3.1 Электрлік заряд. Электростатикалық өрістің қасиеттері. Электр зарядының сақталу заңы. Электростатика. Зарядтардың өзара әрекеттесуі. Кулон заңы
Электрмагнетизм (электродинамика) – электрлік зарядталған денелердің өзара әрекеттесуін, электр зарядтары тудыратын және оларға әсер ететін электрмагниттік өрістің қасиеттерін және өзара түрленуін зерттейтін физика бөлімі. Электрлік заряд Q – зарядталған дененің басқа денелермен электрмагниттік әрекеттесу қарқындылығын сипаттайтын скалярлық физикалық шама. [Q] – Кл, кулон. Электр зарядтардың екі түрі бар: оң (+) және теріс (–). Денелерді электрлеу – денелерде таңбасы оң немесе теріс зарядтар бір түрінің артықшылығын немесе кемшілігін тудыру.Мысалы денелер үйкеліскенде бір дене атомдарының валенттік электрондары екінші денеге көшуі мүмкін. Заряд сақталу заңы: оқшауланған дене жүйесінде қандайда зарядтар алмасуы болсада электр зарядтарының алгебралық қосындысы сақталады
3.2 Электр өрісі және оның кернеулігі. Суперпозиция принципі
Электр өрісі материяның ерекше бір түрі. Электрлік зарядталған денелер тікелей өзара әрекеттеспейді, олар өздерінің төңірегінде электр өрісін тудырады және сол арқылы басқа электрленген денелермен әрекеттеседі. Зарядталған бөлшектердің өзара әсерлесуі олардың айналасындағы электр өрісі арқылы болады. Кез-келген жерде электр өрісінің бар – жоғын сол нүктеге қойылған сыншы заряд арқылы анықтаймыз. Өріс сыншы зарядқа белгілі бір күшпен әсер етеді. Сыншы зарядтың шамасы, сол нүктедегі өрісітің шамасын өзгерте алмайтындай өте кішкентай болу керек. Сонымен, зарядталған дененің айналасында электр өрісі болағандықтан, қозғалмайтын зарядтың айналасындағы өрісі электростатикалық өріс деп аталады. Электростатикалық өрістің күйін анықтайтын негізгі шаманың бірі – өрістің кернеулігі.
3.3 Кернеулік векторының ағыны. Электрлік ығысу. Остроградский –Гаусс теоремасы.
Кеңістікте орналсқан зарядтар мен оның айналасында пайда болған электр өрісінің кернеулік векторының E→ арасындағы байланыс заңдылығын көрсету үшін кернеулік векторының ағыны деген ұғым ендіріледі. Кернеулік сызықтарының жиілігі E→ сан мәніне тең болсын сонда белгілі бетті тесіп өтетін кернеулік сызықтарының жалпы санын сол беттен өтетін кернеулік ағыны немесе өрістің кернеулікк ағыны деп атайды.
3.4 Электростатикалық өрістің потенциалы. Электр өрісіндегі жұмыс пен энергия. Потенциалдар градиенті
Зарядтарды электростатикалық өріске ауыстырғанда, оларға түсірілетін күштер жұмыс атқарады. Электростатикалық күштердің бір ерекшелігі олардың заряд орын ауыстырғандағы жұмысы, зарядтың қандай жолмен орын ауыстырғандығына байланыссыз, тек зарядтың шамасы мен оның бастапқы және соңғы орнына ғана байланысты болады. Өрістің осы қасиеті оның кез келген нүктесінің потенциалы деп аталатын ерекше функциясымен сипатталады. Заряд бір нүктеден екінші нүктеге орын ауыстырғанда істелетін жұмыс сол екі нүктедегі потенциалдар мәндерінің айырмасымен анықталады. Олай болса, зарядтың электростатикалық өрістегі жұмысының энергиясы потенциалдық энергия (A=Ep) болып табылады. Зарядтың әртүрлі нүктелеріндегі энергиясы түрліше және ол энергияның мәні өрістің қасиеті мен зарядтың шамасына ғана байланысты болады.
