ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ ҚАРАҒАНДЫ МЕМЛЕКЕТТІК ТЕХНИКАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ. Физика кафедрасы. А.К.Салькеева, Н.А.

Transcript

1 ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ ҚАРАҒАНДЫ МЕМЛЕКЕТТІК ТЕХНИКАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ Физика кафедрасы А.К.Салькеева, Н.А.Маженов Электромагнетизм бөлімі бойынша зертханалық жұмыстарға арналған ӘДІСТЕМЕЛІК НҰСҚАУ 3. Компенсация әдісімен ЭҚҚ анықтау 4. Сотти көпірінің көмегімен конденсатор сыйымдылығын анықтау 4. Өзара индукция құбылысын зерттеу 4. Электромагнетикалық өрісті зерттеу 48. Жердің магнит өрісінің горизонталь құраушысын анықтау Барлық мамандықтардың студенттері үшін арналған Карағанды 3

2 УДК 53 (75.8) Салькеева А.К., Н.А.Маженов Электромагнетизм бөлімі бойынша зертханалық жұмыстарға арналған ӘДІСТЕМЕЛІК НҰСҚАУ: 3 Компенсация әдісімен ЭҚҚ анықтау; 4. Сотти көпірінің көмегімен конденсатор сыйымдылығын анықтау; 4. Өзара индукция құбылысын зерттеу; 4.Электростатикалық өрісті зерттеу; 48. Жердің магнит өрісінің горизонталь құраушысын анықтау. Карағанды: баспасы КарМТУ, 3. 9 с. Әдістемелік нұсқау типтік оқу бағдарламасы бойынша берілген барлық мамандықтарға арналған және «электромагнитизм» теориялық бөлімі мен зертханалық жұмыстың өлшеу әдістері берілген Рецензент ҚарМТУ-дің Редакция-баспа кеңесінің мүшесі т.ғ.д., профессор, «Физика» кафедрасының меңгерушісі Ю.М Смирнов. Университеттің Редакция-баспа кеңесінде бекітілген Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті, 3 Салькеева А.К., А.Н.Маженов 3

3 3 зертханалық жұмыс Компенсация әдісімен ЭҚҚ анықтау Қажнтті құралар: мультиметр,кедергілер тобы Теориялық кіріспе Электр тогы деп электрленген болшектердің немесе микроскопиялық денелердің реттелген қозғалысын айтады. Электр тогының бағытына оң зарядталған бөлшектер қозғалысының бағыты алынады. Сан жағынан ток, ток күші және электр тоғының тығыздығы j сияқты шамалармен суреттеледі. Ток күші І скалярлық, ал ток тығыздығы j векторлық шама. Ток күші бірлік уақыт ішінде өткізгіштің көлденен қимасы аркылы өтетін dq заряд шамасына тең () Ток тығыздығы j бірлік уақыт ішінде ток бағытына перпендикуляр орналасқан бірлік аудан арқылы өтетін токқа тең шама. d j () ds Мүнда, - бағыты жағынан реттелген оң зарядтардың орташасы, жылдамдьпы бағытына бағыттас. j, (3) зар Мүнда, зар бірлік көлеміндегі заряд. Егер ток тығыздығы өткізгіш қимасы бойышпа бірқалыпты бөлінсе онда мүнда е - электрон заряды, n - бірлік көлеміндегі заряд тасушы бөлшек саны. Егер ток кез келген S тұйық контур арқылы өтсе, онда оны векторлық ағын ретінде қарастырамыз (4) 3

4 s j d S. (5) Erep электр тоғының не шамасы, не бағыты уақыт өтуіне қарай байланысты өзгермейтін болса, онда ондай ток тұрақты ток деп аталады. Электр тогы тұрақты болу үшін өткізгіштің ұштарындағы потенциалдар айырымы (кернеуі) тұрақты болу керек. Осындай тұрақты кернеуді ток көздері тудырады. Ток көздерінде энергияның басқа түрі электр энергиясына айналады. Мысалы, генераторда - механикалық энергия, аккумуляторда химиялық реакция негізінде бөлініп шығатын энергия, фотоэлементтерде жарық энергиясы және тағы басқа энергиялардың түрлері электр энергиясына өзгеріп отырады. Ток көзінде өзінің табиғаты жөнінен электростатикалық күштерден басқа күштер, яғни бөгде (сыртқы) күштер деп аталатын күштер бар. Түрақты токтағы бөгде (сыртқы) күштерді сипаттайтын шама э.қ.к. (электр қозғаушы кү ш ε): da c dq (6) E c dl (7) э.қ.к. оң бірлік зарядты тізбек бойынша орын ауыстыру үшін істелетін сыртқы (бөгде) күштер жұмысына тең. Тұйық тізбекте (контурда) E c dl l, (8) мұндағы Е с - сыртқы күштер өрісінің кернеулігі dl - контур ұзындығьның бөлшегі (элементі). Тұйықталған тізбектегі әсер етуші э.қ.к. сыртқы күштер өрісінің кернеулік векторының циркуляциясына тең. Сыртқы күштер әсер ететін, яғни э.қ.к. әсер ететін тізбек бөлігі біртекті емес деп аталады. Тізбектің біртекті емес бөлігі үшін Ом заңы R R 4, (9)

