מטען חשמלי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

מטען חשמלי הוא תכונה בסיסית של מערכות פיזיקליות, אשר קובעת את האינטרקציה האלקטרומגנטית ביניהן. זהו אחד מהמספרים הקוונטים שמאפיינים חלקיקים אלמנטריים. שתי מערכות בעלות מטען חשמלי שונה מאפס, משפיעות זו על זו וכל אחת מהן מייצרת שדות אלקטרומגנטיים. האינטרקציה בין המטען והשדה החשמלי הוא המקור לאחד מהכוחות הבסיסיים, הכוח החשמלי. טבעו של המטען החשמלי תואר והודגם לראשונה על ידי רוברט מיליקן בניסוי טיפת השמן שלו.

מקובל לסמן את מטען האלקטרון כ- $\ -1e$ , וכפועל יוצא, מטען הפרוטון הוא $\ +1e$ , והקווארקים הם בעלי מטען 2/3+ 1/3-. האנטי חלקיקים של חלקיקים אלה הם בעלי מטענים מנוגדים להם. כמובן שישנם עוד חלקיקים טעונים אחרים.

בדרך-כלל מסומן המטען החשמלי האגור במערכת כלשהי באות $\ Q$ . יחידת המדידה של המטען החשמלי במערכת היחידות הבינלאומית (מערכת SI) היא קולון, אשר מייצגת בערך 6.24ּ10¹⁸ פעמים המטען האלמנטרי $\ e$ (מטענו של אלקטרון). הקולון מוגדר ככמות המטען העוברת דרך חתך כלשהו במוליך במשך שנייה אחת, כאשר עוצמת הזרם היא אמפר אחד. ניתן למדוד מטען חשמלי באופן ישיר באמצעות אלקטרומטר.

פורמלית, מידת המטען היא כפולה של המטען האלמנטרי $\ e$ , אולם כיוון שלרוב המידות הנמדדות הן מסדרי גודל עצומים לעומת המטען האלמנטרי, אפקטיבית ניתן להגיע לכל ערך ממשי של מטען חשמלי.

[עריכה] היסטוריה

המטען החשמלי התגלה בידי היוונים הקדמונים אשר גילו כי שפשוף פרווה על משטחים שונים, כמו ענבר למשל, יוצר חוסר איזון של מטען חשמלי. הם גילו גם שענבר טעון משך אליו עצמים קלים כמו שיער. היוונים שמו לב שאם הם שפשפו את הענבר לאורך זמן, הם אפילו הצליחו להוציא ניצוץ ממנו. המילה אלקטרון נובעת מהמילה היוונית ηλεκτρον שפירושה - ענבר, המילה חשמל באה מספר יחזקאל.

במאה ה-18, חקר החשמל תפס תאוצה. אחד מהידענים החשובים ביותר היה בנג'מין פרנקלין, אשר דימיין כי החשמל הוא סוג של נוזל אשר נמצא בכל החומרים הקיימים. הוא הניח ששפשוף משטחים מבדדים זה בזה גרם לנוזל זה לשנות מקום, ושזרם הנוזל הזה הוא שיוצר את הזרם החשמלי. הוא גם הניח שכאשר חומר מכיל מעט מדי מה"נוזל" הזה הוא היה טעון "שלילית", וכאשר היה לו עודף, הוא היה טעון "חיובית". הוא קבע שרירותית (או מסיבה שלא ידועה) שהמטען המתקבל על ידי שפשוף מקל זכוכית עם משי הוא מטען "חיובי" ואילו מטען המתקבל משפשוף מקל ענבר עם פרווה הוא מטען "שלילי".

