Дәріс электродинамиканың негізгі ұҒымдары алдағы үш тарауда басты міндеттердің бірі шешіледі – классикалық электродинамиканың құрылысын салу және егжей-тегжейлі талқылау. Ол кестеде келтірілген

жүктеу/скачать 0,7 Mb.

бет	1/58
Дата	21.09.2023
өлшемі	0,7 Mb.
	#109463

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 58

1.1. Электр заряды

Дәріс

ЭЛЕКТРОДИНАМИКАНЫҢ НЕГІЗГІ ҰҒЫМДАРЫ
Алдағы үш тарауда басты міндеттердің бірі шешіледі – классикалық электродинамиканың құрылысын салу және егжей-тегжейлі талқылау. Ол кестеде келтірілген. Бұл тарауда электродинамиканың негізгі ұғымдары қалыптасады және талданады, оның эмпирикалық базисі сипатталған және осы негізде вакуумдағы электромагниттік өріс үшін динамикалық теңдеулер тұжырымдалған.

кесте

1.1. Электр заряды
Сонымен, біз табиғатта электрлік зарядталған бөлшектер (денелер), яғни электромагниттік деп аталатын белгілі бір қасиеттермен әрекеттесуге қатысатын бөлшектер бар деп санаймыз. Біздің жақын арада мақсатымыз, электродинамиканың маңызды ұғымдарының бірі - электр заряды ұғымын қалыптастыру және талқылау. Бұл жүйенің параметрі – бөлшектің ішкі сипаттамасы, оның электромагниттік әсерлесуге қатынасын анықтайды.
Мектеп физика оқулығында электр заряды туралы не айтылғанын еске түсірейік:
«Электр зарядының шамасы электромагниттік өзара әрекеттесулердің қарқындылығын анықтайды ... Егер біз осы өзара әрекеттесулердің заңдылықтарын білмесек, заряд туралы ештеңе білмейміз. Өзара әрекеттесу заңдылықтарын білу біздің заряд туралы түсінігімізге енуі керек. Бұл заңдар қарапайым емес, оларды бірнеше сөзбен айту мүмкін емес. Сондықтан электр заряды дегеніміз не екендігі туралы жеткілікті қанағаттанарлық қысқаша анықтама беру мүмкін емес.»
Осылайша, мектеп курсында электр зарядын белгілі себептермен қатаң және жедел түрде енгізу мүмкін емес. Педагогикалық институттардың студенттеріне арналған жалпы физика бойынша оқу құралында бұл маңызды ұғым мүлдем талқыланбайды. Болашақ мұғалімнің физикалық біліміндегі осындай маңызды олқылық төменде келтірілген. Бұл жағдайда біз бай эмпирикалық материалды жинақтайтын ойлау экспериментін кеңінен тарта отырып, тәжірибеден өтеміз.
Зарядталған денелердің белгілі бір жүйесін қарастырып, оның механикалық күйінің айнымалыларын бір Х белгісімен белгілеңіз. Сондай-ақ, зерттелетін а бөлшегін қарастырайық, оның келесі қасиеттері бар екенін ескере отырып:
а) бөлшектің мөлшері жүйенің ең жақын денесіне дейінгі қашықтықпен салыстырғанда аз;
б) бөлшек шағын, өйткені оның жүйеге кері әсері шамалы, яғни ол X күйін өзгертпейді;
в) бөлшек тек электромагниттік әсерлесуге қатысады;
г) Бөлшекке қоршаған ортадан әсер ететін күш сыртқы жүйенің Х күйімен және а бөлшектің күйімен анықталады, осылайша соңғысының электромагниттік әсерлесуге қатынасы белгілі бір скалярлық шамамен сипатталады.

Енді біз күшін өлшейміз, содан кейін X және күйлерін сақтай отырып, a бөлшегін басқа b бөлшекпен ауыстырамыз және күшті өлшейміз:

және .
Соңында X және күйлерін Х’ және күйлеріне ауыстырып, күштерді өлшейміз

және .

Негізгі эмпирикалық факт. және , сондай-ақ және күштері коллинеар, олардың өзара бағдары толық жүйенің күйіне тәуелді емес, және

(1.1.1)
Мұндағы – күш векторларының олар әсер ететін бағытталған түзу сызыққа проекциялары. Осыдан келесі тұжырымдаманы енгізудің дұрыстығы айқын болады.

Анықтама. Бірдей жағдайда болатын а және b бөлшектеріне әсер ететін электромагниттік күштердің проекцияларының қатынасы , олардың электр зарядтарының қатынасы деп аталады:

. (1.1.2)

Физикада жиі кездесетін a және b екі бөлшегінің зарядтарының қатынасы шын мәнінде тікелей және нақты мағынаға ие екенін көреміз (кем дегенде ньютон механикасындағы массаның анықтамасын еске алайық). Бірақ егер b ретінде 0 анықтамалық бөлшекті алып, анықтамасы бойынша қойсақ, онда (1.2) a бөлшектің «өте» электр зарядының мәнін табамыз.

(1.1.3)
(масса, ортаның абсолютті сыну көрсеткіші т.б. ұғымдарын енгізумен салыстыру). Бұл анықтаманың жұмыс істеуі өте маңызды: онда бұл ұғымды сапалы түрде сипаттайтын кейбір жалпы сөздер ғана емес, бөлшектің электр зарядын өлшеудің іргелі әдісі бар.