5 мүнда кедергі R тізбек бөлігіндегі кернеу, потенциалдар айырмасы da ' элст, () dq Потенциалдар айырмасы бірлік оң зарядты тізбек бойынша орын ауыстыру үшін істелетін электростатикалық күштер жұмысына тең. (6), (9), () теңдеулерден daэлст dac, () dq Сондытан тізбек бөлігіидегі кернеу электростатикалық және сыртқы күштердің бірлік оң зарядтардың орнын ауыстыру үшін істелетін жұмыс шамасына тең. Егер тізбек тұйық болмаса I =, онда (9) тендеуден () тең. яғни тізбектегі э.қ.к. тізбек ұштарындағы потенциалдар айырмасына Егер тізбек тұйық болса, онда (9) тендеуден R (3) 3 Егер тізбек біртекті болса =, онда (9) тендеуден R R (4) Біртекті тізбекте тізбек бөлігіндегі кернеу потенциалдар айырмасына тең. (4) тендеу бойынша электр кедергісі R кернеу мен ток арасындағы пропорционалдық коэффициент болып табылады. Электр кедергісі -өткізгіштің пішініне, өлшемдеріне, өткізгіштің түріне (материалына) және температурасына тәуелді. Көлденең қимасы S, үзындығы l өткізгіш үшін 5

6 мұнда, (5) - өткізгіштің меншікті кедергісі, егер l =, S = l болса = R. Меншікті кедергінің кері шамасы меншікті өткізгіштік деп аталады. (6) сименс Өлшем бірлігі м температураға тәуелділігі см м. Өткізгіш кедергісінің (металдардың) R t =R ( l + α t), (7) мұндағы R C температурадағы кедергі, R t t С температурадағы кедергі, α кедергінің температуралық коэффициенті. Жұмыстың орындалу тәртібі. Қондырғы тізбегін құрастыр (-сурет): ε К Н -сурет. Кедергілер тобының айнымалы тұтқасын айналдыру арқылы кедергі мәнін R = -5 Ом, қою керек секунд бойында «Кн» түймесін басып мультиметр көрсеткен, кернеуінің мәнін жазып ал. 4. Кедергіні 6- Ом шамасында өзгерт. 5. «Кн» түймесін қайта басу арқылы тағы да кернеу шамасын жазып ал. 6. Осылайша кедергілердің 5-6 рет өзгертіп әр кедергі үшін кернеу көрсеткішін жазып алып төменгі кестеге жаз. 6

7 - кесте р.б Тәжірибе Есептеу нәтижелері өлшемдері R i i r i εi r r ε r ; R r ; r R. R R 7. Өлшеу қателіктерін есепте. Бақылау сұрақтары. Электр тогы, тұрақты ток деген не?. Ток күші, ток тығыздығы деген не? 3. Сыртқы (бөгде) күш, э.қ.к. деген не? 4. Біртекті, біртекті емес тізбек днген не? 5. Тізбек бөлігі үшін Ом заңы. 6. Тұйық тізбек үшін Ом заңы. 7. Тізбектің біртекті емес бөлігі үшін Ом заңы. 8. Кернеу, потенциалдар айырмасы деген не? Қандай жағдайда кернеу потенциалдар санына тең? 9. Электр кедергісі деген не? Ол неге тәуелді?. Меншікті өткізгіштік, өлшем бірлігі. 7

8 4-зертханалық жұмыс Сотти көпірінің көмегімен конденсатор сыйымдылығын анықтау Теориялық кіріспе Өңашалған өткізғіштің электр сыйымдылығы деп, оның потенциалын бір өлшемге арттыруға кажетті зарядқа тең шаманы айтады q C () Өзара диэлектрик қабатпен бөлінген екі өткізгіш астарлардан тұратын жүйені конденсатор деп атайды. Конденсатордың екі астарының потенциалдар айырымы φ φ болса, конденсатордың электр сыйымдығы болады: С q q () Электр сыйымдылығың өлщем бірлігі Фарада (Ф) Кл Ф В Ф сыйымдылығы өте үлкен өлшем екені белгілі шынында да, бұл радиусы 9 9 м ( Жер шарының радиусынан 4есе үлкен), оңшаланған шардың сыйымдылығы, сондықтан практикада осы бірліктің үлестері жиі қолданылады. микрофарада /мкф/ - 6 Ф, пикофарада /пф/ - - Ф. Астарлары өзара параллель екі жазықтық болып келген конденсатор деп аталады (-сүрет). Конднсатордың әр астарының ауданы S, ал жазық сүрет 8

