның 1752 жылдары жасаған тәжірибелері найзағайдың электрлік табиғаты болатынын дәлелдеді. Жай кайтарғыштың жасалуы электр жайындағы ілімінің ic жүзінде алғаш рет қолданылуы еді. Сол кездің өзінде, электрлену, емдік мақсаттарға пайдаланыла бастады. Осындай жайттар электрге деген ынтаны жандандыра, онымен айналысатын зерттеушілер санын көбейте түcтi. Электрленудің маңызы магнитизмнен кем еместігі белгілі болды. 1759 жылы ағылшынның жаратылыс танушы ғалымы Р.Симмер электрдің табиғаты жайындағы өз болжамын үсынды. Ол Ш. Дюфенің идеясын дамыта отырып әдеттегі жағдайда кез келген затта тең мөлшерде eкi түрлі электр заряды болады, олар бip-бipiнің әсерін бейтараптандырады, ал электрлеу нәтижесінде бip денедегі электр екінші денедегіден арта түседі деген корытынды жасады. Симмер болжамы злектрлік кұбылыстарды жақсы түсіндірді. 1759 жылы орыс ғалымы Ф.Эпинус ашкан электростатикалық индукция құбылысы бұл болжамды растай түcтi.
XVIII ғасырдың орта щеніне дейін электр жайында жүргізіліп келген тәжірибелер таза сапалық тұрғыда болды. 1745 жылы Г. В. Рихманның жасаған электрометрімен жүргізілген тәжірибелер сан сипатындағы тәжірибелердің алғашкы қадамы болды. 1784 жылы француз ғалымы Ш.Кулон ойлап тапқан дәлдігі жоғары иірілмелі таразының жасалуы тәжірибелік техниканың дамуындағы елеулі кезең болды. Бұл құрал магниттер- мен электр зарядтарының өзара әсерлесу заңдылықтарын ашуға жағдай жасады.
XV—XVI ғасырларда теңізде жүзү iciнiң қауырт дамуына байланысты компастың қасиеті жан-жақты зерттелді. XVI ғасырдың соңына қарай магнетизм жайлы тәжірибелі едәүір материалдар жинақталды. Электр жайындағы түсініктер бүл кезде өте жүтаң еді.
Электр және магнит құбылыстарын алғаш рет толық, сипаттаған ағылшын ғалымы У. Гильберт болды. Ол өзінің 1600 жы¬лы жарық, көрген «Магнит туралы» кітабында янтарьдан басқа да көптеген заттардың үйкелгенде тартү құбылысына ие болатындығын айтқан. Әлектрлік тебіліс құбылысы оған беймәлім болды. Ол өзінің тәжірибелері мен байқаулары нәтижесінде Жер шары ғаламат үлкен магнит деген ғылыми болжам ұсынды.
Гильберттен кейін де көптеген ғалымдар жер магнитизімін зерттеді. Электр құбылысын зерттеү жұмысы ғасырға жуық, уақыт ұмыт қалды. Электр күштерi түciнiкciз және олардың ic жүзінде пайдаланылуы мүмкіндігі беймәлім болды. Сол себепті мұны жүйелі түрде зерттеүге ынта да болмады.
XVIII ғасырдың басында ашылған жаңалықтар электр құбылыстары жайындағы сол кезге дейін қалыптасқан көзқарасты өзгертуге ықпал жасады. Ceбeбi XVII ғасырдың соңында электр машинасы жасалған болатын. Осы жаңалықтың, нәтижесінде тәжірибе жүргізу ауқымы кеңейді. 1729 жылы ағылшын ғалымы С. Грей заттардың өткізгішке және диэлектрикке (изоляторға) бөлінетіндігін анықтады. Көп ұзамай-ақ 1733 жылы француз ғалымы Ш. Дюфе оң және тepic электр зарядтарының болатынын және аттас электр зарядтардың бip-бipімeн тебілетіндігін, ал әр аттас электр зарядтардың бip-бipінe тартылатындығын ашты.
XVIII ғасырдың орта шенінде, электр құбылыстарына деген қызығушылық арта түсті. Күшті электр разрядтары электр ұшқыны мен найзағайдың арасындағы ұқсастықтың бар екендігіне түрткі болды. Б.Франклиннің, М.В.Ломоносовтың, Г.В.Рихманның 1752 жылдары жасаған тәжірибелері найзағайдың электрлік табиғаты болатынын дәлелдеді. Жай кайтарғыштың жасалуы электр жайындағы ілімінің ic жүзінде алғаш рет қолданылуы еді. Сол кездің өзінде, электрлену, емдік мақсаттарға пайдаланыла бастады. Осындай жайттар электрге деген ынтаны жандандыра, онымен айналысатын зерттеушілер санын көбейте түcтi. Электрленудің маңызы магнитизмнен кем еместігі белгілі болды. 1759 жылы ағылшынның жаратылыс танушы ғалымы Р.Симмер электрдің табиғаты жайындағы өз болжамын үсынды. Ол Ш. Дюфенің идеясын дамыта отырып әдеттегі жағдайда кез келген затта тең мөлшерде eкi түрлі электр заряды болады, олар бip-бipiнің әсерін бейтараптандырады, ал электрлеу нәтижесінде бip денедегі электр екінші денедегіден арта түседі деген корытынды жасады. Симмер болжамы злектрлік кұбылыстарды жақсы түсіндірді. 1759 жылы орыс ғалымы Ф.Эпинус ашкан электростатикалық индукция құбылысы бұл болжамды растай түcтi.
XVIII ғасырдың орта щеніне дейін электр жайында жүргізіліп келген тәжірибелер таза сапалық тұрғыда болды. 1745 жылы Г. В. Рихманның жасаған электрометрімен жүргізілген тәжірибелер сан сипатындағы тәжірибелердің алғашкы қадамы болды. 1784 жылы француз ғалымы Ш.Кулон ойлап тапқан дәлдігі жоғары иірілмелі таразының жасалуы тәжірибелік техниканың дамуындағы елеулі кезең болды. Бұл құрал магниттер- мен электр зарядтарының өзара әсерлесу заңдылықтарын ашуға жағдай жасады.
Физика пәнінен дәріс сабақтарының мән жазбалары.
Дәріс№1 Кіріспе
Мақсаты: Электр және магнетизмнің негізін түсіндіру.
Жоспар:
1. Электр және магнетизм табиғаты туралы көзқарастардың қалыптасуына қысқаша шолу
Кілттік сөздер: электр, магнетизм, Холл эффектісі, гестерезис.
1. Электр және магнетизм табиғаты туралы көзқарастардың қалыптасуына қысқаша шолу
Электр және магнетизм түралы түсініктердің бастамасы Ежелгі Грециядан таралады. Үйкелген янтарьдың және баска заттардың жеңіл заттарды өзіне тартү құбылысы адамдарға өте ертеден белгілі болатын. Магнит те адамдарға өте ерте заманнан белгілi болатын. Магниттің навигация мақсатында пайдаланылүы оған деген мүқтаждықты арттырды. Магнитті тәжірибе жүзінде алғаш зерттеген француз ғалымы П.Перегринус (1296 жылы) болды. Ол магниттң полюстері болатынын, аттас полюстерінің 6ip-6ipінeн тебілетінін, әр аттас полюстерінің 6ip-6ipінe тартылатынын, ал полюстерді 6ip-6ipiнeн ажыратып бөліп тастауға болмайтынын анықтады.
XV -- XVI ғасырларда теңізде жүзү iciнiң қауырт дамуына байланысты компастың қасиеті жан-жақты зерттелді. XVI ғасырдың соңына қарай магнетизм жайлы тәжірибелі едәүір материалдар жинақталды. Электр жайындағы түсініктер бүл кезде өте жүтаң еді.
Электр және магнит құбылыстарын алғаш рет толық, сипаттаған ағылшын ғалымы У. Гильберт болды. Ол өзінің 1600 жы - лы жарық, көрген Магнит туралы кітабында янтарьдан басқа да көптеген заттардың үйкелгенде тартү құбылысына ие болатындығын айтқан. Әлектрлік тебіліс құбылысы оған беймәлім болды. Ол өзінің тәжірибелері мен байқаулары нәтижесінде Жер шары ғаламат үлкен магнит деген ғылыми болжам ұсынды.
Гильберттен кейін де көптеген ғалымдар жер магнитизімін зерттеді. Электр құбылысын зерттеү жұмысы ғасырға жуық, уақыт ұмыт қалды. Электр күштерi түciнiкciз және олардың ic жүзінде пайдаланылуы мүмкіндігі беймәлім болды. Сол себепті мұны жүйелі түрде зерттеүге ынта да болмады.
XVIII ғасырдың басында ашылған жаңалықтар электр құбылыстары жайындағы сол кезге дейін қалыптасқан көзқарасты өзгертуге ықпал жасады. Ceбeбi XVII ғасырдың соңында электр машинасы жасалған болатын. Осы жаңалықтың, нәтижесінде тәжірибе жүргізу ауқымы кеңейді. 1729 жылы ағылшын ғалымы С. Грей заттардың өткізгішке және диэлектрикке (изоляторға) бөлінетіндігін анықтады. Көп ұзамай-ақ 1733 жылы француз ғалымы Ш. Дюфе оң және тepic электр зарядтарының болатынын және аттас электр зарядтардың бip-бipімeн тебілетіндігін, ал әр аттас электр зарядтардың бip-бipінe тартылатындығын ашты.
XVIII ғасырдың орта шенінде, электр құбылыстарына деген қызығушылық арта түсті. Күшті электр разрядтары электр ұшқыны мен найзағайдың арасындағы ұқсастықтың бар екендігіне түрткі болды. Б.Франклиннің, М.В.Ломоносовтың, Г.В.Рихманның 1752 жылдары жасаған тәжірибелері найзағайдың электрлік табиғаты болатынын дәлелдеді. Жай кайтарғыштың жасалуы электр жайындағы ілімінің ic жүзінде алғаш рет қолданылуы еді. Сол кездің өзінде, электрлену, емдік мақсаттарға пайдаланыла бастады. Осындай жайттар электрге деген ынтаны жандандыра, онымен айналысатын зерттеушілер санын көбейте түcтi. Электрленудің маңызы магнитизмнен кем еместігі белгілі болды. 1759 жылы ағылшынның жаратылыс танушы ғалымы Р.Симмер электрдің табиғаты жайындағы өз болжамын үсынды. Ол Ш. Дюфенің идеясын дамыта отырып әдеттегі жағдайда кез келген затта тең мөлшерде eкi түрлі электр заряды болады, олар бip-бipiнің әсерін бейтараптандырады, ал электрлеу нәтижесінде бip денедегі электр екінші денедегіден арта түседі деген корытынды жасады. Симмер болжамы злектрлік кұбылыстарды жақсы түсіндірді. 1759 жылы орыс ғалымы Ф.Эпинус ашкан электростатикалық индукция құбылысы бұл болжамды растай түcтi.
XVIII ғасырдың орта щеніне дейін электр жайында жүргізіліп келген тәжірибелер таза сапалық тұрғыда болды. 1745 жылы Г. В. Рихманның жасаған электрометрімен жүргізілген тәжірибелер сан сипатындағы тәжірибелердің алғашкы қадамы болды. 1784 жылы француз ғалымы Ш.Кулон ойлап тапқан дәлдігі жоғары иірілмелі таразының жасалуы тәжірибелік техниканың дамуындағы елеулі кезең болды. Бұл құрал магниттер- мен электр зарядтарының өзара әсерлесу заңдылықтарын ашуға жағдай жасады.
Итальян ғалымдары Л.Гальванидің 1789 жылы, ал А.Вольтаның 1792 жылы жасаған тәжірибелері негізінде гальвани эле - менті табылды және 1800 жылы электр тоғы анықталды. Электр батареяларымен жүргізілген тәжірибелік жұмыстар бірқатар жаңалық ашуға түрткі болды.
Ағылшын зepттeyшiлepi А.Карлейль мен В.Никольсон гальвани тоғы судан өткен кезде, оны сутегі мен оттегіне ыдырататынын анықтады. Физика мен химияның арасында бip-бipiн байытатын байланыстар орнатылды. Электрдің практикалық маңызы арта түсті. 1802 жылы орыс ғалымы В.В.Петров электр доғасын ашты. Бұл жаңалық тоқтың жылулық әcepiн пайдаланудың жаңа саласына бастама болды.
Кезінде У.Гильберт магниттік күштерді электрлік күштерге қарама-қарсы қойған болатын. Бұл көзқарас ғылымда ұзак уақыт үстемдік eттi. 1820 жылы дат ғалымы X.Эрстед электр тоғының магнит стрелкаға әсерін ашты. Бұл жаңалык, электр теориясындағы жаңа тарау -- тоқтың магниттік қасиеті жайын - дағы ілімнің бастамасы болды. Электр тоғын зерттеу жұмыстарының нәтижесінде: егер өткізгіш спираль болып оралатын болса, онда тоқтың магниттік қасиетінің күшейетіні анықталды. Бұл жаңалық тоқ шамасын өлшейтін электромагниттік өлшеуіштер жасау мүмкіншілігін тудырды.