анықтамалық зарядының мәні 1-ге тең деп қабылданады, бірақ, жалпы айтқанда, оған белгілі бір өлшем жатады. Бұл мәселе физикалық шамалардың өлшем бірліктерінің жүйесін таңдаумен байланысты. БЖ - де , ал кулон негізгі деп саналатын ампермен ток күшінің бірлігімен тікелей байланысты: 1Кл = 1 А*с. СГСЭ және Гаусс жүйесінде заряд бірлігі Кулон заңы арқылы сантиметрмен, грамммен және секундпен өрнектеледі, ал зарядтың өлшемі осы формуламен беріледі

оның үстіне

. (1.1.4)

Элементар бөлшектер физикасында протон заряды эталон ретінде қызмет етеді

(1.1.5)
барлық басқа бөлшектердің зарядтары бірліктерінде тікелей көрсетіледі. Нәтижесінде электр заряды өлшемсіз шама болып шығады (мысалы, электронның заряды –1).

Электр зарядының негізгі қасиеттерін тізіп көрейік, олар көп жағдайда, бірақ барлығы осы тұжырымдаманың құрылуынан туындамайды. Төмендегі мәлімдемелер негізгі болып табылады. Олар көптеген эксперименттік фактілердің салдарын білдіреді. Олардың көпшілігі кез-келген бастапқы теориялық принциптерден туындамайды және бұл тұжырымдардың барлығы әлі де дәл деп саналады.
1. Заряд бөлшектің ішкі сипаттамасы (жүйе параметрі) – зарядтың мәні оның күйіне тәуелді емес деген мағынада. Бұл негізгі эмпирикалық фактінің салдары (1.1).
2. Заряд бөлшектің инвариантты сипаттамасы, яғни оның мәні санақ жүйесін таңдауға байланысты емес. Шын мәнінде, бұл (1.1)-ден туындайды, өйткені жаңа санақ жүйесіне көшу қарастырылған контексте жай бөлшек күйінің өзгеруіне дейін қысқарады.
3. Заряд бөлшектің электромагниттік әсерлесуінің қарқындылығын анықтайды. Бұл (1.2) сәйкес оған әсер ететін электромагниттік күш түрінде ұсынылатындығынан бірден көрінеді

, (1.1.6)

мұндағы енді қарастырылып отырған бөлшектің табиғатына тәуелді емес. Мұнда мектептің"анықтамасын" еске түсірген орынды: "Электр зарядының мөлшері электромагниттік әсерлесудің қарқындылығын анықтайды". Енді оған қатаң мағына берілді.

4. Заряд массаға қарағанда белгілі шама емес. Егер (1.2) анықтамасында және күштері параллель болса, және таңбалары бірдей, егер олар антипараллель болса, таңбалары әртүрлі. Кез келген x және үшін , содан кейін болуы мүмкін. Барлық денелердің электр зарядтарының белгілері келісіммен бекітіледі, оған сәйкес электронның (протонның) заряды теріс (оң) деп есептеледі. Мектеп оқулығында дәл осындай келісім қабылданды:

"Барлық атом ядроларын құрайтын элементар бөлшектердің – протондардың заряды оң деп аталады, ал электрондардың заряды теріс деп аталады. Оң және теріс зарядтардың арасында ішкі айырмашылықтар жоқ. Егер бөлшектердің зарядтарының белгілері өзгерсе, онда электромагниттік өзара әрекеттесудің табиғаты мүлдем өзгермейді".
Осыған байланысты "әйнек" және "эбонит" электр энергиясының жағымдылығы туралы келісім анахронизмге ұқсайды.
5. Электр заряды аддитивтік қасиетке ие. Басқаша айтқанда, бір бөлшек ретінде қарастырылатын кез-келген жүйенің заряды оны құрайтын элементтердің зарядтарының алгебралық қосындысына тең:

. (1.1.7)

6. Зарядтардың таралуы, қатаң айтқанда, әрқашан дискретті болады. Қазіргі көзқарастарға сәйкес негізгі бөлшектер (лептондар мен кварктар) нүктелік нысандар болып саналады. Қалай болғанда да, олар м қашықтыққа дейін ешқандай ішкі құрылымды таба алмайды.
7. Электр зарядтарының мәндері қатаң түрде квантталған. Бұл кез келген дененің заряды е элементар зарядының еселі екенін білдіреді [протон зарядымен (1.5) сәйкес келеді]:

. (1.1.8)
Мұндағы k – элементар бөлшектер физикасында зарядтарының мәндері анықталған бүтін сандар. Электр зарядының квантталғандығы факті өте қатаң. Сонымен, соңғы ниеттерге сәйкес, протон мен электрон зарядтарының модульдеріндегі салыстырмалы айырмашылық үшін келесі эксперименталды бағалау орын алады:

(1.1.9)
Рас, қазіргі теорияда кварктар - бөлшек зарядтары және бөлшектер пайда болады. Бірақ, мүмкін, олар еркін күйде өмір сүре алмайды, бірақ басқа, нақты анықталатын бөлшектердің құрамына кіреді – адрондар (протондар, нейтрондар және т.б.). Алайда, егер олар тікелей тіркелсе де, бұл зарядтың квантталуы туралы тұжырымның әділдігін бұзбайды. Элементар зарядтың қазіргі мәні дәл үш есе азаяды. Электр зарядының қатаң квантталуы (масса бұл қасиетке ие емес!) өте таң қалдырады. Ол өзінің ішінара түсіндірмесін тек соңғы жылдары унитарлық теориялар аясында тапты, олар барлық іргелі өзара әрекеттесулерді белгілі бір негізде түсіндіреді.

8. Тұйық жүйенің жалпы электр заряды сақталады:

. (1.1.10)

Бұл қасиет соншалықты маңызды, сондықтан оны талқылауға жеке параграф арнау орынды.

жүктеу/скачать 0,7 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 58