Электролизді техникада пайдалану

Электролиз құбылысы:

1) Металдарды қоспалардан тазарту үшін;

2) Гальванопластикада;

3) Гальваностегияда;

4) Ауыр су ( ) алу үшін;

5) Электролиттік конденсаторлар жасау үшін пайдаланылады.

19.7.Жартылай өткізгіштердегі электр тогы

Жартылай өткiзгiштер деп өткiзгiштiгi жағынан электр тогын жақсы өткiзетiн заттар мен (өткiзгiштер) электр тогын өткiзбейтiн заттар (диэлектриктер) арасында жататын заттарды айтады.

Жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi олардың қасиеттерiне және ондағы қоспаларға өте тәуелдi. Жартылай өткiзгiштердегi қоспалардың мөлшерiн проценттiң он миллионнан бiр бөлiгiнен 0,1-1%-не дейiн өзгерткенде оның өткiзгiштiгiн миллиондаған есе өзгертуге болады. Жартылай өткiзгiштердегi электр тогы тек терiс заряд- электрондармен ғана емес, сонымен қатар оң зарядтар- кемтiктермен тасымалданады. Кемтiк зарядының абсолют шамасы электронның зарядына тең.

Егер ешқандай қоспасы болмайтын идеал жартылай өткiзгiштiң электр тогын өткiзуi оның меншiктi электр өткiзгiштiгiмен анықталады.

Жартылай өткiзгiш кристалындағы атомдар сыртқы электрондық қабықшадағы электрондар арқылы байланысады. Атомдардың жылулық тербелiсi кезiнде жылулық энергия байланысты құрайтын электрондар арасында бiртексiз таралады. Соның нәтижесiнде кейбiр электрондар өз атомының байланысын үзiп, кристалда еркiн орын ауыстыратындай жылулық энергия мөлшерiн алады, яғни электр тогын тасымалдаушыларға айналады (басқаша айтқанда олар өткiзгiштiк зонаға өтедi). Электронның осылай кетуi атомның электрлiк бейтараптығын бұзады және атомда заряды кеткен электрон зарядына тең оң заряд пайда болады. Осы электроны жетiспейтiн бос орын кемтiк деп аталады.

Осы бос орынға көршi байланыстағы электрон көше алатын болғандықтан, кемтiк те кристалл iшiнде орын ауыстырады және электр тогының оң зарядты тасымалдаушысы болып табылады. Осы жағдайда электрондар мен кемтiктердiң мөлшерi бiрдей болады және идеал кристалдың электр өткiзгiштiгi тең мөлшерде оң және терiс зарядтардың қозғалысымен анықталады.

Егер жартылай өткiзгiштiң атомының орнына сыртқы электрондық қабатта бiр электроны артық қоспа атомын орналастырғанда, бұл электрон кристалдағы атомаралық байланысқа қатыспайды және өз атомымен нашар байланысады. Осы электрон аз энергияның өзiнде өз атомынан босап, еркiн электронға айналады. Осындай қоспаларды донорлық қоспалар, яғни электрон «беретiн қоспаларң деп аталады. Қоспа атомы оң зарядталады және бұл жағдайда кемтiк пайда болмайды. Бұл оң заряд өз атомымен байланысқандықтан электр өткiзгiштiк процесiне қатыспайды.

Жартылай өткiзгiш атомын сыртқы электрондық қабықшасындағы электрондар саны негiзгi атомның электрондарынан аз болатын қоспамен ауыстырғанда байланыстарға электрондар жетпей, бос орын қалады, яғни бұл жағдайда кемтiктер пайда болады. Жоғарыда айтылғандай осы бос орынға көршi атомнан электрон келе алады және кемтiк кристалда еркiн орын ауыстырады.

Кемтiктердiң қозғалысы- бұл электрондардың бiр байланыстан көршi екiншi байланысқа көшуi болып табылады. Осындай қоспалар электрон «алатынң акцепторлық қоспалар деп аталады.

Кристалдағы қоспалардың мөлшерi артқанда оның өткiзгiштiгi электрондық немесе кемтiктiк сипат алады. Negativ (терiс) деген латын сөзiнiң бiрiншi әрiпiне сәйкес электрондық өткiзгiштiгi n-типтi өткiзгiштiк, positiv (оң) сөзiнiң бiрiншi әрiпiне сәйкес кемтiктiк өткiзгiштiктi p-типтi өткiзгiштiк деп аталады.

Қоспалары бар жартылай өткiзгiштерде екi түрлі электр тогын тасымалдаушылар болады. Олар қоспа атомдарын енгiзу нәтижесiнде пайда болатын негiзгi электр тогын тасымалдаушылар және жылулық энергия нәтижесiнде пайда болатын негiзгi емес электр тогын тасымалдаушылар.

Техникада қолданылған алғашқы жартылай өткiзгiштiк материал селен болды. Қазiргi уақытта жиi қолданылатын материалдар кремний, германий, селен болып табылады. Бұл заттар элементар жартылай өткiзгiштерге, яғни Менделеев периодтық кестесінің элементiне жататын жартылай өткiзгiштерге жатады.

Германий, кремний және селенмен қатар қазiргi кезде Менделеев таблицасындағы ІІІ және V, ІІ және ІV, ІІ және VІ топтардың элементтерiнен алынатын күрделi жартылай өткiзгiштiк қоспалар қолданылады. Мысалы, галий мен мышьяктың (галий арсенидi), галиймен фосфор, сынап пен теллурдың қоспалары және т.б.. Жартылай өткiзгiшке енгiзетiн қоспа түрiнде бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьма және жартылай өткiзгiшке қажеттi қасиеттер беретiн басқа да элементтер қосады.

19.8.Жартылай өткiзгiштердiң зоналық теориясы

Заттардағы электрондар атом ядроларына қатысты тек энергиялары белгiлi мәндердi қабылдайтын және осы энергиялардың ешқандай аралық мәнiн қабылдамайтындай күйлерде болады. Әрбiр электронға басқа электрондардың энергиялық деңгейлерiнен бөлек энергиялық деңгейлердiң тек белгiлi бiр мәндері сәйкес келедi. Бұл энергияның деңгейлерi рұқсат етiлген деңгейлер деп аталады. Рұқсат етiлген деңгейдiң жиынтығы облыстарды немесе зоналарды құрайды және бұл зоналар бiр-бiрiнен электрон қабылдай алмайтын энергия деңгейлерiнен тұратын облыстармен бөлiнген. Бұл облыстар тыйым салынған зоналар деп аталады. Абсолют ноль температурада жартылай өткiзгiштердегi барлық электрондар энергиясы ең төмен зонада орналасады және бұл зонадағы барлық энергиялық деңгейлер электрондармен толтырылады.

Бұл зона валенттiлiк зона деп аталады. Валенттiлiк зонадан жоғары орналасқан зона өткiзгiштiк зона деп аталады. Барлық металл емес заттарда абсолют ноль температурада өткiзгiштiк зонада бiрде-бiр электрон болмайды. Металдарда валенттiлiк зона мен өткiзгiштiк зоналар қабаттасады. Электронның валенттiлiк зонадан өткiзгiштiк зонаға өтуiне қажеттi энергия тыйым салынған зонаның енi ( Е₀) деп аталады.

Жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi негiзгi электрондық (n-типтi) немесе кемтiктiк (p-типтi) болады.

Электронды өткiзгiштiк электрондардың өткiзгiштiк зонада қозғалысынан пайда болады, ал кемтiктiк өткiзгiштiк электронның валенттiлiк зонада электрон жетiспейтiн атомдардың бiрiнен екiншiсiне қозғалысынан пайда болады. Электронның валенттiлiк зонадағы қозғалысынан оң зарядтың (кемтiктiң) электрон қозғалыс бағытына қарсы бағыттағы қозғалысымен ауыстыруға болады. Бұл оң заряд шарты «кемтiкң деп аталады.

19.9.Жартылай өткiзгiштердегi электрондық-кемтiктiк ауысулар

Металл-жартылай өткiзгiш және жартылай өткiзгiш- жартылай өткiзгiш түйiсулерi Ом заңына бағынбайды. Бұл түйiсулердегi кедергi түсiрiлген кернеуге тәуелдi және кернеудiң бiрдей мәнiнде токтың бағытына байланысты өзгередi.

Жоғарыда айтылғандай жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi сипатына байланысты электрондық (n-типтi) және кемтiктiк (p-типтi) болуы мүмкiн. n-типтi жартылай өткiзгiштерде негiзгi заряд тасымалдаушылар электрондар, ал p-типтi жартылай өткiзгiштерде кемтiктер болып табылады. Екi жартылай өткiзгiштiң түйiсуiнде электрондар мен кемтiктер бiр жартылай өткiзгiштен екiншi жартылай өткiзгiшке өте алады. Сондықтан жартылай өткiзгiштердiң арасында түйiсу потенциалдар айырмасы пайда болады да, ал жұқа шекаралық қабатта түйiсу электрлiк өрiсi пайда болады.

Егер бiр типтi (екеуi де электрондық немесе екеуi де кемтiктiк) жартылай өткiзгiштер түйiссе, онда екi жартылай өткiзгiште бiрдей бөлшектермен алмасады (не кемтiктермен не электрондармен). Сондықтан түйiсетiн жартылай өткiзгiштердiң бiреуi n-типтi, екiншiсi p-типтi болған жағдайды қарастырамыз. Бұндай түйiсулер электрондық-кемтiктiк ауысу немесе p-n ауысу деп аталады. Осындай түйiсулерде таза күйiнде алу мүмкiн емес. Себебi екi жартылай өткiзгiштi бiр-бiрiне түйiстiргенде беттерiнiң тегiстiк еместiгiнен түйiсу тек кейбiр нүктелерде жүредi, ал олардың арасында ауа қабаттары болады. Сондықтан p-n ауысуын алу үшiн таза жартылай өткiзгiшке (мысалы, германий, кремний) екi қоспа - бiреуi донорлық (яғни, электрондық өткiзгiштiк бередi), ал екiншiсi акцепторлық (яғни, кемтiктiк өткiзгiштiк бередi), пластинканың бiр шетiнде бiр қоспа, ал екiншi шетiнде екiншi қоспа артық болатындай түрде енгiзiледi. Сонда пластинканың бiр жартысындай электрондық өткiзгiштiк, ал екiншi жартысында кемтiктiк өткiзгiштiк пайда болады және осы екi қоспалар бiрiн- бiрi теңестiредi.

Электр тогы болмаған жағдайдағы p-n ауысуын қарастырайық. Жылулық қозғалыстың нәтижесiнде n-облыстан электрондар p-облысқа өтедi және кемтiктер p-облыстан n-облысқа өтедi. Соның нәтижесiнде n-облыста түйiсу шекарасының айналасында оң көлемдiк заряд, ал p-облыста терiс көлемдiк заряд пайда болады да, n-облыстың потенциалы оң және ондағы электрон энергиясы азаяды (себебi, электрон заряды терiс), ал p-облыстың потенциалы терiс және ондағы электронның энергиясы артады. Электрондардың W_э потенциалдық энергиясының таралу қисығы суретте көрсетiлгендей түрде болады (тұтас қисық). Керiсiнше кемтiктердiң W_д потенциалдық энергиясы n-облыста үлкен және p-облыста кiшi болады (сызықшалы қисық).

Тепе-теңдiк күйiнде түйiсу арқылы өтетiн толық ток нольге тең. Бұл токтың металдағы токтан ерекшелiгi, ол электрондар мен кемтiктердiң реттелген қозғалысынан пайда болады.

Кез келген жартылай өткiзгiште негiзгi заряд тасымалдаушылардан басқа, әрқашанда негiзгi емес заряд тасымалдаушылар болады. Сондықтан электрондық жартылай өткiзгiштердiң электр өткiзгiштiгi электрондармен (негiзгi заряд тасымалдаушылар) қатар электрондармен салыстырғанда саны аз кемтiктердiң (негiзгi емес заряд тасымалдаушылар) қозғалысынан болады. Ал кемтiктiк жартылай өткiзгiштердiң электр өткiзгiштiгi кемтiктермен (негiзгi заряд тасымалдаушылар) қатар электрондар (негiзгi емес заряд тасымалдаушылар) қозғалысынан болады.

Негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың санынан негiзгi заряд тасымалдаушылардың саны өте көп болады.

Суреттi қарастырайық. Түйiсу өрiсi негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың қозғалысын тудырады (суретте негiзгi емес заряд тасымалдаушылар потенциалдық дөңестен «төмен түседiң). Сондықтан барлық түйiсу облысының айналасындае пайда болатын негiзгi емес заряд тасымалдаушылар n-p-ауысу арқылы қозғалады және n-облыстан p-облысқа бағытталған І_H токты тудырады. Бұл токтың күшi n және p-жартылай өткiзгiштерге түсiрiлген потенциалдар айырмасына тәуелсiз, тек түйiсу облысында бiрлiк уақытта пайда болатын негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың санына ғана тәуелдi. Негiзгi заряд тасымалдаушылар (оңнан солға қарай қозғалатын кемтiктер және солдан оңға қарай қозғалатын электрондар) І₀ тогын тудырады және бұл токтың бағыты p-облыстан n-облысқа қарай бағытталады. Суретте көрсетiлгендей түйiсу өрiсi потенциалдық барьердан өтуге тиiс негiзгi заряд тасымалдаушылардың қозғалысына кедергi келтiредi.

Тепе-теңдiк күйiнде толық ток І=І₀-І_н=0 болатындай потенциалдық барьердiң биiктiгi тұрақтанады.

Ендi түйiсу арқылы ток жүрген жағдайды қарастырайық.

n-облысқа терiс потенциал және p-облысқа оң потенциал берiлсе (сурет), онда n-облыстағы электрондар энергиясы артады, сондықтан потенциалдық барьердiң биiктiгi азаяды. Бұл жағдайда жоғарыда айтылғандай І_н негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың тогы өзгермейдi. І₀ негiзгi заряд тасымалдаушылардың тогы ендi электрондар потенциалдық барьердан өте алатын болғандықтан, солдан оңға қарай және кемтiктер қарама-қарсы бағытта жүредi. Нәтижесiнде түйiсу арқылы p-облыстан n-облысқа бағытталған І=І₀- І_н тогы өтедi және ток күшi түсiрiлген кернеуге байланысты күрт артады.