1820 жылы француз ғалымдары Ж.Био және Ф.Савар түзу өткізгіштің электр тоғының магнитке әсерін ашты. Ал бұлардың отандасы П.Лаплас олардың зерттеуін кез келген пішінді өткізгiш үшін жалпылады. Осылайша тоқтың магнит өpiciнің кернеулігін анықтайтын Био - Савар - Лаплас заңы ашылды. Сол кезде А.Ампер маңызды жаңалык ашты. Ол екі токтың өзара әсерлесу күшін анықтайтын заңды ашты. Тоғы бар орамның жазық магнитке ұқсас болатынын анықтады. Осы тәжірибе негізінде А. Ампер магнетизмнің электрлік табиғаты жайында болжам жасады. Сыры тек XX ғасырда ғана анықталған ғылыми болжам -- молекулалық токтар жайындағы болжам осылай - ша дүниеге келді
Электр жөніндегі зерттеулер үшін 1827 жылы неміс ғалымы Г.Ом ашқан әpi оның eciмiмeн аталған заңның манызы зор бол - ды. Сол кезеңде ағылшын ғалымы М.Фарадей екі жаңалық, яғни 1831 жылы электромагниттік индукция құбылысын, ал 1834 жы - лы электролиз заңдарын ашты. Бұл жаңалықтар электрдің көптеген техникалық қолданыстарының теориялық нeгiзі болды. Орыс ғалымы Ә.X.Ленцтің электромагниттік индукция жөнін - дегі зерттеулері (Ленц ережесі) мен токтың жылулық әсеріне арналған заңды (Джоуль -- Ленц заңы) ашуы электрленуді ic жүзінде пайдалануға жағдай туғызды.
Ертеден-ақ электрлік және магниттік күштердің әсерлесуші денелер арасындағы кeңicтiктi алып жаткан орта арқылы әсер ететіндігі тәжірибе жүзiндe белгілі болатын. Ф.Эпинус 1759 жы - лы магнит өpicінің күш сызықтары туралы ұғым калыптастырса, 1830 жылдары М.Фарадей өpic ұғымын енгізді, 1845 жылы магнит өpici терминін ұсынды.
М.Фарадейдің ойынша магниттің немесе электр зарядының айналасындағы заттарға тікелей магнит полюсі не электр заря - ды емес, бұлармен байланысқан күш сызықтары әсер ететін бол - ды. Бұл жайт М. Фарадейдің жақын аралықтан әсер ету теориясы еді. Осы теория бойынша денелер арасындағы әсер айнала қоршаған орта арқылы белгілі 6ip жылдамдықпен таралатын болды.
XIX ғасырдың 60 жылдары ағылшын ғалымы Д. Максвелл Фарадейдің электр және магнит өpicтepi жайындағы ілімің жалпылап электромагнитік өpicің ортақ теориясын жасады. Д. Максвеллдің теориясы бойынша өзгермелі магнит және электр өpiстepi шекті бip жылдамдықпен таралады. 1887 жылы нeмic ғалымы Г. Герц тәжірибе жүзінде электромагнитік толқын шығарып, Д. Максвеллдің теориясының дұрыстырын дәлелдеді. Осы теорияны тәжірибе жүзінде негіздеуде орыс ғалымы П. Н. Лебедевтің 1901 жылы icкe асырған жарық сәулесінің қысымын анықтау жөніндегі тәжірибесінің маңызы зор болды. Орыс ғалымы А. С. Поповтың 1895 жылы ойлап тапқан радиосы электромагниттік толқындарды пайдалануға негізделді. Электромагнитік өрici зерттеу жөніндегі теориялық және тәжірибелік жұмыстар осы заманғы радио мен телевизияның радиолокацияның және басқа радиотехника салаларының шығыуына негіз болды.
Д.Максвеллдің теориясы электрді заттың ішкі құрылымымен байланыстыра алмады. Сондықтан бұл теория электролиз құбылысын, өpiстің заттармен әсерін және басқа құбылыстарды түсіндіруге жарамады. М. Фарадей ашқан электролиз құбылысы белгілі болғаннан кейін 1881 жылы неміс ғалымы Г. Гельмгольң электр зарядының ең кіші мөлшерінің болуы жайында болжам ұсынды. Осы кезеңнен бастап электрондық теория дамыды. Бұл теория термоэлектронды эмиссияны, вакуумдары электрон ағынын (катодтық сәуленің), фотоэффекттіні, радиоактивтік құбылыс - тарды түсіндіріп берді. Бұл құбылыстар заттар құрылысынын электрондық теориясының тәжірибелік негіздері болды. Ни - дерланды ғалымы X. Лоренң 1909 жылы электромагнитік өpic теориясын заттардың электрлік қасиеттерімен байланыстырды. Қaзipгi кезде оң және тepic электр зарядтарының жеке-жеке қарапайым электр бөлшектернен құралғаны анықталған. Қарапайым тepic зарядты тасушы бөлшек электрон, ал карапайым оң электр зарядты тасушы бөлшек позитрон деп аталған. Осы бөлшектердің және заряды жоқ бейтарап бөлшектердің қасиеттepi теориялық және тәжірибелік зерттеулердің объектілері болып табылады. XX ғасырдың алғашқы ширегінде электрондық түciніктep негізінде диэлектриктер мен магнетиктер теориясы дамытылды.
Бұдан кейінгі кезеңде жартылай өткізгіштер теория - сы өрістерді, қорытып айтқанда, электрлік құбылыстарды зерттеу нәтижесінде заттардың осы заманғы атомдық құрылымы жайын - дағы теория қалыптасты. Физиканың осы саладағы табыстары ядролық энергияны босату тәсілдерін ашуға, оптикалық кванттық генераторларды (немесе лазерлерді) жасауға мүмкіндік берді. Электр энергиясының адамзат қоғамындағы маңызы баршаға аян. Орыс ғалымдарының электрді техникалық мақсатта пайдалану жөніндегі еңбектері зор болды. Мысалы, гальвано - пластика, электрмен дәнекерлеу, электр шамы, электр двигателдер, радио және басқаларды орыс ғалымдары мен инженерлері ой - лап тапты әpi оларды ic жүзінде пайдаланды. Ядролық энерге - тика саласы мен кванттық генераторлар жөніндегі ғалым - дардың табыстары дүние жүзіне белгілі болып отыр.
Бақылау сұрақтары:
1. Электр және магнетизм түралы түсініктердің бастамасы қайдан басталды?
2. XV -- XVI ғасырларда қандай жаңалықтар ашылды?
3. XIХ ғасырларда қандай зерттеулер жүргізілді?
Әдебиеттер:
1. Волькенштейн А.С. Сборник задач по общему курсу физики, Санкт-Петербург, Книжный мит,2005.
2. Калашников С.Г. Электричество, М.: Наука, 1970.
3. Парселл Э. Берклеевский курс физики, т.2-Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986.
4. Детлаф А.А. және басқалар. Физика куросы., т.1. М.: ВШ.2000.
5. Зисман Р.А. және басқалар. Физика курсы, т. 1. М.: наука, 1984.
6. Путилов К.А. Физика курсы, т.1. М: Просвещение, 1992.
Дәріс № 2
Тақырыбы: Электростатика
Мақсаты: Электростатика негізін түсіндіру
Жоспар:
1. Электр заряды
2. Кулон заңы
3. Нүктелік зарядтың өріс кернеулігі, суперпозиция принципі
4. Кернеулік векторының ағыны
5. Остроградский -- Гаусс теоремасы
Кілттік сөздер: электр заряд, протон, атом, электрондар, өріс кернеулігі, суперпозиция
1. Электр заряды
Кейбір денелер (шыны, янтарь, эбонит т.с.с.) жібекпен, жүнмен т.б. үйкелетін (ысқыланатын) болса, жеңіл заттарды өзіне тартатыны тәжірибеден белгілі. Бүл жайт үйкеліс нәтижесінде денелерде артық әлектр зарядының пайда болуымен -- дененің зарядталуымен немесе электрленуімен түсіндіріледі. Тәжірибе аттас зарядтардың 6ip-6ipiнeн тебілетінін, ал әр аттас зарядтардың 6ip-6ipiнe тартылатынын көрсетеді. Электр зарядтарының табиғатта қарапайым немесе элементар зарядталған бөлшектер түрінде кездесетіндігі қaзipгi кезде анықталган. Tepic зарядталған элементар бөлшек -- электрон. Электронның заряды е (е= -- 1,6 :: 10-19Кл) табиғатта белгілі ең кіші тepic заряд. Ең кiшi оң заряд -- протонның заряды {\р1 = = 1,6:: 10-19 Кл).
Зат атомдардан тұрады. Атомда оң зарядты ядро және мұны айналып козғалатын электрондар бар. Атом қосымша электрондар қосып алатын болса, онда тepic ион түзіледі. Қандай да 6ip денені зарядтаү npoцeci (денені электрлеу) белгілі 6ip мөлшер-дегі электрондарды немесе иондарды әлгі денеге беру (аүыстыру) не одан тасымалдау болып табылады.
Барлық денені өткізгіштерге және диэлектриктерге (изоляторларға) бөлуге болады. Қатты денеде атомдар 6ip-6ipiнe өте жақын (тығыз) орналасқан.
Изоляторларда еркін электрондар жоқ. Денелерді өткізгіштерге және изоляторларға бөлу шартты түрде алынған. Барлык 6eлгiлі заттар азды-көпті дәрежеде электр өткізеді. Мұның бәрі дене - ге әсер ететін жағдайларға (температураға, жарықталуға және т. с. с.) тәүелді болады.
Денені
а) үйкеліс арқылы;
б) ықпал (әсер) арқылы (электростатикалық индукция) электрлеуге болады.
Электростатика - лық индукция құбылысын былайша түсіндіруге болады. Егер бейтарап өткiзгiшкe мысалы, оң зарядталған дене жақындатылса, он - да өткізiштiк элек - трондар оған тартылады да, өткізгіштің оған жақын (таяу) ұшында тepic заряд пайда болады (1-сурет).
Электр зарядын кейде электр мөлшері деп те атайды. Электр мөлшерінің сақталу заңы физиканың нeгiзгi заңдарының 6ipi болып табылады. Сонымен:
1. Оң және тepic зарядтар бар. Аттас зарядтардың арасында 6ip-6ipiнeн тебілу күшi, ал әр аттас зарядтардың арасында өзара тартылыс күші пайда болады. Бұл күштер гравитациялық тартылыс күшiнeн әлдеқайда артық болады.
2. Зарядтың бөлінгіштік қacиетi бар, 6ipaқ та ол шексіз бөліне бермейді. Зарядтың элементар заряд деп аталатын ең аз мөлшepi (e) бар. Протон заряды 1р1 немесе позитрон заряды е+ оң зарядтың, ал электрон заряды е- теріс зарядтың ең аз мөлшері болып табылады.
Бipлiктepдiң халықаралық жүйeciндe
Бөлінгіштік белгілі болған жағдайда элементар зарядтар санын (Nbq) немесе зарядтың (q) өзін мына формүла бойынша табуға болады:
3. Түйық жүйеде зарядтардың алгебралық қосындысы түрақты шама болады:
Электр бейтарап жүйе үшiн const = 0 болса, оң заряд тepic зарядқа тең деген сөз.
2. Кулон заңы
1785 жылы Күлон иірмелі таразының жәрдемімен нүктелік за - ряд ұғымын, зарядтардың бөлінгіштiк қасиеттерін және тұйық жүйегі электр зарядының сақталу заңын пайдалана отырып мына заңды ашты:
Вакуумдағы нүктелік eкi зарядтың өзара әсерлесу күші заряд шамаларының көбейтіндісіне тура пропорционал, ал олардың арақашыктығының квадратына кepi пропорционал және де осы зарядтардың аралырын қосатын түзу сызықтың бойымен бағытталған болады. Бұл анықтама 2-суретте бейнеленіп мына формуламен өрнектеледі:
(1.3)
(
Бірліктердің халықаралық жүйесінде (БХЖ)
мүндагы абсолюттік диэлектрлік өтімділік деп аталады.
Тұйық жүйедегі оқшауланып алынған зарядқа әсер ететін корытқы күш әp6ip жеке зарядтың әcepi ескерілген күштердің геометриялық (векторлық) қосындысына тең.
3. Нүктелік зарядтың өріс кернеулігі, суперпозиция принципі
Эдектромагниттік өріс электр зарядымен байланысты болады. Тек осы өрістің нәтижесінде ғана зарядтар аралығындағы өзара әсер күші пайда болады. Бұған қоса бір зарядтың екінші зарядқа әсері шекті жылдамдықпен беріледі. Электромагниттік өріс - материяның ерекше түрі. Зарядталған денелер арасындағы өзара әсер күші осы өріс арқылы іске асырылады.Қозғалмайтын электр зарядтары электростатикалық өріс тудырады.
Сонымен, кернеулігі дегеніміз сан жүзінде q0 сыншы зарядына әсер етуші күштің осы зарядтың шамасына қатынасына тең болатын электр өрісінің сипаттамасы болады:
Е= (3.1)
Векторлық формасы F=q (3.2)
Бірліктердің халықаралық жүйесінде өріс кернеулігі өлшенеді.
Кулон заңын қолдануға болғандықтан ізделіп отырған Е= (3.3) формуласын аламыз. (3.3) өрнегі r нүктесіндегі өріс кернеулігінің шамасын анықтауға мүмкіндік береді.
Кез келген нүктедегі өpicтiң қорытқы кернеүлігі жеке-жеке зарядтың әрқайсысының түдыратын кернеуліктерінің геометриялық қосындысына тең болады:
--
Е кернеүлігшщ сан мәнi векторларды скаляр көбейту ережесін пайдалана отырып анықталады:
мұндағы
3- суретте сан мәнін табуға арналған векторлық диаграмма көрсетілген.
