Радиоактивті ыдырау 1 страница

35.

Электр Заряды – бөлшектер мен денелердің сыртқы электрмагниттік өріспен өзара әсерін, сондай-ақ олардың электрмагниттік өрістерінің өзара байланысын анықтайтын негізгі сипаттамалардың бірі. Э. з. 2 түрге ажыратылады және ол шартты түрде оң заряд және теріс заряд деп аталады. Аттас зарядтар бірін-бірі тебеді, ал әр аттас зарядтар бірін-бірі тартады. Дененің Э. з. оның құрамына енетін барлық бөлшектің Э. з-ның алгебр. қосындысына тең. Э. з. дискретті, яғни барлық бөлшектер мен денелердің Э. з. еселі болып келетін ең кіші элементар Э. з. болады. Оқшауланған электр жүйесінде зарядтың сақталу заңы орындалады. Қозғалмайтын Э. з-ның арасындағы өзара әсер Кулон заңымен, ал Э. з. және оның эл.-магн. өрісінің арасындағы байланыс Максвелл теңдеулерімен сипатталады. Заттағы өрісті қарастырған кезде Э. з. еркін заряд және байланысқан заряд болып ажыратылады. Э. з-ның бірліктердің халықаралық жүйесіндегі (СИ) өлшеу бірлігі – кулон (к).

Электр заряды (электр мөлшерi) q – дененiң қасиетiн немесе бөлшектердiң электромагниттiк өзара әсерлесуiн және бұндай өзара әсерлесудiң қарқындылығын анықтайтын шама.

Электр зарядының бiрлiгi ретiнде СИ жүйесiнде – бiр кулон (1 Кл) деп өткiзгiштiң көлденең қимасынан 1 с iшiнде ток күшi 1 А болғанда өтетiн электр заряды алынады.

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 (бұл туралы толық мағлұматты 11-шi сынып курсынан бiлесiздер). Ешқандай электр зарядын иеленбейтiн бөлшектер болады, мысалы, нейтрон, нейтрино. Бiрақ бөлшексiз электр зарядының болуы мүмкiн емес.

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.

Зарядтың сақталу заңы – кез келген тұйық жүйенің (электрлік оқшауланған) электр зарядтарының алгебралық қосындысының өзгермейтіндігі (сол жүйе ішінде қандай да бір процестер жүрсе де) 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 (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, p-мезонға) ыдырауына энергияның сақталу заңы, ал оның өзінен гөрі жеңіл бейтарап (нейтрал) бөлшектерге (мысалы, фотонға, нейтриноға) ыдырауына зарядтың сақталу заңы кедергі болады. Зарядтың сақталу заңының дәл орындалатындығын электронның өз зарядын 5×1021 жыл бойы жоғалтпайтындығынан көруге болады.

Электр өрісі.

Кез келген заряд өзінің айналасында электр өрісін туғызатыны белгілі. Электр өрісі - материяның ерекше бір түрі. Зарядтардың арасындағы әсерлесу осы электр өрісі арқылы жүзеге асырылады.

Белгілі бір электр өрісін бөліп, зерттеу үшіннүктелік "сыншы" зарядты пайдалануға болады, Бұл зерттелінбекші өрісті өзгертпейтін өте шағын заряд. Нүктелік зарядтың туғызатын өрісін нүктелік сыншы _сын зарядтың жәрдемімен зерттелік. Сыншы зарядты ( _сын) элөктр өрісін туғызған зарядтың ()орнымөн салыстырғанда радиус-векторымен анықталатын нүктеге орналастырсақ, оған

(1.6)

күш әсер ететінін білеміз

4-сурет

Бұл өрнектен сыншы зарядқа әсер ететін күштің () өрісті аңықтайтын шамаларға ()ғана емес, соңдай-ақ cыншы зарядтің шамасына да ( _сын) тәуелді екендігі көрінеді,_;яғни ол тұрақты шама, емес. Егер бір нүктеге әр түрлі сыншны зарядтар орналастыратын болсақ, _{сын, сын}т.б. зарядтардың өзара әсерлесу күштері де әртүрлі болады. т.б. күштер сәйкес келеді. Алайда, күшінің шамасы сыншы, зарядтың _СЫІІ шамасына
пропорционал болғаңдықтан, ,яғни бұл қатынас тұрақты шама және сыншы зарядтың шамасына тәуелді емес екенін көреміз, өйткені сыншы зарядтың шамасын қанша үлкейтсек, сонша рет күштің шамасы да өседі. Бұл қатынасты электр өрісін сипаттайтан шама ретіңде қабылдап алу табиғи нәрсе.