3.5 Электр өрісінің потенциалы
Потенциалды (электр өрісі потенциалды) өрісте дененің потенциалдық энергиясы болады. Сондықтан потенциалды электр өрісінде заряд орын ауыстырғандағы істелген жұмысы сол зарядтың бастапқы және соңғы нүктелеріндегі потенциалдық энергиясының айырмасына тең болады
3.6 Диэлектриктер
Диэлектриктер – электр өткізбейтін заттар оң зарядтар мен теріс зарядтары тең мөлшерде болып келетін молекулалардан немесе диэлектриктер ішінде еркін қозғала алмайтын иондардан тұрады. Сыртқы электлік күштердің әсерімен диэлектриктегі зарядтар не аз ығысады не өздерінің орналасу бағытын өзгертеді.
Сөйтіп диэлектриктер бейтарап болып табылады. Диэлектриктер тобына эбонит, форфор сияқты қатты денелер және сұйықтар мен газдар жатады. Егер диэлектрикті электр өрісіне енгізсек, онда бұл өрісте диэлектриктің өзі де елеулі өзгерістерге ұшырайды. Молекулалардың өлшемдерімен салыстырғанда анағұрлым үлкен қашықтықтар үшін электрондардың әсері қандай да бір нүктеде орналастырылған молекуланың ішіндегі олардың зарядтар қосындысының әсеріне эквивалентті болады. Ол нүкте теріс зарядтардың ауырлық центрі деп аталады. Осы сияқты ядролардың әсері оң зарядттардың ауырлық центріне орналастырылған олардың зарядтар қосындысының әсеріне эквивалентті болады.
Сыртқы электр өрісі болмаған кезде оң және теріс зарядтардың ауырлық центрлері бір-біріне қатысты дәл келуі немесе ығысқан болуы мүмкін. Ығысқан жағдайда молекула электр эквивалентті болады, ол полюсті деп аталады. Оның меншікті электрлік моменті Р–ға тең болады. Электр өрісі болмағанда әр таңбалы зарядтардың ауырлық центрлері біріккен, меншікті элекрлік моменттерге ие болмайтын молекулалар полюссіз деп аталады. Сыртқы электр өрісінің әсрінен полярлық емес молекулалардағы оң заряттары өріс бағытымен, теріс заряттар өріске қарсы ығысады. Молекула электрлік моментке ие болады, оның шамасы өріс кернеулігіне Е – ге пропорционал.
Полюссіз молекула сыртқы өрісте өзін серпімді диполь, полюсті молекула сыртқы электр өрісінде өзін қатаң диполь ретінде ұстайды. Диэлектрикке зарядталған денені жақындатса, онда диэлектриктегі зарядтар орын ауыстармайды, тік бір бағытта ыңғайласып орналасады. Соның нәтижесінде диэлектриктің жақындатқан дене жақ ұшында аттас зарядтар пайда болады және ол поляризация күйі деп аталады.
Сыртқы электр өрісі болмаған кезде диэлектриктер молекулаларының дипольдік моменттері нөлге тең немесе хаосты түрде бөлініп таралған болады. Ал сыртқы өріс әсерінен диэлектрик поляризацияланады да, оның қорытқы электрлік моменті нөлден өзгеше болады. Диэлектриктің поляризациялану дәрежесін сипаттайтын шама ретінде бірлік көлеміндегі оның электрлік моменті алынады; осы шамасы диэлектриктің поляризациялану векторы деп аталады. Диэлектриктертің беттік жағындағы поляризацияланған заряд, мұнда жазық пластиканың ауданы және зарядтың беттік тығыздығы болады. Біртекті поляризацияланған диэлектрикте поляризация векторы тұрақты және диэлектриктертегі зарядтың беттік тығыздығы сан жағынан поляризация векторының нормаль құраушысына тең, ендеше поляризация векторын аламыз, ол өлшемсіз шама, оны диэлектриктілік өтімділік деп атайды.
