Кулон заңы

№16 колледж МКҚК
Сапа менеджменті жүйесі
Орындаған: Қ-55 топ студенті Нарбеков Ақжол

 

Кулон заңы — екі нүктелік электрикалық зарядтардың өзара әсерін сиппаттайтын заң. Тыныштықтағы екі нүктелік зарядталған денелердің өзара әсерлесу заңы бүкіл әлемдік заңға ұқсас деген пікірлер ХVIII-ғасырдың ортасында туа бастады. Осы пікірдің дұрыстығын 1785 жылы француз ғалымы Ш.Кулон дәлелдеді. Кулон заңы бойынша

Тыныштықтағы екі нүктелік зарядтар зарядтардың модульдерінің көбейтіндісіне тура пропорционал, ара қашықтықтың квадратына кері пропорционал, таңбасы зарядтардың таңбаларының көбейтіндісімен бірдей, ал бағыты екі зарядты қосатын түзу бойымен бағыттас күшпен өзара әсер етеді.

Ол жіңішке серпімді сымға ілінген және шыны цилиндр тәрізді ыдыста орналастырылған шыны таяқшадан тұратын қондырғы-иірілмелі таразыны қолданды. Таяқшаның бір ұшына кішкене металл шар бекітті, ал екінші ұшына оны теңгеріп тұратын жүк ілді.Жіптің жоғарғы ұшын оның ширатылу бұрышын анықтауға арналған бөліктері бар шкалаға бекітті. Ыдыс тығынындағы саңылау арқылы дәл сондай басқа сынақ шар енгізді. Содан соң шарларға оң заряд берді және олар бір-бірімен өзара әрекеттесті. Ал олардың әрекеттесу күшінің шамасын жіптің ширатылу бұрышына қарап анықтады. Өлшемдері электрленген шардың өлшемдерімен бірдей, заряды жоқ үшінші шардың көмегімен Кулон алдыңғысының зарядын тең екіге бөлді. Осылайша, Кулон тәжірбиелерін қорыта келе,шарлардың өзара әрекеттесу күші олардың арақашықтығының квадратына кері,ал шарлардың зарядтарының көбейтіндісіне пропорционал екенін анықтады. Әрі,олардың әрекеттесу күші әр ортада әртүрлі екенін байқап,ортаның диэлектрлік өтімділігі деген шама енгізді. Ол әр ортада әртүрлі мәнге ие. Оған қоса, Кулон электр тұрақтысы деген шаманы енгізді

Заң орындалу үшін мына шарттар орындалуы маңызды:

1.  зарядтардың нүктеде болуы — яғни зарядталған денелер ара қашықтығы олардың өздерінің өлшемінен әлдеқайда үлкен болу керек — әйтсе де сфералық симметриялы бір бірімен қиылыспайтын көлемді үлестірілген зарядты екі дене өзара әсер ететін күші сол денелердің симметриялық ортасында орналасқан эквивалентті нүктелік зарядтардың әсер ететін күшіне тең екенін дәлелдеуге болады;
2.  олар тыныштықта, өозғалыссыз болуы. Болмаса басқа да күштер пайда болады: қозғалмалы зарядтың магнитөрісі және оған сәйкес басқа қозғалмалы зарядқа әсер ететін Лоренц күші;
3.  вакуумда орналасулары керек.

Электр заряды мен олардың арасындағы өзара әсер жөніндегі мәселені бастағанда оқушылардың бұрын 8 – сыныпта денелердің электрлену құбылысымен танысқанын, зарядтар таңбасының екі түрлі болатындығына тәжірибеде көз жеткізгенін, атомның құрылысы туралы алғашқы ұғым алғандығын және бірқатар құбылыстарды зарядтардың өзара әсері арқылы түсіндіруге болатыны оқығандығын ескеру қаажет. Мұғалім оқушылардың сол алған білімдерін жаңғырып, жаңа мағлұматтармен толықтырып, дамыта және тереңдете түсуі тиіс.

Көзделіп отырған мақсатқа жету үшін тақырыпты түсіндіруді мынадай жоспармен жүргізу қолайлы деп есептейміз.

1. Денелердің электрленуі. Бірнеше тәжірибелер көрсету арқылы электрленген денелердің жеңіл денелерді өзіне тартатындығы қорытындыланады. Электрленген денелердің тек жеңіл денелерді ғана емес ауыр денелерді де өзіне тартатындығын көрсету үшін мынадай тәжірибені жасауға болады: ұзын метал труба (түтікше) алып (2м), дәл ортасынан жіңішке жіпке балап, іліп қояды; егер электрленген таяқшаны трубаның бір ұшына жақындатсақ, онда оның таяқшаға тартылатындығын анық байқауға болады; металл трубаның орнына ұзын ағаш таяқшаны да қолданады.
2. Электрленген денелердің өзара әсерлесуі. Денелердің электрленуін көрсеткеннен кейін электрленген денелердің өзара әсерлесуі бірдей болмайтындығын анықтап алған жөн: кейде – олар бірін бірі тартады, кейде – олар бірін бірі тебеді. Бұл құбылысты демонстрациялау үшін алдын ала сәйкес тәжірибелерді таңдап алу керек. Осыған байланысты электрлену дәрежесінің әр түрлі болатындығын көрсету керек, ол үшін электроскопты пайдаланамыз. Екі электроскоптың бірін электрлеп, екіншісімен зарядник арқылы жалғастырып, денелердің электрлену қасиеті бір денеден екінші денеге берілетіндігіне оқушылар назарын аударууға болады. Бұл тәжірибелер оқушыларды заряд ұғымына жақындата түседі.
3. Электр зарядының екі таңбасы. Электрленген денелерді зарядталған, заряды бар деу қалыптасып кеткен. Қарама – қарсы таңбалы зарядпен электрленген денелер бірі бірі тартады, ал бірдей таңбалы зарядпен электрленеген денелер бірі бірі тебеді. Бұл қорытындыны тәжірибелермен дәлелдеу керек. Мұнан соң қарама – қарсы таңбалы зарядтардың бір – бірі бейтараптап жіберетіндігі айтылып, тәжірибе көрсетіледі.
4. Денелерді электрлеудің әдістері. Жоғарыда көрсетілген тәжірибелерге сүйеніп және жаңадан тәжірибелер көрсету арқылы денелерді екі түрлі әдіспен электрлеуге болатындығы жөнінде қорытынды жасауға болады: денелерді тиістіру арқылы және ықпал арқылы. Кейбір әдіскерлер, механизмін түсіндірмей – ақ гальвани элементтері батареясы және жарық әсері көмегімен электрлеу әдістерін де көрсетуді де қолайлы деп есептейді. Әсіресе электроскоптың жарық әсерінен зарядталуы оқушыларды жақсы әсер қалдырады.
5. Элементар заряд. Оқушылардың алған осы мәліметтері элементар заряд ұғымын ендіруге жеткілікті. Ең бастысы – зарядтың денемен немесе бөлшекпен байланысты екендігін, кейбір элементар бөлшектердің (электрон, протон және т.б) ол ажырамас қасиеті екендігін түсіндіре білу. Табиғатта бейтарап элементар бөлшектер ((нейтрон және т.б) болғанымен материалдық тасушысыз заряд болмайтындығы айтылуы тиіс. Электрондық және протондық тұрғыдан жоғарыда көрсетілген тәжірибелерді қайта түсіндіру қажет.
Келесі қозғалатын мәселе – зарядтың дискреттілігі. Оқушыларға осы кездегі физиканың зарядтың атомы – элементар заряд болатындығын көптеген тәжірибелер арқылы дәлелдеп беріп отырғандығы айтылуы тиіс. Бұл мақсатта әдетте Миллекен тәжірибесі айтылады, кейде әдіскерлер электролиз құбылысын пайдаланғанды жөн көреді. Физика курсын оқу барысында оқушылар ондай әр түрлі тәжірибелермен танысады. Онан соң кез – келген дененің зарядының сол элементар зарядтың бүтін санына тең болатындығы түсіндіріледі. Қалыпты жағдайларда денелерді құрайтые бөлшектердің оң және теріс зарядтары тең, сондықтан дене бейтарап күйде болатындығы, ал денелер электрленгенде қандай да бір зарядты бөлшектердің саны артып кететііндігі айтылуы тиіс.
6. Электр зарядының сақталу заңы. Бұл заң – іргелі табиғи заңдардың бірі, сондықтан оған айрықша көңіл аудару керек. 10 – сыныпта бұл заң екі тұрғыдан берілуі мүмкін. Оның біріншісінде электр зарядының атомистік құрылымы ескеріледі: тұйық жүйеде барлық бөлшектердің зарядтарының алгебралық қосындысы өзгермейді, зарядтар пайда болғанда қарама –қарсы таңбалы элементар зарядтар жұбымен пайда болады да, ал бейтараптанғанда – жұбымен бейтараптанады. Заңның айтылуының бұл түрімен қатар екінші айтылу түрі бар, ол макроскопиялық немес зарядты өлшеуге болатындығы тұрғысынан айтылады: тұйық жүйедегі зарядтардың алгебралық қосындысы өзгермейді.

Заңның орындалуының дәлелі ретінде денелерді тиістіру арқылы электрлегенде денелердің қарама-қарсы таңбалы зарядтармен электрленетіндігін келтіруге болады. Олай болса, электрлеу дегеніміз денедегі зарядтарды модулі жағынан тең, таңбалары қарама – қарсы зарядтарға бөлу процесі екенідігін түсіндіру қажет.

Осы тұста зарядтың тағы бір қасиетіне тоқтала кеткен жөн, ол – зарядтың инварианттығы. Ескерте кететін бір жәйт – оқушылар көп жағдайда «шаманың сақталуы» және «шаманың инварианттығы» ұғымдарын баса ажырата алмайды, сондықтан мұғалім бұл мәселеге көңіл аударғаны дұрыс. Заряд – абсолют шама, ол тасымалдаушы бөлшек жылдамдығына байланыссыз, басқаша айтқанда санақ жүйесіне тәуелді шама емес.

Кулон заңы

Кулон заңы да электродинамикадағы іргелі заңның бірі, ол электр зарядтарының өзара әсерлесуін сан жағынан сипаттайды. Заңды 1785 жылы тәжірибе жүзінде Ш.Кулон (1736-1806 ж) тағайындаған болатын.

Кулон заңы жөніндегі материалды әңгіме ретінде бастаған дұрыс. Алдымен Кулонның тәжірибесі айтылып, иірілмелі таразының құрылысы мен онымен жұмыс істеу әдісі түсіндіріледі. Әңгіме барысында сынып тақтасына мынадай жазулардың түскені дұрыс:

Айтылуы: тыныштықтағы зарядталған екі нүктелік дененің вакуумдағы өзара әсерлесу күші олардың зарядтарының модульдерінің көбейтіндісіне тура пропорционал болады, ол күш сол денелердің центрлерін қосатын түзу бойымен бағытталған.

---

Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз: