Дәріс 1. Тұрақты тоқтың  сызықты электрлік тізбектері

1.1. Электрдың физикалық табиғаты. Электр өріс пен тізбектін элементтер мен параметрлері

1.1.1. Электр зарядтар

      Физикадан белгілі: барлық физикалық денелер мен заттар көзге көрінбейтін өте ұсақ бөлшектерден – молекулалардан тұратынын. Молекулалар одан да кіші, бөлінбейтін бөлшектерден – атомдардан түзіледі. Электрондық теория бойынша Менделеевтің химиялық элементтердің периодтық жүйесіндеге кез келген элементтің атомы өте тығыз ядродан және оның айналасындағы электронды қабықшадан тұрады (сур.1.1).

       Атомның ядросы элементар (элементар дегеніміз дүниедегі ең қарапайым, ең кішкентай дегенді білдіреді) бөлшектерден түзіледі: элементар оң электр зарядталған (+е) протондардан және заряды жоқ нейтрондардан.            

        Электрондық қабығында ядроның айналасында женіл элементар бөлшектер жылжиды  – электрондар, элементар теріс  электр зарядталған (-е). Ядроның айналасындағы электрондар әртүрлі жылдамдықпен қозғалады, яғни олардың энергиясы әртүрлі. Сондықтан атомдық модельде (1.1-сурет) олар әртүрлі энергетикалық деңгейде орналасады. Латын әріптерімен (K, L, M, N, O, P, Q) белгіленген жеті ғана энергия деңгейі бар.

        Мысалы, алюминий атомында басқаларға қарағанда баяу қозғалатын электрондар ең аз энергияға ие және ең төменгі энергетикалық деңгейде орналасады (алюминий атомының моделінде – 1.1-суреттегі ядроға ең жақын). Басқаларға қарағанда жылдамырақ қозғалатын электрондар валенттік электрондар деп аталады және ең жоғары энергетикалық деңгейде орналасады (алюминий атомының үлгісінде – 1.1-суреттегі ядродан ең алыс), валенттік энергия деңгейі деп аталады.

        Ядродағы протондар мен атом қабығындағы электрондар саны бірдей, сондықтан атомдарда электр заряды болмайды. Мысалы, суретте көрсетілген алюминий атомының заряды тең:

13 (+е) + 13 (-е) = 0.

      ядро         қабығы     атом

        Зат қыздырылғанда, электр өрісімен әсер еткенде немесе элементар бөлшектермен бомбаланғанда, зат атомдары қосымша энергия алады. Артық энергияны жұмсау үшін атом валенттілік электрондарды жоғалтады, немесе  керісінше шетелдік электрондарды өзінің валенттілік энергетикалық деңгейіне тартып алады. Бұл жағдайда оң зарядталған ядро мен теріс зарядталған қабық арасындағы тепе-теңдік бұзылып, атом зарядталған бөлшекке – ионға айналады.

         Мысалы, егер алюминий атом валенттілік электрондарын жоғалтса, біз мынаны аламыз:

13 (+е) + 10 (-е) = +3е

     ядро        қабығы      ион

оң зарядталған ион. Егер алюминий атом валенттілік энергетикалық деңгейіне 4 бөтен электронды тартып алса, біз мынаны аламыз:

13 (+е) + 17 (-е) = -4е

     ядро        қабығы      ион

теріс зарядталған ион.

       Зарядталмаған атомдары зарядталған бөлшектерге тұрлендіру процесы заттың ионизациясы деп атайды. Ионизация кезінде атомнан босағандар және ешқандай басқа атомға қосылмаған электрондарды бос электрондар деп атайды.

       Физикалық денеде сақталған электр санды электр заряд деп атайды, зарядтын өлшем бірлігі – Кулон: 1Кл = 6,2910¹⁸ е (СИ жүйе бойынша).

1.1.2. Электр өрісінің потенциал мен кернеу

       Электрондық теория бойынша электрмен зарядталған дененің айналасында электр өрісі болу керек. Электр өрісі жалғыз ғана тәсілімен білдірінеді: ол өрістін ішінде болған зарядқа электр күшімен F_эл[Н] әрекет жасайды.

       Электр өрісі графикалық түрде күштің электр сызықтары ретінде бейнеленген. Бұл жағдайда әрбір күш сызығы кеңістікте оның берілген нүктедегі бағыты электр күшінің F_эл бағытымен сәйкес келетіндей етіп сызылады. сол нүктеде зарядқа әсер етеді. Оң зарядталған денеден күш сызықтары әртүрлі бағытта (күн сәулелері сияқты) алшақтайды, ал теріс зарядталған денеге қарай жақындайды деп жалпы қабылданған (сур. 1.2).

Сур. 1.2. Электр өрісінің жалғыз зарядымен, ұқсас және айырмашылығы бар

                зарядтармен жасалған кездегі графикалық көрінісі

        Тәжірибеде электр өрісі көбінесе бір зарядтан емес, олардың қосындысынан пайда болады. Далалық суреттерден көрініп тұрғандай, зарядтар (+ және +) бір-бірін тебеді, ал зарядтарға қарағанда (+ және -) бір-бірін тартады. Электрлік күш сызықтары оң зарядталған денеден басталып, теріс зарядталған денеде аяқталады.

       Физикадан белгілі: күш энергиясыз болмайды. Олай болса, электр орісінің әр бір нүктесінде энергия болу керек. Бұны өлшеу үшін электр потенциал түсінікті кіргізеді:

Потенциал φ[B] – бірлік оң зарядты электр (1Кл) өрісінің берілген нүктесінен потенциалы нольге тең (φ = 0) нүктеге көшіргенде өріс күштерінің жұмысымен анықталатын физикалық шама.

       Электр өрістегі екі нүктелердің потенциалдардын айырмысын кернеу U[B] деп атайды:

U = φ₁ - φ₂                    (1.1)

1.1.3. Электр ток

        Электр өткзгіштін бойдау қимасына қарасақ, бізге қалай болса солай қимылдайтын молекулар, атомдар, иондар және бос электрондар көрініп тұрады (сур. 1.2).

       Өткізгішті электр өріске орнатқанда екі шетінің арасында потенциалдын айырмы (кернеу U) пайда болады. Жоғары потенциалды (+), төменгі потенциалды (-) деп атаймыз. Енді

өрістін электр күш

    әрекетімен F_эл теріс

зарядталған электрондар мен иондар жоғары потенциал жаққа (+) және оң зарядталған иондар төменгі потенциал жаққа жүру бастайды. Таңбасы бір зарядтардын бір жаққа қимыл қозғалысын электр ток деп атайды. Оң зарядталған бөлшектердін қимыл қозғалыс бағыты токтың бағыты деп саналады.

       Токтын көлеміне баға беру үшін токтын күші I[A] түсінігі бар. Егер өткішзгіштін көлденең қимасынан 1с уақытыныда 1Кл заряды өтетін болса, онда токтын күші амперге тең: 1А = 1Кл/1с. Уақыт ағылу мен бағыты және күші өзгермейтін токты тұрақты ток деп атайды (I = const). Уақыт ағылу мен бағыты не күші өзгеретін токты айнымалы ток деп атайды (i = varia).

        Электр машиналардын, өлшейтін приборлардын, басқа электр жабдықтардын орамалары мен сымдары металдан жасалады (алюминий, мыс). Барлық металдардың кристалдық торды бейнелейтін ішкі құрылымы бар. Тор түйіндерінде бір-бірімен өте күшті ядролық тартылыс күштерімен байланысқан атомдар мен иондар бар, олар өзара тартылыс пен тебілудің электрлік күштерінен әлдеқайда асып түседі. Нәтижесінде металл иондары электр өрісі әсер еткенде қозғалыссыз қалады және тек бос электрондар қозғалады. Сонымен, металдардағы электр тогы бір бағытта қозғалатын теріс зарядталған электрондар ағыны болып табылады.

1.1.4. Кедергі мен өткізгіштік

        Өткізгіштен электр ток жүріп атқанда, электрон ағыны жолда молекулар, атомдар және иондар мен кездеседі. Осы бөлшектермен электрон соғылғанда токтын біраз энергиясы жылу боп шығадыда, өткізгіштің ішнде таратылады, оны қыздырып. Олай болса, өткізгіш өтетін токқа электр кедергісің (қарсылықты) жасайды. Егер токтын күші бірдей болса, ең қатты қызған өткізгіштің кедергісі R[Ом] жоғары болады. Өткізгіштің екі шетіндегі арасында кернеу 1В кезінде токтын күші 1А болса, кедергісі Омға тең: 1Ом = 1В/1А.

        Кедергінің кері шамасын электр өткізгіштік g[См]  деп атайды:

g = 1/R.                (1.2)

Кедергіні (өткізгіштікті) сұлбасын салғанда Мемлекеттік стандарт (МС) бойынша тікбұрышпен көрсетеді (сур.1.3).

       Бұны резистор деп, айнымалы ток тізбекте активтік кедергі деп атайды.

           Сур. 1.4. Резистор

1.1.5. Электр қозғаушы күш және энергия көздері

      Екі әраттас зарядталған денелерді өткізгішпен қосылса (сур.1.4), өткізгіште ток ағылады потенциалы жоғар оң зарядталған денеден (+) потенциалы төмен теріс зарядталған денеге (-).

         Сур.1.5. Екі әраттас зарядталған денелерді өткізгішпен қосу

        Электрондар оң зарядталған денеге көшкен сайын, оның заряды мен потенциалы φ₁ азайады, екінші дененің потенциалы φ₂ өседі. Екі потенциалы бірдей болып қалғанда (φ₁ = φ₂), кернеу жойлады да ток болмай қалады (U = 0, І = 0).

       Дегенмен электр қондырғылар жұмыс істеу кезде өткізгіште ток үздіксіз өту керек. Ол үшін кернеуді бір қалпы ұстап, электрондарды теріс зарядталған денеге қайтару қажет. Бұны орындату үшін тұйықталу тізбекті құрып, өткізгішті электр энергия көзіне қосу керек (сур.1.5).

       Өткізгіштің ішінде (-е) зарядталған электрондар электр көзінің потенциалы төмен қыспақтан (-) потенциалы жоғары қыспаққа (+) бағытталғанда, көзінің ішінде электрондар қарама-қарсы бағытталанды (плюстен минусқа). Мұндай табиғы қарсы зарядттардын жүрісті көзінің ішінде қамтамасыз ететің электр қозғаушы күш (ЭҚК Е[B]). ЭҚК-інің көлемі қыспақтардын арасындағы кернеуге тең: U = Е.              (1.3)

       Гальваникалық элементтерде (аккумулятор, батарея) тұрақты ЭҚК тугызу үшін электр химикалық реакциялар пайдаланады. Электр машиналардын орамасында ЭҚК электромагниттік индукция құбылысы арқылы туады. Электр энергия көзді сұлбасын салғанда екі түрімен көрсетуге болады: идеалды (қуаттын шығындары жоқ) ЭҚК көзі, идеалды ток көзі (сур.1.6 бұлар вольт-амперлік сипаттасымен бірге көрсетілген).

          Сур.1.7. ЭҚК (а) және ток (б) көздерінің сұлба мен ВАС