Реферат электр заряды. Дененің электрленуі. Кулон заңы Орындаған; Қуаныш Ақерке Қабылдаған;Рысмағанбетова С. К
жүктеу/скачать 486.05 Kb.
|
|
Қазақстан Республикасы білім және жоғары білім министрлігі Е.А.Бөкетов атындағы Қарағанды университеті Физика-техникалық факультеті Радиофизика және электроника кафедрасы РЕФЕРАТ Электр заряды. Дененің электрленуі. Кулон заңы Орындаған; Қуаныш Ақерке Қабылдаған;Рысмағанбетова С.К Қарағанды-2023 Жоспар Кіріспе 1.Электр заряды туралы жалпы ұғым. 1.1.Элементарлы электрлік заряды. 1.2.Милликен тәжірибесі. 1.3.Протон және нейтрон құрылымы. 2.Заряд сақталу заңы. 2.1.Дененің электрленуі. 3.Кулон заңы. 4.Электроскоп құрылғысы 5.Қорытынды. 6.Пайдаланылған әдебиеттер тізімі. Кіріспе
Электр заряды-зарядталған бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесуді сипаттайтын физикалық шама. Заряд оң немесе теріс болуы мүмкін және Кулондар деп аталатын бірліктермен өлшенеді. Электр зарядын алудың бір жолы-денелерді электрлендіру. электрлендіру зарядтар дененің бетінде немесе әртүрлі денелер арасында қайта бөлінген кезде пайда болады. Бұл үйкеліс кезінде пайда болуы мүмкін, екі дененің арасындағы үйкеліс электрондардың ағып кетуіне және денелер арасындағы потенциалдар айырмашылығының пайда болуына әкеледі.Зарядталған денелердің өзара әрекеттесуін сипаттайтын негізгі заңдардың бірі - Кулон заңы. Кулон заңы электростатикамен байланысты көптеген құбылыстарды сипаттайды және зарядталған денелердің өзара әрекеттесуін түсінуге негіз болады. Бұл жұмыста біз олардың негізгі қасиеттері мен қолданылуын зерттей отырып, электр зарядын, денелерді электрлендіру процесін және Кулон Заңын толығырақ қарастырамыз. Біз электр зарядының қоршаған ортаға қалай әсер ететінін және оның күнделікті өмірде қалай қолданылатынын зерттейміз. Бұл бізге электр энергиясының маңыздылығын және оның қазіргі технологиялық өркениетке әсерін жақсы түсінуге және бағалауға мүмкіндік береді. 1.Электр заряды туралы ұғым Электр заряды. Электр заряды ұғымы қазіргі ғылымдағы ең іргелі ұғымдардың бірі болып табылады. Сонымен қатар, масса, күш, температура және т.б. сияқты, бұл ұғым ең күрделі және анықтау қиын. Сұраққа жауап беруге тырысайық-электр заряды дегеніміз не? 1666 жылы и. Ньютон Дүниежүзілік тартылыс заңын ашқаннан кейін, гравитациялық күштер астрономиялық объектілердің қатысуымен ғана пайда болатыны белгілі болды. Жердегі қарапайым денелердің гравитациялық өзара әрекеттесуі шамалы. Сонымен қатар, ежелгі уақытта ежелгі гректер электростатикалық тарту мен итеру құбылысын білген. Олар, мысалы, егер сіз кәріптасты жүнмен немесе әйнекпен жібекпен сүртсеңіз, онда екі жағдайда да денелер арасындағы үйкеліс беттерін ажыратқаннан кейін тартылыс күштері пайда болатынын білді.Бұл күштердің пайда болуы өзара әрекеттесетін заттардың ерекше (электрлендірілген) күйінің пайда болуымен байланысты. Бұл күйдің өзі электрлендірілген денелерде пайда болған электр зарядының мөлшерімен сипатталады. Электрлендірілген заттардың көмегімен сіз бір - біріне және басқа заттарға әсер ету қасиетін бере аласыз, яғни. оларды зарядтаңыз. Егер сіз, мысалы, электрлендірілген кәріптаспен ілулі қағаз жапырақшаларына қол тигізсеңіз, онда жеңіл жапырақшалар бір - бірінен алыстайды. Сол сияқты, электрлендірілген шыны таяқшамен тиген жапырақшалар да итеріледі. Бірақ біреуі кәріптаспен, екіншісі шыны таяқшалармен зарядталған жапырақшалар бір-біріне тартылады. 