Егер n-облысты ток көзiнiң оң полюсiне, p-облысты ток көзiнiң терiс полюсiне қосқанда потенциалдық барьердiң биiктiгi артады да негiзгi заряд тасымалдаушылардың І₀ тогы кемидi

(сурет). Кернеу 1 Вольт шамасында болған кезде түйiсуден тек шамасы өте аз негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың І_н тогы өтедi деп есептеуге болады.

Жоғарыда келтiрiлгендерге байланысты p- n-ауысудың вольт-амперлiк сипаттамасы суретте көрсетiлгендей түрде болады.

Ток p-облыстан n-облысқа қарай жүргенде, ток күшiнiң мәнi үлкен болады және түсiрiлген кернеуге байланысты тез артады. Сондықтан осы бағыттағы ток үшiн (токтың өту бағыты) түйiсу кернеуi өте аз болады. Егер ток n-облыстан p-облысқа қарай бағытталса, ток күшi өте аз болады және түсiрiлген кернеуден тәуелсiз болады (қанығу тогы). Токтың осы бағытына түйiсу кедергiсi өте үлкен болады. Соныменен p-n ауысуы бiр бағыттың өткiзгiштiкке немесе вентилдiк қасиетке ие болады және вольт-амперлiк сипаттамасы сызықтық түрде болмайды.

Айнымалы ток тiзбегiне p-n ауысуын қосқанда ол түзеткiш түрiнде жұмыс атқарады. Бiр p-n ауысуынан тұратын электрлiк қондырғыны диод деп атайды.

Егер керi кернеудiң шамасы белгiлi бiр үлкен шамаға жеткенде, түйiсудiң қызуымен және өтпелi қабатта күштi электр өрiсiнiң әсерiне байланысты қосымша құбылыстар байқалады. Бұл құбылыстар түзетушi ауысуды iстен шығаратын керi токтардың күрт артуын тудырады (диодтың «тесiлуi»).

19.10.Металдардағы токтың табиғаты

Металдардағы электр тогы дегеніміз – еркін электрондардың реттелген қозғалысы, яғни кристалл торындағы иондармен байланыспаған электрондардың қозғалысы.

Металдағы ток тасымалдаушылар – электрондар. Классикалық жуықтауларда бұл электрондарды электрондық газ деп қарастырады. 1 см³ көлемдегі бір валентті металдағы өткізгіштік электрондар саны

,

мұндағы: - Авогадро саны, - металдың атомдық салмағы, - оның тығыздығы. Шамамен болады.

Электрондардың еркін жолының орташа ұзындығы металдың кристалл торының периоды шамасындай болады. Металдағы еркін электрондардың реттелген қозғалысы сыртқы электр өрісінің әсерінен болады. Бұл жағдайда пайда болатын ток тығыздығы

,

мұндағы: - бірлік көлемдегі өткізгіштік электрондар саны, - электрондар заряды, - олардың реттелген қозғалысының орташа жылдамдығы.

Әрбір электронға -ге күш әсет етіп, ол -ге үдеу алады. Сондықтан еркін қозғалысының соңындағы электронның жылдамдығы:

Электрон кристалл торға соқтығысуларының арасында бірқалыпты үдемелі қозғалатын болғандықтан, оның қозғалысының орташа жылдамдығы ең үлкен жылдамдығының жартысына тең болады, яғни:

Электронның бағытталған қозғалысының орташа жылдамдығы электр өрісінің кернеулігіне тура пропорционал болады:

мұндағы: - электрондардың қозғалғыштығы деп аталады, өлшем бірлігі .

Орташа жылдамдықты ток тығыздығы өрнегіне қойсақ, алатынымыз:

Осы өрнекті дифференциал түріндегі Ом заңымен салыстыра отырып, металл өткізгіштің меншікті кедергісінің формуласын аламыз:

19.11.Тармақталған тізбек үшін Кирхгоф ережелері

Күрделі тізбектегі токты анықтау үшін жалпыланған заңдар болуы қажет. Бұл заңдылықтар түріне зарядтың және энергияның сақталу заңының салдары ретінде неміс физигі Кирхгоф ашқан заңдар немесе ережелер жатады.

Кирхгофтың 1-ережесі түйіндерге қатысты оған келетін ток пен одан шыққан ток арасындағы байланысты қарастырады. Тармақталған тізбек деп аталатын тізбекте түйіндерден үштен кем емес өткізгіштер тоғысатын кез-келген нүктені айтады. Тұрақты токты қарастырғанда түйінге қанша заряд ағып келсе, сонша заряд ағып кету керек. Түйінге кіретін токтарды оң, түйіннен шығатын токтарды теріс деп есептеледі.

Кирхгофтың 1-ережесі:

Түйінде тоғысатын токтардың алгебралық қосындысы нольге тең.

Кирхгофтың ІІ-ережесі:

Кез-келген тұйық контур үшін электр қозғаушы күштерінің алгебралық қосындысы ток күшінің кедергіге көбейтіндісінің алгебралық қосындысына тең болады.

19.12.Газдардағы электр тогы

Газдардан электр тогының өтуін газ разряды деп атайды. Қалыпты жағдайда газ молекулалары электрлік бейтарап болады. Газдардан электр тогы өту үшін газ молекулаларын иондарға және электрондарға ыдырату қажет. Газдар сыртқы ионизаторлардың әсерінен оң иондарға және электрондарға ыдырайды. Бұндай ионизаторларға от, рентген, ультракүлгін сәулелері және т.б. әсерлер жатады.

Газдың атомы (молекуласы) иондалған кезде иондалу жұмысы атқарылады. Иондалу жұмысы деп электронды атомнан жұлып шығаруға жұмсалатын энергияны айтады. Біратомды газды соққымен иондау, иондаушы бөлшектін келесі кинетикалық энергиясында жүреді:

мұндағы: - иондалу жұмысы, М – атом массасы.

Газ разряды тәуелді және тәуелсіз болып екіге бөлінеді. Тәуелді газ разряды дегеніміз – сыртқы әсер тоқтағанда, газдардан электр тогы өту құбылысы тоқтайтын разряд, осыған қарама-қарсы құбылыс, яғни сыртқы әсер тоқтағанмен, электр тогы өту құбылыс байқалатын болса, бұл тәуелсіз разряд деп аталады.

Тәуелсіз разрядтың 4 түрі бар:

1. Солғын разряд - салқын катоды бар разрядты түтікшелерде төменгі қысымда(бірнеше килопаскаль немесе одан төмен қысымдарда) жүреді;

2. Ұшқындық разряд - газдардағы қалыпты атмосфералық қысымда, өте үлкен потенциалдар айырмасында жүреді (мысалы найзағай);

3. Тәжді разряд - қалыпты атмосфералық қысымда, біртекті емес электр өрісінде жүреді;

4. Доғалық разряд – орыс ғалымы В.В.Петров ашқан. Бұл газдық разряд электродтар арасында аз потенциалдар айырмасында, бірақ үлкен ток тығыздығында жүреді.

19.13.Плазма және оның қасиеттері

Плазма дегеніміз – оң және теріс зарядтарының тығыздықтары бірдей аса ионданған күйдегі газды айтады. Плазма – заттың ерекше күйі.

Аса жоғары температура салдарынан пайда болатын плазма жоғарғы температуралық плазма деп аталады.

Плазманың иондану дәрежесі ионданған бөлшектер санының плазманың бірлік көлемдегі бөлшектер санына қатынасымен сипатталады. Осы шаманың мәніне қарап плазманың әлсіздеу ионданған, жеткілікті түрде ионданған және толығымен ионданған деп бөледі.

Плазмада ток тасушылардың концентрациясы өте жоғары. Сондықтан плазманың электр өткізгіштігі өте жоғары болады. Электронның қозғалғыштығы оң иондардың қозғалғыштығына қарағанда үлкен болғандықтан, плазмада токты негізінен электрондар тасиды.

Плазманың қасиеттері:

1. Толық иондану кезінде плазманың иондану дәрежесі өте жоғары болады.

2. Иондану кезінде плазмада оң және теріс зарядтар өзара тең болады.

3. Плазманың электр өткізгіштігі өте жоғары болады.

4. Электр және магнит өрістерімен күштірек әсерлесе алады.

§20.Вакуумдегі магнит өрісі

Кез-келген электр тогының немесе қозғалыстағы зарядталған бөлшектердің айналасында магнит өрісі болады. Магнит өрісін сандық сипаттау үшін физикалық векторлық шама магнит өрісінің индукция векторы енгізілген. Магнит өрісінің индукция векторы магнит өрісінің күштік сипаттамасы болып табылады. Өлшем бірлігі

Бағыты мен шамасы өзгермейтін магнит өрісін біртекті магнит өрісі деп атайды.

Магнит өрісін көрнекті түрде бейнелеу үшін магнит өрісінің күш сызықтары немесе индукция сызықтары енгізілген. Әрбір нүктесіне жүргізілген жанама сол нүктедегі индукция векторының бағытымен сәйкес келетіндей магнит өрісінде жүргізілген сызықтарды магнит өрісінің күш сызықтары деп атайды. Күш сызықтарының жиілігі – магнит өрісінің шамасына тура пропорционал. Магнит өрісінің индукция векторының бағыты бұрғы ережесімен анықталады. Магнит өрісінің күш сызықтары –

тұйықталған сызықтар, яғни магнит өрісі – құйынды өріс болып табылады. Тұрақты магнитте екі полюсы болады. Оның солтүстік полюсін - N, оңтүстік полюсін - S деп белгілейді. Тұрақты магниттің магнит өрісі оңтүстік полюстен солтүстік полюске қарай бағытталады.

20.1.Био – Савар – Лаплас заңы

Кез-келген пішіндегі тогы бар өткізгіштің магнит өрісі Био-Савар-Лаплас заңымен анықталады.

Суреттегі А нүктесіндегі токтың элементі тудыратын магнит өрісінің индукциясы Био – Савар – Лаплас заңымен анықталады. Био – Савар – Лаплас заңын векторлық немесе скаляр түрлерде жазып көрсетуге болады:

- векторлық түрде жазылған Био – Савар – Лаплас заңы,

 

-скалярлық түрде жазылған Био – Савар – Лаплас заңы.

мұндағы: - магнит тұрақтысы.

Токтың тудыратын толық магнит өрісінің индукциясы магнит өрісінің суперпозиция приципімен анықталады.

Магнит өрісінің суперпозиция принципі бойынша:

Магнит өрісі сипаттау үшін индукция векторымен қатар магнит өрісінің кернеулік векторы енгізілген. Магнит өрісінің кернеулігі ортаның қасиеттеріне байланыссыз, ол магнит өрісін туғызатын токтың шамасына тікелей байланысты болады.

Кернеулік векторының өлшем бірлігі Магнит өрісінің кернеулік векторы арқылы жазылған Био – Савар – Лаплас заңы: векторлық түрі - скаляр түрі -

Вакуумдегі магнит өрісінің индукция векторы мен кернеулік векторы арасындағы байланыс келесі түрде жазылады:

 

.

 

1) Ұзындығы -ға тең тогы бар түзу өткізгіштің магнит өрісінің индукциясы мен кернеулігін анықтайық.

Био – Савар – Лаплас заңы бойынша

 

мұндағы:

 

Соныменен ұзындығы -ге тең тогы бар түзу өткізгіштің магнит өрісінің индукциясы мен кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

2) Шексіз ұзын түзу өткізгіштің магнит өрісінің индукциясы және кернеулігін анықтайық. Егер өткізгіш шексіз ұзын болса, онда

Бұл жағдайда шексіз ұзын түзу өткізгіштің магнит өрісінің индукциясы және кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

3) Тогы бар орамның центріндегі магнит өрісінің индукциясы және кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

4) Соленоидтың осіндегі магнит өрісінің индукциясы және кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

мұндағы: - соленоидтың бірлік ұзындығындағы орам саны.

5) Қозғаластағы зарядтың тудыратын магнит өрісі индукциясы және кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

20.2.Лоренц күші

Магнит өрісінде қозғалатын зарядталған бөлшектерге магнит өрісі тарапынан әсер ететін күшті Лоренц күші деп атайды.

- Лоренц күшінің формуласының векторлық түрі.

- Лоренц күшінің формуласының скаляр түрі.

Лоренц күшінің бағыты сол қол ережесімен анықталады.

Лоренц күші қозғалыстағы зарядталған бөлшектің тек қана қозғалыс бағытын өзгертеді. ал оның жылдамдығын және кинетикалық энергиясын өзгертпейді. Электр және магнит өрісінде қозғалатын зарядталған бөлшектерге әсер ететін Лоренц күші келесі өрнекпен анықталады:

20.3.Ампер заңы

Магнит өрісінде орналасқан тогы бар өткізгішке магнит өрісі тарапынан әсер ететін күшті Ампер күші деп атайды.

Магнит өрісі біртекті болған жағдайда тогы бар өткзгішке әсер ететін Ампер күші келесі өрнекпен анықталады:

Ампер күшінің бағыты сол қол ережесімен анықталады. Сол қолдың төрт саусағын өткізгіштегі токтың бағытымен бағыттас етіп бағыттап, индукция векторы алақанды тесіп өтетін болса, 90⁰-қа қайырылған басбармақ Ампер күшінің бағытын көрсетеді.

Ампер түзу токтардың өзара әсерінен келесі заңдылықтар ашты:

1. Бағыттас параллель токтар бір-біріне тартылады;

2. Бағыттары қарама-қарсы токтар бір-бірімен тебіледі;

3. Параллель емес токтар бағыттары бірдей әрі параллель болуға ұмтылады.

Бір бірінен қашықтықта орналасқан екі түзу шексіз ұзын тогы бар өткізгіштердің әрбір бірлік ұзындықтарына келетін өзара әсерлесу күші

1 Ампер ток күші деп вакуумде бір-бірінен 1 метр ара қашықтықта орналасқан шексіз ұзын параллель екі өткізгіштен ток өткенде, олардың арасында әрбір 1 метр ұзындықтарына магнит өрісі тарапынан 2^.10^-7 Ньютонға тең күш әсерін туғызатындай ток күшін айтады.

Магнит өрісіне енгізілген тогы бар контурдың магниттік моменті келесі формуламен анықталады:   .

 

20.4.Магнит индукция векторының ағыны және циркуляциясы

Біртекті магнит өрісінің индукция векторының күш сызықтары параллель болып келеді. Осы өрісте ауданы S бет орналасса, онда магниттік индукция векторының жазық беттің ауданына көбейтіндісі осы бет арқылы өтетін магнит ағыны деп атайды.

 

Егер ауданы жазық бетке нормаль мен индукция векторы бұрыш жасай отырып орналасса, онда магнит ағыны келесі өрнекпен анықталады:

.

Магнит ағыны скаляр шама. Магнит ағыны байланысты таңбасы оң немесе теріс бола алады. Кез-келген бет арқылы өтетін магнит ағыны келесі түрде жазылады:

Магнит өрісі үшін Остроградский- Гаусс теоремасы:

.

Кез-келген тұйық бет арқылы өтетін магнит ағыны нольге тең болады.

Магнит ағыны 1 Вебермен (Вб) өлшенеді.

.

Вакуумдегі магнит өрісі үшін толық ток заңы:

Тұйық контур арқылы өтетін магнит индукциясы векторының циркуляциясы магнит тұрақтысын контур арқылы өтетін токтардың алгебралық қосындысына көбейткенге тең.

20.5.Магнит өрісінде тогы бар өткізгішті орын

ауыстырғанда атқарылатын жұмыс

Тогы бар өткізгішке магнит өрісінің тарапынан күш әсер еткендіктен, өткізгішті магнит өрісінде қозғағанда жұмыс атқарылады.

Ұзындығы -ге тең өткізгіш тізбекке суретте көрсетілгендей түрде қосылған және өз-өзіне параллеь орын ауыстырсын.

Магнит индукциясының бағыты мен -ке перпендикуляр бағытталған. Өткізгішке магнит өрісі тарапынан күші әсер етеді. Сондықтан магнит өрісінің атқаратын жұмысы келесі формуламен анықталады: мұндағы: - өткізгіштің магнит өрісінде қиятын ауданы.

екенін ескере отырып, магнит өрісінің атқаратын жұмысын келесі түрде өрнектеуге болады:

.

Егер өткізгіш өрістің 1-нүктесінен 2-нүктесіне орын ауыстыратын болса, онда

§21.Заттардағы магнит өрісі

Заттардың магниттік қасиеттерін қарастырғанда оларды магнетиктер деп атайды. Барлық заттарды сыртқы магнит өрісіне енгізгенде олар азды-көпті магниттеледі, яғни заттар сыртқы магнит өрісінде өзінің меншікті магнит өрісін тудырады.

Заттар магниттік қасиеттеріне байланысты 3-ке бөлінеді:

1. Диамагнетиктер. Диамагнетиктердің меншікті магнит өрісі сыртқы магнит өрісіне қарсы бағытталады. Нәтижесінде диамагнетиктердегі магнит өрісі сыртқы магнит өрісінен кем болады.

2. Парамагнетиктер. Парамагнетиктердің меншікті магнит өрісі сыртқы магнит өрісімен бағыттас болады. Нәтижесінде парамагнетиктердегі магнит өрісі сыртқы магнит өрісінен үлкен болады.

3. Ферромагнетиктер. Ферромагнетиктер сыртқы магнит өрісінен көп есе күшейтеді.

Заттардағы магнит өрісі үшін толық ток заңы

Заттардағы магнит өрісін макро және микро (молекулалық) токтар тудырады. Макротоктар деп өткізгіштік, конвенциялық және т.б. токтарды айтады. Француз ғалымы Ампер затттардың магниттік қасиеттерін олардың молекулаларындағы (атомдарындағы) микротоктар арқылы түсіндірді. Затттардың молекулаларындағы (атомдарындағы) ядроларды айнала қозғалатын электрондарды микроток (молекулалық) деп қарастыруға болады және бұл микротоктар өзінің магнит өрісін тудырады.

Ядроны айнала қозғалатын электрондарда магниттік моментімен қатар, олардың импульс моменті болады. Сонда микротоктың күші     магниттік момент

Орбита бойымен қозғалатын электронның импульс (орбитальдық) моменті формуласымен анықталады. Бұл импульс моментін кейде электронның орбитальдық механикалық моменті деп те атайды.

Электронның орбитальдық механикалық моменті мен магниттік моментінің бағыттары қарама-қарсы болады.

Элементар бөлшектердің магниттік моментінің орбитальдық механикалық моментіне қатынасы гиромагниттік (магнитомеханикалық) қатынас деп аталады. Ол электрон үшін келесі формуламен анықталады:

немесе

Электронның орбиталық қозғалысынан пайда болатын магнит моментін орбиталдық магнит моменті деп атайды. Егер атомның құрамында электрон болатын болса, онда атомның магниттік моменті мен импульс моменті

Заттардағы магнит өрісінің индукция векторының циркуляциясы

Заттардың магниттелу дәрежесін сипаттау үшін физикалық векторлық шама магниттелу векторы енгізілген. Магниттелу векторы деп бірлік көлемдегі магнит моменттерінің қосындысын айтады. Өлшем бірлігі

Кез келген тұйық контур бойымен микротоктардың қосындысы осы контур бойымен магниттелу векторының циркуляциясына тең болады:

Изотропты диамагнетиктер мен парамагнетиктер үшін магниттелу векторы сыртқы магнит өрісінің кернеулігіне тура пропорционал болады.

мұндағы: - заттардың магниттік қасиетін сипаттайтын шама және ол алғырлық деп аталады. Алғырлығы заттардың тегіне және олардың температурасына тәуелді болады.

1) Диамагнетиктер үшін ,

2) Парамагнетиктер үшін ,

3) Ферромагнетиктер үшін .

Магниттелу векторын ескерсек, магнит өрісінің индукция векторының циркуляциясы

немесе

мұндағы: магнит өрісінің кернеулік векторы болып табылады.

Заттардағы магнит өрісі үшін толық ток заңы

.

Тұйық контур бойымен кернеулік векторының циркуляциясы осы бетті қамтитын ток күшіне тең болады.

Кез келген тұйық бет бірнеше токты қамтитын болса, заттардағы магнит өрісі үшін толық ток заңы келесі түрде жазылады:

 

өрнегінен екені алынады,

мұндағы: - заттардың магнит өтімділігі деп аталады.

Магнит өтімділігі магнит өрісінің вакуумнен сол ортаға көшкенде қанша есе өзгеретінін көрсетеді.

1) Диамагнетиктер үшін ,

2) Парамагнетиктер үшін ,

3) Ферромагнетик үшін .

Заттардағы магнит өрісінің индукциясы мен кернеулігі арасындағы байланыс:

Вакуум үшін

Заттардағы магнит өрісі үшін Био-Савар-Лаплас заңы келесі түрде жазылады:

векторлық түрде , скаляр түрінде .

 

§22.Электромагниттік индукция

Тұйық контурды тесіп өтетін магнит ағыны өзгергенде контурда электр тогы пайда болу құбылысын электромагниттік индукция деп атайды.

 

Мысалы суретте көрсетілген тұйық тізбектің катушкасына тұрақты магнитті енгізгенде немесе шығарғанда тізбекте электр тогы пайдаболады.

Электромагниттік индукция құбылысы кезінде пайда болатын электр тогын индукция тогы деп атайды, ал электр қозғаушы күшін индукция электр қозғаушы күші деп атайды.

 

22.1.Фарадейдің электромагниттік индукция заңы

Тұйық контурды тесіп өтетін магнит ағыны өзгергенде контурда пайда болатын индукция электр қозғаушы күші осы контурды тесіп өтетін магнит ағынының өзгеру жылдамдығына тура пропорционал.

.

Индукция тогының бағыты Ленц ережесімен анықталады:

Индукция тогы өзін тудырған себептерге қарсы бағытталады.

1)

2)

СИ жүйесінде к=1, сонда

Егер тізбекті тесіп өтетін магнит ағыны бірқалыпты өзгеретін болса

Тұйық контурда пайда болатын индукция электр қозғаушы күші магнит ағынының өзгеру жылдамдығына тең.

Электромагниттік индукция құбылысы келесі жағдайда байқалады:

1) Магнит өрісіндегі контур деформацияланғанда немесе контурдың ауданы өзгергенде.

2. Контур сыртқы магнит өрісінде жиілікпен айналғанда.

3. Контур айнымалы магнит өрісінде орналасқанда.

Айнымалы магнит өрісі өзін қоршаған кеңістікте құйынды электр өрісін тудырады. Өз кезегінде айнымалы электр өрісі өзін қоршаған кеңістікте құйынды магнит өрісін тудырады.

 

22.2.Өздік индукция құбылысы

Айнымалы ток жүріп тұрған контурды тесіп өтетін магнит ағыны да айнымалы болады. Бұл жағдайда айнымалы ток жүріп тұрған контурдың өзінде индукция тогы пайда болады. Бұл құбылыс өздік индукция деп аталады.

Магнит ағыны тізбектегі ток күшіне тура пропорционал:

мұндағы: пропорционалдық коэффицент- контурдың индуктивтілігі немесе өздік индукция коэффициенті деп аталады, өлшем бірлігі

Жалпы жағдайда өздік индукция заңы

Контурдың индуктивтілігі контурдың пішініне және контур орналасқан ортаның магниттік қасиеттеріне тәуелді болады.

Соленоидтың (ұзын катушка) индуктивтілігі келесі формуламен анықталады

Контурдың пішіні өзгермесе және контур ферромагнетик емес ортада орналасқан жағдайда контур индуктивтігі тұрақты болады және бұл жағдайда өздік индукция заңы:

өздік индукция электр қозғаушы күші тізбектегі ток күшінің өзгеру жылдамдығына тура пропорционал болады: