Maruza-4 Mavzu: Elektrodinamika predmetining eksperimental asoslari

MARUZA-4 Mavzu: Elektrodinamika predmetining eksperimental asoslari
REJA: Elektrodinamikaning eksperimental asoslari. Elektromagnit induksiya hodisasi. Maksvell siljish toki.
1. Kulon tajribasi (1785 y.)
2. Ersted tajribasi (1820 y.)
3. Faradey tajribasi (1831 y.)
Darsning maqsadi: talabalarga Kulon, Ersted, Faradey tajribalari haqida to’liq nazariy va metodik axborot berish.
O’quv faoliyatining natijalari:
- Kulon tajriba metodikasi bilan tanishgan bo’lish;
- Ersted tajribasini mazmunini tushunish;
- Faradey tajribalari va uning buyuk kashfiyoti haqida to’liq tasavvurga ega bo’lish.

2-ilova

1. Ersted tajribasini tushuntirib bering.

2. Kulon tajribasini sxemasini chizib bering.
3. Elektromagnit induksiya haqida nima bilasiz?
4. Transformator qanday vazifa bajaradi?
5. Faradey qanday kashfiyot qildi?

3 – ilova (vizual materiallar)

Elektr zaryadlarning ta’sirini buralma tarozilar yordamida aniqlash mumkin (45 chizma). Mazkur asbobda ikkita kichik metall sharchalar (A va V) izolyasiyalovchi sterjenlarga maxkamlangan. V sharcha bilan ulangan sterjen qo’zg’almas qilib o’rnatiladi (chizmaga qarang),bir uchida muvozanat lovchi yuki ikkinchi uchida esa A sharchasi bor ikkinchi sterjen ingichka elastik ipga osib qo’yiladi. Ipning yuqori qismi A va V sharchalarni bir biriga yaqinlashtirish va uzoqlashtirish imkonini beradigan aylanma osmaga mahkamlangan. SHarchalarni zaryadlab (elektrlab) va shunda ipning buralish burchagiga qarab zaryadlarning o’zaro ta’sir «kuchini» aniqlashadi. SHuni aytib o’tish kerakki, sharchalar orasidagi mavjud gravitasion tortishish ta’sirni inobatga olmasak ham bo’laveradi: .
Asbobni tarkibiy qismlari: 1– ingichka elastik ip, 2– oltin suv yuritilgan sharcha, 3 – muvozanatlovchi yuk, 4– tarozining qopqog’iga o’rnatilgan sharcha, 5 – ster-jencha, 6 – pastki burchak shkalasi, 7– yuqori burchak shka-lasi. A va V sharchalar o’rnatilgan sterjen –shishasimon sterjen.
5 – sterjenchani aylantirib 2 (A) va 4 ( V ) sharchalarni bir –biriga tekkazishadi.Undan so’ng 4 sharchani chiqarib olib uni zaryalab to 2 sharchaga tegkunicha yana tushirishadi. Bunda za-ryadning bir qismi 4 dan 2 – chi sharchaga o’tadi, va ular o’zaro itarishadi. SHu bilan birga ingi-chka ip 1 biror burchakka buriladi (46 chizma). Buralgan burchakni 6 shkaladan aniqlash mum-
k in (45 chizma).Faraz qilaylik V sharchaga q za-ryad berilgan bo’lsin. V sharcha A one tekkandan so’ng A sharchaga q zaryadning bir qismi o’tadi va sharchalar bir-biridan qochadi. Natijada ip yuqorida aytilgan burchakka buraladi. Kulon tajribasida mazkur burchak teng edi. Keyin Kulon sharchalarni 5 sterjenchani soat strelkasi bo’ylab burab gacha yaqinla-shtirdi. Buning uchun 5 sterjenchani 7 shkala bo’ylab burchakka burashga majbur bo’ldi. Buni tushunish unchalik qiyin emas, toki sharchalar orasida itarilish kuchlari bor ekanki, ular bir biridan qochadi. Demak sharchalarni gradus burchakkacha yaqinlashtirish uchun 5 sterjen-chani ( 7 chi shkala ko’rsatishi bo’yicha) burchakka burishga to’g’ri keldi. U xolda ip
gradus burchakka buralgan bo’ladi. Bu qiymat ilgarigi dan to’rt maro-taba katta. Savol tug’ilishi mumkin: nega aynan to’rt marotaba ? Nega yana o’sha dastlabki gradus buchak emas? Bu savollarga javob berishdan avval, biz shuni ta’qidlab o’tishi-miz kerakki, ip bu tortilishga qaraganda buralishida ko’proq elastiklik xususiyatini nomayon qiladigan jismdir. Zaryadlar bir-biridan itarilganda ip dastlab gradusga buraladi va shundagina muvozanatga keladi. Energetik nuqtai nazardan kelib chiqsak, bunday bo’lishligi bejiz emas. Ip buralganda u energiya zaxirasiga ega bo’ladi. Demak agar ip
buralgan bo’lsa bu deganiki V shar hosil qilgan elektr maydon A (qo’zg’almas) sharni o’zidan uzoqlashtirish uchun sarflagan energiyasi shu o’tadi (chunki ip buraladida!). Uzoq-lashayotgan vaqtidayoq ip buralaveradi (47 chizma) va aynan ga etganda to’htaydi. Bu va-
ziyatda (konfigurasiyada) elektr maydonni uzoqlashtirish uchun bajargan ishi (sarflagan energiyasi) teng bo’ladi. Bu ifodada burchak albatta radian o’lchov birligi da berilishi kerak. Endi ga sharchalarni yaqinlash-tirish uchun elektrostatik maydonga qarshi ish bajarish kerak bo’ladi. Mazkur ishni tashqi kuch momenti bajaradi (chunki biz aylanma xarakatni tavsiflayapmizda!) (48 chizma)
Kulon burchakka erishish uchun daslab ipni 4 shar-
c ha turgan vaziyatidan boshlab gradus burchakka bur-di. Qolgan burashni, ya’ni ni 4 sharcha maydoni bajardi. Natijada ip umumiy xisobda burchakka bural-
di. Bu qiymat dastlabki burchak qiymatidan 4 martda katta.
Bunda sharchalar orasidagi masofa ( ) to ( ) gacha o’zgardi.
Agar eshkak uzunligi bo’lsa, u xolda: va (49 chizma). Bu erdan . De-
m ak, masofa ikki martda kamaysa ipning buralish burchagi 4 martda ortadi. SHunchalik tashqi kuch momenti ham ortadi. Bun-dan muhim xulosaga kelamiz: ikkita zaryadlangan sharchalar orasidagi elektr ta’sir kuchi ular (sharchalar) orasidagi maso-fa kvadratiga teskari proporsional: . Ma’lumki zaryad bir hil sharchalarda teng taqsimlanadi, ya’ni . Olingan natijalarni umumlashtirsak elektrostatikaning fundamental bo’lmish – Kulon qonuniga kelamiz: .
, , S.
Elektrodinamikada odatda SGS (Gauss absolyut birliklar sistemasi qo’llaniladi. Ersted tajribasini biz 5 – chi ilovada qisman ko’rib chiqqan edik.

Qisqa qilib Ersted olgan natijalarni (vash u kabi boshqa natijalarni) bitta matematik ifo-da bilan izohlash mumkin: . Integral ko’rinishda: . Bu ifoda to’la tok qonunini ifodalaydi. Yig’indi ostidagi toklar –algebraik katalliklar xisoblanadi. Ersted tajribada shuni aniqladiki «to’g’ri toklar» atofida magnit maydon mavjud bo’lar ekan.

formulani ma’nosini quyidagi chizmadan tushunib olish mumkin (50 chiz-ma). L konturni obxodi soat strelkasiga qarshi bajariladi. Konturga normalь birlik vektor
m usbat orientirlangan konturni aniqlaydi. L kontur S sirt yuzini o’z ichiga o’rab oladi. Faradey tajriba-lari. Bizga ma’lumki Ersted tokli o’tkazgich yordamida magnit maydonni hosil qilishga muvofaq bo’ldi. Savol tug’iladi magnit maydon yordamida tok hosil qilish mumkinmi? Ha, mumkin ekan. Buning uddasidan buyuk ingliz tadqiqotchisi Maykl Faradey chiqdi. Uning o’ta jo’shqin tafakkuri shundan iborat ediki: agar tok yordamida magnit maydon hosil bo’lsa unda magnit may- don yordamida tok olish mumkinmi? Buning uchun qanday fizik jarayonlarni amalga oshirish kerak. Ko’p urinish-lardan so’ng Faradey 2-3 chiroyli tajribalar o’tkazib tokni hosil qilishga muvofaq bo’ldi.
5 1-chi chizmada Faradey tajribala-rini soddalashgan varianti kelti-rilgan. Faradey tajribalari negi-zida elektromagnit induksiya qonu-nini kashf etdi: yopiq konturni va-qt bo’yicha o’zgaruvchan magnit oqim kesib o’tayotgan bo’lsa u holda mazkur konturda tok hosil bo’ladi. Unga induksion tok deb nom berishdi. Induksiya so’zi lotincha «indusio» so’zidan kelib chiqqan, uning ma’no-si vujudga keltirish degani.
Induksion tok vaqt bo’yicha o’zgaruvchi magnit kuch chiziqlari bilan bog’liqdir. Berk konturda induksion tokni paydo bo’lishi shundan darak beradiki, konturda induksion e.yu.k. mavjud bo’lar ekan. SHunisi ajoyibki qay tarzda o’zgarishiga bog’liq emas va faqat uning o’zgarish tezligi bilan aniqlanadi, ya’ni . Faradey shuni aniqladiki induksion tokni ikki usul bilan chaqirish mumkin. Qolganini 51-chi chizma tushuntiradi. CHizmada tokli katushka (u magnit maydon hosil qiladi) va galьvanometrli ramka. Galьvanometr – induksion tokni indikatoridir. 1– chi usul – ramkani qo’zg’almas g’altak maydonida siljitish. 2 – usul – ramka tinch, lekin magnit maydon o’zgaradi yoki g’altak xarakati evaziga, yoki unda tokni o’zgarishi natijasida, yoki uni va boshqasini o’zgarishi evaziga. Barcha xollarda galьvanometr ramkada induksion tokni borligini ko’rsatadi.
Magnit kuch chiziqlarini yo’nalishi (52 chizmalar). Muhim qoidalarni sanab o’tamiz.
1 ) Magnit maydonning vaqt bo’yicha o’zgarayotgan kuch chiziqlari berk zanjirni kesib o’tayotganda, zanjirda elektr tokining xosil bo’lishi xodi-sasi elektromagnit induksiya deb ataladi.
2) Induksion tokni xosil qiluvchi elektr may-don induksion elektr maydon deb ataladi.
3) Induksion elektr maydon «kuchlanishi» g’altakni kesib o’tayotgan maydon kuch chiziqlari-ning o’zgarish tezligiga va g’altak o’ramlari so-niga bog’liq. 4) O’ng qo’l qoidasi. Agar o’ng qo’lning kaftini unga magnit kuch chiziqlari kiradi-gan qilib ochib, ga kerilgan bosh barmoqni o’tkazgich xarakati yo’nalishida tutilsa, yoyilgan to’rt barmoq o’tkazgichdagi induksion tokni yo’nalishini ko’rsatadi. 5) Vaqt o’tishi bilan kattaligi va yo’nalishi davriy o’zgaradigan elektr toki o’zgaruvchan tok deb ataladi. 6) Ossillo-graf o’zgaruvchan tok tebranishlarini grafik tasvirini ko’rsatib beruvchi asbobdir.
Lens qoidasi. Taniqli rus olimi Emiliy Xristianovich Lens induksion tokni yo’nali-
shini aniqlashni umumiy qoidasini topdi. Lens qoidasiga binoan berk konturda (zanjirda)
xosil bo’lgan induksion tok uni (o’zini) keltirib chiqargan magnit oqimini o’zgarishiga qarshi-
l ik ko’rsatadi. Berk konturdagi induksion tokni yo’nalishini aniqlash uchun Lens qoidasini shunday tatbiq etish kerak: 1) Tashqi magnit maydonning induksiya chiziqlarini yo’nalishini aniqlab olish kerak. 2) Kontur yuzi kesib o’tayotgan magnit oqim ortyaptimi ( ) yoki kama-yaptimi ( ) aniqlash kerak. 3) induksion tok magnit maydonining induksiya chiziqlarini aniqlab olish kerak. Bu chiziqlar Lens qoidasiga ko’ra chiziqlarga qarama-qarshi ( ) va bir hil ( ) yo’nalgan bo’ladi. 4) ning yo’nalishini bilgan xolda induksion tokni yo’nalishini aniqlanadi. Induksion tokni magnit bilan ta’sirlanishi. Agar magnitni g’altak-ka yaqinlashtirsak, unda o’tkazgichda induksion tok xosil bo’ladi. Mazkur induksion tokni mag-nit kuch chiziqlari magnitni albatta siqib chiqarishga intiladi. G’altak va magnitni yaqinlash-tirish uchun musbat ish bajarish kerak. G’altak go’yoki magnitga o’xshash bo’lib, bir qutubli tomo-ni bilan kelayotgan magnitga moslashadi. Bir qutublar esa bir-biridan itarilishadi. To’g’rida faraz qilaylik. Biz magnitni ozgina g’altak tomon surib qo’ydik, va u o’z-o’zidan g’altak ichiga kirib ketsa bo’ladimi, yo’q albatta. Sababi energiya saqlanish qonuni buzilar edida. Nedirki magnitning kinetik energiyasi va tok xosil bo’lishi bir vaqtda sodir bo’lar edi, vaholanki tok xosil bo’lishligi uchun energiya kerak! Magnitning kinetik energiyasi va tok energiyasi yo’qdan paydo bo’lishi mumkin emasda! Magnitni g’altakdan chiqarib olayotganimizda energiyaning saq-lanish qonuniga muvofiq tortilish kuchini paydo bo’lishi talab etiladi. Jarayonni yanada chuqur xis qilish uchun tajribaga murojat etamiz (53 chizma). Sterjenь o’q atrofida qarshilik-
siz (ishqalanishsiz) aylana oladi.
Cterjenь uchlariga bir tipdagi alyu-min halqalar osib qo’yilgan. Ush-bu halqalarni biri kesigi bilan. Agar magnitni kesiksiz halqaga yaqinlash-tirsak halqada induksion tok xosil bo’ladi va u shunday yo’nalgan bo’ladiki halqa magnitdan uzoqlashadi. Agar magnitni halqadan uzoqlashtirsak u magnitga tortiladi. Kesigi bor halqa ga yaqinlashtirsak ham uzoqlashtir sak ham xech qanday ta’sir kuzatilmaydi. Ikki tajribalar orasidagi farq nimadan iborat ekan? Birinchi tajribada magnit oqim orta-yotgan edi, ikkinchi one kamayotgan edi ( ). Biz asosi natijaga keldik: magnit oqim ortayo-tganda g’altakda xosil bo’lgan induksiya toki shunday yo’nalishga ega bo’ladiki bunda uning may-donining kuch chiziqlari tashqi magnit kuch chiziqlariga qarshi yo’naladi, va aksincha oqim kama-yotgan bo’lsa g’altakda xosil bo’lgan induksiya toki shunday yo’naladiki uning magnit maydoni kuch chiziqlari tashqi magnit kuch chiziqlari yo’nalishi bilan mos tushadi (54 chizmalar).
Elektromagnit induksiya qonunini tariflaylik. Faradey tajribalari shuni namoyon qildiki . Ma’lumki zanjirda tok xosil bo’ladi agarki o’tkazgichning erkin zaryad-lariga tashqi kuchlar ta’sir qilsa. Bu kuchlarning birlik musbat zaryadni berk kontur bo’ylab siljitishda bajaradigan ishiga elektr yurutuvchi kuch deb ataladi (EYUK). Demak, kontur sirti-ni o’zgaruvchan magnit oqim kesib o’tayotgan bo’lsa unda (konturda) tashqi kuchlar paydo bo’ladi, ularning ta’siri induksion EYUK bilan xarakterlanadi. Om qonuniga binoan berk zanjir uchun . O’tkazgichning qarshiligi magnit oqim o’zgarishiga bog’liq emas. Demak, ifoda shuning uchun o’rinliki, induksion EYUK ga proporsional bo’lgani uchun: , Lens qoidasini inobatga olib yozadigan bo’lsak (12).