Таырыбы: Электростатика тарауындаы негізгі ымдарды ылыми-дістемелік талдау.

Электр заряды. Электр заряды – массадан кейінгі элементар блшектерді екінші маызды сипаттамасы, ол – электродинамикадаы е іргелі ымдарды бірі. Зарядты анытамасын оушылара брыннан белгілі ымдар кмегімен беру ммкін емес. Заряд ымы электродинамика курсын оу барысында электромагниттік ріс ымымен бірге алыптасады, оны мні электродинамиканы барлы задарын оу нтижесінде ашылады. Олай болса, заряд ымын оушылар біртіндеп тсінеді.

Денелерде (блшектерде) зарядты бар екендігі ерекше зара сер арылы білінеді, оны электромагнитік зара серлесу деп атаймыз. озалмайтын зарядталан денелерді зара серлесу сипаты кулонды болады да, ал озалыстаы зарядтарды зара серлесуі оларды савлыстырмалы жылдамдытарыны модулі мен баытына тікелей байланысты. Осыан орай электромагниттік зара серлесу электрлік жне магниттік зара серлесуден трады. Жеке жадайларда электромагниттік зара серлесу тек электрлік немес тек магниттік болып крінеді. Жылдамды тадап алынан сана жйесіне байланысты боландытан электромагниттік зара серлесуді де сипаты бар. Сондытан зарядталан екі денені зара серлесуі жалпы жадайда электромагниттік болып табылады. Олай болса, заряд - денелерді электромагниттік зара серлесуіні санды жне сапалы сипаттамасы.

Зарядты лшеуді р трлі тсілдері бар, ол шін электромагниттік зара серлесуді трлі жадайы олданылады. Физика курсын оу барысында оушылар оларды біразымен танысады: электростатикалы діс (Милликен-Иоффе тжірибесі); электромагниттік діс (Лоренц кші негізінде электронны меншікті зарядын анытау) ; ток кші мен уаытты лшеуге байланысты діс, электролиз былысына байланысты діс жне т.б. Осы кезге дейін жасалынан тжірибелерді брі электр зарядыны табиаты дискретті , корпускулалы , атомды екендігін толы длелдеп берді. Табиаттаы е аз зарядты млшерін элементар заряд деп атайды. Элементар о заряд протон зарядына (+е) , ал элементар теріс заряд электрон зарядына (-e) те. Кез-келген денені заряды элементар зарядты бтін санына те (q= ne).

Зарядты дискреттілігін оыту зат асиеттеріні дискреттілігі жніндегі оушыларды кзарасын алыптастыруды жаластырып , микродниені маызды ерекшелігіні бірін тсінуге негіз болады , оушыларды атомды жне ядролы физикадаы кванттау идеясын тере тсінуге дайындайды.

Заряд жніндегі табии іргелі екі за оылуы тиіс: біріншісі – электр зарядтарыны зара серлесуі жніндегі Кулон заы, екіншісі – зарядты саталу заы. Кулон заыны орындалатындыы кптеген тжірибелер кмегімен длелденген болса, зарядты саталу заын осы кезге дейін баыланып жрген барлы былыстар длелдеп беріп отыр: денені йкеу арылы электрлегенде денелерде бір мезгілде модульдері жаынан зара те, табалары арама-арсы зарядтарды пайда болуы; кез-келген электрлеу процесінде (сер арылы, химиялы, фотоионизация жне т.б.) зарядтарды шама жаынан те, табалары арама-арсы болып блінуі; электр тізбегі тарматарындаы токтарды ара-атынасы; ядро рісінде фотоннан электрон-позитрон жбыны пайда болуы жне керісінше - электрон-позитрон жбыны фотона айналуы.

Оушылар зарядты таы бір асиетін білгені орынды, ол- зарядты абсолюттігі немесе заряд шамасыны заряд тасушы блшекті жылдамдыына туелді болмауы, басаша айтанда, сана жйесіне байланыссыздыы. Зарядты бл асиетін зарядты инварианттыы деп атайды , оны кптеген былыстар длелдейді: иондалмаан атомдар мен молекулаларды бейтараптыы; ызан металдарды зарядталмайтындыы; деткіштер кмегімен зарядты блшектерді жылдамдыын лкен мндерге дейін сіргенде оны зарядыны шамасыны згермейтіндігі жне т.б.

Заряд жніндегі гімелер кезінде, траты трде, зарядтарды зара ріс арылы серлесетіндігін ескертіп отыру ажет.

Электр рісі. Заряд ымымен бірге электродинамикадаы негізгі ымдарды бірі – электромагнитік ріс ымы. азіргі кездегі кзарас бойынша электромагнитік ріс - материяны бір трі, екіншісі – зат.

