Электр өрісі. Біртекті және біртекті емес электр өрісі. Электр өрісінің кернеулігі. Физика, 10 сынып, дидактикалық материал.

Теориялық мәлімет.

Электр өрісіне енгізілген зарядталған денеге өріс тарапынан күш әрекет етеді. Осы күштің әрекетінен дене орын ауыстыра алады, яғни зарядтың орын ауыстыруы кезінде жұмыс атқарылады.

Қозғалмайтын электр зарядының электр өрісі электростатикалық өріс деп аталады.

Өрісті сиаттау үшін екі шама енгізілген: күштік сипаттама – кернеулік, энергетикалық сипаттама –потенциал.

Біз бүгін электр өрісінің күштік сипаттамасы кернеулік туралы мәліметтермен танысамыз. Сонымен қатар кернеуліктің потенциалдар айырмасымен (кернеумен) байланысына тоқталатын боламыз. Біртекті және біртекті емес электр өрісі жағдайындағы кернеулікті есептеуге есептер шығарамыз.

Денелердің өзара әрекеттесуін сипаттайтын тәжірибелер зарядталған дененің электр өрісі осы өрістегі басқа да зарядталған денелерге белгілі бір күшпен әрекет ететінін көрсетеді. Екі немесе одан да көп денелердің де бір-біріне өзара әрекеті болатыны аңғарылады. Бұдан зарядталған денелердің электрлік өзара әректтесуінің бар екені пайымдалады. Заряталған басқа денелерге (гильза, шар) электр өрісінің, мысалы, таяшалардың әрекет етуіне қарап, заряталған денеден әртүрлі қашықтықта оның электр өрісі бірдей болмайды деген қорытынды жасауға болады.

Зарядталған денелердің маңында электр өрісінің әрекеті күштірек, ал олардан алыстаған сайын әлсірейді. Зарядталған денеге әрекет ететін электр өрісінің шамасы туралы айту үшін өрістің сандық сипаттамасын енгізу қажет. Зарядталған денеге немес бөлшектерге өріс тарапынан әрекет ететін күштерді электрлік күш деп атаймыз.

Заряд бірлігіне әрекет ететін күшке тең F/Q қатынасы электр өрісінің күштік сипаттамасы болып табылады және осы нүктедегі электр өрісінің кернеулігі деп аталады.

Өріс кернеулігінің бағыты осы өрістегі оң зарядқа әрекет ететін күштің бағытымен бағыттас векторлық шама болып табылады. Кернеулік E арқылы белгіленеді:

E = F/Q

ХБЖ жүйесінде электр өрісі кернеулігінің бірлігіне 1Н/Кл алынған.

(D) Екі металл паластиналарды бір-біріне параллель орналастарайық. Осы пластиналарың біреуіне +q заряд, ал екіншісіне –q заряд берсек, онда пластиналардың арақашықтығы олардың сызықтық өлшемдерімен салыстырғанда аз болса, онда бұл өрістің кернеулік сызықтары параллель болып шығады. Пластиналар арасындағы өрістің күші және бағыты бойынша (біртекті) тұрақты болады және оның пластина шетінде бағытын өзгертіп әлсізденеді.

Әр нүктеде модулі мен бағыты бойынша кернеулігі тұрақты электр өрісін біртекті деп атайды. Біртекті электр өрісіндегі кернеулік сызықтары бір-біріне параллель. Электр өрісінің кернеулік сызықтары тұйықталған, үздіксіз және қиылыспайды. Пластиналар арасындағы кеңістіктің ортасындағы өрісті ғана біртекті деп атауға болады, себебі пластиналардың шетіне векторлары өрістің әртүрлі нүктелерінде бірдей болмайды. Өрістің әртүрлі нүктелеріндегі кернеулік сызықтарының тығыздығы әртүрлі болатын өрістерді біртекті емес өріс деп атайды.

E = U/d

Формуладан көріп отырғанымыздай электр өрісі кернеулігінің мәні кернеуге тура пропорционал, ал арақашыққа кері пропорционал.

Cambridge International AS and A level Physics Coursebook электронды оқулығындағы Exsel бағдарламасында жасалынған анимацияны қарастырайық.

Пластиналардың бір-бірінен алшақтату өрісті әлсіздендіреді.

Кернеуді арттыру өрісті күшейтеді.

Сабағымыздың басында атап өткендей, электр өрісін сипаттайтын екінші шама энергетикалық сипаттамасы - потенциал.

Электр өрісінің берілген нүктедегі энергетикалық сипаттамасы φ өрістің осы нүктедегі потенциалы деп аталады. Потенциал өрістің өрістің берілген нүктесіндегі бірлік оң зарядтың потенциалдық энергиясымен өлшенеді:

φ= W/Q

Электр өрісі нүктесінің потенциалы сан мәні жағынан бірлік оң зарядты осы нүктеден шексіздікке алып өткенде электр өрісі күштерінің атқарған жұмысына тең.

Өріс күштерінің жұмысын потенциалдар айырымының көмегімен өрнектеуге болады.

А_1,2= Q_сын(φ_1- φ₁) = Q_сын U_1,2

Мұндағы (φ_1- φ₁)-потенциалдар айырымы 1-ші және 2-ші нүктелердің арасындағы кернеу деп аталады және U_1,2 түрінде белгіленеді.

Индекстерін алып тастасақ,

А = Q U.

Демек, Q заряд өрістің екі нүктесінің арасындағы орын ауыстырғанда өріс күштерінің жасайтын осы нүктелер арасындағы кернеуге тура пропорционал.

T) сонымен біз электр өрісі кернеулігін екі формуласын қарастырдық.

E = F/Q және E = U/d

Бұл жерден көріп отырғандарыңыздай, электр өрісі кернеулігінің ХБЖ-інде екі өлшем бірлігі бар екендігін аңғаруға болады.

E = F/Q 1Н/Кл

E = U/d 1В/м

Екі формуланы біріктіріп түрлендірер болсақ,

E = F/Q F= QE

E = U/d формуласын қосатын болсақ,

F= QE = Q U/d

Бұл өрнек біртекті өрісте зарядқа әсер ететін күшті анықтауға мүмкіндік береді.

Енді өрісте зарядтың қозғалысы кезінде энергияны анықтайық.

W = Fd= QU.

Электр өрісінің потенциалы:

Суретте біртекті өріс берілген. +q зарядты А нүктесінен В нүктесіне жеткізу үшін оған Ғ күшпен әрекет етуіміз керек. Ол күш қарама-қарсы бағытта Eq электр күшіне тең. Зарядты орын ауыстырғанда Eqh жұмыс жасалады. Сондықтан зарядтың потенциалдық энергиясын PE=Eqh-қа арттырамыз. Неғұрлым денені бөлме ішінде биігірек көтерсек, ол соғұрлым көбірек потенциалдық энергияға ие болатын сияқты.

Потенциал өрістің берілген нүктесіндегі бірлік оң зарядтың потенциалдық энергиясымен өлшенеді. Потенциал скаляр шама. Өлшем бірлігі Дж*Кл^-1 немесе В.

А нүктесіндегі потенциал 0 деп есептесек, В нүктесіндегі потенциал Eh болады.