Электр заряды. Зарядтың беттік және көлемдік тығыздығы. Зарядтың сақталу заңы. Кулон заңы. Физика, 10 сынып, қосымша матераил.

«Электр заряды. Зарядтың беттік және көлемдік тығыздығы. Зарядтың сақталу заңы.

Кулон заңы» теориялық мағлұмат

10.4.1.1 – электр зарядының сақталу заңы мен Кулон заңын есептер шығаруда қолдану

Электр заряды.

Бұл құбылыстар өте ертеден белгілі болған. Біздің заманымызға дейін 600-жылдары ертедегі гректер сары янтарьдың ерекше қасиеті бар екенін байқаған. Яғни янтарьды теріге немесе жүнге үйкегенде оның әртүрлі денелерді өзіне тартанын байқаған. Сол кезде гректер сары янтарьды өндірген.

«Янтарь» - Жер бетінде әлденеше жүздеген мың жылдар бұрын өсіп-өрген қылқан жапытарқы ағаштардың қатып тасқа айналған шайыры. Грек тілінде «янтарь» -электрон дегенді білдіреді. Гректер осы шайырды «электрон», ал оған қатысты денелердің электрленуі деп атаған. Янтарь өзіне басқа денелерді тарту қабілетіне ие болғанда, оны электрленген күйде деп атайды. «Электрон» сөзінен «электр» деген сөзі шықты. Электрлену барысында пайда болатын күштерді электр күштері деп атаған.

Тәжiрибеге сүйенейiк. Шыны таяқшаны алып қағаз түйiршiктерiне жақындатайық. Бiз ешқандай өзгерiс болмағанын көремiз. Бұдан қалыпты күйде басқа заттар сияқты шыны да электрлік бейтарап болатындығын көремiз. Ендi шыны таяқшаны қағазға үйкегеннен кейiн, тағы да қағаз түйiршiктерiне жақындатамыз. Бiз олардың таяқшаға тартылатынын көремiз (1-сурет). Осыған ұқсас құбылыс құрғақ шашты тарағанда да байқалады.Шаштың тараққа тартылуы да электрлену нәтижесi болып табылады

Электрленген таяқшаны жіңішке су ағынына жақындатып, тек қана қатты денелер емес сұйықтардың да тартылу қасиетiне ие болатындығына көз жеткiзуге болады (2-сурет).

Денелердің электрленуі құбылысы түрлі тектегі екі дененің жанасуы кезінде ғана байқалады. Оны жоғарыда келтірілген мысалдардан байқаған боларсыңдар. Күнделікті өмірде мұндай құбылыстар жиі кезедеседі. Көп жағдайда жанасқан заттардың бір-біріне тартылатындығын байқауға болады. Денелер өзара электрленеді де, олардың арасында электр күштерінің тартылысы пайда болады. Бұл құбылыс үйкелу арқылы электрлену деп аталады.

Үйкеліс арқылы электрлену нәтижесiнде екi дене де электр зарядын алатынын есте ұстау керек. Мысалы, шыны таяқша мен резина үйкелгенде шыны да, резина да электрленедi. Демек, резина да шыны таяқша сияқты өзiне ұсақ денелердi тарта бастайды (3-сурет).

Денелердi электрлеу үшiн бiр-бiрiне жай ғана бiр рет тигiзу жеткiлiксiз. Денелердi бiр-бiрiне қатты қысып үйкелеу керек. Сол кезде олардың арасындағы ара қашықтық азайып, беттесу ауданы ұлғаяды.Денелердің электрленуі тек үйкелу арқылы ғана пайда болмайды. Үйкелу – денелердің жанасып, ажырау процесі.Денелер соқтығысқанда және жарылыс кезінде де электрленуі мүмкін. Қолымызды электрленген затқа немесе iстеп тұрған телевизор экранына, экран бетiнде электр заряды бар, жақындатқанда шытырлаған дыбыс естуге болады, ал қараңғыда кiшкентай ұшқындарды көруге болады. Бұл да электрлiк құбылыс көрiнiсi.

2. Жоғарыда қарастырылған құбылыстар электрлену кезінде түрлі заттардан жасалған денелердің электрлі өзара әрекеттесу қабілетіне ие болатындығын дәлелдей түседі. Деннелердің осы қасиетін электр заряды деп аталатын физикалық шамамен сипаттайды. Денелердің өзара электрлік әрекеттесу қабілетіне ие болуы –олардың электрленуі деп аталады.Бұл мысалдардың барлығы, беттер арасындағы үйкеліс нәтижесінде электр зарядының пайда болатынын көрсетеді. Әр жағдайда екі денеде қарама –қарсы зарядтарының бірдей мөлшері пайда болады.

Электр зарядтарының өзара әрекеттесу сипатын анықтайық. Мынадай шағын тәжірибе жасап көрелік. Жіңішке жіпке екі жеңіл бузин шарларын іліп қоялық. Оларға жібекке үйкелген шыны таяқшаны тигізейік, шарлар бір-бірінен тебіле бастайды. Шарлар таяқшадан да тебіле бастайды.

Сонымен, электрленген таяқшадан екі шар да бірдей электр зарядына ие болады. Мұндай бірдей электр зарядтарын аттас зарядтар деп атайды. Демек, электрленген аттас зарядтар бір- бірінен тебіледі. Бұл қорытындыны эбонит таяқшаны сол шарларға тигізгенде де олардың бір-бірінен тебілуі арқылы дәлелдеуге болады. Егер шарлардың біреуін теріге үйкелеген эбонит таяқшаны тигізіп, ал екіншісіне жібекке үйкелген шыны таяқшаны тигізсе, онда олар бір-біріне тартылады.

Осы тәжiрибелер табиғатта электр зарядының екi тегi болатындығын көрсетедi.Жiбекке үйкелген шыныда пайда болған заряд тегi оң (+) деп, ал жүнге үйкелген янтарьда пайда болған зарядты терiс (–) деп атаған.

Жүнге үйкелген эбонит таяқшада немесе янтарьда пайда болған зарядтар шартты түрде теріс (-), ал жібекке немесе теріге үйкелген шыны таяқшадағы зарядтар оң (+) деп аталады. Оң және теріс зарядтардың болуы үйкелген денелердің электрлену табиғатын түсінуге мүмкіндік береді. Эбонит таяқшаны жүн матаға үйкегенде –теріс заряд, ал жүн мата мөлшерде-оң заряд алады. Бұл зарядтар жоқтан пайда болмайды және ешқайда жоғалып та кетпейді. Олар өзара жанасатын денелерде болады. Екі зарыдтың беттік жанасуынан зарядтар бір денеден екіншісіне немесе оның белгілі бір бөлігіне беріледі.Эбонит-жүн, шыны-жібек сияқты денелердің жүйелері басқа қоршаған денелермен әрекеттестпейді деп есептейік.

3. Қоршаған ортаның денелерімен әрекеттеспейтін денелер жүйесін оқшауланған немесе тұйықталған деп атаймыз. Бұл жүйедегі электрлену құбылысы электр зарядының сақталу заңына бағынады

Тұйықталған жүйедегі денелердің электрленуінің барлық құбылыстарында электр зарядтарының қосындысы сақталады

q₁ + q₂ + … + q_n = const

Осы заң бойынша, егер бір дене оң электр зарядына ие болса, онда екінші дене одан модулі бойынша өзара тең, бірақ теріс заряд алады. Бейтарап денелерде бірдей мөлшерде оң және теріс зарядтарда болады. Бейтарап денелердегі қарама-қарсы зарядтардың қосындысы нөлге тең болғандықтан, оларды байқау қиын.Заттардың электрленуiн бақылау үшiн жүргiзiлген тәжiрибелер нәтижесiнде барлық заттардың электрлену тегіне қарай қатарларға қоюға болатындығы анықталды. Мұндай қатарда бiрiншi дене екiншiсiне үйкелгенде оң, ал екiншiсi терiс зарядталады. Мысалы, сондай қатарлардың бiрi мынадай қоян терiсi, шыны, кварц, жүн, жiбек, мақта, ағаш, янтарь, каучук.

4. Электрленуді байқауға арналған ең ыңғайлы аспап электроскоп деп аталады. Электроскопта ұшына екi жеңiл жапырақша iлiнген металл өзекше, металл сақинаға кигiзiлген пластмасса тығын арқылы өткiзiлген. Металл сақинаның екi жағы да шынымен жабылған.

Электрленген таяқшаны электроскоптың өзекшесiне тигiземiз. Жапырақшалар таңбасы бiрдей зарядтар (таяқшадағы заряд) алып бiр-бiрiнен ажырайды (8, б-сурет). Жапырақшалардың ажырау бұрышы, оларға берiлген зарядқа тәуелдi. Оларға берiлген заряд неғұрлым көп болса, олар соғұрлым күштiрек тебiледi, демек соғұрлым үлкен бұрышқа ажырайды.

Құрылысы басқаша болып келетін электроскоптарда бар. Суретте электрометр деп аталатын тағы бiр құрал көрсетiлген. Мұнда жапырақшалар орнына бағыттауыш орнатылған. А өзекшеге (немесе, сол өзекшеге орнатылған металл шарға) заряд берiлгенде, оның бiр бөлiгi В бағыттауышқа өтедi. Өзекшеден тебiлген бағыттауыш белгiлi бiр бұрышқа бұрылады. Осы бұрыштың өзгерiсiне қарай электр зарядының көбеюiн немесе азаюын бақылауға болады.

Егер зарядталған дененi (мысалы, электрометр шарын) қолмен ұстаса, онда ол дене разрядталады. Электр заряды қолымыз арқылы денемiздiң бетiне таралады. Тура осы жағдай электрометр шарына тiкелей қолмен емес металл сызғышпен тигенде де қайталанады.

Зарядталған денелердің өзара әсерлесу күштері электр өрісі арқылы беріледі. Қозғалмайтын зарядтардың электр өрісін электростатикалық өріс деп атайды. Электр өрісін сандық сипаттау үшін электр өрісінің кернеулік векторы енгізілген.

 Электр өрісінің кернеулігі электр өрісінде орналасқан нүктелік зарядқа әсер ететін күштің осы зарядтың шамасына қатынасына тең болады:

 ,

Өлшем бірлігі

 Кернеулік векторының бағыты оң зарядқа әсер ететін күштің бағытымен бағыттас болады.

Электр өрісінің кернеулік векторы электр өрісінің күштік сипаттамасы болып табылады, яғни электр өрісінде орналасқан бірлік оң зарядқа әсер ететін күшті анықтайды.

Барлық нүктесіндегі кернеулік векторының бағыты мен шамасы бірдей болатын электр өрісін біртекті электр өрісі деп атайды.

Электр өрісіне енгізілген зарядтарға өріс тарапынан әсер ететін күш

.

Вакуумдегі нүктелік зарядтың тудыратын электр өрісінің кернеулігі:

Зарядталған дене нүктелік болмаған жағдайда зарядталған денелерді келесі үш топқа бөлуге болады:

1)     Сызықтық зарядталған дене

2) Беттік зарядталған дене

3)     Көлемдік зарядталған дене

Кулон заңы – Электростатиканың негізгі заңы.

Егер денелер арасындағы ара қашықтық олардың өлшемдерімен салыстырғанда бірнеше есе артық болса, онда зарядталған денелердің формасы да, өлшемдері де олардың өзара әсерлесуіне елеулі әсер етпейді. Бұндай жағдайда ол денелерді нүктелік дене ретінде қарастыруға болады.

Тынышталған нүктелік зарядтар (4.1 - сурет) арасындағы өзара әсерлесу заңы тәжірибе жүзінде 1785ж Француз ғалымы Шарль .Кулон анықтаған және оның есімімен аталады. Кулон заңы: Қозғалмайтын екі нүктелік заряд вакуумде зарядтардың көбейтіндісіне тура пропорционал және оның арақашықтығының квадратына кері пропорционал күшпен әрекеттеседі.

Мұндағы: k – пропорционалдық коэффициенті, сандыұ мәні бірлік зарядтардың бірлік ұзындығына тең арақашықтықта өзара әсерлесу күшіне тең.

k - коэффициентін мынадай түрде жазу қабылданған.

Мұндағы: ε₀ - электр тұрақтысы. СИ жүйесі бойынша мынаған тең:

Табиғатта бар ең кіші заряд - бұл элементар бөлшектер заряды. Си бірлігінде бұл зарядтың модулі мынаған тең:

e =1,6∙10^-19 Кл

Өлшемдері өзара әрекеттесетін денелердің арақашықтығынан бірнеше есе кіші болатын денеде орналасқан зарядты нүктелік заряд деп атайды.

1 Кулон – вакуумде 1м арақашықтықта орналасқан шамасы жағынан өзіне тең нүктелік зарядқа 9*10⁹ Н күшпен әрекет ететін нүктелік заряд.