56.Электр қозғаушы күші.

Электр тогы тұрақты болу үшін өткізгіштің ұштарындағы потенциалдар айырымы (немесе кернеуі) тұрақты болуы керек. Өткізгіштердің тұрақты кернеуін болдыру үшін белгілі бір энергия қоры қажет. Осындай тұрақты кернеуді әдетте ток көздері немесе кернеу көздері деп атайды. Ток көздерінде энергияның басқа түрі электр энергиясына айналады. Мысалы: электр машиналарында механикалық энергия,гальвани элементі мен аккумуляторда химиялық реакция кезәнде бөлініп шығатын энергия,фотоэлементтерде жарық энергиясы, ядролық реакция кезіндегі тізбекте реакцияның энергиясы және тағы басқа энергиялардың түрлері электр энергиясына өзгеріп отырады.

1797 жылы Вольта екі түрлі металл алып, оларды біріне-бірін түйістірген. Сонда бір металдың оң, екіншісінің теріс зарядталғанын байқаған. Екі металдың арасында потенциалдар айырмасы пайда болады. Бұл құбылыс былайша түсіндіріледі. Айталық, бірінші металдың шығу жұмысы А₁, екіншісінікі – А₂*А₁>А₂ делік. Сонда шығу жұмысының шамасы аз металдың электрондары шығу жұмысының шамасы көп металдарға қарағанда тезірек өтіп кетеді. Электронынан айырылған металл оң зарядталады да, электрон қабылдаған металл теріс зарядталады. Біздің мысалымызда 2-металл оң зарядталады да, 1-металл теріс зарядталады.

    Көптеген тәжірибелердің нәтижесінде Вольта екі заң тұжырымдады: 1) металдарды түйістірген кезде пайда болатын потенциалдар айырмасы металдардың химиялық табиғатына және олардың температурасына байланысты; 2) бірнеше металды түйістіргенде пайда болатын потенциалдар айырмасы тек екі шеткі металдың табиғаты мен температурасына байланысты болады да, ортадағы металдардың саны мен табиғатына байланысты болмайды.

     Екі түрлі металдан істелген өткізгіштен тұйық тізбек жасап, оның бір жапсарын қыздырып, екіншісін суытсақ, онда ол тізбектен ток жүргенін байқауға болады. Бұл термопараның жұмыс істеу принципі болып табылады. Тұйық тізбектің бір жапсарын қыздырып, екіншісін суытқанда Зеебек эффектісі байқалады.

    Термопара көмегімен өте жоғары немесе өте төмен температураны өлшеуге болады. Ол үшін екі түрлі өткізгіш алып олардан тұйық тізбек  жасайды. Тізбектің бір жапсарын (b) еріп тұрған мұзға салады да, екіншісін (а) температурасы өлшенетін затқа салады.

    Температуралары бірдей екі түрлі металл өткізгіштен тұйық тізбек жасап, одан ток жіберсек, тізбектің бір жапсары қызады да, екіншісі суиды, бұны Пельте эффектісі деп атайды. Бұл эффект тоңазытқыштарда қолданылады.

57.Ом заңы

Ом заңын есте сақтауға көмек беретін сурет.

Ом заңы– электр тогының негізгі заңдарының бірі. Ом заңы – өткізгіштегі ток күшінің (І) осы өткізгіштің ұштары арасындағы кернеумен (U) байланысын анықтайды:

U=r*І (1) мұндағы r өткізгіштің геометриялық өлшемдеріне, электрлік қасиеттеріне және температурасына байланысты болатын пропорционалдық коэффициенті r – омдық кедергі немесе өткізгіштің берілген бөлігінің кедергісі деп аталады. Ом заңын 1826 ж. неміс физигі Г. Ом (1787 – 1854) ашқан. ^[1]