Сонымен, электр өрісін сипаттайтан векторлық шаманы электр өрісініңкернеулігі деп атайды.

(1.7)

, егер =1 болса, онда .

Кулон заңы

Тынышталған нүктелiк зарядтар (4.1 – сурет) арасындағы өзара әсерлесу заңы тәжiрибе жүзiнде 1785ж. Шарль Кулон анықтаған және оның есiмiмен аталады.

Кулон заңы: Бостықтағы екi қозғалмайтын зарядталған нүктелiк денелердiң өзара әсерлесу күшi F (кулон күшi) және зарядтардың модульдерiнiң көбейтiндiсiне тура пропорционал және олардың өзара r арақашықтығының квадратына керi пропорционал.

(4.1)

Мұнда k – пропорционалдық коэффициентi, сандық мәнi бiрлiк зарядтардың бiрлiк ұзындығына тең арақашықтықта өзара әсерлесу күшiне тең.

k коэффициентiн мынадай түрде жазу қабылданған

мұнда - электр тұрақтысы, СИ жүйесi бойынша мынаған тең:

Коэффициент k СИ бiрлiгiнде жазылуы бойынша келесi түрде өрнектеледi:

Кулон заңы

1785 жылы Ш. Кулон бұралмалы таразымен жасаған тəжірибеге

байланысты мыныдай қорытындыға келді: өздерінің мөлшері ара қашықтықпен

салыстырғанда мүлдем аз екі зарядталған дене бір-бірін заряд шамаларының

көбейтіндісін тура, ал ара қашықтықтың квадратына кері күшпен тартады.

Кулон біртекті заряд бірін -бірі тебеді зарядтар біріне бірі тартылатындығын

белгіледі (нүктелік дене зарядының орнына нүктелік заряд алынады).

ε – дененің диэлектрлік өтімділігі.

Денедегі электр зарядының бар-жоғын олардың өзара әсерлесуінен байқауға болады.Мысалы,аттас зарядты денелер бір-бірін тебеді,ал әр аттас зарядты денелер бірін –бірі тартады.

2- сурет

Нүктелік зарядтардың өзара әсерлесу күшін сипаттайтын заңды 1785 жылы Кулон анықтады (Кулон Шарль Огюстен,1736-1806 жылдары өмір сүрген атақты француз физигі).

Нүктелік заряд деп осы дененің электр зарядтарын тасымалдайтын,басқа денелерге дейінгі қашықтығымен салыстырғанда мөлшерін ескермеуге болатын зарядталған денені айтады.

Кулон арнайы иірілмелі таразының жәрдемімен екі зарядталған шарлардың өзара әсер күшін (F) олардағы зарядтар шамасына () олардың ара қашықтықтарына () байланысты өзгеруін зерттей отырып мынадай қорытындыға келеді:

Нүктелік екі зарядтың өзара әсер күші әрбір зарядтардың шамаларына тура пропорцинал және олардың ара қашықтығының квадратына кері пропорцинал болады да,осы зарядтардың аралығын қосатын түзу сызықтың бойымен бағытталады.

;

(1.2)

Мұндағы пропорционалдық коэффициент.

3-сурет

Кулон заңын вектор түрінде былай жазуға болады:

(1.3)

Бұл өрнектегі бір зарядтан екіншіге қарай жүргізілген және бағыты зарядқа түсірілген күшінің бағытымен дәл келетін вектор деп қарастыру керек./1.2/ өрнек тен әр аттас зарядтар болған кезде күшінің радиус-векторға қарама-қарсы бағытталатынын,ал аттас зарядтар болған жағдайда күшінің -дің бағытымен бағыттас болатыны көрінеді.

