ელექტრული ველის დაძაბულობა; წერტილოვანი მუხტის ველის დაძაბულობა; ველის სუპერპოზიციის პრინციპი

თუ ველის მოცემულ წერტილში შევიტანთ წერტილოვან დადებით q1, q2, q3, ... qn მუხტებს, აღმოჩნდება, რომ ველი მოქმედებს ამ მუხტების სიდიდის პროპორციული F1, F2, F3, ... Fn ძალებით, ამიტომ ველის მოცემულ წერტილში მოთავსებულ მუხტზე მოქმედი ძალის ფარდობა მუხტის სიდიდესთან იქნება მუდმივი სიდიდე, ე.ი. 

F1/q1=F2/q2=F3/q3=...=Fn/qn=const

ეს ფარდობა არ არის დამოკიდებული მუხტის სიდიდეზე და შეიძლება ჩავთვალოთ ელექტრული ველის მახასიათებელ სიდიდედ. ამ სიდიდეს ველის დაძაბულობა ეწოდება.

ელექტრული ველის დაძაბულობა ველის მოცემულ წერტილში არის სიდიდე, რომელიც ტოლია წერტილოვან დადებით მუხტზე მოქმედი ძალის შეფარდებას ამ მუხტის სიდიდესთან.

ველის დაძაბულობა აღინიშნება E ასოთი.

E=F/q

თუ q>0, მაშინ მუხტზე მოქმედი F ძალის ვექტორის მიმართულება ემთხვევა ამ წერტილში E დაძაბულობის ვექტორის მიმართულებას. თუ q<0, მაშინ F და E ვექტორებს საპირისპირო მიმართულება აქვთ.

განვიხილოთ ველების სუპერპოზიციის კანონი:

თუ სივრცის მოცემულ წერტილში ველს ქმნის რამდენიმე მუხტი, ველის დაძაბულობა ამ წერტილში ტოლია თითოეული მუხტის მიერ შექმნილი ველის დაძაბულობათა ვექტორების გეომეტრიული ჯამისა.

E=E1+E2+E3+...+En

სუპერპოზიციის პრინციპი საშუალებას გვაძლევს განვსაზღვროთ მუხტთა სისტემის ველის დაძაბულობა ველის მოცემულ წერტილში.

ელექტრული ველი

გადამწყვეტი შემობრუნება ახლოქმედების წარმოდგენებისაკენ დაიწყო დიდმა ინგლისელმა მეცნიერმა მაიკლ ფარადეიმ, საბოლოოდ კი დაასრულა მაქსველმა.

ფარადეის იდეის თანახმად, ელექტრული მუხტები უშუალოდ არ მოქმედებენ ერთმანეთზე. თითოეული მათგანი გარემომცველ სივრცეში ქმნის ელექტრულ ველს. ერთი მუხტის ველი მოქმედებს მეორეზე და პირიქით. მუხტიდან დაშორების მიხედვით, ველი სუსტდება, შესაბამისად სუსტდება ურთიერთქმედების ძალა.

მაიკლ ფარადეი (1791-1867) დიდი ინგლისელი მეცნიერია. მან შექმნა ელექტრომაგნიტური მოვლენების ზოგადი თეორია, რომლის მიხედვითაც ყველა ეს მოვლენა ერთიანი თვალსაზრისით განიხილება. ფარადეიმ  პირველმა შეიმუშავა წარმოდგენა ელექტრული და მაგნიტური ველების შესახებ, ”სადაც მათემატიკოსები მანძილზე მოქმედ ძალთა ძაბვის ცენტრებს ხედავდნენ, ფარადეიმ შუალედური ”აგენტი” დაინახა, სადაც ისინი არაფერს ხედავდნენ, გარდა მანძილისა და კმაყოფილდებოდნენ იმით, რომ პოულობდნენ მუხტებზე  მოქმედ ძალთა განაწილების კანონს, ფარადეი ეძებდა გარემოში მიმდინარე მოვლენების არსს” (ჯ. მაქსველი).

მიუხედავად იმისა, რომ მაიკლ ფარადეის იდეა საკმაოდ ჭკვიანური და ამავე დროს საფუძვლიანი იყო, მან ვერ შეძლო ამის დამტკიცება. ამას ვერც დაამტკიცებდა, რადგან იგი მხოლოდ უძრავ მუხტებს იკვლევდა. წარმატება ახლოქმედების თეორიაში მოჰყვა მოძრავი მუხტების ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებათა შესწავლას.

