Aniq tabiiy va jismoniy madaniyat

2.3 Zaryadlanmagan va zaryadlanganjism
Elektr zaryadi. Jun matoga ishqalangan kahrabo tayoqcha yengil narsalarni tortish xususiyatiga ega bo ‘lishi juda qadim zamonlardan ma’lum bo‘lgan. Ingliz shifokori Jilbert (XVI asrning oxiri) ishqalashdan keyin yengil narsalarni torta olish xususiyatiga ega bo‘lgan jismlarni elektrlangan (yunoncha kahrabolangan) deb atadi va elektr so‘zi qo‘llanila boshlandi. Tabiatdagi moddalarning turli-tumanligiga qaramasdan faqat ikki xilgina, qarama-qarshi ishorali elektr zaryadlari mavjud. Amerikalik fizik R.Milliken (1868−1953) tajribalar yordamida elektr zaryadi diskret ekanligini, ya’ni istalgan jismning zaryadi elementar elektr zaryadi e(e=1,6 10–19C)ga karrali ekanligini aniqladi. Boshqacha aytganda, istalgan jismning zaryadi Q=±Ne, (N−butun son) bo‘lmog‘i kerak. Elektron (me=9,11 10–31kg) va proton (mp=1,67 10–27kg) mos ravishda manfiy va musbat elementar zaryadli zarralardir. Manfiy zaryadlangan jismda elektronlar protonlardan ko‘p. Musbat zaryadlangan jismlarda elektronlar protonlardan kam. Zaryad zarraning ajralmas qismi hisoblanadi. Zaryadsiz zarra bo‘lishi mumkin, lekin zaryad zarrasiz bo‘la olmaydi. Elektr zaryadi – zaryadlangan zarralarning o‘zaro ta’siri amalga oshiriladigan elektr maydonini vujudga keltiruvchi fizik kattalikdir. Jismlarning har qanday ta’sirlashuvida ham ularning to‘la elektr zaryadlari o‘zgarmaydi. Tajribalarning ko‘rsatishicha, jismlarning elektroneytralligi, ya’ni musbat va manfiy zaryadlari tengligining aniqligi 10−21ga teng. Elektr zaryadining saqlanish qonuni 1750-yilda amerikalik olim va davlat arbobi Bendjamin Franklin tomonidan aniqlangan. Musbat va manfiy zaryadlarini “+” va “−” ko‘rinishidagi belgilashlarni fanga u kiritgan. Elektromagnit ta’sir. Yuqorida ko‘rganimizdek, har qanday jism massasidan tashqari elektr zaryadi bilan ham xarakterlanadi va ular orasida nafaqat gravitatsion, balki elektromagnit ta’sir ham mavjuddir. Bir xil ismli zaryadlar itarishadi, turli ismlilari esa tortishishadi. Shuni alohida ta’kidlash lozimki, elektromagnit ta’sir gravitatsion ta’sirdan ko‘p marta kuchliroqdir. Shu bilan birga gravitatsion ta’sir barcha jismlarga xos bo‘lsa, elektromagnit ta’sir faqatgina zaryadlangan jismlargagina xos xususiyatdir. Elektromagnit ta’sirning kuchliligi jismdagi zaryad miqdoriga bog‘liq bo‘ladi. Jismlarning zaryadlanishi. Tabiatdagi barcha jismlar elektrlanib qolish xususiyatiga ega. Elektrlanish esa turlicha usullar bilan amalga oshiriladi. Ularning eng soddasi bir jismni ikkinchisiga ishqalashdir. Masalan, teriga ishqalangan shisha tayoqcha musbat, junga ishqalangan kahrabo tayoqcha esa manfiy zaryadlanib qoladi. Xo‘sh, bu zaryadlar qanday paydo bo‘ladi? Shuni ta’kidlash lozimki, barcha jismlarda elektr zaryadi mavjud. Faqatgina elektroneytral, ya’ni zaryadlanmagan jismlarda musbat va manfiy zaryadlarning miqdori teng. Tayoqchalarni matoga ishqalash esa zaryadlarning paydo bo‘lishiga emas, balki ularning qayta taqsimlanishigagina olib keladi. Tayoqcha mato sistemasida ham zaryadlar miqdori o‘zgarmay qolaveradi. Ya’ni hosil bo‘ladigan