Әкімшілік құқық

МАЗМҰНЫ

1. Кіріспе
2. Негізгі бөлім

1. Электр өрісінің кернеулігі

2. Электр зарядының сақталу заңы
3. Электр өрісінің потенциалы

3. Қорытынды
4. Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТР ӨРІСІ

Электр  заряды (электр мөлшерi) q – дененiң қасиетiн немесе бөлшектердiң электромагниттiк өзара әсерлесуiн және бұндай өзара әсерлесудiң қарқындылығын анықтайтын шама. Электр зарядының шартты түрде оң және терiс деп аталатын екi түрi бар. Аттас заряды бар денелер бiр-бiрiнен тебiледi, ал әр аттас зарядтары бар денелер – тартылады. Электр зарядтарын ылғи да тасушы болып элементар бөлшектер және антибөлшектер табылады. Мысалы, протон және антипротон, электрон және позитрон. Антибөлшектер массасы – сәйкес бөлшектердiң массасына тең және электр заряды терiс. Бөлшектердiң антибөлшектермен бiрiккенде аннигиляцияға (өзара жоюға) ұшырайды. Бұл кезде Эйнштейн формуласы бойынша масса энергияға айналады E=mc², мұнда Е – энергия, m – бөлшектiң массасы, c – жарық жылдамдығы Ешқандай электр зарядын иеленбейтiн бөлшектер болады, мысалы, нейтрон, нейтрино. Бiрақ бөлшексiз электр зарядының болуы мүмкiн емес.

Электр зарядтарының қасиеттері:

- электр зарядтарының екі түрі бар: оң заряд және теріс. аттас зарядтар бір-бірінен тебіледі, әр аттас зарядтар бір-біріне тартылады.

- электр заряды инвариантты, яғни санақ жүйесінен тәуелсіз.

- электр заряды дискретті, яғни  кез келген дененің немесе элементар бөлшектің заряды элементар зарядқа бүтін еселі болады.

- электр заряды аддитивті, яғни  денелердің (бөлшектердің)  кез келген тұйық жүйесінің заряды осы жүйеге кіретін денелердің (бөлшектердің)  зарядтарының алгебралық қосындысымен анықталады.

Зарядтардың тұйық жүйесі –сыртқы қоршаған ортамен (денелермен) заряд алмаспайтын жүйе.

Электр заряды дискреттi: дененiң барлық электр зарядтарын бүтiн  бөлiктерге бөлетiндей ең кiшi элементар  электр заряды табылады. Қалыпты жағдайда дене электрлiк нейтраль жағдайда, себебi кез келген заттың атомындағы электрондар саны ядродағы протондар санына тең және дененiң зарядтарының қосындысы нөлге тең.

Электрлеу деп бұл процесс нәтижесiнде денелер электр зарядын иеленiп, және электромагниттiк өзара әсерлесуге қатысу қабiлетiн айтады.

Дененi электрлеу деп денедегi электр зарядтарын қайта орналастыруды  айтады, яғни зарядтардың электрленуi пайда болмайды, тек денелер арасында бөлшектенiп және қайта орналасады.

Электрлеу келесi түрлерге ажыратылады:

• Электр өткiзгiштiк әсерiнен электрлену.
• Үйкелiстiк электрлену.
• Әсер арқылы электрлену.

Ұлы ағылшын ғалымы Майкл Фарадей, электр зарядтары бiр-бiрiне тiкелей әсер етпейдi деп жорамал жасайды. Олардың әрқайсысы қоршаған ортада электр өрiсiн туғызады. Бiр зарядтың өрiсi екiншi зарядқа әсер етедi, және керiсiнше. Зарядтан алыстаған сайын өрiс төмендейдi. Басқа бiр ғалым – Джемс Клерк Максвелл – электромагниттiк әсерлесу кеңiстiкте ақырлы жылдамдықпен таралатынын теориялық дәлелдедi. Максвелл электромагниттiк әсердiң таралуы бостықтағы жарық жылдамдығына тең, яғни 300000 км/с.

Электр өрiсi – кез - келген зарядталған  денелердiң айналасында болады және заттардан ерекше, материяның айырықша бiр түрi болып табылады. Оны көру немесе ұстау мүмкін емес. Электр өрiсiнiң бар немесе жоқ екендiгiн, тек оның әсері арқылы білуге болады.