მთავარი, რაც ახლოქმედების თეორიას ასხვავებს მანძილზე ქმედეის თეორიასთან, შემდეგია: ურთიერთქმედ სხეულებს შორის სივრცეში არსებობს განსაზღვრული პროცესი, რომელიც სასრულ დროში მომდინარეობს.

რა არის ელექტრული ველი?

ვიცით, რომ ელექტრული ველი რეალურად არსებობს. შეგვიძლია მისი თვისებები ცდით გამოვიკვლიოთ, მაგრამ არ შეგვიძლია ვთქვათ, თუ რისგან შედგება ელექტრული ველი, რადგან ელექტრული ველის შესახებ მეცნიერებაში ჯერჯერობით მეტი არაფერია ცნობილი.

ელექტრული ველის ძირითადი თვისებაა, იმოქმედოს ელექტრულ მუხტებზე რაღაც ძალით.

უძრავი მუხტების ელექტრულ ველს ელექტროსტატიკური ველი ეწოდება.

ელექტროსტატიკის ძირითადი კანონი-კულონის კანონი

შევუდგეთ ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებათა რაოდენობრივი კანონების შესწავლას. მოიკრიბეთ მთელი ყურადღება, ნუ იფიქრებთ ნურაფერზე და ნურავიზე, შეყვარებულზეც კი, რადგან ეს საკითხი არის თავიდათავი ელექტროსტატიკისა და ამ საკითხთან დაკავშირებული ამოცანებისაც.

სანამ კანონის შესწავლას დავიწყებთ, გავეცნოთ მის ავტორს-შარლ ოგიუსტენ კულონს.

შარლ ოგიუსტენ კულონი (1736-1806) ფრანგი მეცნიერია. ცნობილია შრომებით ელექტრობასა და მაგნეტისმში. იგი იკვლევდა ხახუნის ძალებსაც. დამუხტულ სხეულთა ურთიერთქმედებასთან ერთად მან შეისწავლა გრძელი მაგნიტების პოლუსთა ურთიერთქმედება.

ჯერ განვიხილოთ ყველაზე მარტივი შემთხვევა, როცა ელექტრულად დამუხტული სხეულები უძრავია. ელექტროდინამიკის ნაწილს, რომელიც უძრავ ელექტრულ მუხტებს სწავლობს, ელექტროსტატიკა ეწოდება.

წერტილოვანი დამუხტული სხეულები ბუნებაში არ არსებობს. მაგრამ გავიხსენოთ წესი, რომელიც ვისწავლეთ მექანიკაში: თუ სხეულთა შორის არსებული მანძილი ბევრად მეტია მათ ზომებზე, მაშინ დამუხტულ სხეულთა არც ფორმა და არც ზომები არსებით გავლენას არ აზდენს მათ ურთიერთქმედებაზე.

დამუხტულ სხეულთა ურთიერთქმედების ძალა დამოკიდებულია ამ სხეულებს შორის არსებულ გარემოს თვისებებზე. ჩავთვალოთ, რომ ურთიერთქმედება ხდება ვაკუუმში-უჰაერო სივრცეში, თუმცა ცნობისთვის გეტყვით, რომ ჰაერი უმნიშვნელოდ მოქმედებს ურთიერთქმედების ძალაზე.

კულონის კანონი: ცდების შემდეგ კულონმა დაადგინა კანონი, რომელიც ძალიან მოგვაგონებს მსოფლიო მიზიდულობის კანონს (არ ვლაპარაკობ იმათზე, ვინც ესეც არ იცის). ვაკუუმში ორი წერტილოვანი უძრავი დამუხტული სხეულის ურთიერთქმედების ძალა პირდაპირპროპორციულია მუხტების მოდულის ნამრავლისა და უკუპროპორციულია მათ შორის მანძილის კვადრატისა.

ამ ძალას კულონურ ძალას უწოდებენ.

თუ მუხტების მოდულებს |q1|-ით და |q2|-ით აღვნიშნავთ, მათ შორის მანძილს კი r-ით, კულონის კანონი შემდეგი სახით დაიწერება:

F=kq1q2 / r(2)

სადაც k პროპორციულობის კოეფიციენტია. k რიცხვობრივად ტოლია ერთეული მუხტების ურთიერთქმედების ძალისა, როცა მუხტებს შორის მანძილი სიგრძის ერთეულის ტოლია. 


k მუდმივი სიდიდეა და რიცხვობრივად ტოლია:

 k=9*10(9) ნ*მ(2)/კ(2)

 ზუსტად ასეთი სახე აქვს მსოფლიო მიზიდულობის კანონს, მაგრამ მუხტების ნაცვლად მის ფორმულაში შედის მასები, k კოეფიციენტის როლს კი გრავიტაციული მუდმივა-G ასრულებს.

ადვილად შეამჩნევთ, რომ ძაფებზე დაკიდებული ორი დამუხტული ბურთულა ან მიიზიდავს, ან განიზიდავს ერთმანეთს. აქედან გამომდინარეობს, რომ ორი წერტილოვანი დამუხტული სხეულის ურთიერთქმედების ძალა მიმართულია ამ სხეულების შემაერთებელი წრფის გასწვრივ. მსგავს ძალებს ცენტრული ძალები ეწოდება.

კითხვები გაქვთ?




ამოცანები:


1. რა ძალით ურთიერთქმედებს 3 სმ-ით დაშორებული 10 ნკ მუხტის მქონე ორი ნაწილაკი?


2. რამდენჯერ უნდა შევცვალოთ მანძილი მუხტებს შორის, რომ ერთ-ერთი მუხტის 4-ჯერ გადიდებისას ურთიერთქმედების ძალა იგივე დარჩეს?


3. 90 და 10 ნკ მუხტები დაშორებულია ერთმანეთიდან 4 სმ-ით. სად უნდა მოვათავსოთ მესამე მუხტი, რომ იგი წონასწორობაში იყოს?


4. რა შემთხვევაშია k-ს რიცხვობრივი მნიშვნელობა F-ის რიცხვობრივი მნიშვნელობის ტოლი?


5. რა მოხდება, სამყაროში დადებითად დამუხტული ყველა ნაწილაკი უეცრად უარყოფითად რომ დაიმუხტოს, ხოლო უარყოფითად დამუხტული ყველა ნაწილაკი-დადებითად? რა შეიცვლება ამით? დაასაბუთეთ თქვენი მოსაზრება.

ელექტრული მუხტის მუდმივობის კანონი

გადავიდეთ შედარებით სერიოზულ საკითხებზე.
ფირფიტების დაელექტროების ცდა გვიჩვენებს, რომ ხახუნით დაელექტროების დროს არსებული მუხტები გადანაწილდება სხეულებს შორის, რომლებიც საწყის მომენტში სრულიად ნეიტრალურია. დაელექტროების დროს ელექტრონთა მცირე ნაწილი ერთი სხეულიდან მეორეზე გადადის. ამ მომენტში ახალი დამუხტული ნაწილაკები არ წარმოიქმნება და არც ადრე არსებული ნაწილაკებიც ისპობა.

სხეულთა დაელექტროება ემორჩილება ელექტრული მუხტის მუდმივობის კანონს. ეს კანონი მართებულია ისეთი სისტემისთვის, რომელშიც გარემოდან არ შედიან და რომლიდანაც გარეთ არ გამოდიან დამუხტული ნაწილაკები. ასეთ სისტემას ჩაკეტილი სისტემა ეწოდება. ე.ი. ჩაკეტილი სისტემისთვის ელექტრული მუხტის მუდმივობის კანონი ჩამოყალიბდება შემდეგნაირად: ჩაკეტილ სისტემაში ყველა ნაწილაკის მუხტების ალგებრული ჯამი მუდმივი რჩება:

q1+q2+q3+...+qn=const

const აღნიშნავს მუდმივს (constant-მუდმივი; უცვლელი)

მუხტის მუდმივობის კანონს ღრმა აზრი აქვს. თუ დამუხტულ ნაწილაკთა რიცხვი არ იცვლება, მაშინ მუხტის მუდმივობის კანონის შესრულება საკმაოდ ნათელია. მაგრამ შესაძლოა მოხდეს ელემენტარულ ნაწილაკთა ურთიერთგარდაქმნა, წარმოქმნა ან მოსპობა და ამ დროს ახალი ნაწილაკების გაჩენა, მაგრამ ყველა შემთხვევაში დამუხტული ნაწილაკები წარმოიქმნება წყვილად, მოდულით ერთნაირი და ნიშნით საპირისპირო მუხტებით. დამუხტული ნაწილაკები ისპობა და ნეიტრალურ ნაწილაკებად იქცევა, მაგრამ ისევე წყვილად. ნებისმიერ შემთხვევაში იზოლირებული სისტემის მუხტების ჯამი ერთი და იგივე რჩება. იმედია ახლა მაინც მიხვდით, თუ რამხელა მნიშვნელობა აქვს მუხტების მუდმივობის კანონს მთლიანად ელექტრობაში. მუხტის მუდმივობის კანონს ადასტურებს ელემენტარულ ნაწილაკთა უამრავი რაოდენობის გარდაქმნებზე დაკვირვებანი. ეს კანონი გამოხატავს ელექტრული მუხტის ერთ-ერთ ყველაზე ფუნდამენტურ თვისებას. მუხტის მუდმივობის მიზეზი კი რაც არ უნდა გასაკვირი იყოს, აქამდე უცნობია.

დამუხტული სხეული, სხეულთა დაელექტროება

ამ პოსტში გაგაცნობთ ზოგადად, თუ როგორ შეიძლება მოხდეს სხეულთა დაელექტროება.


ელექტრულად დამუხტული ნაწილაკები ყველა სხეულის შედგენილობაში შედის. ატომთა შემადგენელ ნაწილებს-ბირთვებსა და ელექტრონებს-ელექტრული მუხტი გააჩნიათ. სხეულებს შორის ელექტრომაგნიტური ძალების მოქმედება უშუალოდ არ მჟღავნდება, რადგან ჩვეულებრივ მდგომარეობაში სხეულები ელექტრულად ნეიტრალურია. ყოველი ნივთიერების ატომი ნეიტრალურია, რადგან ელექტრონთა რიცხვი გარსში ტოლია პროტონების რიცხვისა ბირთვში. დადებითად და უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკები ერთმანეთთან დაკავშირებულია ელექტრული ძალებით და ქმნიან ნეიტრალურ სისტემებს.

როგორც უკვე ვთქვით, ელექტრონები დამუხტულია უარყოფითად, ხოლო პროტონები-დადებითად, სწორედ ამიტომ, სხეულის უარყოფითი მუხტი განპირობებულია ელექტრონთა სიჭარბით პროტონებთან შედარებით, დადებითი კი-ელექტრონთა დანაკლისით.

ცდით დამტკიცებულია, რომ ხახუნით დაელექტროების დროს ორივე სხეული ნიშნით საპირისპირო და მოდულით ტოლ მუხტებს ღებულობს. ამ თვისებას შემდგომში შედარებით დაწვრილებით შევისწავლით და ამოცანებშიც გამოვიყენებთ.

გაინტერესებთ, როგორ ხდება სხეულების დაელექტროება?
სხეულთა დაელექტროების დროს მნიშვნელოვანია მჭიდრო კონტაქტი მათ შორის.

ელექტროსტატიკა: ელექტრული მუხტი და ელემენტარული ნაწილაკები

სიტყვები: ”ელექტრობა”, ”ელექტრული მუხტი”, ელექტრული დენი” ხშირად მოგვისმენია და მიჩვეულიც ვართ მათ ხმარებას ყოველდღიურ ცხოვრებაში, მაგრამ აბა სინჯეთ, უპასუხოთ კითხვას: რა არის ელექტრული მუხტი. ამ კითხვაზე თუ გაიჭედებით, პანიკაში ნუ ჩავარდებით და თავი სრულიად უვიცი ნუ გეგონებათ, რადგან ელექტრული მუხტი არის ძირითადი, პირველადი ცნება, რომელიც არ დაიყვანება უფრო მარტივ, ელემენტარულ ცნებაზე.
 ვიცით, რომ ყველა სხეული აგებულია ისეთი უმცირესი ნაწილაკებისაგან, რომლებიც აღარ იყოფა უფრო მარტივ ნაწილაკებად. მათ ელემენტარული ნაწილაკები ეწოდება. ყველა ელემენტარულ ნაწილაკს აქვს მასა და ამიტომ მსოფლიო მიზიდულობის კანონის თანახმად, ერთმანეთს იზიდავენ ძალით, რომელიც უკუპროპორციულია მათ შორის მანძილის კვადრატისა.
 ელემენტარულ ნაწილაკთა უმრავლესობას, გარდა ამისა ახასიათებს ურთიერთქმედება ისეთი ძალით, რომელიც აგრეთვე მანძილის კვადრატის უკუპროპორციულად მცირდება, მაგრამ ეს ძალა გაცილებით დიდია გრავიტაციულ ძალაზე. მაგალითისთვის: წყალბადის ატომში პროტონი (ბირთვი) ელექტრონს იზიდავს ძალით, რომელიც 10(39)-ჯერ აღემატება გრავიტაციულ მიზიდულობის ძალას. (შეგახსენებთ, რომ 10(39) იგივეა, რაც 10 ხარისხად 39).
 თუ ნაწილაკებს ახასიათებს ურთიერთქმედების ასეთი უნარი, მაშინ ამბობენ, რომ მათ აქვთ ელექტრული მუხტი, თვით ნაწილაკებს დამუხტული ნაწილაკები ეწოდება. მაშ ასე: არსებობს ნაწილაკი უმუხტოდ, მაგრამ არ არსებობს ელექტრული მუხტი უნაწილაკოდ.
 დამუხტულ ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედებას ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება ეწოდება. ელექტრული მუხტი განსაზღვრავს ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების ინტენსიურობას, მსგავსად იმისა, როგორც მასა განსაზღვრავს გრავიტაციული ურთიერთქმედების ინტენსიურობას.

 ელექტრული მუხტების ორი ნიშანი: ყველა სხეულს აქვს მასა, ამიტომ ისინი ერთმანეთს იზიდავენ. დამუხტულ სხეულებს კი შეუძლიათ ერთმანეთის როგორც მიზიდვა, ისე განზიდვა. ეს ფაქტი კი ნიშნავს, რომ ბუნებაში არსებობს საპირისპირო ნიშნით დამუხტული ნაწილაკები. თუ მუხტის ნიშნები საპირისპიროა, ნაწილაკები მიიზიდებიან, ხოლო თუ ერთნაირია-განიზიდებიან.

ყველა ატომის ბირთვში შემავალი ელექტრონული ნაწილაკების-პროტონების მუხტს დადებითად თვლიან, ელექტრონების მუხტს კი-უარყოფითად. დადებითსა და უარყოფით მუხტებს შორის არ არის არავითარი შინაგანი განსხვავება. ნაწილაკთა მუხტების ნიშნებმა ერთმანეთი რომ შეცვალონ, ამით ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებათა ხასიათი ოდნავადაც არ შეიცვლება.


გარდა ელექტრონებისა და პროტონებისა, არის კიდევ დამუხტული ელემენტარული ნაწილაკების რამდენიმე ტიპი. მაგრამ განუსაზღვრელად დიდხანს მხოლოდ ელექტრონებსა და პროტონებს შეუძლიათ არსებობა თავისუფალ მდგომარეობაში. სხვა დამუხტული ნაწილაკები კი წამის მემილიონედ ნაწილზე უფრო მცორე ხანს ცოცხლობენ. ისინი წარმოიშობიან სწრაფი ელემენტარული ნაწილაკების ურთიერთშეხლისას და უსაზღვროდ ხანმოკლე არსებობის შემდეგ დაიშლებიან, გადაიქცევიან სხვა ნაწილაკებად. სწორედ ამიტომ, შეგვიძლია, მათი მუხტები უგულებელვყოთ.


უმუხტო ნაწილაკებს მიეკუთვნება ნეიტრონი. მისი მასა უმნიშვნელო სიდიდით აღემატება პროტონის მასას. პროტონებთან ერთად ნეიტრონები შედიან ატომის ბირთვის შედგენილობაში.

არსებობს მინიმალური მუხტი, რომელიც ყველა დამუხტულ ელემენტარულ ნაწილაკს აქვს. მას ელემენტარული მუხტი ეწოდება.

ელემენტარულ ნაწილაკთა მუხტები მხოლოდ ნიშნით განსხვავდებიან. შეუძლებელია, მოვაცილოთ ნაწილაკს, მაგალითად მუხტის ნაწილი.


ეს იყო ელექტრობის შესავალი. სანამ ფორმულების შესწავლას დაიწყებთ, აუცილებელია ეს ყველაფერი იცოდეთ კარგად და რაც მთავარია, უნდა ჩაწვდეთ შინაარსს!

Information

საატესტატო გამოცდების გამო ბლოგზე მექანიკა დროებით აღარ დაიდება. დაიპოსტება მხოლოდ საატესტატო გამოცდების საკითხები.