3- сурет
Фарадей өpicтi көрнекі турде көрсету ушін оны күш сызықтары арқылы кескіндеуді ұсынды. Бул сызық өpicтiң әрбір нүктeciндегі кернеулік векторы оған жанама болатын сызық болып табылады (4-сурет). Егер өзгедей зарядтар болмайтын болса, күш сызығы он зарядтан басталып шексіздікке кетеді. Егер өзгедей зарядтар болмайтын болса, күш сызығы шексіздіктен басталып тepic зарядқа келіп бітеді. (аяқталады.). Әр аттас зарядтар пары болатын жагдайда күш сызығы зарядтан басталып тepic зарядқа келіп аяқталатын болады.
Күш сызықтары 6ipтeктi және 6ipтeктi емес өрістің қасиетеpiн көрнекі түрде көрсетуге мүмкіндік жасайды. Егер кеңстіктiң кез келген нүктелеріндегі өpic кернеулігі Е бірдей болса, өpic бipтeктi болып табылады. Әр аттас зарядпен зарядталған екі параллель жазық пластинкалар аралығындағы өpic 6ipтeктi өpicкe мысал болады. Бул жағдайда өpic аралығы 6ipтeктi бо - латын параллель күш сызықтарымен кескінделіп көрсетіледі. Күш сызықтарының орналасуында осы айтылған тәсілден қандай да 6ip ауытқу болатын өpic біртекті емес өpicтi бейнелейді. Егер кeңicтiктiң кез келген нуктелеріндегі кернеулік бірдей болмаса, өpic 6ipтeкciз болып табылады.
4. Кернеулік векторының ағыны
Ауданды нормаль бағытында тесіп өтетін күш сызықтарының санын немесе және векторларының скаляр көбейтіндісін кернеулік векторының агыны деп атайды.
Бipтeктi өpicтe нормалі өpic векторы -мен бүрыш жасайтын жазық бет орналаскан дейік (4-сүрет).Сонда, ағынның анықтамасы бойынша ФЕ мынаған тең болады:
4-сурет
ФЕ = = Е S cos =EnS (4.1) Мұндағы En=Е cos-E-нің нормалі бағытына проекциясы. Егер бүрышы сүір (cos 0) болса, онда ағын оң болады, егер бүрышы доғал (cos 0) болса, онда ағын тepic болады. Егер бет тұйық болса, онда нормальдің оң бағыты ретінде сыртқы нормальдің бағыты таңдалып алынады.
5. Остроградский -- Гаусс теоремасы
Өpicтi +q нүктелік заряды тудырады дейік. Мұның айналасынан кез келген r радиүсты S1 сферасын сызайық. Осы сфералық беттен өтетін векторы ағынын есептейік.
ФЕ = (5.1)
Егер де бет зарядты камтымайтын болса (5-cypeттeгi SВ -6eтi), онда бетке eнeтiн (кipeтiн) және одан шығатын күш сызықтарының саны бірдей болады, ал тұйық беттен өте - тін толық ағын ФЕ =0.
S 6eтi q1, q2, ...,qN зарядтарының жиынтығын қамтитын болсын. Өpiстiң сүперпозициясы бойынша
S 6eTi qu q2, ..., ^лгзарядта-рыньщ жиынтырын камтитын болсын. (C)piCTin сүперпозиңия-сы бойынша
және
N
5- сурет
Тұйық бет арқылы өтетін кернеүлік векторының ағыны осы беттің iшiндe болатын зарядтардың алгебралық қосындысына пропорционал болады. Бұл тұжырым Остроградский -- Гаүсс теоремасы деп аталады.
Остроградский -- Гаүсс теоремасы арқылы кейбір дербес жағдайлардағы электр өpiciн есептеп табайық.
а) Бipкeлкi зарядталған шексіз беттің электр өpici.
(5.3)
б) Әр аттас зарядталган ( + және -- ; шексіз параллель екі жазықтықтың өpici. Бұл жағдайда зарядтар пластинкалардың ішкі беттерінде болады.
Е= (5.4)
Кез келген формалы зарядты есептеуге F=Eq формүласы пайдаланылады. Сонда (5.4) -өрнегін ескерсек,
F= - (5.5)
Бұдан қысымға арналған мына өрнек шығады
P= (5.6)
Бақылау сұрақтары:
1. Электрдің атомистік тұрғыдағы табиғаты дегеніміз не?
2. Кулон заңы, Электр өрісі, Өріс кернеулігін түсіндір.
3. Остроградский - Гаусс теоремасы нені анықтайды?
Әдебиеттер:
1. Калашников С.Г. Электричество, М.: Наука, 1970.
2. Парселл Э. Берклеевский курс физики, т.2-Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986.
3. Фейнман Р. И др. Фейнмановские лекции по физике, вып. 5- Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986
4. Иродов И.Е. Задачи по общей физике, М.: Наука, 1988.
5. Фриш С.Э. және басқалар. Жалпы физика курсы, т.1. Алматы.
Дәріс № 3
Тақырыбы: Электр өрісінің потенциалы
Мақсаты: Эквипотенциал беттер ұғымын түсіндіру
1. Электр өрісінің потенциалы
2. Нүктелік заряд тудыратын өрістің потенциалы
3.Потенциалға арналған өрістің суперпозиция принципі
4.Эквипотенциал беттер. Потенциал градиенті және өрістің кернеулігі
5.Зарядтарды тасымалдауда өріс күшінің істейтін жұмысы. Кернеулік векторының циркуляциясы.
6. Диполь өрісі және дипольдердің өзара әсері
7.Милликеннің электр зарядын анықтау жөніндегі тәжірибесі.
Сан мәні зарядты өpicтiң берілген нүктесінен шексіздікке дейін қозғаған кезде істелетін жұмыстың осы зарядтың шамасына катынасына тең болатын энергетикалық сипаттаманы электростатикалық өрістің потенңиалы деп атайды;
Бұл анықтама теория жүзіндегі анықтама болып табылады. Зарядты жер бетінен өpicтiң берілген нүктесіне дейін қозғаған кезде істелетін жұмыстың осы зарядтың шамасы - на катынасын электростатикалық өрістің потенңиалы деп атайды.
Зарядты өpicтiң потенңиалы 1 болатын нүктесіен потенңиа - лы 2 болатын нүктесіне дейін қозғаған кезде істелетін жұмыс - тың осы заряд шамасына қатынасын потенңиалдар айырымы (ф1 -- ф2) деп атайды:
(6.2)
7. Нүктелік заряд тудыратын өрістің потенциалы
-дің r-ге тәүелділігінің графигі гиперболамен кескінделеді. Зарядтың таңбасына тәүелсіз r кезде болады. Егер q0 болса, r0 кезде болады. Егер де q0 болса, онда r0 кезде болады.
8. Потенциалға арналған өрістің суперпозиция принципі
Потенңиалдарды кабаттастырүдың (беттестірудің) мына принңишн колданү керек: өpicтiң кез келген С нүктесіндегі қорытқы потенциалы жүйенің әp6ip нүктелік заряды-ның жеке-жеке түдыратын потенциалдарының алгебралық қосындысына тең
9. Эквипотенциал беттер. Потенциал градиенті және өрістің кернеулігі
Электр өрісінде нүктелерінің потенңиалдары бірдей болатын бет сызуға болады. Мұндай беттер потенңиалдары 6ipдeй беттер немесе эквипотенңиал беттер деп аталады (6-сурет).
6-сурет
Өрістің потенциалы күш сызығының бойындағы потенңиалдың 6ip өлшемге кемуі (азаюы) бойынша өлшенеді Минүс таңбасы кернеүліктің әрқашан потенциалдың кему бағытына бағытталатынын көрсетеді.
10. Зарядтарды тасымалдауда өріс күшінің істейтін жұмысы. Кернеулік векторының циркуляциясы.
Электростатикалық өрістің потенциалдық сипаттамасы xyz санак жүйесінің басында кез келген формалы +q заряды орналасқан деп жориық. Бүл заряд А мен В нүктелерінде 1 және 2 потенңиалдарын түдырады. Бұлардағы қозғалатын q0 зарядының сәйкес түрде W1= q0 1 және W2 = q02 потенциалдық энергиялары болады. Зарядты сыртқы өpic әcepi арқылы қозғау потенңиалдық энергияның кему бағытында ғана жүзеге асуы мүмкін. Сондықтан энергияның сақталу заңы бойынша қозғау жұмысы потенңиалдық энергияның кемуіне тең болды:
А=W1 - W2=W=-q0(
Электростатикалық өpicтeгi зарядты қозғау кезінде электрлік күштің icтeйтiн жұмысы заряд шамасын потенциал шамасының кемуіне көбейткенге тең.
Сондыктан энергияның өзrepici нөлге тең:
Элементар бөлшектердің -- электрондардың (протондардың) энергиясы эВ-пен (электрон-вольт) өлшенеді. 1 эВ= 1,6 :: 10-19 Кл :: В = 1,6 :: 10-19 Дж.
(10.1) формүласы электр жайындағы нeгiзгi қатынастардың 6ipi. Бұдан зарядты А нүктесінен В нүктeciнe қозғап апару кезінде істелетін электр өрісінің жұмысы осы нүктелердің арасын қосатын траекторияның формуласына тәүелсіз болатыны шығады. Мұның үcтiнe +q -дің кемү бағытында ал -- q потенциал - дын өсү бағытында козғалады. Егер заряд қозғалған кезде кедергі әсер етпесе, онда С нүктесіндегі кинетикалық энергияның қосындысы уақытқа байланысты өзгермейді.
Тұйық контүр бойынша істелген жұмыс нөлге тең, яғни (10.3)
өрнегінің орнына = q0dl cos() =q0 El dl өрнегін қойып, мынаны аламыз
(10.4)
Тұйық контүрдағы кернеүлік циркүляциясының нөлдік мәні күш сызықтары өздігінен тұйық болып табылмайды деп түсіндіріледі. Күш сызықтары оң зарядтан басталып шығады. Потенциалдар айырымымен 6ipгe кернеу U деген түciнiк те пайдаланылады. Кернеүдің потенциалдар айырымынан өзгешелігі сонда, ол әрқашан оң шама болады:
U= . 1 Кл зарядты орын ауыстыртып козғаган кезде 1 Дж жұмыс істелетін потенциалдар айырымының абсолют шамасы кернеудің өлшем бірлігі ретінде қабылданған. Бұл өлшем бірлігін вольт деп атайды. Кернеу электрометрлермен немесе әлектрлік вольтметрлермен өлшенеді.
11. Диполь өрісі және дипольдердің өзара әсері
Бip-6ipiнeн l қашыктықта орналасқан екі нүктелік +q мен - q зарядтарынан құралған жүйе диполь деп аталады.
Дипольдің моменті оның сипаттамасы болып табылады. Диполь моменті -- сан мәні оң заряд q мен зарядтардың ара қашықтығы l -дің көбейтіндісіне тең және де тepic зарядтан оң за - рядқа қарай бағытталған векторлық шама, яғни
P = ql. (11.1)
С болган кезде кажет дәлдікті айырым мына ернекпен та - былады:
Бүл жүыктап есептеүде әркашан
Erep = 0 немесе = болса, онда Е= (11.2)
(11.2) формуласы сәйкес түрде l - дің бойымен және оған перпендикуляр өріс кернеулігін анықтайды.Енді 6ip түзүдің бойымен бағдарланған P1 және Р2 моменттері бар екі өpicтің өзара әсер күшін табу қиын емес. Дипольдердің арақашықтығы r болған кезде, екінші дипольге әсер етуші қорытқы күш мына қосындымен анықталады :
F=F1+F2= -
Карапайым түрлендіру жасап ықшамдағаннан кейін мынау шығады
F=
Таңбалар бірдей бағытта және қарама-қарсы бағытта бағдарланған дипольдерге сәйкес келеді
12. Милликеннің электр зарядын анықтау жөніндегі тәжірибесі
1881 жылы Гельмгольц қарапайым электр зарядының болатыны жөнінде болжам айтқан болатын. Көптеген фактілер оның айтқанкан болжамының дұрыстығын растады. Тек 1911 жылы американ физигі Р. Милликен бұл зарядтың шамасын барынша дәл анықтады.
Милликен тәжірибесін талдап көрелік. Жазық конденсатордың жоғарғы пластинкасында саңылау бар. К түтігінен бұл саңылау арқылы май тамшылары буркіледі. Май тамшыларының төмен түcуi М микроскоп арқылы бақыланады. Электр өpici әсер етпеген жағдайда r радиусты тамшыға оның ауырлық күші, архимед куші және Стокс формуласымен анықталатын кедергі куші әсер етеді, осы күштердің әсерінен тамшы и жылдамдықпен бірқалыпты козғалады, бұл жылдамдық мынаған тең:
мұндағы -- майдың тығыздығы, -- ауаның тығыздығы.
Осы формуладан тамшының радиусын есептеп табуға болады.
Тамшы конденсатор аралығына буркілетін болғандықтан, ол белгілі 6ip q зарядпен зарядталады. Конденсатор пластинкалары аралығында кернеулігі Е= болатын өpic туған кезде май тамшысының төмен түсу жылдамдығы өзгеріп u1болады. Осы тамшының жылдамдығын өлшеп мына
формула бойынша тамшының q зарядын табуға болады.
