Электрон жөнінде түсінік енгізу үшін электр зарядының бөлінгіштігі мен дискреттілігін көрсету қажет. Электр зарядының бөлінгіштігі зарядтардың бір бөлігінің зарядталған бір денеден екінші зарядталмаған денеге ауысуын көрсететін қарапайым тәжірибелерден анық.
Электр зарядының дискреттілігі Иоффе мен Милликеннің едәуір күрделі тәжірибелерімен дәлелденген болатын. Мұнда бұл тәжірибелерді толық түсіндіріп жатпай, олардың мәнісін ғана қарастырамыз.
Электр өрісінде конденсатордың зарядталған пластиналарының арсындағы өлшемдері шағын қандай да бір денеге түсіреді: Милликен тәжірибесінде – бір тамшы май, ал Иоффе тәжірибесінде металл тозаңы. Тамшыны немесе тозаңды микроскоппен бақылайды.
Конденсатор астарларының арасындағы кеңістікті ультракүлгін немесе рентген сәулелерімен жарықтандырып, тозаңның немесе тамшының зарядын алмастыра аламыз.
Электр зарядтарының дискреттелігін дәлелдеу жөніндегі мәселе, яғни Иоффе мен Милликен тәжірибелері жөніндегі мәселе, 8-класс оқушыларына баяндау үшін күрделі.
Шыныда да, оқушылар рентген және ультракүлгін сәулелер жөнінде білмейді, оларға конденсатор жөнінде ұғым берілген жоқ, есептеулер олардың шама-шарқына лайық емес.
Сондықтан бұл мәселені 8-класс оқушыларына тек сипаттау түрінде ғна берген жөн.
Ток күші, кернеу, кедергі
Тақырыптың оқу материалы қарапайым электр тізбектерін меңгеруге, оқушыларға электродинамикалық негізгі ұғымдар мен шамаларды: «ток күші», «кернеу», «кедергі» қалыптастыруға, сондай-ақ осы үш шаманың арасындағы функционалдық тәуелділікті, яғни тізбек бөлігіне арналғн Ом заңын тағайындауға арналған.
Электр тогы
8-класта электр тогының анықтамасын электр зарядтарының тәртіптелген қозғалысы деп анықтау керек. Алайда тұрақты токты оқып үйрену барысында барлық негізгі ұғымдарды негізінен металдардағы электр тогы мысалымен енізген жөн. Бұл жағдайда электр тогы - еркін электрондардың электр өрісінің әсерінен тәртіптелген қозғалысы деп анықталады.
Бұл ұғымды бірқатар тәжірибелер мен аналогиялар негізінде қалыптастырылады.
Бұл үшін ең алдымен зарядталған электроскоптан зарядталмаған электроскопқа электр зарядтарының өткізгіш бойымен ағып өтуіне арналған тәжірибе жасалады.
Іс жүзінде ток көздері деп аталатын ерекше құрылғының көмегімен өткізгіш ішінде электр өрісі қоздырылып және электр тогының ұзақ уақыт болуы қамтамасыз етіледі.
Ток көздері
Ток көздерінде энергияның қандай да болмасын бір түрі (механикалық, ішкі) электр энергиясына айналатыны түсіндіріледі. Демонстрацияланған тәжірибеде механикалық энергия электр энергиясына айналады.
Кейінрек ролі туралы мәселеге электр тізбегін қарастыруға байланысты қайта оралу қажет болады.
Әрі қарай токтың бағыты туралы мәселені түсіндірген жөн. Металл өткізгіштерде электрондар токтың қабылданған бағытына қарама-қарсы бағытта қозғалатынын оқушыларға ерекше ескерту керек.
Алайда токтың бағыты туралы оқып үйренуді электр тогының әсерлерін қарастырғаннан кейін де жүргізуге болады. Мұның орынды болу себебі токтың бірқатар әсерлері (химиялық, магниттік) оның бағытына байланысты болғандықтан.
Мұнан кейін химиялық ток көздерін: гальвани элементтері мен аккумляторларды оқып үйренуге көшеді.
8-класта химиялық ток көздерінде болатын процестерге түсінік берілмейді. Ток көздері құрылысының сипаттамасымен, жұмыс істеуін көрсетумен, оларды қолданудың кейбір ережелерін хабарлаумен және олардың ішінедегі энергия айналуының сипаты туралы жалпы мағұлымат берумен шектелген жеткілікті.
