1.Электр зарядының сақталу заңы,өткізгіштер және диэлектриктерді және Кулон заңын түсіндіріңіз.

1) Зарядтың сақталу заңы. Зарядтың сақталу заңы – кез келген тұйық жүйенің  электр зарядтарының алгебралық қосындысының өзгермейтіндігі туралы табиғаттың іргелі дәл заңдарының бірі. Ол 18 ғ-да дәлелденген. Теріс электр зарядын тасушы электронның және электр зарядының шамасы электрон зарядына тең оң электр зарядты протонның ашылуы, электр зарядтарының өздігінше емес, бөлшектермен байланыста өмір сүретіндігін дәлелдеді. Кейінірек электр заряды шамасы жөнінен электрон зарядына тең оң не теріс зарядты элементар бөлшектер ашылды. Сонымен, электр заряды дискретті: кез келген дененің заряды элементар электр зарядына еселі болып келеді. Әрбір бөлшектің өзіне тән белгілі бір электр заряды болатындықтан, бөлшектердің бір-біріне түрлену процесі болмаған жағдайда, зарядтың сақталу заңын бөлшектер саны сақталуының салдары ретінде қарастыруға болады. Мысалы, макроскопиялық дене зарядталған кезде зарядты бөлшектер саны өзгермейді, тек зарядтардың кеңістікте қайтадан тарала орналасуы өзгереді: зарядтар бір денеден басқа бір денеге ауысады.Бөлшектерге бір-біріне түрлену процесі тән – элементар бөлшектер физикасында бір бөлшек жоғалады, бір бөлшек жаңадан пайда болады. Бұл жағдайда да зарядтың сақталу заңы қатаң сақталады, яғни бөлшектердің өзара әсерлесуі және түрленуі кезінде қосынды заряд өзгермейді. “Жаңа” зарядты бөлшектің пайда болуы не сондай заряды бар “ескі” бөлшектің жоғалуымен, не заряды оған қарама-қарсы зарядтар жұбының пайда болуымен (мысалы, бөлшек-антибөлшек жұбының пайда болу процесі) бір мезгілде өтеді. Оның үстіне, мұндай түрленулер кезінде зарядтың сақталу заңынан басқа да сақталу заңдары (энергияның сақталу заңы, қозғалыс мөлшерінің сақталу заңы, т.б.) орындалады.

Зарядтың сақталу заңы энергияның сақталу заңымен бірге электронның орнықтылығын “түсіндіреді”. Электрон (және позитрон) – зарядталған бөлшектердің ең жеңілі. Сондықтан да ол ешуақытта ыдырамауға тиіс. Электронның өзінен гөрі ауыр зарядталған бөлшектерге (мысалы, мюонға,  - мезонға) ыдырауына зарядтың сақталу заңы, ал оның өзінен гөрі жеңіл бейтарап (нейтрал) бөлшектерге (мысалы, фотонға, нейтриноға ыдырауына энергияның сақталу заңы кедергі болады. 

Өткізгіштер деп - өздерінен электр тогын жақсы өткізетін заттар мен денелерге айтылады.

Өткізгіш сыртқы электр өрісінде тұрса электр өрісінің әсерінен, оның еркін зарядтары қозғалысқа келеді. Сыртқы өрістің кернеулігінің бағытында оң зарядтар, ал кернеуліктің бағытына қарама қарсы бағытта теріс зарядтар қозғалады. Сүйтіп, бар зарядтар орын ауыстырып болған соң, зарядтардың қозғалысы тоқтайды да өткізгіштің ішінде. Сыртқы өрістің бағытына қарама -қарсы өріс пайда болады. Осы екі өріс бірін -бірі теңестіріп, өткізгіштің ішіндегі қорытқы өріс нөлге тең болады.

Өткізгіштегі зарядтар сыртқы өрістің әсерінен өткізгіштің беткі қабатында орналасады. Егер өткізгішке бір q заряды берілсе, онда ал өткізгіштің ішіндегі өріс кернеулігі болатындай таралады. Сонда өткізгіш бетінің кез келген екі нүктесіндегі заряд тығыздықтарының қатынасы зарядтың кезкелген шамасы үшін бірдей болады.

Бұдан оң аталынған өткізгіштің потенциалы ондағы бар зарядқа пропорционал болатынын көруге болады. Мысалы, өткізгіштегі зарядты қанша есе артырсақ, онда өрістің әрбір нүктесіндегі кернеулігінің де сонша есеге артатынын байқаймыз.

Беттегі пайда болған зарядтар тығыздығы және олардың электр өрістері берілген беттің пішініне тура пропорционал болып пішіні қанша үшкір болса сол жердегі зарядтардың беттік тығыздығы да сонша үлкен болады. Олар дөңес жерінде оң зарядтар жиналады, ал ойыс жерлерінде теріс зарядтар пайда болады, зарядтар тығыздығы кіші болады, ал сүйір жерінде ең үлкен тығыздыққа ие болады.

Өткізгіштер әр түрлі болады:

1. Қатты күйдегі өткізгіштер. Оларға барлық темірге жататындар.

2. Сұйықтықтар оларды электролиттер деп атайды. Олар қышқыл немесе гидрооксидті немесе тұзды болады.

3. Өз кезінде газдар да өткізгішке айналады.

4. Кез – келгенде де вакуумда өткізгішке айналады. Электрондық лампаларда, термоэлектрондық эмиссия арқылы металдан ыршып шығатын электрондар вакуум арқылы анодқа қарай өтіп, анод тогын туғызады.

5. Жартылай өткізгіш деп – сыртқы әсер арқылы өткізгішке айналатын Менделеев элементтеріндегі 12 элементке айтылады. Оларға: В, К, F, I, St, Te, Se.

6. 9) Диэлетриктер типтері. Диэлектриктердің полярлануы

7. Диэлектриктер (немесе изоляторлар) деп электр тогын өткiзбейтiн денелердi айтады. Изолятордың немесе диэлектриктiң еркiн электр заряды жоқ нейтраль атомдарда электрондар мен ядролар бiр-бiрiмен байланысқан және электр өрiсiнiң әсерiнен бүкiл денеге орынауыстыра алмайды. Өткiзгiштер мен диэлектриктер электростатикалық өрiсте өздерiн әрқалай ұстайды. Диэлектрик iшiнде электр өрiсi болуы мүмкiн; бұл жағдайда диэлектрик өрiске белгiлi бiр әсер бередi. Диэлектриктердi екi түрге ажыратады: полярлық емес және полярлық.

8. Полярлық емес диэлектриктер молекулаларында және атомдарында оң және терiс зарядтардың таралу центрлерi сәйкес келедi. Мысалға, сутегi атомында оң заряд – протон – центрде болады, терiс заряд – электрон – ядро маңайында өте жоғары жылдамдықпен айналады, сондықтан уақыт бойынша орташа терiс зарядтың таралу центрi ортасына келедi, яғни оң зарядталған ядромен сәйкес келедi.

9. Полярлық емес диэлектриктер – инерттi газдар, сутегi, азот, көмiртегi және басқалар.

10. Полярлық диэлектриктер молекулаларында оң және терiс зарядтардың центрлерi сәйкес келмейдi. Мысалға, ас тұзының NaCl пайда болуы кезiнде, жетi валенттiк электрондары бар хлор атомы натрий атомының бiр валенттiк электронын iлестiредi. Өз ядросымен әлсiз байланысқан.

11. Полярлық диэлектриктерге спирт, су және басқа заттар жатады.

12. Диэлектриктiң iшкi электр өрiсiне орынауыстыру кезiнде поляризация процесi жүредi. Поляризация деп диэлектриктiң оң жәнен терiс байланысқан зарядтарының қарама-қарсы бағыттарда араласуын айтады.

13. Полярлық диэлектриктiң поляризациясы. Iшкi электр өрiсiне енгiзген кезде полярлық диэлектриктiң әрбiр диполiне модульдары бойынша бiрдей және бағыттары бойынша қарама-қарсы екi күш әсер ете бастайды. Олар, өрiс күш сызықтары бойымен бағытталған ось бойынша бұрайтын, күш моментiн жасайды. Бұл жағдайда дипольдiң оң шетi электр өрiсi бағытына, ал терiс жағы – керi бағытта ойысады. Дипольдiк молекулалардың қатаң бағытталуына олардың жылулық қозғалысы кедергi жасайды. Сондықтан өрiстiң әсерiнен электрлiк дипольдердiң бағытталуы байқалады. Диэлектрик бетiнде байланысқан заряд туындайды. Диэлектрик iшiнде дипольдердiң оң және терiс заряды бiр-бiрiн теңгередi және орташа байланысқан заряд бұрынғыдай нөлге тең.

14. Полярлық емес диэлектриктiң поляризациясы. Iшкi электр өрiсiне орналасқан полярлық емес диэлектрикте молекулалардың оң және терiс зарядтардың бiр-бiрiне қатысты араласуы өтедi. Оң және терiс зарядтардың центрлерiнiң таралуы сәйкес келмейдi (беттеспейдi). Бұндай деформацияланған молекулаларды осi өрiс бойымен бағытталған электрлiк диполь ретiнде қарастыруға болады. Диэлектрик бетiнде полярлық диэлектриктi поляризациялау кезiндегiдей байланысқан зарядтар бола бастайды.

15. Диэлектрик iшiнде дипольдердiң оң және терiс заряды бiр-бiрiн теңгередi және орташа байланысқан заряд нөлге тең.

2) Кулон заңы

Кулон заңы — екі нүктелік электрикалық зарядтардың өзара әсерін сиппаттайтын заң. Тыныштықтағы екі нүктелік зарядталған денелердің өзара әсерлесу заңы бүкіл әлемдік заңға ұқсас деген пікірлер ХVIII-ғасырдың ортасында туа бастады. Осы пікірдің дұрыстығын 1785 жылы француз ғалымы Ш.Кулон дәлелдеді. Кулон заңы бойынша тұжырымдалады: тыныштықтағы екі нүктелік зарядтар зарядтардың модульдерінің көбейтіндісіне тура пропорционал, ара қашықтықтың квадратына кері пропорционал, таңбасы зарядтардың таңбаларының көбейтіндісімен бірдей, ал бағыты екі зарядты қосатын түзу бойымен бағыттас күшпен өзара әсер етеді.

Кулон тәжірбиесі

Ол жіңішке серпімді сымға ілінген және шыны цилиндр тәрізді ыдыста орналастырылған шыны таяқшадан тұратын қондырғы-иірілмелі таразыны қолданды.Таяқшаның бір ұшына кішкене металл шар бекітті,ал екінші ұшына оны теңгеріп тұратын жүк ілді.Жіптің жоғарғы ұшын оның ширатылу бұрышын анықтауға арналған бөліктері бар шкалаға бекітті.Ыдыс тығынындағы саңылау арқылы дәл сондай басқа сынақ шар енгізді.Содан соң шарларға оң заряд берді және олар бір-бірімен өзара әрекеттесті.Ал олардың әрекеттесу күшінің шамасын жіптің ширатылу бұрышына қарап анықтады. Өлшемдері электрленген шардың өлшемдерімен бірдей,заряды жоқ үшінші шардың көмегімен Кулон алдыңғысының зарядын тең екіге бөлді. Осылайша,Кулон тәжірбиелерін қорыта келе,шарлардың өзара әрекеттесу күші олардың арақашықтығының квадратына кері,ал шарлардың зарядтарының көбейтіндісіне пропорционал екенін анықтады. Әрі,олардың әрекеттесу күші әр ортада әртүрлі екенін байқап,ортаның диэлектрлік өтімділігі деген шама енгізді.Ол әр ортада әртүрлі мәнге ие. Оған қоса,Кулон электр тұрақтысы деген шаманы енгізді

Заң орындалу үшін мына шарттар орындалуы маңызды:

1. зарядтардың нүктеде болуы — яғни зарядталған денелер ара қашықтығы олардың өздерінің өлшемінен әлдеқайда үлкен болу керек — әйтсе де сфералық симметриялы бір бірімен қиылыспайтын көлемді үлестірілген зарядты екі дене өзара әсер ететін күші сол денелердің симметриялық ортасында орналасқан эквивалентті нүктелік зарядтардың әсер ететін күшіне тең екенін дәлелдеуге болады;

2. олар тыныштықта, өозғалыссыз болуы. Болмаса басқа да күштер пайда болады: қозғалмалы зарядтың магниттық өрісі және оған сәйкес басқа қозғалмалы зарядқа әсер ететінЛоренц күші;

3. вакуумда орналасулары керек.

Дегенмен аздаған өзгерістермен заң ортада және қозғалмалы зарядтар үшін де орындалады.

Векторлы түрде Ш. Кулон заңы тұжырымы былай жазылады:

мұндағы   — 1 заряд 2 зарядқа әсер ететін күш;   — зарядтар шамасы;   — радиус-вектор (модулә  -ге тең 1 зарядтан 2 зарядқа бағытталған вектор);   — пропорционалдық коэффициенті. Осылайша, заңға сәйкес біртекті зарядтар бір-бірін итереді (ал әртекті — тартады).

2. Электростатикалық өріс және оның кернеулігін сипаттыңыз.

Зарядталған бөлшектердің өзара әсерлесуі олардың айналасындағы электр өрісі арқылы болады. Кез-келген зарядталған дененің (бөлшектің) айналасында электр өрісі болады. Қозғалмайтын зарядтың айналасындағы өрісі электростатикалық өріс деп атайды. Электр өрісі материяның ерекше бір түрі. 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.

Электростатикалық өрістің күйін анықтайтын негізгі парасетрдің (шаманың) бірі - өрістің кернеулігі. Электр өрісінің кернеулігі – электр өрісінің зарядталған бөлшектер мен денелерге күштік әсерін сипаттайтын векторлық шама (Е). Ол электр өрісінің белгілі бір нүктесіне қойылған нүктелік зарядқа әсер ететін өріс күшінің (F) сол зарядтың шамасына (q) қатынасына тең: E=F/q. Бұл жерде зерттелетін өріске әкелінген зарядтың шамасы (q) сол өрістің жасайтын зарядтардың шамасы мен олардың кеңістікте тарала орналасуын өзгертпейтіндей, мейлінше аз деп қарастырылады. Электр өрісінің кернеулігінің бірліктердің халықаралық жүйесіндегі өлшеу бірлігі: в/м.

Электр өрісінің кернеулігі - өрістің көрсетілген нүктесінде орналасқан материалды нүктеге әсер ететін электр өріс күшінің осы заряд мөлшеріне қатынасы.

3.Электрлік дипол,электр өрісінің кернеулік сызықтары,кернеулік векторының ағыны,электрлік ығысу ұғымдарын талдаңыз.

4.

5.Потенциалдар градиенті,эквипатенциялдық беттер және олардың қасиеттерін атаңыз.

7) Электростатикалық өріс 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.

Осыдан q₀ зарядының q заряд өрісіндегі потенциалдық энергиясы:

(1.15)

егер болса, онда сонда

(1.16)

Енді q зарядтан r арақашықтықтағы нүктесіндегі өрістің потенциалын анықтайық. Ал сол нүктеге кезекпе-кезек сыншы зарядтар қойып олардың потенциалдық энергияларын анықтайық.

(1.17)

- өрістің потенциалы.

Өрістің потенциалы деп, өрістің сол нүктесіне қойылған бірлік оң зарядтар потенциалық энергиясына тең физикалық шаманы айтады. Енді потенциал ұғымын пайдаланып q₀ зарядты өрістің істейтін жұмысын былай жазуға болады.

(1.18)

q₀ зарядын өрістің бір нүктесінен шексіздікке дейін көшіргенде істелетін жұмыс

осыдан бірлік зарядты өрістің бір нүктесінен шексіздікке көшіргенде істелетін жұмыс пен өлшенетін физикалық шаманы өрістің потенциалы дейміз

Бірнеше зарядтардың өрісінің бір нүктесіндегі потенциалы, сол нүктедегі әрбір зарядтың потенциалдарының алгебралық қосындысына тең болады:

(1.19)

8) Кернеулік пен градиент потенциал арасындағы байланыс. Эквипотенциал беттер. _{Электростатикалық өрістің кернеулік векторының кез келген тұйық контур бойымен алынған циркуляциясы нөлге тең.}

Электростатикалық өріс кернеулігі мен потенциал арасындағы байланыс мына теңдеумен өрнектеледі:

немесе . (7.11)

Өріс кернеулігі мен потенциалдың арасындағы байланысты белгілі өріс кернеулігі арқылы өрістің кез келген екі нүктесінің потенциалдар айырмасын анықтау үшін пайдалануға болады.

Өрістің күштік күйін сипаттайтын кернеулігімен, оның энергетикалық күйін сипаттайтын потенциалының арасындағы байланысты қарастырайық.

Бірлік оң зарядты өрісте dx арақашықтыққа орын ауыстырғанда, өрістің істейтін жұмысы dA =F_x dx. Екінші жағынан бұл жұмыс осыдан ;

(1.20)

мұндағы - бірлік векторлары.

мұндағы - Лаплас операторы

Сонымен (1.21)

минус таңбасы өрістің кернеулігі әр уақытта, оның потенциалының кему бағытына қарай бағытталатындығын көрсетеді. Нүктелік зарядтың электростатикалық өрісі концентрлі шеңберлер болады. Оның потенциалы ;

Бұл оның радиусы тең шеңбердің барлық нүктелеріндегі потенуциалдары өзара тең болатындығын көрсетеді. Осындай потенциалдары бірдей беттерді эквипотенциалды беттер дейді. Экваипотенциалды беттер мен зарядтар орын ауыстырған кезде істелетін жұмыс нулге тең болады. Өрістің кернеулік векторының күш сызықтары эквипотенциалды беттерге әруақытта перпендикуляр болады.

Потенциалдың таралуын график жүзінде бейнелу үшін эквипотенциал беттер пайдаланылады. Эквипотенциал беттер дегеніміз барлық нүктесінде потенциалдары бірдей мәнде болатын беттер. Көбіне эквипотенциал беттерді екі көрші эквипотенциал беттердің арасындағы потенциалдар айырымы бірдей болатындай етіп жүргізеді. Сонда эквипотенциал беттердің қалыңдығы әртүрлі нүктедегі өріс кернеулігін көрнекі етіп сипаттайды. Осы беттер қалың орналасқан жерде өріс кернеулігі үлкен. Нүктелік заряд үшін потенциал  , сондықтан эквипотенциал беттер концентрлік сфера болады. Екінші жағынан кернеулік сызықтар радиал түзулер болады. Сонымен кернеулік сызықтары эквиотенциал беттерге перпендикуляр. Барлық жағдайда  векторы эквипотенциал бетке перпендикуляр және барлық уақытта потенциалдың кему бағытына қарай бағытталғанын көрсетуге болады.

6.Диэлектриктер және олардың поляризациясы,сегнетоэлектриктеді түсіндіріңіз.

9) Диэлетриктер типтері. Диэлектриктердің полярлануы

Диэлектриктер (немесе изоляторлар) деп электр тогын өткiзбейтiн денелердi айтады. Изолятордың немесе диэлектриктiң еркiн электр заряды жоқ нейтраль атомдарда электрондар мен ядролар бiр-бiрiмен байланысқан және электр өрiсiнiң әсерiнен бүкiл денеге орынауыстыра алмайды. Өткiзгiштер мен диэлектриктер электростатикалық өрiсте өздерiн әрқалай ұстайды. Диэлектрик iшiнде электр өрiсi болуы мүмкiн; бұл жағдайда диэлектрик өрiске белгiлi бiр әсер бередi. Диэлектриктердi екi түрге ажыратады: полярлық емес және полярлық.

Полярлық емес диэлектриктер молекулаларында және атомдарында оң және терiс зарядтардың таралу центрлерi сәйкес келедi. Мысалға, сутегi атомында оң заряд – протон – центрде болады, терiс заряд – электрон – ядро маңайында өте жоғары жылдамдықпен айналады, сондықтан уақыт бойынша орташа терiс зарядтың таралу центрi ортасына келедi, яғни оң зарядталған ядромен сәйкес келедi.

Полярлық емес диэлектриктер – инерттi газдар, сутегi, азот, көмiртегi және басқалар.

Полярлық диэлектриктер молекулаларында оң және терiс зарядтардың центрлерi сәйкес келмейдi. Мысалға, ас тұзының NaCl пайда болуы кезiнде, жетi валенттiк электрондары бар хлор атомы натрий атомының бiр валенттiк электронын iлестiредi. Өз ядросымен әлсiз байланысқан.

Полярлық диэлектриктерге спирт, су және басқа заттар жатады.

Диэлектриктiң iшкi электр өрiсiне орынауыстыру кезiнде поляризация процесi жүредi. Поляризация деп диэлектриктiң оң жәнен терiс байланысқан зарядтарының қарама-қарсы бағыттарда араласуын айтады.

Полярлық диэлектриктiң поляризациясы. Iшкi электр өрiсiне енгiзген кезде полярлық диэлектриктiң әрбiр диполiне модульдары бойынша бiрдей және бағыттары бойынша қарама-қарсы екi күш әсер ете бастайды. Олар, өрiс күш сызықтары бойымен бағытталған ось бойынша бұрайтын, күш моментiн жасайды. Бұл жағдайда дипольдiң оң шетi электр өрiсi бағытына, ал терiс жағы – керi бағытта ойысады. Дипольдiк молекулалардың қатаң бағытталуына олардың жылулық қозғалысы кедергi жасайды. Сондықтан өрiстiң әсерiнен электрлiк дипольдердiң бағытталуы байқалады. Диэлектрик бетiнде байланысқан заряд туындайды. Диэлектрик iшiнде дипольдердiң оң және терiс заряды бiр-бiрiн теңгередi және орташа байланысқан заряд бұрынғыдай нөлге тең.

Полярлық емес диэлектриктiң поляризациясы. Iшкi электр өрiсiне орналасқан полярлық емес диэлектрикте молекулалардың оң және терiс зарядтардың бiр-бiрiне қатысты араласуы өтедi. Оң және терiс зарядтардың центрлерiнiң таралуы сәйкес келмейдi (беттеспейдi). Бұндай деформацияланған молекулаларды осi өрiс бойымен бағытталған электрлiк диполь ретiнде қарастыруға болады. Диэлектрик бетiнде полярлық диэлектриктi поляризациялау кезiндегiдей байланысқан зарядтар бола бастайды.