Көптеген тәжірибелер тамшының заряды әрқашан 1,602 :: 10[-19] Кл өлшеміне тең болатын е шамасының еселігі болған. Ауа иондалған кезде тамшының заряды өзгеріп, әлгі шамаға тең болған. Тамшы тек бүтін санға тең электрондар санын қосып алатындықтан немесе одан айырылатын болғандықтан, Милликеннің есептеп тапқан заряды электронның заряды болып табылады деген қорытынды шығаруға болады.
1912 жылы А. Ф. Иоффе жасаған тәжірибелер де Милликен есептеп тапқан нәтижені растады. Қaзipгi кезде электронның заряды мынаған тең екені анықталған:
e=1,602 *10-19Кл.
Бақылау сұрақтары:
1.Электр өрісінің потенциалы
2. Нүктелік заряд тудыратын өрістің потенциалы
3.Потенциалға арналған өрістің суперпозиция принципі
4.Эквипотенциал беттер. Потенциал градиенті және өрістің кернеулігі
Әдебиеттер:
1. Калашников С.Г. Электричество, М.: Наука, 1970.
2. Парселл Э. Берклеевский курс физики, т.2-Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986.
3. Фейнман Р. И др. Фейнмановские лекции по физике, вып. 5- Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986
4. Иродов И.Е. Задачи по общей физике, М.: Наука, 1988.
5. Фриш С.Э. және басқалар. Жалпы физика курсы, т.1. Алматы.
Дәріс № 4
Тақырыбы: Диэлектриктердегі электр өрісі
Мақсаты: Диэлектриктердегі электр өрісінің негізін түсіндіру
Жоспар:
1. Еркін және байланысқан зарядтар. Диэлектриктер моделъдері. Полярлы және полярсыз молекулалар. Диэлектриктер поляризациясы.
2. Поляризация векторы
3. Диэлектриктегі өріске арналған Остроградский-Гаусс теоремасы
4. Диэлектриктегі өріс кернеулігі
5. Диэлектрлік өтімділік пен диэлектрлік алғырлықтың арасындағы байланыс
6. Остроградский -- Гаусс теоремасын электр өрістерін есептеуге пайдалану
Кілттік сөздер: зарядтар, диэлектриктер, полярлы молекула, полярсыз молекула
1. Еркін және байланысқан зарядтар. Диэлектриктер моделъдері. Полярлы және полярсыз молекулалар. Диэлектриктер поляризациясы.
Еркін электрондары жок және электр тогын өткізбейтін заттар диэлектриктерге жатқызылады.Барлық диэлектрик заттарды құрлысына орай екі топқа бөлуге болады:
1) полярлы молекулалы диэлектриктер ;
2) полярсыз молекулалы диэликтриктер.
7-сурет
Полярлы молекулалы диэликтриктер. Мұндай диэликтриктердің молекулалары иондардан құрылған. Бұл молекулалардың оң және теріс зарядтарының ауырлық центрлері бір-брірімен беттеспейді және молекула қатаң диполъ болып табылады. Диполь электрлік момент P-мен сипатталады.Электр моменті - диполъдің осі бойынша (-) -тен (+) - ке қарай бағытталған вектор
.
мұндағы q-диполъ заряды, l - диполъ зарядының ығысуы. Өріс әсер етпеген жағдайда диэликтриктегі молекулалар жылулық қозғалыстың салдарынан ретсіз орналасады (7-сурет).Сондықтан барлық диполъ моменттерінің векторлық қосындысы нөлге тең болады.Осындай диэлектрикті біртекті сыртқы өріске орналастырайық.Әрбір диполъге оны өрістің бойымен бұруға тырасатын электр күштері әсер етеді.
Күш парынан туатын айналдырушы момент М мынаған тең:
M=F*h = q El sin α = PE sin (,).
Екінші жағынан, жылулық ретсіз қозғалыс қатаң диполъдің өріс бойымен орналасуына кедергі жасап, оны қайтадан өріс бағытына әр түрлі α - бұрыш жасап орналастырады.Осы қарама - қарсы әсер етудің нәтижесінде диполъдің іші реттеліп орналасады. Сыртқы өріс E күштірек және температура Т төмен болған сайын диполъдің реттеліп орналасуыда да арта түседі.Осы жағдайда барлық диполъ моменттері нөлге тең болмайды .Диэлектрик электр моментіне ие болады, яғни поляризацияланады. Поляряризацяның бұл типі бағдарланушылық немесе диполъдік поляризация деп аталады. Бағдарланушылық поляризациясы, мысалы, су , нитробензол, ацетон т. с. с. заттарда пайда болады.
Полярсыз молекулалы диэлектриктер. Мұндай диэликтриктердің молекулалары зарядталмаған атомдардан құрлған, сыртқы өріс әсер етпеген кезде диполъдік моменті болмайды (10, а-сурет). Молекуланың оң және теріс зарядтарының ауырлық центрлері сыртқы өріс әсер еткен кезде қарама-қарсы бағытқа ығысады. Молекула диполъдік электр моменті -ге ие болады, яғни поляризацияланады (8, б-сурет).
Өріс күшті болған кезде диполъ моменттінің шамасы сыртқы өріс кернеулігіне пропорционал болады.Поляризацияның бұл типі квазисерпімді немесе изаығысудың электронды полярциясы деп аталады. Парафин, бензол, көмірсулар,сутегі,азот және т. б. заттарда квазисерпімді поляризация болады.Бұл айтылғандардан кез келген диэлектрикті сыртқы электр өрісіне енгізген кезде диэлектриктің күйі өзгеретінін, диэлектриктің көлемі түгелдей электр моментіне ие болатынын және диэлектриктің
поляризацияланатынын байқаймыз.
8-сурет
2. Поляризация векторы
Диэлектрикті сипаттау т үшін физикалық арнайы шама-полярризация векторы пайдалынылады. Диэлектриктің бір өлшем көлемінің электрлік моменті поляризация векторы деп аталады.Ол бір өлшем көлемдегі барлық молекулалардың электрлік моменттерінің векторлық қосындысына тең,яғни
3. Диэлектриктегі өріске арналған Остроградский-Гаусс теоремасы
Өрісті диэлектриктің ішінде орналасқан электр зарядтары q i (i=1, 2, 3, ... , N) тудыратын болсын. Кез-келген S беті арқылы өтетін вектор ағыны -ні есептеп табайық. (9, а-сурет).
Электр өрісіндегі заттың поляризацияланатыны жоғарыда көрсетілген болатын. Тұйық бет диполъдің бөлігін беттің ішкі жағында зарядтары теңгерілмеген,яғни тығыздығы теңгерілмеген байланысқан зрядтар болатындай етіп қиып өтеді (9,б-сурет).Диполъдің бет қиып өтпеген барлық зарядтры теңгеріледі.Сонымен,бетте еркін зарядтар q-ден басқа байланысқан зарядтар да болады.
Ф=
Кез келген тұйық беттен өтетін электростатистикалық индукция векторының ағыны беттің ішіндегі еркін зарядтарының алгебралық қосындысына тең .(16.5) өрнегі диэлектриктегі өріске арналған Остроградский - Гаусс теоремасын бейнелейді.
9-сурет
4. Диэлектриктегі өріс кернеулігі
Егер өpicтi тудыратын зарядтар өзгермейтін болса, ε - өpic кеңістігiн бipтeктi диэлектрик алып жатқан кездегі электр өpici кернeyлiгi Е-нің неше есе кeмитiдiгiн көрсететін шама.
ε-нің мәні диэлектрик молекуласының құрылымы мен қасиеттерінe және диэлектриктің сыртқы электр өрісінде поляризация - лану кабілетіне тәyeлдi болады. Диэлектрик электр өpiciн түгелдей алып жатқан жағдайда ғана өpic кернеулігінің ε- есе кемитіндігін ескерген жөн. Егер осы шарт орындалмайтын болса, онда өpic кернеулігі Е-ден кiшi (14-cypeттeгi б нүктесінде) де, Е-ден үлкен де (10-суреттегі а жэне в нүктелерінде) бола алады.
Сегнотоэлектриктер. Белгілі бip температура аралығында өздігінен яғни сыртқы электр өpici әсер етпеген кезде поляризациялана алатын диэлектриктер сегнотоэлектриктер деп аталады. Бұларға сегнет тұздары және барий титанаттары жатады.
+
+
+
10-сурет
Сегнетоэлектрлік қасиеттердің температураға тәуелділігі өте басым. әp6ip сегнетоэлектрикке белгілі 6ip температура сәйкес келеді, одан жоғары температурада ол әдеттегі диэлектрикке айналады. Мұндай температура Кюри нүктесі деп аталады. Сегнетоэлектриктерде әдетте бip ғана Кюри нүктeci болады; тек сегнет тұзында және оның изоморфты қосылыстарында ол нүкте екеу болады. Сегнетоэлектриктер конденсаторларда кеңінен пай - даланылады.
Электреттер. Поляризацияны тудыратын сыртқы әсерлерді тоқтатқаннан кейінде ұзақ уақыт поляризацияланған күйін сақтайтын және айналасында электр өpiciн тудыратын диэлектриктер электреттер деп аталған. Балқыма электр өpici әсер етіп тұрған кезде салқындатылатын болса, қатайған заттағы молекулалар өpic әcepi тоқталғаннан кейін де өзінің ие болған бағдарын ұзақ мерзімге (бірнеше күннен бастап бipнeiшe жылға дейін) сақтай алады. Электретті ең алғаш рет 1922 жылы жапон физигі Егучи жасалы.
Электреттер тұрақты электр өpiciнiң көздері (электретті микрофон және телефон, электрометр, электростатикалық вольтметр т. б.), дозиметрия құрылғыларының сезімтал датчиктері ретінде және электрлік фотографияда пайдаланылады.
Пьезоэлектр. Электр өpiciнiң әсерінен диэлектриктер поляризацияланады. Бірқатар кристалдар (симметрия центpi жоқ кристалдар) механикалық деформация әсерінен де поляризацияланады. Мұндай кристалдың пластинкасы қысылған (сығылған). кезде оның сыртқы бeтi әраттас заряд пен зарядталып, пластинканың iшінде электр өpici пайда болады. Пластинка созылған кезде бетіндегі заряд және электр өpici сәйкес түрде қарама - қарсы өзгереді. Бұл құбылыс пьезоэлектрлік эффект, ал буған сәйкес келетін зат пьезоэлектрик деп аталады. Бұл құбылысты ең алғаш рет 1880 жылы зерттеген француз ғалымдары, ағайынды Жолио және Пьер Кюрилер болды. Пьезоэлектриктерге турмалин кварц, сегнет тұзы және басқалар жатады.
Тура және кepi пьезоэлектрлік эффектілер техникада кеңінен қолданылуда. Тура эффект тез өзгеретін қысымды өлшеу үшін (пьезоэлектрлік манометр), ал кері пьезоэффект ультра-дыбыстық тербелістер тудыру үшін (пьезокварцты ультрадыбыс генераторы) пайдаланылады. Пьезокварц жоғары жиілікті тербелістерді тұрақтандыру үшін де қолданылады.
5. Диэлектрлік өтімділік пен диэлектрлік алғырлықтың арасындағы байланыс
Егер диэлектрик өpic мен вектор -нің бІрдей мэндер1нде барлық бағытта ортақ 6ip шамаға тең болатындай болып поляризацияланатын болса (поляризация бағытқа тәуелді емес), онда мұндай диэлектрик изотропты деп аталады. Изотропты ди-электриктегі зарядтар электр өрісінің. бағытымен ығысады, сондықтан мен векторлары параллель болады. Бұл жағдайда
=
деп есептеуге болады, мұндағы -- скаляр шама және ол берілген заттың поляризациялық коэффициенті немессе диэлектрлік алгырлығы (қабылдағыштығы) деп аталады.
электростатикалық вектор мынаған тең; D= Бұл өрнекке Р ның мәнін қоямыз, сонда болатынын керсетейік. Диэлектрикте еркін нүктелік заряд + q болсын. Мұның айналасынан радиусы R сфера сызамыз және осы сферадан өтетін век - тор ағыны D-ны есептейік (11-сурет). Остроградский -- Гаусс теоремасы бойынша
Е
11-сурет
Тек кристалдарды (анизотропты орталарда) D векторының бағыты Е векторының бағытымен дәл келмеуі мүмк1н. D векторы өpici және Е векторы өpici үшін де суперпозиция принципі орындалады:
яғни, электр зарядтары жүйесінің өрістің берілген нүктесінде тудыратын электростатиқалық индукция векторы әpбip зарядтың әлгі нүктеде тудыратын индукция векторларының геометриялық қосындысына тең болады.
6. Остроградский -- Гаусс теоремасын электр өрістерін есептеуге пайдалану
12-сурет
Остроградский -- Гаусс теоремасы симметриялы электр өpгeрeтiн есептеу үшін пайдаланылады.
а) Біркелкі зарядтал - ған цилиндрдің өpici.
Зарядының сызықтық тығыздығы = болатын біркелкі зарядталған ци - линдр 6eрілген. Еркімізше алынған А нуктесіндегі электр өрісін есептеп табу керек болсын (12-сурет). Біркелкі зарядталған цилиндр өрісінің цилиндрлік симметриясы бар. Егер цилиндрлік беттер oci зарядталған цилиндрдің. ociмен сәйкес салынатын болса, онда осы беттердің барлық нүктелеріндегі өpic кернеулігі бірдей болады. Мұндай өpicтi Остроградский -- Гаусс теоремасы бойынша оп-оңай есептеп табуға болады;
мұндағы - цилиндірлік бет ішіндегі заряд. Бұдан
Егер біркелкі зарядталған цилиндрдің биіктігі h шекті өлшемді болса, өлшемі h - пен салыстырғанда барынша кіші және цилиндрдің шеттеріне онша жақын болмай, R қашықтықта орналасқан өріс нүктелері үшін тура болады.
