ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖƏНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ М. Өтемісов атындағы Батыс Қазақстан мемлекеттік университеті ЖҰМЫС ОҚУ БАҒДАРЛАМАСЫ EI DGEM 04 - Электр жəне магнетизмнің қосымша тараулары 5В011000 - Физика Кредит саны -3 Орал, 011
1. ƏЗІРЛЕНГЕН ЖƏНЕ ЕНГІЗІЛГЕН М. Өтемісов ат. БҚМУ-нің физика, математика жəне информатика кафедрасының профессоры, педагогика ғ.к. Сырым Ж.С.. РЕЦЕНЗЕНТТЕР 1. М. Өтемісов ат. БҚМУ-нің физика, математика жəне информатика кафедрасының доценті, ф-м.ғ.к. Жұмағалиева А.Е.. Жəңгір хан атындағы БҚАТУ-нің математика жəне физика кафедрасының меңгерушісі Нұрмағамбетов М.Ш. 3. БЕКІТІЛГЕН ЖƏНЕ ҚОЛДАНЫСҚА ЕНГІЗІЛГЕН М.Өтемісов атындағы Батыс-Қазақстан мемлекеттік университеттің Оқуəдістемелік кеңес отырысында 011 жылғы «15» қыркүйек 1 хаттама 4. Жұмыс оқу бағдарламасы 5В011000 Физика мамандық бойынша элективті пəндер каталогына сəйкес əзірленген 5. ҚАРАЛҒАН «Жаратылыстану-математикалық» факультеттің Оқуəдістемелік кеңес отырысында 011 жылғы «13» қыркүйек 1 хаттама
Пəн туралы мəлімет: Электр жəне магнетизмнің қосымша тараулары пəні 3 кредит сағат (оқу үрдісі кестесі жəне жұмыс оқу жоспарына сəйкес ауыстырылады), əр кредит-сағат 1 байланыс сағаттан дəріс, байланыс сағаттан практика жəне 3 байланыс сағат оқытушының жетекшілігімен студенттердің өзіндік жұмысы (ОЖСӨЖ), студенттердің өзіндік жұмысынан (СӨЖ) бойыншы оқытылады. Электр жəне магнетизмнің қосымша тараулары курсы 050110 Физика мамандығын даярлайтын оқу жоспарына сəйкес жасалынды. Электр жəне магнетизм жалпы физика курсының құрамдас бөлігі. Электромагниттік əсерлесу төрт негізгі өзара əсердің бірі, əлемнің физикалық көрінісін анықтайды. Курстың құрамында электростатика мен магнитостатика бөлімдері, вакуумдегі жəне ортадағы өрістерді, тұрақты жəне айнымалы электр тогын, электромагниттік тербелістер жəне толқындардың қасиеттерін сипаттайтын бөлімдері бар. Курс мақсаты: жоғарғы оқу орындарында болашақ физика мұғалімдерін дайындау үшін оқытушыға қажетті электр жəне магнетизм жəне оның практикалық қолданылуы саласынан білімді меңгеру. Курс мəселелері: Электр жəне магнетизм теориясын зерттеу Қабылданған білімді меңгеру жəне оны практикалық қолдану, сонымен бірге электр жəне магниттік құбылыстардың мағнасын терең ұғыну мақсаты мен есептер шығару дағдысын қолдау. зертханалық жұмыстарды орындау кезінде теориялық білімді бекіту зертханалық құрылғымен жұмыс дағдысын, өлшемдеп нəтижелерін өңдеу дағдысын қалыптастыру. Электр жəне магнетизм курсы студенттерге электр жəне магнетизм негіздерін ұғынуға мүмкіндік береді. Курс электр жəне магнетизм теориясының эксперименттік негіздерін баяндаудан басталады. Курсты меңгеру электромагниттік теорияның негіздерін жəне пайдаланудағы маңызын түсінуге мүмкіндік беретін төменгі міндеттерді шешуді қарастырады: Электростатикалық жəне магнитостатикалық өрістердің негізгі теңдеулерін қорытып, осы негізде бұл өрістердің қасиеттерін танып білу Электромагниттік индукция заңын жəне Максвеллдің ығысу тогі жайындағы гипотезаға сүйеніп, екі өрістің арасындағы байланысты көрсету Айнымалы электромагниттік өрістің негізгі заңдылықтарымен танысып, электромагниттік толқындардың негізгі қасиеттерін, өрістің материяның бір түрі екендігін ұғыну Электр жəне магниттік өрістің затпен əсерлесуін зерттей отырып, қазіргі техниканың элементерінің жұмыс істеу принциптерімен танысу. Қазіргі заманғы электротехниканың, электрониканың жəне радиотехниканың
бастапқы ұғымдарымен, сол арқылы қазіргі техниканың негіздерімен танысу электрлік магниттік құбылыстардың энергияны өндіру, заттарды жасау жəне өзгертудегі, ақпараттарды таратудағы мəнін ұғыну; Білім стандартына сəйкес болашақ маман төмендегідей минимум білім, біліктілік пен дағдыны игеруі тиіс: - электрлік жəне магниттік құбылыстардың мағынасын түсіну; - электрлік жəне магниттік құбылыстарды практикалық мақсатқа пайдалану мазмұнын; - электрлік тізбектердің орындалуын; - электрлік тізбектердегі электротехникалық жəне электрондық қондырғылардағы өтетін процесстерді заңдылықтарды; - аспаптардың, қондырғылардың құрылысы, жұмыс істеу принципі, режимдерін; - приборлар мен қондырғылардың сипаттамаларын; - мектептегі электротехникалық жəне электрондық қондырғылардың пайдалануын; - электрлік, радиотехникалық тізбектер мен құрылғыларды жинақтау жəне реттеуді.
Тақырыптық жоспар Апта Сабақ тақырыбы Сабақ түрі Дəріс Практика 1. Электр жəне магнетизм құбылыстары 1 Электромагнитзм заңдарының өлшемдерінің 1 негізгі түсініктері. Зарядтардың өзара əсерлесуі. 1. Электростатика 1 Электр өрісіндегі зарядтың орналасу жұмысы 1 Электростатиканың комплекстік тапсырмалары 1 3. Электр өрісіндегі өткізгіштер 1 Остроградский-Гаусс теоремасы 1 Өріс кернеуліктерінің жəне потенциалдардың 1 күрделі жүйедегі есептелінуі. 4. Диэлектриктердегі электр өрісі 1 Электр өрісіндегі металдар 1 Диэлектриктердегі электр өрісі. Конденсатор 1 5. Электростатикалық өріс 1 Конденсаторлар. Шардың жəне конденсатордың 1 электросыйымдылықтары Өлшеуіш құралдар. 1 6. Тұрақты ток 1 Шунттар мен қосымша кедергілер 1 Ток көздерінің жалғануы 1 7. Қатты денелердің электр өткізгіштігі 1 Конденсатормен қосылған электр тізбектері 1 1-7 аптадағы тақырыптар бойынша бақылау 1 жұмысы 8. Шала өткізгіштер, термоэлектрлік жəне 1 контактілік құбылыстар Токтың жұмысы мен қуаты 1 ЛЭП-ғы энергетикалық төмендеулер 1 9. Электролиттердегі жəне газдардағы электр өрісі 1 Аралас тізбектер 1 Электр жəне магнит өрісіндегі заряд 1 бөлшектерінің қозғалысы. 10. Магнит өрісі 1 Холл эффектісі 1 Соленоидтың жəне тороидтың магнит өрісі 1 11. Заттың магниттік қасиеттері 1 Магнит өрісіндегі механикалық жұмыс 1 Элетромагниттік индукция 1 1. Электромагниттік индукция 1
Қозғалыстағы денелердің электромагниттік 1 индукциясы Айнымалы ток 1 13. Электромагниттік тербелістер 1 Тербелмелі контур 1 Өшетін тербелмелі контур 1 14. Электромагниттік өріс 1 Электромагниттік толқындар 1 Бақылау жұмысы 1 15. Электромагниттік толқындар 1 Тест тапсырмалары 1 Тест тапсырмалары 1 Барлығы 15 30 Апталық дəріс мазмұндары 1 тақырып: Кіріспе. Электр жəне магнетизм құбылыстары Қарапайым электрлік жəне магниттік құбылыстар ерте заманда-ақ белгілі болғанымен Электр туралы ілім 17 ғ-ға дейін дами алған жоқ. 18 ғ- да ол ілім жүйеге түспеген фактілер мен бір-біріне қайшы жорамалдар жиынтығынан тұрады. Электр жөніндегі алғашқы деректер кейбір денелер (мыс., янтарь) үйкеліс нəтижесінде электрленеді, яғни ондай денелер жеңіл денелерді өзіне тартады деген тұжырым түрінде болды (ғылымға Электр терминін 1600 ж. У.Гильберт енгізген). 18 ғ-дың басында денелердің электрленуі сол денені қоршаған электрлік атмосфера əсерінен болады деп қарастырылды. Алайда 18 ғ-дың ортасынан бастап денелердің ішінде электрлік флюидтар (сұйықтар) болады деген болжамдар қалыптаса бастады. 18 ғ-дың аяғында Г.Кавендиш (1773) жəне Ш.Кулон (1785) ұқыпты жүргізілген өлшеулерге сүйене отырып электрстатиканың негізгі заңын (қ. Кулон заңы) тұжырымдап берді. Электр зарядының арасындағы тартылыс не тебіліс күші кулондық немесе электрстатик. күш деп аталады. Электр жөніндегі ілім тарихындағы жаңа кезең Л.Гальвани (1791) мен А. Вольтаның (1794) хим. жəне контактілік электр көздерін ашуы болды. Осыдан кейін Электр тогын зерттеу күшті қарқынмен жүргізіле бастады: əуелі токтың физиол. əсері, кейін оның хим. жəне жылулық əсерлері зерттелді. 180 ж. В.Петров электр доғасын (1808 09 ж. мұны Г.Дэви де байқаған) ашты жəне оны жарықтандыру ісі мен балқыту пештерінде пайдалануға болатынын дəлелдеді. Дж. Джоуль (1841) жəне Э.Х. Ленц (184) бір-біріне тəуелсіз түрде өткізгішпен ток жүргенде бөлініп шығатын жылудың мөлшері жөніндегі заңды тұжырымдарды; қ. Джоуль- Ленц заңы. 180 ж. Х.Эрстед электр тогы мен тұрақты магнит арасында байланыс болатындығын, ал А.Ампер тогы бар екі өткізгіштің өзара əсерлесетіндігін ашты. Тогы бар өткізгіштердің арасындағы əсерлесу күші кулондық күштен өзгеше əрі ол электр зарядының қозғалысына тəуелді болады. Сондықтан мұндай күштер электрдинамикалық күштер деп
аталады. Эрстед пен Ампердің магнетизм жөніндегі ашқан жаңалықтары Электр ілімінің құрамына енеді. тақырып: Электростатика Қозғалмайтын электр зарядтарының өзара əрекетін зерттейтін электродинамика бөлімі электростатика деп аталады.электростатиканың негізгі заңы Кулон заңы болып табылады. Электр өрісі электрмагниттік өрістің дербес бір түрі. Ол электр зарядының айналасында немесе бір уақыт ішіндегі магнит өрісінің өзгерісі нəтижесінде пайда болады. Э. ө-нің магнит өрісінен өзгешелігі ол қозғалатын да, қозғалмайтын да электр зарядтарына əсер етеді. Э. ө-нің бар екендігін оның қозғалмайтын зарядқа əсер ететін күші бойынша байқауға болады. Электр өрісінің кернеулігі Э. ө-нің сандық сипаттамасы болып табылады. 3 тақырып: Электр өрісіндегі өткізгіштер Өткізгіш сыртқы электр өрісінде тұрса электр өрісінің əсерінен, оның еркін зарядтары қозғалысқа келеді. Сыртқы өрістің кернеулігінің бағытында оң зарядтар, ал кернеуліктің бағытына қарама қарсы бағытта теріс зарядтар қозғалады. Сүйтіп, бар зарядтар орын ауыстырып болған соң, зарядтардың қозғалысы тоқтайды да өткізгіштің ішінде. Сыртқы өрістің бағытына қарама -қарсы E r 0 өріс пайда болады. Осы екі өріс бірін -бірі теңестіріп, өткізгіштің ішіндегі қорытқы өріс нулге тең болады. Өткізгіштегі зарядтар сыртқы өрістің əсерінен өткізгіштің беткі қабатында орналасады. Егер өткізгішке бір q заряды берілсе, онда ал өткізгіштің ішіндегі өріс кернеулігі E r = 0 болатындай таралады. Сонда өткізгіш бетінің кез келген екі нүктесіндегі заряд тығыздықтарының қатынасы зарядтың кезкелген шамасы үшін бірдей болады. Конденсаторлар. Оңашаланған өткізгіштердің сыйымдылығы аз болады. Практикада өзін қоршаған денелер мен салыстырғанда шамалы потенциалы бола тұрып шамасы едəуір зарядтарды жинақтайтын қондырғылар қажет болады. Осындай қондырғыларды конденсаторлар деп атайды. Конденсаторлар жасалу түріне байланысты, цилиндр концентрлі сфера, жазық конденсаторлар болып келеді. Енді екі зарядталған параллель пластинкадан тұратын жазық конденсатордың сыйымдылығын анықтаймыз. q = ( ϕ ) Ñ ; (1.5) 1 ϕ Екі пластинканың арасындағы өріс кернеулігі: q S мұндағы σ = ; σ зарядтың беттік тығыздығы. σ q E = = ; εε 0 εε 0 S
Астарлардың арасындағы потенциалдар айырмасы: ϕ 1 ϕ = Ed = qe /εε 0S εε S осыдан C = 0 ; d 4 тақырып: Диэлектриктердегі электр өрісі. Диэлектриктер электр өткізбейтін заттар оң зарядтар мен теріс заряттардың тең мөлшерде болып келетін молекулалардан немесе диэлектрик ішінде емін-еркін қозғала алмайтын иондардан тұрады. Сыртқы электрлік күшткрдің əсерімен диэлектриктегі зарядтар не азғана ығысады, не өздерінің орналасу бағытын өзгертеді. Сөйтіп диэлектриктер бейтарап денелер болып табылады. Диэлектриктер тобына эбонит, фарфор, сияқты қатты денелер жəне сұйықтармен газдар жатады. Егер диэлектрикті электр өрісіне енгізсек онда бұл өрісте диэлектриктің өзі де елеулі өзгерістерге ұшырайды. Молекулалардың өлшемдерімен салыстырғанда анағұрлым үлкен қашықтықтар үшін электрондардың əселі қандай да бір нүктеде орналастырылған молекуланың ішіндегі олардың зарядтар қосындысының əсеріне эквивалентті болады. Осындай нүктені теріс зарядтың ауырлық центрі деп атайды. Осы сияқты ядролардың оң зарядтардың ауырлық центріне орналастырылған олардың зарядтар əсеріне эквивалентті болады. Сыртқы электр өрісі болмаған кезде оң жəне теріс зарядтардың ауырлық центрі бір-біріне қатысты дəл келуі немесе ығысқан жағдайда молекула электр дипольге еквиволентті болады, сөйтіп оны «полюсті» деп атайды. Оның меншікті электрлік моменті Р-ға тең болады. Электр өрісі жоқ болғанда əр таңбалы зарядтардың ауырлық центрлері біріккен меншікті электрлік моменттерге ие болмайтын молекулалар полюссіз деп аталады. Сыртқы электр өрісінің əсерінен полярлық емес молекулалардағы зарядтарды салыстырсақ, онда оң зарядтар өріске қарсы ығысады. 5 тақырып: Электростатикалық өріс энергиясы Электр өрісінің энергиясы. Зарядталған денелердің өзара əсерлесу күші, консервативтік күш болғандықтан зарядтар жүесінің потенциалдық энергиясы болады. Бір бірінен арақашықтықта тұрған жəне нүктелік зарядтардың потенциалдық энергиясын анықтаймыз. Бұл екі заряд бірінің өрісінде бірі тұрады. Сонда олардың сəйкес потенциалдық энергиялары E 1 = q1ϕ1, E = qϕ, мұндағы ϕ 1 жəне ϕ 1 зарядтар тұрған нүктелердегі зарядтардың потенциалдары. Олай болса, осы потенциалдар өрнегі: ϕ 1 q = 1 жəне 1 q ϕ 1 1 = болады. 4πε 0 εr 4πε r ε 0 Зарядтар жүйесінің энергиялары өзара тең. E E = = E p E = q = q 1 = q + q 1 = 1 сондықтан ϕ ϕ ( ϕ ϕ ) ϕ ; егер n заряд алсақ онда p 1 1 1 1 1 1 q i i E = 1 n q i i= 1 ϕ i болады. 1. Зарядталған конденсатордың энергиясы.
Конденсатордың астарларының арасында заряды бір астардан, екінші астарға көшірілгенде істелетін жұмыс: da = ϕ d q = Ñϕdϕ; ϕ ϕ Ñ A = Ñ d = ϕ ; Ñϕ q q A = E = = ; E = ; Ñ Ñ (1.7). Электростатикалық өрістің энергиясы. Зарядталған конденсатордың энергиясы оның астарларындағы өрістің энергиясын сипаттайтын, шамамен өрнектеуге болады. E p Ñ = εε S d 0 ( ϕ) = ( ϕ) εε 0Sd εε 0V мұнда ϕ = Ed. E p = E = E мұндағы Sd = V - астарларының арасындағы көлем. E E p εε 0 DE ϖ = = ; = εε E ; ϖ = - өрістің тығыздығы V D 0 6 тақырып: Тұрақты ток. Электр тогы деп электр зарядтарының реттелген қозғалысын айтады. Өткiзгiштегi оң зарядталған бөлшектердiң қозғалыс бағыты электр тогының бағыты ретiнде алынады. Ток күшi деп аталатын скалярлық шама I электр тогының сандық сипаттамасы болады. Өткiзгiштiң көлденең қимасы арқылы бiр уақыт аралығында тасымалданатын заряд мөлшерiн ток күшi дейдi. Егер өткiзгiштiң көлденең қимасы арқылы t уақыт аралығында q заряды тасымалданса, ток күшi (5.1) тең болады. Халықаралық бiрлiктер жүйесiнде СИ ток күшi ампермен (1 А) өлшенедi. Ол француз ғалымы Андре Мари Ампердiң атымен аталады. Өткiзгiштегi ток күшiнiң ток тасушылар концентрациясына n, олардың бағытталған қозғалысының жылдамдығына v, өткiзгiштiң қимасының ауданына S жəне əрбiр ток тасушының тасымалдаған зарядына q тəуелдiлiгi мынадай болады: I = qnvs. (5.) Немiс физигi Георг Ом ток күшi тiзбектiң бөлiгiндегi кернеуге тура пропорционал екенiн тапты. Ом заңы бойынша өткiзгiш кедергiсi өткiзгiштiң ұштарындағы кернеудiң ток күшiне қатынасына тең:
. (5.4) Халықаралық бiрлiктер жүйесiнде СИ кедергi оммен (1 Ом) өлшенедi:. 7 тақырып: Қатты денелердің электр өткізгіштігі. Дəрістің мазмұны: 1. Қатты денелер өткізгіштігінің табиғаты. Классикалық электрондықтеорияның жетістіктері жəне қиыншылықтары. 3. Зоналық теория элементтері 8 тақырып: Шала өткізгіштер, термоэлектрлік жəне контактілік құбылыстар. Шалаөткізгіштер электр өткізгіштігі (σ) бойынша металдар мен диэлектриктердің арасынан орын алатын (10 8Ом 1см 1<σ<10 6Ом 1см 1) заттар; бөлме температурасында (300ƏК) шалаөткізгіштік қасиеттері анық байқалатын заттар тобы. Шалаөткізгіштерге Менделеевтің периодтық жүйесінің ҚV тобындағы графит (G), кремний (Sі), германий (Ge), сурьма (Sb), қалайы (Sn); V тобындағы фосфор (P), күшəлə (As); П тобындағы селен (Se), теллур (Te) элементтері, сондай-ақ кейбір тотықтар, көптеген қорытпалар, органик. қосылыстар жатады. Шалаөткізгіштердің металдардан ерекшелігі олардың меншікті кедергілері ( ) мен электр өткізгіштігі (σ) температура жоғарылағанда күрт өзгереді: кемиді, σ артады; ал металдарда олар керісінше өзгереді. ( артады, σ кемиді). Аса төмен темпетурада таза Шалаөткізгіштердің меншікті кедергілері өте жоғары, ал электр өткізгіштігі тым аз болғандықтан олар диэлектриктерге ұқсайды. Төмен температурада олардың атомдарының валенттік электрондары коваленттік байланыста болып, заряд тасымалдаушылар болмайды. Темпертура жоғарылағанда Шалаөткізгіштерде теріс зарядталған бос электрондар мен оң зарядтың рөлін атқаратын жылжымалы кемтіктер (электрондары жоқ бос орындар) пайда болып, олардың электр өткізгіштіктері артады. Нəтижесінде Шалаөткізгіштерде пайда болған толық ток (Қт) екі токтың қосындысына тең болады: Қт=Қэ+Қк, мұндағы Қэ, Қк электрондық жəне кемтіктік токтар. Таза Шалаөткізгіштерде σ температураға байланысты экспоненциалды түрде өзгереді: σ=σ0ехр( A/kT), мұндағы A электр өткізгіштің активациялық энергиясы, σ0 температураға байланысты өзгеретін коэффициент, k Больцман тұрақтысы. Шалаөткізгіштерге əр түрлі қоспалар енгізілгенде олардың электр өткізгіштігі күрт өседі. Оларда электр тогын негізгі жəне қоспа зат атомдарынан босаған валенттік электрондар мен кемтіктер құрайды. Токты тасымалдаушыларға кристалл құрылымының əр түрлі ақаулары:
кристалл торларындағы вакансиялар (бос орындар), түйінаралық бөгде атомдар, тағы басқа жатады. Қоспалар мен ақаулар донорлар жəне акцепторлар болып ажыратылады. ҚV топ кристалдарының (Ge, Sі) 4 атомымен ковалентті байланыс жасап, валенттік электрондарының біреуі бос электронға айналатын V топ элементтерінің (As, P) қоспаларын донорлар деп атайды. Донорлар Шалаөткізгіштерде негізінен электрондық немесе n-типтік өткізгіштік тудырады. ҚV топ элементтерінің (Ge, Sі, Sb) кристалдарына енгізілген ҚҚҚ топ элементтерінің (Al, Ga, Zn) қоспалары кристалл ішінде кемтіктер тудырады. Мұндай қоспалар акцепторлар деп аталады. Акцепторлар Шалаөткізгіштерде негізінен кемтіктік немесе р- типтік өткізгіштік тудырады. Электрондар мен кемтіктер саны шамалас Шалаөткізгіштердің электр өткізгіштігі аралас өткізгіштік деп аталады. 9 тақырып: Электролиттердегі жəне газдардағы электр өрісі. Металдағы токты еркiн электрондар туғызады. Олардың концентрациясы үлкен болады жəне металл атомдарының концентрациясымен бiр реттi болады. Газдардағы электр тоғы. Газдар электр тоғын өткізбейді, себебі онда еркін электр зарядын тасымалдаушылар жоқ. Атмосфералық қысымда, ол өте жақсы оқшаулағыш бола алады. Себебі газдар электрлік бейтарап атамдар мен молекулалардан тұрады. Ток тасушылары иондар болатын сұйық жөне қатты заттарды электролиттер дейдi. Иондар деп бiр немесе бiрнеше электрондарды жоғалтқан немесе өзiне қосып алған атом мен молекулаларды айтады. Қышқылдар, сiлтiлер жəне тұздар ерiтiндiлерi электролит болады. Электр тогының сұйықтан өтуi электролизбен (электодтарда, электролиттердiң құрамына кiретiн зат бөлiнуiмен) қатар жүредi. Вакуумдегi электр тогы. Электрондық эмиссия. Электонды- сəулелiк түтiкше Вакуум деп газдың сиретiлуiнiң оның молекулаларының соқтығысуын ескермеуге жəне еркiн жолының орташа ұзындығы -дiң газ тұрған ыдыстың өлшемi d-дан аса үлкен ( ) болатын деңгейiн айтады. Вакуум күйдегi электродтар аралығындағы өткiзгiштiктi вакуумдегi электр тогы дейдi. Жартылай өткiзгiштердегi электр тогы. Жартылай өткiзгiштердiң меншiктi жəне қоспалы өткiзгiштiгi Жартылай өткiзгiштер деп кедергiсi кең көлемде өзгере алатын жəне температурасы жоғарылаған сайын кедергiсi тез азаятын заттарды айтады. Таза (қоспасыз) жартылай өткiзгiш кристалындағы еркiн электрондардың жəне кемтiктердiң қозғалысынан болатын өткiзгiштiктi жартылай өткiзгiштердiң меншiктi өткiзгiштiгi дейдi. 10 тақырып: Магнит өрісі. Магнит өрісі қозғалыстағы электр зарядтары мен магниттік моменті бар денелерге (олардың қозғалыстағы күйіне тəуелсіз) əсер ететін күштік өріс. Магнит өрісі магниттік индукция векторымен (В) сипатталады.
В-ның мəні магнит моменті бар қозғалыстағы электр зарядына жəне денелерге өрістің берілген нүктесінде əсер етуші күшті анықтайды. Магнит өрісі терминін 1845 ж. ағылшын физигі М. Фарадей енгізген. Ол элетр өзара əсер сияқты магнит өзара əсер де бірыңғай материялық өріс арқылы беріледі деп санаған. Электр-магниттік өрістің классикалық теориясын Дж.Максвелл жасаған (1873), ал кванттық теориясы 0 ғасырдың 0- жылдары жасалды (Өрістің кванттық теориясы). Макроскоп. Магнит өрісінің көздері магниттелген денелер, тогы бар өткізгіштер жəне қозғалыстағы зарядталған денелер. Бұл көздердің табиғаты бір: Магнит өрісі зарядталған микробөлшектердің (электрон, протон, ион), сондай-ақ, микробөлшектердің меншікті (спиндік) магнит моменті болуының нəтижесінде пайда болады (Магнетизм). Айнымалы магнит өрісі электр өрісінің, ал электр өрісі магнит өрісінің уақыт бойынша өзгерісі нəтижесінде пайда болады. Электр жəне магнит өрістері, олардың бірбірімен өзара əсерлері Максвелл теңдеуімен толық сипатталады. Магнит өрісінің кернеулік (Н) мен магнит индукциясы(в) өрістің күштік сипаттамасы. Кернеулік векторы өріс пайда болған орта қасиетіне тəуелсіз шама болса, индукция векторы қарастырылатын денедегі қорытқы өрісті сипаттайды. Сондай-ақ, индукция векторы магнит өрісінде қозғалған зарядқа əсер ететін күшті, магнит моменті бар денеге магнит өрісінің тигізетін əсерін, өріс тарапынан байқалатын басқа да əсерлерді анықтайды. 11 тақырып: Заттың магниттік қасиеттері. Заттардың магниттік қасиеттерін қарастырғанда магнетик деп аталатын жалпылама термин пайдаланылады. Заттардың магниттік қасиеттері оларды құрайтын бөлшектердің магнетизмімен анықталады. Магнит өрісі қозғалыстағы электр зарядтары мен магниттік моменті бар денелерге (олардың қозғалыстағы күйіне тəуелсіз) əсер ететін күштік өріс. Магнит өрісі магниттік индукция векторымен (В) сипатталады. В-ның мəні магниттік моменті бар қозғалыстағы электр зарядына жəне денелерге өрістің берілген нүктесінде əсер етуші күшті анықтайды. Магнит өрісі терминін 1845 ж. ағылшын физигі Майкл Фарадей енгізген. Макроскопиялық магнит өрісінің көздері магниттелген денелер, тогы бар өткізгіштер жəне қозғалыстағы зарядталған денелер. Айнымалы магнит өрісі электр өрісінің, ал электр өрісі магнит өрісінің уақыт бойынша өзгерісі нəтижесінде пайда болады. Электр жəне магнит өрістері, олардың бір-бірімен өзара əсерлері Максвелл теңдеуімен толық сипатталады. Магнит өрісінің кернеулігі (Н) мен магнит индукциясы (В) өрістің күштік сипаттамасы. Кернеулік векторы өріс пайда болған орта қасиетіне тəуелсіз шама болса, индукция векторы қарастырылатын денедегі қорытқы өрісті сипаттайды. Сондай-ақ, индукция векторы магнит өрісінде қозғалған зарядқа əсер ететін күшті, магниттік моменті бар денеге магнит өрісінің тигізетін əсерін, өріс тарапынан байқалатын басқа да əсерлерді анықтайды. Табиғатта магнит өрісінің сан алуан түрі кездеседі. Техникада магниттік дефектоскопия мен бақылаудың магниттік əдістері кең қолданылыс тапты.
Магниттік материалдар генератор, трансформатор, реле, сондай-ақ магниттік күшейткіштердің, магниттік жады (есте сақтау) элементтерінің магниттік сымдарын (өткізгіштерін), компас тілдерін, т.б. магниттік жазу таспаларын жасауда қолданылады. 1 тақырып: Электромагниттік индукция. Тоқтардың магниттік əсерлесуі, электр тоғының магнит өрісінтудыру қабілеті ашылғаннан кейін көп ғалымдар кері процес магнит өрісі əсерінен электр тогын тудыру мүмкіншілігін іздестірді. Осы мəселені 1831 жылы М.Фарадей алғашқы болып шешті. Ол өткізгіштен жасалған катушканың ішіндегі магнит өрісі өзгергенде, катушкада ток пайда болатынын анықтады. Бұл құбылыс электромагниттік индукция деп аталады. Электромагниттік индукция нəтижесінде пайда болатын электр тогын индукциялық ток деп атайды. Тəжірибелер катушкадағы индукциялық токты əр түрлі əдістермен тудыруға болатынын көрсетті: катушкаға магнитті кіргізуге немесе одан шығаруға болады, катушканы магнитке кигізуге немесе магниттен суырып алуға болады. Индукциялық токтың ешқандай механикалық қозғалыс болмағанда да туындауы мүмкін. Ол үшін жақын тұрған екі катушканың біреуін ток көзімен қосу керек. Егер бірінші катушкадағы токтың магнит өрісі екінші катушканың орамдарын олардың жазықтарынан перпендикулярлы өтетін болса, онда кез келген бірінші катушкадағы ток өзгерісі екінші катушкада индукциялық ток тудырады. Кез келген тұйық контурда электростатистикалық күштердің жұмысы нөлге тең. Бірақ катушканың тұйық тізбегінен өтетін магнит өрісінің кез келген өзгерісі индукциялық токты тудырады, бұл магнит өрісі өзгергенде, катушканың сымдарындағы электр зарядтарына табиғаты элекростатикалық емес күштер əсер ететіндігін көрсетеді. Осы бөгде күштердің жұмысы индукцияның электроқозғау-шы күші (ЭҚК) арқылы сипатталады. Тəжірибенің көрсетуінше индукциялық токтың бағытын ылғи Ленц ережесі аталатын жалпы ереже анықтайды: индукциялық токтың магнит өрісі осы индукциялық токты тудыратын магнит өрісінің өзгерісін компенсациялауға тырысады. Мысалы, катушкаға магнитті енгізгенде, катушкадағы магнит өрісі өсе бастағанда, катушкадағы туындаған индукциялық токтың магнит өрісінің бағыты кері болады жəне ол катушкадағы магнит өрісінің өсуін бөгейді. Оған қоса пайда болған индукциялық ток өзінің магнит өрісінің əсерімен магниттің катушкаға енуіне кедергі істейді, сондықтан индукциялық токты тудыру үшін бөгде күштер жұмыс істеу керек. Сонымен Ленц ережесі энергияның сақталу жəне айналу заңымен байланысты. Индукциялық электр тогының энергиясы өз бетімен пайда болуы мүмкін емес, ол мөлшері тең басқа энергиясының түрленуі арқылы пайда болады. 13 тақырып: Электромагниттік тербелістер.
Тербелмелі контурдағы электромагниттік тербелістер - электромагниттік тербелістерді алу үшін индуктивтігі L катушкамен тұйықталған сыйымдылығы С зарядталған конденсатордан тұратын тізбек пайдаланылады. Осындай электр тізбегі тербелмелі контур деп аталады. Тербелмелі контурда пайда болатын электромагниттік тербелістердің негізгі заңдылықтарын тағайындау үшін кедергісі нөлге тең идеал тербелмелі контурды қарастырайық. Алдымен, конденсаторды тұрақты ток көзіне қосып, зарядтап алайық. Сонда конденсатордың астарларында ±qm заряд жинақталып, онда энергиясы W = электр өрісі пайда болады. Зарядталған конденсаторды катушкамен тұйықтайық. Катушка арқылы ток жүріп, конденсатор разрядтала бастайды. Токтың өсуімен катушкадағы магнит өрісінің индукциясы да артады, сондықтан контурда өздік индукция электр қозғаушы күші пайда болады. Ленц ережесі бойынша өздік индукция тогы контурда өсіп келе жатқан конденсатордың разрядталу тогына қарама-қарсы бағытталады. Бұл разрядталу тогының өсу жылдамдығын азайтады. Разрядталу тогының уақытқа тəуелділік графигі кескінделген. Ток күші артқан сайын катушкадағы магнит өрісінің энергиясы : конденсатордың электр өрісінің энергиясы :, артады да, ал, кемиді. Контурдағы электромагниттік өрістің толық энергиясы : тұрақты болып қалады, мұндағы і ток күшінің лездік мəні. Конденсатор разрядталғанда ток күшінің жəне оған сөйкес магнит өрісі индукциясының өсуі де баяулайды. Конденсатор толық разрядталған мезетте өздік индукция электр қозғаушы күші (ЭҚК) нөлге айналады, ал ток күші мен магнит өрісінің индукциясы ең үлкен мəніне ие болады. Осы кезде магнит өрісінің энергиясы : максимал, ал электр өрісінің энергиясы : W1 нөлге тең, мұндағы : Im ток күшінің амплитудасы. Бұдан соң ток күші жəне онымен бірге катушканың магнит өрісі кеми бастайды да, контурда өздік индукция электр қозғаушы күші пайда болады. Өздік индукция тогы контурдағы токпен бағыттас, себебі Ленц ережесі бойынша ол азайып келе жатқан токты күшейтеді. Конденсатор қайта зарядтала бастайды. Ток күшінің азаюы артады, оған сəйкес өздік индукция ЭҚК-і өседі де, ток күші нөлге тең бо лған мезетте электр қозғаушы күші максимал мəнге ие болады. Конденсатор толық зарядталып, оның энергиясы : магнит өрісінің энергиясы нөлге айналады. ең үлкен мəніне жетеді, ал
Міне, біз сапалық жағынан электромагниттік тербелістердің жарты периодын сипаттап өттік. Бұдан соң процесс кері бағытта қайталанып, тағы жарты период өткенде жүйе алғашқы күйге қайтып оралады.электромагниттік тербелістер кезінде контурда электр өрісінің энергиясы магнит өрісінің энергиясына жəне керісінше периодты түрде айналып отырады. Идеал тербелмелі контурда энергия шығыны болмайды, сондықтан тербелістер өшпейді. Толық энергия сақталады жəне кез келген мезетте ол мынаған тең: 14 тақырып: Электромагниттік өріс. Максвелл теориясынан айнымалы электр жəне магнит өрістерінің арасындағы үзілмейтін байланыс ашылғаннан кейін, материяның ерекше түрі электромагниттік өрістің бар екені айқындалды. Бұл өрістердің бірбірінен жекеленіп, тəуелсіз түрде пайда бола алмайтыны анықталды. Электр өрісі электр зарядтарынан немесе өзгермелі магнит өрісінің əсерінен пайда болады. Сол сияқты магнит өрісі де не электр тогының, не құйынды электр өрісінің əсерінен туады. Тұрақты өрістің дербес жағдайында не электр өрісінің ( 0, =0), не магнит өрісінің ( =0, 0) қасиеттері байқалды. Жəне бұл қасиеттердің білінуі таңдап алынған санақ жүйелеріне байланысты. Жібек жіпке ілінген зарядталған шарды қарастырайық. Бақылаушы жермен байланысқан санақ жүйесінде тұр. Жермен салыстырғанда тыныш тұрған зарядталған шардың тек электр өрісі бар (3.4, а-сурет). Қозғалыстағы зарядталған шардың электр өрісі кеңістікте магнит өрісін туғызады (3.4, ə-сурет). Жалпы алғанда, айнымалы электромагниттік өрістің электр өрісінің кернеулігі мен магнит өрісі индукциясының бір-бірінен артықшылығы жоқ. Электромагниттік өріс біртұтас. Электромагниттік өріс теориясын сипаттайтын теңдеулер жүйесін талдай отырып, Максвелл электромагниттік өріс кеңістікте электромагниттік толқын түрінде тарай алады деген теориялық болжам жасады. Максвелл теориясының негізінде жұлдыздар мен планеталарда, тіпті Əлем көлемінде өтіп жатқан, сондай-ақ микродүниедегі, атомдар ішінде өтетін сан алуан құбылыстарды түсініп, сипаттау мүмкін болды. 15 тақырып: Электромагниттік толқындар. Кез келген теорияның дұрыс не дұрыс емесін дəлелдеуде эксперимент басты рөл атқарады. Электромагниттік толқындардың табиғатта бар екеніне Максвелл сенімді еді. Максвелл теориясына сол замандағы физиктердің басым көпшілігі сияқты алғашқыда күмəнмен қараған неміс ғалымы Генрих Герц 1887 1888 жылдары электромагниттік толқындардың бар екенін эксперимент жүзінде ашты.
Электромагниттік толқынды алу үшін Герц жұқа ауа қабаты арқылы бөлінген түзу өткізгіштің бірдей екі бөлігінен тұратын вибраторды қолданған (3.9, а-сурет). Ауа аралығымен бөлінгендіктен вибратордың екі тармағына жоғары кернеу көзінің көмегімен едəуір зарядтар беру мүмкін болды. Потенциалдар айырымы белгілі бір мəнге жеткенде электрлік ұшқын байқалады. Иондалған ауамен электр зарядтары вибратордың бір жартысынан екіншісіне ағып, ток импульсін береді. Сөйтіп, ашық контурда электромагниттік тербелістер туады. Аса шапшаң өзгеретін ток, ток көзі арқылы тұйықталмай, тек контурда ғана өнуі тиіс. Оны вибратормен ток көзінің арасына дроссель қосу арқылы реттейді. Ашық контурдағы электромагниттік тербелістің тез өшіп қалуының басты себебі толқын шығарғанда энергия тасымалданады жəне контурда жылу энергиясы бөлінеді. Электромагниттік толқындардың электр өрісінің жəне магнит индукциясының векторлары бір-біріне перпендикуляр. векторы вибратор арқылы өтетін жазықтықта жатады, ал векторы осы жазықтыққа жəне толқынның таралу бағытына перпендикуляр. Сол себепті магнит индукциясының сызықтары вибраторға перпендикуляр концентрлі шеңберлерді құрайды. Магнит сызықтары қашықтықтағы нүктелерде өзінің бағытын өзгертеді (3.10-сурет). Электромагниттік толқынның интенсивтігі вибратор осіне перпендикуляр бағытта максимал болып, осьтің бойымен таралмайды. Практикалық сабақтардың жоспары: 1 практикалық сабақ. Электрмагнетизмнің негізгі түсініктері, шамалары жəне заңдары. практикалық сабақ. Зарядтардың өзара əсері. 3 практикалық сабақ. Электр өрісіндегі зарядтың орын ауыстыру жұмысы. 4 практикалық сабақ. Электростатиканың кешенді есептері. 5 практикалық сабақ. Остроградский-Гаусс теоремасы. 6 практикалық сабақ. Күрделі жүйе өрістерінің кернеулігін жəне потенциалын есептеу. 7 практикалық сабақ. Электр өрісіндегі металдар. 8 практикалық сабақ. Электр өрісіндегі диэлектриктер. Конденсаторлар. 9 практикалық сабақ. Конденсаторлар. Шардың жəне конденсатордың электрсыйымдылығы. 10 практикалық сабақ. Электр өлшеуіш приборлар. 11 практикалық сабақ. Шунттар жəне қосымша кедергілер. 1 практикалық сабақ. Ток көздерін жалғау. 13 практикалық сабақ. Конденсаторлар жалғанған электр тізбектері. 14 практикалық сабақ. 1-7 аптаның тақырыптары бойынша бақылау жұмысы. 15 практикалық сабақ
Тақырып: Ток жұмысы жəне қуаты. 16 практикалық сабақ. Электр тасымалдау сызықтарының электрлік шығындары. 17 практикалық сабақ. Тармақталған тізбектер. 18 практикалық сабақ. Электр жəне магнит өрісіндегі зарядталған бөлшектердің қозғалысы. 19 практикалық сабақ. Холл эффектісі. 0 практикалық сабақ. Соленоид жəне тороидтың магнит өрісі. 1 практикалық сабақ. Магнит өрісіндегі механикалық жұмыс. практикалық сабақ. Электрмагниттік индукция заңы. 3 практикалық сабақ. Қозғалатын денелердегі электромагниттік индукция. 4 практикалық сабақ. Айнымалы ток. 5 практикалық сабақ. Тербелмелі контур. 6 практикалық сабақ. Тербелмелі контур. 7 практикалық сабақ. Электромагниттік толқындар. 8 практикалық сабақ. Бақылау жұмысы. 9 практикалық сабақ. Тестілік тапсырмалар. 30 практикалық сабақ. Тестілік тапсырмалар. Емтихан сұрақтары: 1 Электр заряды, оның қасиеттері. Кулон заңы. Электр өрісінің негізгі сипаттамалары қандай? Электростатикалық өрістің негізгі қасиеттерін айтыңыз. 3 Остроградский- Гаусс теоремасы. 4 Өріс күшінің зарядтарды тасымалдау барысында атқаратын жұмысы жəне кернеулік векторының тұйық контур бойымен циркуляциясы. Электр өрісінің потенциалы дегеніміз не? 5 Өткізгіштегі зарядтың бөлінуі қандай? Өткізгіштің бетіндегі электр өрісі жəне оның зарядтардың беттік тығыздығымен байланыстыратын формуланы жаз. 6 Əсерлесу арқылы электрлену. Электростатикалық қорғау. Ван-де Граафтың электростатикалық генераторы. 7 Электр сиымдылығы дегеніміз қандай шама? Конденсаторлар дегеніміз не? Оның түрлері қандай? Əртүрлі əдістермен жалғанған конденсаторлар батареясының электр сиымдылығын қалай табады? 8 Диэлектриктердегі өрісті сипаттаңыз. Оны қандай шамалармен сипаттайды? 9 Диэлектриктердегі өріске арналған Остроградский-Гаусс теоремасын жазып бер. 10 Сегнетоэлектриктер, пъезоэлектриктер, электреттер дегеніміз не? 11 Зарядталған өткізгіштің жəне зарядталған конденсатордың энергиясын қалай табады? 1 Электрстатикалық өрістің энергиясы мен энергия тығыздығы қалай есептеледі?
13 Электр тогы заңдарын айтыңыз. Ом заңының қандай түрлерін білесіз? 14 Тармақталған тізбектер үшін Кирхгоф ережелерін айтыңыз. 15 Джоуль-Ленц заңы жəне оның дифференциалдық үлгісі. 16 Металдардағы токтың табиғаты қандай? Толмен жəне Стьюарт тəжірибелері. Мандельштам жəне Папалекси тəжірибелері. 17 Металдардың өткізгіштігінің классикалық теориясы. Электр кедергінің себебі не? 18 Асқын өткізгіштік дегеніміз не? 19 Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің түрлері жəне қасиеттері қандай? 0 Қоспалы шала өткізгіштік. Донорлар мен акцепторлар. 1 Зеебек, Пельтье жəне Томсон эффектілері, олардың іс жүзіндегі құндылығы. Жартылай өткізгіш диод жəне транзистор. 3 Термоэлектрондық эмиссия жəне оның іс жүзінде қолданылуы. 4 Металл емес қатты денелердің электрондық, иондық жəне аралас өткізгіштік түрлері. 5 Контактылық потенциалдар айырымы. Вольта заңы. Термоэлектрлік құбылыстар. 6 Электролиттердегі электр тоғының заңдары қандай? 7 Электролиз. Фарадей заңдары. Ионның зарядын анықтау. Электролиздің техникада қолданылуы. 8 Гальвани элементтері. Аккумуляторлар. 9 Газдардағы электр тоғы. Газдағы разрядтардың түрлері жəне техникада қолданылуы. Катодтық сəулелер. 30 Магнит өрісінің индукциясы жəне кернеулігі. Ампер жəне Био Савар Лаплас заңдары. 31 Магнит өрісі негізгі қасиеттері. 3 Магнит өрісіндегі электр тогына əсер етуші күш. Магнит өрісіндегі тоғы бар өткізгіш орам. 33 Лоренц күші. 34 Магнит өрісіндегі тоғы бар өткізгіштің қозғалысы кезінде істелетін жұмыс. Магниттік ағын. 35 Магнетиктердің магнит өрісі. Диа- жəне парамагнетизмнің табиғаты. Ферромагнетиктердің табиғаты. 36 Электр магниттік индукция құбылысы. Фарадей жəне Ленц заңдары. 37 Өзіндік жəне өзара индукция құбылысы. Индуктивтілік. 38 Магнит өрісінің энергиясы жəне энергия тығыздығы. Құйынды токтар. Скин-эффект. 39 Электр магниттік өрістің негізгі теңдеулері. Ығысу тоғы жайындағы Максвелл болжамы. Максвелл теңдеулері. 40 Электр магниттік өріс энергиясының сақталу заңы. Энергия ағынының тығыздығы. Умов-Пойнтинг векторы.
Əдебиеттер тізімі 1. Гершензон Е.М. Малов Н.Н. Курс общей физики. Электричество и магнетизм М. Просвещение 1950.. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм М.: Высшая школа 1983. 3. Калашников С.Г. Электричество, М.: Наука 1985. 4. Гершензон Е.М. Малов Н.Н. Электродинамика, М.: Просвещение 1990. 5. Волькенштейн В.С. «Сборник задач по общему курсу физики». М.: Наука, 1985, 380с. 6. Цедрик М.С. «Сборник задач по общему курсу физики». М.: Просвещение, 1989, 7с. 7. Тобаяқов. Ж. Электр жəне магнетизм, Алматы, 1988 8. Абдуллаев Ж. Жалпы физика курсы. Алматы,: Білім 1991 9. Арызханов Б. Физика. Алматы.:Мектеп, 1994 10. Ақылбеков Ə. Физика. Алматы, : Білім, 1997 11. Əбілдаев Ə.Х. Электродинамика негіздері. Алматы, Рауан, 1994 1. ПерышкинА.В.Физика курсы,3-бөлім, Электр, оптика жəне атом құрылысы. Алматы. :Мектеп,197 13. Путилов К.А. Курс физики. М.Физматгиз 1959 14. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма. 15. Зильберман Г.В. Электричество и магнетизм М.: 1970. 16. Ливенцев Н.М. Курс физики. М.: Высшая школа 1978. 17. Евграфова Н.Н. Каган В.Л. Курс физики. М.: Высшая школа 1984. 18. Тамм И.Е. Основы теории электричества М.: Наука 1976. 19. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. Том. М.:Наука 1974. 0. Кабардин О.Ф. Физика Справочные материалы М 1994 1. Трофимова Т.И. Курс физики М. 1999. Ахметова Б.Г., Əбілдаев Ə.Х. Физика Алматы. 1987 3. Арызханов Б. Физика курсы. Алматы.:Мектеп, 1988 4. Абдуллаев Ж. Физика курсы Алматы,: Білім 1994 5. Жылқыбаева М.Ж. Жалпы физика курсының есептері, Алматы, 199 6. Қойшыбаев Н. Кванттар сыры Алматы 1976 7. Перельман Занимательная физика книги 8. Майсов «Физический парктикум»