Тұрақты электр тогы. Электромагниттік индукция құбылысы

   Классикалық электрондық теория  материалдардың кедергісін, Ом және  Джоуль-Ленц заңдарын жақсылап  түсіндіріп береді, меншікті электр                                                                                                             өткізгіштікті металдың атомдық тұрақтылары арқылы өрнектеуді мүмкін етеді, электр өткізгіштіктің температураға тәуелділігін сапа жағынан болса да түсіндіре алады, жылу өткізгіштік пен электр өткізгіштік арасында бай-ланыс бар екендігін көрсетеді. Сонымен бірге теория заттардың бірқатар басқа да электрлік және оптикалық қасиеттерін түсіндіре алады. Бірақ кейбір құбылыстар жөніндегі классикалық электрондық теорияның қорытындылары тіпті тәжірибенің көрсетуіне қайшы келеді. Мысалы, теорияның тұжырымы бойынша температура өскенде металдың меншікті кедергісі  Т  шамасына пропорционал өсуі тиіс, ал шындығында ол температураның бірінші дәре-жесіне тура пропорционал. Классикалық электрондық теория материалдар-дың жылу сиымдылығы мен асқын өткізгіштік құбылысын тіпті де түсіндіре алмайды.

     Классикалық электрондық теорияның қиыншылықтары мынадай мәселе-лерге байланысты: а) металдағы электрондар Максвелл-Больцман статис-тикасының заңдылықтарына бағынбайды;   ә) электрондардың бір-біріне жасайтын әсері ескерілмейді;   б) электрондардың кристалдық тордағы периодты өрісте қозғалатындығы есепке алынбайды;   в) электрондардың қозғалысы классикалық механика заңдарына емес,   кванттық механика заңдарына бағынады.

     Қазіргі кезде классикалық электрондық теорияның орнына қатты дене-лердің кванттық теориясы келді, ол классикалық теорияның түсіндіре алмаған мәселелерін толығымен шешіп береді. Дегенмен, классикалық электрондық теория осы кезге дейін қолданылып келеді, ол қарапайым және көрнекі, тіпті заряд тасымалдаушылар концентрациясы аз болып, құбылыс жоғары температураларда зертелетін болса, классикалық теорияның беретін қорытындылары кванттық механиканың қорытындыларына жақын болады.

    Орта мектеп бағдарламасына металдағы электрондардың реттелген қозғалысының жылдамдығы, өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі және асқын эткізгіштік жөніндегі мәселелер ендірілген.

     Сондықтан, оқушыларды классикалық электрондық теориямен таныстыру барысында мынадай моменттерге көңіл бөлу қажет болады:   1) теорияның қысқаша шығу тарихы;   2) теорияның негізгі қағидалары мен модельдік түсініктері; 3) теорияның тәжірибелік дәлелдері; 4) теорияның қолданылуы; 5) классикалық электрондық теорияның қиыншылықтары;   6) классикалық электрондық теорияның маңызы.

        Классикалық түсінік бойынша металда иондық тор және еркін «электрондық газ»   бар. Электрондар хаосты қозғалыста, олардың жылдам-дығы температураға тәуелді. Кристалдық тордың түйіндерінде иондар орналасқан және олар тепе-теңдік қалпының айналасында тербелмелі қоз-ғалыста болады. Электрондар хаосты қозғалысы кезінде иондармен соқ-тығысады, бірақ орташа есеппен өткізгіште заряд тасымалданбайды.          

        Өткізгіштердің ұштарына кернеу берілсе, оның ішінде пайда болатын электр өрісінің кернеулігі әсерінен электрондардың бағытталған қозғалысы пайда болады, оны электрондар дрейфі деп атайды.

        1901 жылы  Рикке металдардың электрондық өткізгіштігін іргелі тәжірибелермен дәлелдеді. Ал дәл осы тәжірибені  1913 жылы  Мандельштам мен Папалекси,     1916 жылы  Толмен мен Стюарт қайта орындап үлкен жетістіктерге жете алды.

        Оқушыларға Рикке тәжірибесінің  мәнін түсіндіруге болады (28-сурет). Бір-біріне тиістіріліп қойылған  мыс, алюминий, мыс цилиндрлері  арқылы бір жылдан астам уақыт  ток өткізіледі. Осы уақыттың ішінде цилиндрлер арқылы 3,5*10⁶  Кл заряд өтті. Бірақ цилиндрлерде ешқандай өзгеріс болған жоқ. Олай болса, цилиндрлердегі токты иондар емес, сол металға ортақ бөлшектер - электрондар жасайды.

        Мандельштам- Папалекси және Толмен- Стюарт тәжірибелері бір идеяға негізделген, ол - электрондардың инерциялық қозғалысын тіркеу. Бірінші тәжірибеде электрондардың инерциялық қозғалысы тек телефон көмегімен бақыланады да, ал екінші тәжірибеде - гальванометрмен өлшеніп, электроның меншікті заряды және оның таңбасы анықталады. Сондықтан, мектепте екінші тәжірибені түсіндіріп, біріншісі жөнінде оқушыларды тек хабардар етсе жеткілікті.

       Тәжірибенің идеясын түсіндіру  үшін электрондардың инерциялық қозғалысының механикалық моделін және «Толмен мен Стюарт тәжірибесі» атты кинофильмді көрсету өте пайдалы.

        Металдағы электрондардың қозғалысына  байланысты мынадай үш түрлі  жылдамдықтың бір-бірінен айырмашылығын  түсіндіру қажет болады, олар: электр тогының таралу жылдамдығы (v), электрондардың реттелген қоз-ғалысының жылдамдығы немесе дрейфтік жылдамдығы (v_д) және электр-ондардың жылулық қозғалысының жылдамдығы (v_ж).

         Электрондардың жылулық қозғалысының  жылдамдығын түсіну оқушы-ларға қиындыққа соқпайды, өйткені электрондардың хаосты қозғалысы бір атомды газдар молекулаларының қозғалысына ұқсас.

         Өткізгіштегі электр тогының  жылдамдығы - бұл өткізгіштегі еркін зарядқа электр өрісі әсерінің таралу жылдамдығы, сондықтан ол электр өрісі-нің өткізгіш ішінде таралу жылдамдығына тең, немесе жарық жылдам-дығына жақын.

         Электр өрісінің әсерінен өткізгіштегі  электрондар дереу реттелген, бағытталған, баяу қозғалысқа түседі. Бұл қозғалыстың жылдамдығы (дрейфтік жылдамдық) өткізгіштегі ток күшін (І) анықтайды:

                                                                  І=neSv_д ,

Мұндағы n- электрондар концентрациясы, е- электрон заряды, S- өткізгіштің көлденең қимасының  ауданы. Бұл формула көмегімен, нақты  өткізгіштегі токты өлшеу арқылы, ондағы электрондардың дрейфтік жылдамдығын анық-тауға болады. Мысалы, жүргізілген өлшеу жұмыстары мыстағы электрон-дардың орташа дрейфтік жылдамдығы 0,7 мм/с екендігін көрсетеді. Мұндай жылдамдықпен электрон мыс сымның бойымен 5 м қашықтықты 2 сағат жүріп өтеді. Мыстағы электрондардың жылулық қозғалысының орташа жылдамдығы шамамен 1000 км/с болатындығын ескерткен жөн.

       Мұнан кейінгі кезекте металл  өткізгіштер кедергісінің температураға  тәуелділігі түсіндіріледі. Алдымен  тәжірибе көрсетуге болады. Ол  үшін бірнеше метр жіңішке  (диаметрі 0,1-0,2 мм) темір сымды серіппе түрінде орап, оны амперметр арқылы аккумуляторға қосады. Егер бөлме температурасындағы амперметрдің көрсетуін белгілеп алсақ, қыздырған кезде токтың күрт төмендейтіндігін көруге болады. Сонан соң p_t=р₀(1+at) формуласы беріліп, сапа жағынан электрондық теория тұрғысынан кедергі-нің температураға тәуелділігі түсіндіріледі. Бұл құбылыстың әр түрлі өлшеу приборларында және автоматты құрылғыларда қолданылатындығының мысалы ретінде кедергілік термометр жұмысымен таныстыруға болады.

        Осы тұста классикалық электрондық  теорияның да белгілі қолданылу  шекарасы бар екендігін айтуға  болады. Жоғарыда айтылған, кедергінің  температураға сызықтық тәуелділігі  төменгі температураларда орындалмай  қалатындығы айтылуы тиіс.

       Өткізгіштіктердің меншікті кедергісінің төмен температураларда күрт нөлге айналып кететіндігі, бұл құбылыс асқын өткізгіштік деп аталатындығы айтылады. Мектеп курсында асқын өткізгіштік құбылысы тек таныстыру деңгейінде ғана баяндалады. Бұл құбылыстың бағдарламаға енуін қазіргі кезде оны практикада қолданудың етек алып отырғандығымен түсін-діруге болады. Ғалымдар мыңнан аса металдар мен олардың әр түрлі қоспаларының осындай асқын өткізгіштік қасиеті бар екендігін тауып отыр.

         Оқушылардың классикалық электрондық теорияның қиыншылықтарын білуі, асқын өткізгіштікті оқуы олардың диалектика- материалистік көзқарасының қалып-тасуына әсерін тигізеді және классикалық электрондық теорияның электр өткізгіш-тікті түсіну процесіндегі алғашқы басқыш ғана екендігіне олардың көзін жеткізеді.

           Вакуудағы  электр  тогы  жөніндегі   оқу  материалын  төмендегідей  жүйелілікпен  оқытқан  қолайлы   болар  деп  санаймыз:

         1) Термоэлектрондық  эмиссия.Диод. Вакуумдағы  электр  тогы  жөнінде  айтпастан бұрын  оқушыларды  мынадай  екі  мәселемен  таныстыра  кету  орынды. Оның біріншісі – вакуум  жөніндегі ұғым. Вакуум  деп қысымы атмосфералық қысымнан  кем болған  кездегі газдың  күйін айтады. Газ қаншалықты  жақсы сиретілген  болса, соншалықты  вакуум  жоғары. Қалыпты  жағдайдағы  газ  қысымы – 760 мм сынап  бағанасымен  (с.б). электрондық  приборлардың  ішінде  ауа, молекулаларының  еркін  жолының  орташа  ұзындығы  ыдыс  өлшемімен  үлкен  болатын  вакуумға  дейін, сире-тіледі, ол  шамамен  10^-5 -10^-8 мм  с.б. тең. Бұл  вакуумды  жоғары  вакуум  деп  атайды. Ғарыштағы  вакуум  10^-11 мм с.б., ал  ғылыми лабо-раторияларда  алынып  жүрген  ең  жоғары  вакуум  10^-12 мм  с.б. Олай  болса, біз әңгімелейтін  вакуум – жоғары  вакуум.

     Екіншісі – электронның  металдан  шығу  жұмысы. Қалыпты  жағдайда  металл  кесегінің  ішіндегі  еркін  электрондар  хаосты  жылулық  қозғалыста  болғанымен  металды  тастап, шығып  кетпейді. Әр  электронды  металдан  шығарып  алу  үшін  белгілі  жұмыс  жасау  керек  болады, ол  жұмысты  электронның  шығу  жұмысы  әр  түрлі. Осы  жерде  металдардан  электрон-ның  шығу  жұмысының  кестесін  көрсетуге  болады.

     Мұнан соң металдардан электронды  шығарып  алудың  әр  түрлі  жол-дары  бар  екендігі  айтылады.  Қыздыру  нәтижесінде – термоэлектрондық  эмиссия, күшті  электр  өрісінің  көмегімен – электростатикалық  электрон-дық  эмиссия, бөлшектермен  атқылау  нәтижесінде – екінші  реттік  электр-ондық  эмиссия. Металдардан  электрондардың  көптеп  шығу  құбылысы  жалпы  атпен  электрондық  эмиссия  деп  аталатындығы  айтылады.

Бұл  тақырыпта  тек  термоэлектрондық  эмиссия  жөнінде  ғана  әңгіме  болады.

         Алдымен  электр  өрісі  болғанымен  вакуум  арқылы  ток жүрмейтіндігін, тек зарядты  бөлшектер  пайда  болған  кезде  ғана  вакуумның  ток  өткізе-тіндігіне  тәжірибе  көмегімен  оқушылардың  көзін  жеткізуге  болады. Ол  үшін, қазіргі  кезде  барлық  мектептерде  бар,  демонстрациялық  екі  электродты  электрондық  шамды  пайдаланамыз. 36- суретте  көрсетілгендей  электр  тізбегі түзіледі, оны тақтаға сызып қоюға болады.

