Тақырып №11. Электр заряды. Электр зарядының сақталу заңы.

Электростатикалық өріс. Кернеулік.

6.2 Сабақ міндеті:

1. Электр заряды және электростатикалық өріс туралы мағлұматтар беру.

2. Білімгерлердің білімдерін арттыру, тереңдету.

3. Білімгерлерді ұқыптылыққа үйрету

Дәріс тезисі

Электрлік өзара әрекет.Электр заряды.Электр зарядының сақталу заңы

І. Электрлік өзара әрекет электрленген денелердің арасында болады.Жүнге үйкелген янтарь таяқшасы жеңіл заттарды тарту қабілетіне ие болатынын сендер білесіңдер.Мұндай қасиет басқа денелерде де бар.

Бұл өте жақсы изолятор болып саналатын заттарда да байқалады.Мысалы, егер сен пластмассадан жасалған тарақты немесе қаламсапты құрғақ шашқа үйкесең,онда олар ұсақ қағаз қиқымдарын тартады.Ал егер үрленген шарды нейлон материалына үйкесең, онда ол қабырғаға немесе төбеге жабысып қалады.Нейлоннан жасалған киімді шешкенде,тысырды естисің және қараңғы бөлмеде ұшқынды көресің.Осындай құбылыстардың барлығы да дененің электрлену белгісін көрсетеді.Әдетте,мұндай денелер электрлік бейтарап болып саналады.

Теріс зарядтарды таситын электондар атоммен мықты байланыспаған, сондықтан олар денені жеңіл тастап кете алады.Бұл жағдайда денелердегі теріс және оң зарядтардың арасындағы теңдік бұзылады да,олардың бірі оң,екіншісі теріс зарядталады.Үйкеліс процесінде электрондар бір денеден екінші денеге өтеді.Ал электрондар өткен цолиэтиленді тақташа,керісінше, теріс зарядталады.Егер тақташаны Жермен қоссақ,оның артық электрондарды Жерге кетеді де,ол да бейтарап күйге келеді.Полиэтиленді тақташаны ацетаттан жасалған тақташамен алмастырып, оны матамен үйкесек, керісінше тақташа оң,ал мата теріс зарядталады.

ІІ. Денеде электр зарядының бар болуы электрометр деп аталатын арнайы аспаппен анықталады.Зарядталған күйде электрометрдің тілі вертикаль орналасады.Егер зарядталған денемен электрометр таяқшасы жанасатын болса, онда оған және электрометр тіліне зарядтың белгілі бір бөлігі өтеді де,тіл ауытқиды.Мұндай ауытқу электрометр оң және теріс зарядталғанда да байқалады.Электрометр көмегімен дененің электрлену дәрежесін,яғни заряд мөлшерін анықтауға болады.Ол үшін электрометрді электр зарядының нақты мәнін көрсететіндей етіп градуирлеу керек.

Электрометрдің жұмыс істеу принципі зарядтартардың электірлік өзара негізделген.Тәжірибелердің негізінде аттас зарядтардың бірін-бірі тебетіні,ал әр аттас зарядтардың бірін-бірі тартатыны тағайындалған.

III. Денелердің немесе бөлшектердің электрлік өзара әрекеттесуін сипаттайтын физикалық шама электр заряды деп аталады.Жүргізілген тәжірибелер негізінде көптеген өлшеулер мен эксперименттік мәліметтерді отырып,электр зарядтарының іргелі қасиеттері тағайындалды.

1.Объективті түрде зарядтың екі түрі бар:оң және теріс. Аттас зарядтар тебіледі,әр аттас зарядтар тартылады.

Теріге үйкелген, шыныда пайда болатын электр зарядың оң;жүнге үйкелген янтарьда пайда болатын электр зарядын теріс деп атау қабылданған.