1749 жылы американдық мемлекет қайраткері және ғалым Б. Франклин электр энергиясы өзіндік материалдық зат деген болжам жасады. Франклиннің еңбектерінде алғаш рет терминдер пайда болады: заряд, разряд, оң заряд, теріс заряд, конденсатор, ба - тарея, электр бөлшектері. Ежелгі гректер байқаған тарту немесе итеру табиғатта электр зарядтарының екі түрінің - оң және теріс болуының салдары болып табылады. Сурет-1 Бір түрдегі зарядтар аттас зарядтар итеріледі, ал әр аттас зарядтар тартылады. Зарядтардың қай түрін оң деп санауға болады, ал қайсы теріс заряд деп санауға болады? Франклиннің пайымдауынша, егер зарядталған бөлшектердің бір бөлігі алынып тасталса (грек тілінен "электрон" — кәріптас деп аталады) заттан, содан кейін ол оң зарядталады, өйткені қалыпты жағдайда зат электрлік бейтарап болады. Егер зат қалыпты жағдайда қосымша электрондарды қосса, онда ол теріс зарядқа ие болады. Сондықтан тарихи түрде электронның заряды теріс, ал Протонның заряды оң деп саналады. 1785 жылы Ш. Кулон айналмалы таразылармен әйгілі тәжірибелер жүргізді, оның көмегімен ол зарядталған металл шарлардың өзара әрекеттесуін зерттеді (сурет-1) . Кварц жіптің бұралу бұрышы 1, оған ілулі - бұлан екі шар 2, зарядталған шарлардың өзара әрекеттесу күшіне пропорционал болды. Олар бүкіләлемдік тартылыс заңы сияқты, өзара әрекеттесу күші шарлар арасындағы қашықтықтың квадратына кері пропорционалды түрде азаяды. Осылайша, егер бөлшектер бір - бірімен қашықтықтың ұлғаюымен азаятын күштермен әрекеттессе, бірақ бұл күштер бүкіләлемдік тартылыс күштерінен бірнеше есе көп болса, онда бұл бөлшектердің электр заряды бар деп айтылады. Бөлшектердің өзі зарядталған деп аталады. Бөлшекте зарядтың болмауы оның мұндай өзара әрекеттесулерді анықтамайтынын білдіреді. Зарядталған бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесу электромагниттік өзара әрекеттесу деп аталады. Электр заряды электромагниттік өзара әрекеттесудің қарқындылығын анықтайды, масса гравитациялық өзара әрекеттесудің қарқындылығын анықтайды. 14Бір Б
1.1.Элементарлы электрлік заряды 1801 жылы неміс физигі және химигі И. Риттель электр энергиясының дискретті құрылымы туралы идеяны алға тартты. Бұл идея оның отандасы В.Вебердің еңбектерінде одан әрі дамыды, ол сонымен бірге электр зарядының дискреттілігі туралы гипотеза жасады. Ол өз еңбектерінде (1846) электр атомы ұғымын енгізеді. Электр зарядының дискреттілігін түсіну жолында маңызды кезең электрон бөлшегінің ашылуы 1897 жылы ағылшын физигі Дж. Томсон тәжірибесімен анықталды. Ол катод сәулелерінің бөлек электр және магнит өрістерінің әсерінен ауытқып кеткенін анықтады. Бірқатар өлшеулер жүргізгеннен кейін Томсон бұл сәулелер жарық жылдамдығынан әлдеқайда төмен жылдамдықпен қозғалатын соңғы масса бөлшектерінің ағыны екенін анықтады. Осы көрнекті ашылуы үшін Томсон 1906 жылы физика бойынша Нобель сыйлығымен марапатталды. Электрон бөлшегі ашылғаннан кейін бұл бөлшек бүкіл материалдық әлемнің негізгі құрамдас бөлігі екендігі туралы түсінік пайда болды. Тиісінше, оның қасиеттерін зерттеу туралы мәселе туындады. Физикалық тұрақтылар арқылы көрсетілген қарапайым электр зарядының формула бойынша есептелген мәні қарапайым электр заряды үшін мән береді: e = 4, 80320419(21)*10^10, немесе: е=1, 602176462 (65)*10^-19Кл. Бұл заряд шынымен қарапайым деп саналады, яғни оны бөліктерге бөлуге болмайды, ал кез-келген объектілердің зарядтары оның бүтін еселіктері болып табылады. Элементар бөлшектің электр заряды оның негізгі сипаттамасы болып табылады және анықтамалық жүйені таңдауға тәуелді емес. Элементар электр заряды электронның, Протонның және табиғаттағы ең аз зарядтың материалдық тасымалдаушылары болып табылатын барлық басқа зарядталған элементар бөлшектердің электр зарядының шамасына дәл тең. Оң және теріс элементар электр заряды бар, элементар бөлшек пен оның антибөлшегі қарама-қарсы белгілердің зарядтарына ие. Элементар теріс зарядтың тасымалдаушысы электрон болып табылады, оның массасы me= 9, 11.10-31кг. элементар оң зарядтың тасымалдаушысы массасы mp = 1, 67.10-27кг болатын протон болып табылады. Электр зарядының табиғатта тек элементар зарядтардың бүтін саны түрінде болатындығы электр зарядын кванттау деп аталуы мүмкін. Зарядталған элементар бөлшектердің барлығы дерлік e- немесе e + зарядына ие (ерекшелік — заряды е еселігі бар кейбір резонанстар); бөлшек электр зарядтары бар бөлшектер байқалмады, бірақ қазіргі күшті өзара әрекеттесу теориясында — кванттық хромодинамикада — 1/3e еселіктері бар бөлшектердің —еселенген болуы болжанады. Элементар электр зарядын жою мүмкін емес; бұл факт микроскопиялық деңгейде электр зарядының сақталу заңының мазмұнын құрайды. Электр зарядтары жоғалып, қайта пайда болуы мүмкін. Дегенмен, қарама-қарсы белгілердің екі элементар заряды әрқашан пайда болады немесе жоғалады. Элементар электр зарядының шамасы электромагниттік өзара әрекеттесу константасы болып табылады және микроскопиялық электродинамиканың барлық теңдеулеріне кіреді. 1.2.Милликен тәжірибесі Милликен Тәжірибесі. 1913 жылы американдық физик Р. Милликен электронның зарядын өлшеді. Ол конденсатордың электр өрісіндегі зарядталған май тамшыларының әрекетін зерттеді.
Сурет-2 оны орнату схемасы көрсетілген. Бүріккіш пистолетпен бүрку кезінде (үйкеліс сияқты) май тамшылары зарядталды. Бұл тамшылар тесік арқылы жалпақ конденсатор тақтайшалары арасындағы кеңістікке өтті. Оның тақтайшаларына қуатты батареядан тұрақты кернеу берілді. Тамшылар май молекулаларын иондау үшін рентген сәулелерімен сәулеленуі мүмкін, яғни тамшы зарядының қосымша жоғарылауы. Ашық кілттегі тамшылардың түсу жылдамдығын көру түтігімен өлшеу арқылы,ол олардың мөлшері мен массасын анықтады. Содан кейін ауырлық күшін теңестіруге және тамшылардың бір бөлігін тоқтата тұруға мүмкіндік беретін электр өрісі қосылды. Тепе-теңдік жағдайынан тамшының заряды есептелді. Осы уақытты қажет ететін тәжірибені бес жыл бойы бірнеше рет қайталай отырып, Милликен тамшылардың зарядтары бірдей шаманың еселігі екенін анықтады . Титаникалық жұмыс үшін сыйлық 1923 жылғы физика бойынша Нобелль сыйлығын алды. Қазіргі мәліметтерге сәйкес, электронның заряды бөлінбейді және е꞊1,602176565(35)*10^-19 Кл құрайды.
1.3.Протон және нейтрон құрылымы Келесі маңызды кезең-Британдық физик Э. Резерфордтың 1919 жылы азот атомдарын жоғары энергиялы альфа бөлшектерімен бомбалауды зерттеу кезінде Протонды ашуы.Резерфорд азот атомының ядросы жылдам альфа бөлшегімен соқтығысқан кезде пайда болатын үлкен күштердің әсерінен ыдырайды деген қорытындыға келді.