Гальвани элементтерінің ішінен алғашқы ток көздері болып табылатындарын көрсетейік:
Вольта элементі; демонстрациялық қондырғы Е.Н.Горячкиннің электролизге арналған жинағынан құрастырылады;
Лекланшенің құрғақ элементі; элементтің жұмыс істеуі көрсетіледі және сонымен бірге барлық құрамды бөліктері көрінетін элемент қимасы беріледі. Қалта фонары батарейкасының жеке бөліктерін таратып берілетін материал ретінде қолданған пайдалы.
Гальвани элементтерінде электродтар мен электролиттер шығындалып, мұнда химиялық энергия электр энергиясына айналатынын оқушыларға түсіндіру қажет. Лекланше элементінде цинк шығындалатыны айқын көрінеді. Ескі элементтің (қалта фонары батарейкасының қорабын) цинк электродының мүсәтірмен өзара әсерлесуінің нәтижесінде жартылай шығындалғанын (бұзылғанын) оқушыларға көрсеткен жөн;
Аккумляторлар – екінші кезектегі ток көздері – қышқылды және сілтілі болады.
Қышқылды аккумлятордың жұмыс істеу принципі алғашында Е.Н.Горячкиннің электролизге арналған приборымен көрсетіледі. Артынан қышқылды аккумлятордың, мысалы, автомобильдің, жұмыс істеуі, сонан соң оның қимасы және жеке бөліктері демонстарцияланады.
Сілтілі аккумлятордың қызметін жұмыс істеп тұрғанда көрсетеді. Оның құрылысын мүмкіндігінше жарып көрсетілген аккумлятор қалбыры тілігінің көмегімен түсіндіру керек.
8-класта бағдарлама бойынша басқа ток көздері (фотоэлементтер, термоэлементтер) оқылмауы керек. Алайда сабақтарда олардың қызметін демонстарциялап көрсетсе пайдалы болар еді. Бұл ток кздерінің қазір практикада қолданылып жүргенін, ал келешекте жаңа ток көздері мұнан да кеңірек қолданылатынын мұғалім әңгімелеп беруі керек.
Электр тізбегі және оның құрамды бөліктері
Электр тізбегімен танысуды фронтальды тәжірибеден бастаған орынды.Тізбекті құрғақ гальвани элементтерінің батареялары немесе аккумляторлар (ток көзі), төменгі вольтты шам (қабылдағыш немесе электр тогының тұтынушысы), жалғағыш сымдар және кілттен (тізбекті басқару құралы) құрады. Класс тақтасына тізбектің сызбасын сызады, оны оқушылар дәптерлеріне сызып алады. Содан соң ток қабылдағышты тізбекке қосудың екі тәсілі жайындағы түсінікті беріп кетуге болады.
8-класта электр тогының бар болу шарты тұжырымдалмайды. Бірақ шын мәнісіде оқушылар бұл жағдай үшін электр зарядын тасушылар, электр өрісі және тұйық электр тізбегінің қажет екенін біледі. Мұнда барлығы тек металдардағы электр тогы жағдайында нақтылы қарастырылады, яғни заряд тасушылар туралы айтылмай, еркін электрондар жйында айтылады.
Электр тізбегіндегі өтетін құбылыстың мәнін дұрыс ұғыну үшін, оның гидродинамикалық аналогиясына жүгінген пайдалы.
Электролиттердегі электр тогы
Электролиттердегі электр тогын Е.Н.Горячкиннің электролиз наборының жәрдемімен көрсетеді.
Ең алдымен ыдысқа дистиляцияланған су құйып, екі көмір электрод салып, тізбекте ток жоқ екенін көрсетеді. Бұл тәжірибеде ең жақсы индикатор тізбекке тізбектеп қосылған электр лампасы болады. Ол берілген жағдайда жанбайды. Л егер ыдысқа тотыяйын ертіндісін қоссақ, онда лампы жарықтана бастайды, бұл тізбекте ток бар екенін көрсетеді.
Электролиттердегі электр тогы – бұл иондардың электр өрісіндегі реттелген қозғалысы деп қорытынды жасалды.
Электр тогының әсері
Электр тогының химиялық әсерін өндірісте (алюминий, мыс және басқа металдар өндіру үшін, никельдеу, хромдау және басқалар үшін) қолданады.
Токтың жылулық әсерімен оқушылар күнделікті өмірде (электр плиткасы, электр үтіктері және басқалар) кездеседі. Алайда сабақта оны демонстациялау қажет. Әсіресе штативтер арасына керіліп, демонстарциялық үстелге орналастырылған және электр бөлгіш щитке қосылған нихром немесе никель сымдарының «қызарғанға» дейін қызғанын көрсететін тәжірибе әсерлі.
Токтың магниттік әсері катушка мен темір өзгеше арқылы көрсетіледі. Мысалы бөлшектенетін трансформатордың 220 В катушкасын алып, онымен ток өткізсе, темір өзекшенің оның ішіне тартылғанын ол өзекшеге әртүрлі темір заттардың тартылатынын көруге болады.
Электр тогының механикалық әсерін магнит өрісіндегі тогы бар рамканың бұрылу мысалымен демонстарциялауға болады.
Электр тогының бағыты
Электр тогы өткізгіштегі еркін зарядталған бөлшектердің (металдардағы электрондар, электролиттердегі иондар) реттелген қозғалысы болғандықтан, электр тогының бағыты жайында айтуға болады. Токтың бағытына оның қандай да бір әсері, мысалы химиялық, байланысты болады.
Әрдайым электрондардың қозғалысына негізделген металл өткізгіштер жайында сөз болатындықтан, токтың бағытына электрондардың қозғалыс бағытын алу табиғи нәрсе, яғни көздің теріс полюсінен оң полюсіне қарайға бағыт алынады.
Осындай қорытындыға көптеген оқушылар келеді. Бірақ токтың бағыты жайындағы мәселе әртүрлі өткізгіштерде токтың табиғаты белгісіз болып тұрған кезде туындаған. Бірақ токтың бағыты ретінде тізбектегі оң зарядтардың қозғалыс бағытын алу қабылданған.
Ток күші және электр мөлшері
Мәселелерді одан әрі қарастыру үшін өткізгіштердегі токты сипаттайтын шамаларды енгізу қажет. Ондай шамалардың алғашқыларының бірі электр мөлшері және ток күші болып табылады.
Электростатикада электр зарядының мәні және мүмкін болатын минимал заряд – электрон заряды жайында сөз болған. «Заряд» терминімен қатар кейде «электр мөлшері» термині қатар қолданылады.
Электр мөлшері (электр заряды) жайындағы ұғымн мыс купоросы электролизі тәжірибесіне негіздеп енгізіледі.
«Ток күші» ұғымына көшуде физикада маңызды рол атқаратын өткізгіштің көлденең қимасы арқылы бірлік секундта өтетін қосынды заряд мысал ретінде оқушыларға көрсету керек. Ол арнайы «ток күші» деген атауды иеленді.
Ток күші мен электр мөлшерінің өлшем бірлігі
Электр мөлшері және ток күші екі ұғымнан алғашында тарихи тұрғыда электр мөлшері, сосын барып ток күші енгізілді. ХБЖ сақтанып, оқытудың бірінші сатысында-ақ, электр мөлшері мен ток күшінің бірліктерін тағайындауда, керісінше, алдымен ток күшінің бірлігін – амперді, сосын электр мөлшерінің бірлігін – кулонды енгізеді.
Ток күші физикалық шама. Бұл шаманы өлшеу үшін алдымен ток күшінің өлшем бірлігін тағайындау керек. Мұны қалай істеуге болады?
Оқушылар токтың әртүрлі әсерімен таныс. Олар бұл әсердің интенсивтілігі тізбектегі ток күшіне байланысты екенін біледі. Ток күшінің бірлігін тағайындау үшін токтың кез келген әсерін пайдалануға болады. 1948 ж. өлшем және салмақ бойынша тоғызыншы халықаралық конференцияда тогы бар екі өткізгіштің өзара әсерлесу құбылысын қолдану шешілген болатын. Төменгі суретте тогы бар өткізгіштердің әсерлесуін демонстарциялау үшін қондырғы келтірілген: 1) екі өткізгіште де ток бірдей бағытта бағытталғанда, өткізгіштер тартылады (а-сурет); 2) өткізгітредегі токтар қарама-қарсы бағытталғанда, өткізгіштер тебіледі (б-сурет).
өменгі суретте тогы бар өткізгіштердің әсерлесуін демонстарциялау үшін қондырғы келтірілген: 1) екі өткізгіште де ток бірдей бағытта бағытталғанда, өткізгіштер тартылады (а-сурет); 2) өткізгітредегі токтар қарама-қарсы бағытталғанда, өткізгіштер тебіледі (б-сурет).