14,15. Тұрақты электр тоғы

Еркін зарядталған бөлшектердің реттелген немесе бағытталған қозғалысын электр тогы деп атайды.Электр тогының бағытына оң зарядталған бөлшектердің қозғалыс бағыты алынған. Электр өрісінің әсерінен өткізгіштерде пайда болатын электр тогын  өткізгіштік ток деп атайды, ал зарядталған денені тұтастай көшіретін болсақ, онда бұл кезде пайда болатын токты конвекциялық ток деп атайды.

Ортадан электр тогы өткенде келесі құбылыстар байқалады:

1.     Электр тогы өткенде орта қызады (электр тогының жылулық әсері).

2.     Электр тогы өткенде орта құрамды бөліктерге бөлінеді (электр тогының химиялық әсері).

3.     Электр тогы өзін қоршаған ортада магнит өрісін тудырады (электр тогының магниттік әсері).

Электр тогын сандық сипаттау үшін физикалық скаляр шама ток күші енгізілген. Ток күші деп - өткізгіштің көлденең қимасынан бірлік уақытта өтетін зарядты айтады.

өлшем бірлігі

 Бағыты мен шамасы өзгермейтін электр тогын тұрақты электр тогы деп атайды. 

мұндағы:  - өткізгіштің көлденең қимасынан   уақытта өтетін зарядтың мөлшері.

Өткізгіштің қарастырылатын бетінің кез-келген нүктесіндегі электр тогының бағыты мен шамасын анықтау үшін физикалық векторлық шама электр тогының тығыздығы енгізілген.

өлшем бірлігі  .

Ток тығыздығының бағыты сол нүктедегі ток күшінің бағытымен сәйкес келеді және өткізгіштің көлденең қимасына перпендикуляр бағытталады.

Кез келген токтар үшін     

Тұрақты электр тогы үшін ( ) ток тығыздығы    формуласымен анықталады.

Ток күшін және ток тығыздығын өткізгіштегі зарядтардың реттелген қозғалысының жылдамдығы, концентрациясы арқылы өрнектейік. Өткізгіштегі заряд  тасушылар концентрациясы n және оның әрқайсысының  заряды q₀-ге тең болса, онда  dt уақыт ішінде ауданы S көлденең қима арқылы өтетін зарядтар шамасы:

мұндағы:   - өткізгіштегі еркін электрондардың реттелген қозғалысының орташа жылдамдығы.

Ток күші:

Ток тығыздығы:

Ортада электр тогы болу үшін қажетті шарттар:

1.     Ортада еркін зарядталған бөлшектер болуы қажет;

2.   Осы еркін зарядталған бөлшектерге сырттан күш әсер ету қажет, яғни ортада электр өрісі болуы керек.

Металдарда электр тогын тасымалдаушылар –электрондар, электролиттерде – оң және теріс иондар, газдарда – оң иондар мен электрондар және жартылай өткізгіштерде – электрондар мен кемтіктер болып табылады.

16,17. Магнит өрісін жүйелі зерттеу 1820ж. Эрстедтің тәжірибелерінен басталады. Тогы бар түзу өткізгіштің жанына орналасқан магнит тілі белгілі бір қалыпта орналасады екен. Стрелканың ауытқуы магнит өрісінің бар екенін дәлелдейді. М.ө.өткізгіштен өтетін электр зарядтары туғызады. М.ө.магнит индукциясының күш сызықтарымен белг/ді. Ол тұйық болады. әрпімен белгіленеді. М.инд.сы ортаның қасиетіне байл.болады. егер вакуумдағы маг.инд.сын , ал ортадағы маг.инд.сын деп белгілесек, онда .

