Тақырыбы: Электростатика тарауындағы негізгі ұғымдарды ғылыми-әдістемелік талдау.

Электр заряды. Электр заряды – массадан кейінгі элементар бөлшектердің екінші маңызды сипаттамасы, ол – электродинамикадағы ең іргелі ұғымдардың бірі. Зарядтың анықтамасын оқушыларға бұрыннан белгілі ұғымдар көмегімен беру мүмкін емес. Заряд ұғымы электродинамика курсын оқу барысында электромагниттік өріс ұғымымен бірге қалыптасады, оның мәні электродинамиканың барлық заңдарын оқу нәтижесінде ашылады. Олай болса, заряд ұғымын оқушылар біртіндеп түсінеді.

Денелерде (бөлшектерде) зарядтың бар екендігі ерекше өзара әсер арқылы білінеді, оны электромагнитік өзара әсерлесу деп атаймыз. Қозғалмайтын зарядталған денелердің өзара әсерлесу сипаты кулондық болады да, ал қозғалыстағы зарядтардың өзара әсерлесуі олардың савлыстырмалы жылдамдықтарының модулі мен бағытына тікелей байланысты. Осыған орай электромагниттік өзара әсерлесу электрлік және магниттік өзара әсерлесуден тұрады. Жеке жағдайларда электромагниттік өзара әсерлесу тек электрлік немес тек магниттік болып көрінеді. Жылдамдық таңдап алынған санақ жүйесіне байланысты болғандықтан электромагниттік өзара әсерлесудің де сипаты бар. Сондықтан зарядталған екі дененің өзара әсерлесуі жалпы жағдайда электромагниттік болып табылады. Олай болса, заряд - денелердің электромагниттік өзара әсерлесуінің сандық және сапалық сипаттамасы.

Зарядты өлшеудің әр түрлі тәсілдері бар, ол үшін электромагниттік өзара әсерлесудің түрлі жағдайы қолданылады. Физика курсын оқу барысында оқушылар олардың біразымен танысады: электростатикалық әдіс (Милликен-Иоффе тәжірибесі); электромагниттік әдіс (Лоренц күші негізінде электронның меншікті зарядын анықтау) ; ток күші мен уақытты өлшеуге байланысты әдіс, электролиз құбылысына байланысты әдіс және т.б. Осы кезге дейін жасалынған тәжірибелердің бәрі электр зарядының табиғаты дискретті , корпускулалық , атомдық екендігін толық дәлелдеп берді. Табиғаттағы ең аз зарядтың мөлшерін элементар заряд деп атайды. Элементар оң заряд протон зарядына (+е) , ал элементар теріс заряд электрон зарядына (-e) тең. Кез-келген дененің заряды элементар зарядтың бүтін санына тең (q= ne).

Зарядтың дискреттілігін оқыту зат қасиеттерінің дискреттілігі жөніндегі оқушылардың көзқарасын қалыптастыруды жалғастырып , микродүниенің маңызды ерекшелігінің бірін түсінуге негіз болады , оқушыларды атомдық және ядролық физикадағы кванттау идеясын терең түсінуге дайындайды.

Заряд жөніндегі табиғи іргелі екі заң оқылуы тиіс: біріншісі – электр зарядтарының өзара әсерлесуі жөніндегі Кулон заңы, екіншісі – зарядтың сақталу заңы. Кулон заңының орындалатындығы көптеген тәжірибелер көмегімен дәлелденген болса, зарядтың сақталу заңын осы кезге дейін бақыланып жүрген барлық құбылыстар дәлелдеп беріп отыр: денені үйкеу арқылы электрлегенде денелерде бір мезгілде модульдері жағынан өзара тең, таңбалары қарама-қарсы зарядтардың пайда болуы; кез-келген электрлеу процесінде (әсер арқылы, химиялық, фотоионизация және т.б.) зарядтардың шама жағынан тең, таңбалары қарама-қарсы болып бөлінуі; электр тізбегі тармақтарындағы токтардың ара-қатынасы; ядро өрісінде фотоннан электрон-позитрон жұбының пайда болуы және керісінше - электрон-позитрон жұбының фотонға айналуы.

