חשמל

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

קפיצה אל: ניווט, חיפוש

ניצוצות כתוצאה מקצר חשמלי

מנוע חשמלי

תקע "קומקום"

הולכת חשמל לבתים

צבעיהם השונים של הנגדים מציינים את מידת ההתנגדות החשמלית שלהם

מנורות רחוב חשמליות

חשמל הוא תופעה פיסיקלית ותכונה של תת־חלקיקים מסוימים, כמו אלקטרונים ופרוטונים, המאפשרת כוחות משיכה ודחיה ביניהם. זהו אחד מארבעת כוחות היסוד בטבע.

חשמל נחשב לתכונה המשויכת לחומר, וניתן לקבוע את כמותו. במובן זה אמירה כמו "כמות החשמל" מקבילה ל"מטען חשמלי" או "כמות המטען".

קיימים שני סוגים של מטען חשמלי, המסומנים כחיובי (+) ושלילי (-). מנסיונות נמצא כי מטענים שווי־סימן דוחים זה את זה, ואילו מטענים שוני־סימן מושכים זה את זה. גודלם של כוחות המשיכה והדחיה ניתן לחישוב על ידי חוק קולון.

מושגים רבים בעולם החשמל שאולים מעולם הנוזלים:

שטף - ריכוז של קווי שדה (מגנטי/חשמלי) ליחידת שטח.
זרם - תנועת מטענים ליחידת זמן.

את הזרם ניתן לאפיין על ידי גודל שנקרא גודל עוצמת הזרם (I) והוא גדל בהתאם ככל שנעים יותר מטענים ביחידת זמן. למשל, תנועת יונים בתמיסה אלקטרוליטית או הגדלת עוצמת האור בנורה חשמלית. (מובן שלשם כך עליהם להיות מחוברים למעגל חשמלי).

החשמל נחשב ל"תאום" של המגנטיות בגלל הקשר ההדוק ביניהם. לדוגמה: סביב תיל נושא זרם חשמלי מושרה שדה מגנטי, ובתיל הנמצא בשדה מגנטי מושרה זרם חשמלי.

החשמל הוא כוח רב עוצמה המשמש לקשת רחבה של שימושים בעולם המודרני. בשימושים אזרחיים כקירור, חימום, הכנת אוכל, בישול, תאורה, ניקוי, תיקון, שיפוץ, תקשורת, בידור, מיחשוב, עיבוד נתונים, סילוק חרקים והפעלת מערכות היסע. בשימושים תעשייתים כשאיבה, ניקוז, ריתוך, הפעלת מנופים, הפעלת מכונות ייצור ורובוטים מסוגים שונים, מיחזור, ציפוי מתכות והפקת גזים (כמימן וחמצן). שימושים רפואיים כמו טיפול החייאה בהלם חשמלי, טיפול בנזעי חשמל לשיפור המצב הנפשי, משגוחים, מערכות הנשמה, וביצוע סריקות ובדיקות שונות. שימושים משטרתיים כבשוקרים ואקדחי הלם. שימושים בטחוניים כמו חיישנים שונים, שערים חשמליים וגדרות חשמליות ואלקטרוניות. ובשימושים צבאיים כמו במערכות מכ"ם מהסוגים השונים והפעלת לווינים. אף קיימת שיטה של הוצאה להורג בכסא חשמלי. למעשה החשמל הוא הכוח הפיסיקלי שהאדם רתם אותו לצרכים המגוונים ביותר, וקשה לתאר את חייו של האדם המודרני ללא שימוש בכוח זה.

[עריכה] מדעי החשמל

מדעי החשמל כוללים את האלקטרוניקה (זרם חלש) והחשמל (זרם חזק) הכולל את מדעי האלקטרוסטטיקה והאלקטרומגנטיות.

[עריכה] מושגים מעולם החשמל

אלקטרון - האלקטרון הוא בעל מטען חשמלי שלילי, הוא הנושא את המטען החשמלי בזרם חשמלי במוליך. מקור השם מהמילה היוונית לענבר, היוונים ידעו שכאשר משפשפים ענבר בפיסת פרווה הוא מושך אליו גופים קלים קרובים. ומכאן, בהשאלה המילה אלקטרון לתיאור תכונות חשמליות.

אלקטרודינמיקה הוא תחום המדע החוקר תנועת מטענים חשמליים.