Сегнетоэлектриктер
Диэлектриктердің сыртқы электр өрісі болмағанда өздігінен белгілі бір температуралар аралығында поляризациялана алатын тобын сегнетоэлектриктер деп атайды. Бұл құбылыста алғаш рет сегмент тұзының электрлік қасиеттерін (1930–1934) зерттеген физиктер И.В. Курчатов (1930 –1960) және П.П.Кобеко болды. Сегнетоэлктриктердің поляризациялау тәртібі ферромагнитиктердің магниттелу тәртібіне ұқсас, сондықтан да сегноэлектриктер кейде ферроэлектриктер деп аталады. Кристалды заттар, оның ішінде симметрия центрі жоқтары ғана сегноэлектриктер бола алады. Дененің сегнетоэлектрик қасиеті оның температурасына байланысты. Өте жоғары температурада дененің сегнетоэлектрлік қасиеті төмендеп, кәдімгі диэлектрикке айналады. Сондықтан температураның бұл аралық нүктесін Кюри нүктесі (П.Кюри 1859–1906) деп атайды. Сегнет тұзының екі Кюри нүктесі бар. (–180С және +240С) Кюри нүктесіне жақындағанда сегнетоэлектриктердің жылу сыйымдылықтарының (С) кенеттен өсетіні байқалады. Сол сияқты сегнетоэлектриктердің жоғарғы температураларда, яғни Кюри нүктесінде кәдімгі диэлектрикке айналуы екінші түрдегі фазалық ауысуымен байланысты. Сегнетоэлектриктердің диэлектрик өтімділігі өте жоғары, екіншіден – өріс кернеулігі Е электрлік ығысу векторы D – ға сызықты байланысты, үшіншіден – электр өрісі өзгеретін жағдайда поляризация векторының P мәні өріс кернеулігі E –ден кешігетіндігі байқалады.
3.7 Электр өрісіндегі өткізгіштер. Конденсаторлар. Электр сыйымдылы
Электростатикалық өріске бір өткізгішті ендірсек немесе өткізгішке заряд берсек, онда электрлік күштердің әсерінен осы зарядтар орын ауыстыра бастайды. Осылайша зарядтар тең болып бөлінгенге дейін өткізгіштер қозғалыста болады. Осы кезде өткізгіштің барлық жеріндегі өріс кернеулігі нольге тең болады E=0. Себебі өткізгіш ішіндегі потенциалдар тұрақты болу керек. Өткізгіш бетінің әрбір нүктесіндегі өріс кернеулігі бетке нормаль бойымен бағытталады. Демек, тепе-теңдік жағыдайда өткізгіштің беті эквипотенциал болады, ал өткізгіш ішіндегі кез келген нүктеде өріс болмағандықтан, бет арқылы электрлік зарядтардың ығысу векторының ағыны нөлге тең болады. Ол зарядтардың алгебралық қосындысы да Остроградский–Гаусс теоремасына сәйкес нөлге тең. Олай болса, тепе-теңдік кезінде өткізгіштің ішіндегі ешбір жерде артық заряд болуы мүмкін емес, зарядтар өткізгіштің бетінде белгілі бір тығыздылықпен орналасуы керек. Өткізгіштің берілген потенциалында зарядтардың тығыздығы беттің қисықтығымен анықталадызып. Ол қисықтық оң болғанда (дөнес) тығыздық артады да, теріс болғанда (ойыс) кемиді. Зарядтардың тығыздығы, сүйір ұштарында көп болады. Зарядталмаған өткізгішті электр өрісіне енгізгенде заряд тасушылар қозғалысқа бастап, оң зарядтар вектордың бағытымен, ал теріс зарядтар қарама-қарсы бағытта қозғала бастайды. Осының нәтижесінде өткізгіштердің ұштарында индукцияланған зарядтар деп аталатын қарама-қарсы таңбалы зарядтар пайда болады. Сөйтіп индукцияланған зарядтар өткізгіштің сыртқы бетіне бөлініп таралады. Егер өткізгіштің іші қуыс болса, онда индукцияланған тепе-теңдігі кезінде оның ішіндегі өріс нөлге тең болады. Сондықтан денеге сүйір ұштарының болуы одан зарядтың ағып кетуін ғана туғызып қоймай, сондай-ақ басқа денелерден өткізгішке зарядтардың ағып келуін де туғызады. Егер өткізгішке зарядтардың бір заряды берілсе, онда ол өткізгіштің ішіндегі өріс кернеулігі болатындай таралады. Өткізгіштегі зарядтың артуы қоршаған денелердегі зарядтардың бөлініп таралуына өзгеріс туғызбаған жағдайда ғана орындалады. Шамалар әртүрлі зарядтар басқа денелерден оқшауланған өткізгішке осы тәртіппен тарайды. Сонда өткізгіш беттің кез келген екі нүктесіндегі заряд тығыздықтанрының қатынасы зарядтың кез келген шамасы үшін бірдей болады. Өткізгіштегі зарядты қанша есе арттырсақ, онда өрістің әрбір нүктесіндегі кернеулігі де сонша есеге артады. Олай болса, бірлік зарядты шексіздіктен өткізгіштің бетіне алып келуі үшін істелген жұмыс және оның потенциалы еселеп артады. Сыйымдылық сан жағынан өткізгіштің потенциалын бір өлшемге арттыруға қажетті зарядқа тең. Өткізгіштің сыйымдылығы оның пішіні мен өлшеміне тәуелді де, бірақ өткізгіштің тегіне, агрегаттық күйіне және оның ішкі қыртыстарының өлшемдеріне тәуелсіз. Мұны зарядтардың көпшілігі незінен өткізгіштің сыртқы беттеріне орналасуынан деп түсінуге болады. Сыйымдылықтың өлшем бірлігіне өткізгішке 1 Кл – ға тең заряд бергенде оның потенциалды 1В– ке өзгеретін өткізгіштің сыйымдылығы алынады. Сыйымдылықтың бұл өлшемі фарада деп аталады. Сыйымдылықты үлкен өлшеммен емес, практикада оның үлестеріне тең мынандай өлшемдер қолданылады (микрофарад, нанофарад).