Оқушылар зарядтың тағы бір қасиетін білгені орынды, ол- зарядтың абсолюттігі немесе заряд шамасының заряд тасушы бөлшектің жылдамдығына тәуелді болмауы, басқаша айтқанда, санақ жүйесіне байланыссыздығы. Зарядтың бұл қасиетін зарядтың инварианттығы деп атайды , оны көптеген құбылыстар дәлелдейді: иондалмаған атомдар мен молекулалардың бейтараптығы; қызған металдардың зарядталмайтындығы; үдеткіштер көмегімен зарядты бөлшектердің жылдамдығын үлкен мәндерге дейін өсіргенде оның зарядының шамасының өзгермейтіндігі және т.б.

Заряд жөніндегі әңгімелер кезінде, тұрақты түрде, зарядтардың өзара өріс арқылы әсерлесетіндігін ескертіп отыру қажет.

Электр өрісі. Заряд ұғымымен бірге электродинамикадағы негізгі ұғымдардың бірі – электромагнитік өріс ұғымы. Қазіргі кездегі көзқарас бойынша электромагнитік өріс - материяның бір түрі, екіншісі – зат.

Өріс және зат бір-бірімен тығыз байланыста. Олар тек бір-біріне өтіп қана қоймайды , сонымен бірге бірінің қасиетіне екіншісі себепші болады. Бұл көзқарастың қалыптасуына физикадағы екі концепция – алыстан әсер және жақыннан әсер ету – арасындағы күрес айтарлықтай әсерін тигізді. Концепциялар ньютондық және картезиандық (XVII-XVIII ғ. философия мен жаратылыстанудағы ағым) көзқарастар негізінде пайда болды.

Алыстан әсер ету теориясында негізгі және алғашқы ұғым ретінде заряд ұғымы алынады да, барлық электромагниттік құбылыстар зарядтардың алыстан лездік өзара әсері арқылы түсіндіріледі. Бұл теория XIX ғ. орта шенінде өзінің даму шегіне жетті, бұл кезде статикалық электр мен магнетизмнің толық теориясаы жасалды, бірақ алыстан әсер ету теорияларының барлығында да өріс жөніндегі ұғым болмады.

Сол дәуірдегі жаңадан ашылған құбылыстарды ескі теорияның түсіндіріп бере алмауы жаңа және жетілген теория жасауды қажет етті. Ондай теорияның негізін салушылар М.Фарадей (1791-1867ж) және Дж. Максвелл (1831-1879ж) болды. Фарадей Максвелдің классикалық жақыннан әсер ету теориясында негізгі және алғашқы ұғым өріс болып табылады, ал зарядқа екінші, қосалқы роль берілген. Жақыннан әсер ету теориясының түсіндірілуі бойынша барлық электромагниттік құбылыстар эфирде болатын өріс өзгерістерімен байланысты және ол өзгерістер кеңістікте шекті жылдамдықпен тарайды.

Тек статикалық өрісті зерттеу алыстан әсер ету және жақыннан әсер ету концепцияларының арасындағы таласты шешіп беру мүмкін емес еді, өйткені екі теория да тәжірибелермен сәйкес келетін қорытындылар береді. Тек өте жылдам өзгеретін электромагниттік өріске өткенде ғана алыстан әсер ету теориясының негізгі екендігі бірден белгілі болды.