в) Біркелкі зарядталған шек өpici.
Бұл өpicтi есептеуге Остро - градский -- Гаусс теоремасын пайдалансақ
бұдан
с) Біркелкі зарядталған шардың өрісі. Заряды бетіне біркелкі орналасқан (таралған) R радиусты шар берілген. Шардың ішіндегі (А нүктесіндегі) және оның сыртындағы (В нүктесіндегі) өpicті есептеп табу қажет. (13-сурет)
13-сурет
Өріс потенциалдарын есептеу мысалдары
а) біркелкі зарядталған цилиндр өpiciнiң потенциалы.
б) Біркелкі зарядталған жазықтық өрісінің потенциалы. Зарядының беттік тығыздығы болатын біркелкі зарядталған шексіз үлкен өлшемді жазықтық берілген. -жазықтық бетінің потенциалы. А нүктесіндегі потенциалды есептеп табу керек.(9.7)және (20.2) өрнектері негізінде.
в) Біркелкі зарядталған сфера өрісінің потенциалы. q заряды бетіне біркелкі таралған сфера берілген. Сфераның ішіндегі және сыртындағы өріс потенциалын есептейік. Бұрын көрсетілгендей зарядталған сфераның өрісі нүктелік зарядтың өрісіне ұқсас. Сондықтан нүктелер үшін
Сфераның ішінде Е=0, сондықтан,
Бұдан Сфераның ішіндегі потенциал сфераның бетіндегі потенциалға тең:
.
Бақылау сұрақтары:
1. Еркін және байланысқан зарядтардың бір бірінен айырмашылы қандай?
2. Электр статистикалық индукция векторы дегеніміз не?
3. Диэлектриктердегі өрісті сипаттау үшін Остраградский - Гаусс теоремасын қалай қолданамыз?
Әдебиеттер:
1. Фейнман Р. И др. Фейнмановские лекции по физике, вып. 5- Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986
2. Савельев И.В. Физика курсы, т.1.М: Наука, 1970.
3. Сивухин Д.В. Жалпы физика курсы, т.1. М: Наука, 1989
Дәріс № 5
Тақырыбы: Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
Мақсаты: Электростатикалық өрістегі өткізгіштердің негізін түсіндіру
Жоспар:
1. Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
2. Өткізгіштердің электр сыйымдылығы
3. Конденсаторлар
4. Конденсаторларды қосу
Кілттік сөздер: электростатикалық өрістер, өткізгіштер, электр, генератор, конденсатор
1. Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
Егер зарядталмаған өткізгіш электр өрісіне орналастыратын болса, онда өткізгіштің бос электрондары өрістің бағытына қарсы қозғалатын болады (14, а-сурет). Сонымен, өткізгіштің
14-сурет
бір ұшында теріс зарядтар, ал екіншщ ds- ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Дәріс№1 Кіріспе
Мақсаты: Электр және магнетизмнің негізін түсіндіру.
Жоспар:
1. Электр және магнетизм табиғаты туралы көзқарастардың қалыптасуына қысқаша шолу
Кілттік сөздер: электр, магнетизм, Холл эффектісі, гестерезис.
1. Электр және магнетизм табиғаты туралы көзқарастардың қалыптасуына қысқаша шолу
Электр және магнетизм түралы түсініктердің бастамасы Ежелгі Грециядан таралады. Үйкелген янтарьдың және баска заттардың жеңіл заттарды өзіне тартү құбылысы адамдарға өте ертеден белгілі болатын. Магнит те адамдарға өте ерте заманнан белгілi болатын. Магниттің навигация мақсатында пайдаланылүы оған деген мүқтаждықты арттырды. Магнитті тәжірибе жүзінде алғаш зерттеген француз ғалымы П.Перегринус (1296 жылы) болды. Ол магниттң полюстері болатынын, аттас полюстерінің 6ip-6ipінeн тебілетінін, әр аттас полюстерінің 6ip-6ipінe тартылатынын, ал полюстерді 6ip-6ipiнeн ажыратып бөліп тастауға болмайтынын анықтады.
XV -- XVI ғасырларда теңізде жүзү iciнiң қауырт дамуына байланысты компастың қасиеті жан-жақты зерттелді. XVI ғасырдың соңына қарай магнетизм жайлы тәжірибелі едәүір материалдар жинақталды. Электр жайындағы түсініктер бүл кезде өте жүтаң еді.
Электр және магнит құбылыстарын алғаш рет толық, сипаттаған ағылшын ғалымы У. Гильберт болды. Ол өзінің 1600 жы - лы жарық, көрген Магнит туралы кітабында янтарьдан басқа да көптеген заттардың үйкелгенде тартү құбылысына ие болатындығын айтқан. Әлектрлік тебіліс құбылысы оған беймәлім болды. Ол өзінің тәжірибелері мен байқаулары нәтижесінде Жер шары ғаламат үлкен магнит деген ғылыми болжам ұсынды.
Гильберттен кейін де көптеген ғалымдар жер магнитизімін зерттеді. Электр құбылысын зерттеү жұмысы ғасырға жуық, уақыт ұмыт қалды. Электр күштерi түciнiкciз және олардың ic жүзінде пайдаланылуы мүмкіндігі беймәлім болды. Сол себепті мұны жүйелі түрде зерттеүге ынта да болмады.
XVIII ғасырдың басында ашылған жаңалықтар электр құбылыстары жайындағы сол кезге дейін қалыптасқан көзқарасты өзгертуге ықпал жасады. Ceбeбi XVII ғасырдың соңында электр машинасы жасалған болатын. Осы жаңалықтың, нәтижесінде тәжірибе жүргізу ауқымы кеңейді. 1729 жылы ағылшын ғалымы С. Грей заттардың өткізгішке және диэлектрикке (изоляторға) бөлінетіндігін анықтады. Көп ұзамай-ақ 1733 жылы француз ғалымы Ш. Дюфе оң және тepic электр зарядтарының болатынын және аттас электр зарядтардың бip-бipімeн тебілетіндігін, ал әр аттас электр зарядтардың бip-бipінe тартылатындығын ашты.
XVIII ғасырдың орта шенінде, электр құбылыстарына деген қызығушылық арта түсті. Күшті электр разрядтары электр ұшқыны мен найзағайдың арасындағы ұқсастықтың бар екендігіне түрткі болды. Б.Франклиннің, М.В.Ломоносовтың, Г.В.Рихманның 1752 жылдары жасаған тәжірибелері найзағайдың электрлік табиғаты болатынын дәлелдеді. Жай кайтарғыштың жасалуы электр жайындағы ілімінің ic жүзінде алғаш рет қолданылуы еді. Сол кездің өзінде, электрлену, емдік мақсаттарға пайдаланыла бастады. Осындай жайттар электрге деген ынтаны жандандыра, онымен айналысатын зерттеушілер санын көбейте түcтi. Электрленудің маңызы магнитизмнен кем еместігі белгілі болды. 1759 жылы ағылшынның жаратылыс танушы ғалымы Р.Симмер электрдің табиғаты жайындағы өз болжамын үсынды. Ол Ш. Дюфенің идеясын дамыта отырып әдеттегі жағдайда кез келген затта тең мөлшерде eкi түрлі электр заряды болады, олар бip-бipiнің әсерін бейтараптандырады, ал электрлеу нәтижесінде бip денедегі электр екінші денедегіден арта түседі деген корытынды жасады. Симмер болжамы злектрлік кұбылыстарды жақсы түсіндірді. 1759 жылы орыс ғалымы Ф.Эпинус ашкан электростатикалық индукция құбылысы бұл болжамды растай түcтi.
XVIII ғасырдың орта щеніне дейін электр жайында жүргізіліп келген тәжірибелер таза сапалық тұрғыда болды. 1745 жылы Г. В. Рихманның жасаған электрометрімен жүргізілген тәжірибелер сан сипатындағы тәжірибелердің алғашкы қадамы болды. 1784 жылы француз ғалымы Ш.Кулон ойлап тапқан дәлдігі жоғары иірілмелі таразының жасалуы тәжірибелік техниканың дамуындағы елеулі кезең болды. Бұл құрал магниттер- мен электр зарядтарының өзара әсерлесу заңдылықтарын ашуға жағдай жасады.
Итальян ғалымдары Л.Гальванидің 1789 жылы, ал А.Вольтаның 1792 жылы жасаған тәжірибелері негізінде гальвани эле - менті табылды және 1800 жылы электр тоғы анықталды. Электр батареяларымен жүргізілген тәжірибелік жұмыстар бірқатар жаңалық ашуға түрткі болды.
Ағылшын зepттeyшiлepi А.Карлейль мен В.Никольсон гальвани тоғы судан өткен кезде, оны сутегі мен оттегіне ыдырататынын анықтады. Физика мен химияның арасында бip-бipiн байытатын байланыстар орнатылды. Электрдің практикалық маңызы арта түсті. 1802 жылы орыс ғалымы В.В.Петров электр доғасын ашты. Бұл жаңалық тоқтың жылулық әcepiн пайдаланудың жаңа саласына бастама болды.
Кезінде У.Гильберт магниттік күштерді электрлік күштерге қарама-қарсы қойған болатын. Бұл көзқарас ғылымда ұзак уақыт үстемдік eттi. 1820 жылы дат ғалымы X.Эрстед электр тоғының магнит стрелкаға әсерін ашты. Бұл жаңалык, электр теориясындағы жаңа тарау -- тоқтың магниттік қасиеті жайын - дағы ілімнің бастамасы болды. Электр тоғын зерттеу жұмыстарының нәтижесінде: егер өткізгіш спираль болып оралатын болса, онда тоқтың магниттік қасиетінің күшейетіні анықталды. Бұл жаңалық тоқ шамасын өлшейтін электромагниттік өлшеуіштер жасау мүмкіншілігін тудырды.
1820 жылы француз ғалымдары Ж.Био және Ф.Савар түзу өткізгіштің электр тоғының магнитке әсерін ашты. Ал бұлардың отандасы П.Лаплас олардың зерттеуін кез келген пішінді өткізгiш үшін жалпылады. Осылайша тоқтың магнит өpiciнің кернеулігін анықтайтын Био - Савар - Лаплас заңы ашылды. Сол кезде А.Ампер маңызды жаңалык ашты. Ол екі токтың өзара әсерлесу күшін анықтайтын заңды ашты. Тоғы бар орамның жазық магнитке ұқсас болатынын анықтады. Осы тәжірибе негізінде А. Ампер магнетизмнің электрлік табиғаты жайында болжам жасады. Сыры тек XX ғасырда ғана анықталған ғылыми болжам -- молекулалық токтар жайындағы болжам осылай - ша дүниеге келді
Электр жөніндегі зерттеулер үшін 1827 жылы неміс ғалымы Г.Ом ашқан әpi оның eciмiмeн аталған заңның манызы зор бол - ды. Сол кезеңде ағылшын ғалымы М.Фарадей екі жаңалық, яғни 1831 жылы электромагниттік индукция құбылысын, ал 1834 жы - лы электролиз заңдарын ашты. Бұл жаңалықтар электрдің көптеген техникалық қолданыстарының теориялық нeгiзі болды. Орыс ғалымы Ә.X.Ленцтің электромагниттік индукция жөнін - дегі зерттеулері (Ленц ережесі) мен токтың жылулық әсеріне арналған заңды (Джоуль -- Ленц заңы) ашуы электрленуді ic жүзінде пайдалануға жағдай туғызды.
Ертеден-ақ электрлік және магниттік күштердің әсерлесуші денелер арасындағы кeңicтiктi алып жаткан орта арқылы әсер ететіндігі тәжірибе жүзiндe белгілі болатын. Ф.Эпинус 1759 жы - лы магнит өpicінің күш сызықтары туралы ұғым калыптастырса, 1830 жылдары М.Фарадей өpic ұғымын енгізді, 1845 жылы магнит өpici терминін ұсынды.
М.Фарадейдің ойынша магниттің немесе электр зарядының айналасындағы заттарға тікелей магнит полюсі не электр заря - ды емес, бұлармен байланысқан күш сызықтары әсер ететін бол - ды. Бұл жайт М. Фарадейдің жақын аралықтан әсер ету теориясы еді. Осы теория бойынша денелер арасындағы әсер айнала қоршаған орта арқылы белгілі 6ip жылдамдықпен таралатын болды.
XIX ғасырдың 60 жылдары ағылшын ғалымы Д. Максвелл Фарадейдің электр және магнит өpicтepi жайындағы ілімің жалпылап электромагнитік өpicің ортақ теориясын жасады. Д. Максвеллдің теориясы бойынша өзгермелі магнит және электр өpiстepi шекті бip жылдамдықпен таралады. 1887 жылы нeмic ғалымы Г. Герц тәжірибе жүзінде электромагнитік толқын шығарып, Д. Максвеллдің теориясының дұрыстырын дәлелдеді. Осы теорияны тәжірибе жүзінде негіздеуде орыс ғалымы П. Н. Лебедевтің 1901 жылы icкe асырған жарық сәулесінің қысымын анықтау жөніндегі тәжірибесінің маңызы зор болды. Орыс ғалымы А. С. Поповтың 1895 жылы ойлап тапқан радиосы электромагниттік толқындарды пайдалануға негізделді. Электромагнитік өрici зерттеу жөніндегі теориялық және тәжірибелік жұмыстар осы заманғы радио мен телевизияның радиолокацияның және басқа радиотехника салаларының шығыуына негіз болды.
Д.Максвеллдің теориясы электрді заттың ішкі құрылымымен байланыстыра алмады. Сондықтан бұл теория электролиз құбылысын, өpiстің заттармен әсерін және басқа құбылыстарды түсіндіруге жарамады. М. Фарадей ашқан электролиз құбылысы белгілі болғаннан кейін 1881 жылы неміс ғалымы Г. Гельмгольң электр зарядының ең кіші мөлшерінің болуы жайында болжам ұсынды. Осы кезеңнен бастап электрондық теория дамыды. Бұл теория термоэлектронды эмиссияны, вакуумдары электрон ағынын (катодтық сәуленің), фотоэффекттіні, радиоактивтік құбылыс - тарды түсіндіріп берді. Бұл құбылыстар заттар құрылысынын электрондық теориясының тәжірибелік негіздері болды. Ни - дерланды ғалымы X. Лоренң 1909 жылы электромагнитік өpic теориясын заттардың электрлік қасиеттерімен байланыстырды. Қaзipгi кезде оң және тepic электр зарядтарының жеке-жеке қарапайым электр бөлшектернен құралғаны анықталған. Қарапайым тepic зарядты тасушы бөлшек электрон, ал карапайым оң электр зарядты тасушы бөлшек позитрон деп аталған. Осы бөлшектердің және заряды жоқ бейтарап бөлшектердің қасиеттepi теориялық және тәжірибелік зерттеулердің объектілері болып табылады. XX ғасырдың алғашқы ширегінде электрондық түciніктep негізінде диэлектриктер мен магнетиктер теориясы дамытылды.
Бұдан кейінгі кезеңде жартылай өткізгіштер теория - сы өрістерді, қорытып айтқанда, электрлік құбылыстарды зерттеу нәтижесінде заттардың осы заманғы атомдық құрылымы жайын - дағы теория қалыптасты. Физиканың осы саладағы табыстары ядролық энергияны босату тәсілдерін ашуға, оптикалық кванттық генераторларды (немесе лазерлерді) жасауға мүмкіндік берді. Электр энергиясының адамзат қоғамындағы маңызы баршаға аян. Орыс ғалымдарының электрді техникалық мақсатта пайдалану жөніндегі еңбектері зор болды. Мысалы, гальвано - пластика, электрмен дәнекерлеу, электр шамы, электр двигателдер, радио және басқаларды орыс ғалымдары мен инженерлері ой - лап тапты әpi оларды ic жүзінде пайдаланды. Ядролық энерге - тика саласы мен кванттық генераторлар жөніндегі ғалым - дардың табыстары дүние жүзіне белгілі болып отыр.
Бақылау сұрақтары:
1. Электр және магнетизм түралы түсініктердің бастамасы қайдан басталды?
2. XV -- XVI ғасырларда қандай жаңалықтар ашылды?
3. XIХ ғасырларда қандай зерттеулер жүргізілді?
Әдебиеттер:
1. Волькенштейн А.С. Сборник задач по общему курсу физики, Санкт-Петербург, Книжный мит,2005.
2. Калашников С.Г. Электричество, М.: Наука, 1970.
3. Парселл Э. Берклеевский курс физики, т.2-Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986.
4. Детлаф А.А. және басқалар. Физика куросы., т.1. М.: ВШ.2000.
5. Зисман Р.А. және басқалар. Физика курсы, т. 1. М.: наука, 1984.
6. Путилов К.А. Физика курсы, т.1. М: Просвещение, 1992.
Дәріс № 2
Тақырыбы: Электростатика
Мақсаты: Электростатика негізін түсіндіру
Жоспар:
1. Электр заряды
2. Кулон заңы
3. Нүктелік зарядтың өріс кернеулігі, суперпозиция принципі
4. Кернеулік векторының ағыны
5. Остроградский -- Гаусс теоремасы
Кілттік сөздер: электр заряд, протон, атом, электрондар, өріс кернеулігі, суперпозиция
1. Электр заряды
Кейбір денелер (шыны, янтарь, эбонит т.с.с.) жібекпен, жүнмен т.б. үйкелетін (ысқыланатын) болса, жеңіл заттарды өзіне тартатыны тәжірибеден белгілі. Бүл жайт үйкеліс нәтижесінде денелерде артық әлектр зарядының пайда болуымен -- дененің зарядталуымен немесе электрленуімен түсіндіріледі. Тәжірибе аттас зарядтардың 6ip-6ipiнeн тебілетінін, ал әр аттас зарядтардың 6ip-6ipiнe тартылатынын көрсетеді. Электр зарядтарының табиғатта қарапайым немесе элементар зарядталған бөлшектер түрінде кездесетіндігі қaзipгi кезде анықталган. Tepic зарядталған элементар бөлшек -- электрон. Электронның заряды е (е= -- 1,6 :: 10-19Кл) табиғатта белгілі ең кіші тepic заряд. Ең кiшi оң заряд -- протонның заряды {\р1 = = 1,6:: 10-19 Кл).
Зат атомдардан тұрады. Атомда оң зарядты ядро және мұны айналып козғалатын электрондар бар. Атом қосымша электрондар қосып алатын болса, онда тepic ион түзіледі. Қандай да 6ip денені зарядтаү npoцeci (денені электрлеу) белгілі 6ip мөлшер-дегі электрондарды немесе иондарды әлгі денеге беру (аүыстыру) не одан тасымалдау болып табылады.
Барлық денені өткізгіштерге және диэлектриктерге (изоляторларға) бөлуге болады. Қатты денеде атомдар 6ip-6ipiнe өте жақын (тығыз) орналасқан.
Изоляторларда еркін электрондар жоқ. Денелерді өткізгіштерге және изоляторларға бөлу шартты түрде алынған. Барлык 6eлгiлі заттар азды-көпті дәрежеде электр өткізеді. Мұның бәрі дене - ге әсер ететін жағдайларға (температураға, жарықталуға және т. с. с.) тәүелді болады.
Денені
а) үйкеліс арқылы;
б) ықпал (әсер) арқылы (электростатикалық индукция) электрлеуге болады.
Электростатика - лық индукция құбылысын былайша түсіндіруге болады. Егер бейтарап өткiзгiшкe мысалы, оң зарядталған дене жақындатылса, он - да өткізiштiк элек - трондар оған тартылады да, өткізгіштің оған жақын (таяу) ұшында тepic заряд пайда болады (1-сурет).
Электр зарядын кейде электр мөлшері деп те атайды. Электр мөлшерінің сақталу заңы физиканың нeгiзгi заңдарының 6ipi болып табылады. Сонымен:
1. Оң және тepic зарядтар бар. Аттас зарядтардың арасында 6ip-6ipiнeн тебілу күшi, ал әр аттас зарядтардың арасында өзара тартылыс күші пайда болады. Бұл күштер гравитациялық тартылыс күшiнeн әлдеқайда артық болады.
2. Зарядтың бөлінгіштік қacиетi бар, 6ipaқ та ол шексіз бөліне бермейді. Зарядтың элементар заряд деп аталатын ең аз мөлшepi (e) бар. Протон заряды 1р1 немесе позитрон заряды е+ оң зарядтың, ал электрон заряды е- теріс зарядтың ең аз мөлшері болып табылады.
Бipлiктepдiң халықаралық жүйeciндe
Бөлінгіштік белгілі болған жағдайда элементар зарядтар санын (Nbq) немесе зарядтың (q) өзін мына формүла бойынша табуға болады:
3. Түйық жүйеде зарядтардың алгебралық қосындысы түрақты шама болады:
Электр бейтарап жүйе үшiн const = 0 болса, оң заряд тepic зарядқа тең деген сөз.
2. Кулон заңы
1785 жылы Күлон иірмелі таразының жәрдемімен нүктелік за - ряд ұғымын, зарядтардың бөлінгіштiк қасиеттерін және тұйық жүйегі электр зарядының сақталу заңын пайдалана отырып мына заңды ашты:
Вакуумдағы нүктелік eкi зарядтың өзара әсерлесу күші заряд шамаларының көбейтіндісіне тура пропорционал, ал олардың арақашыктығының квадратына кepi пропорционал және де осы зарядтардың аралырын қосатын түзу сызықтың бойымен бағытталған болады. Бұл анықтама 2-суретте бейнеленіп мына формуламен өрнектеледі:
(1.3)
(
Бірліктердің халықаралық жүйесінде (БХЖ)
мүндагы абсолюттік диэлектрлік өтімділік деп аталады.
Тұйық жүйедегі оқшауланып алынған зарядқа әсер ететін корытқы күш әp6ip жеке зарядтың әcepi ескерілген күштердің геометриялық (векторлық) қосындысына тең.
3. Нүктелік зарядтың өріс кернеулігі, суперпозиция принципі
Эдектромагниттік өріс электр зарядымен байланысты болады. Тек осы өрістің нәтижесінде ғана зарядтар аралығындағы өзара әсер күші пайда болады. Бұған қоса бір зарядтың екінші зарядқа әсері шекті жылдамдықпен беріледі. Электромагниттік өріс - материяның ерекше түрі. Зарядталған денелер арасындағы өзара әсер күші осы өріс арқылы іске асырылады.Қозғалмайтын электр зарядтары электростатикалық өріс тудырады.
Сонымен, кернеулігі дегеніміз сан жүзінде q0 сыншы зарядына әсер етуші күштің осы зарядтың шамасына қатынасына тең болатын электр өрісінің сипаттамасы болады:
Е= (3.1)
Векторлық формасы F=q (3.2)
Бірліктердің халықаралық жүйесінде өріс кернеулігі өлшенеді.
Кулон заңын қолдануға болғандықтан ізделіп отырған Е= (3.3) формуласын аламыз. (3.3) өрнегі r нүктесіндегі өріс кернеулігінің шамасын анықтауға мүмкіндік береді.
Кез келген нүктедегі өpicтiң қорытқы кернеүлігі жеке-жеке зарядтың әрқайсысының түдыратын кернеуліктерінің геометриялық қосындысына тең болады:
--
Е кернеүлігшщ сан мәнi векторларды скаляр көбейту ережесін пайдалана отырып анықталады:
мұндағы
3- суретте сан мәнін табуға арналған векторлық диаграмма көрсетілген.
3- сурет
Фарадей өpicтi көрнекі турде көрсету ушін оны күш сызықтары арқылы кескіндеуді ұсынды. Бул сызық өpicтiң әрбір нүктeciндегі кернеулік векторы оған жанама болатын сызық болып табылады (4-сурет). Егер өзгедей зарядтар болмайтын болса, күш сызығы он зарядтан басталып шексіздікке кетеді. Егер өзгедей зарядтар болмайтын болса, күш сызығы шексіздіктен басталып тepic зарядқа келіп бітеді. (аяқталады.). Әр аттас зарядтар пары болатын жагдайда күш сызығы зарядтан басталып тepic зарядқа келіп аяқталатын болады.
Күш сызықтары 6ipтeктi және 6ipтeктi емес өрістің қасиетеpiн көрнекі түрде көрсетуге мүмкіндік жасайды. Егер кеңстіктiң кез келген нүктелеріндегі өpic кернеулігі Е бірдей болса, өpic бipтeктi болып табылады. Әр аттас зарядпен зарядталған екі параллель жазық пластинкалар аралығындағы өpic 6ipтeктi өpicкe мысал болады. Бул жағдайда өpic аралығы 6ipтeктi бо - латын параллель күш сызықтарымен кескінделіп көрсетіледі. Күш сызықтарының орналасуында осы айтылған тәсілден қандай да 6ip ауытқу болатын өpic біртекті емес өpicтi бейнелейді. Егер кeңicтiктiң кез келген нуктелеріндегі кернеулік бірдей болмаса, өpic 6ipтeкciз болып табылады.
4. Кернеулік векторының ағыны
Ауданды нормаль бағытында тесіп өтетін күш сызықтарының санын немесе және векторларының скаляр көбейтіндісін кернеулік векторының агыны деп атайды.
Бipтeктi өpicтe нормалі өpic векторы -мен бүрыш жасайтын жазық бет орналаскан дейік (4-сүрет).Сонда, ағынның анықтамасы бойынша ФЕ мынаған тең болады:
4-сурет
ФЕ = = Е S cos =EnS (4.1) Мұндағы En=Е cos-E-нің нормалі бағытына проекциясы. Егер бүрышы сүір (cos 0) болса, онда ағын оң болады, егер бүрышы доғал (cos 0) болса, онда ағын тepic болады. Егер бет тұйық болса, онда нормальдің оң бағыты ретінде сыртқы нормальдің бағыты таңдалып алынады.
5. Остроградский -- Гаусс теоремасы
Өpicтi +q нүктелік заряды тудырады дейік. Мұның айналасынан кез келген r радиүсты S1 сферасын сызайық. Осы сфералық беттен өтетін векторы ағынын есептейік.
ФЕ = (5.1)
Егер де бет зарядты камтымайтын болса (5-cypeттeгi SВ -6eтi), онда бетке eнeтiн (кipeтiн) және одан шығатын күш сызықтарының саны бірдей болады, ал тұйық беттен өте - тін толық ағын ФЕ =0.
