ჩემი კაბინეტი

1.1 ელექტრული მუხტი. კულონის კანონი

 

თავი 1. ელექტროდინამიკა

მრავალი ფიზიკური მოვლენა, რომელიც ბუნებასა და ჩვენს გარემომცველ ცხოვრებაში დაიკვირვება, შეუძლებელია აიხსნას მექანიკის, მოლეკულარულ-კინეტიკური თეორიის და თერმოდინამიკის კანონებით. ამ მოვლენებში თავს იჩენს გარკვეული მანძილით დაშორებულ სხეულებს შორის მომქმედი ძალები, რომლებიც არაა დამოკიდებული ურთიერთქმედი სიხეულების მასებზე, და ე.ი. არ წარმოადგენენ გრავიტაციულ ძალებს. ამ ძალებს ელექტრომაგნიტურ ძალებს უწოდებენ.

ელექტრომაგნიტური ძალების არსებობა ჯერ კიდევ ძველი ბერძნებისთვის იყო ცნობილი. მაგრამ სისტემატური, რაოდენობრივი შესწავლა იმ ფიზიკური მოვლენებისა სადაც ვლინდება სხეულების ელექტრული ურთიერთქმედება მხოლოდ XVIII საუკუნის ბოლოს დაიწყო. მრავალი მეცნიერის ძალისხმევით XIX საუკუნეში დასრულდა ელექტრული და მაგნიტური მოვლენების შემსწავლელი  თანმიმდევრული მეცნიერების შექმნა. ეს მეცნიერება ფიზიკის ერთ-ერთ მნიშვნელოვან ნაწილს წარმოადგენს, და მას ელექტროდინამიკა ეწოდება.

ელექტროდინამიკის შესწავლის ძირითად ობიექტებს ელექტრული მუხტებისა და დენების მიერ წარმოქმნილი ელექტრული და მაგნიტური ველები წარმოადგენენ.

ელექტრული ველი

1.1 ელექტრული მუხტი. კულონის კანონი

ნიუტონის მექანიკაში სხეულის გრავიტაციული მასის ცნების მსგავსად, ელექტროდინამიკაში მუხტის ცნება პირველად, ძირითად ცნებას წარმოადგენს.

ელექტრული მუხტიფიზიკური სიდიდეა, რომელიც ნაწილაკების ან სხეულების ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედების უნარის ახასიათებს.

ელექტრულ მუხტს, ჩვეულებრივ, q ან Q ასოებით აღნიშნავენ.

ყველა ცნობილი ექპერიმენტული ფაქტების ერთობლიობა საშუალებას იძლევა გავაკეთოდ შემდეგი დასკვნა:

 

 

ბუნების ერთ-ერთ ფუნდამენტურ კანონს ექსპერიმენტულად დადგენილი ელექტრული მუხტის შენახვის კანონი წარმოადგენს.

იზოლირებულ სისტემაში ყველა სხეულის მუხტების ალგებრული ჯამი უცვლელი რჩება:

q1 + q2 + q3 + ... +qn = const.

ელექტრული მუხტის  შენახვის კანონი ამტკიცებს, რომ ჩაკეტილ სისტემაში არ შეიძლება იქნეს დაკვირვებული ერთიდაიგივე ნიშნიანი მუხტის დაბადების ან გაქრობის პროცესები.

თანამედროვე თვალსაზრისით, მუხტის მატარებლებს ელემენტარული ნაწილაკები წარმოადგენან. ყველა ჩვეულებრივი სხეული შედგება ატომებისაგან, რომლის შემადგენლობაშიც შედის დადებითად დამიხტული ტროტონები, უარაყოფითად დამუხტული ელექტრონები, და ნეიტრალური ნაწილაკები – ნეიტრონები. ტროტონები და ნეიტრონები ატომის ბირთვის შემადგენლობაში შედიან, ელექტრონები ატომის ელექტრონულ გარსს ქმნიან. ტროტონისა და ელექტრონის ელექტრული მუხტები მოდულით ზუსტად ერთნაირია და ელემენტარული e მუხტის ტოლია.

ნეიტრალურ ატომში ბირთვში პროტონების რიცხვი ტოლია გარსში ელექტრონების რიცხვისა. ამ რიცხვს ატომურ რიცხვს უწოდებენ. მოცემული ნივთიერების ატომს შეუძლია დაკარგოს ერთი ან რამდენიმე ელექტრონი ან მიიერთოს ზედმეტი ელექტრონი. ასეთ შემთხვევებში ნეიტრალური ატომი დადებითად ან უარყოფითად დამუხტულ იონად იქცევა.

მუხტი ერთი სხეულიდან მეორეს მხოლოდ ელემენტარული მუხტის მთელი რიცხვის შემცველი პორციებით გადაეცემა. ამგვარად, სხეულის ელექტრული მუხტი – დისკრეტული სიდიდეა:

 q=\pm ne\; (n=0,1,2,....).