– ортаның магнит өтімділігі д.а.М.ө.сип.тын келесі шама – м.ө.кернеулігі , өлшем бірлігі - . Кернеулік пен индукцияның арасында мынадай байланыс бар: , – м.тұрақтысы, .Берілген ауданды тесіп өтетін м.инд.сы күш сызықтары санын магнит ағыны д.а. . өлшем бірлігі вебер .1820ж.фр.физиктері Био және Савар түзу токтың м.ө.кернеулігін анықтайтын заң ашты. Кейін фр.физигі әрі математигі Лаплас оны математикалық түрде өрнектеді. Сонд.бұл заң Био-Савар-Лаплас заңы д.а. Өткізгіштің бойымен ток жүрсін делік. Сонда п.б. м.ө. сип.м.инд/ңвекторы токтың күшіне, өткізгіштің ұзындығына, ортаның м.өтімділігіне ж.е қарастырылып отырған нүктенің токтан қашықтығына байл.болатынын физиктер Био ж.е Савар көпт.тәж.жасап анықт. Олар -ның өрістің к.к нүкт.де ток күшіне тура пропорционал, ал арақашықтыққа кері пропорц.л екенін тапқан. Яғни, . к.к түрдегі өткізгіш үш. -ны Лаплас ашып берді. Био-Савар-Лаплас заңы.Белгілі фр.физ.Ампер токтардың өзара әрекетін зерттей отырып, м.ө токқа белгілі бір күшпен (бұл күш кейін Ампер күші д.а)әрекет ететінін көрс.тін бірн.тәж.қойды. Таға тәрізді м.полюстерінің арасына бойынан ток өтетін өткізгіш орн/ған. Ампер ток күшін, өткізгіштің белсенді бөлігінің ұзындығын, м.ө. бағытымен тогы бар өтк.ш арас.ғы бұрышын ж.е м.ө. шамасын өзгерте отырып тәж/ді қайталағанда, ол күштің теңдігімен анықталатынын тапты. Заң тағайындалғаннан кейін м.ө.сип.шама енгізіліп, оны м.ө.индукция векторы д.а, ол форм.анық. М.ө. бар кеңістіктің әр нүктесін осы м.ө.бірлік ұзындықтағы тогы бар өткізгішке қандай күшпен әрекет ететінін көрс.тін векторлық физ.қ шамамен анықт.б.ы. ол тесламен өлшенеді. Зарядталған бір бөлшекке әрекет ететін күшЛоренц күші: .

Заттардағы м.ө.өзгеріп отырады. М.ө.өзгеретін заттарды магнетиктер д.а. Оларды диамагнетиктер (сыртқы м.ө.азайтады), парамагнетиктер (сыртқы м.өрісін күшейтеді) ж.е ферромагнетиктер (сыртқы м.ө.бірнеше дүркін күшейтеді) деп бөлінеді. Әрбір ферромаг.тің Кюри температурасы (нүктесі) д.а. белг.бір темп.сы б.ы. Осы темп.дан жоғары темп.да ферромаг.тік қасиеттер жойылып, зат парамаг.ке айналады. Темірдің К.т. 770⁰С, кобальс 1130⁰С, никель 360⁰С. Магниттік гистеризис (гистеризис «кешігу») ферромаг.дің магниттелу процесінің ерекше сипаты б.т, яғ. магниттелудің материалдық магниттелу алдындағы қасиетіне тәуелді. Ферромаг.к заттардың маг.у қисығы гистеризис тұзағы д.а. күрделі пішінді тұзақ тәріздес қисық береді.

18,19. Электромагниттік индукция дегеніміз тұйық жүйедегі магниттік толқынның өзгеруі нәтижесінен, сол тұйық жүйеде электр тоғынын пайда болуы.Электромагниттік индукция 1831 жылы 29 тамызда Майкл Фарадеймен ашылған, оның зерттеулері бойынша тұйық жүйедегі магнитті толқынның өзгеру жылдамдығы, осы жүйеде пайда болған электр қозғаушы күшке тура пропорционал екенін ашты. Электрқозғаушы күш арқылы пайда болған электр тоғы индукциялық тоқ болып аталады.

Фарадей ашқан бұл электромагниттік құбылыстың мәнін толығымен ашатын кейбір тәжірибелерді қарастырайық.

Екі шарғы (А мен В) алайық (129-сурет), оның біреуін - А гальваноиетрмен, екіншісін – В ток көзімен жалғайық. Шарғының біреуін (А) екіншісіне (В) кигізуге болады. Егер А шарғы В-ға қарағанда қозғалыссыз болса, онда В шарғының магнит өрісі қандай күшті болса да, оның ішінде ток болмайды. А шарғыны В шарғыға кигізгенде, біз гальванометрдің А шарғыда ток пайда болатынын тіркегенін көреміз. Егер А шарғыны қозғалыссыз қалдырып, ал В шарғыны қозғалтса, онда да гальванометр тағы да шарғы қозғалғанда, ток пайда болғанын көрсетіп ауытқиды.

Индукциялық (бағытталған) токтың пайда болуына шарғыдан өтетін магнит өрісінің өзгеруі себеп болатынын осы тәжірибе көрсетеді.

Магнит өрісінің қалай өзгертілетінінің ешқандай маңызы жоқ. 130-суретте көрсетілген келесі тәжірибеде А мен В екі шарғы қозғалыссыз болады, бірақ В шарғыға темір өзекше енгізіледі немесе одан шығарылады. Өзекті енгізгенде, ол магниттеледі де, магнит өрісі күшейеді, өзекті шығарғанда, өріс кемиді. А шарғы тізбегінде тек өзек қозғалғанда ғана ток жүреді.

Магнит өрісін тұрақты магнит қозғалысымен де өзгертуге болады. Тогы бар В шарғыны алып тастайық. Гальванометрге жалғанған А шарғыға магнитті енгізейік. Гальванометрдің тілі осы кезде токтың пайда болғанын көрсетіп ауытқиды. Шарғыдан магнитті шығарған кезде гальванометрдің тілі қайтадан қарама-қарсы жаққа ауытқығаны, шарғыда қарсы бағыттағы токтың пайда болғанын көрсетеді. Бірақ шарғыға қатысты магниттің қозғалысы тоқтаған кезде ток та жүрмейді. Сонымен шарғы тізбегіндегі индукциялық ток тек тұрақты магнит шарғыға қатысты қозғалған кезде ғана болады. Шарғы қозғалыста болып, ал магнит тыныштықта тұрған жағдайда да тізбекте ток пайда болады.

Сонымен, тұйық өткізгіштің контурын тесіп өтетін магнит өрісінің кез келген өзгерісінде өткізгіште электр тогы пайда болады және ол магнит өрісінің барлық өзгеру процесінде бар болады. Электромагниттік индукция құбылысының мәні де осында.

Электр өрісін электр заряды бар денелер туғызады. Бойымен электр зарядтары өтетін өткізгіштің төңірегінде магнит өрісі пайда болады. Қозғалмайтын зарядтың электр өрісі барлық уақытта да өзгеріссіз қалады. Бірқалыпты қозғалатын зарядтардың, яғни тұрақты электр тоқтарының төңірегінде пайда болатын магнит өрісі де өзгермейді.

Ал егер электр заряды бар бөлшектер тыныштық немесе бірқалыпты қозғалыс калпынан шығып, айнымалы қозғалыс жасаса, онда қандай өріс пайда болар еді? Бұл сұрақтың жауабын ағылшынның ұлы ғалымы Максвелл тапты.

Электр зарядтары айнымалы қозғалғанда, яғни кез келген айнымалы тоқта электр өрісі де, магнит өрісі де уақыт өтуіне қарай өзгеріп отырады. Сонымен қатар бұл өрістер, Максвеллдің 1865 жылғы теориялық пайымдауынша, өздерін біртұтас электро-магниттік өріс түрінде керсетеді.

Максвелл сегіз жыл бойы тынбай жүргізген физика-математикалық талдауларын 1873 жылы қорытындылады. Ол біртұтас электромагниттік өрістің теориясын жасады және оның бос кеңістікте де толқын түрінде тарай алатынын дәлелдеді. Максвеллдің электромагниттік өріс теориясының түйіні мынаған саяды.1. Өзгеріп отыратын магнит өрісі кеңістікте өзгеріп отыратын электр өрісін тудырады.2. Өзгеріп отыратын электр өрісі кеңістікте өзгеріп отыратын магнит өрісін тудырады.Осылайша өзгеріп отыратын электр және магнит өрістері әр уақытта да өзара байланыста болады, сондықтан олардың ажырамас бірлігін электромагниттік өріс дейді. Электромагниттік өрісті көрнекі түрде бейнелеу үшін оны, бір жағынан, электр ерісінің Е кернеулік векторы арқылы, екінші жағынан, магнит өрісінін В индукция векторы арқылы сипаттап кескіндейді.

Электромагниттік өріс — ақиқат нәрсе. Ол материя формасының бір түрі болып табылады. Материя формасының екінші түрі зат.

Электр зарядтары айнымалы қозғалыс (мысалы, тербеліс) жасағанда, олардың туғызатын айнымалы электромагнитгік өрісі кеңістіктің бір нүктесінен екінші нүктесіне тарайды.