17-Ma’ruza
O‘zgarmaselektr toki . Zanjirning bir qismi uchun Om qonuni . Berk zanjir uchunn Om qonuni. O‘tkazgichlarni ulash. Joul –Lens qonuni. Kirxgof qoidalari. Eletr yurituvchi kuch.
Reja.
Harakatlanayotgan zaryadli zarrachalar. Elektr toki. O‘zgarmas tok.
Tok kuchi va uning o‘lchov birligi. Tok zichligi.
Zanjirning bir qismi uchun Om qonuni.
Elektr qarshiligi va uning o‘tkazgich turiga hamda geometrik shakliga bog‘liqligi. Zanjirning Volt Amper Harakteristikasi (VAX).
Zaryadli zarrachalarni harakatga keltiruvchi kuch – elektr yurituvchi kuch.
To‘liq (yopiq, berk, butun) zanjir uchun Om qonuni.
Kirxgoff qoidalari.
O‘zgarmas tokning ishi va quvvati.
Tayanch so‘z va iboralar:
Elektr, elektron, ion, zaryad, tok kuchi, kuchlanish, qarshilik, elektr maydon, tok zichligi, Om qonuni, elektr yurituvchi kuch, Kirxgoff qoidasi, tokning bajargan ishi, quvvat.
18.1. Elektr toki va uning asosiy xarakteristikalari
Elektr toki deganda zaryadlangan zarralarning tartibli harakati tushuniladi. «Tok» so‘zining o‘zbek tiliga aynan tarjimasi «oqim» dir. Demak, elektr tok — elektr zaryadlarning oqimidir. Elektr tokning asosiy belgisi — harakatdagi zaryadlar tufayli paydo bo‘luvchi magnit maydonning‘ mavjudligidir. Bundan’ tashqari elektr tok modda orqali o‘tganda issiqlik, optik va ximiyaviy hodisalar kuzatiladi.
O‘tkazgichlardagi elektr tokni utkazuvchanlik toki deb ataladi. Lekin elektr tokni bunday tor ma’noda tushunish qerak emas. Masalan, biror zaryadlangan jism fazoning bir nuqtasidan ikkinchi nuqtasiga .ko‘chirilayotgan bo‘lein. Bu jism bilan birgalikda undagi zaryad ham fazoning bir nuqtasidan ikkinchi nuqtasi tomon harakat qiladi. Demak, elektr tok vujudga keladi. Lekin bu tok zaryadlangan jismning harakati bilan bog‘liq. Bunday tokni boshqa turdagi toklardan farq qilish maqsadida konveksion tok deb ataymiz.
18-2. Elektr toki
Batareyaning maqsadi ko‘proq zarra hosil qiluvchi potensiallar farqini yuzaga keltirishdir. Batareya klemmalariga o‘tkazgich kontur ulab, biz elektr zanjiriga ega bo‘lamiz (18-6a-rasm). Har qanday elektr sxemada batareyani ifodalash uchun biz 18-6b-rasmda ko‘rsatilgandek quyidagi simvollardan foydalanamiz:
(batareya simvollari)
Uzun chiziq – musbat klemmaga, kaltasi – manfiy klemmaga mos keladi. Bunday zanjir bo‘ylab zaryad batareyaning bir klemmasidlan boshqasiga o‘tishi mumkin; elektr zaryadining bunday oqimi elektr toki deyiladi1.
18-1-rasm. a – eng sodda elektr zanjiri, b – o‘sha zanjirning sxematik ifodalanishi.
O‘tkazgichda elektr tokining kuchi – bu birlik vaqt ichida o‘tkazgichning ko‘ndalang kesimi yuzasidan o‘tuvchi natijaviy zaryad miqdoridir. SHunday qilib elektr toki kuchining o‘rtacha qiymati
(18-1)
bu erda - o‘tkazgich ko‘ndalang kesimi bo‘ylab vaqt ichida oqib o‘tadigan zaryad miqdori. Elektr zaryadining kuchi kulon taqsim sekundlarda o‘lchanadi; bu birlik fransuz fizigi Andre Amper (1775-1836) sharafiga Amper qisqacha A) deb ataladi. . Tok ko‘pincha milliamperlarda ( ) va mikroamperlarda ( ) o‘lchanadi1.