Дегенмен Максвелл теориясы, басқа физикалық теориялар тәріздес , шектеулі еді, ең бастысы- ол зат құрылымын ескермейді. Өткен ғасырдың соңғы жылдарында Г.Лоренц (1853-1928ж) бір жағынан Максвелл теориясына сүйеніп, екінші жағынан заттардағы бөлшектермен байланысқан элементар зарядтардың (электронның) болатындығы жөніндегі көзқарасқа сүйеніп, электролмагниттік және оптикалық құбылыстардың жалпы теориясын жасады. Кейіннен, электронның бар екендігі тәжірибеден анықталған соң, бұл теория “Заттардың электрондық теориясы” деп аталып кетті. Бірақ Максвелл теориясындағы сияқты Лоренц теориясы да эфир ұғымынан құтыла алмады. А.Майкелсонның (1852-1931ж) және т.б. ғалымдардың жүргізген тьәжірибедері эфирдің жоқ екендігін дәлелдеп берді. А.Эйнштейннің (1879-1955ж) салыстырмалық теориясы шыққаннан кейін (1905ж) эфир ұғымы ғылымнан толық аластатылды.

XXғ. физиканың дамуы электромагниттік өрістің материяның бір түрі болғандығын көрсетіп беріп отыр. Электромагниттік өрістің қатысуымен жүретін барлық процесстер мына негізгі табиғи заңдарға бағынады: массаның сақталу заңына, импульстің сақталу заңына, импульс моментінің сақталу заңына, электр зарядының сақталу заңына , энергияның айналу және сақталу заңына, масса мен энергияның өзара байланысы заңына. Өріс үшін сақталу заңдарының орындалуы материяның зат түрі мен өріс түрі арасында терең ішкі бірлік бар екендігін көрсетеді.

Материяның бұл екі түрінің ортақ белгілері бар:

1.Зат және өріс – біздің санамыздан тыс және оған байланыссыз өмір сүретін материяның екі түрі.

2.Заттада және өрісте де энергия бар.

3.Екеуінің де толқынның және корпускулалық қасиеттері бар.

4.Өрісте жүретін барлық процестер негізгі сақталу заңдарына бағынады.

5.Зат пен өріс бір-біріне өтіп кете береді.Өріс зат қасиетін өзгертеді (поляризация, магниттелу), зат өріске әсер жасайды (диэлектрлік және магниттік өтімділік).

6. Зат пен өрістің бір-біріне айналуы да мүмкін (фотоннан электрон-позитрон жұбының пайда болуы және керісінше – электрон мен позитронның бірігіп екі гамма-квантқа айналуы). Дегенмен, материяның бұл екі түрінің әрқайсысына тән өз ерекшеліктері де бар.

Электростатикалық өрісті оқыту кезінде біз тек электромагниттік өрістің материалдығы жөніндегі көзқарасты ғана қалыптастыруды бастаймыз. Электродинамиканың кейінгі бөлімдерінде тұрақты ток тізбегінде энергияның түрленуіндегі электр өрісінің рольі және магнит өрісінің энергиясы жөніндегі мәселелер қарастырылады. “Электромагниттік толқындар” тақырыбында электромагниттік өрістің материалдығы туралы шешуші фактор- оның жылдамдығының шектеулі екендігі дәлелденеді. Электромагниттік өрістің материалдығын қалыптастыру онымен бітпейді. Жарықтың қысымын, фотонның энергиясы мен массасын, электрон-позитрон жұбының фотонға және фотонның электрон-позитрон жұбына айналуын оқыту бұл процестің жалғасы болып табылады.

Бұл айтылғандардан “Электр өрісі” тақырыбын оқыту нәтижесінде өрістің материалдығын қалыптастыру мүмкіндігі аз екендігін көріп отырмыз. Сонда да болса кейінгі тақырыптарда ұғымды қалыптастыруды жалғастыру үшін бұл материалдың қолайлылығын барынша пайдалану керек.

Электр өрісінің негізгі сипаттамалары.Электр өрісін сол өрістің кез-келген нүктесіне орналасқан зарядқа әсер жасаушы күш арқылы немесе өріс нүктесіндегі энергия арқылы сипаттауға болады.

Күш тұрғысынан сипаттаушы шаманы электр өрісінің кернеулігі (E) деп атайды, ол өріс нүктесіндегі зарядқа әсер етуші күштің (F) заряд шамасына (q) қатынасымен анықталады:

Кернеулік – векторлық шама , оның бағыты нүктеге орналасқан оң зарядқа әсерететін күш бағытымен сәйкес келеді.

Егер электр өрісін бірнеше заряд жасайтын болса , онда нүктедегі кернеулік жеке зарядтардың сол нүктедегі кернеуліктерінің векторлық қосындысына тең болатындығын тәжірибелер дәлелдеп беріп отыр . Тәжірибелерден алынған бұл қорытынды суперпозиция принципінің мазмұны болып табылады.

Өрісті энергетикалық тұрғыдан сипаттау үшін өріс потенциалы , өріс потенциалының айырмасы және кернеу ұғымдары ендіріледі. Әдістемелік әдебиеттер мен оқу әдебиеттерінде осы ұғымдардың бәрінің қажеттілігі, қайсысының негізгі ұғым екендігі, қандай реттілікпен оқыту керек екендігі жөнінде әртүрлі пікір айтылады және қолданылады. Мектеп бағдарламасында негізінен “потенциал-өріс потенциалы - кернеу” реттілігі қолданылып жүр.

Өрісті энергетикалық тұрғыдан сипаттау үшін нүктедегі өріс потенциалы ұғымы ендіріледі. Өріс потенциалы ( ) ретінде өрістің біз қарастырып отырған нүктесінен зарядты таңдап алынған нүктеге (нольдік нүктеге) дейін алып барғанда өрістің жасайтын жұмысының (W) сол заряд шамасына (q) қатынасы алынады: Нөлдік нүкте ретінде кез-келген нүктені алуға болады, бірақ физикада ондай нүкте ретінде әдетте шексізде орналасқан нүкте алынады да, ал практикалық есептеулерде Жер бетіндегі нүкте алынады.

Өрістің кез-келген екі нүктесі арасындағы потенциалдар айырмасы нольдік нүктені таңдауға байланыссыз, сондықтан оның белгілі физикалық мағынасы бар, ол- өріс зарядты бір нүктеден екінші нүктеге қозғағанда жасалатын жұмыстың (А) сол заряд шамасына қатынасымен анықталады немесе

Өрістің потенциалы немесе потенциалдар айырмасы ұғымдарын ендіру үшін электростатикалық өрістің потенциалдық сипатына айрықша тоқталу қажет болады.

Өрістің энергетикалық сипаттамаларының ішіндегі ең маңыздысы кернеу ұғымы (U) , өйткені 10 және 11 сыныптарда өтілетін тақырыптарда негізінен осы ұғым қолданылады. Дәлірек айтсақ кернеу ұғымы – потенциалдар айрмасы ұғымына қарағанда кеңірек ұғым. Осы қарастырылып отырған екі нүктенің арасындағы бірлік оң зарядқа әсер етуші барлық күштердің жасайтын жұмысымен анықталады. Мысалы, зерттелетін электр өрісі ғана емес бөгде күш те әсер етуі мүмкін.Ондай жағдайда учаскенің ұштарындағы кернеу потенциалдар айрымасы мен сол учаскедегі электр қозғаушы күш ( ) қосындысымен анықталады:

Егер тізбек учаскесінде ондай бөгде күш болмаса , онда кернеу және потенциалдар айырмасы ұғымдары бір нәрсе болып қалады.

Орта мектеп курсында өрістің бұл айтылған екі түрлі сипаттамаларының ара қатынасы да қарастырылады. Ең қарапайым электр өрісі болып табылатын бір текті электрстатикалық өріс үшін

формулалары алынады , мұндағы 1- бір текті өріс жасаушы беттердің бір-бірінен қашықтығы. Осы формуланың көмегімен өріс кернеулігінің бірлігі (B/м) ендіріледі.

Лекция 3