І. Электрстатик а

1.1. Электрстатика пәні. Электр зарядтары. Элементар заряд.

Электр зарядының сақталу заңы

Электрстатика - қарастырылып жатқан координаттық системада қозғалмайтын электр зарядтарының өзара әсерлесуін зерттейтін пән.

Шартты түрде оң және теріс деп аталатын екі түрлі электр зарядының бар екені белгілі. Электр заряды белгілі бір элементар бөлшектердің бөлінбейтін табиғи қасиеті болып табылады. Бұл элементар бөлшектердің зарядтары (егер ол нөлге тең болмаса) абсолют шамасы бойынша бірдей болады. Міне, осындай бөлшектерді элементар заряд деп, оны “е” әрпімен белгілейміз.

Элементар бөлшектердің қатарына, мысалы, электрон (теріс зарядты), протон (оң зарядты) және нейтрон (бейтарап, яғни заряды нөлге тең) жатады. Осы бөлшектерден заттың атомдары құралатындықтан электр зарядтары барлық денелердің құрамында болатыны белгілі. Әдетте, әр таңбалы зарядтарды тасушы бөлшектер денеде бірдей мөлшерде болады да бірыңғай тығыздықпен орналасады. Сондықтан бұл жағдайда дененің кез-келген элементар көлеміндегі зарядтардың алгебралық қосындысы нөлге тең болады да дене тұтас алғанда нейтралды болады. Егер бір себеппен денеде бір таңбалы бөлшектердің артық санын туғызсақ, онда ол зарядталған жағдайда болады (үйкеліс арқылы электрлендіру) немесе оң және теріс бөлшектердің жалпы санын өзгертпей-ақ, дененің бір бөлігінде бірдей таңбалы зарядтар артық болатындай етіп, оларды қайта орналастыруға болады. Мысалы, мұны металл денеге басқа бір зарядталған денені жақындату арқылы жүзеге асыруға болады (индукция арқылы электрлендіру немесе ықпал, әсер арқылы электрлендіру).

Әрбір “” заряд элементар зарядтарың жиынтығынан құралатындықтан, ол “”-ге бүтін еселі болып табылады:

Сонымен, электр зарядтары жоқтан пайда болмайды, олар тек белгілі денелерде, олардың арасында бөлініп, түрліше таралып отырады. Сондықтан тұйық жүйелерде әр кез электр зарядтарының сақталу заңы орындалады.

Тұйық жүйедегі электр зарядтарының алгебралық қосындысы тұрақты болады.

Кейбір ерекше жағдайларда, мысалы, жарықтың затпен әрекеттесуі барысында зарядталған бөлшектердің пайда болуы немесе олардың жарықты туғыза отырып жоғалулары мүмкін. Бірақ бұл жағдайда қос таңбалы зарядтар бірдей мөлшерде пайда болып немесе жоғалып отырады да электр зарядының сақталу заңы әрқашан орындалады.

1.2. Зарядтардың өзара әсерлесуі. Кулон заңы. Ортаның диэлектрлік өтімділігі

Денедегі электр зарядының бар-жоғын олардың өзара әсерлесуінен байқауға болады. Мысалы, аттас зарядты денелер бір-бірін тебеді, ал әр аттас денелер бірін-бірі тартады.

Нүктелік зарядтардың өзара әсерлесу күшін сипаттайтын заңды 1785 жылы Кулон анықтады (Кулон Шарль Огюстен, 1736-1806 жылдары өмір сүрген атақы француз физигі).

Нүктелік заряд деп осы дененің электр зарядтарын тасымалдайтын, басқа денелерге дейінгі қашықтығымен салыстырғанда мөлшерін ескермеуге болатын зарядталған денені айтады.

1.2-сурет

мұндағы - пропорционалдық коэффициент.

Кулон заңын вектор түрінде былай жазуға болады:

(1.3)

Бұл өрнектегі бір зарядтан екіншіге қарай жүргізілген және бағыты зарядқа түсірілген күшінің бағытымен дәл келетін вектор деп қарастыру керек. (1.3) өрнектен әр аттас зарядтар болған кезде күшінің радиус-векторға қарама-қарсы бағытталатынын, ал аттас зарядтар болған жағдайда күшінің -дің бағытымен бағыттас болатыны көрінеді.

Халықаралық жүйеде зарядтың өлшем бірлігі ретінде Кулон (Кл) қабылданған. Элементар электр заряды (электрон заряды)

Кулон тәжірибесінде электр зарядтары ауада орналасқан еді. Кейінгі тәжірибелердің нәтижесінде зарядтардың өзара әсерлесу күшіне оларды қоршаған ортаның едәуір әсер ететіндігі анықталды. Осы жағдайды ескеріп, Кулон заңын ауасыз (бостық) орта үшін былай жазамыз:

мұндағы - электрлік тұрақты .

Электрдинамиканың көптеген формуларына көбейткіші және жарықтың бостықтағы жылдамдығына тең электрдинамикалық тұрақты “” енеді. Практикалық аса маңызды формулаларда олардың орнына Кулон заңыдағы пропорционалдық коэффициенті -ге тең деп алады.

Белгілі бір орта үшін

мұндағы - ортаның салыстырмалы диэлектрлік өтімділігі. (, ал бостық үшін , яғни кез-келген ортада әсерлесу күші әлсірдейді; -өлшемсіз шама).