9 Астардың ара қашықтығы d арқылы белгілейік. Астарлар арасындағы өрістің кернеулігі Онда зарадтың беттік тығыздығын аламыз E S, E, (3) Ed q екенін ескере отырып, мынаны S Бұдан конденсатор сыйымдығының формуласын табамыз qd S, (4) С S (5) d Бұдан біз конденсатордың электр сыйымдылығы геометриялық факторға, астарлырының аудандырына және олардың арасындағы қашықтыққа, сондай-ақ ортаның электрлік қасиеттеріне байланысты болатынын көреміз. Ол өткізгіштің материалынабайланысты емес. Астарлары екі концентрлі сфера бет болып келген конденсаторы шар конденсатор деп аталады. Ішкі сфераның радиусы R. ал сыртқы сфераның радиус R болса конденсатордың сыйымдылығы 4 R С (6) R R R Бірнеше конденсаторларды өзара параллель немесе тізбектей жалғастырып батарея құруға болады. Параллель және тізбектей қосылғанконденсатор (- сүрет ) батареясының электр сыйымдылығы мына формуламен өрнектеледі С С С С С С С С = С +С -сүрет 9

10 Конденсатор бар тізбекте тұрақты тоқ жүре алмайды. Оның мәнісі бұл жағдайда іс жүзінде тізбек ажыратулы тұрады, өйткені конденсатор астарлары диэлектрикпен бөлінген. Ал айнымалы ток конденсаторы бар тізбекпен ағып өте алады. Себебі, егер конднсатор астарын айнымалы э.қ.к. көзіне қоссақ, онда олар үздіксіз қайта зарядталып тұрадыда, тізбекте үнемі айнымалы ток жүріп тұрады. Конденсатордағы айнымалы кернеу sin t (7) Конденсатор заряды q болса конденсатордағы ток күшінің мәні dq dt d C dt. (8) (8) теңдеуге (7)-ші өрнекті қойып конденсатордағы ток күшінің лездік мәнін табамыз C cos Ондай болса, ток күшінің тербелісі конденсатордағы кернеудің тербелісінен π/ азаяды. Бұл конденсатор зарядтала бастаған мезетте, ток күші максимал шамада, ал кернеу нөлге тең деген сөз. Кернеу максималға жеткеннен кейін ток күші нөлге тең болады т.б. Ток күшінен амплитудасы мынаған тең t Бұдан C, X c C. Х с конденсатордың айнымалы тоққа кедергісі - сыйымдылық кедергі деп аталады.конденсатордың тұрақты токқа кедергісі шексіз үлкен, ал айнымалы токқа оның кедергісі шектелген Х с мәнде болады. Сыйымдылық артқан сайын ол азаяды, жиілік өскен сайын да ол азаяды. Ток күші мен кернеу амплитудаларының орындарына олардың әсерлік (эффективті) мәндерін пайдаланып мынаны табамыз. Бұдан X c C,

11 C. (9) Ток күшімен кернеудің әсерлік мәндерін өлшеп (9)- ші теңдеуден конденсатордың электр сыйымдылығын есептеуге болады. Жұмыстың орындалу тәртібі. -сурет бойынша электр схемасын тексер А V - сүрет. Вольтметрді (мультиметрді) В ток жүйесіне ( V және түймелерін басқан соң) қос. 3. Реостаттың тұтқасын min жағдайына қой. 4. Бірінші конденсаторды қос (, қосқыштар). 5. Тізбекті «36 В» жүйесіне қос. 6. Реостат тұтқасын жылжыту арқылы токтын әр мәніне сәйкес кернеу өзгерісін кестеге жаз (5 рет). 7. Бірінші конденсатор орнына екінші конденсаторды қос (3, 4 қосқыш). 8. Тағы ток мәніне сәйкес кернеудің мәнін кестеге жаз (5 рет). 9. Әр конденсатордың сыйымдылығын C I (ω=34с - ), формуласы бойынша есептеп тап.

12 -конденсатор -конденсатор -кесте C - Ci I,A, B C i, мкф c C i, мкф n n - s С Бақылау сұрақтары. Электр сыйымдылығы және оның өлшем бірлігі.. Электр дегеніміз не? Конденсатордың электр сыйымдылығы. 3. Жазық және сфера конденсатордың электр сыйымдылығы. 4. Тізбектей және параллель жалғастырылған конденсатордың электр сыйымдылығы. 5. Сыйымдылық кедергісі және оның физикалық мәні. 6. (9) теңдеуді қортып шығар.