Конденсаторлар. Конденсаторлар және оларды қосу
Оқшауланған өткізгіштердің сыйымдылығы аз болады. Өткізгіштерді өзін қоршаған денелермен салыстырғанда шамалы потенциалды бола тұрып, едәуір зарядтарды жинақтайтын қондырғылар – конденсаторлар деп аталады. Зарядталған өткізгішке кез келген денені жақындатқанда өткізгіш потенциалы абсолют шамасы бойынша азаяды, сөйтіп өткізгіштің сыйымдылығы артады. Конденсаторларды бір-біріне жақын орналасқан өткізгіштер түрінде жасайды. Конденсаторды құрайтын өткізгіштерді оның астарлары деп атайды, олардың арасын диэлектрикпен толтырады. Конденсатордың сыйымдылығына сыртқы денелер әсер етпеуі үшін астрарларына ондағы жинақталған зарядтар бір-біріне қатысты орналастындай, туғызатын өріс толығымен конденсатордың ішінде шоғырланатындай пішін беруге болады.
3.8 Тұрақты тогы. Тұрақты электр тогының болу шарттары. Ом заңы. Өткізгіштердің кедергісі
Зарядталған макроскопиялық денелерді немесе электрлік зарядтардың қозғалысы туралы құбылыстар мен процестерді, электр тогы сияқты негізгі ұғымды қарастыратын бөлім – электр динамикасы деп аталады. Өткізгіште электр өрісін туғызатын болсақ, онда зарядтар реттелген қозғалыста болады. Оның оң зарядтары өріске (яғни, кернеулік бағытына) бағыттас та, теріс зарядтар оған қарама-қарсы қозғалады. Электр тогы деп электрлік зарядтардың бағытталған қозғалысын айтамыз. Электр тогы оң заряд тасушыларының да, теріс заряд тасушыларының да қозғалысы әсерінен туындауы мүмкін. Теріс зарядтың бір бағыттағы қозғалыс, шама жағынан сондай қарама-қарсы бағыттағы оң зарядтың қозғалысына тең. Ток бағытына оң тасушылардың орын ауыстыру бағыты алынады. Потенциалдар айырымы теңескенге дейін ток болады.
3.9 Токтың қуаты және жұмысы. Джоуль –Ленц заңдары
Кернеуі U болатын өткізгіштің бөлігі арқылы ток өткенде, өткізгіш қызып, бойынан жылу бөлініп шығады.
3.10 Тармақталған тізбек үшін Кирхгоф ережелері
Ом заңдары тек қарапайым электр тізбегін есептеу үшін ғана жарамды. Егер күрделі тізбектегі токты анықтау қажет болса, онда жалпыланған заңдылықтар болу керек. Сондықтан осындай заңдылықтың түріне заряд пен энегрянық сақталу заңының салдары ретінде неміс физигі Кирхгорф (1824–1887) ашқан заңдар немесе ережелер жатады. Кирхгофтың бірінші ережесі түйіндерге қатысты оған келетін ток пен одан шығатын ток арасындағы байланысты қарастырады. Тармақталған тізбек деп аталатын тізбекте түйіндер үштен кем емес өткізгіштер тоғысатын кез келген нүктені атайды. Біз тұрақты токты қарасатырғандықтан, түйінге қанша заряд ағып келсе, сонша ағып кетуі керек.