S 6eтi q1, q2, ...,qN зарядтарының жиынтығын қамтитын болсын. Өpiстiң сүперпозициясы бойынша
S 6eTi qu q2, ..., ^лгзарядта-рыньщ жиынтырын камтитын болсын. (C)piCTin сүперпозиңия-сы бойынша
және
N
5- сурет
Тұйық бет арқылы өтетін кернеүлік векторының ағыны осы беттің iшiндe болатын зарядтардың алгебралық қосындысына пропорционал болады. Бұл тұжырым Остроградский -- Гаүсс теоремасы деп аталады.
Остроградский -- Гаүсс теоремасы арқылы кейбір дербес жағдайлардағы электр өpiciн есептеп табайық.
а) Бipкeлкi зарядталған шексіз беттің электр өpici.
(5.3)
б) Әр аттас зарядталган ( + және -- ; шексіз параллель екі жазықтықтың өpici. Бұл жағдайда зарядтар пластинкалардың ішкі беттерінде болады.
Е= (5.4)
Кез келген формалы зарядты есептеуге F=Eq формүласы пайдаланылады. Сонда (5.4) -өрнегін ескерсек,
F= - (5.5)
Бұдан қысымға арналған мына өрнек шығады
P= (5.6)
Бақылау сұрақтары:
1. Электрдің атомистік тұрғыдағы табиғаты дегеніміз не?
2. Кулон заңы, Электр өрісі, Өріс кернеулігін түсіндір.
3. Остроградский - Гаусс теоремасы нені анықтайды?
Әдебиеттер:
1. Калашников С.Г. Электричество, М.: Наука, 1970.
2. Парселл Э. Берклеевский курс физики, т.2-Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986.
3. Фейнман Р. И др. Фейнмановские лекции по физике, вып. 5- Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986
4. Иродов И.Е. Задачи по общей физике, М.: Наука, 1988.
5. Фриш С.Э. және басқалар. Жалпы физика курсы, т.1. Алматы.
Дәріс № 3
Тақырыбы: Электр өрісінің потенциалы
Мақсаты: Эквипотенциал беттер ұғымын түсіндіру
1. Электр өрісінің потенциалы
2. Нүктелік заряд тудыратын өрістің потенциалы
3.Потенциалға арналған өрістің суперпозиция принципі
4.Эквипотенциал беттер. Потенциал градиенті және өрістің кернеулігі
5.Зарядтарды тасымалдауда өріс күшінің істейтін жұмысы. Кернеулік векторының циркуляциясы.
6. Диполь өрісі және дипольдердің өзара әсері
7.Милликеннің электр зарядын анықтау жөніндегі тәжірибесі.
Сан мәні зарядты өpicтiң берілген нүктесінен шексіздікке дейін қозғаған кезде істелетін жұмыстың осы зарядтың шамасына катынасына тең болатын энергетикалық сипаттаманы электростатикалық өрістің потенңиалы деп атайды;
Бұл анықтама теория жүзіндегі анықтама болып табылады. Зарядты жер бетінен өpicтiң берілген нүктесіне дейін қозғаған кезде істелетін жұмыстың осы зарядтың шамасы - на катынасын электростатикалық өрістің потенңиалы деп атайды.
Зарядты өpicтiң потенңиалы 1 болатын нүктесіен потенңиа - лы 2 болатын нүктесіне дейін қозғаған кезде істелетін жұмыс - тың осы заряд шамасына қатынасын потенңиалдар айырымы (ф1 -- ф2) деп атайды:
(6.2)
7. Нүктелік заряд тудыратын өрістің потенциалы
-дің r-ге тәүелділігінің графигі гиперболамен кескінделеді. Зарядтың таңбасына тәүелсіз r кезде болады. Егер q0 болса, r0 кезде болады. Егер де q0 болса, онда r0 кезде болады.
8. Потенциалға арналған өрістің суперпозиция принципі
Потенңиалдарды кабаттастырүдың (беттестірудің) мына принңишн колданү керек: өpicтiң кез келген С нүктесіндегі қорытқы потенциалы жүйенің әp6ip нүктелік заряды-ның жеке-жеке түдыратын потенциалдарының алгебралық қосындысына тең
9. Эквипотенциал беттер. Потенциал градиенті және өрістің кернеулігі
Электр өрісінде нүктелерінің потенңиалдары бірдей болатын бет сызуға болады. Мұндай беттер потенңиалдары 6ipдeй беттер немесе эквипотенңиал беттер деп аталады (6-сурет).
6-сурет
Өрістің потенциалы күш сызығының бойындағы потенңиалдың 6ip өлшемге кемуі (азаюы) бойынша өлшенеді Минүс таңбасы кернеүліктің әрқашан потенциалдың кему бағытына бағытталатынын көрсетеді.
10. Зарядтарды тасымалдауда өріс күшінің істейтін жұмысы. Кернеулік векторының циркуляциясы.
Электростатикалық өрістің потенциалдық сипаттамасы xyz санак жүйесінің басында кез келген формалы +q заряды орналасқан деп жориық. Бүл заряд А мен В нүктелерінде 1 және 2 потенңиалдарын түдырады. Бұлардағы қозғалатын q0 зарядының сәйкес түрде W1= q0 1 және W2 = q02 потенциалдық энергиялары болады. Зарядты сыртқы өpic әcepi арқылы қозғау потенңиалдық энергияның кему бағытында ғана жүзеге асуы мүмкін. Сондықтан энергияның сақталу заңы бойынша қозғау жұмысы потенңиалдық энергияның кемуіне тең болды:
А=W1 - W2=W=-q0(
Электростатикалық өpicтeгi зарядты қозғау кезінде электрлік күштің icтeйтiн жұмысы заряд шамасын потенциал шамасының кемуіне көбейткенге тең.
Сондыктан энергияның өзrepici нөлге тең:
Элементар бөлшектердің -- электрондардың (протондардың) энергиясы эВ-пен (электрон-вольт) өлшенеді. 1 эВ= 1,6 :: 10-19 Кл :: В = 1,6 :: 10-19 Дж.
(10.1) формүласы электр жайындағы нeгiзгi қатынастардың 6ipi. Бұдан зарядты А нүктесінен В нүктeciнe қозғап апару кезінде істелетін электр өрісінің жұмысы осы нүктелердің арасын қосатын траекторияның формуласына тәүелсіз болатыны шығады. Мұның үcтiнe +q -дің кемү бағытында ал -- q потенциал - дын өсү бағытында козғалады. Егер заряд қозғалған кезде кедергі әсер етпесе, онда С нүктесіндегі кинетикалық энергияның қосындысы уақытқа байланысты өзгермейді.
Тұйық контүр бойынша істелген жұмыс нөлге тең, яғни (10.3)
өрнегінің орнына = q0dl cos() =q0 El dl өрнегін қойып, мынаны аламыз
(10.4)
Тұйық контүрдағы кернеүлік циркүляциясының нөлдік мәні күш сызықтары өздігінен тұйық болып табылмайды деп түсіндіріледі. Күш сызықтары оң зарядтан басталып шығады. Потенциалдар айырымымен 6ipгe кернеу U деген түciнiк те пайдаланылады. Кернеүдің потенциалдар айырымынан өзгешелігі сонда, ол әрқашан оң шама болады:
U= . 1 Кл зарядты орын ауыстыртып козғаган кезде 1 Дж жұмыс істелетін потенциалдар айырымының абсолют шамасы кернеудің өлшем бірлігі ретінде қабылданған. Бұл өлшем бірлігін вольт деп атайды. Кернеу электрометрлермен немесе әлектрлік вольтметрлермен өлшенеді.
11. Диполь өрісі және дипольдердің өзара әсері
Бip-6ipiнeн l қашыктықта орналасқан екі нүктелік +q мен - q зарядтарынан құралған жүйе диполь деп аталады.
Дипольдің моменті оның сипаттамасы болып табылады. Диполь моменті -- сан мәні оң заряд q мен зарядтардың ара қашықтығы l -дің көбейтіндісіне тең және де тepic зарядтан оң за - рядқа қарай бағытталған векторлық шама, яғни
P = ql. (11.1)
С болган кезде кажет дәлдікті айырым мына ернекпен та - былады:
Бүл жүыктап есептеүде әркашан
Erep = 0 немесе = болса, онда Е= (11.2)
(11.2) формуласы сәйкес түрде l - дің бойымен және оған перпендикуляр өріс кернеулігін анықтайды.Енді 6ip түзүдің бойымен бағдарланған P1 және Р2 моменттері бар екі өpicтің өзара әсер күшін табу қиын емес. Дипольдердің арақашықтығы r болған кезде, екінші дипольге әсер етуші қорытқы күш мына қосындымен анықталады :
F=F1+F2= -
Карапайым түрлендіру жасап ықшамдағаннан кейін мынау шығады
F=
Таңбалар бірдей бағытта және қарама-қарсы бағытта бағдарланған дипольдерге сәйкес келеді
12. Милликеннің электр зарядын анықтау жөніндегі тәжірибесі
1881 жылы Гельмгольц қарапайым электр зарядының болатыны жөнінде болжам айтқан болатын. Көптеген фактілер оның айтқанкан болжамының дұрыстығын растады. Тек 1911 жылы американ физигі Р. Милликен бұл зарядтың шамасын барынша дәл анықтады.
Милликен тәжірибесін талдап көрелік. Жазық конденсатордың жоғарғы пластинкасында саңылау бар. К түтігінен бұл саңылау арқылы май тамшылары буркіледі. Май тамшыларының төмен түcуi М микроскоп арқылы бақыланады. Электр өpici әсер етпеген жағдайда r радиусты тамшыға оның ауырлық күші, архимед куші және Стокс формуласымен анықталатын кедергі куші әсер етеді, осы күштердің әсерінен тамшы и жылдамдықпен бірқалыпты козғалады, бұл жылдамдық мынаған тең:
мұндағы -- майдың тығыздығы, -- ауаның тығыздығы.
Осы формуладан тамшының радиусын есептеп табуға болады.
Тамшы конденсатор аралығына буркілетін болғандықтан, ол белгілі 6ip q зарядпен зарядталады. Конденсатор пластинкалары аралығында кернеулігі Е= болатын өpic туған кезде май тамшысының төмен түсу жылдамдығы өзгеріп u1болады. Осы тамшының жылдамдығын өлшеп мына
формула бойынша тамшының q зарядын табуға болады.
Көптеген тәжірибелер тамшының заряды әрқашан 1,602 :: 10[-19] Кл өлшеміне тең болатын е шамасының еселігі болған. Ауа иондалған кезде тамшының заряды өзгеріп, әлгі шамаға тең болған. Тамшы тек бүтін санға тең электрондар санын қосып алатындықтан немесе одан айырылатын болғандықтан, Милликеннің есептеп тапқан заряды электронның заряды болып табылады деген қорытынды шығаруға болады.
1912 жылы А. Ф. Иоффе жасаған тәжірибелер де Милликен есептеп тапқан нәтижені растады. Қaзipгi кезде электронның заряды мынаған тең екені анықталған:
e=1,602 *10-19Кл.
Бақылау сұрақтары:
1.Электр өрісінің потенциалы
2. Нүктелік заряд тудыратын өрістің потенциалы
3.Потенциалға арналған өрістің суперпозиция принципі
4.Эквипотенциал беттер. Потенциал градиенті және өрістің кернеулігі
Әдебиеттер:
1. Калашников С.Г. Электричество, М.: Наука, 1970.
2. Парселл Э. Берклеевский курс физики, т.2-Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986.
3. Фейнман Р. И др. Фейнмановские лекции по физике, вып. 5- Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986
4. Иродов И.Е. Задачи по общей физике, М.: Наука, 1988.
5. Фриш С.Э. және басқалар. Жалпы физика курсы, т.1. Алматы.
Дәріс № 4
Тақырыбы: Диэлектриктердегі электр өрісі
Мақсаты: Диэлектриктердегі электр өрісінің негізін түсіндіру
Жоспар:
1. Еркін және байланысқан зарядтар. Диэлектриктер моделъдері. Полярлы және полярсыз молекулалар. Диэлектриктер поляризациясы.
2. Поляризация векторы
3. Диэлектриктегі өріске арналған Остроградский-Гаусс теоремасы
4. Диэлектриктегі өріс кернеулігі
5. Диэлектрлік өтімділік пен диэлектрлік алғырлықтың арасындағы байланыс
6. Остроградский -- Гаусс теоремасын электр өрістерін есептеуге пайдалану
Кілттік сөздер: зарядтар, диэлектриктер, полярлы молекула, полярсыз молекула
1. Еркін және байланысқан зарядтар. Диэлектриктер моделъдері. Полярлы және полярсыз молекулалар. Диэлектриктер поляризациясы.
Еркін электрондары жок және электр тогын өткізбейтін заттар диэлектриктерге жатқызылады.Барлық диэлектрик заттарды құрлысына орай екі топқа бөлуге болады:
1) полярлы молекулалы диэлектриктер ;
2) полярсыз молекулалы диэликтриктер.
7-сурет
Полярлы молекулалы диэликтриктер. Мұндай диэликтриктердің молекулалары иондардан құрылған. Бұл молекулалардың оң және теріс зарядтарының ауырлық центрлері бір-брірімен беттеспейді және молекула қатаң диполъ болып табылады. Диполь электрлік момент P-мен сипатталады.Электр моменті - диполъдің осі бойынша (-) -тен (+) - ке қарай бағытталған вектор
.
