48. Газдардағы жəне плазмадағы электр тоғы. Плазма туралы түсінік.

Қалыпты жағдайда газдарда еркiн ток тасушылар (электрондар мен иондар) болмайды.

Газдардың атомадары мен молекулаларына электронның үзiлiп кетуi газдардың иондалуы дейдi. Газдарда электр тогын тасушылар тек газдар иондалғанда ғана пайда болуы мүмкiн. Электронның газ атомдарымен (молекуларымен) соқтығысуынан болатын газдың иондалуын электронды соққыдан иондалу дейдi.

Газдардың иондалу сыртқы әсерленген (сыртқы ионизаторлардан): қатты қыздырудан, әр түрлi сәулеленуден пайда болуы мүмкiн. Электрондардың атомнан бөлiнiп кетуiне қажет минимальдi энергияны иондау энергиясы дейдi. Газдың иондалу үшiн жұлынып кететiн және атомның (молекуланың) қалған бөлiгiнiң арасындағы әсерлесу күшiне қарсы иондалу жұмысын жасау қажет (A_И).

Қарама – қарсы зарядттаған бөлшектердiң қайтадан бейтарап атом (молекула) құрыуын рекомбинация дейдi. Сыртқы ионизаторлар тұрақты болса, ионизациялану мен рекомбинациялану арасында динамикалық тепе – теңдiк қалыпасады. Бұл жағдайда жаңадан құрылған зарядтталған бөлшектердiң саны бейтарап атомға (молекулаға) бiрiккен парлардың санына тең болады.

Газдағы электр ток газ разряды деп аталады.

Сыртқы ионизаторлардан (қатты қыздырудан, әр түрлi сәулеленуден) пайда болатын газдың электр өткiзгiштiгi тәуелдi газ разряды деп аталады.

Электр тогының газдан сыртқы ионизаторларға тәуелсiз өту құбылысы, тәуелсiз газ разряды дейдi. Тәуелсiз разряд болғанда газ атомдар мен молекулардың электрондардың соғуынан болатын иондалуы газдың иондалуының негiзгi механизмi болады. Электрондық соққыдан иондалу электронның еркiң жолының ұзындығы λ болғандағы кинетикалық энергиясы W_k электронның атомнан бөлiнiп кетуiне жұмсаған жұмысына A_и жеткiлiктi, яғни : W_k ≥A_и, немесе

eEλ≥A_и (7.9)

болған жағдайда мүмкiн болады. Мұндағы Е-электрлiк өрiстiң кернеулiгi, λ- электронның еркiң жолының ұзындығы.

Әдетте, атомдар мен молекулалардағы электрондар байласының энергиясы (иондау энергиясы) электронвольтпен (эВ) өрнектеледi. Бiр электронвольт электр өрiсiнiң элементар заряды бар электронды немесе басқа бөлшектi өрiстiң кернеулiгi 1 Вольт болатын екi нүктесiнiң аралығындағы орын ауыстыруына жұмсайтын жұмысқа тең:

Мысалы сутегi атомының иондау энергиясы 13,6 эВ тең, ал оттегi молекуласының иондау энергиясы 12 эВ тең болады.

Егер ток көзiнңғ қуаты тәуелсiз разрядты ұзақ уақытқа жалғастыруға жетпеген жағдайда ұшқынды разряд деп аталатын тәуелсiз разрядтын түрi пайда болады. Найзағай -ұшқынды разрядтың мысалы болады.

49. Тізбектің тармақталуы Кирхгоф заңы.