    Шам қорабының ішінде  вакуум  бар екендігі, оған  екі  өткізгіш  еніп  тұрғандығы  түсіндіріледі. Егер  ₁ батареясының  көмегімен  кернеу  берсек, гальванометр  токты  көрсетпейді, өйткені вакуумда  еркін электр  зарядтары  жоқ. Егер  қорапқа  еніп  тұрған  сымды  электр  тогымен  қыздыратын  болсақ, онда  термоэлектрондық  эмиссия  құбылысының  нәтижесінде  вакуумда  электрондар пайда болады, оларды  оң  зарядталған  электрод  өзіне  тарды, тізбекте  ток  жүреді. Қыздырылатын  электронды  катод, ал  оң  заридты  электронды  анод деп атайтындығы айтылуы тиіс. ₁ батериясының  полюстерін  ауыстырып, қосып, металдан  ұшып  шығатын  бөлшектердің  зариядының  теріс  болатындығы, олардың  электрондар  екендігі  дәлелденеді. Катод  тізбегіндегі  реостат  кедергісін  өзгерту  арқылы  термоэлектрондық  эмиссия  кезінде  металдан  ұшып  шығатын электрондар санының  температураға  тәуелді  екендігін  анықтауға  болады.

       Сонан  соң  қоланылған  приборды  екі  электродты  электрондық  шам, немесе  вакуумдық  диод  деп  атайтындығын  айтуға  болады. Диодтардың  конструкциялық  ерекшеліктеріне және катиодтың тура қыздырылатын, жанама жолмен қыздырылатын  түрлерінің  болатындығына  тоқтау  керек. Оқушыларды  шам  қорабы  ішіндегі  вакуумның  қаншалықты  қажеттілігі  ойландыруы  мүмкін, оны  айтып түсіндіру керек  болады. Вакуум  болмаса  шам  ішіндегі  қыздырылатын  сымдардың  ауадағы  оттегі  әсерінен  жанып  кететіндігін  және  электрондар  қозғалысына  газ  молекулалары  кедергі  жасайтындығын  дәлел  ретінде  келтірген  жөн.

    Вакуумдық  диодтың  электр  тогын  тек  бір  бағытта (анодтан катодқа қарай) өткізетіндігіне, бұл  қасиеті  жағынан шала  өткізгішті  диодтарға ұқсас екендігіне, сондықтан бұл шамдар да айнымалы электр тогын түзету үшін  қолданылатындығына айрықша тоқтау  керек болады.

          2) Диодтың  вольт-амперлік  сипаттамасы. Анод  пен катод арасын-дағы  токтың  сол электродтарға берілетін кернеу  шамасына тәуелділігін  вольт-амперлік сипаттама деп атайды. Диодтың вольт-амперлік сипаттама-сын  36– суретте  келтірілген  құрылғы көмегімен өлшеуге болады, тек гальванометрдің  орнына демонстрациялық  амперметр, электродтар  арасына  демонстрациялық  вольтметр  қосса  болғаны.

         Алдымен  электр  өрісін  бермей  тұрып, катодты  белгілі  температураға  қыздырғанда  жүретін  процесті  түсіндіріп  алу  керек. Термоэлектрондық  эмиссия  нәтижесінде  катодтан  ұшып  шыққан  электрондар  катод  айма-ғында  электрондық  бұлт  түзеді. Катод  температурасы  тұрақты  болса, белгілі  моментте  катодтан  ұшып  шығатын  электрондар  мен  катодқа  қайтып  оралатын  электрондар  саны  теңесіп, динамикалық  тепе-теңдік  орнайды. Бұл  құбылыс  кебу  кезінде  сұйық  бетінен  ұшып  шығатын  молекулалар  саны  мен  қаныққан  будан  сұйыққа  қайтып  келіп  жатқан  молекулалар  санының  тепе-теңдігіне  ұқсас  екендігіне  оқушылардың  назарын  аударуға  болады.