Диэлектрик iшiнде дипольдердiң оң және терiс заряды бiр-бiрiн теңгередi және орташа байланысқан заряд нөлге тең.

10) Полярлану. Диэлектриктердегі өріс кернеулігі

Поляризация, полярлану  (француз тілінде polarіsatіon — алғашқы негізі, грек тілінде polos — ось, полюс) — 1) электрхимиялық поляризация — электр тогы өткен кезде ерітінді мен электрод арасындағы потенциалдар айырмасының тепе-теңдік мәнінен ауытқуы; 2) молекуланың және атомның поляризациясы — сыртқы электр өрісінде орналасқан зат молекуласымен атомының деформациялануы; 3) биоэлектрлік поляризация — тірі жасуша мен сыртқы орта шекарасында қос электрлік қабаттың пайда болуы; 4) вакуумдық поляризация — магниттік өріс әсерінен вакуумның диэлектрлік орта тәрізді, яғни, осы ортада электр зарядтары біркелкі таралғандай әсер қалдыратын күйге ауысуы; 5) толқындар поляризациясы — көлденең толқындардағы тербелістердің таралу бағытымен салыстырғанда осьтік симметриясының бұзылуы; 6) диэлектриктердің поляризациясы; 7) бөлшектердің поляризациясы — әр бөлшектің өзіне тән қозғалыс мөлшерінің моменті — спині болуына және оның кеңістіктегі бағытталуына байланысты байқалатын бөлшектер күйінің сипаттамасы; 8) ортаның поляризациясы — қарастырылып отырған ортада көлемдік дипольдік электрлік моменттің пайда болуы; 9) Жарық поляризациясы — жарықтың полярлануы; 10) аспан күмбезінің поляризациясы — күндіз бұлт болмаған кезде, не түнде ай жарығында байқалатын оптикалық құбылыстардың бірі.

Диэлектрик бетiндегi байланысқан заряд, iшкi өрiстiң кернеулiгiне керi бағытталған өзiнiң кернеулiгi меншiктi электр өрiсiн туғызады .

Сондықтан диэлектрик iшiндегi қорытқы өрiс бәсеңдейдi. Бәсеңдеу дәрежесi диэлектриктiң қасиетiне байланысты.

Ортаның диэлектриктiк өтуi (енуi) деп бiртектi диэлектрик iшiнде электр өрiсi кернеулiгiнiң модулi бостықтағы (вакуумдегi) өрiс кернеулiгi модулiнен неше есе кем екенiн көрсететiн физикалық шама:

11) Сегнетоэлектриктер

Сегнетоэлектриктер  — белгілі температуралар аралығында бағыты сыртқы әсерлер арқылы өзгертіле алатын спонтанды поляризацияланған кристалл диэлектриктер. Сегнетоэлектриктер деп – кристалды заттың ішіндегі симметрия центрі жоқтарына айтылады. Ол өздігінен белгілі бір температура аралығында сыртқы электр өрісі кернеулігі болмағанда поляризациялана алады. Бұл құбылысты алғаш рет сегнет тұзының электрлік қасиетін егжей – тегжейлі зерттеген совет физигі Курилатов пен Кобеколар болды. Тексеру 1930-34 ж өткізілген сегнет тұзының екі кюри нүктесі бар.

1) -18⁰С (255К) 2) 24⁰С (297К)

Осы температура оның дипольдік моменттері бірдей бағдарлану шегіне жетіп паралель орналасады. Бірақ оның толық диполдық моменттері нөл болып қалады.

Домендер деп - өздігінен поляризациялану аймақтарына ие болғанына айтылады. Сыртқы электр өрісі кернеулігі әсерінен домендердің моменттері бір тұтас өріс бағыты бойынша бұрылады. Өте жоғары температурада сегнетоэлектриктер диэлектриктерге айналып кетеді. Сондықтан, температураның бұл аралық нүктесіне Кюри нүктесі деп аталады. Совет физигі Б.И. Буль бариді титанның Ва ТiO₃ формуласы, 125⁰С- де диэлектрик өтімділігі алты мыңға жететіндігін анықтаған. Кюри нүктесіне жақындағанда диэлектрик өтімділік жоғалып сигнетоэлектриктердің жылу сиымдылығы күрт асатынын байқаған. Онда фазалық ауысу пайда болып кәдімгі диэлектриктерге айналады екен.

Сегнетоэлектриктердің ерекше қасиеттері.

1. Диэлектрик өтімділігі өте жоғары.

2. Диэлектриктер өрісі кернеулігімен индукция.

Векторлары өзара сызықты байланысқан.

3. Диэлектриктік өтімділік электр өрісі кернеулігіне тәуелді.

4. Поляризация уақытында дипольдық моменттердің электр өрісі кернеулігінің кешігіп жүруі.

Бұл сызыққа яғни дипольдік моменттің электр өрісі кернеулігімен кемігу сызығына гистерезис деп аталады. Мұндай құбылыс магниттелетін заттарда ұшырайды яғнни кездеседі. Сонда қалдық магнетизмнің әсерінен бір түрлі заттар өзінің магниттелу қасиеттерін сақтап қалып тұрақты магнитке айналады. Бірақ оларда өздерінің кюри температурасына ие. Мұндай зерттеулер негізінен лабараториялық жұмыстармен дәлелденген. Ал табиғатта оны бұл құбылысты өте қиын. Себебі температурадан тыс ол заттарға өте күрделі күштер әсер етуінен және табиғаттағы перомагнетиктер жер қыртысында өте шұңқырда жатады.

6.Конденсаторлар және оларды қосу.Электр өрісінің энергиясы.Электр тогы және ток күші.ЭҚК-н атаңыз.

14) Конденсатор

1745 жылы Лейден қаласында неміс физигі Эвальд Юрген фон Клейст және голланд физигі Питер ван Мушенбрук тарихта ең алғашқы конденсатор – «лейден банкасын» жасады.

Конденсатор деп жұқа диэлектрик қабатымен бөлінген екі өткізгіштен тұратын жүйені айтамыз. Ол латынның “condenso”- қоюлату, жинақтау деген сөзінен шыққан. Конденсатор электр энергиясын және электр зарядтарын жинақтау үшін қолданылады. Конденсатордың екі өткізгішін оның жапсарлары деп атайдың Ол жапсарларды шамасы жағынан тең, таңбалары жағынан қарама –қарсы зарядтпен зарядтайды.Бұл құрал өзіміз көріп жүрген телевизорларда, радиоқабылдағыштарда, магнитофонда және т.б электр құралдарында қолданылады.

Конденсаторларды сыртқы механикалық әсерлерден қорғау үшін оларды арнайы корпустармен қаптайды.

Халықаралық стандарт бойынша конденсаторларды жұмыс істеу принциптеріне байланысты тізбекте шартты түрде былай белгілейміз:

ГОСТ 2.728-74 бойынша белгіленуі	Сипаттамасы
	Тұрақты сыйымдылығы бар конденсатор
	Поляризацияланған конденсатор
	Айнымалы сыйымдылығы бар конденсатор

Сипаттық тағайындалуына қарай конденсаторларды шартты түрде жалпы және арнайы қолданыстағы конденсаторлар деп бөлуге болады Жалпы қолданыстағы конденсаторларға кең тараған төмен вольтты конденсаторлар жатады және олар құралдар мен аппараттардың көптеген түрлерінде қолданылады Ал қалған конденсаторлардың барлығы арнайы қолданыстағы конденсаторлар деп аталады. Оларға жоғарғы вольтты, импульстік, бөгетті жойғыш, дозиметриялық және т.б конденсаторлар жатады.

Конденсатордың негізгі сипаттамасы оның электрсыйымдылығы болып табылады. Ол конденсатордың электрзарядын жинақтау қабілетін көрсетеді. Сыйымдылықтың анықтамасы бойынша конденсатордың жапсарларындағы заряд оның жапсарларының арасындағы кернеуге тура пропорционал.

Конденсатордың сыйымдылығы әдетте 1 пФ –тан жүздеген мкФ –қа дейін, сонымен бірге сыйымдылығы ондаған Ф –қа дейінгі конденсаторлар да кездеседі.

Сонымен қатар конденсаторларды жапсарларының пішініне қарай жазық, цилиндр тәріздес, шар тәріздес және т.б деп бөледі.

Егер өткізгіштер жазық болса және параллель орналасса, онда конденсатор жазық деп аталады.

Конденсаторлардың жалғануы:

1. Сыйымдылықты арттыру үшін конденсаторларды параллель қосады. Бұл кезде конденсаторлардың аттас зарядталған жапсарлары бірге қосылады.

Параллель жалғағанда кернеу бірдей және тізбектің кернеуіне тең, яғни

U=U₁=U₂=…=U_n

С=C₁+C₂+…+C_n

2. Конденсаторларды тізбектей жалғаған кезде барлық конденсаторлардағы заряд бірдей болады және олардың әр аттас зарядталған жапсарлары қосылады.

Әрбір конденсатордың кернеуі ;

Конденсатордың жалпы кернеуі U=U₁+U₂+…+U_n

немесе

15) Зарядтар жүйесінің энергиясы, жекеленген өткізгіш жене конденсатор энергиясы

Зарядтар жүйесінің энергиясы. Конденсатор екі өткізгіш жүйесін құрайды . Өткізгіште зарядтар сыртқы беттерінде орналасады, олай болса , зарядттың беттік тығыздығы. .

Екі өткізгіштен тұратың жүйенің энергиясы

Егер жүйе N өткізгіштен тұрса .

Зарядталған конденсатор энергиясы:

болады.

және формуласын кезек қойып энергияның келесі формулаларын аламыз

немесе

Біртекті электр өрісінің энергиясының көлемдік тығыздығы деп бірлік көлемде жинақталған өріс энергиясымен өлшенетін шаманы айтамыз

Алмастыруларды енгіземіз

*

тағы алмастыру енгіземіз Sd=V,

олай болса осыдан

Бұдан электр өрісінің энергиясының тығыздығы осы өріс кернеулігінің квадратына тура пропорционал деп тұжырымдауға болады.

1) Электр тогы, Электр тогының күші және тығыздығы

Электр тогы  – электр қозғаушы күштің әсерінен зарядтардың  бағытталған қозғалысы. Бұл зарядталған бөлшектер: өткізгіштерде —электрондар, электролиттерде —иондар (катиондар мен аниондар), газда —иондар мен электрондар, арнайы жағдайдағы вакуумда — электрондар, жартылай өткізгіштерде —электрондар мен кемтіктер (электронды-кемтіктік өтімділік) болып табылады.

Электр тогы энергетика саласында — энергияны алыс қашықтыққа жеткізу үшін, ал телекоммуникация саласында — ақпаратты шалғайға тасымалдау үшін қолданылады.

Электр тогының бағыты шартты түрде өткізгіштердегі оң заряд тасушылардың орын ауыстыру бағыты алынады, бірақ өткізгіштердегі заряд тасушылардың заряды теріс (мысалы, металда электрон) болғандықтан ток бағыты электрондардың бағытына қарсы келеді.

Токтың тұрақты ток  және айнымалы ток  деп аталатын екі түрі бар.

Тұрақты ток — уақыт бойынша бағыты және шамасы аз өзгереді.

Айнымалы ток — бағыты мен шамасы периодты түрде өзгеріп отыратын электр тогы. Ал техникада айнымалы ток деп ток күші мен кернеудің период ішіндегі орташа мәні нөлге тең болатын периодты ток түсіндіріледі. Айнымалы ток байланыс құрылғыларында кеңінен қолданылады.

Ток күші (және кернеу) өзгерісі (тербеліс) қайталанатын уақыттың (секундтпен берілген) ең қысқа аралығы период (Т) деп аталады. Айнымалы токтың тағы бір маңызды сипаттамасы — жиілік (ν). Уақыт бірлігінде жасалған периодтар саны жиілік деп аталады. Айнымалы ток жоғарғы жиілікте өткізгіш сыртына ығыстырылады, бұл скин-эффект құбылысы деп аталады.

Э. т. физ. табиғатына қарай өткізгіштік  Э. т. (электр өрісінің әсерінен өткізгіште не шала өткізгіште пайда болатын ток тасушылардың реттелген қозғалысы),конвекциялық Э. т. (электрлік өткізгіштігі болмайтын ортадағы не вакуумдағы зарядталған бөлшектер мен денелердің қозғалысы), поляризациялық Э. т. (диэлектриктегі поляризациялық өзгеруі нәтижесінде ондағы байланысқан зарядталған бөлшектердің қозғалысы) болып бөлінеді. Э. т-ның өлшеуішіне ток күші және ток тығыздығы алынады. Э. т. магнит өрісінің көзі болып есептеледі. Магнит өрісін қарастырған жағдайда Э. т.: макроскопиялық ток (өткізгіштік және конвекц. Э. т.), молекулалық ток (ортаны құрайтын атом, молекула және иондардағы электрондардың қозғалысына сәйкес келетін микротоктар; ығысу тогы) болып ажыратылады.

Ток күші скалярлық шама, бет арқылы өтетін зарядтың уақыт бойынша алынған туындысы .

Тұрақты ток шамасы мен бағыты уақыт бойынша өзгкрмейтің ток .

Тұрақты ток тек қана тұйықталған тізбекте ғана болады.

2) Бөгде күштер. Электрқозғаушы күш және кернеу

Бөгде күштер тегі электростатикалық емес күш, тізбекте зарядтарды үздіксіз тұйық жолмен ретті қоз,алтатын потенциал айырымын туғызатын күш.

Электр Қозғаушы Күш – электр тізбегіне жалғанған, табиғаты электрстатикалық емес энергия көзі. Тек қана электрстатик. күштер тұйық тізбекпен тұрақты токтың үздіксіз жүруін қамтамасыз ете алмайды. Өйткені бұл күштердің тұйық контур бойымен зарядты қозғалтуы үшін жұмсайтын жұмысы нөлге тең, ал ток жүрген кезде әдетте энергия шығыны болады. Сондықтан тұйық контурмен үздіксіз ток жүруі үшін электр тізбегінен тыс басқа бір энергия көзі болу керек. Бұл энергия көзі энергияны сырттан ала отырып, оны зарядтардың қозғалыс энергиясына айналдырады да, қосымша электр өрісін (Е) тудырады. Мұндай қосымша электр өрісі күшінің тұйық контур бойымен істейтін жұмысы нөлге тең болмайды: . Е' шамасы Э. қ. к. деп аталады және оның шамасы бірлік зарядты қозғалтуға кететін электрстатик. емес күштердің жұмысына тең. Потенциал сияқты Э. қ. к-тің де өлшеу бірлігі – вольт (в). Электролиттердегі иондардың диффузиясы, контур арқылы өткен магнит ағынының өзгеруі (эл.-магн. индукция), т.б. Э. қ. к-ін тудырады.

Тұйық контурдағы электр қозғаушы күш (қысқаша ЭҚК) зарядты контурдың бойымен орын ауыстыруындағы бөгде күштердiң жұмысының сол зарядқа қатынасын анықтайды:

.

8.Ом заңы.Өткізгіштердің кедергісі.Токтың қуаты және жұмысын және Джоуль-Ленц заңдарын түсіндіріңіз.

3) Ом заңы. Өткізгіштің кедергісі.

Омның тәжірибе жүзінде тағайындаған заңы бойынша біртекті металл өткізгіштің бойымен ағатын ток күші осы өткізгішке түсірілген U кернеуге пропорционал болады, яғни

(1)

Тосын күштер әсер етпейтін өткізгіш біртекті өткізгіш деп аталады. Бұл жағдайда, біздің байқауымызша, U керенуі өткізгіштің ұштарындағы потенциалдар айырымына тең болады. R шамасы өткізгіштің электрлік кедергісі деп аталады. Кедергінің бірлігіне кернеуі 1 в болғанда бойымен 1 а ток өтетін өткізгіштің кедергісіне тең шама ом алынады.

Гаусс системасында кедергінің бірлігі үшін, ұштарында потенциалдар айырмасы 1 СГСЭ бірлік болатын,ал өзімен 1 СГСЭ бірлік ток күші ағатын өткізгіштің кедергісі алынады. Ом мен кедергінің осы СГСЭ бірлігінің арасындағы байланысты табайық.

1 ом СГСЭ СГСЭ кед. бір.

Олай болса

1 СГСЭ кед. бір. ом. (2)

Өткізгіштің кедергісі өткізгіштің материалына, өлшеміне және формасына байланысты. Біртекті цилиндр тәрізді өткізгіш үшін

, (3)

мұндағы - өткізгіштің ұзындығы, S – оның көлденең қимасының ауданы, - өткізгіштің меншікті электрлік кедергісі деп аталатын өткізгіштің меншікті электрлік кедергісі. Егер және болса, онда R сан жағынан -ға тең болады. СИ системасында ом – метрмен өлшенеді (ом·м). Практикада көбінесе м және мм² болғандағы кедергісі бар материал сипатталады, яғни шамасы ом·мм² /м өлшемімен өрнектеледі.

Ом заңын дифференциал түрінде жазуға болады. Ол үшін ойша өткізгіштің ішіндегі қандай да бір нүктенің аймағынан жасаушыларымен берілген нүктеде ток тығыздығының j векторына паралель болып келетін элементар цилиндрлік көлем алайық (2-сурет). Цилиндрдің көлденең қимасы арқылы күші jdS шамасындағы ток өтеді. Цилиндрге түсірілген кернеу Edl шамасына тең, мұндағы E – берілген орындағы өріс кернеулігі. Соңында, (3) формуласы бойынша цилиндрдің кедергісі - ке тең. осы мәндерді (1) формуласына қойсақ, онда

.

Әрбір нүктеде заряд тасушылар E векторына бағыттас қозғалады. Сондықтан j және E-нің бағыттары бірдей болады. Сөйтіп, былай жазуғ а болады:

, (4)

мұндағы шамасы электр өткізгіштің коэффициенті немесе материалдың өткізгіштігі деп аталады.

(4) өрнегі дифференциал түріндегі Ом заңын көрсетеді.

Заттың ток өткізгіштік қабілеті оның меншікті кедергісі немесе меншікті электр өткізгіштігі -мен сипатталады. Олардың шамасы заттың химиялық табиғатымен және белгілі бір жағдайлармен, атап айтқанда, өзі тұрған температурамен анықталады. Көпшілік металдар үшін меншікті кедергі температурамен сызықтық заң бойынша өседі:

,

мұндағы болғандағы меншікті кедергі, - Цельсий шкаласындағы температура, - сан мәні шамамен -ке тең коэффициент. Абсолют температураға көше отырып, мынаны аламыз:

. (5)

Төменгі температураларда бұл заңдылықтың орындалмайтынын көреміз. Көп жағдайларда -ның және үлгідегі механикалық қалдық кернеудің барлығына байланысты болады. Сондықтан күйдірілгеннен кейін _қалд едәір кемиді. Абсолют ноль температурада нақты дұрыс кристалды решеткасы бар абсолют таза металл үшін =0 болады.

Кельвин шкаласы бойынша есептегенде, бірнеше градус температураларда металдардың көптеген тобында және қортпаларда кедергі кенет төмендеп, нольге тең болып қалады. Төтенше өткіз гіштік деп аталған бұл құбылысты алғаш Камерлинг-оннес 1911 жылы сынап үшін ашқан. Кейінірек төтенше өткізгіштік қасиеттер мырыш, қалайы, қорғасын, тағы басқа металдарда, сондай-ақ бірқатар қортпаларда да байқалған. әрбір төтенше өткізгіштің өзіндік кризистік температурасы Т_к болады, осы температурада ол төтенше өткізгіштік магнит өрісінің әсер етуі кезінде төтенше өткізгіштік күйі бұзылады. Төтенше өткізгіштікті бұзатын, Н_к кризистік өрістің шамасы T=T_к болғанда нольге тең болады әрі температураның төмендеуімен артады.

Төтенше өткізгіштік күйді теория тұрғысынан толық түсіндірген 1958 ж. совет физигі Н. Н. Боголюбов және оның көмекшілері болды.

Электрлік кедергілердің температураға тәуелділігін кедергілік термометрлерге қолданады. Мұндай термометрлердің құрылысы кәдімгі фарфор немесе слюдаға оралған металл (кәдімгі платина) сым болып табылады. Тұрақты температуралық нүктелер бойынша градуирленген кедергі термометр өте төмен температураларды да өте жоғары температураларды да бірнеше жүздік реттегі дәлдікпен өлшей алады.

4) Тоқтың жұмысы және қуаты. Джоуль-Ленц заңы

Тоқтың жұмысы. Тізбектің қалаған бөлігін қарастырайық. бұл біртекті өткізгіш болуы мүмкін, мысалы қыздыру шамының қылы, электр двигателінің орамалары және т.б. t уақытта өткізгіштің көлденең қимасы арқылы q заряд өтеді дейік. Сонда электр өрісі A=qU жұмыс өндіреді.

Ток күші болғандықтан, жұмыс мынаған тең:

.

Тізбектің бөлігіндегі токтың жұмысы ток күшінің кернеуге және жұмыс өндіруге кеткен уақытқа көбейтіндісіне тең.

Энергияның сақталу заңы бойынша бұл жұмыс қарастырылып отырған тізбектің бөлігіндегі энергияның өзгерісіне тең болуы тиіс. Сондықтан тізбектің осы бөлігіндегі t уақытта бөлінетін энергия токтың жұмысына тең.

Тізбектің бөлігінде механикалық жұмыс атқарылмаса және ток химиялық әсер туғызбаған жағдайда, тек өткізгіштер ғана қызады. Қызған өткізгіш жылуын қоршаған денелерге береді

Өткізгіштің қызуы мынадай ретте болады. Электр өрісі электрондарды үдетеді. Кристалл тордың иондарымен соқтығысқаннан кейін электрондар энергиясын иондарға береді. Нәтижесінде иондардың тепе-теңдік күйдің айналасындағы бейберекет қозғалысының энергиясы артады. Міне, бұл ішкі энергияның көбейгенін көрсетеді. Өткізгіштің температурасы артады да, ол айналасындағы денелерге жылу бере бастайды. Тізбек тұйықталғаннан кейін аз ғана уақыт өткенде процесс тұйықталады да, температураның уақыт бойынша өзгеруі тоқталады. Электр өрісінің жұмыс істеу есебінен өткізгішке үздіксіз энергия келеді. Бірақ оның ішкі энергиясы өзгеріссіз қалады, себебі өткізгіш қоршаған денелерге токтың жұмысына тең жылу мөлшерін береді. Сонымен ток жұмысының формуласы өткізгіштің басқа денелерге беретін жылу мөлшерін анықтайды.