אלקטרוסטטיקה הוא תחום המדע החוקר מטענים חשמליים סטטיים (שאינם נעים)

אנרגיה חשמלית: העבודה שיש להשקיע על מטען כדי להביא אותו מאין-סוף למרחק r ממטען. מסומלת באות E ונמדדת בשיטת SI ביחידות של של ג'אול (J, Joule - על שם ג'יימס פרסקוט ג'אול). במעגל חשמלי, גודלה נתון במכפלת המתח בזרם ובזמן. יחידת מידה נוספת הנפוצה לאנרגיה חשמלית היא ואט-שעה.

דיודה: רכיב המאפשר לאלקטרונים לנוע בתנאים מסוימים רק בכיוון אחד. הדיודה היוותה רכיב מפתח בהמצאות שונות הקשורות לחשמל ולאלקטרוניקה.

הארקה: חיבור מוליך לאדמה. משמשת להשוואת פוטנציאלים וכאמצעי להגנה נגד התחשמלות.

הספק חשמלי: כמות האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית הנעשית במשך זמן. מסומל באות P ונמדד בשיטת SI ביחידות של ואט (W, Watt - על שם ג'יימס ואט, ממציא מכונת הקיטור). לחלופין ניתן למדוד אותו ביחידות של כוח סוס, השווה ל־736 ואט). גודלו של ההספק החשמלי נתון בנוסחה: $P = IV \,$ (ההספק שווה למכפלת הזרם במתח).

השראה: היחס בין הזרם שמשרה סליל לשטף המגנטי שעובר בו. מסומלת באות L נמדדת בשיטת SI ביחידות של הנרי (H, Henry - על שם ג'וזף הנרי).

התנגדות: מידת "אי־המוליכות" של החומר. מסומל באות R ונמדד בשיטת SI ביחידות של אוהם (Ω, Ohm - על שם גאורג אוהם).

זרם חשמלי: מיצג את כמות המטען החשמלי הזורם ביחידת זמן בכיוון המוגדר מההדק החיובי להדק השלילי. בדרך כלל המטען נע במוליך מתכתי. במקרה זה נעים דווקא המטענים השליליים, האלקטרונים ואז זרם המוגדר בכיוון "חיובי" מבטא למעשה תנועת חלקיקים שליליים הנדחים מהמינוס ונעים לפלוס. במקרה אחר, בחצאי מוליכים, המטען נע על ידי חורים (אלקטרונים שחסרים) אשר מעתיקים את מיקומם. עוצמת הזרם החשמלי מסומנת באות I, ונמדדת בשיטת SI ביחידות של אמפר (A, Ampere - על שם אנדרה מרי אמפר).

חומר נייטרלי: חומר לא טעון מבחינה חשמלית, כלומר חומר בו כמות המטען החיובי שווה לכמות המטען השלילי.

חוזק דיאלקטרי: גודל השדה המקסימלי אשר ניתן ליצור בקבל. שדה הגדול ממנו יגרום לפריצת ניצוץ חשמלי, כי המבודד נהפך רגעית למוליך.

חוק אוהם: $R = \frac{V}{I}$ (היחס בין מתח לזרם במעגל שווה להתנגדות בו). נוסחה חשובה בתורת החשמל המייצגת את הקשר בין מתח, זרם והתנגדות במעגלים חשמליים רבים.

חוק לנץ: הזרם מעכב את סיבת היווצרותו. לדוגמה: אם ניצור חשמל בעזרת כוח היוצר תנועה, יצירת החשמל תיצור כוח שיתנגד לנו.

חוק קולון קובע כי כוח חשמלי יכול לפעול רק בין שני גופים בעלי מטען חשמלי. אם מרחיקים את הגופים אחד מהשני, עוצמת הכוח החשמלי תפחת פי גודל ההרחקה בריבוע שבין הגופים (אם המרחק גדל פי 2 הכוח נחלש פי 4). אם מטען חשמלי של גוף B גדול יותר מאשר של גוף A הוא יפעיל כוח רב יותר מאשר מפעל גוף A. אם אחד המטענים חיובי והאחר שלילי, הכוח החשמלי יגרום למשיכה בין המטענים. אחרת, הכוח יגרום לדחייה.

טעינה על ידי שפשוף: עקירת אלקטרונים מחומר נייטרלי או הוספתם אליו.

מבודד (דיאלקטרן): חומר שאיננו מוליך.

מגנטיות: תופעת מפתח בייצור חשמל שעליה מתבססים מחוללים ומנועים.