мұндағы q-диполъ заряды, l - диполъ зарядының ығысуы. Өріс әсер етпеген жағдайда диэликтриктегі молекулалар жылулық қозғалыстың салдарынан ретсіз орналасады (7-сурет).Сондықтан барлық диполъ моменттерінің векторлық қосындысы нөлге тең болады.Осындай диэлектрикті біртекті сыртқы өріске орналастырайық.Әрбір диполъге оны өрістің бойымен бұруға тырасатын электр күштері әсер етеді.
Күш парынан туатын айналдырушы момент М мынаған тең:
M=F*h = q El sin α = PE sin (,).
Екінші жағынан, жылулық ретсіз қозғалыс қатаң диполъдің өріс бойымен орналасуына кедергі жасап, оны қайтадан өріс бағытына әр түрлі α - бұрыш жасап орналастырады.Осы қарама - қарсы әсер етудің нәтижесінде диполъдің іші реттеліп орналасады. Сыртқы өріс E күштірек және температура Т төмен болған сайын диполъдің реттеліп орналасуыда да арта түседі.Осы жағдайда барлық диполъ моменттері нөлге тең болмайды .Диэлектрик электр моментіне ие болады, яғни поляризацияланады. Поляряризацяның бұл типі бағдарланушылық немесе диполъдік поляризация деп аталады. Бағдарланушылық поляризациясы, мысалы, су , нитробензол, ацетон т. с. с. заттарда пайда болады.
Полярсыз молекулалы диэлектриктер. Мұндай диэликтриктердің молекулалары зарядталмаған атомдардан құрлған, сыртқы өріс әсер етпеген кезде диполъдік моменті болмайды (10, а-сурет). Молекуланың оң және теріс зарядтарының ауырлық центрлері сыртқы өріс әсер еткен кезде қарама-қарсы бағытқа ығысады. Молекула диполъдік электр моменті -ге ие болады, яғни поляризацияланады (8, б-сурет).
Өріс күшті болған кезде диполъ моменттінің шамасы сыртқы өріс кернеулігіне пропорционал болады.Поляризацияның бұл типі квазисерпімді немесе изаығысудың электронды полярциясы деп аталады. Парафин, бензол, көмірсулар,сутегі,азот және т. б. заттарда квазисерпімді поляризация болады.Бұл айтылғандардан кез келген диэлектрикті сыртқы электр өрісіне енгізген кезде диэлектриктің күйі өзгеретінін, диэлектриктің көлемі түгелдей электр моментіне ие болатынын және диэлектриктің
поляризацияланатынын байқаймыз.
8-сурет
2. Поляризация векторы
Диэлектрикті сипаттау т үшін физикалық арнайы шама-полярризация векторы пайдалынылады. Диэлектриктің бір өлшем көлемінің электрлік моменті поляризация векторы деп аталады.Ол бір өлшем көлемдегі барлық молекулалардың электрлік моменттерінің векторлық қосындысына тең,яғни
3. Диэлектриктегі өріске арналған Остроградский-Гаусс теоремасы
Өрісті диэлектриктің ішінде орналасқан электр зарядтары q i (i=1, 2, 3, ... , N) тудыратын болсын. Кез-келген S беті арқылы өтетін вектор ағыны -ні есептеп табайық. (9, а-сурет).
Электр өрісіндегі заттың поляризацияланатыны жоғарыда көрсетілген болатын. Тұйық бет диполъдің бөлігін беттің ішкі жағында зарядтары теңгерілмеген,яғни тығыздығы теңгерілмеген байланысқан зрядтар болатындай етіп қиып өтеді (9,б-сурет).Диполъдің бет қиып өтпеген барлық зарядтры теңгеріледі.Сонымен,бетте еркін зарядтар q-ден басқа байланысқан зарядтар да болады.
Ф=
Кез келген тұйық беттен өтетін электростатистикалық индукция векторының ағыны беттің ішіндегі еркін зарядтарының алгебралық қосындысына тең .(16.5) өрнегі диэлектриктегі өріске арналған Остроградский - Гаусс теоремасын бейнелейді.
9-сурет
4. Диэлектриктегі өріс кернеулігі
Егер өpicтi тудыратын зарядтар өзгермейтін болса, ε - өpic кеңістігiн бipтeктi диэлектрик алып жатқан кездегі электр өpici кернeyлiгi Е-нің неше есе кeмитiдiгiн көрсететін шама.
ε-нің мәні диэлектрик молекуласының құрылымы мен қасиеттерінe және диэлектриктің сыртқы электр өрісінде поляризация - лану кабілетіне тәyeлдi болады. Диэлектрик электр өpiciн түгелдей алып жатқан жағдайда ғана өpic кернеулігінің ε- есе кемитіндігін ескерген жөн. Егер осы шарт орындалмайтын болса, онда өpic кернеулігі Е-ден кiшi (14-cypeттeгi б нүктесінде) де, Е-ден үлкен де (10-суреттегі а жэне в нүктелерінде) бола алады.
Сегнотоэлектриктер. Белгілі бip температура аралығында өздігінен яғни сыртқы электр өpici әсер етпеген кезде поляризациялана алатын диэлектриктер сегнотоэлектриктер деп аталады. Бұларға сегнет тұздары және барий титанаттары жатады.
+
+
+
10-сурет
Сегнетоэлектрлік қасиеттердің температураға тәуелділігі өте басым. әp6ip сегнетоэлектрикке белгілі 6ip температура сәйкес келеді, одан жоғары температурада ол әдеттегі диэлектрикке айналады. Мұндай температура Кюри нүктесі деп аталады. Сегнетоэлектриктерде әдетте бip ғана Кюри нүктeci болады; тек сегнет тұзында және оның изоморфты қосылыстарында ол нүкте екеу болады. Сегнетоэлектриктер конденсаторларда кеңінен пай - даланылады.
Электреттер. Поляризацияны тудыратын сыртқы әсерлерді тоқтатқаннан кейінде ұзақ уақыт поляризацияланған күйін сақтайтын және айналасында электр өpiciн тудыратын диэлектриктер электреттер деп аталған. Балқыма электр өpici әсер етіп тұрған кезде салқындатылатын болса, қатайған заттағы молекулалар өpic әcepi тоқталғаннан кейін де өзінің ие болған бағдарын ұзақ мерзімге (бірнеше күннен бастап бipнeiшe жылға дейін) сақтай алады. Электретті ең алғаш рет 1922 жылы жапон физигі Егучи жасалы.
Электреттер тұрақты электр өpiciнiң көздері (электретті микрофон және телефон, электрометр, электростатикалық вольтметр т. б.), дозиметрия құрылғыларының сезімтал датчиктері ретінде және электрлік фотографияда пайдаланылады.
Пьезоэлектр. Электр өpiciнiң әсерінен диэлектриктер поляризацияланады. Бірқатар кристалдар (симметрия центpi жоқ кристалдар) механикалық деформация әсерінен де поляризацияланады. Мұндай кристалдың пластинкасы қысылған (сығылған). кезде оның сыртқы бeтi әраттас заряд пен зарядталып, пластинканың iшінде электр өpici пайда болады. Пластинка созылған кезде бетіндегі заряд және электр өpici сәйкес түрде қарама - қарсы өзгереді. Бұл құбылыс пьезоэлектрлік эффект, ал буған сәйкес келетін зат пьезоэлектрик деп аталады. Бұл құбылысты ең алғаш рет 1880 жылы зерттеген француз ғалымдары, ағайынды Жолио және Пьер Кюрилер болды. Пьезоэлектриктерге турмалин кварц, сегнет тұзы және басқалар жатады.
Тура және кepi пьезоэлектрлік эффектілер техникада кеңінен қолданылуда. Тура эффект тез өзгеретін қысымды өлшеу үшін (пьезоэлектрлік манометр), ал кері пьезоэффект ультра-дыбыстық тербелістер тудыру үшін (пьезокварцты ультрадыбыс генераторы) пайдаланылады. Пьезокварц жоғары жиілікті тербелістерді тұрақтандыру үшін де қолданылады.
5. Диэлектрлік өтімділік пен диэлектрлік алғырлықтың арасындағы байланыс
Егер диэлектрик өpic мен вектор -нің бІрдей мэндер1нде барлық бағытта ортақ 6ip шамаға тең болатындай болып поляризацияланатын болса (поляризация бағытқа тәуелді емес), онда мұндай диэлектрик изотропты деп аталады. Изотропты ди-электриктегі зарядтар электр өрісінің. бағытымен ығысады, сондықтан мен векторлары параллель болады. Бұл жағдайда
=
деп есептеуге болады, мұндағы -- скаляр шама және ол берілген заттың поляризациялық коэффициенті немессе диэлектрлік алгырлығы (қабылдағыштығы) деп аталады.
электростатикалық вектор мынаған тең; D= Бұл өрнекке Р ның мәнін қоямыз, сонда болатынын керсетейік. Диэлектрикте еркін нүктелік заряд + q болсын. Мұның айналасынан радиусы R сфера сызамыз және осы сферадан өтетін век - тор ағыны D-ны есептейік (11-сурет). Остроградский -- Гаусс теоремасы бойынша
Е
11-сурет
Тек кристалдарды (анизотропты орталарда) D векторының бағыты Е векторының бағытымен дәл келмеуі мүмк1н. D векторы өpici және Е векторы өpici үшін де суперпозиция принципі орындалады:
яғни, электр зарядтары жүйесінің өрістің берілген нүктесінде тудыратын электростатиқалық индукция векторы әpбip зарядтың әлгі нүктеде тудыратын индукция векторларының геометриялық қосындысына тең болады.
6. Остроградский -- Гаусс теоремасын электр өрістерін есептеуге пайдалану
12-сурет
Остроградский -- Гаусс теоремасы симметриялы электр өpгeрeтiн есептеу үшін пайдаланылады.
а) Біркелкі зарядтал - ған цилиндрдің өpici.
Зарядының сызықтық тығыздығы = болатын біркелкі зарядталған ци - линдр 6eрілген. Еркімізше алынған А нуктесіндегі электр өрісін есептеп табу керек болсын (12-сурет). Біркелкі зарядталған цилиндр өрісінің цилиндрлік симметриясы бар. Егер цилиндрлік беттер oci зарядталған цилиндрдің. ociмен сәйкес салынатын болса, онда осы беттердің барлық нүктелеріндегі өpic кернеулігі бірдей болады. Мұндай өpicтi Остроградский -- Гаусс теоремасы бойынша оп-оңай есептеп табуға болады;
мұндағы - цилиндірлік бет ішіндегі заряд. Бұдан
Егер біркелкі зарядталған цилиндрдің биіктігі h шекті өлшемді болса, өлшемі h - пен салыстырғанда барынша кіші және цилиндрдің шеттеріне онша жақын болмай, R қашықтықта орналасқан өріс нүктелері үшін тура болады.
в) Біркелкі зарядталған шек өpici.
Бұл өpicтi есептеуге Остро - градский -- Гаусс теоремасын пайдалансақ
бұдан
с) Біркелкі зарядталған шардың өрісі. Заряды бетіне біркелкі орналасқан (таралған) R радиусты шар берілген. Шардың ішіндегі (А нүктесіндегі) және оның сыртындағы (В нүктесіндегі) өpicті есептеп табу қажет. (13-сурет)
13-сурет
Өріс потенциалдарын есептеу мысалдары
а) біркелкі зарядталған цилиндр өpiciнiң потенциалы.
б) Біркелкі зарядталған жазықтық өрісінің потенциалы. Зарядының беттік тығыздығы болатын біркелкі зарядталған шексіз үлкен өлшемді жазықтық берілген. -жазықтық бетінің потенциалы. А нүктесіндегі потенциалды есептеп табу керек.(9.7)және (20.2) өрнектері негізінде.
в) Біркелкі зарядталған сфера өрісінің потенциалы. q заряды бетіне біркелкі таралған сфера берілген. Сфераның ішіндегі және сыртындағы өріс потенциалын есептейік. Бұрын көрсетілгендей зарядталған сфераның өрісі нүктелік зарядтың өрісіне ұқсас. Сондықтан нүктелер үшін
Сфераның ішінде Е=0, сондықтан,
Бұдан Сфераның ішіндегі потенциал сфераның бетіндегі потенциалға тең:
.
Бақылау сұрақтары:
1. Еркін және байланысқан зарядтардың бір бірінен айырмашылы қандай?
2. Электр статистикалық индукция векторы дегеніміз не?
3. Диэлектриктердегі өрісті сипаттау үшін Остраградский - Гаусс теоремасын қалай қолданамыз?
Әдебиеттер:
1. Фейнман Р. И др. Фейнмановские лекции по физике, вып. 5- Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983-1986
2. Савельев И.В. Физика курсы, т.1.М: Наука, 1970.
3. Сивухин Д.В. Жалпы физика курсы, т.1. М: Наука, 1989
Дәріс № 5
Тақырыбы: Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
Мақсаты: Электростатикалық өрістегі өткізгіштердің негізін түсіндіру
Жоспар:
1. Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
2. Өткізгіштердің электр сыйымдылығы
3. Конденсаторлар
4. Конденсаторларды қосу
Кілттік сөздер: электростатикалық өрістер, өткізгіштер, электр, генератор, конденсатор
1. Электростатикалық өрістегі өткізгіштер
Егер зарядталмаған өткізгіш электр өрісіне орналастыратын болса, онда өткізгіштің бос электрондары өрістің бағытына қарсы қозғалатын болады (14, а-сурет). Сонымен, өткізгіштің
14-сурет
бір ұшында теріс зарядтар, ал екіншщ ds- ... 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