Токтың қуаты. Кез келген электр приборы – электр шамы, электр двигателі т.б. уақыт бірлігінде белгілі бір энергия тұтынуға есептелген. Сондықтан, токтың жұмысымен қатар токтың қуаты деген ұғымның да маңызы зор. Токтың қуаты Dt уақыттағы ток жұмысының сол уақыт аралығына қатынасына тең:

.

Қуаттың бұл өрнегін тізбектің бөлігі үшін Ом заңын пайдаланып бірнеше эквивалентті түрде жазуға болады:

Приборлардың көпшілігінде олардың тұтынатын қуаты көрсетулі болады.

Өткізгіштің бойымен электр тогының өтуі өткізгіште энергия бөліну құбылысымен қабаттасып жүреді. Бұл энергия токтың жұмысымен анықталады, яғни тасымалданатын заряд пен өткізгіштің ұштарындағы кернеудің көбейтіндісімен анықталады.

Джоуль-Ленц заңы. Тогы бар өткізгіштің қоршаған ортаға бөліп шығаратын жылуының мөлшерін анықтайтын заңды бірінші болып ағылшын ғалымы Д.Джоуль (1818-1889ж) мен орыс ғалымы Э.Х.Ленц (1804-1865ж) тәжірибе жүзінде тағайындаған. Джоуль-Ленц заңы былайша тұжырымдалады: тогы бар өткізгіштің бөлініп шығатын жылуының мөлшерін ток күшінің квадраты, өткізгіштің кедергісіне және өткізгіш бойымен ток жүретін уақыттың көбейтіндісіне тең:

Біз бұл заңды энергияның сақталу заңына негізделген талдау жүргізу арқылы алдық формула тізбектің бөлігінде қандай өткізгіш жалғанса да бәрібір, ондағы бөлінетін жылу мөлшерін есептеуге мүмкіндік береді.

9.Тармақталған тізбек үшін Кирхгоф ережелері.Металдағы токтың табиғаты.Электр өткізгіштің элементар классикалық теориясын түсіндіріңіз.

6) Тармақталған тізбектер үшін Кирхгоф ережесі

Егер Кирхгоф тұжырымдаған ережелерді пайдалансақ, онда тармақталған тізбектерді есептеу едәір жеңілденеді. Мұндай заң екеу. Осылардың біріншісі тізбек түйініне арналған. Түйін деп екіден көпөткізгіштер жинақталған нүктені айтады (1-сурет).

1-сурет.

Түйінге қарай аққан токты бір таңбалы (плюс немесе минус), ал түйіннен шығатын токты басқа таңбалы (минус немесе плюс) деп санаймыз. Кирхгофтың бірінші заңы былай делінеді, түйінде жинақталатын ток күштерінің алгебралық қосындысы нольге тең:

. (1)

Бұл қағиданың дұрыс екенін мынадай пайымдаудан байқауға болады. Егер түйіндегі токтардың алгебралық қосындысы нольден өзгеше болса, түйінде зарядтар көбейіп не азайып кетер еді де, бұл өз кезегінде түйіндегі потенциалдың және тізбекте ағатын токтың өзгеруіне әкеп соғар еді. Сөйтіп, тізбектегі ток тұрақты болу үшін (1) теңдеудің шарты орындалуы керек екен.

(1) теңдеуді тізбектің әрбір N түйіні үшін жазуға болады. Алайда тәуелсіз тек N - 1 теңдеуі ғана, ал N-ші осылардың салдары болып табылады.

Ойша тармақталған тізбектен қалауымызша бір тұйық контур бөліп алайық .

Орағыту (бір айналып шығу) бағытын алып (мысалы, суретте көрсетілгендей, сағаттілінің оң бағыты) және контурдың әрбір тармақталмаған учаскелеріне Ом заңын пайдаланамыз, яғни

ℇ_1.

ℇ_2.

. ℇ_3.

ℇ_4.

Осы өрнектерді қосқанда потенциалдар қысқарады да мынадай теңдеуді аламыз:

, (2)

бұл Кирхгофтың екінші ережесін анықтайды.

(2) теңдеуі берілген тармақталған тізбектен, ойша бөліп алған барлық тұйық контурлар үшін құрылуы мүмкін. Бірақ тәуелсіз теңдеулерді басқа контурларды бір-бірімен беттестіру арқылы алуға болмайтын контурлар үшін ғана құруға болады. Мысалы, кескінделген тізбек үшін үш теңдеу құруға болады.

1. бірінші контур үшін 1 – 2 – 3 – 6 – 1,

2. екінші контур үшін 3 – 4 – 5 – 6 – 3,

3. үшінші контур үшін 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 1.

Соңғы контур бірінші екеуін беттестіруден алынады. Демек, көрсетілген теңдеу тәуелсіз болмайды. Тәуелсіз теңдеулер қатарына үш теңдеудің екеуін алсақ болады.

Кирхгофтың екінші ережесінің теңдеуін құрғанда ток пен э. қ. күшіне токтың айналып өтуіндегі таңдап алынған бағытпен сәйкес келетін таңбаны есептейміз. Мысалы, I₁ токты теріс таңбалы деп есептеуіміз керек, өйткені ол токтың орағытып өтуіндегі таңдап алынған бағытқа қарама-қарсы ағады. Сол сияқты ℇ₁ э. қ. күшінің де таңбасы « - », өйткені ол да токтың орағыту бағытына қарама-қарсы бағытта әсер етеді. Әрбір контурдағы айналып өту бағытын қалауымызша алуға болады және ол басқа контурдағы таңдап алынған бағытымызға тәуелсіз болады. Бұл жағдайда токтың немесе сол э. қ. күштің сол әр түрлі теңдеулерге әр түрлі таңбалармен қатысуы мүмкін. Алайда мұның ешбір мәні болмайды, өйткені орағыту бағытының өзгеруі (2) теңдеуде барлық таңбаның кері бағытқа өзгеруіне әкеліп соғады.

Теңдеуді құра отырып, тізбектің тармақталған учаскесінің кез келген көлденең қимасынан бірдей ток өтетінін есте ұстаған жөн. Мысалы (6 - ℇ₂) учаскесінде өтетін ток (ℇ₃ - 3) учаскесінен өткен I₂ ток сияқты.

Кирхгофтың бірінші және екінші ережелеріне сәйкес құрылған тәуелсіз теңдеулердің саны тармақталған тізбектерден өтетін әр түрлі токтардың санына тең болады екен. Сондықтан, егер э. қ. күш және барлық тармақталмаған учаскелердің кедергілері берілсе, онда барлық токтарды есептеуге болады.

7) Металдар электр өткізгіштігінің классикалық теориясы

Металдардағы ток тасымалдайтын бөлшек электрон екенін мынандай тәжірибеден білуге болады. Гальванометрге жалғанған өткізгіш бір V тұрақты жылдамдықпен қозғалады, егер өткізгішті кілт тоқтатсақ гальванометр токты көрсетеді. Бұл құбылыс былайша түсіндіріледі, егер металда еркін зарядталған бөлшектер болса, олар өткізгішті кілт тоқтатқан кезде өз инерциясымен барлығы алға қозғалады, олай болса ток пайда болады.Инерция бойынша қозғалатың бөлшек өткізгішке қатысты теріс үдеуге ие болады. Олай болса , , екінші жағынан , өткізгіш ұзындығы . Ом заңынан ток күші бұдан

I,R,V шамаларын өлшеп алып шамасын табамыз, бұл электронның меншікті зарядының мәнің береді.Металдардағы токты тасымалдайтындар еркін электрондар екені тәжірибе жүзінде дәлелденген.

Металдардағы өткізгішінің классикалық теориясын Друде мен Лорнец зерттеген. Олар металдағы электрондарды газ молекулалары ретінде қарастырды, тек айырмашылықтары электрондар өзара емес, металдың кристал торларын түзейтің иондармен соқтығысады. Бұл теориядан электронның концентрациясы , молярлық масса, тығыздығы, Авогадро саны. Берілген формула бойынша электронның концентрациясы шамамен .Электронның жылулық қозғалысының орташа жылдамдығы , деп алынған. Металда электр тогы лектр өрісі әсерінен пайда болады.Электрондар заряды теріс танбалы болғандықтан, электр өрісінін бағытына қарсы жылдамдықпен қозғалады.Ток тығыздығы . Техникалық мөлшері бойынша мыс сым үшін меншікті рұқсат етілген ток тығыздығы , , .

Электрондардың реттелген қозғалысының орташа жылдамдығы жылулық қозғалысының орташа орташа жылдамдығынан есе аз болады, . Электрондардың реттелген қозғалысының кинетикалық энергиясы .

8) Классикалық теория бойынша электр тогының негізгі заңдарын келтіріп шығару

Металл өткізгіште  өріс әсер етсін делік.  күштің әсерінен е заряды тұрақты  үдеуменбірқалыпты үдемеліқозғалып, еркін жолының соңында  жылдамдық алады.

Электрондардың еркін жолының орташа уақыты  , орташа еркін жол ұзындығы  және электрон қозғалысының кристалдық торға салыстырғанда орташа жылдамдығы  формулаларымен анықталады.

Электрондардың бағытталған қозғалысының орташа жылдамдығы:

Ток тығыздығы

мұндағы  - металдың меншікті өткізгіштігі.

10.Термоэлектрлік құбылыстар.Диод шамы.Сұйықтардағы электр тогын сипаттаңыз.

11.Газдардағы электр тогы.Магнит өрісі.Магнит өрісі және оның сипаттамалары.

Магнит өрісі. Жақыннан әсер ету теориясы бойынша өткізгіштердің біреуіндегі ток басқа токқа тікелей әсер ете алмайды.

Магнит өрісі дегеніміз материяның ерекше бір түрі – электірлі зарядталып, қозғалысқа түскен бөлшектердідң өзара әсері сол өріс арқылы жүзеге асырылады.

Магнит өрісінің тәжірибе жүзінде тағайындалған негізгі қасиеттері мыналар:

1. Магнит өрісін электр тогы ( қозғалысқа түскен зарядтар) тудырады. 

2. Магнит өрісі электр тогына ( қозғалысқа түскен зарядтарға) тигізетін әсерден барып байқалады. 