ფიზიკურ სიდიდეებს, რომლებსაც შეუძლიათ მხოლოდ დისკრეტული მნიშვნელობების მიღება დაკვანტულს უწოდებენ. ელემენტარული მუხტი ელექტრული მუხტის კვანტს წარმოადგენს (უმცირესი პორცია). ანდა აღინიშნოს, რომ ელემენტარული ნაწილაკების თანამედროვე ფიზიკაში ვარაუდობენ ე. წ. კვარკების არსებობას – ნაწილაკები

\pm\frac{1}{3}e      \pm\frac{2}{3}e

წილადური მუხტით, მაგრამ ჯერჯერობის თავისუფალ მდგომარეობაში კვარკები დაკვირვებული არაა.

 ჩვეულებრივ ლაბორატორიულ ცდებში ელექტრული მუხტის აღმოსაჩენად და გასაზომად იყენებენ ელექტრომეტრს – ხელსაწყოს, რომელიც შედგება მეტალური ღეროსა და ჰორიზონტული ღერძის გარშემო მბრუნავი ისრისაგან (ნახ. 1.1.1).

ღერო ისრით, იზოლირებულია მეტალის კორპუსიდან. დამუხტულ სხეულთან ელექტრომეტრის ღეროსთან შეხებისას, ერთი ნიშნის მქონე მუხტი ნაწილდება ღეროსა და ისარზე. ელექტრული განზიდულობის ძალების იწვევენ ისრის გარკვეული კუთხით მობრუნებას, რომლის მიხედვითაც შეიძლება ვიმსჯელოთ ელექტრომეტრზე გადაცემული მუხტის შესახებ.

ნახ. 1.1.1.

მუხტის გადატანა დამუხტული სხეულიდან ელექტრომეტრზე.

ელექტრომეტრი საკმაოდ უხეში ხეკსაწყოა; ის მუხტების ურთიერთქმედების ძალების გაზომვის საშუალებას არ იძლევა. უძრავი მუხტების ურთიერთქმედების კანონი აღმოაჩინა ფრანგმა ფიზიკოსმა შ.კულონმა 1785 წელს. თავის ცდებში კულონი ზომავდა დამუხტული ბურთულების მიზიდვისა და განზიდვის ძალებს მის მიერვე კონსტრუირებული ხელსაწყოს – გრეხითი სასწორის საშუალებით (ნახ. 1.1.2), რომელიც ძალიან დიდი მგრძნობიარობით გამოირჩევა. ასე მაგალითად, სასწორის ბალანსი 1°-ით მობრუნდება 10–9 ნ რიგის ძალის მოქმედებით.

გაზომვის იდეა ემყარებოდა კულონის ბრწყინვალე ეჭვს (მიხვერილობას) იმის შესახებ, რომ თუ დამუხტულ ბურთულებს შევახებთ ზუსტად ისეთივე დაუმუხტავ ბურთულას, მაშინ პირველი მუხტი  მათ შორის ზუსტად თანაბრად განაწილდება. ამგვარად, ნაჩვენები იყო ბურთულის ორჯერ, სამჯერ და ა.შ. მუხტის გაზომვის გზა. კულონის ცდებში ურთიერთქმედება იზომებოდა ისეთ ბურთულებს შორის რომელთა ზომები გაცილებით ნაკლები იყო მათ შორის მანძილზე. ასეთ დამუხტულ სხეულებს წერტილოვან მუხტებს უწოდებენ.

წერტილოვანი მუხტი ეწოდება დამუხტულ სხეულს, რომლის ზომების უგულვებელყოფა შესაზლებელია მოცემული ამოცანის პორობებში.

   

 

ნახ. 1.1.2.

კულონის ხელსაწყო

 

 

 

ნახ. 1.1.3.

ერთსახელისნი და სხვადასხვა სახელიანი მუხტების ურთიერთქმედების ძალები

 


მრარავალრიცხოვანი ცდების საფუძველზე კულონმა გამოიყვანა შემდეგი კანონი:

უძრავი მუხტების ურთიერთქმედების ძალები პირდაპირ პროპორციულია მუხტების მოდულების ნამრავლისა და უკუპრორორციულია მათ შორის მანძილის კვადრატისა:

F=k\frac{|q_{1}|\cdot |q_{2}|}{r^{2}}.

ურთიერთქმედების ძალები ემორჩილებიან ნიუტონის მესამე კანონს: \vec{F_{1}}=-\vec{F_{2}}. ისინი განზიდვის ძალები არიან ერთნაირ ნიშნიანი მუხტების შემთხვევაში და მიზიდულობისა - სხვადასხვა ნიშნიანი მიხტები შემთხვევაში (ნახ. 1.1.3). უძრავი მუხტების ურთიერთქმედებას ელექტროსტატიკურ ან კულონურ ურთიერთქმედებას უწოდებენ. ელექტროდინამიკის განყოფილება რომელიც კულონის ურთიერთქმედებას სწავლობს ელექტროსტატიკა ეწოდება.

კულონის კანონი სამართლიანია წერტილოვანი დამუხტული სხეულებისათვის. პრაქტიკულად კულონის კანონი კარგად სრულდება, თუ დამუხტული სხეულებოს ზომები ბევრად ნაკლებია მათ შორის მანძილზე.

კულონის კანონში პროპორციულობის k კოეფიციენტი დამოკიდებულია ერთეულების სისტემის შერჩევაზე. საერთაშორისო სი სისტემაში მუხტის ერთეულად მიღებულია კულონი (კ).

 კულონი მუხტია, რომელიც სადენის განივკვეთში გადის ერთი წამის განმავლობაში, ერთი ამპერი დენის ძალის დროს. დენის ძალის ერთეული (ამპერი) სი სისტემაში, სიგრძის, დროის და მასის ერთეულიბთან ერთად, ძირითად ერთეულს წარმოადგენს.

 k კოეფიციენტი სი სისტემაში ჩვეულებრივ ჩაიწერება შემდეგი სახით:

k=\frac{1}{4\pi \varepsilon_{0}},

სადაც \varepsilon_{0}=8,85\cdot 10^{-12} კლ2/ნ.მ2– ელექტრული მუდმივაა.

სი სისტემაში ელექტრული მუხტი e ტოლია:

e = 1,602177·10–19 კლ ≈ 1,6·10–19 კლ

ცდა უჩვენებს, რომ კულონური ურთიერთქმედების ძალები სუპერპოზიციის პრინციპს ემორჩილება.

თუ დამუხტული სხეულიერთდროულად რამდენიმე დამუხტულ სხეულთან ურთიერთქმედებს, მაშინ მოცემულ სხეულზე მომქმედი ტოლქმედი ძალა ტოლია ყველა სხვა სხეულის მიერ ამ სხეულზე მომქმედი ძალების ვექტრორული ჯამისა.

ნახ. 1.1.4 ხსნის სუპერპოზიციის პრინციპს სამი დამუხტული სხეულის ელექტროსტატიკური ურთიერთქმედების საშუალებით.

ნახ. 1.1.4.

ელექტროსტატიკური ძალების სუპერპოზიციის პრინციპი \vec{F_{1}}=\vec{F_{21}}+\vec{F_{31}}\vec{F_{2}}=\vec{F_{12}}+\vec{F_{32}}\vec{F_{3}}=\vec{F_{13}}+\vec{F_{23}}.

სუპერპოზიციის პრინციპი ბუნების ფუნდამენტურ კანონს წარმოადგენს. მაგრამ,  როცა ლაპარაკია სასრული ზომების მქონე დამუხტულ სხეულებზე, მისი გამოყენაბა გარკვეულ სიფრთხილეს მოითხოვს (მაგალითად, ორი გამტარი დამუხტული ბირთვი 1 და 2). თუ ორი გამტარი დამუხტული ბირთვისაგან შემდგარ სისტემასთან მივიტანთ დამუხტულ მესამე ბირთვს, მაშინ 1 და 2 ბირთვებს შორის ურთიერთქმედება მუხტების გადანაწილების გამო შეიცვლება.

სუპერპოზიციის პრინციპი ამტკიცებს, რომ ყველა სხეულზე მუხტის განსაზღვრული (ფიქსირებული) განაწილებისას ელექტული ურთიერთქმედება ნებისმიერ ორ სხეულს შორის არ არის დამოკიდებული სხვა დამიხტული სხეულების არსებობაზე.

 

კითხვის დასმა

-ამწეს თანაბრად გადააქვს 3000 კგ მასის ტვირთი 20მ სიმაღლეზე,შემდეგ 10მ სიმაღლეზე,შემდეგ ტვირთს ჰორიზონტალურად გადააადგილებს და 5 მეტრით უშვებს ქვევით.გამოთვალეთ, რა სიდიდის მუშაობას ასრულებს ამწე.

-გთხოვთ ძალიან მჭირდება თქვენი დახმარება:(((  ამ ამოცანას ვერ ვხსნი. წერტილოვანი მუხტის ელექტრულიველის ორი წერტილის პოტენციალები ოთხჯერ განსხვავდება ერთმანეთისაგან.რამდენჯერ განსხვავდება ერტმანეტისაგან ველის დაძაბულობები ამ წერტილებში??? წინასწარ გიხდით დიდი მალობას!!!!!

-რომელია მართებული მტკიცება?

ა) თანაბარწრფივი მოძრაობის სიჩქარე მუდმივია
ბ) თანაბარწრფივი მოძრაობის სიჩქარე არ არის მუდმივი
გ) ნებისმიერი წრფივი მოძრაობის სიჩქარე მუდმივია
დ) თანაბარწრფივი მოძრაობის აჩქარება არ არის ნული

-როგორ შეიცვლება ელექტროლიზის დროს ელექტროდებზე გამოყოფილი ნივთიერების მასა,თუ ა)გავზრდით ძაბვას;   ბ)დავაახლოვებთ ელექტროდებს; გ)ელექტროდის დიდ ნაწილს ჩავუშვებთ ელექტოლიტში?    გთხოვთ განმიმარტოთ თითოეული შემთხვევისას წარმართული პროცესი.

ყველა კითხვა

<