«Elektromagnit tebranishlar» bo’limining strukturasi, asosiy mazmuni va o’qitish metodikasi

21-мavzu: «Elektromagnit tebranishlar» bo’limining strukturasi, asosiy mazmuni va o’qitish metodikasi.

Reja:

1. 
   Elektromagnit tebranishlar bo’limining strukturasi, asosiy mazmuni
   
2. 
   Elektromagnit tebranishlar bo’limining o’qitish metodikasi.
   

Elektromagnit tebranishlar bo‘limi materiallarini o‘rganishga AL fizika dasturida 36 soat, umumta’lim maktablarida 6 soat vaqt ajratilgan bo‘lib, erkin va majburiy elektromagnit tebranishlar, davr chastota, amplituda, tebranishlar fazasi, elektromagnit tebranishlarining qo‘llanishi kabi mavzular materiallarini o‘rganadilar.

Bu mavzuni boshlashdan avval, o‘quvchilarning VII sinfda o‘rgangan “Mexanik tebranma harakat” mavzusini o‘tganlaridagi olgan bilimlarini chuqurlashtirish maqsadida, tebranma harakatning asosiy belgisi - takrorlanish va bu harakatni ifodalovchi tushunchalar tebranishlar davri, amplitudasi, chastotasi kabilarni takrorlash maqsadga muvofiq. Takrorlashda garmonik tebranma harakat va uning tenglamasi hamda faza tushunchasi (agar bu berilgan bo‘lsa) ga o‘quvchilarning e’tiborini qaratish ya’ni bu tushunchalarni eslatish zarur.

A mmo elektromagnit tebranishlarni tushuntirishda mexanik tebranishlarga o‘xshatib, (tebranish konturini va matematik mayatnikni chizib) ya’ni o‘xshatish usulidan foydalanishni tavsiya etmaymiz. Ko‘p yillik tajriba shuni ko‘rsatdiki, bu usul o‘quvchini chalg‘itadi.

E lektromagnit tebranishlarni tushuntirishda ba’zi fizik modellardan foydalaniladi ya’ni ideallashtiriladi. Masalan ideal tebranish sistemasi – tebranish konturi, sistemaning garmonik tebranishlari. Bunday ideallashtirishni zaruratini o‘quvchilar tushinib yetmoqlari kerak. Qarshiligi bo‘lmagan tebranish konturi hosil qilgan garmonik tebranishlar – ideallashtirilgan tebranishlardir. Tabiatda bunday tebranishlar ya’ni aniq garmonik tebranishlar uchramaydi. Ma’lum bir sharoitdagina bunday tebranishlarni garmonik deb qarash mumkinligini o‘quvchilarga tushuntiriladi. Garmonik tebranma harakat tushuntirilganda bunday harakatning spektrogrammasi chizib ko‘rsatilishi mumkin. Buning uchun absissa o‘qiga tebranma harakatning amplitudasi, ordinata o‘qiga esa, tebranishlar chastotasining qiymati qo‘yiladi. Garmonik tebranma harakatning spektri bittagina tik chiziqdan iborat (94-rasmga qarang). Garmonik bo‘lmagan tebranishlar spektrini ajratish uchun xususiy chastotasini o‘zgartirish mumkin bo‘ladigan boshqa tebranish konturidan foydalaniladi.

Elektromagnit tebranishlar mavzusida tebranish konturdagi erkin elektromagnit tebranishlar, avtotebranishlar hamda elektr zanjirlarida sinusodal E.Yu.K. ta’siridagi majburiy tebranishlar o‘rganiladi.

Birinchi darsda elektromagnit tebranishlarni ochilish tarixi haqida qisqacha ma’lumot berilib elektromagnit induksiya hodisasi, biroz eslatilib, elektromagnit induksiya qonuni hamda o‘z induksiya hodisasi takrorlanib, o‘z induksiya qonuni eslatiladi. Bu tushunchalar tebranish konturi yordamida erkin elektromagnit tebranishlarni hosil bo‘lish jarayonini tushuntirishda zarurdir.

Erkin elektromagnit tebranishlarni tushuntirishni shunday tebranishini hosil qilishdan boshlaymiz. Erkin elektromagnit tebranishlarni hosil bo‘lganligini kuzatishga imkon beradigan asboblar o‘quvchilarga tanish ossillograf yoki galvanometr bo‘lishi mumkin. Bunday tebranishlarni hosil qilish maqsadida quyidagi (95-rasm) chizmaga e’tiborni qaratib kondensator va g‘altakni tanlaymiz. Qurilma yordamida hosil qilinadigan tebranishlar davri 0,3 – 0,5 s dan oshmasligi (kondensator sig‘imi 60 μF, g‘altak induktivligi ÷ 16 H) va so‘nishning iloji borincha kamaytirilishi lozimligi tushuntiriladi. Qurilmadagi kondensator va unga ketma-ket ulangan g‘altak tebranish konturi ekanligi, galvanometr hosil bo‘lgan tebranishni sezuvchi, to‘g‘rilagich esa, kondensatorni zaryadlash ya’ni boshlang‘ich “turtki” berish uchun kerakliligi uqtiriladi. Tebranish konturida hosil bo‘ladigan tebranishlar davri quyidagi formuladan aniqlanishi tushuntiriladi.


T ebranishni kuzatayotgan o‘quvchilar, bu tebranish qanday hosil bo‘ladi? Qanday kattalik “tebranmoqda”? Tebranish nega darhol so‘nib qolmayapti? Kabi savollarga javob eshitgilari keladi. Kondensatordagi zaryad, konturdagi elektr toki, kondensator va g‘altakdagi kuchlanish, o‘zinduksiya E.Yu.K. “tebranadi”. Tebranishni hosil bo‘lishi va uni davom etib turishini tushuntirish uchun avvaldan chizib qo‘yilgan (96-rasm) chizmani tushuntirish kerak.

Bu chizma yordamida tebranishlarni hosil bo‘lishi tushuntirilganda energetik nuqtai nazaridan yondoshib, chizmaning birontasini tushurib qoldirmasdan tebranish konturida yuz beradigan jarayonlarni o‘quvchilarga yetkazish kerak. Masalan (a) chizma kondensator qoplamalari zaryadlangan, qoplamalar orasidagi elektr maydon energiyasi eng katta qiymatga erishgan holni bildiradi. (b) chizmada kondensator asta-sekin razryadlanib, g‘altak orqali elektr tokini o‘tishi, natijada g‘altak o‘ramlari atrofidagi magnit maydon energiyasining eng katta qiymatga erishganini bildiradi. (v) chizma yordamida g‘altak o‘ramlari orqali elektr toki o‘tganda harbir tokli o‘ram atrofida magnit maydonni hosil bo‘lishi va bu maydonni g‘altakning boshqa o‘ramlari kesib o‘tishi natijasida o‘zinduksiya hodisasi yuz berib, hosil bo‘lgan induksion tok kondensator qoplamalarini qayta zaryadlashi tushuntiriladi. Faqat kondensator qoplamalarining zaryadini ishorasi (a) holdagiga teskari bo‘lib, qoladi. Kondensator qoplamalari orasidagi elektr maydon energiyasi eng katta qiymatga erishadi. (g) chizma kondensatorni razryadlanishi natijasida yana g‘altak orqali elektr tokining o‘tishini ko‘rsatadi, faqat (a) holdagiga qarama-qarshi yo‘nalishdagi tokning o‘tishini ko‘rsatadi. Bu holda kondensator qoplamalari orasidagi elektr maydon energiyasi (b) holdagi kabi 0 nol, magnit maydon energiyasi eng katta qiymatga erishishini bildiradi. (d) holda o‘zinduksiya hodisasi tufayli kondensator qoplamalari zaryadlangan, qoplamalar zaryadining ishorasi xuddi (a) holdagidek ekanligiga o‘quvchilar e’tibori qaratiladi. Shunday qilib, bir to‘la tebranishlar vaqti oralig‘ida tebranish sodir bo‘lib, yana elektr maydon energiyasi maksimum, magnit maydon energiyasi esa minimum qiymatga ega bo‘lib qoladi. Konturning elektr qarshiligi hisobga olmasa bo‘ladigan darajada kichik bo‘lsa, tebranishlar davom etadi, ya’ni so‘nmaydi. Konturdagi tebranishlarning xususiy chastotasi va tebranishlar davrini ifodalovchi formulalar keltirib chiqariladi. Formulani keltirib chiqarilishi o‘quvchilarga tushunarli bo‘lishi uchun mexanik tebranishlarni ifodalovchi kattaliklar o‘rtasida o‘xshatish hosil qilinib, qo‘yidagiga erishiladi.

va

Konturdagi tebranishlarning xususiy chastotasini g‘altak induktivligi va kondensator sig‘imiga bog‘liq ekanligini elektromagnit tebranish namoyish qilingan qurilma yordamida g‘altak induktivligini kondensator sig‘imini o‘zgartirib o‘quvchilarga tushuntirish mumukin.

Konturdagi garmonik tebranishlar tenglamasi hosil qilingach,

tebranishlar fazasi tushunchasi kiritiladi. Faza tebranma harakatni harakterlovchi asosiy tushunchalardan hisoblanadi.

Quyidagi formulalar yordamida garmonik tebranma harakat ifodalanadi.

va

Faza sinus yoki kosinusning argumenti ya’ni , bu yerda vaqt t=0 bo‘lganda faza. Faza tushunchasining fizik ma’nosi. Tebranma harakat qilayotgan sistemani vaqtning ixtiyoriy qiymatidagi holatini ifodalaydi.

formulani o‘quvchilarga tushuntirsak, tebranayotgan zaryad q ning vaqtning ixtiyoriy momentidagi qiymati funksiyaning argumenti ya’ni faza orqali topiladi. Faza radianda ifodalanadi.

Tebranish konturi misolida erkin elektr tebranishlari bilan tanishib bo‘lgach, avtotebranishlar va nihoyat majburiy elektromagnit tebranishlar o‘rganiladi.

Avtotebranishlar – tebranuvchi sistemalarda so‘nmas tebranishlarni hosil qilish. Tebranishlar so‘nmasligi uchun tashqi energiya manbaidan foydalaniladi. Tashqi energiya manbaidan energiyani kelib turishini tebranuvchi sistemaning o‘zini xususiyatiga bog‘liq bo‘lib, tashqi ta’sirga bog‘liq emas. Prujina mayatnikdan foydalanib, avtotebranishni hosil qilish mumkin (97-rasm). Prujinaga osilgan yuk – tebranuvchi sistema. Doimiy tok manbai – energiya manbai. Harakatlanuvchi elektr kontakti va elektromagnit, manbadan tebranuvchiga energiya kelib turishini ta’minlovchi qurilma.

M ajburiy tebranishlarni hosil qilish uchun sistemaga davriy o‘zgaruvchi tashqi kuch ta’sir qilishi kerak. Elektr tebranishlarda buni amalga oshirish uchun tebranish konturiga parallel qilib (98-rasm) yoki sig‘im va induktivlik bilan ketma-ket qilib (98-rasm) o‘zgaruvchan E.Yu.K. manbai ulash kerak.