13 4-зертханалық жұмыс Өзара индукция құбылысын зерттеу Қажетті құралар: реостат, мультиметр, миллиамперметр, катушка, темір өзекше Теориялық кіріспе Өткізгіштің түйықталған контурын кесіп өтетін магнит ағыны өзгергенде өткшзгіште электр тогы пайда болады. Осы токты индукциялық ток деп атайды, ал өткізгіште пайда болатын э.қ.к. индукциялық э.қ.к. деп атайды. Фарадей ашқан электромагниттіқ индукция заңы былай тұжырымдалады: тұйықталған өткізгішті қиып өткен магнит индукциясының ағыны өзгерсе, ол өткізгіште электр қозғаушы қүші / э.қ.к./ пайда болады. Э.қ.к. шама жағынан қиып өтетін магнит ағынының өзгеру жылдамдығына тура пропорционал. Электромагниттіқ индукция үшін Фарадей заңы dф dt. () «-» Ленц ережесіне сәйкес. Индукциялық тоқтың бағыты Ленц ережесімен анықталады: индукциялық тоқтың магнит өрісі сыртқы магнит өрісінен өзгеруіне қарама-қарсы бағытта болады Егер катушка бойымен айнымалы ток жүріп тұрса, онда катушканы қиып өтетін магнит ағыны өзгереді. Сондықтан айнымалы ток жүретін сол өткізгіштің өзінде индукция э.қ.к. і пайда болады. Осы құбылыс өздік индукция құбылысы деп аталады. Өткізгіште пайда болған э.қ.к.-і өздік индукция электр қозғаушы күші деп аталады. мұндағы L катушканың индуктивтілігі. d о L, () dt Индуктивтік сан жағынан с ішінде ток күші А ға өзгергенде контурда пайда болған өздік индукция э.қ.к- іне тең. Индуктивтік контурдың геометриялық формасына, өлшеміне және ол орналасқан ортаның магниттік қасиетіне тәуелді. Халықаралық бірліктер жүйесінде индуктивтік бірлігі Генри деп аталады. В с Гн. А 3

14 Актив (омдық) кедергісі ескерілмейтін, ток қана катушка бар тізбектегі катушка ұштарындағы кернеу өздік индукцияның электр қозғаушы күшіне тең екенін ескеріп, былай жазуға болады. sin t Ток күші (3) гармониялық заң бойынша өзгергенде, өздік индукцияның э.қ.к.-і мынаған тең Енді анықталады d L dt L cos. t = ε болғандықтан, катушка ұштарындағы кернеу былай Мұнда кернеудің амплитудасы. L cos t sin t (4) (5) L I -сүрет Ендеше катушкадағы кернеудің тербелісі ток күшінің тербелістерінен π/ азаяды, немесе ток күшінің тербелісі кернеудің тербелісінен π/ кейін қалады (-сүрет). Циклдік жиілік пен индуктивтіктің көбейтіндісіне тең болатын Х L шаманы индуктивтік кедергі деп атайды. (5) теңдеуден X L L. (6) 4

15 Индуктивтілік кедергі жиілікке тәуелді. Тұрақты ток кезінде индуктивтік кедергі X L =. Айнымалы ток тізбегінде омдық (актив) және индуктивтік кедергі болған жағдайда Ом заңын қолдануға болады э R э X L, Мұндағы І э, э тоқтың және кернеудің әсерлік мәні. Айнымалы ток күшінің әсерлік мәні айнымалы ток өткізгіште қанша жылу мөлшерін бөліп шығарса, өткізгіште сонша уақытта дәл сондай жылу мөлшерін бөліп шығаратын тұрақты ток күшіне тең. Тізбектің толық кедергісі Z R X (7) (7) теңдеуден X L Z R (8) Индуктивтік кедергінің мәнін (6) теңдеуден (8) ге қойып, индуктивтікті табамыз Z R L (9) Толық кедергіні катушка бойымен айнымалы ток өткізіп теңдеу арқылы табамыз. Омдық кедергіні катушка бойымен тұрақты ток өткізіп табамыз. Онда ω =, Х L =. Табылған омдык және толық кедергілердің мәнін (9) ші теңдеуге қойып индуктивтікті табу керек. Z э э 5

16 Катушканың индуктивтілігін анықтау Қажетті құралдар: реостат, мультиметр, миллиамперметр, катушка, темір өзекше Жұмыстың орындалу тәртібі -сурет. Қондырғының схемасы. Қондырғыны жұмысқа дайындау: - потенциометрдің жылжыма тұтқасын min жағдайына келтір; - мультиметр мен B-4 ток көзінің қысқыш сымдарын B электр жүйесіне қос; - мультиметрдің және -V түймелерін бас; - схеманы -3 тұрақты ток қөзіне қос.. Өлшеу: - миллиамперметрдің шегін ma қой; - потенциометрдің жылжыма тұтқасын жылжыту арқылы кернеудің тоққа тәуелділігін /мультиметрдің 5-6 көрсеткіші /анықтап кестеге жаз; - потенциометрдің жылжымалы тұтқасын min жағдайына келтір; - схеманы 3 В айнымалы ток жүйесіне қос; - мультиметрдің және -V түймелерін бас; - миллиамперметрдің шегін 5 ma қой; - тағы да потенциметрдің жылжымалы тұтқасын жылжыту арқылы кернеудің тоққа тәуелділігін анықтап /мультиметрдің 5-6 кернеуі/кестеге жаз; - темір өзекшені салып жоғарыда айтылған тәуелділікті тағы да анықта, егер мультиметрде П әріпі пайда болса, онда түймесін бас; - жұмыс аяқталған соң қондырғыны ток көзінен айыр; - T R омдық кедергісін, Э Z толық кедергілерін есептеп шығар /әр IT IЭ өлшем үшін /; - өлшеу қорытындыларына статистикалық өңдеу жүргіз және төменгі кестеге толтыр. 6