2.Электр заряды инвариантты (оның шамасы санақ жүйесіне тәуелді емес,яғни ол жүйе қозғалыста немесе тыныштықта ма,одан тәуелсіз болады)

3.Электр заряды үзікті, яғни кез келген дененің заряды электрон зарядын бүтін санға еселегенге тең:

q= Ne

мұндағы N=1,2,3,....,n= бүтін сан, е= 1.6 10 Кл – бөлінбейтін ең кіші элементар заряд. Элементар заряды тасушылар қатарында теріс зарядталған электронмен қатар оң зарядталған протон және басқа элементар бөлшектер бар.

4.Электр заряды аддитивті (денелердің кез келген жүйесінің заряды жүйеге кіретін денелердің зарядтарының қосындысына тең).

IV. Электр заряды зарятың сақталу заңына бағынады.Бұл заң былайша айтылады:тұйық жүйеде барлық бөлшектер зарядтарының алгебралық қосындысы өзгермейді:

q + q + q +... + q = const,

мұндағы q ,q ,q ,..., q - денелердің оң немесе теріс зарядтары.

Тұйық жүйе деп сыртқы денелермен заряд алмаспайтын жүйені айтады.

Қозғалмайтын электр зарядтарының өзара әрекетін зерттейтін электродинамика бөлімі электростатика деп аталады. Электростатиканың негізгі заңы Кулон заңы болып табылады.

І. Ерте дүниеде және орта ғасырларда янтарьдың үйкеліс кезінде өзіне басқа заттарды тартатын жұмбақ сырын түсіндіруге талпыныс жасалынды,бірақ олар дерексіз сипатта болды да,оң нәтиже бермеді.Электрлік құбылыстарды тек эксперименттік зерттеу басталғанда ғана нақты түсіндірудің мүмкіндігі пайда болды.

1600 жылы ағылшын ғалымы У.Гильберт тәжірибе арқылы тек янтарь ғана емес, алмас, шыны,күкірт,сүргіш,ас тұзы және басқа да бірқатар заттар үйкеліс процесінде жеңіл заттарды өзіне тарту қасиеттеріне ие болатының,яғни электрленетінің тағайындады.

1672 жылы неміс ғалымы О.фон Герикенің кітабы шықты.Ол онда электр машинасымен жүргізілген тәжірибені сипаттады.Бұл машина айналатын темір оське орнатылған күкірттен жасалған шардан тұрады.Айналатын шарды құрғақ алақанмен сүрте отырып,электрлік эффектілерді күшейту болады.Герике жеке жағдайларда жеңіл денелер электрленген шарға тартылып қана қоймай,одан тебілетінін де байқады.

1729 жылы ағылшын ғалымы С.Грей электр бір денеден екінші денеге металл өткізгіш арқылы берілетінің,ал жібек жіп арқылы берілмейтінін анықтады.Ол барлық заттарды электр өткізгіш электр өткізбейтін деп бөлді.Төрт жылдан кейін француз ғалымы Ш.Дюфе электрдің екі тегінің бар екенің тағайындады.

ІІ. 1745-1746 жылдары неміс физигі Э.Г.Клейст пен голланд физигі П.ван Мушенбрук бір мезгілде алғашқы конденсаторды: лейден банкасын ойлап тапты.

Мушенбрук француз ғалымы Р.А.Реомюрге жазған хатында өз тәжірибесін былайша сипаттады: Сізге жаңа,бірақ тым қауіпті тәжірибені хабарламақпын,бірақ қайталауға кеңес бермеймін.Мен электр күшін зерттеумен айналыстым.Ол үшін екі көгілдір жібек жіпке осьтен тез айналатын және қолмен үйкелісетін шыны шардан электрленетін темір дінің асып қойдым.Екінші жағында мыс сымы ілінген;оның оң қолмен ұстап тұрған жартылай сумен толтврвлған дөңгелек шыны ыдысқа батырылған.Мен сол қолмен темір діңнен ұшқын алуға әрекет жасадым.Кенет менің оң қолым ғаламат күшпен соққы алды,найзағай соққандай барлық денем дірілдеп кетті.

Ыдыс,жұқа шыныдан жасалса да,сынбадай соққы әсерінен қолымның білезігі ығыспады,дегенмен шынтағым және барлық денем сөзбен жеткізе алмайтын зардап шекті.Мен:Өмірім біткен шығар, - деп ойладым.

Тез жетілдірілген конденсаторды ойлап табу электрді одан әрі зерттеуге және электр зарядтарын жинақтауға мүмкіндік берді.Американ ғалымы В.Франклин электр разряды кезінде салыстырмалы үлкен ұшқынды бақылай отырып,найзағайдың электрлік табиғаты туралы болжам жасады.Атмосферадағы электрді зерттеумен ұлы орыс ғалымы М.В.Ломоносов және Петербург академигі Г.Рихман айналысты.Олар электр зарядының күшін өлшеуге арналған алғашқы аспапты құрастырды.

1753 жылытәжірибе жүргізіліп жатқан Рихман найзағайдың разрядынан қаза болды.Рихманның аспабы жоғарғы ұшына зығыр жіп бекітілген,металл шыбықтардан тұрды.Жіп электрленгенде біршама бұрышқы ауытқиды.Электрлену шамасы шкала бойынша есептелінеді.Бұл аспап – алғашқы электрометр.Франклин,Ломоносов,Рихман және бірқатар басқа ғалымдардың жұмыстарының нәтижесінде найзағайдың электрлік табиғаты ашылып, найзағай тартқыш ойлап табылды.

ІІІ. 1785 жылы Кулон заңы ашылды.Кулон заңы Ньютонның Бүкіләлемдік тартылыс заның еске түсірді.Бұл электростатика есептерін шешуге сол уақытты механикада әзірленген көптеген әдістерді қолдануға мүмкіндік берді және ХVIII мен XІХ ғасырдың бірінші жартысында ғалымдардың көпшілігінің электр құбылыстарын түсіндіруде алыстан әрекеттесу теориясын ұстану себептерінің бірі болды.Ол уақытты табиғаты белгісіз электр зарядтарының өзара әрекеті бос кеңістік арқылы жүзеге асады деп есептеленді.Егер зарядтардың бірі өз орнын өзгертсе,онда Кулон заңына сәйкес басқа зарядқа әрекет ететін күш өзгереді.

Ұлы ағылшын физигі М.Фарадей зарядталған денелердің өзара әрекеті туралы басқаша көзқараста болды.Ғалым көзқарасы оның ғылымға келу ерекшелігімен де байланысты еді.Фарадей тек астауыш білімі бар,13 жастан еңбекке араласқан темір ұстасының баласы.Түптеуші жұмысын атқара жүріп,бала кітап оқуды ұнатты,әсіресе жаратылыстану ғылымдарына,оның ішінде физика мен химия ерекше назар аударды.Ол көрнекті ғалымдардың дәрістеріне қатысып,үй жағдайында физика мен химиядан тәжірибелер жүргізді.Ал 21 жасында ағылшын физигі және яимигі Г.Дэвидің зертханасында көмкші болып жұмыс істеді.4 жылдан кейін өз бетімен ғылыми зерттеулер жүргізі бастады.Ол ғалымдар ортасында үстемдік алған алыстан әректтесу теориясын қабылдамады.Зарядталған денелердің өзара әрекетіне оның көзқарасының мәнісін қазіргі ғылыми тілде былайша тұжырымдауға болады..Қоршаған ортада әрбір электр зарядымен электр өрісі байланысты;заряд орнының өзгеруі осы өрісте соңғы жылдамдықпен тарайтын ұйытқу туғызады;ұйытқы басқа зарядқа жеткен кезде, ол өзара әрекеттесу күшінің өзгергенін сезеді.Жаңа түсінікті тым көрнекті етуге тырыса отырып, Фарадей күш сызықтары ұғымын енгізді.

М.Фарадей әзірленген электрді зерттеу тәсілінің маңыздылығы бірден қолдау таппады,біз бұл мәселеге магниттік құбылыстарды қарастырған кезде қайта ораламыз.