Электр өрiсiнiң негiзгi қасиеттерi қарапайым тәжiрибелер арқылы анықталады.

1. Зарядталған дененiң электр  өрiсi, осы өрiстегі кез - келген зарядталған денеге қандай да бiр күшпен әсер етедi. Зарядталған денелердің әсерлесуiн зерттеуге қойылған тәжiрибелер осыны көрсетеді. Мысалы, зарядталған гильза электрленген таяқшаның өрiсiнде тарту күшiнiң әсерінен оған жақындайды.

2. Зарядталған денеге жақын аралықта өрiс күштiрек, ал алыста әлсiздеу. Мұны тексеру үшiн тағы да зарядталған гильзамен жасалған тәжiрибенi қарастырайық. Гильзаны тiрегiмен бiрге зарядталған таяқшаға жақындата түсейiк. Бiз гильза таяқшаға жақындаған сайын жiптiң вертикальдан ауытқу бұрышы үлкейе беретiнiн көреміз. Бұрыштың үлкеюі, гильза электр өрiсiнiң көзiне (зарядталған таяқшаға) жақындаған сайын оған өрiс соғұрлым көбiрек күшпен әсер ететiндiгiн көрсетедi. Осыдан, зарядталған денеге жақындаған сайын оның өрiсiнің күшейетініне көз жеткiземiз.

Электр өрiсiнiң кернеулiгi – берiлген нүктедегi электр өрiсiн сипаттайтын векторлық шама, және ол өрiстiң берiлген нүктесiнде орналасқан нүктелiк зарядқа әсер ететiн күштiң заряд шамасына q қатынасына тең:

                                                   

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.]

1-сурет

Берілген нүктеде электр өрісін сипаттайтын негізгі шама электр өрісінің кернеулігі болып табылады. Өрісті зерттеу мақсатында оны өзгертпейтін шамасы өте аз оң нүктелік сынама заряд қолданылады. Кулон заңы бойынша басқа зарядтардың өрісіне енгізілген сынама е’ зарядқа осы зарядқа пропорционал күш әсер етеді. Егер өрістіің әрбір нүктесінде оған орналастырылған бірлік оң зарядқа әсер ететін күш белгілі болса, электр өрісіні күші толық анықталады. Кулон заңының нүктелік е заряды өзінен R қашықтықта мынандай өріс туғызатыны белгілі:

 ,     

мұндағы, R – e зарядынан өрістің қарастырылып отырған нүктесіне жүргізілген радиус-вектор. Екі немесе бірнеше зарядтардың электр өрісі, жеке әр зарядтың туғызатын электр өрісінің векторлық қосындысына тең. барлық зарядтар жүйесінің электр өрісінің қорытқы, ал - -ші е элементар зарядтың электр өрісінің кернеуліктері деп алсақ, онда

=

теңдігі орындалады.

векторының бағыты оң зарядқа әсер ететiн күшке бағыттас, және терiс зарядқа әсер ететiн күш бағытына керi бағыттас. Кернеулiк - электр өрiсiнiң күштiк сипаттамасы болып табылады. Электр өрiсi тарапынан әсер ететiн күш мынаған тең:

                                                  (1)

Егер электр өрiсi барлық нүктелерде кернеулiгi бiрдей болса, онда ол бiртектi деп аталады.

Кернеулiк  сызықтары немесе электр өрiсiнiң күш сызықтары деп ол сызықтардың әрбiр нүктесiндегi жанама өрiс кернеулiгi векторының бағытымен сәйкес келетiн (беттесетiн) сызықтарды айтады. Электр өрiсiнiң күш сызықтары тұйықталмаған, олар оң зарядтардан басталып терiс зарядтардан аяқталады (1, 2 – суреттер). Күш сызықтары үздiксiз және қиылыспайды. Олар зарядталған денелерден басталады немесе аяқталады, содан кейiн жан-жаққа шашырайды. Сондықтан күш сызықтарының тығыздығы зарядталған дене маңайында жоғары, яғни өрiс кернеулiгi жоғары болған жерде.

2-сурет

Бiртектi электр өрiсiнiң  күш сызықтары параллель және олардың тығыздығы тұрақты (3 – сурет).

3-сурет

                         (2)

 

 

 

Өрiстердiң  суперпозиция принципi: кеңiстiктiң берiлген нүктесiнде әртүрлi зарядталған бөлшектер электр өрiсiн тудырады (жасайды), олардың кернеулiгi және басқалар, онда бұл нүктеде өрiстiң қорытқы кернеулiгi мынаған тең:

                                                (3)

мысалы, тыныштық күйдегі  нүктелік екі оң және зарядтың 

                                       4-сурет

 

электр  өрістерінің қабаттасуында (4-сурет) берілген нүктедегі қортқы өріс кернеулігі :

Дененiң электрлену кезiнде электр зарядының сақталу заңы орындалады: тұйық жүйеде барлық бөлшектердiң зарядтарының алгебралық қосындысы өзгерiссiз қалады. Жүйе тұйық деп аталады, егер зарядталған бөлшектер одан сыртқа шықпаса және сырттан оған енбесе.

                                                      (4)

Зарядтың сақталу заңы бойынша зарядталған, бiр оң және бiр терiс зарядтардан тұратын, бөлшектер тек қосарланып қана пайда  болады және жоғалады, мысалы, протон және антипротон, электрон және позитрон.

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 (заряд бөлшектердің ішкі қасиеті болып саналады). 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 энергияның сақталу заңы, ал оның өзінен гөрі жеңіл бейтарап (нейтрал) бөлшектерге (мысалы, фотонға, нейтрионға) ыдырауына зарядтың сақталу заңы кедергі болады.

Заряд q орынауыстырған кезде, оған өрiс тарапынан әсер ететiн күш жұмыс жасайды. Сәйкесiнше, электр өрiсiндегi зарядталған дене энергияға ие болады.

5-сурет

Қарама-қарсы зарядқа  ие үлкен металл пластиналар кернеулiгi бiртектi өрiс тудырады (3 – сурет). Бұл өрiс зарядқа тұрақты күшпен әсер етедi. Онда оң зарядталған зарядтың терiс зарядталған пластинадан қашықтықтағы 1 нүктеден осы пластинадан < қашықтықтағы 2 нүктеге орынауыстыруы кезiнде өрiстiң жасайтын жұмысы мына формуламен анықталады:

(5)

1 мен 2 нүктелерi бiр  күштiк сызық бойында жатады. Кулон  күшiнiң жұмысы траектория формасынан тәуелсiз.

Кез келген электростатикалық  өрiс жұмысы зарядтың тұйық траектория бойымен орынауыстыру кезiнде барлық уақытта нөлге тең. Бұндай қасиетке ие өрiстер потенциалдық деп аталады.

Потенциалдық энергия  деп өзара әрекеттесетін денелердің немесе   олардың      бөліктерінің   бір-біріне   қатысты орналасуына қарай  анықталатын  энергияны айтады.

Электрстатикалық  өрістің  потенциалы – сан жағынан өрістің берілген нүктесінде орналасқан бірлік оң зарядтың потенциалдық энергиясына тең физикалық шама.

              (6)

 

нүктелік заряд  өрісінің  потенциалы: 

                                                ,                                 (7)        

мұндағы r  – нүктелік зарядтан өрістің берілген нүктесіне  дейінгі ара қашықтық.

Кулон күшi потенциалдық болып табылады. Потенциал күштердiң жұмысы терiс таңбамен алынған потенциалдық энергия өзгерiсiне тең:

(8)

Бiртектi электростатикалық өрiсте зарядтың потенциалдық энергиясы мынаған тең:

        (9)

Потенциалдық энергияның нөлдiк деңгейi әр қалай алынады. Себебi, физикалық мағынаға потенциалдық энергияның өзi емес, зарядтың бастапқы орнынан соңғы орынға орынауыстыруы кезiнде өрiстiң жасайтын жұмысынан анықталатын – потенциалдар айырымы ие. Электр өрiсiнiң күш сызықтары потенциалдық энергияның кему бағытын көрсетедi. Егер өрiс оң жұмыс жасаса, онда өрiстегi зарядталған бөлшектiң потенциалдық энергиясы кемидi, және онымен бiр уақытта, энергияның сақталу заңы бойынша, оның кинетикалық энергиясы өседi, бөлшек үдеуi өседi (электр лампасындағы электрондар үдемелi қозғалады). Керiсiнше, терiс жұмыс iстегенде потенциалдық энергия өсiп, кинетикалық энергия кемидi, яғни бөлшек тежеледi.