Магнит өрісін тек электр тогы ғана емес тұрақты магниттердің тудыратыны 8-ші сыныптағы физика курсынан белгілі. Егер біз иілгіш өткізгішке тогы бар раманы магнит полюстарының арасына келтіріп іліп қойсақ, онда рама, өз жазықтығы магнит полюстарын қосатын Сызыққа перпендикуляр болғанша бұрыла береді. Сонымен, магнит өрісінің тогы бар рамаға тигізер әсері тек бағдар жөнінен ғана екен.
Егер де электростатикалық өрістің бар жоғы оған әкелінген зарядталған денелерге әсер әсер етуші күш арқылы білінсе, магнит өрісі осы өріске әкелінген тогы бар өткізгішке әсер ететін күш арқылы білінеді. Сөйтіп, электірлік және магниттік құбылыстардың осындай өзара байлйнысын бірінші рет 1820 ж. дат физигі Эрстет (1777-1851) ашқан болатын. Яғни ағатын ток маңына магнит стрелкасын қойсақ, онда стрелканын ток бағытына қарай бағытын біршама өзгерткендігін байқаған. Эстердің бұл жаңалығы көптеген физиктерді қызықтырып, осыдан бастап олар электромагниттік құбылыстарды кеңінен зерттей бастады. Солардың бірі француз физигі Ампер болды. Ампердің болжауынша магнит стрелкасын тек ток қана емес, ток жүріп тұрған өткізгіш те әсер ете алады деді. Сөйтіп ол мынадай тәжірибе жасады. Тұрақты магнит өрісіне тогы бар өткізгішті алып келгенде , онда өткізгішке магнит тарапынан күш әсер етіп, өткізгіштің қозғалатындығын байқады. Сонымен, магнит стрелкасының тогы бар өткізгіштің маңында бағдарлануы, өткізгіштің пішініне, оның орналасуына және токтың шамасы мен бағытына байланысты болады. Бірақ, магнит стрелкасының электір зарядына ешқандай әсер етпейтінін айта кетуіміз керек. Бұдан мынадай қорытынды шығады: тек қана қозғалыстағы электр зарядтары өздерінің маңында магнит өрісін тудырады да, қозғалмайтын зарядтардың маңында тек электр өрісі пайда болады. Магнит өрісін сипаттау үшін оның тек белгілі бір токқа әсерін ғана қарастыру керек. Магнит өрісінің қасиеттерін зерттеу үшін, оның тогы бар жазық тұйықталған контурға тигізетін әсерән пайдаланамыз. Мұндай контурды рамка деп атайды. Бұл контурдың өлшемдері магнит өрісін жасайтын тогы бар өткізгіштерге дейінгі қашықтықпен салвстырғанда кіші болуы тиіс. Мұндай рамкада тұрақты ток ұдайы жүріп тұруы үшін, оған өткізгіштер арқылы ток жіберіп тұру керек. Рамка арқылы ток жүргенде, ол белгілі бір бұрышқа бұрылады, сөйтіп магнит өрісі рамкаға бағыттаушы күшпен әсер етеді. Ал рамканың айналу бағыты бойынша магнит өрісінің бағытын да анықтай аламыз. Магнит өрісінің рамкаға бағдарлаушы әсері, рамкада қос күшті тудырады. Магнит өрісін тудырушы токтардың күштері мен олардың орналасуына және рамканын өлшемдері мен бағытына, сол сияқты ондағы токтың күшіне де тәуелді.

11) Магнит өрісі және оның сипаттамалары

Электр зарядын қоршаған ортада белгiлi бiр физикалық қасиеттерi бар электростатикалық өрiс болатыны сияқты токтарды қоршаған ортада да магнит өрiсi деп аталатын өрiстiң ерекше түрi пайда болады. Егер де электростатикалық өрiстiң бар жоғы оған әкелiнген зарядталған денелерге әсер етушi күш арқылы бiлiнсе, магнит өрсi осы өрiске әкелiнген тогы бар өткiзгiшке әсер ететiн күш арқылы бiлiнедi. Сөйтiп, электрлiк және магниттік құбылыстардың осындай өзара байланысын бiрiншi рет 1820 ж. дат физигi Эрстед (1777—1851) ашқан болатын. Яғни, ағатын ток маңына магнит стрелкасын қойсақ, онда стрелканың ток бағытына қарай бағытын біршама өзгерткендiгiн байқаған. Эрстедтi бұл жаңалығы көптеген физиктердi қызықтырып, осыдан бастап олар электромагниттiк құбылыстарды кеңiнен зерттей бастады. Солардың бiрi француз физигi Ампер (1775—1836) болды. Ампердiң болжауынша магнит стрелкасына тек ток қана емес, ток жүрiп тұрған өткiзгiш те әсер ете алады дедi. Сөйтiп ол мынадай тәжiрибе жасады. Тұрақты магнит өрiсiне тогы бар өткiзгiштi алып келгенде, онда өткiзгiшке магнит тарапынан күш әсер етiп, өткiзгiштiң қозғалатындығын байқады.

Сонымен, магнит стрелкасының тогы бар өткiзгiштiң маңында бағдарлануы, өткiзгiштің пiшiнiне, оның орналасуына және токтың шамасы мен бағытына байланысты болады. Бiрақ, магнит стрелкасының қозғалмайтын электр зарядына ешқандай әсер етпейтiнiн айта кетуiмiз керек. Бұдан мынадай қорытынды шығады тек қана қозғалыстағы электр зарядтары өздерiнiң маңында магнит өрiсiн тудырады да, қозғалмайтын зарядтардың маңында тек электр өрiсi пайда болады. Магнит өрiсiн сипаттау үшiн оны тек белгiлi бiр токқа әсерiн ғана қарастыру керек. Магнит өрiсiнiң қасиеттерiн зерттеу үшiн, оның тогы бар жазық тұйықталған контурға тигiзетiн әсерiн пайдаланамыз. Мұндай контурды рамка деп атайды. Бұл контурдың өлшемдерi магнит өрiсiн жасайтын тогы бар өткiзгiштерге дейiнгi қашықтықпен салыстырғанда кiшi болуы тиiс. Мұндай рамкада тұрақты ток ұдайы жүрiп тұруы үшiн, оған өткiзгiштер арқылы ток жiберiп тұру керек. Рамка арқылы ток жүргенде, ол белгiлi бiр бұрышқа бұрылады, сөйтiп магнит өрiсi рамкаға бағыттаушы күшпен әсер етедi.

12.Био-Савар-Лаплас заңы.Параллель токтардың өзара әсерлерін анықтаңыз.

12) Био-Савара-Лаплас заңы және оны магнит өрісін есептеу үшін қолдану.

Түзу ұзын токтың магнит индукциясының токқа дейiнгi қашықтыққа керi пропорционал екендiгiн 1820 ж. француз физиктерi Ж. Био (1774—1862) және Ф. Савар (1791—1841) әр түрлi тәжiрибелер арқылы ашты. Магнит индукциясының ток жүрiп тұрған өткiзгiштiң жалпы орналасу ретiне тәуелдiлiгi әр кезде түрлiше болады. Сөйтiп токтың элементар бөлiгi мен осы бөлiк тудырып тұрған магнит индукциясын байланыстыратын заңдылық ашылды.

Сонымен, Био және Савар тәжiрибесiнiң нәтижелерiн жинақтай келiп француз ғалымы П. Лаплас (1749—1971) кез келген пiшiндегi контурдың бөлiктерiне жарамды магнит өрiсiнiң қорытқы индукциясын анықтауға болатын заңдылықты ашты. Ол Био - Савар - Лаплас заңы деп аталады.

Сөйтiп, Био – Савар - Лаплас заңы бойынша I тогы бар өткiзгiштiң dl элементiнiң өрiстiң бiр С нүктесiндегi магнит индукциясы dВ мынаған тең:

dВ = (μμ₀/4π)*(Idl/r²)*sin a

Осы өрнек электромагниттiк құбылыстар үшiн негiзгi заң болып есептеледi. Мұндағы dВ индукциясы ток элементi dl-ге және r қашықтыққа перпендикуляр болады. Магнит индукциясы dВ-нiң бағыты жоғарыда айтқанымыздай бұранда ережесi бойынша анықталады.

Электр өрiсi сияқты магнит өрiстерi үшiн де суперпозиция принципiн қолданып, барлық ток элементтерiнiң әр түрлi нүктелерiндегi магнит

индукциясы векторларының қосындыларын мына қатыс арқылы анықтауға болады:

B = ∫_l dB, (1)

мұндағы dB – токтың dl элементi тудыратын магнит индукциясы. Ал интегралды өткiзгiштiң барлық ұзындығы l бойынша аламыз.

Ендi Био - Савар - Лаплас заңын кейбiр симметриялы токтардың магнит өрiстерiн есептеу үшiн қолданайық.

1. Дөңгелек токтың центрiндегi магнит өрiсiн анықтау . Мұндай өткiзгiштiң барлық элементтерi центрiнен бiрдей r қашықтықта болатындықтан және магнит индукциясының бағыты центрi арқылы нормаль бағытына сәйкес, контурға перпендикуляр бағытталады. Сондықтан (7) өрнекке сәйкес дөңгелек токтың центрiндегi магнит индукциясы мынаған тең болады:

_{2π 2π}

B = ∫_l dB = (μμ₀/4π) ∫ sin a*I* dl /r²= Iμμ₀/r² ∫ dl = Iμμ₀/r = Iμμ₀/2r (2)

^{0 0}

Себебi sin a = 1, I және r тұрақты болып отырады.

2. Шексiз түзу өткiзгiштiң бойымен өткен токтың магнит өрiсiн анықтайық. I тогы бар ұзындығы l өткiзгiш Р нүктесiнен r қашықтықта болсын. Осы токтың dl элементiнiң Р нүктесiндегi магнит өрiсiнiң индукциясын есептейiк.

B = 2Iμμ₀/4πr = Iμμ₀/2πr (3)

Сөйтiп, (2) және (3) өрнектер Био және Савар эксперименттерiнiң нәтижесiмен сәйкес келедi.

3. Ұзын соленоид немесе катушка iшiндегi магнит индукциясының векторы В-ны дәлелдеусiз жазып көрсетейiк

B = Iμμ₀n, (4)

13) Ампер заңы. Параллель токтардың өзара әсерлесуі

Электр өрiсi сияқты, кеңiстiкте орналасқан тогы бар өткiзгiштiң маңында пайда болған магнит өрiсi де материяның ерекше бір түрi болып табылады. Оның белгiлi бiр ерекше физикалық қасиетi, яғни инерциялық қасиетi болады. Осы қасиет оның энергиясын сипаттайды.

Сонымен, тогы бар өткiзгiшке магнит өрiсiнiң әсер күшiн Ампер зерттеп, ол күштiң мәнiн былайша көрсеттi.

F=kIBl sin a (1)

мұндағы k - пропорционалдық коэффициент, I - өткiзгiштегi ток, В — магнит индукциясы, a - ток бағыты мен индукция векторының арасындағы бұрыш. Осы күштiң шамасын Ампер күші деп атайды. Ампер күшiнiң бағытын сол қол ережесi бойынша анықтауға болады, яғни саусақтар I ток бағытын көрсетiп магнит индукциясының векторы алақанды тесiп өтетiн болса, онда бас бармақ Ампер күшiнiң бағытын көрсетедi. Магнит индукциясының бағыты бұрын да бұранда ережесi бойынша анықталған, яғни ток бағыты бұранданың оң бағытталған iлгерiлемелi қозғалысын көрсетсе, онда оның айналмалы сабының бағыты индукция сызығының бағытын көрсетедi. Ендi (1) өрнекке сәйкес магнит индукция векторының өлшемiн тағайындайық.

[B] = [M]/[I*S] = [Fl]/[I*S] = Н*м/А*м² = Н/А*м = Тл. (2)

Сөйтiп, магнит индукциясы тесламен (Тл) өлшенедi екен.

Ампер заңын қалауымызша орналасқан тогы бар екі откізгіштің өзара әсер күштерін анықтау үшін қолдануға болады. Бір-бірі нен ара қашықтықта орналаскан шексіз ұзын, түзу сызықты параллель өткізгіштерде және токтары болсын. Бұлардың әрқайсысы өз маңында магнит өрісін тудырады да, олар Ампер заңы бойынша бір-біріне әсер етеді.

Айталық, тогы бар өткізгіштің магнит өрісіне тогы бар өткізгішті алып келсек, онда токтың магнит өрісінің күштері токтың элементіне әсер етеді. Ампер заңына сәйкес

ток тарапынан , ал ток тарапынан күштері бір-біріне әсер етеді.

Енді ток тарапынан токтың магнит өрісіне әсер етуші күшін анықтайық:

Ал магнит индукцичсының мәнін былай жазамыз

Сөйтіп осы -дің мәнін алғашқы формулаға қойып күшті есептейміз:

Дәл осы сияқты ток тарапынан токтың магнит өрісінен күші әсер етеді,осыны табайық:

Ньютонның үшінші заңы бойынша , яғни болады. Олай болса, екі токтың арасындағы әсер күші мынаған тең:

Сөйтіп, шексіз ұзын түзу сызықты параллель екі өткізгіштің элементіне арналған өзара әсер күші өтіп жатқан топтардың көбейтіндісіне тура пропорционал да, олардың ара – қашықтығына кері пропорционал болады.

Өткізгіштердегі токтардың бағыттары қарама – қарсы болған жағдайда да күштердің мәндері осылай табылады, тек олар бір – бірінен тебіледі.

Сонымен, Ампер түзу токтардың өзара әсерінен мынадай заңдылықтарды ашты:

1. Бағыттас параллель токтар бір – біріне тартылады.

2. Бағыттары қарама – қарсы токтар бір- бірінен тебіледі.

3. Параллель емес токтар бағыттары бірдей әрі параллель болуға ұмтылады.

13.Магнит өрісіндегі тогы бар өткізгіш орын ауыстырғанда істелген жұмысты сипаттаңыз.

5) Магнит өрісіндегі токты өткізгіш контуры орын ауыстырғанда атқарылған жұмысы

Тогы бар өткізгішті орын ауыстырғанда орындалатын жұмыс. Контур жазықтығына перпендикуляр біртекті магнит өрісінде орналасқан бойынан   ток өтіп тұрған еркін қозғалатынұзындығы      өткізгіш 40-суретте көрсетілген. өткізгіш ампер күшінің әсерінен 1 жағдайдан 2 жағдайға    аз  қашықтыққа  орын ауыстырғанда магнит өрісінің атқаратын элементар жұмысы:

                        

мұндағы  – өрістің өткізгіш қиып өткен ауданы,

– осы ауданға сәйкес магниттік ағынның өсімшесі.

Тогы бар контурды орын ауыстырғанда орындалатын жұмыс        

    Шексіз аз  қашықтыққа  орын ауыстырғанда ампер күшінің элементар жұмысы контурдың  abc және  cda  бөліктерінің (41-сурет) орын  ауыстыру жұмыстарының қосындысына тең:

бірнеше орамнан тұратын контурда ток күші тұрақты болса, магнит өрісінің нақты екі нүктесінің арасындағы магниттік күштердің атқаратын жұмысы ағындық ілінісудің өзгерісі мен ток күшінің көбейтіндісіне тең болады:

                  

  

14.Холл эффектісі.Электромагниттік индукция құбылысы.Фарадей және Ленц заңдарын түсіндіріңіз.

1) Холл эффекті

Холл эффектісі — магнит өрісіне (Н) орналасқан тығыздығы j тогы бар қатты өткізгіште не жартылай өткізгіште j мен Н-қа перпендикуляр электр өрісінің j болса, онда ЕН=RHj), мұндағы R — Холл тұрақтысы деп аталатын Холл эффектісінің негізгі сипаттамасы. α — Н пен j векторларының арасындағы бұрыш (α(ЕН) пайда болуы: ЕН=R H j sіn α (1) (егер Н<180Ә). R-дің мәні ток тасығыштың концентрациясына (n) және қозғалғыштығына, сондай-ақ өткізгіштің түріне тәуелді болады (мысалы, жартылай өткізгіштерде электрондық өткізгіштік кезінде R>0, ал кемтіктік өткізгіштік кезінде R<105см3/Кл. Х. э. — гальваномагниттік құбылыстардың бірі. (1) формула әлсіз магнит өрісінде орналасқан изотропты (мысалы, поликристалл) өткізгіштегі Холл эффектісін сипаттайды. Холл эффектісі металдардың, әсіресе жартылай өткізгіштердің физикалық қасиеттерін зерттеуде, сондай-ақ электроникада, өлшеу және есептеу техникасында, автоматикада кеңінен қолданылады.10–3см3/Кл; жартылай өткізгіштер үшін R1023см–3, R0). Бұл эффектіні 1879 ж. америкалық физик Е.Г. Холл (Е.Н. Наll) ашқан. Тогы бар өткізгіштердің немесе жартылай өткізгіштердің магнит өрісінде қозғалысы кезінде өткізгіште электр өрісінің тууы Холл эффектісі деп аталады. Холл эффектісі ток тасушыларға Лоренц күшінің әсер етуі салдарынан пайда болады. Магнит индукциясы  магнит өрісінде тығыздығы  -ға тең ток жүріп тұрған өткізгіш кернеулігі

-ға тең электр өрісін тудырады,

мұндағы  - Холл тұрақтысы.

Мысалы: тогы бар металл пластинка магнит өрісінде токқа перпендикуляр орналассын. Лоренц күшінің әсерінен пластинканың жоғарғы жағында ток тасымалдаушы – электрондардың концентрациясы күшейеді. Сондықтан пластинканың жоғарғы жағы теріс, ал төменгі жағы оң зарядталады. Электр өрісінің әсері Лоренц күшімен теңескен кезде зарядтар тұрғылықты таралып бітеді.

  немесе  

мұндағы а – пластинканың қалыңдығы, е -электрон заряды,  – көлденең (холлдық) потенциалдар айырымы. Ток күші  ( – қалыңдығы  және көлденеңі а пластинканың көлденең қимасының ауданы,  –электрондардың концен-трациясы,  – электрондардың тәртіптелген қозғалысының орташа жылдамдығы), осыдан

Холл тұрақтысының таңбасы ток тасымалдаушының таңбасымен тура келеді, сондықтан Холл эффектісі заттардағы ток тасушылардың табиғаты мен концентрациясын анықтау үшін қолданылады

6) Электромагниттік индукция құбылысы ( Фарадей тәжірибелері)

электрмагниттік индукция –ток өткізетін тұйық контурда осы контурды қамтыған магнит өрісінің өзгергенде индукциялық токтың (эқк-нің) пайда болуы.

     фарадей заңы:  электрмагниттік индукцияның электр қозғаушы күші (эқк) контурды тесіп өтетін магнит индукциясының ағынының уақытқа байланысты өзгеру жылдамдығына тең болады.

                                                   (163)

 

электрмагниттік индукцияның эқк магниттік ағынның  өзгеру жолдарынан тәуелсіз болады.

     Ленц ережесі: индукциялық токтың бағыты өзінің тудырған магнит өрісі индукциялық токты тудырған магнит ағынының өзгерісін болдырмауға тырысатындай  бағытта болады

                    және                                 

яғни, индукциялық ток әрқашан да өзін тудыратын себептерге қарама-қарсы әсер ететіндей болып бағытталады. 

15.Магнит өрісінің энергиясы.Трансформаторлар.Ығысу тогы және Максвелл теңдеулерін түсіндіріңіз.

12) Магнит өрісінің энергиясы

  Магнит өрісінің энергиясы. Бойында ток өтіп жатырған өткізгіштің жан-жағында магнит өрісі болады, әрі ол магнит өрісінің пайда болуы немесе жоғалып кетуі өткізгіште токтың болуына байланысты. Магнит өрісі электр өрісі сияқты энергия тасымалдаушы болып табылады. Бойыннан ток өтіп жатырған индуктивтілігі контурды алып қарастырамыз. Бұл контурмен өтіп жатырған магнит ағыны , контурдың бойымен өтіп жатырған токты өзгертсек, магнит ағыны да өзгереді. Бірақ магнит ағынын өзгерту үшін жұмыс жасау керек: . Магнит ағынын тудыру үшін істелінген жұмыс: , бұл жұмыс контурдағы магнит өрісінің энергиясына тең:

Соленоидтың магнит өрісін қарастырамыз: , . Бұдан және пайдаланып,энергияны табамыз

.

Мұндағы соленоидтың көлемі. Соленоидтың ішіндегі магнит өрісі біртекті және магнит өрісінің энергиясы осы соленоидтың ішінде тұрақты көлемдік тығыздық арқылы бөлінеді:

Бұл формула тек біртекті магнит өрісі үшін ғана емес, сонымен қатар біртекті емес магнит өрісі үшін де дұрыс. Тек мен сызықты байланыста болатын орта үшін дұрыс.

11) Трансформаторлар

Трансформаторлар. Бір кернеулі айнымалы тоқты екінші басқа кернеулі айнымалы токқа түрлендіретін электр техникалық құрал трансформаторлар деп аталады. Трасформатордың жұмыс істеу принципі өзара индукция құбылысына негізделген. Ең бірінші рет құрастырған орыс электр технигі физик П.Н.Яблочков. Трансформатор болаттан жасалған екі тұйық өзекшеден тұрады. Алғашқы орамы , орам саны айнымалы ток көзіне жалғанады. Оның міндеті өзіне келген айнымалы токты трансформатордың екінші орамына тасымалдау. Ал екінші орам өзіне келген айнымалы токты не күшейтеді, не әлсіретеді. Ол орам санына байланысты.

Трансформатор — айнымалы токтың кернеуін жоғарылатуға немесе төмендетуге арналған электр приборы. Үй жағдайында, трансформаторды пайдаланып, электр приборын кернеуі 127 В желілен кернеуі 220 В желіге және керісінше қосуға болады. Егер трансформатор жоғары кернеулі желіге ауыстырылып қосылса, онда оны кернеуі 220 В желіге қосуға болмайды. Өйткені одан алынатын жоғары кернеу (380 В-тан астам) транформаторлық және ол арқылы қосылған электр приборларының бұзылуына әкеліп соқтыруы мүмкін. Трансформатор таңдаған кезде оның қуаты электр приборларын бір мезгілде қоректендіруге арналған құрал-жабдықтардың жалпы қуатынан кем болмауын есте сақтаған жөн.

