Электр және магнит өрісі

1749 жылы құрылған Франклиннің  теориясы бойынша электрленген  денелердің маңайында «электр  атмосфера» болады деп саналған.

1759 жылы Петербургте академик  Франц Ульрих Теодор Эпинустың  «электр және магнетизм теориясының  тәжірибесі» атты кітабы шығады. Эпинус Франклиннің электр сұйық  туралы гипотезасын қолдайды: «Барлық  электр құбылыстарын жүзеге асыратын  қандай да бір сұйықтық бар,  ол электр сұйығы деп аталады,  сұйық өте икемді әрі нәзік,  оның бөлшектері әжептеуір үлкен  арақашықтықтан да тебіледі».  Материя бұл сұйықтың бөлшектерін  өзіне тартады.

2. Электр және магнит  өрістері

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. Жалпы жағдайда кеңістіктегі электромагниттік өріс аталған екі векторының алты проекциялары: Е_х, Е_у, Е_z, В_х, В_у, В_z арқылы өрнектеліп қана қоймайды сонымен қоса олардың арасындағы өзара байланысты да қарастырады. Денедегі электромагниттік өрісті сипаттау үшін D электр ығысу (электр индукция), Н магнит өрісінің кернеулігі деген физикалық параметрлер енгізіледі.

3. Электр және магнит  өрістерінің ерекшеліктері

Электромагниттік өріс материяның бір түрі. Ол арқылы кеңістік пен  уақытқа байланысты электромагниттік өзара әсер іске асырылады.

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.

Электромагниттік өріс зарядталған  бөлшекке күштік әсер тудырады. Электромагниттік өрісте қозғалған зарядқа әсер ететін күш Кулондық күш пен Лоренц күшінің  қосындысына тең болады:

Қозғалмайтын зарядқа  бұл күштің электромагниттік өрістің  тек электрлік құраушысы ғана әсер етеді. Яғни қозғалмайтын зарядқа әсер ететін күш электромагниттік өрістің электрлік құраушысының кернеулік векторының шамасын анықтайды

Магнит индукция векторы  электромагниттік өрістің магниттік  құраушысының күштік сипаттамасын береді. Магнит өрісі тек қана қозғалған  зарядқа ғана әсер етеді. Бірақ қозғалған зарядқа электромагниттік өрістің электрлік құраушысыда әсер етеді. Электромагниттік өрістің тек магниттік құраушысының әсерін бөліп алып қарастыру үшін электр құраушысы болатын ал электромагниттік өріс тек қана магниттік өзара әсерлесу арқылы сипаттамасын есептеу системасын таңдап алу қажет.

Қозғалмайтын тұрақты  тоқтың магнит өрісін немесе тұрақты  тоқтың өрісін өткізгіш бейтарап,  барлық теріс зарядтардын электр өрісі  бір-бірін жояды да тогы бар өткізгіш тудыратын электромагниттік өріс тек  магнит өрісі болады.

Қорытындысында магнит өрісінің зарядқа әсерін тек қана оның магниттік  құраушысының шамасы арқылы сипаттайды.

F=F_M (F_M- Лоренц күші)

Бұл күштің модулі

F_M=qVB sin

Мұндағы бұрышы зарядталған бөлшектің жылдамдығы V мен магнит индукция В векторы арасындағы бұрыш. В векторының бағыты тәуелсіз анықталады. В магнит индукция векторының бағыты оң полюсінен сол полюсіне қарай бағытталады. Магнит индукция бағытын анықтау үшін сол қол ережесі пайдаланылады.

Егер зарядталған бөлшектің жылдамдығы магнит индукция векторы -ға перпиндикуляр болса, магнит өрісінін зарядталған бөлшекке әсер ететін күшінің ең үлкен мәні (F_M=qVB) сонда кеңістіктегі магнит индукциясы векторының модулі магнит индукция сызығына перпендикуляр V жылдамдығы мен қозғалатын зарядталған оң бөлшекке әсер ететін күштің шамасына тең болады.

Магнит индукция векторына  параллель   қозғалатын зарядтарға магнит өрісі әсер етпейді. Бұл қорытынды  электр өрісінің кернеулігі мен магнит индукция векторы ның ерекше айырмашылығы болып табылады. векторының бағыты қарастырылып отырған нүктеде оң зарядқа әсер ететін күштің бағытымен сәйкес келеді. Электр және магнит өрістері бір уақытта әсер еткенде олар бір-біріне әсер етпейді. Осындай өрістің әсерінен зарядқа әсер ететін қорытқы күш электр өрісінің кернеулік векторларының геометриялық  қосындысына тең болады:

Суперпозиция принципін  магнит өрісі үшін де қолдануға болады. Егер магнит өрісін бірнеше өріс көздері  тудыратын болса, онда қорытқы өріс жеке (тоқтардың, қозғалған зарядтардың) өріс тудыратын көздердің магнит индукцияларының геометриялық қосындысы  болады:

4. Өріс және зат ұғымдары

Электромагниттік өрістің әсерін тек зарядталған бөлшекке әсерімен ғана анықтап қоймайды, сонымен бірге оның басқа да әсерлерін анықтайды. Электромагниттік өрістің қасиетті заттың қасиеті сияқты. Электромагниттік өрісте өтетін физикалық процесстер импульстің сақталу заңына, импульс моменті, электр заряды, сақталу заңына, масса мен энергия байланысына бағынады. Сақталу заңы зат пен өрістің терең ішкі байланысын анықтайды.  Бұл материяның екі түрі мынадай жалпы ортақ қасиетке ие болады:

1.Зат пен өріс материяның  екі түрі, олар бір-бірінен тәуелсіз  біздің санамызда өмір сүреді.

2.Зат пен өріс энергияға  ие болады.

3.Олар толқындық және  корпускулярлық қасиетке ие болады.

4.Өрісте өтетін барлық  процестер сақталу заңына бағынады.

5.Зат пен өріс бір-біріне  өтеді. Өріс заттың қасиетін  өзгертеді (поляризация, магниттелу), ал зат өріске әсер етеді  (олар электр және магнит өтімділіктерімен  сипатталады)

6.Өріс пен зат бір-біріне  айналу мүмкін. (фотон есебінен  электрон-позитрон жұбының пайда  болуы немесе кері процесс,  электрон мен позитрон бірігіп  екі гамма – квантын түзеді).

Электромагниттік өріс пен  затты мынадай қасеттері бойынша  айыруға болады:

1.Заттар бір-бірімен тікелей  әсерлеспейді. Олар бөлшек-өріс-бөлшек  сұлбасы бойынша әсерлеседі.  Қазіргі заманғы физика теориясы  және эксперимент өте үлкен  өрістерде олардың әсерлесуін  жоққа шығармайды.

2.Өрісті зат сияқты  шекаралығы бөліп көрсетуге болмайды.

3.Кеңістіктегі бір көлемді  әртүрлі зат объектілерімен толықтыруға  болмайды, ал бір көлем ішінде  әртүрлі өрістер өмір сүре  алады. 

4.Өріс затқа қарағанда  аз масса мен энергия тығыздығына  ие болады.

      5.Заттың тыныштықтағы  массасы нолге  тең болмайды. Ал электромагниттік толқынның-фотонның  тыныштық массасы нолге тең.

      6.Заттың бөлшегі  ваккумдағы жарық жылдамыдығымен  қозғала алады.

Ал электромагниттік өріс үшін күшті  гравитациялық өрістің болмауы  тек қана жылдамдықтың екі мәнінде: статистикалық өріс үшін V=0, және еркін  өріс үшін V=C.

7.Өрістің заттан ерекшелігінен  ол үшін есептеу системасын  таңдап алуға болмайды, өйткені  ол қозғалатын және тыныштықтағы  объекті үшін бірдей жылдамдыққа  ие болады.

Электромагниттік өрісті шарты еркін және байланысқан  деп алуға болады. Байланысқан  өріс ол тікелей зарядқа байланысты, ал еркін өріс зарядтан өз қатынасын  үзген кеңістікте электромагнит  толқын түрінде тарайды. Релятивистік  механика тұрғысынан түсіндіру басым  алады: бұл материалдар тек салыстырмалы теория негізінде уақыттың және ұзындықтың қысқаруы, массаның өзгеруі сияқты мысалдарда үздіксіз қолданылады. Релятивистік эффектілерде тек қана физикалық  объектілердің жылдамдығын жарық  жылдамдығына ұмтылғанда ғана пайда  болады.

5. Құйынды электр өрісі.  Электромагниттік индукция

Қарапайым жағдайды қарастырайық: магниттік өріс біртекті және оның магниттік индукция векторы  , ауданы S контур жатқан жазықтыққа перпендикуляр. Бұл кезде магниттік ағын Ф -  ВS-ке тең болады, ал магниттік ағынның өзгеруі кезінде пайда болатын индукцияның электр қозғаушы күші:

магниттік индукция В және контур ауданы S бірдей өзгере алатындықтан былай жазса болады:

Бұл өрнектегі бірінші  мүше индукцияның электр қозғаушы күшін  сипаттайды, ол магниттік ағын өтіп тұратын контур ауданының уақыт  ағынында өзгеруінен туады. Ал екінші мүше магнитік  өрістің өзгеруінен туатын индукцияның электр қозғаушы күші.

Индукцияның электр қозғаушы күшінің тууының осы екі жағдайы  болады.

Алдымен бірінші жағдайға келейік. Егер контурдың ауданы өзгеретін  болса, онда контурды құрайтын өткізгіш бөліктері міндетті түрде қозғалысқа келулері керек. Онда ол өткізгіштердегі  зарядтарға Лоренц күші әсер етіп, ол зарядтарды мүмкін болса жылжытады.  Электрлі-магниттік  индукцияның бұл түрі магниттік  өріс қозғалыстағы зарядтарға әсер ететіндігінен  туады.

Ендігі кезекте магниттік  өрістің өзгеру жағдайын қарастырайық, бұл кезде зарядтар мен өткізгіштер  қозғалмайды.

Тыныштықтағы электрлік  зарядтарға тек қана электрлік өріс қана әсер етеді. Егер тыныштықтағы электр өткізгіште электр тогы пайда болса, онда өткізгіштіктегі еркін электрондарға  электрлік өріс әсер еткен. Егер тыныштықтағы өткізгіштікте айнымалы магнит өрісі  ғана болған болса, онда электрлік өріс қайдан келген? Демек, айнымалы магниттік  өріс электрлік өрістің «келуіне»  себеп болады деп жорамалдауға тура келеді. Бұл өрісті индукциялы немесе құйынды электрлік өріс деп атайды. Құйынды электрлік өрістің бар  болуын Дж.К.Максвелл жорамалдаған.

Құйынды электрлік өрістің  ерекшеліктерін, электрлік және магниттік  өрістермен салыстыра отырып анықтаған  жөн. Индукциялы электрлік өрістің  зарядқа күштік әсерін кернеу векторы  - мен сипатталады. Индукциялық өрістің энергетикалық сипаттамасын – индукциялық электр қозғаушы күші .

Ең алдымен индукциялық  электр қозғаушы күші тізбекте бүтіндей қамтып түзіледі. Яғни магниттік индукция ағыны өзгеретін тізбектің барлық бөлігінде түзіледі. Ал химиялық элемент  электр қозғаушы күші, термопара электр қозғаушы күші белгілі бір бөліктерде ғана пайда болады. Оның өткізігіш  затының тегіне және өткізгіш температурасына  тәуелсіздігін жатқызуға болады. Индукцияның электр қозғаушы күші магниттік  өрістің өзімен анықталады. Электрлі-магниттік  индукция құбылысында өткізгіштер  қосымша рөл атқарады, яғни электрлі-магниттік  өрісті тіркейтін құралдың рөлін  атқарады.

Магниттік ағын өзгергенде әрқашан құйынды электрлік өріс пайда болады. Ол өрістің энергетикалық  сипаттамасы индукцияның электр қозғаушы күші  атқарады. Егер өткізгіш контур бар болса, онда және сонда  ғана индукциялық ток пайда болады.

Индукциялық электрлік өріс электростатикалық өріске қарғанда потенциалды емес, құйынды өріс болып  табылады (олар магниттік ағынды қамтитын шеңберлер болып табылады) (1-сурет).

                                      

          B

 

                                    

                                                    E

 

 

 

                  1-сурет

яғни, тогы бар түзу өткізгіштің  магнит өріс индукциясының түзулеріне ұқсайды.

Электрлі-магниттік индукция заңынан индукцияның электр қозғаушы күшінің таңбасын анықтауға болады (сол арқылы индукциялық электрлік  өрістің кернеулік вектор бағытын  анықтайды). Шынында 

Егер магниттік ағын азайса ( Ф<0), онда индукцияның электр қозғаушы күші оң ( >0). Егер де магнитті ағын артса ( Ф>0), онда индукцияның электр қозғаушы күші теріс ( <0).

Индкуциялық электрлік өрістің  кернеулік түзулері тұйық болғаннан  кейін, бұл өрістің көзі электрлік  заряд болуы мүмкін емес, оны айнымалы магниттік өріс тудырады.

Бұл өріс үшін потенциал  ұғымы және де потенциалдық энергия  ұғымы келмейді. Себебі ,индукциялық  электрлік өріс – құйынды өріс.

Индукциялық өріс кернеуінің арақашықтықтан тәуелділігі электростатикалық  өріс үшін тәуелділіктен өзгешеленеді.