Халықаралық жүйеде зарядтың өлшем бірлігі ретінде Кулон (Кл) қабылданған.Элементар электр заряды (электрон заряды)

Кулон тәжірибесінде электр зарядтары ауада орналасқан еді.Кейінгі тәжірибелердің нәтижесінде зарядтардың өзара әсерлесу күшііне оларды қоршаған ортаның едәуір әсер ететіндігі анықталды. Осы жағдайда ескеріп.Кулон заңын ауасыз/бостық/орта үшін былай жазамыз:

(1.4)

Мұндағы -электрлік тұрақты ()

Электродинамиканың көптеген формулаларына 4 көбейткіші және жарықтың бостықтағы жылдамдығына тең электродинамикалық тұрақты " С " енеді. Практикалық аса маңызды формулаларда орнына орташа Кулон заңындағы пропорционалдық коэффициентті -ге тең деп алады.

Белгілі бір орта үшін:
(1.5)

мұндағы - салыстырмалы диэлөктрлік ортаның өтімділігі.

( >1, ал бостық үшін = 1, яғни кез келген ортада әсерлесу күші әлсірейді; - өлшемсіз шама).

- ортаның абсолютті диэлектрлік өтімділігі электр за-
рядтрдың өзара әсерлесуіне оларды қоршаған ортаның әсерін ес-
керетін шама).

36. Электр тоғы. Тоқ күші. Тоқ тығыздығы. Электр өрісінің кернеулігі

Зарядталған макроскопиялық денелерді немесе электрлік зарядтардың қозғалысы туралы құбылыстар мен процестерді, сонымен қатар электр тогы сияқты негізгі ұғымды қарастыратын бөлім - электр динамикасы деп аталады. Егер өткізгіште электр өрісін туғызатын болсақ, онда зарядтар реттелген қозғалыста болады. Оның оң зарядтары өріске (яғни, кернеулік бағытына) бағыттас та, теріс зарядтар оған қарама - қарсы қозғалады. Сөйтіп, электр тогы деп электрлік зарядтардың бағытталған қозғалысын айтамыз.

Электр тогы оң заряд тасушыларының да, теріс заряд тасушыларының да қозғалысы әсерінен туындауы мүмкін. Теріс зарядтың бір бағыттағы қозғалысы, шама жағынан сондай қарама-қарсы бағыттағы оң зарядтың қозғалысына бара -бар. Ток бағытына оң тасушылардың орын ауыстыру бағыты алынады. Ток әдетте потенциалдар айырымы теңескенге дейін болды.

Өріс әсерінен өткізгіштерде пайда болатын токты өткізгіштегі ток деп атайды. Ал зарядтарды өзі тұрған ортамен қоса көшіретін болса, онда бұл кезде пайда болған токты конвекциялық ток деп атайды.

Электр тогы ток күші деп аталатын шамамен сипатталады. Ток күші -уақыт бірлігі ішінде берілген өткізгіштің көлденең қимасынан өтетін зарядтар шамасы:

= dq / dt (3.1)

Бұл өрнек токтың лездік мәнін сипаттайды. Егер токтың күші мен бағыты уақыт өтуіне сейкес өзгермейтін болса, онда мұндай ток тұрақты ток деп аталады:

=q /t (3.2)

мұндағы q -өткізгіштің көлденең қимасы арқылы t уақыт ішінде өтетін электр заряды. Ток күшінің өлшеміне - 1 ампер (А) алынады. Электр тогы өзі өткен бет бойынша біркелкі таралмауы да мүмкін. Электр тогы сан жағынан ток тығыздығы деген шамамен сипатталады. Сонымен ток тығыздығы деп өткізгіштің бірлік көлденең қимасынан өтетін ток күшін айтамыз:

j = / S (3.3)

Егер де ток өткізгіштің көлденең қимасынан біркелкі өтпесе, онда ток тығыздығы:

j =d / dS

Ток тығыздығы - векторлық шама. Оның бағыты ток бағытына, яғни бірыңғай бағытталған оң зарядтар қозғалысына бағыттас болады. Ток тығыздығының өлшеміне А/м алынады.