Әр түрлі құралдар мен қондырғылар тұтынатын кернеу өте кең диапазонда өзгереді. Тіпті бір электр қондырғысы әр түрлі кернеу пайдалануы мүмкін. Қуаттың тұрақты дерлік мәнінде айнымалы ток кернеуінің ток күшімен қатар өзгеруін айнымалы токтың трансформациясы дейді. Айнымалы токтың трансформациясын жүзеге асыратын құрал трансформатор деп аталады. Ол электромагниттік индукция құбылысының негізінде жұмыс істейді. Бұл құралды орыс ғалымы П . Н . Яблочков (1878 ж.) ойлап тапқан, кейін оны (1882 ж.) И . Ф . Усагин жетілдірді. Қазіргі трансформаторлар, Фуко тогын 24-сурет азайту үшін оқшауланған пластиналардан құралған тұйық өзекшеден түрады. Өзекше пластиналары трансформаторлық болаттан жасалады, ол өте аз шығынмен оңай қайта магниттеледі. Өзекшеге екі катушка кигізіледі (2.24-сурет). Бір катушка айнымалы ток тізбегіне қосылады, оны біріний реттік орама (катушка) дейді. Екінші катушкаға тұтынушы, яғни электр қондырғыларын қосады. Оны екінші реттік орама (катушка) деп атайды. Катушкалардың активті кедергілері аз. Генератор бірінші реттік катушкаға   айнымалы кернеу береді. Оның бойынан жүретін айнымалы ток трансформатордың өзекшесінде айнымалы магнит ағынын тудырады. Олай болса, бірінші реттік катушканың әр орамында өздік индукция ЭҚК-і, ал екінші реттік катушканың әр орамында дол сондай индукциялық ЭҚК-і пайда болады.
Жүктемесіз трансформатор

Екінші реттік катушкаға жүктеме қосылмасын , яғни трансформатор зая жүрісте болсын. Онда екінші реттік орамада ток жүрмейді, сондықтан жуықтап алғанда оның қысқыштарындағы кернеу  . Жүктеме жоқ кезде екінші реттік тізбекте энергия шығыны жоқ. Ал бірінші реттік тізбекте жалғаушы сымдар мен өзекшенің джоульдік жылу бөліну есебінен қызуына және өзекшенің қайта магниттелуіне кететін өте аз энергия шығыны бар, мұны ескермесе де болады. Сонымен, трансформатордың зая жүрісі үшін ескере отырып,

14) Құйынды электр өрісі. Ығысу тогы

Құйынды электр өрісі. Ығысу тогы.Фарадейдің заңы бойынша кез-келген тұйық контур арқылы өтетін магнит ағыны өзгерсе, ол контурда индукциялық ток пайда болады. Олай болса, контурда э.қ.к. ( ) болады. Тізбектегі э.қ.к. тек бөгде күш механикалық, жылулық процесстер мен байланысты еместігін көрсетеді. Бұл бқгде күштердің тууына себепші болып отырған, контурдағы айнымалы магнит өрісі. Бірақ айнымалы магнит өрісі контурда өздігінен ток туғыза алмайды, себебі магнит өрісі қозғалмайтын зарядтарға әсер етпейді. Сондықтан Максвелл мынандай болжам айтты: Айнымалы магнит өрісі, сол жерде әр уақытта айнымалы электр өрісін туғызады.

Осы болжам бойынша контурдағы э.қ.к.- айнымалы магнит өрісін тудырған, ал ол айнымалы электр өрісін туғызады. Сонда айнымалы магнит өрісі тудырған, айнымалы электр өрісінің контурдағы циркуляциясы

Мұндағы , -векторларының -дегі проекциясы. Осы

теңдікке магнит ағынының мына мәнін қойсақ, онда (4.1) былай жазылады.

Бұл формуланы Максвеллдің бірінші теңдеуі дейді. Осы формуладан магнит өрісі тудырған, айнымалы электр өрісінің тұйық контур бойындағы циркуляциясы нолге тең емес екен. Бұл біріншіден табиғаттағы магниттік зарядтың жоқ екенін, екіншіден айнымалы электр өрісінің құйынды өріс екенін көрсетеді. Сондықтан айнымалы электр өрісін, құйынды электр өрісі деп атайды.

15) Электрмагнит өрісі үшін Максвелл теңдеулері

Максвелл теңдеуі - классикалық электродинамиканың негізгі теңдеулері; кез келген ортадағы және  вакуумдағы  барлық  электромагнит/электромагниттік  кұбылыстарды толығымен сипаттайды, өріс көздерінің, электр зарядының жэне токтардың орналасуы мен козғалысы аркылы электромагниттік өрісті сипатгайтын шамалар өзгерісін байланы- стыратын төрт тендеулер жүйесінен тұрады.

Электромагниттік құбылыстар физикасына Фарадейдің қосқан негізгі жаңалығы Ньютонның алыстан әсер ету теориясынан бас тартып, кеңістікті күш сызықтарымен толтырып тұратын өріс ұғымын енгізуі еді. Ұлы Ньютонның таңқаларлық математикалық шеберлігі мен ерекше физикалық интуициясы арқылы Галилейдің негізгі идеяларын дамытқаны белгілі.

1860—1865 жылдары Максвелл электр және магнит өрістері туралы Фарадейдің идеялары негізінде және көптеген тәжірибелер нәтижелерін қорыта келе, зарядтар мен токтар жүйесі туғызатын электромагниттік өріс теориясын жасады. Максвелл теориясы ортаның ішінде өтіп жатқан, әрі электр және магнит өрістерін туғызушы ішкі механизм құбылыстарын қарастырмайды. Электромагниттік өріс теориясының негізін Максвелл теңдеулері деп аталатын теңдеулер жүйесі құрайды.

Магнит өрісі өзгергенде айнымалы электр өрісінің пайда болуы

1831 жылы Фарадей ашқан электромагниттік индукция құбылысын терең зерттей отырып Максвелл мынадай қорытындыға келді: магнит өрісінің кез келген өзгерісі қоршаған кеңістікте қуйынды электр өрісін туғызады.
Фарадей тәжірибелеріндегі тұйықталған өткізгіште индукциялық ЭҚК-ін тудыратын осы құйынды электр өрісі екен. Бұл құбылыстың ерекшелігі сол, құйынды электр өрісі тек өткізгіште ғана емес (ол өрістің бар-жоғын көрсететін қосымша құрал), бос кеңістікте де пайда бола алады. Кеңістіктің кез келген нүктелеріндегі магнит өрісі индукциясының өзгерісі кезінде құйынды электр өрісі туындайды. Электр өрісінің күш сызықтары магнит индукциясының сызықтарын орап қоршайды және оның жазықтығына перпендикуляр орналасады.

Магнит индукдиясы артса, құйынды электр өрісі кернеулік векторының бағыты сол бұранда ережесімен анықталады. Магнит индукциясы көмігенде кернеулік векторының бағыты оң бұранда ережесімен анықталады. Сонымен, электр өрісін электр зарядтары және айнымалы магнит өрісі тудырады. Ал магнит өрісін тек қозғалыстағы зарядталған бөлшектер ғана тудыратыны белгілі. Магниттік зарядтар жоқ деген пікір — Максвелл идеяларының бірі. Табиғаттың үйлесімділік пен симметриялық қасиеттері осы жерде сақталмай тұрған сияқты.

Электр өрісі өзгергенде айнымалы магнит өрісінің пайда болуы

Максвелл ғылыми көрегенділікпен бұндай процестің табиғатта бар екеніне кәміл сенді. Бұл тұжырымға ол Ампер заңын жинақтап, қорытындылау мақсатында жүргізген зерттеу жұмыстарынан соң келді. Ампер заңының тек тұрақты және тұйықталған ток жүретін өткізгіштердің арасындағы өзара әрекеттесу күші үшін тағайындалғанын анықтаған Максвелл мынадай мәселе қойды: өткізгіште тұйықталмаған және айнымалы ток импулъсі туатын жағдайда бұл заң орындала ма?
Максвелл диэлектрикпен толтырылған конденсатордың астарларын өткізгіш арқылы қосқанда байқалатын разрядты зерттеген (3.2-сурет).

Разряд кезінде, аз уақыт аралығында, өткізгіш бойымен астардан астарға қарай бағытталған өткізгіштік ток айнымалы магнит өрісін туғызады. Өткізгіштік ток конденсатор астарларының арасында үзіліп қалады. Бірақ астарлардың арасындағы диэлектрикте магнит өрісінің пайда болатыны анықталған. Осы айнымалы магнит өрісін ығысу тогы деп аталатын уақыт бойынша өзгеретін электр өрісі тудырады деген болжамды алғаш рет Максвелл айтты. Сонымен, Максвеллдің пікірінше, айнымалы электр өрісі әрқашан айнымалы магнит өрісін тудырады.

Магнит өрісінің индукция сызықтары электр өрісінің кернеулік сызықтарын қоршап орналасады және оған перпендикуляр бағытталады. Электр өрісінің кернеулігі артқанда пайда болатын магнит өрісінің индукция векторы векторымен оң бұранда жасайды (3.3, а-сурет). Керісінше, электр өрісінің кернеулігі кемігенде магнитиндукциясының векторы векторымен сол бұранда жасайды (3.3, а-сурет). Ығысу тогы ұғымын енгізуден кейін кез келген электр тогын тұйықталған деп қарастыруға болады, оны толық ток деп атайды:

Мысалы, тербелмелі контурдың катушкасындағы өткізгіштік ток (электрондардың реттелген қозғалысы) конденсатор астарларының арасындағы ығысу тогына (айнымалы электр өрісі) ауысады. Айта кету керек, ығысу тогы кезінде өткізгіштік ток сияқты Джоуль—Ленц заңы бойынша жылу бөлінбейді.

Электр және магнит өрістерінің біртұтастығы және салыстырмалылығы

Максвелл теориясынан айнымалы электр және магнит өрістерінің арасындағы үзілмейтін байланыс ашылғаннан кейін, материяның ерекше түрі — электромагниттік өрістің бар екені айқындалды. Бұл өрістердің бір-бірінен жекеленіп, тәуелсіз түрде пайда бола алмайтыны анықталды.
Электр өрісі электр зарядтарынан немесе өзгермелі магнит өрісінің әсерінен пайда болады. Сол сияқты магнит өрісі де не электр тогының, не құйынды электр өрісінің әсерінен туады. Тұрақты өрістің дербес жағдайында не электр өрісінің ( ≠0, =0) , не магнит өрісінің ( =0, ≠0) қасиеттері байқалды. Және бұл қасиеттердің білінуі таңдап алынған санақ жүйелеріне байланысты. Жібек жіпке ілінген зарядталған шарды қарастырайық. Бақылаушы жермен байланысқан санақ жүйесінде тұр. Жермен салыстырғанда тыныш тұрған зарядталған шардың тек электр өрісі бар (3.4, а-сурет). Қозғалыстағы зарядталған шардың электр өрісі кеңістікте магнит өрісін туғызады.

Электромагниттік өріс біртұтас

Электромагниттік өріс теориясын сипаттайтын теңдеулер жүйесін талдай отырып, Максвелл электромагниттік өріс кеңістікте электромагниттік толқын түрінде тарай алады деген теориялық болжам жасады. Максвелл теориясының негізінде жұлдыздар мен планеталарда, тіпті Әлем көлемінде өтіп жатқан, сондай-ақ микродүниедегі, атомдар ішінде өтетін сан алуан құбылыстарды түсініп, сипаттау мүмкін болды.