Электрдинамика ұғымдарын қалыптастыру мәселелерi

Электр заряды, электр өрiсi, кернеулiк, потенциал түсiнiктерi. Зат iшiндегi электр өрiсi, электр тогы. Электромагниттік толқын.

Ньютон механикасындағы гравитациялық масса түсінігіне сияқты, электрдинамикада заряд түсінігі бірінші, негізгі түсінік. Электр заряды –бөлшек немесе дененің электрмагнитті күштік әсерлесуге қатысы алатын қаситеін сипаттайтын физикалық шама. Электр заряды элементар бөлшек электронның ажыратылмас қасиетi ретiнде түсiндiрiледi. Электронның заряды терiс таңбалы, ал шамасы осындай оң таңбалы заряды бар бөлшек-протон. Электр зарядын табиғатты түсiнуге енгiзу - iшкi құрылымы белгiсiз обúектi, түсiнiктi пайдаланудың физикадағы алғашқы мысалы. Объект түсiнiксiз болса да оның қасиеттерiн өлшеу әдiстерiн белгiлеп физикалық заңдылықтар тағайындауға болады. Электр зарядының шамасы Кулон заңы арқылы өлшенедi: қозғалыссыз зарядтардың әсерлесу күші зарядтардың модулінің көбейтіндісіне тура пропорционал және олардың арасындағы аралығының квадратына кері пропорционал

1-сурет. Бірдей және

түрлі зарядталған бөлшектер

арасындағы күш

Зарядтың сақталу заңы орындалады.

Электр зарядының ерекше қасиетi - оның ылғи да өрiсiнiң болуы. Заряд пен өрiс бiрiнсiз-бiрi болмайтын, бiртұтас ұғымдар. Материя зат (бөлшек) және өрiс түрiнде байқалады. Физиканың жоғарғы бөлiмдерiнде бөлшек пен өрiстiң бiр-бiрiне түрлену жағдайлары қарастырылады.

Электр өрiсiнiң әсерлiк қасиетiнiң өлшемi-кернеулiк :

, (1)

мұндағы - шамасы - сыншы зарядка әсер ететiн күш. Кернеулiк векторлық шама. Элект өрісті бейнелеу үшін күштік сызықтарды қолданады (2-сурет). Кернеулікті кезкелген координат осi бойымен бағытталған мәнiн ыңғайлы түрде анықтау үшiн скалярлық шама (потенциал) енгiзiледi:

, (2)

мұнда - координаттың және потенциалдың өзгерiсiн бiлдiредi. (2) - формуланың екi жағын да q заряд шамасына көбейтсек және (1) - формуланы ескерсек:

. (3)

2-сурет. электр дипольдің күштік сызықтары

Жұмыс A потенциялық энергияның кемуiмен анықталады. Потенциалдың ( ) және потенциялық энергияның абсолют мәндерiнiң физикалық мағынасы жоқ, олардың өзгерiсiн ғана өлшенетiн физикалық шамалармен байланыстыруға болады.

Зат iшiндегi электр өрiсi электрлiк индукция векторымен сипатталады.

, (4)

мұндағы - диэлектрлiк өтiмдiлiк. Статикалық өрiс жағдайында - тұрақты сан , ал уақыт және кеңiстiк бойынша өзгеретiн өрiс үшiн жиiлiктiң және толқындық санның ( - толқын ұзындығы) күрделi функциясы.

. (5)

Толқындық сан түсiнiгiне бiз арнаулы тоқталамыз.

Егер электр өрiсi заттың қасиетiн өзгертетiндей күштi болса, (4) байланыс бейсызық түрде болады, яғни тура пропорционалдық орындалмайды. Мысал ретiнде мына байланысты жазуға болады:

(6)

Қасиетi әр бағытта әртүрлi анизотропты орта үшiн жоғары мектеп физикасында диэлектрлiк өтiмдiлiк тензоры (тензор - вектордың түрленуiнен пайда болатын көп құраушылы шама) енгiзiледi :

, (7)

мұндағы i, j, к индекстердiң әрқайсысы x, y, z координаттарын белгiлейдi, қайталанатын индекстер бойынша қосынды алынады.

Күштi өрiс әсерiнен үлкен ток өткенде Ом заңының түрi де өзгерiп, бейсызық сипат қабылдайды:

, (8)

мұнда ток күшiне байланысты өзгеретiн кедергi, - коэффициенттер. Ток тығыздығының ( - өткiзгiш қимасының ауданы) бейсызық формуласы:

(9)

мұнда - электр өткiзгiштiк коэффициенттерi. (6) - (9) формулалар шала өткiзгiш, плазма тәрiздес орталардың электрлiк қасиеттерiн сипаттауға кеңiнен қолданылады.

Тәжрибеден электр тогының магнит өрiсiн тудыратындығы, ал уақыт бойынша айнымалы магнит өрiсiнiң құйындық электр өрiсiн тудыратындығы белгiлi. “Магнит өрiсi” тақырыбын оқыту жөнiнде мынандай әдiстемелiк ескертпелер бар. Магнит өрiсiнiң әсерлiк сипаттамасы ( - векторы) “магнит индукциясы” деп, ал зат iшiндегi магнит өрiсiнiң сипаттамасы ( векторы ) “магнит өрiсiнiң кернеулiгi” деп аталады. Яғни, электр өрiсiнiң сипаттамаларының атаулары мен мағыналары орын ауысқан. Бұл барлық оқулықтарда дәстүрлік қалыптасқан жағдай, оның себебi атау ұқсастықтарын қабылдағанда электрдинамика формулалары ыңғайлы, симметриялы болады. Магниттiк зат iшiндегi өрiстi сипаттау теориясы күрделi болғандықтан мектеп курсында векторы туралы айтылмаса да болады деген әдiстемелiк тұжырым бар.

Лекция 12