כיום ידוע כי הדגם של פרנקלין היה קרוב למציאות, אך פשוט מדי. האטומים מורכבים למעשה משני סוגים של חלקיקים טעונים: הפרוטונים - בעל מטען חיובי, והאלקטרונים - בעלי מטען שלילי. זרם חשמלי במוליך (לשם הפשטה - חד ממדי) נוצר אך ורק כתוצאה מאלקטרונים הנעים בכיוון מסוים (ואז יימדד בכיוון זה זרם שלילי, או זרם חיובי בכיוון ההפוך). הפרוטונים, המצויים בגרעין האטום, אינם נעים כדי ליצור "זרם חיובי". במודלים מתקדמים של מצב מוצק, כמו למשל במוליכים למחצה, מניחים את קיומם של "חורים", המייצגים חוסר באלקטרון (באופן דומה לבועות המייצגות חוסר בנוזל) בנוסף לאלקטרונים, ולהם מיוחס מטען חשמלי חיובי (הפוך למטען האלקטרון), היוצר זרם חשמלי חיובי בכיוון התקדמותו. ניתן להסתכל על המוליך החשמלי כעל מבחנה מלאה בנוזל (המייצג אלקטרונים) המעלה בועות: בועות העולות מעלה מייצגות למעשה נוזל המתקדם מטה, והתנועה אנלוגית למעשה לגרעיני אטום ה"מושכים" אלקטרונים משכניהם, וכך נוצר הזרם החיובי בכיוון ההפוך.

בכדי להפחית את מורכבות המודל, עובדי חשמל עדיין משתמשים בהנחות של פרנקלין ומתייחסים לזרם חשמלי (ידוע כ"זרם שגרתי") כזרם של חלקיקים חיוביים בלבד. הזרם השגרתי מפשט את המושגים ומקל על החישובים, אולם הוא מתעלם מכך שיש כמה סוגים של מוליכים (אלקטרוליטים, מוליכים למחצה ופלזמה), וכן מהעובדה שזרם יכול לנוע בכיוונים מנוגדים של חלקיקים שונים. כיוון הזרימה של הזרם השגרתי משווה במהופך אל תנועת האלקטרון המעשית אשר מתרחשת בזרמים חשמליים במתכות, המוליך הטבעי של חשמל, דבר אשר מהווה מקור לבלבול למתחילים באלקטרוניקה.

[עריכה] תכונות

פרט לתכונות המתוארות במאמרים הקשורים לאלקטרומגנטיות, המטען החשמלי הוא אינווריאנטי בתורת היחסות, כלומר מטענו של חלקיק לא משתנה בלי שום קשר למהירות בה הוא נע. תכונה זו הוכחה בניסויים, בכך שהוכח שמטען של גרעין הליום (שני פרוטונים ושני נייטרונים המחוברים יחדיו) אשר נע במהירות עצומה, שווה למטען של שני גרעיני דאוטריום ( איזוטופ של מימן המכיל פרוטון ונייטרון) אשר נעים לאט הרבה יותר.

[עריכה] מטען יסודי

מטען יסודי או מטען אלמנטרי (מסומן כ-e) הוא המטען החשמלי שנושא פרוטון יחיד, או הערך הנגדי של המטען שנושא אלקטרון יחיד.

זהו קבוע פיזיקלי יסודי ויחידה למטען חשמלי במערכת של יחידות אטומיות.

ערכו הוא: $\ 1.602176462\times10^{-19}$ קולון או $\ 4.8 \times 10^{-10} \ \mbox{esu}$ ביחידות cgs.

מאז שנמדד לראשונה על ידי רוברט מיליקן בניסוי המפורסם שלו בשנת 1909, המטען היסודי נחשב לבלתי ניתן לחלוקה. כאמור, הקווארקים, אשר קיומם הונח בשנות ה-60 של המאה ה-20, נחשבים לחלקיקים שמטענם הוא שליש או שני שליש מהמטען היסודי, אולם הם נצפו רק בחלקיקים עם מטען ביחידות שלמות של המטען היסודי ומעולם לא התגלו באופן חופשי.

[עריכה] שימור מטען

המטען החשמלי הכולל של מערכת מבודדת נותר קבוע, ללא תלות בשינויים המתרחשים בתוך המערכת. חוק שימור זה מתקיים בכל התהליכים הידועים בפיזיקה או כימיה, וניתן לגזור אותו (בצורתו המקומית) משדה כיול של פונקציית הגל. שימור המטען מביא למשוואת הרצף למטען-זרם. באופן כללי, השינוי נטו בצפיפות המטען $\ \rho$ בתוך נפח האינטגרציה $V$ שווה לאינטגרל המשטחי של צפיפות הזרם $\ J$ על המשטח $\ S$ , הוא הזרם החשמלי $I$ :