Енді ток күшін және оның тығыздығын өткізгіштегі зарядтардың реттелген қозғалысының жылдамдығы арқылы өрнектейік. Егер өткізгіштегі заряд тасушылар саны n және оның әрқайсысының заряды e болса, онда бірлік dt уақыт ішінде S көлденең қима арқылы өтетін зарядтар шамасы dq = n e S dt

= dq / dt = n e S

Ал өткізгіштегі ток тығыздығы

j = / S = n e (3.4)

Егер ток кез келген тұйық контур арқылы өтсе, онда оны векторлық ағын ретінде қарастырамыз, сонда

=

.Электр тогының сипаттамасына өткізгіштің қимасы арқылы өтетін Δq зарядының осы зарядты көшірудегі Δt уақыт аралығына қатынасы жатады.

I= Δq/Δt

Ι = Бұл шама ток күші деп аталатын болды.Егер Δq/Δt қатынасы уақыттқа байланысты ешқандай өзгермесе онда ток күшін бұл жағдайда Ι = q/t

(1А) тұрақты немесе стационар ток деп атайды.СИ өлшем бірліктерінде ток күші бірлігіне Ампер (А) алынады.Бұл бірлік 1881 жылы француз ғалымы Ампердің құрметіне берілген. Ампердің анықталуы токтың

электромагниттік əсерімен байланысты жəне кейін қарастырылады.1А тұрақты ток кезіндегі өткізгіштің көлденең қимасы арқыл 1сек ішінде 1К заряд өтеді.СГС системасында ток бірлігіне 1сгс q зарядты 1сек ішіндегі ток алынады.

1a= = = СГС

Электр тогының негізгі сандық сипаттамасы – ток күші. Ол өткізгіштің көлденең қимасының ауданынан бірлік уақытта тасымалданатын электр зарядымен анықталады. Өткізгіштегі зарядталған бөлшектердің жылдамдығы өте аз – 0,1 мм/с шамасында.

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 (F0) сол зарядтың шамасына (q0) қатынасына тең: E0=F0/q0. Бұл жерде зерттелетін өріске әкелінген зарядтың шамасы (q0) 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

37. Электр өрісіндегі өткізгіштер. Электр сыйымдылық. Конденсаторларды тізбектей жəне параллель қосу қатынасы.

Егер зарядталған бөлшектер, мысалы. электрондар дененің ішінде айтарлықтай еркін қозғала алатын болса, онда мұндай заттардың электр тоғын еркін өткізу қабілеті болада. Қозғалыс барысында электр тоғын туғызатын заряд тасымалдаушылар тек электрондар ғана емес, иондар яғни өздерінен бір немесе бірнеше электрондарды жоғалтқан немесе қосып алған атомдар (молекулалар) да болуы мүмкін.

Электр тоғын өткізу қабілетіне сәйкес барлық заттар - өткізгіштер, шала өткізгіштер (жартылай өткізгіштер) және диэлектриктер (немесе изоляторлар) болып бірнеше топқа бөлінеді. Идеал изоляторлар табиғатта болмайды. Барлық заттар болмашы аз дәрежеде болса да электр тоғын өткізеді. Мысалы, диэлектриктер тоқта өткізгіштерге қарағанда есе нашар өткізеді.

Өткізгіштерге барлық металдар, сондай-ақ электролиттер және иондалған газдар жатады. Ал слюда, шыны, эбонит, фарфор, та­за су диэлектриктерге жатады.

Енді электр өрісінде өткізгіштер қандай "мінез-құлық" көрсететінін көрейік. Кернеулігі солдан оңға қарай бағытталған біртекті электростатикалық өріске өткізгіш орналасты делік. Электростатикалық индукция аркылы өткізгіш электрленеді:

21-сурет

оның бос зарядтары өткізгіштің бетіне қарай – оң таңбалары өріс бағытымен, ал терістері - өріске қарсы бағыттарда орын ауыстырады. Сонымен, өткізгіштің бір жағында оң зарядтар, ал екінші жағында теріс зарядтар басым келеді. Өткізгіштің қарама-қарсы жағындағы зарядтар - индукцияланған зарядтар деп аталады. Бұл индукцияланған зарядтар туғызатын қосымша өріс Е қос, сыртқы өріске қарай бағытталған. Зарядтардың таралып орналасуы қосымша өpic сыртқы өріспен өткізгіштің ішіндегі барлық нүктелерде теңескенше жүре береді. Олар теңескен кезде өткізгіштің ішінде қосынды өpic нөлге тең:

Дата добавления: 2014-12-16