ріс жне зат бір-бірімен тыыз байланыста. Олар тек бір-біріне тіп ана оймайды , сонымен бірге біріні асиетіне екіншісі себепші болады. Бл кзарасты алыптасуына физикадаы екі концепция – алыстан сер жне жаыннан сер ету – арасындаы крес айтарлытай серін тигізді. Концепциялар ньютонды жне картезианды (XVII-XVIII . философия мен жаратылыстанудаы аым) кзарастар негізінде пайда болды.

Алыстан сер ету теориясында негізгі жне алашы ым ретінде заряд ымы алынады да, барлы электромагниттік былыстар зарядтарды алыстан лездік зара сері арылы тсіндіріледі. Бл теория XIX . орта шенінде зіні даму шегіне жетті, бл кезде статикалы электр мен магнетизмні толы теориясаы жасалды, біра алыстан сер ету теорияларыны барлыында да ріс жніндегі ым болмады.

Сол дуірдегі жаадан ашылан былыстарды ескі теорияны тсіндіріп бере алмауы жаа жне жетілген теория жасауды ажет етті. Ондай теорияны негізін салушылар М.Фарадей (1791-1867ж) жне Дж. Максвелл (1831-1879ж) болды. Фарадей Максвелді классикалы жаыннан сер ету теориясында негізгі жне алашы ым ріс болып табылады, ал заряда екінші, осалы роль берілген. Жаыннан сер ету теориясыны тсіндірілуі бойынша барлы электромагниттік былыстар эфирде болатын ріс згерістерімен байланысты жне ол згерістер кеістікте шекті жылдамдыпен тарайды.

Тек статикалы рісті зерттеу алыстан сер ету жне жаыннан сер ету концепцияларыны арасындаы таласты шешіп беру ммкін емес еді, йткені екі теория да тжірибелермен сйкес келетін орытындылар береді. Тек те жылдам згеретін электромагниттік ріске ткенде ана алыстан сер ету теориясыны негізгі екендігі бірден белгілі болды.

Дегенмен Максвелл теориясы, баса физикалы теориялар тріздес , шектеулі еді, е бастысы- ол зат рылымын ескермейді. ткен асырды соы жылдарында Г.Лоренц (1853-1928ж) бір жаынан Максвелл теориясына сйеніп, екінші жаынан заттардаы блшектермен байланысан элементар зарядтарды (электронны) болатындыы жніндегі кзараса сйеніп, электролмагниттік жне оптикалы былыстарды жалпы теориясын жасады. Кейіннен, электронны бар екендігі тжірибеден аныталан со, бл теория “Заттарды электронды теориясы” деп аталып кетті. Біра Максвелл теориясындаы сияты Лоренц теориясы да эфир ымынан тыла алмады. А.Майкелсонны (1852-1931ж) жне т.б. алымдарды жргізген тьжірибедері эфирді жо екендігін длелдеп берді. А.Эйнштейнні (1879-1955ж) салыстырмалы теориясы шыаннан кейін (1905ж) эфир ымы ылымнан толы аластатылды.

XX. физиканы дамуы электромагниттік рісті материяны бір трі боландыын крсетіп беріп отыр. Электромагниттік рісті атысуымен жретін барлы процесстер мына негізгі табии задара баынады: массаны саталу заына, импульсті саталу заына, импульс моментіні саталу заына, электр зарядыны саталу заына , энергияны айналу жне саталу заына, масса мен энергияны зара байланысы заына. ріс шін саталу задарыны орындалуы материяны зат трі мен ріс трі арасында тере ішкі бірлік бар екендігін крсетеді.

Материяны бл екі тріні орта белгілері бар:

1.Зат жне ріс – бізді санамыздан тыс жне оан байланыссыз мір сретін материяны екі трі.

2.Заттада жне рісте де энергия бар.

3.Екеуіні де толынны жне корпускулалы асиеттері бар.

4.рісте жретін барлы процестер негізгі саталу задарына баынады.

5.Зат пен ріс бір-біріне тіп кете береді.ріс зат асиетін згертеді (поляризация, магниттелу), зат ріске сер жасайды (диэлектрлік жне магниттік тімділік).

6. Зат пен рісті бір-біріне айналуы да ммкін (фотоннан электрон-позитрон жбыны пайда болуы жне керісінше – электрон мен позитронны бірігіп екі гамма-кванта айналуы). Дегенмен, материяны бл екі тріні райсысына тн з ерекшеліктері де бар.