Нейтрон бұл заряды жоқ элементар бөлшек. Осы бөлшектің массасы 1838 есе рет электроннан ауыр. Осы бөлшек протонмен бірге атом ядросында орналасады, әрі атом ядросының негізгі бөлігін құрайды. Еркін күйдегі Нейтрон – орнықсыз бөлшек, оның орташа өмір сүру уақыты 15,3 мин. Протондар мен нейтрондардан барлық атом ядролары құралады. Нейтронды ағылшын физигі Дж.Чедвик ашты (1932). Негізгі сипаттамалары: массасы ꞊1,67410^-24кг, ꞊1840 (me – электрон массасы); Q=0; бариондық заряды В=+1; лептондық заряды L=0; ғажайыптылығы S=0, әрі оның ішкі жұптылығы оң болады. Нейтрон ядролық энергетикада, трансурандық элементтер мен изотоптар өндірісінде, сондай-ақ, химиялық талдауда және геологиялық барлауда пайдаланылады. 2.Заряд сақталу заңы Зарядты сақтау. Бұл жабық (электрлік оқшауланған) жүйенің электр зарядтарының алгебралық қосындысы өзгеріссіз қалатын табиғаттың негізгі заңдарының бірі. Денелерді электрлендіру кезінде кеңістіктегі зарядтардың қайта бөлінуі ғана жүреді, бірақ толық заряд өзгермейді. Бөлшектер физикасында кейбір бөлшектер жоғалады, ал басқалары туады, бірақ толық заряд әлі де өзгермейді. Жоғарыда айтылғандардың ең айқын дәлелі-бұл кері жойылу бөлшек–антибөлшек жұптары пайда болатын процесс (нақты немесе іс жүзінде). Әрқайсысының массасы бар жұп бөлшектердің пайда болуы үшін 2 -ге тең немесе одан жоғары энергия жұмсау керек. Электрон мен позитрон тректерін бөлу үшін магнит өрісіне орналастырылған Уилсон камерасында электрон-позитрон жұптарының гамма-кванттармен туылуын алғаш рет әйгілі ерлі-зайыптылар байқады Айрин және Фредерик Джолио Кюри 1933 жылы (химия бойынша Нобель сыйлығы, 1935) және П. Блэккет1948 жылы физика бойынша Нобель сыйлығын жеңіп алды. Жұптың пайда болуы үшін Импульстің сақталу заңын орындау қажет екенін ескеру маңызды. Жұптың жалпы импульсі нөлге тең және гамма-кванттық импульс нөлден өзгеше болғандықтан, жұптың түзілу процестеріне Уилсон камерасындағы ядролардың электромагниттік өрісі де қатысады, ол да импульске ие. 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 ғасырда 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. Электр зарядының сақталу заңын мына тепе-теңдікпен бейнелеуге болады: q1 + q2 + ... + qn = const, мұндағы q1, q2, ... qn бұл зарядтар. Яғни зарядтардың қосындысы тұйық жүйеде тұрақты болады. 2.1.Дененің электрленуі Көптеген электростатикалық құбылыстарды көрсету үшін денелер үйкеліс арқылы электрлендіріледі. Денелерді электрлендіру кезінде олардың арасындағы тығыз байланыс маңызды, оған үйкеліс арқылы қол жеткізіледі. Денелердің беттері ешқашан мінсіз тегіс болмағандықтан, денелер арасындағы байланыс тек беттердің кішкене бөліктерінде орнатылады. Денелер бір-біріне үйкеліс кезінде тығыз байланысқан аймақтардың саны артады және сол арқылы бір денеден екінші денеге өтетін зарядталған бөлшектердің жалпы саны артады.
Өткізгіштерді сұйылту кезінде сіз бүкіл беткей бойымен контактіні бір уақытта үзе алмайсыз: байланыс аймағын тек тез азайтуға болады. Бұл "контактілі конденсатор" пластиналарының ауданы азайып бара жатқанын білдіреді. Беткей бойымен еркін қозғала алатын электрондар шығудың аз жұмысымен металға қайта оралады және конденсатордың заряды азаяды. Байланыс аймағы нөлге дейін азайған кезде металдар зарядталмайды. Металл диэлектрикпен жанасқанда және кейіннен оларды ажыратқанда денелер зарядталады. Егер, мысалы, оқшауланған тіреуіште орналасқан металл штанганы жүнмен ұрып тастаса, онда штанга оң зарядқа ие болады. Бұл электрондардың диэлектрик (мех) атомдарымен байланысы металл атомдарына қарағанда күшті болғандықтан пайда болады. Нәтижесінде электрондар металдан шығып, диэлектрикпен ұсталады. Әр түрлі диэлек-триктердің тығыз байланысында электрлендіру одан да айқын көрінеді. Электрондардың екі заттың атомдарымен байланысы неғұрлым күшті болса және байланыс аймағы неғұрлым үлкен болса, диэлектриктер соғұрлым күшті электрленеді. Бұл құбылыстар ежелгі дәуірде табылған. Ежелгі грек ғалымдары кәріптас (жүздеген мың жыл бұрын жерде өскен қылқан жапырақты ағаштардың Тасқа айналған шайыры) жүнімен ысқылағанда әр түрлі денелерді өзіне тарта бастайтынын байқаған. Грек тілінде кәріптас-электрон, сондықтан "электр"атауы пайда болды. Үйкелістен кейін басқа денелерді өзіне тартатын Дене туралы олар оның электрленгенін немесе оған электр заряды берілгенін айтады. Әр түрлі заттардан жасалған денелер электрлене алады. Жүнге резеңке, күкірт, эбонит, пластмасса, нейлоннан жасалған таяқшаларды сүрту арқылы электрлендіру оңай. Электрлендіруге әрқашан екі дене қатысады: жоғарыда қарастырылған тәжірибелерде шыны таяқша қағаз парағымен, кәріптас бөлігі жүнмен немесе жүнмен, плексигласс таяқшасы жібекпен байланыста болды. Бұл жағдайда екі дене де электрленеді. Мысалы, шыны таяқша мен резеңке бір-біріне тиген кезде әйнек те, резеңке де электрленеді. Резеңке, әйнек сияқты, өкпені өзіне қарай тарта бастайды. Электр зарядын бір денеден екіншісіне беруге болады. Мұны істеу үшін электрлендірілген денені басқа денеге тигізу керек, содан кейін электр зарядының бір бөлігі оған өтеді. Екінші дененің де электрленгеніне көз жеткізу үшін оған кішкене қағаздарды әкеліп, олардың тартылатындығын білу керек. 4.Кулон заңы Электростатиканың негізгі мақсаты – кеңістіктегі зарядтар жүйесінің таралып орналасу заңдылықтарын біле отырып, олардың электр өрісін анықтау.