מגנט: עצם היוצר שדה מגנטי מסביבו.

עוד בעניין: אלקטרומגנטיות.

מוליך: חומר בעל אלקטרוניים חופשיים, המסוגל לפיכך להעביר דרכו זרם.

מטען חשמלי: קולון "כמות החשמל" בחלקיק. לכל אלקטרון יש מטען של (19-)^10×1.6- קולון , ולכל פרוטון יש מטען של (19-)^10×1.6+ קולון. לשום חלקיק אחר בטבע (או שמיוצר במעבדה) אין מטען חשמלי. מסומל באות q ונמדד בשיטת SI ביחידות של קולון (C, Coulomb - על שם שארל-אוגוסטן דה קולון).

ממסר פחת: מכשיר חשמלי שתפקידו לנתק את הזרם במקרה של התחשמלות. בבתים נהוג להשתמש בממסר פחת שרגישותו היא 30 מיליאמפר (זרם מעל 50 מיליאמפר במתח של 220V מתחיל להיות מסוכן לאדם).

מקור מתח (או: ספק מתח): שני הדקים שיש ביניהם הפרש פוטנציאלים ( - ו+) הגורם ברגע סגירת המעגל החשמלי לזרימה של זרם חשמלי (אנרגיה חשמלית). לדוגמה: סוללה, מצבר, שקע חשמלי.

מתח: הפרש פוטנציאלים. מיצג את האנרגיה שיש לחלקיקים עם מטענים (בדומה לאנרגיה פוטנציאלית במכניקה). מסומל באות V ונמדד בשיטת SI ביחידות של וולט (V, Volt - על שם אלסנדרו וולטה).

נתיך (פיוז): רכיב שתפקידו להפסיק את הזרם במקרה של תקלה.

צריכת חשמל היא ההספק הדרוש להפעלת המכשיר החשמלי כפול במספר השעות בהן הוא פועל. ההספק נמדד בוואט והזמן נמדד בשעות לכן צריכת החשמל נמדדת בוואט-שעה.

קיטוב: התרכזות המטענים החיוביים בצד אחד של מוליך, והשליליים - בצד השני.

קבל: רכיב הבנוי משני מוליכים וחומר מבודד (דיאלקטרי) ביניהם, והוא אוגר מטענים חשמליים על פני המוליכים שלו.

קיבול: היחס בין המטען על קבל למתח אליו הקבל מחובר. מסומל באות C ונמדד בשיטת SI ביחידות של פאראד (F, Farad - על שם מייקל פאראדיי)

קצר חשמלי: העברת חשמל במעגל חשמלי שהתנגדות שלו קטנה מאוד. ריתוך הוא סוג של קצר מבוקר.

שדה חשמלי: למרחב המקיף מטען חשמלי יש תכונה הנקראת שדה חשמלי. שדה זה מפעיל כוח על גופים הטעונים חשמלית.

[עריכה] מעגלים חשמליים

איור סכמטי של מעגל חשמלי. באיורים מסוג זה נעשה שימוש בעשרות סמלים מוסכמים לציון הרכיבים החשמליים השונים העשויים להופיע במעגל חשמלי וכן לציון הגודל והכיוון של המתח והזרם במעגל.

המעגל החשמלי יכול להיות מאחד משלושה סוגים:

מעגל מקבילי - הוא מעגל שבו כל המכשירים (או הרכיבים) מחוברים ישירות למקור המתח, כך שהמתח שנופל על כל מכשיר (רכיב) שווה, אך הזרם שעובר בכל מכשיר (רכיב) בדרך כלל לא שווה.
מעגל טורי - הוא מעגל חשמלי שבו המכשירים (או הרכיבים) מחוברים אחד אחר השני (כמו טור), כך שהזרם שעובר בכל המכשירים (רכיבים) שווה, אך המתח שנופל על כל מכשיר (רכיב) בדרך כלל לא שווה.
מעגל שאינו טורי ואינו מקבילי (מורכב).

ההבדל המרכזי בין שני הסוגים הראשונים הוא שבמעגל מקבילי, כל מכשיר מחובר לחוד למקור המתח, וניתוק של מכשיר אחד או חיבורו, אינו משפיע על צריכתם של המכשירים האחרים.

כמו כן, ישנם שני סוגים של זרם במעגל:
זרם ישר (DC) הוא זרם קבוע בכיוונו האלקטרונים נעים מאטום לאטום בכיוון אחד במעגל החשמלי.
זרם חילופין (AC) הוא זרם שכיוונו משתנה כל הזמן. האלקטרונים נעים קדימה ואחורה במעגל החשמלי במחזוריות קבועה [קוטביות וסימן (מינוס או פלוס) מתאימים להגדרה "משנה את כיוונו" בהקשר זה]. ערכו הממוצע של הזרם החילופי לאורך זמן הוא אפס, אך ערכו אינו אפס כל הזמן.

[עריכה] ייצור חשמל

ערך מורחב – ייצור חשמל

ייצור חשמל הוא סך האמצעים להפקת חשמל, כלומר להפקת זרם חשמלי.

רוב החשמל בעולם מיוצר בתחנות כוח אלקטרו מכניות המופעלות בתוצרי נפט, פחם או גז.

קיימות גם דרכים אחרות להפקת חשמל ובהן: אנרגיה אטומית, אנרגיית רוח, אנרגיית מים, אנרגיה סולארית, אנרגיה כימית ועוד.

[עריכה] תופעות של חשמל בטבע

ברק

ברקים: הברק הינו תופעה חשמלית רבת עוצמה.
ביוחשמל: בעלי חיים רבים רגישים לשדות חשמליים, חלקם (לדוגמה, כרישים) יותר מאחרים (לדוגמה, בני אדם). מקצתם אף מיצרים בעצמם שדות חשמליים רבי עוצמה המשמשים לניווט, ציד או הגנה עצמית. לדוגמה דג הטורפדו, ממשפחת הכרישים, מייצר זרם חשמלי במתח של 50 וולט, או הצלופח הדרום אמריקני בנהר האמזונס, שמייצר זרם חשמלי במתח של 660 וולט, שמסוכן אף לאדם.

ניורונים במערכת העצבים מעבירים מידע באמצעות פוטנציאלי פעולה

חומר: אטומים ומולקולות נמשכים זה לזה על ידי כוחות חשמליים.

השדה המגנטי של כדור הארץ: הנוצר על ידי תנועה סיבובית של יונים בליבת הארץ.

חשמל סטטי: תופעה של חשמל שנוצר כתוצאה מחיכוך של עצמים אחד בשני.

[עריכה] מקור המילה חשמל

המילה חשמל מופיעה שלוש פעמים בתנ"ך, וכולן בספר יחזקאל בהקשר לגילויו של האלוהים, ביחד עם מראה של אש ואור.

"וָאֵרֶא, וְהִנֵּה רוּחַ סְעָרָה בָּאָה מִן הַצָּפוֹן, עָנָן גָּדוֹל וְאֵשׁ מִתְלַקַּחַת וְנֹגַהּ לוֹ סָבִיב, וּמִתּוֹכָהּ כְּעֵין הַחַשְׁמַל מִתּוֹךְ הָאֵשׁ". (יחזקאל פרק א', פסוק ד')
"וָאֵרֶא כְּעֵין חַשְׁמַל כְּמַרְאֵה־אֵשׁ בֵּית־לָהּ סָבִיב, מִמַּרְאֵה מָתְנָיו וּלְמָעְלָה, וּמִמַּרְאֵה מָתְנָיו וּלְמַטָּה, רָאִיתִי כְּמַרְאֵה־אֵשׁ וְנֹגַהּ לוֹ סָבִיב". (שם א', כ"ז)
"וָאֶרְאֶה וְהִנֵּה דְמוּת כְּמַרְאֵה אֵשׁ מִמַּרְאֵה מָתְנָיו וּלְמַטָּה אֵשׁ, וּמִמָּתְנָיו וּלְמַעְלָה כְּמַרְאֵה זֹהַר כְּעֵין הַחַשְׁמַלָה". (שם ח', ב')

בלעז נקרא החשמל "אלקטריות" (electricity), מהמלה היוונית "אלקטרון" - ענבר. מקור הקשר הוא בתופעת טעינתו של ענבר במטען חשמלי (סטטי) בעת שפשופו. בתרגום השבעים תורגמה המלה "חשמל" למלה היוונית "אלקטרון". אף שמילה זו מייצגת ככל הנראה משמעות שונה בהקשר המקראי הנידון (גם תערובת של זהב ומתכות אחרות נקראת "אלקטרון"), בכל זאת השתמשו מחדשי השפה העברית במילה המתורגמת-בחזרה.

כמו כן, מופיעה המילה בספר הרזים: