מתחילים
חשמל נמצא בכל מקום סביבנו, מפעיל טכנולוגיות כמו טלפונים סלולריים, מחשבים, אורות, מלחמים, מזגנים וכו’. יהיה קשה לברוח ממנו בעולם המודרני. גם אם מנסים לברוח מהחשמל, הוא עדיין קיים בטבע, החל מברקים בסופה ועד מערכת העצבים בגוף שלנו. אבל, מה זה בעצם חשמל? זו שאלה מאד מסובכת, וככל שמתעמקים יותר ושואלים שאלות נוספות, מגלים שאין באמת תשובה מוחלטת, רק הסברים מופשטים על איך החשמל מתקשר עם הסביבה שלנו.
חשמל הוא תופעה המתרחשת ברחבי הטבע ומופיעה בצורות רבות ושונות. במדריך זה נתרכז בחשמל זורם, הדבר הזה שמניע את המכשירים החשמליים שלנו. המטרה שלנו היא להבין איך החשמל זורם ממקור כח דרך חוטים, מדליק נורות LED, מסובב מנועים, ומפעיל את התקני התקשורת שלנו.
בקצרה, חשמל מוגדר כזרימה של מטענים חשמליים, אבל מאחרי האמירה הפשוטה הזו יש כל כך הרבה מידע… מאיפה המטענים האלה מגיעים? איך מזיזים אותם? לאן הם נעים? איך המטען החשמלי גורם לתנועה מכנית או גורמים לדברים להידלק/להאיר? כל כך הרבה שאלות! כדי להתחיל להסביר מה זה חשמל, נצטרך לעשות Zoom-In רציני, מעבר לחומר ומולקולות, לרמה של אטומים המרכיבים כל מה שאנו מתקשרים אתו בחיים.
המדריך מתבסס על הבנה בסיסית של פיזיקה, כח, אנרגיה, אטומים, שדות. נסביר בקצרה כל אחד מהמושגים אלה, אבל לימוד של נושאים אלה ממקורות אחרים יכול לעזור.
צוללים לאטומים
כדי להבין את היסודות של חשמל, צריך להתחיל להתמקד באטומים, אחד מאבני היסוד של החיים והחומר. אטומים קיימים בלמעלה מ-100 צורות שונות כאלמנטים כימיים כמו מימן, פחמן, חמצן ונחושת. אטומים מסוגים שונים יכולים להתחבר כדי לייצר מולקולות, שמרכיבות את החומר הפיזי שאנו יכולים לראות ולגעת.האטומים הם קטנים מאוד, מגיעים מקסימום לכ-300 פיקו-מטר (picometers), שזה 3x10-10 או 0.0000000003 מטר. בתוך אגורה מנחושת (ה-penny האמריקאי), אם באמת עשויה מ-100% נחושת, יהיה 3.2x1022 אטומים של נחושת (32,000,000,000,000,000,000,000 אטומים).
אבל אפילו האטומים לא מספיק קטנים כדי להסביר את החשמל. עלינו לצלול לרמה נוספת פנימה ולהסתכל על אבני הבניין של אטומים: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים.
אבני הבניין של אטומים
אטום בנוי משילוב של שלושה חלקיקים מובהקים: אלקטרונים, פרוטונים ונויטרונים. לכל אטום יש גרעין שבו נמצאים בצפיפות פרוטונים והנויטרונים. סביב הגרעין מסתובבת קבוצה של אלקטרונים.זהו מודל מופשט של אטום. לא בקנה מידה הנכון, אבל עוזר להבין את המבנה של אטום. הגרעין של פרוטונים ונויטרונים שמוקף באלקטרונים המסתובבים סביבו.
לכל אטום חייב להיות לפחות פרוטון אחד. מספר הפרוטונים באטום חשוב מכיוון שהוא מגדיר את הייסוד הכימי שהאטום מייצג. לדוגמה, אטום שיש לו רק פרוטון אחד הוא מימן, אטום עם 29 פרוטונים הוא נחושת, ואטום עם 94 פרוטונים הוא פלוטוניום. כמות הפרוטונים ידועה גם כמספר אטומי (Atomic Number).
לשותפים של הפרוטון בגרעין, הנויטרונים, יש מטרה חשובה, הם שומרים על הפרוטונים בגרעין ומגדירים את ה"גרסה" של האטום, האיזוטופ (isotop). הם לא חשובים להבנה של החשמל, כך שלא נתמקד בהם במדריך זה.
האלקטרונים (Electrons) הם קריטיים בהבנה של חשמל (Electricity). שמתם לב לדמיון של השמות שלהם באנגלית? במצב המאוזן ביותר של האטום, תהיה לו אותה כמות של אלקטרונים כמו הפרוטונים. לפי המודל של Bohr שבתמונה, לגרעין עם 29 פרוטונים (שזהו אטום של נחושת) יש כמות זהה של אלקטרונים הסובבים אותו.
כמו שההבנה שלנו באטומים מתפתחת, כך גם צורת ההצגה שלהם. המודל של Bohr מאוד שימושי בתהליך הלימוד של החשמל.
לא כל האלקטרונים של האטום קשורים אליו לנצח. האלקטרונים במסלול החיצוני ביותר של האטום (לפי מודל Bohr) נקראים "אלקטרוני ערכיות” (Valence electrons). עם מספיק כח חיצוני האלקטרונים האלה יכולים לברוח מהמסלול ולהשתחרר לחופשי. האלקטרונים החופשיים מאפשרים לנו להעביר מטען, שזהו בסופו של דבר החשמל. ואם כבר מדברים על מטען…
זרימה של מטענים
כפי שהזכרנו בתחילתו של המדריך, ההגדרה של חשמל היא זרימה של מטענים חשמליים. מטען הוא תכונה של חומר, בדיוק כמו המסה, נפח או צפיפות. אפשר למדוד אותה. בדיוק כמו שאפשר למדוד מה המסה של משהו, תוכלו למדוד מה המטען שלו. הדבר העיקרי עם מטען הוא שהוא יכול להיות בשתי צורות: חיובי (+) או שלילי (-).כדי להניע מטענים, אנחנו צריכים נושאי מטען, וכאן הידע שלנו בחלקיקים אטומיים, במיוחד באלקטרונים והפרוטונים, באים לידי ביטוי. האלקטרונים תמיד נושאים מטען שלילי והפרוטונים תמיד טעונים חיובית. נויטרונים (Neutrons) תואמים לשמם באנגלית, הם ניטרליים (Neutral), אין להם מטען. האלקטרונים והפרוטונים נושאים את אותה כמות המטען, פשוט מסוגים שונים.
מודל של אטום ליתיום (3 פרוטונים) עם סימון המטענים:
המטען של אלקטרונים ופרוטונים חשוב מכיוון שהוא מספק לנו את האמצעים להפעיל עליהם כוח. כוח אלקטרוסטטי!
כח אלקטרוסטטי
כח אלקטרוסטטי (הידוע גם כחוק קולומב Coulomb's law) הוא כח הפועל בין מטענים. הוא קובע שמטענים מאותו הסוג דוחים אחד את השני, כאשר מטענים מסוגים מנוגדים נמשכים זה לזה. ההפכים נמשכים, זהים דוחקים.
כמות הכח הפועל על שני מטענים תלוי במרחק בינם. ככל ששני מטענים מתקרבים, כך גדל הכח (משיכה או דחיפה).
הודות לכח האלקטרוסטטי, האלקטרונים ידחקו אלקטרונים אחרים וימשכו לפרוטונים. הכח הוא "הדבק" שמחזיק את המבנה של האטומים, אבל גם הכלי שדרוש לנו כדי לגרום לאלקטרונים (ומטענים) לזרום!
לגרום למטענים לזרום
יש לנו עכשיו את כל הכלים כדי לגרום להעברת המטענים. האלקטרונים באטום יכולים לשמש כנושאי המטען, מכיוון שכל אלקטרון נושא מטען שלילי. אם נוכל לשחרר אלקטרון מהאטום וגרום לו לנוע, נוכל לייצר חשמל.נתמקד במודל האטומי של נחושת, אחד מהיסודות המועדפים לזרימת מטענים. במצב המאוזן שלו, לנחושת יש 29 פרוטונים בגרעין וכמות זהה של אלקטרונים המקיפים אותו. האלקטרונים מקיפים את הגרעין של האטום במרחקים שונים. האלקטרונים שנמצאים קרוב יותר לגרעין מרגישים כח משיכה גדול יותר למרכז, מאשר אלה הנמצאים במסלולים מרוחקים יותר. האלקטרונים במסלול הרחוק ביותר נקראים אלקטרוני ערכיות (Valence electrons), ולהם דרוש כח נמוך יותר כדי להשתחרר מהאטום.
זוהי דיאגרמת אטום נחושת: 29 פרוטונים בגרעין מוקפים ע"י רצועות של אלקטרונים המסתובבים סביבו. קשה להוציא אלקטרונים שקרובים לגרעין, כאשר לאלקטרון הערכיות (בטבעת החיצונית) דרושה אנרגיה יחסית נמוכה כדי להימלט מהאטום.
באמצעות מספיק כח אלקטרוסטטי על אלקטרון הערכיות, ע"י דחיפה עם מטען שלילי אחר או משיכה עם מטען חיובי, אנחנו יכולים להוציא את האלקטרון מהמסלול סביב האטום וכך לייצר אלקטרון חופשי.
תחשבו על חוט נחושת: חומר העשוי מאינספור אטומים של נחושת. כאשר האלקטרון החופשי שלנו מרחף במרווח בין האטומים, הוא נמשך ונדחף ע"י מטענים אחרים הסובבים את המקום. בכל הכאוס הזה האטום החופשי בסופו של דבר ימצא אטום אחר להיצמד אליו, וכך המטען השלילי של אותו האלקטרון יגרום לפליטה של אלקטרון ערכיות אחר מהאטום. עכשיו אלקטרון חדש מרחף בחלל הפנוי ורוצה לעשות את אותו הדבר. תגובת השרשרת הזו יכולים להימשך שוב ושוב ולייצר זרם אלקטרונים, הנקרא זרם חשמלי.
מודל מופשט מאוד של מטענים הזורמים דרך אטומים כדי לייצר זרם חשמלי:
מוליכות
ישנם סוגים של אטומים שטובים יותר מהאחרים בשחרור האלקטרונים שלהם. כדי לקבל זרימת אלקטרונים הטובה ביותר, אנחנו רוצים להשתמש באטומים שלא מחזיקים את אלקטרוני הערכיות שלהם חזק במיוחד. המוליכות של היסוד מודדת כמה חזק האלקטרון קשור לאטום.יסודות עם מוליכות גבוהה, שבהם יש אלקטרוניים ניידים מאד, נקראים מוליכים. אלה סוגי החומרים שנרצה לייצר מהם חוטים ורכיבים נוספים שנועדו לסייע לזרימת האלקטרונים. מתכות כמו נחושת, כסף וזהב הן בדרך כלל הבחירה הטובה ביותר למוליכים.
יסודות עם מוליכות נמוכה נקראים מבודדים. למבודדים יש תפקיד חשוב: הם מונעים זרימת אלקטרונים. המבודדים הפופולריים הם זכוכית, גומי, פלסטיק ואוויר.
חשמל סטטי או חשמל זורם
לפני שנמשיך, בואו נכיר שתי צורות של חשמל: סטטי וזורם. בעבודה עם אלקטרוניקה, החשמל הזורם יהיה הרבה יותר נפוץ, אבל חשוב להבין גם את החשמל הסטטי.חשמל סטטי
חשמל סטטי קיים כשיש הצטברות של מטענים מנוגדים על עצמים המופרדים ע"י מבודד. חשמל סטטי (מהמילה "מנוחה") יתקיים עד ששתי הקבוצות של מטענים מנוגדים ימצאו מסלול בינהן כדי לאזן את המערכת.
וכאשר המטענים ימצאו את הדרך, מתרחשת פריקה סטטית. משיכת המטענים הופכת להיות כל כך גדולה, שהם יכולים לזרום אפילו דרך המבודדים הטובים ביותר (אוויר, זכוכית, פלסטיק, גומי וכו’). פריקה סטטית יכולה להיות מזיקה, תלוי בתווך שהמטענים עוברים ולאיזה משטח הם מועברים. המטענים שמתאזנים דרך אוויר יכולים לגרום להבזק נראה לעין כאשר האלקטרונים בתנועה מתנגשים עם האלקטרונים של האוויר, שמתלהבים ופולטים אנרגיה בצורת אור.
מצתים חשמליים מייצרים פריקה סטטית מבוקרת. המטענים המנוגדים מצטברים על מוליכים עד שהמשיכה שלהם כל כך גדולה שהם יכולים לזרום דרך האוויר.
אחת הדוגמאות הדרמטיות של פריקה סטטית היא ברק. כאשר קבוצת עננים אוספת מספיק מטענים ביחס לקבוצת עננים אחרת או ביחס לקרקע של כדור הארץ, המטענים ינסו להתאזן. כשהענן פורק, כמות אדירה של מטען חיובי (או לפעמים שלילי) עוברת דרך האוויר מהקרקע לעננים וגורמת לתופעה ויזואלית שכולנו מכירים.
חשמל סטטי כידוע קיים גם כשאנחנו משפשפים בלון על הראש כדי לגרום לשערות שלנו לעמוד, או כשאנחנו גוררים נעלי בית פרוותיים על הרצפה ומחשמלים את החתול המשפחתי (לא בכוונה כמובן). בשני המקרים, חיכוך מהשפשוף של סוגים שונים של חומרים מעביר אלקטרונים. האובייקט שמאבד אלקטרונים הופך להיות טעון חיובית, והאובייקט שמקבל את האלקטרונים טעון שלילית. שני האובייקטים נמשכים אחד לשני עד שהם ימצאו את הדרך להתאזן (להשוות פוטנציאלים).
בעבודה עם אלקטרוניקה אנחנו בדרך כלל לא צריכים להתעסק עם חשמל סטטי. במקרים שכן, אנחנו בדרך כלל מנסים להגן על רכיבי אלקטרוניקה רגישים מפני פריקה סטטית. אמצעי הגנה נגד חשמל סטטי כוללים רצועות ESD לפרק כף היד (ESD - electrostatic discharge), או הוספת רכיבים מיוחדים למעגל שמגנים מפני קפיצות מטען גבוהות מאוד.
חשמל זורם
החשמל הזורם (Current electricity) הוא צורת החשמל המאפשרת לכל הגאדג’טים שלנו לפעול. צורת חשמל זו מתקיימת כשהמטענים מסוגלים לזרום בלי הפסקה. בשונה מחשמל סטטי שבו המטענים מתאספים ונשארים במנוחה, חשמל זורם הוא דינמי, המטענים כל הזמן בתנועה. אנחנו נתרכז בצורה זו של החשמל במהלך כל שאר המדריך.מעגלים
כדי לזרום, החשמל הזורם זקוק למעגל: מסלול סגור, לולאה של חומר מוליך. מעגל יכול להיות פשוט כמו חוט מוליך ששני הקצוות שלו מחוברים, אבל מעגלים שימושיים בדרך כלל כוללים תערובת של חוטים עם רכיבים נוספים ששולטים בזרימת החשמל. הכלל היחיד במעגל הוא שאסור שיהיה בו מרווח מבודד.אם יש לכם חוט מלא באטומים של נחושת ואתם רוצים לגרום לאלקטרונים לזרום דרכו, צריך שלכל האלקטרונים החופשיים יהיה לאן לזרום באותו הכיוון. נחושת הוא מוליך מצוין, מושלם לזרימת המטענים. אם מעגל של חוט נחושת פתוח, המטענים לא יכולים לזרום דרך האוויר, מה שימנע מכל המטענים באמצע החוט לנוע לאן שהוא.
מצד שני, אם החוט היה מחובר, לכל האלקטרונים יש אטום שכן אליו הם יכולים לזרום באותו הכיוון הכללי.
אנחנו מבינים איך האלקטרונים יכולים לזרום, אבל איך גורמים להם להתחיל לזוז? ואז, כשהם כבר זורמים, איך הם מייצרים את האנרגיה הדרושה כדי להדליק נורה או לסובב מנוע? בשביל זה, אנחנו צריכים להבין מהו שדה חשמלי.
שדות חשמליים
אנחנו מבינים איך אלקטרונים זורמים דרך חומר כדי לייצר חשמל. זה כל מה שאפשר להסביר על חשמל. טוב, כמעט הכל. אנחנו צריכים גם מקור ממנו אפשר לייצר את זרימת האלקטרונים. בדרך כלל המקור של זרימת האלקטרונים יגיע משדה חשמלי.מהו שדה?
שדה הוא כלי שאנו משתמשים כדי להציג מודל פיזי של פעולות שלא כוללת מגע כלשהו. אי אפשר לראות את השדה מכיוון שאין לו מראה פיזי, אבל ההשפעה שלו ממש מוחשית.יש שדה אחד מאד ידוע שכולנו מכירים בצורה לא מודעת: שדה הכבידה של כדור הארץ, ההשפעה של גוף עצום המושך גופים אחרים. שדה הכבידה של כדור הארץ אפשר להציג בעזרת קווים שמצביעים למרכז הכדור. לא משנה איפה תהיו על פני השטח, תרגישו את הכח שדוחף אתכם לעבר הכדור.
הכח או העוצמה של השדה לא אחיד בכל הנקודות. ככל שאתם רחוקים יותר מהמקור של השדה, כך יש לו פחות השפעה. העוצמה של שדה הכבידה של כדור הארץ פוחתת ככל שאתם מתרחקים מהמרכז של הפלנטה.
כשנמשיך ללמוד על שדות חשמליים, זכרו איך שדה הכבידה של כדור הארץ פועל, לשניהם יש תכונות דומות. שדה הכבידה מפעיל כח על אובייקטים עם מסה, ושדות חשמליים מפעילים כח על אובייקטים עם מטען.
שדות חשמליים
שדה חשמלי הוא כלי חשוב להבנה איך החשמל מתחיל וממשיך לזרום. שדות חשמליים מתארים את כוח המשיכה או הדחיפה במרחב בין מטענים. בהשוואה מול שדה הכבידה של כדור הארץ, לשדות חשמליים יש הבדל אחד עיקרי: השדה של כדור הארץ רק מושך אליו גופים בעלי מסה (מכיוון שלכל הגופים יש מסה משמעותית קטנה יותר מכדור הארץ), שדות חשמליים יכולים למשוך את המטענים וגם לדחוף אותם מהשדה.הכיוון של השדה החשמלי תמיד מוגדר ככיוון שבו ינוע מטען בדיקה חיובי אם היו מכניסים אותו לתוך השדה. מטען הבדיקה שמוסיפים צריך להיות קטן בצורה אינסופית, כדי למנוע ממנו להשפיע על השדה.
אנחנו יכולים להתחיל עם יצירת שדה חשמלי בעל מטען חיובי או שלילי בודד. אם הייתם מניחים מטען בדיקה חיובי ליד מטען שלילי, מטען הבדיקה היה נמשך לכיוון של המטען השלילי. לכן, למטען שלילי בודד נוכל לצייר את החצים של השדה החשמלי כפונים פנימה מכל הכיוונים. באותה הצורה אם היינו מניחים מטען בדיקה חיובי ליד מטען חיובי אחר, הוא היה נדחף ממנו, מה שאומר שנוכל לצייר את הקווים של שדה החשמלי של מטען חיובי כחצים הפונים החוצה.
אלה הם שדות חשמליים של מטען בודד. למטען שלילי יש שדה שנכנס פנימה מכיוון שהוא מושך מטענים חיוביים. למטען חיובי יש שדה שיוצא החוצה מכיוון שהוא דוחף מטענים זהים.
אפשר לשלב קבוצות של מטענים חשמליים כדי לייצר שדות חשמליים מלאים יותר.
השדה החשמלי האחיד בתמונה מעל מצביע מהמטענים החיוביים לכיוון של השליליים. דמיינו מטען בדיקה חיובי קטן שתכניסו לשדה חשמלי זה, הוא ינוע בכיוון של החצים. כמו שראינו, חשמל בדרך כלל מערב אלקטרונים (שהמטען שלהם הוא שלילי), שזורמים נגד השדות החשמליים.
שדות חשמליים מספקים לנו כח דחיפה הדרוש כדי לייצר את הזרימה. שדה חשמלי במעגל הוא כמו משאבה של אלקטרונים: מקור גדול של מטענים שליליים שיכול להניע אלקטרונים, שיזרמו דרך המעגל לעבר הגוש של מטענים חיוביים.
פוטנציאל חשמלי (אנרגיה)
כשאנחנו משתמשים בחשמל כדי להפעיל את המעגלים והגאדג’טים שלנו, אנחנו למעשה ממירים אנרגיה. מעגלים חשמליים צריכים להיות מסוגלים לאגור אנרגיה ולהמיר אותה לצורה אחרת, כמו חום, אור, או תנועה. האנרגיה המאוחסנת במעגל נקראת אנרגיה פוטנציאלית חשמלית.אנרגיה? אנרגיה פוטנציאלית?
כדי להבין מה זה אנרגיה פוטנציאלית, צריך להבין קודם מה זה אנרגיה באופן כללי. אנרגיה מוגדרת כיכולת של אובייקט אחד לבצע עבודה על אובייקט אחר, לדוגמה להזיז את האובייקט למרחק כלשהו. האנרגיה מגיעה בצורות שונות, חלק אנחנו יכולים לראות (כמו אנרגיה מכנית) וחלק שלא (כמו אנרגיה כימית או חשמלית). בלי קשר לצורה שלה, אנרגיה קיימת באחת משני המצבים: קינטית (kinetic) או פוטנציאלית (potential).לאובייקט יש אנרגיה קינטית כשהוא בתנועה. כמות האנרגיה הקינטית שיש לאובייקט תלויה במסה שלו ובמהירות. מנגד, אנרגיה פוטנציאלית היא אנרגיה המאוחסנת באובייקט כשהוא במנוחה. היא מגדירה כמה עבודה האובייקט יכול לבצע אם יתחיל לנוע. זו אנרגיה שבדרך כלל אנחנו יכולים לשלוט בה. כשהאובייקט מתחיל בתנועה, אנרגיה הפוטנציאלית שלו מומרת לאנרגיה קינטית.
בואו נשתמש בכח הכבידה כדוגמה. לכדור באולינג המונח ללא תנועה על הגג של מגדל חליפה יש הרבה אנרגיה פוטנציאלית (אנרגיה מאוחסנת). כשזורקים את הכדור מהגג, הוא נמשך ע"י שדה הכבידה, ומאיץ לכיוון האדמה. בזמן ההאצה, האנרגיה הפוטנציאלית מומרת לאנרגיה קינטית (אנרגיה של התנועה). בסופו של דבר כל האנרגיה של הכדור מומרת מפוטנציאלית לקינטית, ומועברת למה שהכדור פוגע בו. כשהכדור על הקרקע, יש לו אנרגיה פוטנציאלית קטנה מאד.
אנרגיה פוטנציאלית חשמלית
בדיוק כמו שלמסה בשדה הכבידה יש אנרגיה פוטנציאלית, למטענים בשדה חשמלי יש אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען מתארת כמה אנרגיה מאוחסנת בו, כשהוא מתחיל בתנועה ע"י שדה חשמלי, אנרגיה זו יכולה להפוך לקינטית והמטען יכול לבצע עבודה.אם נדמיין את השדה החשמלי כמו בתמונה הקודמת שהחצים יוצאים בצורה אחידה מהמטען החיובי למעלה (ראש המגדל) ויורדים למטען השלילי למטה (האדמה), כמו כדור הבאולינג שנמצא בראש המגדל, למטען חיובי שקרוב למטען חיובי אחר יש אנרגיה פוטנציאלית גדולה. כאשר משוחרר, המטען יידחף ממטען זהה וימשך למטען המנוגד. למטען חיובי שצמוד למטען שלישי תהיה אנרגיה פוטנציאלית קטנה, בדומה לכדור באולינג על הקרקע.
כדי שלאובייקט כלשהו תהיה אנרגיה פוטנציאלית, אנחנו צריכים להשקיע עבודה ע"י העברה של האובייקט לאורך מרחק. במקרה של כדור הבאולינג, העבודה היא לסחוב אותו 163 קומות למעלה, בניגוד לשדה הכבידה. באופן דומה, צריך להשקיע עבודה כדי לדחוף מטען חיובי נגד הכיוון של השדה החשמלי (בכיוון של מטען חיובי אחר, או להרחיק ממטען שלילי). כמה שיותר רחוק המטען נכנס לתוך השדה, ככה יותר עבודה צריך להשקיע. בצורה דומה, אם מנסים להרחיק מטען שלילי ממטען חיובי (בכיוון מנוגד לשדה החשמלי), צריך להשקיע עבודה.
עבור כל מטען שנמצא בשדה חשמלי, האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית שלו תלויה בסוג (חיובי או שלילי), כמות המטען ומיקום בשדה. אנרגיה פוטנציאלית חשמלית נמדדת ביחידות ג'אול (J).
פוטנציאל חשמלי
פוטנציאל חשמלי מבוסס על אנרגיה פוטנציאלית חשמלית כדי להגדיר כמה אנרגיה מאוחסנת בשדה חשמלי. זהו מושג אחר שעוזר לנו לתאר את התנהגות של השדות החשמליים. הפוטנציאל החשמלי זה לא אותו הדבר כמו האנרגיה החשמלית הפוטנציאלית!בכל נקודה של השדה החשמלי הפוטנציאל החשמלי הוא כמות האנרגיה החשמלית הפוטנציאלית מחולקת בכמות המטען באותה הנקודה. זה מוציא את כמות המטען מהמשוואה ומשאיר לנו כיוון של כמה אנרגיה פוטנציאלית האיזור הספציפי של השדה החשמלי יכול לספק. פוטנציאל חשמלי נמדד ביחידות של ג’ואל לקולומב (J/C), שזו ההגדרה של וולט (Volt – V).
בכל שדה חשמלי יש שתי נקודות של פוטנציאל חשמלי שמעניינות אותנו מעבר לכל. נקודה עם הפוטנציאל גבוה, שבה למטען החיובי תהיה אנרגיה הפוטנציאלית הגבוהה ביותר, ונקודה של פוטנציאל נמוך, שבה למטען תהיה אנרגיה פוטנציאלית הנמוכה ביותר.
אחד המושגים הנפוצים ביותר שאנו משתמשים בחשמל הוא מתח (Voltage). מתח הוא הפרש של הפוטנציאלים בין שתי נקודות בשדה החשמלי. מתח אומר לנו כמה כח דחיפה יש לשדה החשמלי.
עם הבנה מהו פוטנציאל ואנרגיה פוטנציאלית, יש לנו את כל הרכיבים שאנו צריכים כדי לייצר חשמל זורם. בואו נעשה את זה!
חשמל בפעולה
אחרי שלמדנו פיזיקת החלקיקים, תאוריית השדה ואנרגיה פוטנציאלית, יש לנו מספיק ידע כדי לייצר זרם חשמלי. בואו נבנה מעגל!קודם נעבור על הרכיבים שאנו צריכים כדי לייצר חשמל:
- ההגדרה של חשמל היא זרימה של מטענים. בדרך כלל המטענים יועברו ע"י אלקטרונים חופשיים.
- אלקטרונים עם מטען שלילי צמודים בצורה רופפת לאטומים של חומרים מוליכים. עם קצת דחיפה אנחנו יכולים לשחרר את האלקטרונים מהאטומים ולגרום להם לזרום לכיוון כללי אחיד.
- מעגל סגור של חומר מוליך מספק מסלול לזרימה רציפה של האלקטרונים.
- המטענים מונעים ע"י שדה חשמלי. אנחנו צריכים מקור של פוטנציאל חשמלי (מתח), שידחוף את האלקטרונים מנקודה עם פוטנציאל אנרגיה נמוך לפוטנציאל אנרגיה גבוה.
מעגל קצר
סוללות הן מקורות אנרגיה נפוצים שממירים אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. יש להן שני מחברים המתחברים לשאר המעגל. במחבר אחד יש עודף של מטענים שליליים, כאשר כל המטענים החיוביים מתרכזים במחבר השני. זהו הפרש פוטנציאלים חשמליים שמוכן לפעולה!
אם נחבר חוט המלא באטומים של נחושת לסוללה, השדה החשמלי ישפיע על האלקטרונים החופשיים עם מטען שלילי בתוך האטומים של הנחושת. בו זמנית, הצד השלילי ידחוף והצד החיובי ימשוך את האלקטרונים בנחושת מאטום לאטום וייצור זרימה של מטענים הידועה כחשמל.
אחרי שניה של זרם במעגל כזה, האלקטרונים למעשה יזוזו מעט מאוד, שברירים של סנטימטר. עם זאת, האנרגיה שמיוצרת ע"י הזרם היא עצומה, במיוחד כשאין שום דבר שמאט את הזרם במעגל, או צורך אנרגיה. חיבור רק של המוליך למקור אנרגיה הוא רעיון רע. אנרגיה זזה מהר מאד דרך המערכת ומתורגמת לחום בתוך החוט, שיכול די מהר לגרום להמסת החוט או התלקחות.
הדלקת נורה
במקום לבזבז כל האנרגיה הזו, שלא לדבר על הרס הסוללה והחוט, בואו נבנה מעגל שעושה משהו שימושי! בדרך כלל המעגל החשמלי ימיר את האנרגיה החשמלית לצורה אחרת: אור, חום, תנועה וכו’. אם נחבר נורה לסוללה עם חוטים ביניהם, נקבל מעגל פשוט ושימושי.שרטוט: סוללה (משמאל) מחוברת למנורה (מימין), המעגל מושלם כאשר המתג (למעלה) נסגר. כשהמעגל נסגר, האלקטרונים יכולים לזרום, נדחפים מהצד השלילי של הסוללה, דרך המנורה, אל הצד החיובי של הסוללה.
כאשר האלקטרונים נעים בקצב של חלזון, השדה החשמלי משפיע על כל המעגל כמעט מיידית (ניקח בחשבון שמהירות האור זה משהו מהיר). האלקטרונים לאורך כל המעגל, בין אם זה במקום עם הפוטנציאל הנמוך ביותר, הפוטנציאל הגבוה ביותר, או ממש ליד המנורה, כולם מושפעים ע"י שדה החשמלי. כאשר המתג נסגר והאלקטרונים מושפעים מהשדה החשמלי, כל האלקטרונים במעגל מתחילים לזרום באותו הזמן. המטענים הקרובים למנורה יעשו צעד נוסף במעגל ויתחילו להמיר את האנרגיה מחשמל לאור (או חום).
לאן ממשיכים?
במדריך זה נגענו רק בחלק פצפון של קצה הקרחון. יש עוד המון מושגים שלא נחשפו. מכאן אנו ממליצים להמשיך למדריך מתח, זרם, התנגדות וחוק אוהם. עכשיו כשאתם יודעים הכל על השדות החשמליים (מתח) ועל האלקטרונים הזורמים (זרם), אתם כבר בדרך הנכונה כדי להבין את החוקים השולטים בתגובות ביניהם.להסברים ויזואליים נוספים מומלץ לבקר באתר זה.
יש עוד כמה מדריכים למתחילים שאנו ממליצים לקריאה:
או שאולי תרצו ללמוד על משהו מעשי? במקרה זה בדקו את המדריכים הבאים המיועדים לרמה של מתחילים:
- איך משתמשים ברב-מודד
- עבודה עם חוטים
- TODO: Sewing with Conductive Thread