мұндағы 𝑞1, 𝑞2 – зарядтардың шамасын және таңбасын көрсететін скалярлар, 𝑟21 − 𝑞1 зарядынан 𝑞2 зарядына қарай бағытталған вектор, 𝐹⃗ 2 − 𝑞2 зарядына әсер ететін күш, |𝑟⃗21| = 𝑟. Тәжірибе жүзінде тыныштықтағы екі нүктелік зарядтардың арасындағы әсерлесу күшінің шамасы зарядтар орналасқан ортаның қасиетіне тәуелді екендігі дәлелденді. Ал (1)- теңдігіндегі 𝑘1 коэффиценті ортаның қасиетіне байланысты. Екінші жағынан кез-келген физикалық заңдылықтардағы коэффиценттер сияқты 𝑘1 коэффиценті де заңға кіретін шамалардың өлшем бірліктеріне тәуелді болады. 5.Электроскоп құрылғысы Электроскоп. Кез-келген заттың электр зарядын анықтау үшін электроскоп қолданылады (грек тілінен. "skopeo" - қарау). Электроскоп физикалық құрал ретінде электр энергиясын зерттеудің алғашқы кезеңдерінде маңызды рөл атқарды. Сурет-3 Алғашқы электроскопты итальяндық физик А.Вольта ойлап тапты. Оның құрылғысы шыны бөтелкені жабатын резеңке тығын арқылы өтетін металл штангадан тұрды. Металл штанганың жоғарғы ұшы металл доппен аяқталды, ал бөтелкенің ішіндегі төменгі ұшына 2 сабан ілінді. Қазіргі электроскоп металл электрод өзегінен және оған ілінген екі фольга парағынан тұрады. (сурет.3). Заттардағы әлсіз зарядтарды анықтау үшін кейде жұқа алтын жапырақтар электродқа ілінеді. Зарядталған затпен электродқа тиген кезде заттан зарядтар электрод арқылы фольга парақшаларына ағып кетеді, парақшалар аттас зарядталған, сондықтан бір-бірін итереді. Электроскопқа өткен заряд неғұрлым көп болса, парақшалардың итеру күші соғұрлым көп болады және сәйкесінше олардың арасындағы бұрыш. Егер қарама-қарсы белгінің заряды бар дене зарядталған электроскопқа әкелінсе, онда оның парақшалары арасындағы бұрыш азая бастайды. Сондықтан электроскоп электрлендірілген дененің заряд белгісін ажыратуға мүмкіндік береді. Фольга жапырақтары ауа қозғалысынан ауытқымауы үшін оларды әдетте шыны ыдысқа салады. Бұл жағдайда фольгадан зарядтың тез ағып кетуіне жол бермеу үшін ыдыстан ауа шығарылуы мүмкін. Қорытынды Бұл зерттеуде біз электр зарядының, денелерді электрлендіру процесінің және Кулон Заңының негізгі аспектілерін қарастырдық. Электр заряды-зарядталған бөлшектердің өзара әрекеттесуін анықтайтын негізгі физикалық шама. Ол оң немесе теріс болуы мүмкін және кулондармен өлшенеді.
Пайдаланылған әдебиеттер Алешкевич В.А. Электромагнетизм. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. — 404 с. —ISBN978-5-9221-1555-1. Электричество и магнетизм: Учеб. пособис. - М.: Высш. школа, 1983.-463с.,ил. Савельев И.И. Жалпы физика курсы. -Алматы: Мектеп. 1 том. 2012. - 508 б. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. М.: Высшая школа, 2011. - 231 с. жүктеу/скачать 486.05 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|