Формулала

V - кернеу, I - ток күші, R - кедергі.Жалпы жағдайда І мен U арасындағы тәуелділік – сызықты емес, бірақ кернеудің белгілі бір аралығында оны сызықтық деп есептеп, Ом заңын қолдануға болады; ал металдар мен олардың құймалары үшін бұл аралық іс жүзінде шектеусіз. (1) түрдегі Ом заңы ток көздері жоқ тізбек бөлігі үшін орынды. Тізбекте ток көздері (аккумуляторлар, генераторлар, т.б.) болған жағдайда Ом заңы мына түрде жазылады:

rІ=U+ε, (2) мұндағы – қарастырылып отырған тізбек бөлігіне қосылған барлық ток көздерінің қорытқы электр қозғаушы күші. Тұйықталған тізбек үшін Ом заңы былай жазылады: rmІ=ε, (3) мұндағы толық кедергі (rm) сыртқы кедергі (r) мен ЭІК көзінің ішкі кедергісінің rі қосындысына тең: rm=r+rі . О. з-ның дифференциалды түрі өткізгіштің әрбір нүктесіндегі ток тығыздығын (j) электр өрісінің толық кернеулігімен байланыстырады: rj=Е+Еб немесе j=G(Е+Еб), (4) Бұл жерде r – өткізгіш материалының меншікті кедергісі, ал G=1/r – оның менш. электр өткізгіштігі, Е – потенциалды электр өрісінің, Еб – бөгде ток көздері тудыратын электр өрісінің кернеуліктері.Бір-біріне тізбектейжалғанған индуктивтігі  катушкадан, сыйымдылығы  конденсатордан және кедергісі   резистордан тұратын тізбектің қысқыштарына   айнымалы кернеу түсірейік (2.15-сурет). Ток күшінің   лездік мәні де,   амплитудалық мәні де тізбектей жалғанған тізбектің барлық бөлігінде бірдей болады. Ал ток көзінің полюстеріндегі лездік кернеу оның жеке бөліктеріндегі кернеудің лездік мәндерінің қосындысына тең:

 

Тізбектей жалғанған тізбектің барлық бөлігіндегі токтың тербелісі

заңы бойынша өзгерсін.

Қарастырып отырған тізбекте еріксіз электромагниттік тербелістер, яғни айнымалы ток пайда болады. Резистордағы, конденсатордағы және катушкадағы кернеудің амплитудаларын сәйкесінше   және   деп белгілеп, оларды векторлық диаграммаға салайық (2.15-сурет). Ток күшінің амплитудасын горизонталь ось бойымен бағытталған вектор түрінде кескіндейік. Онда горизонталь ось пен әрбір кернеу амплитудасы векторының арасындағы бұрыш ток күшімен ғана сәйкес кернеу тербелістерінің фазалық айырымына тең болады.Активті кедергідегі кернеудің тербеліс фазасы ток күшінің тербеліс фазасымен сәйкес келеді, ал конденсаторда кернеудің тербелісі ток күшінің тербелісінен фаза бойынша  -ге озады. Сондықтан (2.14) өрнегін былай жазуға болады:

Түсірілген кернеудің   амплитудасын векторлардың қосындысы ретінде табуға болады, яғни

(кернеу белгісінің үстіндегі нұсқамаға (стрелкаға) қарап кернеуді векторлық шама деп қарауға болмайды. Бүл тек модульдері көрсетілген кернеулерге тең векторлар). 2.16-суреттен, барлық тізбектегі кернеудің амплитудасы Пифагор теоремасы бойынша   тең. Ом заңына сәйкес  және  сондықтан

осыдан

 .

