Электр және магнит өрісі

Мазмұны:

I.Кіріспе…………………………………………………………….......................2

II. Негізгі бөлім………………………………………………………………...3-10

1.Электр және магнит  өрісі ұғымдарының динамикасы……………………3-6

2. Электр және магнит өрістері…………………………………………………6

3. Электр және магнит  өрістерінің ерекшеліктері…………………………..6-7

4. Өріс және зат ұғымдары…………………………………………………....7-8

5. Құйынды электр өрісі.  Электромагниттік индукция……………………8-10

III.Қорытынды……………………………………………………………….......11

Әдебиеттер тізімі………………………………………………………………..12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе

Электродинамика макроскопиялық, микроскопиялық және кванттық электродинамика болып  үшке бөлінеді. Максвелл электродинамикасы  классикалық механикадағы Ньютон заңдары  немесе термодинамикадағы термодинамика заңдарының рөлін атқарады. Максвелл электродинамикасында электромагниттік өрісті электр өрісінің кернеулігін векторының магнит индукция векторының шамалары арқылы сипаттайды. Максвелл теориясында ортаның қасиеті диэлектрлік өтімділік, М магниттік өтімділік және меншікті электр өткізгіштік сияқты үш шамамен сипатталады. Денедегі электромагниттік өрісті сипаттау үшін D электр ығысу (электр индукция), Н магнит өрісінің кернеулігі деген физикалық параметрлер енгізіледі.

Электр және магнит өрістерінің  өте тығыз байланыстылығын электромагниттік индукция заңына сүйене отырып өте  жақсы түсіндіруге болады. Айнымалы өріс үшін ешқандай есептеу системасы  болмайтындығы оның тек қана электр және магнит құраушысы болатындығын толық меңгеру қажет. Осы айнымалы электромагниттік өріс стационар өрістен  өзгеше болады. Электромагниттік өрістің  объективті шындық екендігін, оның біздің санамыздан тыс тұратындығын толық  меңгеру қажет. Біз тәжірибе қойған уақытта қандай да бір есептеу  системасын таңдап аламыз. Ол системада  электромагниттік өріс өмір сүреді. Есептеу  системасын таңдау – субъективті. Электромагниттік өрістің өмір сүруі оған тәуелсіз. Электромагниттік өріс электр өрісі  мен магнит өрісінің жиынтығы деп  қарастыруға болмайды. Электр және магнит өрістері біртұтас электромагниттік өрістің әр түрлі жағдайда танылуы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Электр және магнит  өрісі ұғымдарының динамикасы

Магнит  ұғымы  алғаш  рет  өзіне  тартатын  магнетит  тасы  өндірілген   Грецияның  Магнесса  қаласының  құрметіне  соның  атымен  аталған.  Оны  Лукрецкий  өзінің «О  природе  вещей» («Заттар  табиғаты  туралы») еңбегінде келтіреді. Ферриттің кристалының құрылымы өте күрделі феррит-шпинелінің құрылысымен сәйкес  келеді.  Осындай құрылымға ие  болатын кристалдардың магниттік қасиетін  алғаш   түсіндірген француз ғалымы  Неельге 1970  жылы  физика  ғылымы  бойынша Нобель  сыйлығы берілді.  Сонымен магнетиттің сырын ашуға адам  баласының 2,5  мың жылдай  уақыты  кетті.  Бүгін де  ол  шындыққа  адам  баласының қолы  толық жетті деп айтуға  болмайды.

Магнетиттердің  магниттік  қасиеттерін    алғаш  рет  тәжірибеде  Пьера  де Мерикура байқады. Ол шар тәрізді  магнетиттен  жасалған  денені  сондай  сопақша  етіп  жасалған  дененің  маңына  орналастырып, оның соңғы  денені  белгілі  бір  бұрышқа   бұратындығын  анықтады.  Сонымен  қатар  Перегина   магнит  полюсы деген ұғымды  1279 жылы енгізді.

  Магнетизм (магнитсана)  туралы  алғаш   еңбекті  1600  жылы  ағылшын  ғалымы  Гильберт жазды.  Ол  өзіне дейінгі магнитсана  туралы   орындалған тәжірибелердің барлығын жинақтап, Перегин тәжірибесін қайтадан  қайталады.  Гильберт  магнетиттен  жасалған   табақты,  жердің  үлгі-моделі  ретінде  қарастырып,  Жердің  магниттік  қасиетке  ие  болатынын  дәлелдеді.

Магниттік  құбылыстарға  материалистік  көзқарастарды   Гильберт  пен  француз  ғалымы  Декарт қалыптастырды. Декарт магниттік  бұрандалар  «винтик»  жердің  терең  қойнауының  бір  полюсынан  шығып,  екінші  жағына енеді деген тұжырымға келді. Голландиялық  ғалым Бургманс парамагнетиктердің магнитке тартылатындығын, диамагнетиктердің тебілетіндігін тәжірбиеда байқады.

Электромагниттік  құбылыстар  адам  баласына белгілі  болғанынан  қарамастан  ол  туралы  алғаш   ғылыми  тәжірибені  дат  физигі  Х.Эрстед  1820  жылы  орындады. Ол  тұрақты  токтың    магнитке  әсерін  бақылай  отырып,  алғаш  рет  электр  тогы  мен  магнит  арасындағы      байланыстың  барлығын  дәлелдеді.

Сондықтан  осы  1820  жылы   магнитсананың  ғылым  ретінде  алғашқы  кезеңінің  басталған  жылы  болып  саналады.  Дененің  магниттік  қасиетін  зерттеу  Эрстед  тәжірибесінен  кейін  кеңейе  түсті.  Магнитсананың  даму  тарихын  шартты  түрде  төрт  жарты  ғасырлық  кезеңге  бөліп  қарастыруға    (1820-1870,  1870-1920,  1920-1970,  1970 ) болады.  Эрстед  тәжірибесінен  кейін    жеті  күн  өткен  соң  Франция  ғылым  академиясының   отырысында  жасаған  баяндамасында  француз  ғалымы Анрике  Ампер магниттік  қасиетке  ие  болатын  заттарда   молекулалық  токтардың  болатындығы  туралы  ғылыми  болжам-гипотезасымен    бірге  ток  пен  магнетиктердің   эквиваленттілігі  туралы   теоремасын  дәлелдеді.  Осы  уақытқа  дейін   заттың  атомдық  құрылысы   туралы   ғылымда  ешқандай  мәлімет  кездеспейтін.  Ампер  гипотезасы    зат  құрылысын  зерттеудің  бастамасына  айналған  революциялық  пікір  еді.    Содан  кейін  М.Фарадей  1831  жылы  электромагниттік  индукция  заңын  ашып,  Бургманс  тәжірибесін  қайталай  отырып, ғылымда  диа  және  парамагнитсана туралы  ұғым  қалыптастырды. Магнит өрісі туралы    ұғымды  да  ғылымда    осы  жылдары  Фарадей  еңгізді.  Ол  денелердің  диамагниттік  қасиетін  зерттей  отырып, 1845  жылы магнит  өрісіне  еңгізілген  шынының  поляризация  жазықтығының  бұрылатындығы  туралы  құбылысты  ашты.  Сонымен  магнитсананың  дамуының  бірінші  жарты  ғасырлық  кезеңі Максвелл  теңдеулерінің  жазылуымен  аяқталды.

 

                                                     

 

                                                

 

        Магнитсананың   дамуының  екінші  кезеңі  ферромагнетиктердің   магниттік  қасиеттерін  сыртқы  магнит  өрісіне  байланысты  зерттеуден  басталды.   ХІХ   ғасырдың  екінші  жартысында  орыс  ғалымы  А.Г.Столетов өзінің  «О функции  намагничивания  железа» ( «Темірдің    магниттелуі   туралы»)  еңбегінде  магнит  өтімділігінің      сыртқы  магнит  өрісінің  кернеулігіне   тәуелділігін  тәжірибе  жүзінде зерттеп,  оның  сызықтық   функция болмайтындығын   дәлелдеді.   ХІХ ғасырдың  90-жылдарында  теріс зарядталған   бөлшек  электронның барлығы дәлелденді.  Нидерлан  ғалымы  Зееман 1896  жылы  магнит  өрісінде  спектрлік сызықтардың бөлінетіндігін екінші  бір нидерлан  ғалымы    Хенрик  Антон Лоренц осы құбылыстың  электрондық теоремасын  жасады.  Сонымен қатар ағылшын ғалымы  Джозеф Лармор 1897 жылы электрон  қозғалысының  магнит  өрісіндегі  туралы  теоремасын  дәлелдеді.

Осы  жылдары  француз  Пьер  Кюри диамагниттер  мен  парамагниттердің   қабылдағыштықтарының  температураға  кері   пропорционалдығын  тәжірибе  жүзінде  анықтады.   Поль  1905  жылдары  Ампердің  молекуларлық  ток  туралы   гипотезасы  мен  Лармор  теоремасы  және  Лоренцтің  электрондық  теориясына  сүйене  отырып, диа  және  парамагнитсананың    классикалық  теориясын  жасады.

        Пьер  Эрнест  Вейсс  1904-1907  жылдары   ферромагнетиктердің  ішінде  қаныққан   магниттеуге  ие  болатын  облыстардың, аймақтардың      барлығын,  ішкі  молекулалық   токтар   гипотезасына  сүйене  отырып,   дәлелдеді.    Ферромагнетиктердегі   домендық   құрылымды  тәжірибеде  бір-біріне  тәуелсіз  неміс   физигі  Биттер  мен  орыс  физигі  Н.С.Акулов  байқады.  Ол  әдісті  Биттер-Акулов  әдісі   деп  атайды. Осы  жылдары   В.К.Аркадьев  ферромагниттердің   айнымалы  магнит  өрісіндегі  қасиетін  зерттей  отырып,  жоғары  жиілікті  электромагниттік  толқынның   ферромагнетиктерде  жұтылатындығын,  яғни  ферромагниттік    резонанс  құбылысын  зерттеді.  Осымен  магнитсананың   дамуының  екінші  жарты  ғасырлық  кезеңі  аяқталды.

        Магнитсананың   үшінші  периоды Вольфанг Паулидің 1920 жылы  магнитсанаға  Бор   магнетонын   М_Б   еңгізумен  басталады.

        1925  жылы  Сэмюэл  Гаудсмит  және  Джордж  Юджин  Уленбек  электрон  спинінің  (меншік  қозғалысын) барлығын  ашты.  Содан  кейін  Гейзенберг, Френкель, Болх алмасу энергиясына  негізделген  ферромагнетиктердің   кванттық  теориясын  қалыптастырды.  Ол  I_S=f(H)  магниттелудің кристаллдың жақтары мен қырларына байланысты   өзгеретіндігінің  теориясын жасады.  Бір сөзбен  айтқанда  магниттік анизотропия туралы  теория  пайда болды.

        Енді  магнитсананың  үшінші  және  төртінші  кезеңдерінің негізгі  бағыттарына тоқтала кетсек болады.

        Кез   келген  ғылымның  дамуы  өндірісті   өркендететін  болса,  керісінше   оның  өркендеуі  ғылым  алдына  жаңа  проблемалар  қойып   отырады.

Өткен  ғасырдың  20-30  жылдарындағы  өндірістің  дамуы  оған  қажетті  үлкен    магниттік  қасиетке  ие  болатын   магнит  материалдарды  іздеп  табуды  қажет  етеді. Осы жылдары  таза  металл  ферромагнетиктердің  және  олардың  қорытпаларының  магниттік  қасиеттері  зерттелді.

        Екінші  дүниежүзілік  соғыстың  соңына  қарай  жоғары  жиілікті  техниканың  дамуына  байланысты  Фуко  тогы  аз  бір  жақты  өткізгіштікке   ие  болатын,  магнит  материалдар   іздестіру  қажет  болды.  Осындай  магнитті  материалдарға   МеО   Fe₂O₃     сияқты  химиялық  қоспалардың ие  болатындығы дәлелденді.  Енді  магнитсанада  ферромагнетиктер  физикасына  ферриттер физикасы  деген тарау келіп қосылды.  Ферриттер негізінде   радиоауқымында , жоғары жиілікті техника,  лазерлік  техникада,  электр есептеуіш машиналар қолданатын  жаңа  материалдар болып табылады.

Электрлік әсерлесулердің табиғатын  түсіндіру үшін Ньютон эфир (грекше – сияқты, бәлкім, көрініп тұрғандай  деген сөз) гипотезасына сүйенеді. Ньютонның  көзқарасы бойынша магнетизмнің, электрдің және гравитацияның ұқсастығы  күштердің материалдық тасымалдаушылары бір болғандығынан, және ол эфир болып  табылады деп түсіндіреді.

1756 жылы Ломоносов электр  құбылыстары эфир бөлшектерінің  қозғалысынан туындайтыны туралы  гипотеза ұсынады. Бұл идеяны  кейін Эйлер дамытады. Ол электр  процестерін механикалық қозғалыстарына  әкеп тірейді. Ол салмақсыздық  концепциясының нақты бейнесін  ұсынды. Электр разрядты эфирдің  күйі деген ой айтты. 

1771 жылы Кавендиш электрді  серпімді, сығылмайтын сұйық деп  болжайды.

Электромагнетизмнің дамуына, 1820 жылы Эрстедтің магнит тілшесіне  токтың әсер етуін ашуы үлкен ықпал  берді. Араго тогы бар өткізгіштің  магниттік қасиеттері болатынын  көрсетті. Ампер электродинамикасында токтың магниттік әсерін магнит полюстері  арасында әсер ететін орталық күштермен  түсіндірді. Алайда, әсерлесетін элементтерді қосатын радиус-вектордың бағыты мен тәжірибеде анықталған магнит күштерінің бағыты өзара перпендикуляр болып  шықты. Бұл жағдайға ол кездегі физиктердің  мән бермеуі таң қалдырмай  қоймайды. Токтардың әсерлесуі –  электр тартылу мен тебілудің  дербес жағдайы деп түсіндірілді.

Фарадейдің кезінде алыстан  әсер ету концепциясы үстем болды. Оның дұрыстығына ешкімнің күдігі де болмады. Осындай жағдайда Фарадей  бұл, алыстан әсер ету концепциясына (барлық әсерлесулер кез-келген арақашықтыққа  таралады деген сөз) батыл түрде  қарсы шықты. Бұл уақытқа дейін  химиямен айналысқан Фарадей, барлық күш-жігерін  электромагнетизмге бұрады. 1816-1862 жылдар бойы ғылыми жұмыспен айналысудың нәтижесінде, оның «ерекше көзқарасы» қалыптасты. Оның «ерекше көзқарасы» мәнісіне тоқталайық:

Электр флюидтер болмайды. Электр заттың атомдарымен байланысты (Франклин бойынша заттардағы электр құбылыстардың болуы, оларда ерекше субстанция болатындығынан деп түсіндірілді. Материяның ерекше түрі болып табылатын  бұл субстанцияның флюид деген  атағы болған);

Алыстан әсер етудің болуы  мүмкін емес, электр және магнит күштері  қисық сызықтармен таралады, ол сызықтардың  конфигурациясы ортаның қасиеттеріне байланысты (жақыннан әсер етудің мәнісі осы).

ХІХ ғасырдың 30-жылдарында алыстан  әсер ету концепциясының күшті математикалық  жабдықталуы болды. Ал тогы бар өткізгіштің  маңайында «құйын» болуы, магниттің  айналасында «магниттік атмосфера», ал зарядталған денелердің айналасында  «электрлік атмосфера» болады деген  ойдың математикалық негізі болмады. Фарадейге дейін жақыннан әсерлесу концепциясы философиялық сипатта  болды. Фарадей ашық түрде алыстан  әсер ету концепциясына қарсы  шықты. Яғни күштің түзу сызық бойынша  таралады деген мәселені жоққа шығарды. Ол жақыннан әсерлесудің потенциалдық мүмкіндігіне зор сенімде болды  және өзінің ерекше көзқарасын бірте-бірте  нығайта отырды.

Фарадей жақыннан әсерлесу концепциясын физикалық зерттеудің бір құралына айналдырды. Фарадей  физикалық өріс концепциясына келіп, өріс ұғымын пайдаланғанымен, басында  оған анықтама бермейді. Фарадей бойынша, электрленген дене электр өрісін туғызады.

Электр өрісіне тоқталмастан бұрын, қысқаша электр әсерін базалық  факт ретінде айтып кетуге болады. Электр әсерлесу мысалына Ньютонның  тәжірибесін келтірейік. Темір сақинаға қойылған шынының астына қағаз үгінділері салынады. Шыныны үйкеген кезде қағаздар оған тартылып, кейін тебілі, одан қайта  тартылып және тағы солай болады. Бұл  тәжірибені Ньютон 1675 жылы жүргізген.

Сонда электр әсері қалай  беріледі? Дыбыс ауа арқылы берілетіні белгілі, мүмкін электр өрісі де ауа  арқылы немесе басқа да заттар арқылы беріледі ме?

Ньютоннан кейін, Бойль Генрикенің тәжірибесін қайталады. Нәтижесінде, электрленген дене электрленбеген денені тартумен қоса, өзі де оған тартылатынын байқады. Бойль электр әсері вакуум арқылы да берілетінін көрсетті.