Zaryad tashuvchilarning harakat yo‘naliщiga perpendikulyar bo‘lgan birlik yuzga mos keluvchi tok kuchiga tok zichligi deb ataladi:
Tok zichligi musbat tok tashuvchilarning tartibli harakati yo‘nalishidagi vektor kattalik bo‘lib, uning miqdori tok yo‘nalishiga perpendikulyar bo‘lgan birlik yuz orqali bir-, lik vaqtda oqib o‘tuvchi zaryad miqdori bilan xarakterlanadi. Agar tok ikkala ishorali zaryadlarning tartibli harakati tufayli vujudga kelayotgan bo‘lsa, tok zichligining ifodasini quyidagi ko‘rinishda yozish mumkin:
(18.2)
/ =
bunda va — mos ravishda musbat va manfiy tok tashuvchilarning zaryad miqdorlari, va — ularning konsentratsiyasi (ya’ni birlik hajmdagi soni), esa ularning tartibli harakatidagi o‘rtacha tezliklari.
SI da tok kuchining o‘lchov birligi — amper (A) bo‘lib, u asosiy birlik sifatida qabul qilingan. Bu birlik to‘g‘risida toklarning o‘zaro ta’siri bilan tanishganda to‘xtalamiz.
Tok zichligi birligi — amper taqsim metr kvadrat (A/m2) bo‘lib, o‘kuchi 1 A bo‘lgan elektr tok o‘tkazgichning 1 m2ko‘ndalang kesimi bo‘yicha tekis taqsimlangan holdagi tok zichligini ifodalaydi... Elektr tok zichligining o‘lchamligi — L-2 *I
§. Elektr yurituvchi kuch va kuchlanish
Biror o‘tkazgichning (4.1-rasm) A uchida ortiqcha musbat?. zaryad, V uchida esa ortiqcha manfiy zaryad mavjud bo‘lsa, bu o‘tkazgich bo‘ylab uning potensiali yuqoriroq (φv) qismidan potensiali pastroq (φv) qismi tomon yo‘nalgan elektr maydon vujudga keladi. Bu maydon kuchlari ta’sirida musbat zaryadlar A dan V ga qarab, manfiy zaryadlar esa V dan A ga qarab tartibli harakatga keladi, ya’ni o‘tkazgich bo‘ylab. elektr tok o‘tadi. Natijada qaramaqarshi ishorali zaryadlarniyag birlashuvi va o‘tkazgich barcha nuqtalari potensiallarining tenglashuvi sodir bo‘ladi. Bu esa o‘tkazgichda elektr maydonning yo‘qolishiga va elektr tokning to‘xtashiga sabab bo‘ladi. O‘tkazgichda uzluksiz ravishda elektr tok mavjud bo‘lishi uchun bu o‘tkazgichni o‘z ichiga olgan berk zanjirda
418.2rasm
shunday maxsus qurilma (18.2-rasmda M deb belgilangan ishlab turishi kerakki, bu qurilma muntazam ravishda qaramaqarshi ishorali zaryadlarni ajratib turishi va o‘tkazgichning L uchini musbat zaryad bilan, V uchini esa manfiy zaryad bilan ;d0imiy ravishda ta’minlab turishi kerak. Natijada, o‘tkazgich uchlarida har doim potensiallar farqi mavjud bo‘lib, uzluksiz elektr tok vujudga kelishiga sharoit yaratilgan bo‘ladi. Bunday qurilmani elektr tokning manbai deyiladi. Tok manbaida zaryadlarning ajralishi biror kuch ta’sirida sodir bo‘ladi albatta. Lekin bu kuch elektrostatik xaraktyorga ega emas, chunki elektrostatik kuch ta’sirida zaryadlar ajralmaydi, aksincha byrlashadi (masalan, 18.2-rasmdagi tok zanjirining AS V qismida). Bu kuchni tashqi kuch deb atash odat bo‘lgan. Elektr zaryadlarni ajratish va ko‘chirish uchun tashqi kuchlar bajargan ish tok manbai energiyasining sarflanishi hisobiga (masalan, generator rotorni aylantirish uchun sarf bo‘layotgan mexanik ish hisobiga yoki akkumulyator va galvanik elementlarda elektrodlarning elektrolitlarda erishi jarayonida ajralib chiqadigan energiya hisobiga va hokazo) sodir bo‘ladi.
Demak, berk zanjirning VMA qismida, ya’ni tok manbai (M) ning ichida boshqa turdagi (masalan, mexanik yoki ximiyaviy) energiyalar hisobiga elektr energiya olinadi. Zanjirning ASV qismida esa elektr energiya sarflanadi, ya’ni boshqa turdagi energiyalarga aylanadi. Berk zanjirda zaryadga ham tashqi kuchlar, ham elektr maydon kuchlari ta’sir etadi. Ammo elektr maydonning q zaryadni berk zanjir bo‘ylab ko‘chirishda bajargan umumiy ishi nolga teng. SHuning uchun berk zanjirda bajarilgan umumiy ish faqat tashqi kuchlar manbaining energiyasi hisobiga tok manbai ichida sodir bo‘ladi. 4.2rasmdagi berk zanjir bo‘ylab q zaryadni ko‘chirishda tashqi kuchlar At ish bajargan bo‘lsa, u holda
(18.4)
kattalik tok manbaining elektr yurituvchi kuchi deyiladi. Boshqacha qilib aytganda, tok manbaining elektr yurituvchi kuchi tashqi kuchlar ta’sirida birlik musbat zaryadni manbani o‘z ichiga olgan berk zanjir bo‘ylab ko‘chirishda bajarilgan ish bilan xarakterlanadi. (4.4) ifodadan elektr yurituvchi kuch (qisqacha EYUK) potensial o‘lchov birliklarida o‘lchanadi, degan xulosaga kelamiz, chunki potensial ham birlik zaryadni ko‘chirishda bajarilgan ish bilan xarakterlanar edi.
Demak, SI da EYUK birligi qilib volt (V) qabul qilinadi: 1 V —shunday tok manbaining elektr yurituvchi kuchi (EYUK) ki, bu manbani o‘z ichiga olgan berk zanjir bo‘ylab 1 Kl zaryadni ko‘chirishda I J ish bajariladi. q zaryadga ta’sir etayotgan G‘T tashqi kuchni G‘t = qE t ko‘rinishda ifodalash mumkin. Bunda Et bilan tashqi kuchlar maydonining kuchlanganligi belgilandi. U holda q zaryadni berk zanjir bo‘ylab ko‘chirishda tashqi kuchlar bajargan ish
At= Ftdl=q E tdl
bo‘ladi. Shuning uchun (18.4) ifodaga asoslanib
ε= E tdl (18.6)
munosabatni hosil qilamiz. Demak, berk zanjirda gta’sir etuvchi EYUK ni tashqi kuchlar maydoni kuchlanganligi vektorining sirkulyasiyasi tarzida ifodalash mumkin.
4-расм
Agar zanjirni uzsak, ya’ni ASV o‘tkazgichni olib tashlab ochiq zanjir hosil qilsak (4.3-rasm), tashqi kuchlar ta’sirida VMA qiemda zaryadlarning ko‘chishi tufayli A nuqtada musbat, V nuqtada esa manfiy zaryadlar yig‘ilib, b u nuqtalar oraeida potensiallar farqi vujudga keladi. A va V nuqtalar orasidagi potensiallar farqi zaryadlarga ta’sir etuvchi elektr va tashqi kuchlar tenglashguncha ortib boradi. Bu kuchlar tenglashganda ∆φ= φA- φB maksimal qiymatga erishadi. Ochiq zanjirdagi tok manbaining EYUK manbaning qutblaridagi potensiallar farqiga teng:
∆φ= φA- φB. (18.7)
Endi kuchlanish tushunchasi bilan tanishaylik. Elektrostatikada A va V nuqtalar orasidagi kuchlanish deganda A va V i.uqtalardagi elektr maydon potensiallarining farqi tushunilar edi. Zanjirning VMA qismidagi kuchlanishning tushishi yoki oddiygina kuchlanish ((Jab) deganda Kulon (elektr) kuchlari va tashqi kuchlar, ya’ni
|