Ток пен кернеудің әсерлік мәндерін колдансақ, (2.15) өрнегін былай жазуға болады:   Тізбекте конденсатор жоқ кездегі векторлық диаграмманы салайық (2.17-сурет). Бұл дербес жағдайда 

Егер (2.15) пен (2.16) өрнектерінде   яғни   деп алсақ, соңғы екі формула шығады. Олай болса, тізбекте конденсатор жоқ болса, сыйымдылық   нөлге емес, шексіздікке тең екен. Шынында да, егер тізбектегі конденсатордың астарларын бір-біріне шексіз жақындатса, конденсаторды жоқ деп есептеуге болады. Ал жазық конденсатордың сыйымдылығы   Бұл формуладан егер  болса,   шығады.Генератордан алынатын энергия тек активті кедергіде ғана жылу энергиясы түрінде бөлініп шығады. Реактивті кедергіде энергия жұтылмайды. Реактивті кедергіде периодты түрде электр өрісінің энергиясы магнит өрісінің энергиясына айналып, түрленіп отырады. Периодтың бірінші ширегінде, конденсатор зарядталып жатқанда энергия тізбекке электр өрісінің энергиясы түрінде түсіп, жинақталады. Ал периодтың келесі ширегінде, конденсатор разрядталып жатканда, энергия қайтадан магнит өрісінің энергиясы түрінде желіге қайтарылады.^[2] Тагы да R=p*l/S - ке тең болады.

тізбектің біртекті бөлігі үшін ом заңының дифференциалдық түрдегі  теңдеуі:

59. джоуль-ленц заңы: қозғалмайтын өткізгіш бойымен    уақыт ішінде ток өткенде  элементар көлемде бөлінетін жылу мөлшері токтың квадратына, электрлік кедергіге, токтың өткен уақытына тура пропорционал: токтың меншікті жылулық қуаты – өткізгіштің бірлік көлемінде бірлік уақытта бөлінетін жылу мөлшері:   джоуль-ленц заңының дифференциалдық түрдегі  теңдеуі: Электр тогы металл өткізгіштер арқылы өткенде электрондар бірде нейтраль молекулалармен, бірде электрондарынан айрылған молекулалармен соқтығысады. Қозғалыстағы электрон өзінің кинетикалық энергиясын жоғалта отырып, нейтраль молекуладан жаңа электронды бөліп алады, да жаңа оң ион түзеді, немесе электронынан айрылған молекуламен (оң ионмен) қосылып нейтраль молекула кұрады. Электрондар молекулалармен соқтыққанда энергия жұмсалады, cол энергия жылуға айналады. Кедергіні жеңе отырып жүретін кез-келген қозғалыс белгілі энергия жұмсалуын қажет етеді. Мысалы, қайсы бір денені орнынан қозғалту үшін үйкеліс кедергісін жеңу керек. Оған жұмсалатын жұмыс жылуға айналады. Өткізгіштің электр кедергісінің маңызы да үйкеліс кедергісі сияқты болады. Сөйтіп, өткізгіштен ток өткізу үшін ток көзі біраз энергия жұмсайды, cол энергия жылуға айналады. Электр энерғиясының жылу энергиясына өтуі Ленц — Джоуль заңымен анықталады. Бұл заңды токтың жылулық әсер заңы деп те атайды.Орыс ғалымы және ағылшын физигі Джоуль бір мезгілде және бір-бірінен тәуелсіз электр тогы өткізгіш арқылы өткенде, өткізгіште бөлінетін жылу мөлшері ток квадратына, өткізгіш кедергісіне және токтың өткізгіштен өту мерзіміне тура пропорционал болатындығын анықтады. Бұл ереже Ленц — Джоуль заңы деп аталады. Егер ток әрекеті жасалған жылу мљлшерін Q әрпімен өткізгіштен өтетін ток күшін I әрпімен, өткізгіш кедергісін R әрпімен және, токтың өткізгіштен ағып өту уақытын t әрпімен белгілесек, онда Ленц — Джоуль заңының өрнегін былай жазуға болады:

I=U/R және R=U/t, болғандықтан: Q = UІt = U²t/R.

68. Био-Савар-Лапластың заңы бойынша бойымен ток I өтетін контурдың элемент3 dl кеңістіктіц кейбір А нүктесінде кернеулігі dH магнит өрісін жасайды да, ол мынаған тең болады: мұндағы  - dl токтың элементінен А нүктесіне дейінгі қашықтық,  - радиус- вектор  мен  ток элементінің арасындағы бұрыш. Био- Савара-Лапластың заңын әр түрлі контурға қолданып, мынаны табуға болады: Дөңгелек токтың центріндегі магнит өрісінің кернеулігі  , мұндағы R — тогы бар дөңгелек контурдың радиусы. Шексіз ұзын түзу сызықты өткізгіш жасаған магнит өрісінің кернеулігі  мұндағы а- кернеулігін іздеп отырған нүктеден тогы бар өткізгішке дейінгі қашықтық. Дөңгелек токтың осіндегі магнит өрісінің кернеулігі мынадай,  , мұндағы R тогы бар дөңгелек контурдың радиусы және а – кернеулігін іздеп отырған нүктеден контурдың жазықтығына дейінгі қашықтық. Тороид және шексіз ұзын соленоидтың ішіндегі маг­нит өрісінің кернеулігі  , мұндағы п — соленоидтың бірлік ұзындығына келетін орам саны (тороидтың) . Соленоидтың шектеулі ұзындығындағы магнит өрісінің кернеулігі  , мұндағы   және  — қарастырып отырған нүктеден соленоидтың ұштарына жүргізілген радиус-вектор мен со­леноид осінің арасындағы бұрыштар. Магнит индукциясы В мен магнит өрісінің кернеулігінің Н арасындағы байланыс мынадай қатынаспен көрсетіледі:  мұндағы   — ортаның салыстырмалы магниттік өтімділігі,   — МКСА системасындагы магнит тұрақтысы, ол мынаған тең: 4π • 10^-7 Гн/м= 12,57 • 10^-7 Гн/м. Ферромагнитті денелер үшін  , олай болса B = f(H) болады. B = f(H) тәуелділікті білу керек болатын есептерді шығарғанда міндетті түрде қосымша көрсетілген графикті пайдалану керек. Магнит өрісі энергиясының көлемдік тығыздығы  . Контур арқылы өтетін магнит индукциясының ағыны мынадай болады:  , мұндагы S — контурдың көлденең қимасының ауданы,   — контурдың жазықтығына түсірілгеп нормаль мен магнит өрісінің бағыты арасындағы бұрыш. Тороид арқылы өтетін магнит индукциясының ағыны  , мұндағы N — тороид орамының жалпы саны,   — оның ұзындығы,   — оның көлденең қимасының ауданы,  — өзек материалының (затының) салыстырмалы магнит өтімділігі және   — магнит тұрақтысы. Егер тороидтың ауа саңылауы болса, онда  мұндағы   — ауа саңылауының ұзындығы,  —темір өзектің ұзындығы,   — оның магнит өткізгіштігі және   — ауаның магнит өткізгіштігі. Магнит өрісінде тұрған тогы бар өткізгіштің dl элементіне Ампер күші әсер етеді , мұндағы   — токтың бағыты мен магнит өрісінің арасындағы бұрыш. Тогы бар тұйықталған контурға, сондай-ақ магнит өрісінде мангит стрелкасына айналдырушы моменті бар қос күш әсер етеді  мұндағы  - тогы бар контурдың (немесе магнит стрелкасының ) магнит моменті, ал   — магнит өріснің бағыты мен контурдың жазықтығына түсірілген нормальдің арасындағы бұрыш. Тогы бар контурдың магнит моменті  мұндағы S- контурдың ауданы, олай болса  . I₁ және I₂ тогы бар параллель екі түзу сызықты өткізгіш өз ара мынадай күшпен әсер етеді , мұндағы l - өткізгіштің ұзындығы, ал d – олардың араларының қашықтығы. Магнит өрісіндегі тогы бар өткізгіштің орын ауыстыруы үшін істелетін жұмыс , мұндағы dФ — өткізгіштің қозғалған уақыттағы кесіп өтетін магнит индукциясының ағыны.