zaryadlarning algebraik yig‘indisi nolga teng bo‘ladi. Bir xil ishorali ortiqcha elektr zaryadlar jismdagi zaryad miqdori deyiladi. Umumiy zaryad undagi hamma elektr zaryadlarning algebraik yig‘indisiga teng. Elektrostatika. Jismlarni zaryadlash (elektrlash) turlari. Bu jarayonda elektrlanadigan jism elektrlanadi, ya’ni elektr zaryadi oladi. Bunda zaryadlarning qayta taqsimlanishi ro‘y beradi va natijada ba’zi jismlarda elektronlar ortiqcha bo‘lib qoladi (jism manfiy zaryadlanadi), ba’zi jismlarda esa elektronlar kam bo‘lib qoladi (jism musbat zaryadlanadi). Shu bilan birga elektr zaryadining saqlanish qonuni bajariladi. Elektrlashning eng qadimgi turi ishqalash bilan elektrlashdir. Bir jism ikkinchisiga ishqalanganda tashqi kuchlar zaryadlarni ajratish uchun zarur bo‘lgan ishni bajaradi. Qattiq jismlar kristall panjarasining defektlarida zaryadlar yig‘ilgan bo‘ladi va ustki qismda teskari zaryadlangan zarralar qatlami hosil qilinadi. Ular birgalikda elektroneytral bo‘ladi. Tashqi ishqalanish aynan shu qatlamni buzadi va jismning zaryadlanishi ro‘y beradi. Kontakt usulida zaryadlangan va zaryadlanmagan jismlar bir-birlariga tegdiriladi. Bunda zaryadlangan jism zaryadining bir qismi zaryadlanmagan jismga o‘tadi. Ya’ni elektronlarning diffuziyasi ro‘y beradi. Kontakt usulida zaryadlanish elektroneytral jismlarda ham ro‘y berishi mumkin. Bunda elektronlarning diffuziyasini temperaturalar farqi, elektronlar konsentrasiyalarining teng emasligi ham vujudga keltirishi mumkin. Kimyoviy reaksiyalar natijasida zaryadlarning qayta taqsimlanishi ro‘y berishi mumkin. Galvanik elementlar bunga misol bo‘ladi. Maydon ta’sirida (elektrostatik induksiya). Tashqi maydon ta’sirida jismdagi musbat va manfiy zaryadlarning bir tekis taqsimoti buziladi. Turli nurlanishlar ta’sirida (ultrabinafsha, rentgen va 𝛾 –nurlar ta’sirida). Bu nurlar ta’sirida metallar sirtidan elektronlar uzib olinadi va metall musbat zaryadlanib qoladi. Elektr zaryadi doimo zarracha va biror jism bilan bog‘langan bo‘ladi. Ammo fizikada jism va zarralarga urg‘u bermasdan “zaryad” atamasidan foydalanishni afzal ko‘rishadi . Elektr zaryadining saqlanish qonuni. Juda ko‘plab, jumladan, o‘z tajribalari asosida ingliz fizigi M.Faradey 1843-yilda tabiatning fundamental qonunlaridan biri elektr zaryadining saqlanish qonunini ta’rifladi: Istalgan yopiq sistemada, sistema ichida qanday jarayonlar ro‘y berishidan qat’i nazar, elektr zaryadlarining algebraik yig‘indisi o‘zgarmaydi: , 1 Q const n i  i   (48.1) bu yerda n−sistemadagi zaryadlar soni. Yopiq sistema deb tashqi jismlar bilan zaryad almashmaydigan sistemaga aytiladi. Elektr zaryadi paydo ham bo‘lmaydi, yo‘qolmaydi ham, u faqat bir jismdan ikkinchisiga uzatiladi yoki shu sistema ichida qayta taqsimlanadi. Zaryadning saqlanish qonuni chuqur ma’noga ega. Agar elementar zarralar soni o‘zgarmasa, uni tushunish qiyin emas. Lekin elementar zarralar paydo bo‘lishi (tug‘ilishi) va yo‘qolishi, ya’ni zarralarning turli aylanishlari ro‘y berishi mumkin. Zaryadning saqlanish qonuniga muvofiq ular juft-juft bo‘lib yo‘qolishi yoki paydo bo‘lishlari mumkin. Barcha aylanishlarda elektr zaryadlarining saqlanish qonuni bajariladi va u tabiatning fundamental qonunidir. Shunday qilib, olamda zaryadning saqlanish qonuni bajariladi va aftidan uning yig‘indisi nolga teng bo‘lsa kerak. Elektr zaryadi−relativistik invariant kattalik bo‘lib, uning miqdori qanday sanoq sistemasida qaralayotganligiga, zaryadning harakatda yoki tinch turganligiga mutlaqo bog‘liq emas. Elektr zaryadining SIdagi birligi. Elektr zaryadining SIdagi birligi hosilaviy kattalik bo‘lib, 1 A tok oqayotgan o‘tkazgichning ko‘ndalang kesim yuzidan 1 s da oqib o‘tgan zaryadlar miqdoriga tengdir. Bu zaryad miqdori 1 kulon (C) deyiladi. 1С 1А1s 1As Elektroskop. Plastmassa taglikka o‘rnatilgan tayoqcha ilgagiga ikki buklangan yupqa metall qog‘ozni 1-rasmda ko‘rsatilganidek osib qo‘yamiz. Ebonit tayoqchani jun matoga ishqalab elektrlaymiz va uni simga tekkizamiz. Bunda sim ham, unga osilgan folga yaproqchalar ham elektrlanib qoladi va yaproqchalar bir-biridan itariladi. Bunga yaproqchalarning bir xil ishorali elektrlanganligi sabab bo‘ladi. Bu tajriba elektroskopning ishlashiga asos qilib olingan. «Elektroskop» so‘zi grekcha «elektron va «skopeo» so‘zlaridan olingan. “Skopeo”−“kuzatmoq”, “payqamoq” demakdir. Elektroskop− jismlarning elektrlanganligini sezish, kuzatish uchun qo‘llaniladigan asbob. Eng sodda elektroskop 2-rasmda ko‘rsatilgan. Unda metall gardishga o‘rnatilgan plastmassa tiqin orqali metall sterjen o‘tkazilgan. Sterjenning yuqori uchiga sharcha o‘rnatilgan, pastki uchiga esa metall yaproqchalar mahkamlangan. Gardishning ikkala tomoni oyna bilan berkitilgan. Elektrometr. Jismlarning qay darajada elektrlanganligini aniqlaydigan ko‘rsatkichli va darajalangan elektroskop−elektrometr deb ataladi. 3-rasmda elektrometr tasvirlangan. Elektrometrda metall sterjen (1)ga muvozanatlangan ko‘rsatkich tayoqcha (2) o‘rnatilgan. Sterjen va ko‘rsat-kichni tashqi ta’sirlardan himoya qilish uchun metall g‘ilof (3) yerga ulangan. Elektrometrning ichiga ko‘rsatkich mahkamlangan. Sharcha elektrlanganda sterjen va ko‘rsatkich bir xil ishorali elektrlanadi. Natijada ko‘rsatkich tayoqcha sterjendan itariladi. Uning holatiga qarab, sharchaning elektrlanganlik darajasini aniqlash mumkin. Elektr o‘tkazgichlar va dielektriklar (o‘tkazmaslar). Ikkita bir xil elektrometr olaylik. Ulardan birining sharchasi elektrlangan bo‘lsin. Ularni yonma-yon qo‘yib, elektrometrlar sharchalarini shisha tayoqcha bilan o‘zaro ulaylik. Elektrlangan elektrometrning ko‘rsatishi o‘zgarmaydi. Undagi elektr zaryadlari ikkinchi elektrometrga shisha tayoqcha orqali o‘tmaydi (4-a rasm). Bunga sabab, shisha elektrni o‘tkazmaydi. Endi elektrometrlar sharchalarini metall tayoqcha bilan o‘zaro ulaylik. Birinchi elektrometrdagi elektr zaryadlari ikkinchi elektrometrga o‘tadi. Natijada birinchi elektrometr ko‘rsatishi kamayadi, ikkinchisiniki esa ortadi (4-b rasm). Bunga sabab, metall elektrni yaxshi o‘tkazadi. Moddalardagi elektronlar miqdori. Erkin elektronlarining miqdoriga qarab moddalar o‘tkazgichlarga, dielektriklarga va yarim o‘tkazgichlarga ajraladi. Butun hajmi bo‘ylab elektr zaryadini erkin o‘tkazuvchi moddalar o‘tkazgichlar deyiladi. Barcha metallar, tuz va kislotaning suvdagi eritmalari hamda yer, beton, ko‘mir va boshqalar elektr o‘tkazgichlardir. Odam tanasi ham elektrni o‘tkazadi. O‘tkazgichlar ikki guruhga bo‘linadi: 1) birinchi tur o‘tkazgichlar (metallar)−ularda zaryad (erkin elektronlar) ko‘chganda kimyoviy o‘zgarish ro‘y bermaydi; 2) ikkinchi tur o‘tkazgichlar (eritmalar) −ularda zaryadning ko‘chishi kimyoviy o‘zgarishlarga olib keladi. O‘zidan elektrni o‘tkazmaydigan moddalar dielektriklar deb ataladi. Dielektriklardan tayyorlangan buyumlar esa izolyatorlar deyiladi. «Dielektrik»−grekcha so‘z bolib, «o‘tkazmas» degan ma’noni bildiradi. «Izolyator» esa lotincha «izolyaro» so‘zidan olingan bo‘lib, «yakkalangan» degan ma’noni anglatadi. Dielektriklarga barcha turdagi shishalar, pastmassalar, rezina, kauchuk, sopol, havo kiradi. Ularda amalda erkin elektronlar mavjud bo‘lmaydi. Yarim o‘tkazgichlar (germaniy, kremniy va hokazolar) o‘tkazgichlar va dielektriklar oralig‘ida bo‘ladi. Jismlarning elektr qutblanishi. Kahrabo tayoqcha elektrlanganda manfiy zaryad oladi. Unda qanday qilib u zaryadlanmagan zarrani o‘ziga tortadi? Demak, zarra ham qandaydir usul bilan zaryadlanib qolgan bo‘lishi kerak. Zarra ham har qanday dielektrik kabi tayoqning elektr maydonida qutblanadi. Zarraning tayoqchaga yaqin joyida bog‘langan musbat zaryadlar, uzoq joyida esa manfiy zaryadlar paydo bo‘ladi. Zarraning umumiy zaryadi esa nolga teng bo‘lib qolaveradi. Zarraning musbat zaryadlari manfiy zaryadlariga nisbatan tayoqchaga yaqin bo‘lgani uchun ham zarraning manfiy zaryadlangan tayoqchaga tortilishi kuzatiladi. Ikkita bir xil jismli zaryadlangan jismlarning bir-birlariga tortilishlari ham shunday ro‘y beradi. Elastik to’lqin tarqalganidagiga o’хshash, elektrоmagnitik to’lqin tarqalishida energiya
ko’chadi (оqadi). Elastik to’lqinda energiya оqishi to’g’risidagi masalani birinchi marta (1874y.)
N.A.Umоv tekshirdi va har qanday muhitda energiya оqimi to’g’risidagi umumiy teоremani isbоt
qildi. Elastik to’lqindagi energiya оqimi elastik muhitning elastik defоrmasiyasining pоtensial
energiyasini va zarralari harakatining kinetik energiyasini harakterlоvchi kattaliklar оrqali
hisоblanishi mumkin. Energiya оqimining zichligi maхsus vektоr (Umоv vektоri) оrqali
ifоdalanadi. Shunga o’хshash tekshirish elektrоmagnitik to’lqinlarda ham unumli bo’ladi. Elektr
maydоnining energiyasini elastik defоrmasiyaning pоtensial energiyasiga, magnit maydоnining
energiyasini esa defоrmasiyalangan jism qismlari harakatining kinetik energiyasiga ma’lum
darajada o’хshatish mumkin. Хuddi elastik defоrmasiya hоlidagidek, elektrоmagnitik to’lqinda
energiyaning nuqtadan nuqtaga uzatilishi elektr va magnit kuchlanganliklarining to’lqinlari bir хil
fazada bo’lishi bilan bоg’liqdir. Bunday to’lqin yugurma to’lqin deyiladi. Yugurma elastik yoki
elektrоmagnitik to’lqinda energiya harakatini energiya оqimi deb ataladigan Ѕ vektоr yordamida
tasvirlash qulay; bu vektоr to’lqinda 1m2 оrqali 1s mоbaynida qancha energiya miqdоri оqib
o’tishini ko’rsatadi. Elektrоmagnitik to’lqinlar uchun bu vektоrni Pоynting (1884y.) kiritgan. Uni