17 р.б. I T m A T B R i О м IЭ m A э, В ө/з ' Э В ө/н Zi О м ө/з Z ' i О м ө/н Li, Гн ө/з L`i Гн ө/н L ө/з L ` ө/н Si ө/з S`i ө/н L ө/з L` ө/н Бақылау сұрақтары. Электромагниттік индукция құбылысы дегеніміз не?. Электромагниттік индукция (Фарадей) заңы қалай тұжырымдалады? 3. Ленц ережесін түсіндір. 4. Өздік индукция дегеніміз не? 5. Айнымалы ток күшінің әсерлік мәні. 6. Өткізгіштің индуктивтілігі, өлшем бірлігі. 7. Индуктивтік кедергі деген не? 8. (9) теңдеуді қортып шығар. Пайдаланылған әдебиеттер.абдулаев Ж. Физика курсы. Алматы: Білім, б..трофимова Т. И. Курс физики. Москва: Высш.шк., с. 3.Кортнев А. В., Рублев Ю. В., Куценко А. Н. Практикум по физике. Москва: Высш. шк., с. 4.Савельев И. В. Курс общей физики. т. Москва: Наука, с. 5.Яворский Б. М., Детлаф А. А., Милковская Л. Б. Курс лекций по физике. т. Москва: Высш.шк., с. 6.Грабовский Р. Н. Курс физики. Москва: Высш.шк., с. 7.Калашников С. Г. Электричество. Москва: ГИТТЛ, с. 7

18 4 зертханалық жұмыс Электроэлектростатикалық өрісті зерттеу Теориялық кіріспе Электростатикалық өріс қозғалмайтын электр зарядтарының өрісі. Олардың әсерлесуі электр өрісінің көмегімен жүзеге асады. Электростатикалық өріс,- өріс кернеулігі және потенциалымен анықталады. Электр өрісінің кернеулігі Е электр өрісінің күштік сипаттамасы болып табылады да, былай өрнектеледі. F E q, () Яғни зарядқа ясер ететін күштің сыншы заряд шамасына қатынасын электр өрісінің кернеулігі деп атайды. Электростатикалық өріс потенциалы φ электр өрісінің энергетикалық сипаттамасы. Кез келген нүктедегі электр өрісінің потенциалы осы нүктеге орналыстырылған оң зарядтың потенциалдық энергиясының П осы заряд шамасының қатынасына тең, яғни П q. () Нүкте потенциалының физикалық мәні жоқ. Оның есесіне екі нүктенің потенциалдар айырмасының физикалық мәні бар. Шамасы q зарядты - нүктеден -ші нүктеге орын ауыстыру кезінде электр өрісінің атқаратын жұмысы зарядтың және нүктедегі потенциалдық энергиясының айырымына тең, яғни немесе A П П, (3) A q ( ). (4) Егер екінші нүкте шексіздікте орналасса, онда П =, яғни = сондықтан q A, (5) егер =φ болса, онда A q, (6) Яғни екі нүктенің арасындағы потенциалдар аыйрмасы деп заряд осы екі нүктенің арасында тасымалданғанда істелетін жұмыстың заряд шамасына 8

19 қатынасын айтады. Вакуумда E және φ суперпозиция принципін қанағаттандырады, кез келген нүктедегі, бірнеше зарядтар тудыратын қосынды электр өрісінің кернеулілігі E және қосынды электр өрісінің потенциалы әр зарядтың осы нүкте тудыратын кернеулілігі мен потенциалдарының қосындысына тең болады: i n E Ei, (7) i n i. (8) Егер өріс біртекті изотропты, диэлектрлік өтімділігі, ортада нүктелік заряд q арқылы тудырылса, зарядтан ара қашықтығы r нүктедегі Е және φ мынаған тең: q E k r 3 r, (9) q k r. () Мұнда k пропорционалдық коэффициент, ол қолданылатын өлшеу жүйесінің бірлігіне тәуелді. СИ жүйесіндегі k 4П, 8,85 Ф/ м, -екі зарядтың вакуумдағы өзара әсер күшінің берілген ортадағы әсер күшінен неше есе артық екенін көрсетеді. Екі нүктенің потенциал айырымын кернеу деп атайды A q. () Кернеулілік пен потенциалдар айырымысының арасындағы байланыс A = q = q( ) екені белгілі. Екі нүктенің ара қашықтығын d деп белгілеп және A = -qed екенін ескерсек, онда соңғы формулалардан q( - ) = qed немесе E d d d grаd. () «Минус» таңбасы кернеулілік бағытында потенциалдың кему бағыты сай келетінін көрсетеді. Электр өрісі кернеулік сызықтарымен (күш сызықтарымен) сипатталады. Кернеулік сызықтары тұйықталмаған қисықтар. Ол оң зарядтардан басталып, 9

20 теріс зарядтарда аяқталады. өрістің күш сызықтары (кернеулік сызықтары) еш жерде қиылыспайды (-сурет). -сурет Қисық сызықтың кез келген нүктесіне жүргізілген жанаманың бағыты осы нүктедегі кернеулік векторымен дәлме-дәл келеді. Өрістің кез келген нүктесінде кернеулік бір ғана мәнге ие, әрі бағыты біреу ғана. Егер беттің әр нүктесіндегі потенциал мәні бірдей болса, онда ондай беттер эквипотенциалды беттер деп аталады. Мұндай беттерде зарядтардың орын ауыстыруы үшін жұмыс атқарылмайды. Күш сызықтары эквипотенциалды беттерге нормальды болып келеді. Кернеулік сызықтың жиілігі E -нің сан мәніне тең. Сонда белгілі бір бетті тесіп өтетін кернеулік сызықтарының жалпы саны сол беттен өтетін кернеулік ағыны (Ф) немесе өрістің кернеулік векторының ағыны деп аталады. Мысалы, біртекті электр өрісінде ds ауданшаны тесіп өтетін кернеулік векторлар ағыны Ф EdS cos, (3) - сурет Мұнда α ds ауданшаға түсірілген нормальмен Е-нің арасындағы бұрыш. Енді өрістің кернеулік сызықтары біртекті емес кез келген тұйық бетті тесіп өтсе, онда векторлық ағын Ф EndS. (4) Гаусс теоремасы кез келген тұйық S беттен өтетін кернеулік ағынының сол беттің ішіндегі электр зарядының арасындағы байланысты көрсетеді.

21 n i Ф q. (5) i Бұл теорема бұлай тұжырымдалады: тұйықталған бет арқылы өтетін электр өрісі кернеулігінің ағыны осы беттің ішіндегі заряжтардың алгербралық қосындысын -ға бөлгенге тең. Өлшеу методикасы Жұмыс мақсаты электродтар түріне байланысты өрістердің геометриялық түрін анықтау. Электродтар жазық және коаксиалды (цилиндрлік). Бұл коаксиалды үшін эквипотенциалды беттерді анықтап, одан соң осы беттерге ортогональді сызықтар (перпендикуляр) жүргізу қажет. Өрістерді зерттеу кезінде зонд әдісін қолданамыз. Зерттеліп отырға нүктеге арнайы электродты зонд еңгіз. Занд потенцал өлшеуіш приборға жалғанған (3- сурет). 3-сурет Потенциометр тұтқасын бұрау арқылы D нүктесіне потенциалдың әртүрлу мәнін беруге болады (электродтармен салыстырғанда). Зондты А және B арасында жылжыту кезінде гальванометрдің көрсетілген жағдайын жасау керек / I G / бұл зонд орналасқан нүктенің потенциалы z D деген сөз. Белгілі берілген D мәнінде J G болатын өріс нүктелері эквипотециалды беттің горизонталь қимасын беретін сызық түзейді. Осы сызықтарды қағазға түсіруші приборды пантограф деп атайды (4 сурет). -4, 5-6, -4, пантографтың ағаш иіндері І нүктеге зонд бекітіледі. Оның төменгі ұшы суға батырылған, жоғары жағы мжұмсақ өткізгіш сым арқылы гальванометрмен жалғастырылған. нүктеге қағаз бетіне тиетіндей етіліп қарындаш бекітіледі. Белгілі мәндегі жағдайда нүктелер қарындашты басу арқылы пантограф иіндерін жылжыту кезінде қағаз бетіне түсіріліген нүктелердің арасын 4 сурет

22 біртіндеп қосу нәтижесінде эквипотенциалды беттердердің горизонталь қимасы болатын сызықтарды аламыз. Қондырғыдағы барлық өлшеулер жұмыстың орындалу тәртібіне сай жүргізіледі. Бақылау сұрақтары. Элеткр өрісі эәне оның сиппаттамалары: кернеулік және потенциал. Өлшем бірліктері. Өріс кернеулігі мен потенциал арасындағы байланыс.. Нүктелік зарядтар үшін Е және φ-ді анықтау формумалалары. 3. Гаусс теоремасы. Кернеулік ағыны. 4. Электр өрісінің потенциалдық сипаты. 5. Күш сызықтары, эквипотенциалдық беттері. 6. Өлшеу методикасы.

23 48 зертханалық жұмыс Жердің магнит өрісінің горизонталь құраушысын анықтау Магнит өрісі материяның бір түрі. Қозғалыстағы зарядтар (электр тоғы) және тұрақты магниттер магнит өрісін тудырады. Магнит өрісін зерттеу үшін тоғы бар тұйық контур (-сурет) пайдаланылады. Контурға магнит өрісі тарапынан М күш моменті әсер етеді, контур бұрылады. Бұл күш моментінің ең үлкен мәні. М max контурдың S ауданына және контурдағы І ток күшіне тіра пропорционал, яғни М max ~IS. P m =IS шамасын тоғы бар контурдың магнит моменті деп атайды. Магнит моменті векторлық шама Pm ISn, мұндағы n сурет контур жазықтығына перпендикуляр орналасқан бірлік вектор, оның бағыты тоқтың бағытына қарағанда оң бұранда ережесімен анықталады (-сурет). -сурет n Магнит өрісінің негізгі сиппатамасы магнит индукциясы B (магнит индукциясының векторы) M max B Pm Магнит индукциясының өлшемі [B] Тл(тесла). Магнит өрісі магнит индукциясының күш сызықтары арқылы бейнеленеді. Магнит индукциясының күш сызықтары үшін кез келген нүктедегі жанмасы осы нүктедегі индукция векторымен бағыттас сызықты аламыз. Магнит индукциясының күш сызықтары тұйық болады. Мұндай өрісті құйынды деп атайды. B - нің бағыты бұранда ережесі арқылы анықталады. Магнит индукциясы ортаның қасиетіне байланысты. Егер вакуумдағы магнит индукциясы B, ал ортадағы магнит индукциясы B деп белгілесек, онда B B. B - ортаның магнит өтімділігі, ол ортаның қасиетін көрсетеді. B Магнит өрісін сипаттайтын келесі бір шама магнит өрісінің H кернеулігі. 7 Гн B H, мұндағы 4 магнит тұрақтысы. м 3

24 Магнит өрісінің кернеулігі ортаның қасиетіне тәуелді емес. Ол магнит өрісін тудыратын тоқтың шамасына тәуелді. Кернеуліктің өлшем бірлігі [H]- A / M. Француз физигі Ж.. Био, Ф.Савер және П. Лаплас пішіндері әртүрлі тоқтардың магнит өрісіне зерттеу жүргізді. Олар магнит индукциясы, барлық жағдайда магнит өрісін туғызатын тоқ күшіне пропорционал және магнит индукция анықталатын нүктеге дейінгі арақашықтыққа байланысты болатынын анықтады. Сөйтіп, Био-Савар-Лаплас заңы бойынша J тоғы бар өткізгіштің dl элементінің өрістің белгілі бір нүктесіндегі магнит индукциясы db мынаған тең (3 - сурет) Jdl db sin, 4 r мұндағы тоғы бар dl элементтен A нүктесіне дейінгі ара қашықтық, α-dl элементпен r арасындағы бұрыш. Осы өрнек электромагниттік құбылыстар үшін негізгі заң болып табылады. Мұндағы db индукциясы тоқ элементі dl және r қашықтыққа перпендикуляр болады. db нің бағыты бұранда ережесі бойынша анықталады. Электр өрісі сияқты магнит өрістері үшін де суперпозиция принципін қолданып, барлық тоқ элементтерінің әр түрлі нүктелеріндегі магнит индукциясы векторларының қосындыларын мына қатыс арқылы анықтауға болады: 3- сурет B d B, l мұндағы db-тоқтың dl элементін тудыратын магнит индукциясы.ал интегралды өткізгіштің барлық ұзындығы бойынша аламыз. Енді Био-Савар-Лаплас заңын дөңгелек тоқтың орталығындағы магнит өрісін анықтау үшін (4-сурет) қолданайық. Мұндай өткізгіштің барлық элементтері орталығынан бірдей r арақашықтықта болатындықтан және магнит индукциясының бағыты, орталығы арқылы нормаль бағытына сәйкес, контурға перпендикуляр бағытталады. Сондықтан дөңгелек 4- сурет тоқтың орталығындығы магнит индукциясы J J J B db dl 4 r l sin Jdl r 4 r r 4

25 Себебі sinα=, I=const, r=const. J B r. Дөңгелек тоқтың орталығындағы кернеулік B H I r () Жердің магнит өрісі Табиғаттағы магнит өрістерінің шамасы әртүрлі. Ол космостық денелердің түрлеріне байланысты. Жердің магнит өрісі 7-8 мың км күнге қарай бағытталған жер магнитосферасын құрайды және миллиондаған км кері бағытталады. Жердің магнит өрісінің пайда болуына жер ядросындағы өткізгіш сұйық заттың конвективті қозғалысы әсерін тигізеді. Магнит полюстері географиялық полюске қарағанада бір шама ығысқан. Олардың орны айысып отырады. Н,53 (І Эрстед=79,6 А/м). бұл шама жердің әр нүктесінде әр түрлі болуы мүмкін. Жер бетіндегі кез келген нүктеге магнит тілі жердің магнит өрісінің индукциясының горизонталь құрастырушысының бағытын көрсетеді. Ол магнит меридианы жазызықтығында орналасады. Магнит меридианыжазықтығы деп жер өрісінің бағытымен өтетін жер шарын вертикаль бағытта қиып өтетін жазықтың қимасының сызыңғын айтады. Өлшеу тәсілі Бұл жұмыста тангенс-гальванометр қолданылады. Тангенс-гальванометр вертикаль жазықтықта орналасқан дөңгелек орамымен және компастан тұрады. Компас тілінің айналу өсі дөңгелек орамының центрінде жатуы қажет. Алғашқы сәтте компас тілі орам жазықтығы бойында жататындай, яғни магнит өрісінің горизонталь құрастурышысымн бағыттас етіп магнит өрісінің әсерінен компастың магнит тілі бұрышқа бұрылады (5-сурет). H орам жазықтығына перпендикуляр бағытталған дөңгелек орамның магнит өрісінің кернеулігі, ал H мен H арасындағы бұрыш 9, сондықтан () теңдеу бойынша дөңгелек орамның IN центріндегі кернеулік H, мұндағы N орам R 5-сурет саны, R - орам радиусы. () теңдеуге H мәнін қойып жердің манит өрісінің горизонталь құраушысын табамыз. JN H. (3) Rtg 5

26 Жұмыстың орындалу тәртібі. Қондырығының электр схемасымен танысу (6-сурет) tgg - тангенс гальванометр 6-сурет. Реостаттың жылжымалы тиегін «min» жағдайларға қой. Компастың магнит тілін дөңгелек орамның А А жазықтығына орналастыр. 3. Қондырғыны 5 В тұрақты ток жүйесіне қос. Реостат тиегі арқылы токтың 5 әр түрлі мәніне сәйкес компас тілінің ауытқуын бірінші кестеге жаз. 4. Жердің магнит өрісінің горизонтал құрастырушысын мына формула IN H бойынша есептеп бірінші кестеге жаз, мұнда R=, м орам Rtg радиусы, N= орам саны, α компас тілінің ауытқу бұрышы. 5. Есептеу қортындысының статистикалық өңдеуін жаса. S H H H nn ( ) S t ; H pn, мұнда n - өлшеу саны, t p,n Стьюдент коэффициенті. -кесте I, A α, град tg α H, A / M H, A / M ( H H ), A / S, A M / M H H, A / M 6

27 Бақылау сұрақтары. Магнит өрісі. Оның электр өрісінен қандай айырмашылығы бар.. Магнит өрісінің индукциясы және кернеулілігі. 3. B бығыты. Магнит индукциясының күш сызықтары. 4. Био-Савер-Лаплас заңы. 5. Дөңгелек токтың центріндегі магнит индукциясы. 6. Жердің магнит өрісі. 7. Жердің магнит өрісінің горизонтал құраушысын анықтау тәсілі. (3) теңдеуді қортып шығар. 7

28 Мазмұны. 3 зертханалық жұмыс 3. 4 зертханалық жұмыс зертханалық жұмыс зертханалық жұмыс зертханалық жұмыс 3 8

29 Физика кафедрасының отырысында қарастырылды 3 г. хаттама Кафедра меңгерушісі Ю.М.Смирнов ГЭФ ОӘБ отырысында БЕКІТІЛДІ 3 г. хаттама ОӘБ төрағасы И.Н.Рябова Электромагнетизм бөлімі бойынша зертханалық жұмыстарға арналған ӘДІСТЕМЕЛІК НҰСҚАУ 3. Компенсация әдісімен ЭҚҚ анықтау 4. Сотти көпірінің көмегімен конденсатор сыйымдылығын анықтау 4. Өзара индукция құбылысын зерттеу 4. Электростатикалық өрісті зерттеу 48. Жердің магнит өрісінің горизонталь құраушысын анықтау Барлық мамандықтардың студенттері үшін арналған Құрастырушылар: Салькеева А.К., Маженов Н.А. Редактор Искакова Р.С. Мемлек. баспа. лиц ж. Басуға қол қойылды 3..3 Формат 6х84х6 Таралымы экз. Көлемі,9 оқу.-баспа. л. Тапсырыс Бағасы келісімді Баспа ҚарМТУ баспасы, 7, Қарағанды, Б. Мира, 56 9