Электростатикалы рісті оыту кезінде біз тек электромагниттік рісті материалдыы жніндегі кзарасты ана алыптастыруды бастаймыз. Электродинамиканы кейінгі блімдерінде траты ток тізбегінде энергияны трленуіндегі электр рісіні рольі жне магнит рісіні энергиясы жніндегі мселелер арастырылады. “Электромагниттік толындар” таырыбында электромагниттік рісті материалдыы туралы шешуші фактор- оны жылдамдыыны шектеулі екендігі длелденеді. Электромагниттік рісті материалдыын алыптастыру онымен бітпейді. Жарыты ысымын, фотонны энергиясы мен массасын, электрон-позитрон жбыны фотона жне фотонны электрон-позитрон жбына айналуын оыту бл процесті жаласы болып табылады.

Бл айтыландардан “Электр рісі” таырыбын оыту нтижесінде рісті материалдыын алыптастыру ммкіндігі аз екендігін кріп отырмыз. Сонда да болса кейінгі таырыптарда ымды алыптастыруды жаластыру шін бл материалды олайлылыын барынша пайдалану керек.

Электр рісіні негізгі сипаттамалары.Электр рісін сол рісті кез-келген нктесіне орналасан заряда сер жасаушы кш арылы немесе ріс нктесіндегі энергия арылы сипаттауа болады.

Кш трысынан сипаттаушы шаманы электр рісіні кернеулігі (E) деп атайды, ол ріс нктесіндегі заряда сер етуші кшті (F) заряд шамасына (q) атынасымен аныталады:

Кернеулік – векторлы шама , оны баыты нктеге орналасан о заряда серететін кш баытымен сйкес келеді.

Егер электр рісін бірнеше заряд жасайтын болса , онда нктедегі кернеулік жеке зарядтарды сол нктедегі кернеуліктеріні векторлы осындысына те болатындыын тжірибелер длелдеп беріп отыр . Тжірибелерден алынан бл орытынды суперпозиция принципіні мазмны болып табылады.

рісті энергетикалы трыдан сипаттау шін ріс потенциалы , ріс потенциалыны айырмасы жне кернеу ымдары ендіріледі. дістемелік дебиеттер мен оу дебиеттерінде осы ымдарды бріні ажеттілігі, айсысыны негізгі ым екендігі, андай реттілікпен оыту керек екендігі жнінде ртрлі пікір айтылады жне олданылады. Мектеп бадарламасында негізінен “потенциал-ріс потенциалы - кернеу” реттілігі олданылып жр.

рісті энергетикалы трыдан сипаттау шін нктедегі ріс потенциалы ымы ендіріледі. ріс потенциалы ( ) ретінде рісті біз арастырып отыран нктесінен зарядты тадап алынан нктеге (нольдік нктеге) дейін алып баранда рісті жасайтын жмысыны (W) сол заряд шамасына (q) атынасы алынады: Нлдік нкте ретінде кез-келген нктені алуа болады, біра физикада ондай нкте ретінде детте шексізде орналасан нкте алынады да, ал практикалы есептеулерде Жер бетіндегі нкте алынады.

рісті кез-келген екі нктесі арасындаы потенциалдар айырмасы нольдік нктені тадауа байланыссыз, сондытан оны белгілі физикалы маынасы бар, ол- ріс зарядты бір нктеден екінші нктеге озаанда жасалатын жмысты (А) сол заряд шамасына атынасымен аныталады немесе

рісті потенциалы немесе потенциалдар айырмасы ымдарын ендіру шін электростатикалы рісті потенциалды сипатына айрыша тоталу ажет болады.

рісті энергетикалы сипаттамаларыны ішіндегі е маыздысы кернеу ымы (U) , йткені 10 жне 11 сыныптарда тілетін таырыптарда негізінен осы ым олданылады. Длірек айтса кернеу ымы – потенциалдар айрмасы ымына араанда кеірек ым. Осы арастырылып отыран екі нктені арасындаы бірлік о заряда сер етуші барлы кштерді жасайтын жмысымен аныталады. Мысалы, зерттелетін электр рісі ана емес бгде кш те сер етуі ммкін.Ондай жадайда учаскені штарындаы кернеу потенциалдар айрымасы мен сол учаскедегі электр озаушы кш ( ) осындысымен аныталады:

Егер тізбек учаскесінде ондай бгде кш болмаса , онда кернеу жне потенциалдар айырмасы ымдары бір нрсе болып алады.

Орта мектеп курсында рісті бл айтылан екі трлі сипаттамаларыны ара атынасы да арастырылады. Е арапайым электр рісі болып табылатын бір текті электрстатикалы ріс шін

формулалары алынады , мндаы 1- бір текті ріс жасаушы беттерді бір-бірінен ашытыы. Осы формуланы кмегімен ріс кернеулігіні бірлігі (B/м) ендіріледі.

Лекция 3