Тармақталған күрделі тізбектерді қарастырғанда Кирхгофтың екі заңымен пайдаланған.Оның біріншісі сан үштен кем емес өткізгіштердің түйісу нүктесі жатады.Мұндай нүктелерді түйіндер дейді. Екіншісі тармақталғантармақталған беттен ойша бөлініп алынған кез-келген тұйық тізбекке жатады.Кирхгофтың бірінші заңы: белгілі бір стационар жағдайда түйінге келетін токтардың қосындысы одан шығатын токтардың қосындысы тең екендігін тағайындайды. Шындығында да мұндай теңдік орналасқан түйіндерде

зарядтардың шоғырлануы ұлғайып, стационар (режим)тəртіп бұзылар еді. А түйінге кіретін токтарды оң,ал одан шығатын токтарды теріс деп санасақ заңды қысқаша ғана өрнектеуге болады: түйіндерде кездесетін санақ заңды алгебралық қосындысы нольге тең. Σ I=0

Кирхгофтың екінші заңы: Тармақталған бірнеше э.қ.к. жалғанғантүрде оны белгілі бір бағытпен тұйықталған контур бөліп аламыз,оны белгілі бір бағытпен жылжи отырып (мəселен сағат стрелкасы бағытымен) əрбір бөлікке Ом заңын қолданамыз. Тізбек бөлігіне (φ1-φ2) потенциалдар айрымы түскен жағдайда жəне оған э.қ.к. қосылған жағдай үшін ом заңы мына түрде жазылады: I=

Мұндағы : R тізбек бөлігініңтолық кедергісі.Осыған ұқсас тізбектің əр бөлігі үшін теңдеу құрамы. Алынған нəтижені сөзбен балай өрнектеуге болады; тармақталған тізбектің барлық тұйықталған контуры үшін оның сəйкес бөліктеріндей тоқпен кедергінің көбейтінділерінің алгебралық қосындысы осы контурдаға жұмысқа қосылған электр қозғауышкүштердің алгебралық қосындысына болады,яғни Σ IR = Σ E Сонымен көрші тармақтардың болуына жəне олардың контурдың жеке бөліктеріндегі ток күшіне тигізетін ықпалына қарамастан тек осы контурды сипаттайтын шамалардың арасындағы қатынасты табудың сəті түседі екен.Бұл

электр өрісінің сыртқы күштер энергиясын тізбекті жеке бөліктеріне бөліп беріп,бірақ өзі жалпы ешқандай жұмыс істемейтіндігіне байланысты мүмкін болады.Жоғарыда келтірілген теңдеуге кіретін қосынды орындауда,ток күші мен э.қ.к. егер олардың бағыты айналып жылжу бағытымен сəйкелсе оң ал оған керісінше

келсе теріс болып саналады.

51. Магнит өрісі. ЛОРЕНЦ КҮШІ. АМПЕР ЗАҢЫ

Электр зарядын қоршаған ортада белгілі бір физикалық қасиеттері бар электростатикалық өріс болатыны сияқты токтарды қоршаған ортада да магнит өрісі деп аталатын өрістің ерекше түрі пайда болады. Егер де электростатикалық өрістің бар жоғы оған әкелінген зарядталған денелерге әсер етуші күш арқылы білінсе, магнит өрісі осы өріске әкелінген тогы бар өткізгішке әсер ететін күш арқылы білінеді. Сөйтіп, электрлік және магниттік құбылыстардың осындай өзара байланысын бірінші рет 1820 ж. дат физигі Эрстед (1777-1851) ашқан болатын.Яғни, ағатын ток маңына магнит стрелкасын қойсақ, онда стрелканың ток бағытына қарай бағытын біршама өзгерткендігін байқаған. Эрстедтің бұл жаңалығы көптеген физиктерді қызықтырып, осыдан бастап олар электромагниттік құбылыстарды кеңінен зерттей бастады.Солардың бірі француз физигі Ампер (1775-1836) болды. Ампердің болжауынша магнит стрелкасына тек ток қана емес,ток жүріп тұрған өткізгіш те әсер ете алады деді. Сөйтіп ол мынадай тәжірибе жасады. Тұрақты магнит өрісіне тогы бар өткізгішті алып келгендеонда өткізгішке магнит тарапынан күш әсер етіп,өткізгіштің қозғалатындығын байқады.Сонымен, магнит стрелкасының тогы бар өткізгіштің маңында бағдарлануы, өткізгіштің пішініне, оның орналасуына және токтың шамасы мен бағытына байланысты болады. Бірақ, магнит стрелкасының қозғалмайтын электр зарядына ешқандай әсер етпейтінін айта кетуіміз керек. Бұдан мынадай қорытынды шығады : тек қана қозғалыстағы электр зарядтары өздерінің маңында магнит өрісін тудырады да, қозғалмайтын зарядтардың маңында тек электр өрісі пайда болады. Магнит өрісін сипаттау үшін оның тек белгілі бір токқа әсерін ғана қарастыру керек.Магнит өрісінің қасиеттерін зерттеу үшін,оның тогы бар жазық тұйықталған контурға тигізетін әсерін пайдаланамыз. Мұндай контурды рамка деп атайды.Бұл контурдың өлшемдері магнит өрісін жасайтын тогы бар өткізгіштерге дейінгі қашықтықпен салыстырғанда кіші болуы тиіс. Мұндай рамкада тұрақты ток ұдайы жүріп тұруы үшін, оған өткізгіштер арқылы ток жіберіп тұру керек.Рамка арқылы ток жүргенде, ол белгілі бір бұрышқа бұрылады, сөйтіп магнит өрісі рамкаға бағыттаушы күшпен әсер етеді.Ал рамканың айналу бағыты бойынша магнит өрісінің бағытын да анықтай аламыз. Магнит өрісінің рамкаға бағдарлаушы әсері, рамкада қос күшті тудырады. Осы қос күштің моментінің шамасы магнит өрісін тудырушы токтардың күштері мен олардың орналасуына және рамканың өлшемдері мен бағытына,сол сияқты ондағы токтың күшіне де тәуелді Сөйтіп қос күштің рамканы айналдырушы моменті мынаған тең: (4.1)

мұндағы -магнит индукциясының векторы деп аталады. Ол магнит өрісінің негізгі сипаттамасы болып есептеледі. -тогы бар рамканың магнит моментінің векторы деп аталады.Сөйтіп, магнит өрісінің тогы бар жазық контурға әсері бұлай анықталады: (4.2) мұндағы -жазық контурдың (рамканың) ауданы, -контурды тесіп өтетін немесе контурға нормаль бірлік вектор7 Контур ток күші және ауданнан басқа кеңістік бағдарымен (яғни магнит өрісі тарапынан әсер ететін күштің бағытымен ) де сипатталады. Сондықтан электр өрісінің зарядқа әсер ететін күшін сипаттайтын электр өрісінің кернеулігі сияқты, магнит өрісінің индукциясы магнит өрісінің токқа әсер ететін күшін сипаттайды. Олай болса, магнит индукциясы айналу моментіне пропорционал шама екендігі көрінеді: 4.3

Сөйтіп, магнит индукциясы контурға түсірілген оң нормальдің бағытымен анықталатын,яғни электр өрісінің кернеулік сызықтарын қалай көрсетсе, магнит өрісінің индукциясының шамасын солай көрсетеді.

Магнит индукциясының күш сызықтары үшін кез келген нүктедегі жанамасы осы нүктедегі индукция векторымен бағыттас сызықты аламыз. Магнит индукциясының күш сызықтарының электр өрісінің кернеулік сызықтарынан ерекшелігі-ол әр уақытта тұйық болады,яғни оң полюстен шығып сол полюсіне еніп жатады. Сондықтан оларды құйынды деп атайды. Электр өрісі сияқты, кеңістікте орналасқан тогы бар өткізгіштің маңында пайда болған магнит өрісі де материяның ерекше бір түрі болып табылады.Оның белгілі бір ерекше физикалық қасиеті, яғни инерциялық қасиеті болады. Осы қасиет оның энергиясын сипаттайды. F= (4.4)

мұндағы k -пропорционалдық коэффициент, I -өткізгіштегі ток, B -магнит индукциясы, a -ток бағыты мен индукция векторының арасындағы бұрыш. Осы күштің шамасын Ампер күші деп атайды. Ампер күшінің бағытын сол қол ережесі бойынша анықтауға болады,яғни саусақтар ток бағытын көрсетіп магнит индукциясының векторы алақанды тесіп өтетін болса, онда бас бармақ Ампер күшінің бағытын көрсетеді Сөйтіп, магнит индукциясы тесламен (Тл) өлшенеді екен. Біз осы уақытқа дейін өткізгіш арқылы өтетін макроскопиялық токтарды қарастырдық. Ампердің болжамдауына қарағанда кез келген денелерде олардың атомдары мен молекулаларының қозғалысының нәтижесінде пайда болатын микротоктардың болатындығы байқалады. Сөйтіп, осы микроскопиялық молекулалық токтар денелер ішінде өзінің магнит өрісін тудырып макротоктың бағытын өзгертуі мүмкін. Сондықтан, магнит өрісінің индукциясы денедегі барлық микротоктар және сыртындағы макротоктардың қосындысын сипаттайтын шама болып есептелінеді.

Сонымен қатар магнит өрісіндегі макротоктар туғызатын магнит өрісі кернеулік векторы деп аталатын шамамен де сипатталады. Біртекті изотропты орталарда магнит индукциясының векторы кернеулік векторымен мынадай қатыс арқылы байланыста болады (4.5)

мұндағы -магнит тұрақтысы, -ортаның магниттік өтімділігін сипаттайтын шама, яғни сыртқы макротоктар магнит өрісінің микротоктардың әсерінен қаншалықты өсетіндігін көрсетеді.

Магнит индукция векторы.. Магниттік индукция векторының ағыны және оның циркуляциясы Егер магнит өрісінде индукция векиоры шамасы жағынан барлық жерде бірдей және бағыттас болса, онда мұндай өрісті біртекті магнит өрісі деп атайды. Осындай өрісте индукция векторының күш сызықтары параллель болып келеді.Енді осындай біртекті өрісте ауданы S бет перпендикуляр болып орналассын Сонда магниттік индукция векторының жазық беттің ауданына көбейтіндісі осы бет арқылы өтетін магнит ағыны деп аталады да, оны Ф әрпімен белгілейміз:

Егер жазық бет индукция векторына нормаль бағыты бойынша бұрыш жасай орналасса, онда магнит ағыны мынаған тең Мұндағы болғандықтан магнит ағыны былайша жазылады :

Магнит ағыны скалярлық шама. Магнит ағыны бұрышының таңбасына байланысты әрі оң , әрі теріс мәнді бола алады, яғни нормальдың оң бағытына сәйкес анықталады. Әдетте магнит ағыны ток жүріп тұрған белгілі бір контурмен байланысты болады, яғни бұранданың оң бағытымен сәйкес ток бағыты алынады. Сондықтан тұйық контурдың беті арқылы өтетін магнит ағыны әр уақытта оң деп есептелінеді. Кез-келген S бет арқылы өтетін магнит ағыны мына түрде жазылады

Сол сияқты кез-келген тұйық бет арқылы өтетін магнит ағыны әр уақытта нөлге тең болады : Осы формула магнит өрісі үшін Остроградский – Гаусс теоремасы деп аталады.Мұндай қoрытындының шығу себебі: табиғатта (электрлік зарядтар сияқты ) магнит индукциясының күш сызықтарының бір жерден басталып , екінші жерде аяқтала алатындай магниттік зарядтардың болмайтындығын көрсетеді. Магнит ағыны вебермен (Вб) өлшенеді: 1Вб = 1Тл м2.Сонымен, вебер деп біртекті магнит өріске перпендикуляр (нормаль ) орналасқан ауданы 1м2 контур арқылы өтетін индукция 1 Тл–ға тең магнит ағынын айтамыз.Электростатикалық өріс кернеулігінің векторлық циркуляциясына ұқсас, магниттік индукция векторының циркуляциясы деген ұғым ендіріледі. Сондықтан магнит өрісіндегі тұйық контурдың индукция векторының циркуляциясы деп мынадай интегралды айтамыз

Электростатикалық өрістегі кулондық күштер, бүкіл әлемдік тартылыс кезіндегі ньютондық күштер және осы сияқты басқа да потенциалдық өрістердің тұйық контуры өтетін векторлар циркуляциясы нөлге тең болады :

Енді ваккумдағы магнит өрісі үшін толық токтың заңдылығын тұжырымдайық : кез келген тұйық контур арқылы өтетін магнит индукциясы векторының циркуляциясы магнит тұрақтысын контур арқылы өтетін токтардың алгебралық қосындысына көбейткенге тең, яғни

мұндағы n- контур арқылы өтетін ток саны. Егер электр өрісі кенеулігінің векторлар циркуляциясы болса, магнит өрісінің индукция векторының циркуляциясы нөлге тең болмайды. Сондықтан мұндай өрістерді құйынды өріс деп атайды.

Магнит өрісі тек тогы бар өткізгішке ғана емес, сол сияқты кез келген қозғалыстағы зарядтарға да әсер ететіндігін көптеген экс-перименттердің нәтижелері дәлелдеді. Ал магнит өрісіндегі әр зарядқа әсер ететін күшті Лоренц күші (Ғл ) деп атайды. Енді осы Лоренц күшін табайық. Ол үшін біртекті магнит өрісінде (В) үзын-дығы / тогы бар еткізгіш алайық (51-сурет). Өткізгіш магнит өрісінің бағытына а бүрышпен орналаскан. Өткізгішке ( ) Ампер күші әсер етеді. Өткізгіштегі ток теріс зарядты электрондардың бағытталған қозғалысы болғандықтан, осы зарядқа әсер. етуші күштерді анықтайық. Токтың бір элементін бөліп алып оған әсер етуші күшті Ампер заңына сәйкес жазайық: F=lBдельтаlsina

мүндағы l — өткізгіштегі ток күші. Электрондық теорияға сәйкес ток шамасы мынаған тең:

мұндағы е — электрон заряды, п0 — өткізгіштің бірлік көлеміндегі еркін электрондардын, саны, — электрондардың бағытталған жылдамдығы, S— өткізгіштіқ көлденең қимасының ауданы.Енді осы токтың мәнін жоғарғы формулаға қойсақ, онда ол мынадай түрге келеді: Әрбір жеке зарядқа әсер ететін Лоренц күшін табу үшін элементтегі еркін электрондардың санын есептеу керек. Оны аныктау үшін көлденең қимасы элементтегі барлық электрондар санын анықтаймыз Сонда Лоренц күші мына қатыс аркылы есептелінеді:

Немесе

(4.18) Осы (4.18) өрнекті бірінші рет гол-ланд физигі Лоренц (1853—1928) шығарған болатын, сондықтан оны Лоренц күші . () деп атайды. Мұндағы — магнит өрісінің күш сызықтары мен электрондардын, бағытталған жылдамдығының ара сындағы бүрыш. Лоренц күшінің бағытын сол қол ережесі бойынша анықтайды, яғни магнит индукциясы алақанды тесіп өтсе, саусақтар электрондар жылдамдығының бағытын көрсетсе, онда бас бармақ Лоренц күшінің бағытын анықтайды. Сонымен Лоренц күші электрондардың жылдамдығына (52 -суретте) перпендикуляр болып, оларға нормаль үдеу беріп отырады. Лоренц күші магнит ерісінде ешқандай жұмыс істемейді. Қүш тек элек-трондардың жылдамдығының бағытын ғана өзгертеді. Олай болса жылдамдыктың шамасы мен оның кинетикалық энергиясы магнит өрісінде өзгермейді. Жалпы магнит өрісіндегі қозғалыстағы зарядқа магнит индукциясынан () басқа, кернеулігі Е электр өрісі де әсер етеді. Олай болса, зарядқа әсер етуші қорытқы күш электрлік күш пен Лоренц күшінің қосындысына тең болады (105-сурет). Егер екендігін ескерсек, онда қорытқы күш мынаған тең:

(4.19)Бұл өрнек Лоренц формуласы деп аталады. Бірак практикалық есептеуде осы күштің тек магниттік қүраушысын ғана қарастыра-ды, яғни (4.20) Тағы да бір ескертетін жағдай, магнит өрісі еш уақытта тыныштықта тұрған электр зарядына әсер етпей, тек қана қозғалыстағы зарядтарға ғана әсер етеді. Бүл түрғыда магнит өрісінің электр ерісінен өзіндік ерекшелігінің бар екендігін байқауға болады. Сонымен Лоренц күші үшін табылған (4.20)өрнек магнит өрісінде зарядталған бөлшектердіңқозғалу заңдылықтарын зерттеуге мүмкіншілік береді. Яғни, Лоренц күшінің бағытыжәне магнит өрісіндегі зарядталған бөлшектерінің ауытқуы зарядтың таңбасына байланысты . Енді осы айтылған жалпы заңдылықты тұжырымдау үшін біріншіден, магнит өрісі біртекті болсын, екіншіден ұсақ бөлшектерге магнит өрісінің әсері болмайды деп ұйғарамыз. Егерде зарядталған бөлшетер жылдамдықпен магнит индукциясының бағытына сәйкес қозғалса, онда жылдамдық пен магнит индукциясының арасындағы бұрыш нөлге тең болады. Себебі, зарядтарға ешқандай Лоренц күші әсер етпейді. Сөйтіп олар бірқалыпты түзу сызықты қозғалыс күйін сақтайды. Ал зарядталған бөлшектерге Лоренц күші әсер етуі үшін олардың жылдамдықтары магнит индукция бағытына перпендикуляр бағытта, яғни арасындағы бұрыштың шамасы нөлге тең болмауы керек.. Сөйтіп Лоренц күшінің мәні тұрақты болып және зарядтардың траекториясына нормаль бағытта әсер етеді. Бұдан зарядталған бөлшектердің қозғалысы шеңбер бойымен бағытталған болып шығады. Олай болса, зарядтардың қозғалысы кезінде шеңбер радиусын мына қатыс бойынша анықтайық :

бұдан (4.21)

Электрон шеңберді толық бір айналып шыққанда жол жүреді, сонда оған кеткен уақыт .Егер (4.21)-ден электронның жылдамдығын табатын болсақ , онда Сөйтіп толық бір айналуға кеткен уақыт (период) (4.22)

Осы табылған (4.22) өрнек келешекте зарядталған бөлшектердің қозғалысын үдету үшін қажетті қондырғыларда, яғни циклотрон, фазотрон, бетатрон т.б. қондырғылардың жұмыс істеуі үшін қолданылады. Ампер заңы. Ампер заңы – бір-бірінен белгілі бір қашықтықта орналасқан өткізгіштердің шағыш кесіндісі бойымен өтетін екі токтың өзара механикалық әсерлесу заңы. 1820 жылы франсуз физигі А.М. Ампер (1775-1836) ашқан. Ампер заңынан параллель екі өткізгіш бойымен ток бір бағытта жүрсе, олардың бір-біріне тартылатындығы, қарама-қарсы бағытта жүрсе, бір-бірінен тебілетіндігі шығады. Ампер заңы бойынша тогы бар өткізгіштің шағын кесіндісіне (Δл) магнит өрісі тарапынан әсер етуші механикалық күштің (Ф) шамасы мына өрнек арқылы табылады: Ф=кЫΔлБсінα, мұндағы α – Δл мен Б (магнит индукциясының векторы) бағытының арасындағы бұрыш, к – пропорционалдық коэффициент (Гаусс жүйесінде к=1/ц, Бірліктердің халықаралық жүйесінде к=1), Ы - өткізгіштегі ток күші.