Электр өрісі және электр өрісі кернеулігі

Бұл жұмыста электр өрісі мен электр өрісінің кернеулігі зерттеліп, электр өріс күші мен кернеулігі және осы физикалық шамалар арасындағы байланыстар анықталды.

  • Электр өрісі.

Электр зарядтарының бір-бірімен әсерлесуін зерттеуде оларға әсер етуші күштер неге пайда болатыны және ол күштер бір зарядтан екінші зарядқа қалай берілетіні туралы сұрақтар туады. Тыныштықта тұрған зарядтар арасында пайда болатын бұл әсер электр өрісі арқылы атқарылады. Кеңістіктің қайсыбір жерінде электр заряды пайда болса, оның маңында электр өрісі пайда болады. Электр өрісінің басты қасиеті ретінде – осы өріске орналастырылған басқа зарядқа күштің әсер етуі болып табылады [1-3]. Электр өрісінің не екенін білу үшін ең әуелі күштің қалай тасымалданатынын түсінуге тура келеді. Бір дененің екінші денеге әсер күші тек екі түрлі тәсілмен тасымалданады. Оның біреуі – екі дененің тікелей өзара жанасуы арқылы тасымалданса, енді біреуі – екі дененің арасындағы орта арқылы тасымалданады. Темір балғамен металды соққан кезде олардың тікелей өзара соқтығысуы арқылы күш балғадан металл денеге беріледі де, соның нәтижесінде дене деформацияланады. Адамдар екі топқа бөлініп арқан тартқан кезде әр топ өздерінің күшін арасындағы арқан арқылы қарсы жаққа тасымалдайды. Бұл жерде арқан олардың арасындағы күшті тасымалдайтын орта болып саналады. Жоғарыдағы мысалдардан күшті тасымалдау амалын оңай білуге болады. Бірақ, кейбір күштердің тасымалдау амалы көзге көрінерлік болмайтындықтан оны түсіну біраз қиындау болады. Мысалы, кеңістікте тұрған ауыр денені басқа дене сүйеп тұрмаған болса, Жер Шарының тартылыс күші әсерінен жерге құлап түсер еді. Алайда, Жер мен ауыр дене өзара жанасып тұрған жоқ, және олар арасында күшті тасымалдайтын жоғарыдағы арқан сияқты дене де жоқ. Ендеше, Жердің тартылыс күші әсері қалай ауыр денеге тасымалданады? Бұл сұраққа былай деп анық жауап беруге болар еді: Жердің тартылыс күші олардың арасындағы тартылыс күш өрісі (тасымалдаушы орта) арқылы ауыр денеге беріледі. Жер Шары өзінің маңындағы кеңістікте тартылыс күш өрісін тудырады. Сондықтан осы тартылыс күш өрісінде тұрған барлық денелер тартылыс күш өрісі тасымалдаған жердің тартылыс күшінің әсеріне ұшырайды. Осы заман физикасы тартылыс күш өрісінің бір түрлі “материя” екендігін, материя болғанда әдеттегідей атом, молекулалардан құралатын жай ғана материя емес, “ерекше материя” екендігін анықтады. Ол әдеттегі материяларда болатын энергия, масса және импульс сияқты негізгі қасиеттерге ие.

Электр өрісі дегеніміз не? Заряд маңындағы кеңістікте біртүрлі “ерекше материя” бар болып, ол арқылы зарядтар арасындағы өзара әсер күші тасымалданады. Бұл “ерекше материя” дегеніміз дәл электр өрісі болып табылады. Дене зарядталған кезде оның маңындағы кеңістікте электр өрісін тудырады. Басқаша айтқанда, заряд немесе зарядталған дене үнемі өзі тудырған электр өрісінің қоршауында болады. Электр өрісінің бір маңызды қасиеті сол өрісте тұрған кез келген зарядтарға күш әсерін береді. Бұл күшті біз электр өріс күші деп атаймыз. Мысал үшін q1 заряды екінші бір q2 зарядтың маңында, басқаша айтқанда, q2 зарядының электр өрісінде тұрсын делік. q1 зарядқа берілетін әсер күші дегеніміз дәл q2 зарядтың электр өрісінің әсер күші болып табылады. Осыған ұқсас, q2 заряды q1 зарядының маңында, яғни, q1 зарядының электр өрісінде орналасқанда, q2 зарядының ұшыраған әсер күші дәл q1 зарядының электр өрісінің әсер күші болып табылады. q1 заряд тудырған электр өрісі бойынша айтқанда, q1 заряды электр өрісін тудырушы заряд болса, ал q2 зарядының тудырған электр өрісі бойынша айтсақ, q2 заряд электр өрісін тудырушы заряд болып табылады. Электр өрісі де Жер Шарының тартылыс күш өрісі сияқты масса, энергия, импульс сияқты әдеттегі материялық денелерде болатын негізгі қасиеттерге ие болады.

  • Электр өрісінің кернеулігі

Электр өрісінің кернеулігі кеңістіктегі кез келген нүктенің электр өрісінің күйін сипаттау үшін енгізілген физикалық шама болып, электр өрісінің күштік қасиетін береді.

Кеңістіктің белгілі бір нүктесіне бір сынақ зарядын енгізіп, оған әсер ететін өріс күшінің бар-жоқтығын білу арқылы сол орында электр өрісінің бар-жоқтығын анықтай аламыз. Сондай-ақ, өрістің зарядқа берген электр өріс күшінің шамасы және бағытын анықтау арқылы осы нүктедегі электр өрісінің жағдайын да білуге болады. Кеңістіктің белгілі бір нүктесіндегі электр өрісінің

күйін анықтау үшін әдетте заряды өте аз болатын нүктелік зарядты сынақ заряды ретінде электр өрісіне енгіземіз. Тәжірибелердің нәтижесінен сынақ заряд q0-ге әсер ететін электр өріс күшінің шамасы мен бағыты q0 зарядының шамасы мен таңбасына тәуелді болатындығы дәлелденді. Электр өріс күшінің шамасы сынақ зарядының шамасына тура пропорционал, ал бағыты сынақ зарядының таңбасына байланысты өзгеріп отырады. Сондай-ақ, электр өріс күші мен сынақ зарядының қатынасының F/q0 шамасы және бағыты сынақ зарядына тәуелді болмай, тек сынақ заряды орналасқан нүктедегі электр өрісінің күйіне ғана тәуелді болады. Сондықтан біз осы қатынас арқылы электр өрісінің күйін сипаттаймыз және оны элекр өрісінің кернеулігі деп атаймыз. Әдетте ол мен белгіленеді

F

E  . (1)

q0

Бұл өрнектен көретініміз: электр өрісінің кез келген нүктесіндегі электр өріс кернеулігінің шамасы осы өріске енгізілген сынақ заряд ұшыраған электр өріс күші мен сынақ зарядының қатынасына тең болады. Электр өрісінің кернеулігі электр өріс күші сияқты вектор болғандықтан, тек шамасына ғана емес, бағытына да көңіл бөлуге тура келеді. Оң нүктелік заряд белгілі бір электр өрісінде тебілу күшінің әсеріне ұшырайтын болса, онда ол электр өрісі сөзсіз оң зарядтан пайда болады. Электр өріс кернеулігінің бағыты өрісті тудырған оң зарядтан басталып сыртқа қарай бағытталады. Ал енді оң заряд белгілі бір электр өрісінде тартылыс күштің әсеріне ұшыраса, онда электр өрісін тудырушы заряд сөзсіз теріс заряд болады. Бұл кезде электр өріс кернеулігінің бағыты өрісті тудырушы теріс зарядқа қарай бағытталған болады. Әдеттегі жағдайда электр өрісінің әрбір нүктесіндегі электр өріс кернеулігінің шамасы мен бағыты бірдей болмауы мүмкін. Ал кейбір ерекше жағдайда, электр өрісінің белгілі бір аумағы ішіндегі кез келген нүктелердегі электр өріс кернеулігінің шамасы мен бағыты да бірдей болуы мүмкін. Мұндай электр өрісі біртекті электр өрісі деп аталады. Мысалы, аудандары өте үлкен бір-біріне өте жақын орналасқан екі жазық металл пластинка зарядтары бірдей әр аттас зарядтармен зарядталған болса, онда олардың арасындағы электр өрісі біртекті өріс болып саналады. Электр өріс кернеулігінің өлшем бірлігіне Н/Кл, не тарихи орын алған В/м қолданылады. Егер де кейбір нүктеде өріс кернеулігі белгілі болса, онда осы нүктеге орналастырылған электр зарядына әсер етуші күшті анықтауға болады:

 

 q E .

(2)

  1. Электр өрісі мен электр өріс кернеулігі арасындағы айырмашылықтар.

Электр өрісі мен электр өрісінің кернеулігін зерттеген кезде төмендегі түсініктер бойынша қателеспеуге көңіл бөлгеніміз жөн [4,5].

Электр өрісінің кернеулігі электр өрісінің тек өзіне ғана тән қасиеті болып, q0 сынақ зарядын электр өрісіне енгізумен еш байланысы жоқ.

Электр өрісі кернеулігінің анықтамасын енгізген кезде q0 сынақ заряды мен ол ұшыраған электр өріс күші F-ті қолдандық. Осы екі шама арқылы электр өріс кернеулігінің анықтамасын (1)- ші өрнекте көрсетілгендей етіп бердік. Осы өрнек бойынша студенттер арасында “электр өрісінің кернеулігі сынақ заряд ұшыраған электр өріс күшіне тура пропорционал, ал сынақ зарядының шамасына кері пропорционал болады” деп айтқандары да жоқ емес. Әрине, бұл мүлде қате түсінік. Жоғарыдағы (1)-ші өрнекте пішіні жағынан q0 сынақ заряды қамтылғанымен, бірақ F/q0 қатынасының шамасы шындығында q0 сынақ зарядына байланысты емес. Ол тек электр өрісін тудырушы зарядпен және оған байланысты салыстырмалы орнымен анықталады.

Электр өрісінің кернеулігі мен электр өріс күші бір-біріне байланысты және бір-бірінен айырмашылығы бар екі түрлі физикалық үғым болып табылады. Олар бір-бірімен тығыз байланысты болғандықтан, әдетте бұл екі ұғымды бірдей деп қарайтындар да жоқ емес. Электр өрісінің кернеулігі электр өріс күшінің себебінен заряд күштің әсеріне ұшырауы негізінде енгізілді және ол электр өрісінің күштік қасиетін сипаттайды. Сондай-ақ, электр өрісінің кернеулігі сынақ зарядын электр өрісіне енгізу арқылы ол ұшыраған электр өріс күшінің шамасы мен бағыты арқылы анықталады. Электр өрісінің кернеулігі электр өрісінің өзіне ғана тән қасиет болғандықтан электр өрісін тудырушы зарядқа және онымен байланысты салыстырмалы орнына тәуелді болып, электр өрісіне енгізілген сынақ зарядымен еш байланысы жоқ. Ал электр өріс күші электр өрісін тудырушы зарядының қасиетіне және онымен байланысты салыстырмалы орнына байланысты ғана болып қалмастан, электр өрісіне енгізілген зарядтың қасиетіне де байланысты болады.

Берілген электр өрісі туралы айтқанда, зарядының шамалары бірдей емес және зарядының таңбасы да әртүрлі екі зарядты электр өрісінің белгілі бір нүктесіне орналастыратын болсақ, ол екі зарядтың ұшыраған электр өріс күштері бірдей болмайды. Бірақ бұл нүктедегі электр өрісінің кернеулігі екі заряд үшін де бірдей, тұрақты болып қала береді.

Электр өрісінің кернеулігі электр өрісінің күштік сипатын беретіндігін жоғарыда баяндадық. Сондықтан электр өрісінің кернеулігі де күш сияқты вектор болады, сол себепті оның тек шамасы ғана емес, бағытын да ескеруге тура келеді. Егер кеңістіктегі белгілі бір аумақта бірнеше электр заряды бар болатын болса, онда олардың маңындағы кез келген нүктедегі электр өрісінің кернеулігі әр зарядтан осы нүктеде пайда болған электр өрісі кернеулігінің векторлық қосындысына тең болады. Әдетте әрбір зарядтың кеңістіктегі белгілі бір нүктеде пайда болған электр өрісі кернеулігінің векторлық қосындысы олардың алгебралық қосындысына тең болмайтынын ескерген жөн.

ӘДЕБИЕТТЕР

  1. С.Г. Калашников. Электричество. −М.: Гос. Издательство технико-теоретической литературы, 1956.
  2. Т.И.Трофимова. Курс физики − М. : Высшая школа, 2008.
  3. И. В. Савельев. Жалпы физика курсы, І том. −Алматы: Мектеп, 1977.
  4. Б. Дуаметұлы. Жалпы физика курсының негізгі бақылау сұрақтары мен жауаптары. Әдістемелік нұсқау. −Алматы: ҚазҰТУ, 2009.
  5. Е. Бектұрғанов, М. Қалымбетова, Б. Дуаметұлы. Студенттің пәндік оқу әдістемелік кешені.−Алматы: ҚазҰТУ, 2005.

 

Жыл: 2011
Қала: Алматы