B unday majburiy elektromagnit tebranishlar elektr stansiyalarda generatorlar hosil qiladigan o‘zgaruvchan kuchlanish ta’siri ostida hosil bo‘ladi. Bunday generatorlar yuqori chastotali tebranishlar hosil qilaolmaydi. Yuksak chastotali so‘nmas elektromagnit tebranishlar hosil qilishni uch elektrodli elektron lampa yordamida amalga oshirish mumkinligi o‘quvchilarga yetkazilib, oddiy sxemasi (99-rasm) chizdiriladi. Bunday qurilma lampali generator deb ataladi. Bunday qurilma o‘zgarmas tok energiyasini o‘zgarmas amplituda va yuksak chastotali o‘zgaruvchan tok energiyasiga aylantirib beradi. U quyidagi qismlardan tashkil topgan: 1) elektromagnit tebranishlar hosil qilinadigan tebranish konturi; 2) konturda so‘nmas tebranishlarni ta’minlab turish uchun zarur bo‘lgan energiya manbai va 3) tok manbaidan konturga energiya berishni avtomatik rostlab turuvchi elektron lampa – triod. 99-rasmda ko‘rsatilgan chizma bo‘yicha lampali generatorning ishlash prinsipini quyidagicha tushuntirish mumkin. Tebranish konturiga triod orqali o‘zgarmas tok manbai B ulangan. Lampaning to‘ri va katodi orasiga tebranish konturining L₁ g‘altagi , bilan induktiv bog‘langan L₂ g‘altak ulangan. Cho‘g‘lantirish batareyasi ulanganda lampadan tok o‘ta boshlaydi (lampa “ochiladi”) va anod zanjirida ma’lum vaqt davomida o‘suvchi tok paydo bo‘ladi (rasmda tokning yo‘nalishi strelkalar bilan ko‘rsatilgan). Bu tok, birinchidan, kontur kondensatorini zaryadlaydi. Ikkinchidan, L₁ g‘altakda magnit maydon hosil qiladi. Bu magnit maydonning induksiya oqimi L₂ g‘altakni ham kesib o‘tadi. Bu maydon vaqt davomida o‘suvchi bo‘lganidan Lens qoidasiga muvofiq L₁ g‘altakda I₁ tokka qarama-qarshi yo‘nalgan I₂ tok induksiyalanadi. I₁ to‘r toki lampaning to‘rini manfiy zaryadlaydi (tokning yo‘nalishi elektronlar harakati yo‘nalishiga qarama-qarshi ekanligidan, I₂ tokdagi elektronlar to‘rga qarab harakatlanadi va unda to‘planib, uni manfiy zaryadlaydi), shuning uchun lampa “berkiladi”. Shunday qilib, lampa kondensatorni zaryadlaydi va anod zanjirini uzib qo‘yadi, binobarin konturni energiya manbai B_a batareyadan uzib qo‘yadi.

Kondensatori zaryadlangan konturda yuqorida qo‘rib o‘tilgan tartibda elektromagnit tebranishlar hosil bo‘laveradi. Davrning ikkinchi choragi davomida tok kondensatorni qayta zaryadlaydi va to‘xtaydi. Bu vaqtda L₁ g‘altakning magnit maydoni, demak L₂ g‘altakning magnit maydoni ham zaiflashadi, shuning uchun elektromagnit induksiya hodisasiga muvofiq L₂ to‘r g‘altagidagi tok avvalgi yo‘nalishda o‘tishda davom etadi, binobarin, to‘r qo‘shimcha manfiy zaryad oladi va lampa “berkligicha” qoladi.

Davrning ikkinchi yarmida konturda teskari ( I₁ ga qarama-qarshi) yo‘nalishda tok o‘tadi. I₁ avval davrning uchinchi choragida kuchayadi, so‘ngra davrning to‘rtinchi choragida susayadi. Shuning uchun L₂ to‘r g‘altagidagi tokning yo‘nalishi ham qarama-qarshi tomonga o‘zgaradi va to‘rning manfiy zaryadi kamaya boshlaydi. Davrning oxiriga kelib bu zaryad tamom bo‘ladi, lampa “ochiladi” va u kondensatorlarni zaryadlaydi. So‘ngra bayon qilingan jarayon qantadan boshlanadi. Shunday qilib, lampa davriy ravishda – tebranishlarning har davri boshida konturga anod batareyasidan energiya beradi. Buning natijasida konturda so‘nmas elektromagnit tebranishlar yuzaga keladi.

1. Garmonik tebranishlar deb qanday tebranishlari aytiladi?

2. Elektr zanjirida rezonans nimadan iborat, rezonansdan qaerlarda foydalaniladi?

3. O‘zgaruvchan tok zanjirida qanday qarshiliklar bo‘ladi va bu qarshiliklarni topish formulalarini yozing.

4. So‘nuvchi elektromagnit tebranishlar grafigini chizing.

5. O‘zgaruvchan tok va kuchlashining ta’sir etuvchi qiymati haqida ma’lumot bering va formulasini yozing.