חשמל

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
ניצוצות כתוצאה מקצר חשמלי

חשמל הוא תופעה פיזיקלית הקשורה לתכונת המטען החשמלי של חלקיקים, היוצרת כוחות משיכה ודחייה ביניהם. הכוח הפועל על מטענים חשמליים כתוצאה מנוכחות מטענים חשמליים אחרים נקרא כוח לורנץ, והוא אחד מארבעת כוחות היסוד של הטבע.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

הכוח החשמלי מוכר עוד מימי קדם. ליוונים הקדמונים היה ידוע שלאחר שפשוף של ענבר עם פרווה, פיסות של עלים יבשים דבקות בו. במאה ה-17 היו ידועים חומרים נוספים ששפשוף שלהם גורם לכוחות כאלו, כמו זכוכית וגופרית. ויליאם גילברט טבע את המילה הלטינית "אלקטריקוס" מהמילה היוונית "אלקטרון" שמשמעותה ענבר, לתיאור תופעת המשיכה של גופים קטנים לאחר שפשופם. בעקבותיו ובעקבות תרגום השבעים חידש יהודה לייב גורדון את המילה "חשמל" בעברית.‏[1]

במאה ה-18 חקר החשמל תפס תאוצה, והתגלה שניתן לחלק את החומרים השונים לשני סוגים. אם משפשפים שני חפצים שעשויים מזכוכית, למשל, הם ידחו זה את זה. כך גם עם שתי אבני ענבר, אך זכוכית וענבר ימשכו זה את זה. בנג'מין פרנקלין תיאר את החשמל כנוזל שממלא גופים, כך שאם בגוף מסוים יש עודף של הנוזל החשמלי הוא טעון במטען חיובי ואם יש בו מחסור בנוזל החשמלי הוא טעון בסימן שלילי. פרנקלין קבע כי בשפשוף זכוכית בפרווה, נוזל חשמלי עובר מהפרווה לזכוכית ולכן היא נטענת במטען חיובי. הוא הגיע למסקנה שהכוחות החשמליים גדלים ככל שהגופים טעונים יותר וכן ככל שהגופים קרובים זה לזה.

מושגי יסוד בחשמל[עריכת קוד מקור | עריכה]

מטען חשמלי, כוח ושדה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מטען חשמלי הוא גודל פיזיקלי שמאפיין חומר. במצב רגיל, המטען החשמלי הכולל של החומר הוא נייטרלי (אפס), אם כי בתוך החומר נמצא מספר רב מאוד של חלקיקים בעלי מטען חשמלי, חיובי ושלילי, אשר מאזנים זה את זה. החומר מורכב מאטומים, הבנויים מגרעין המכיל פרוטונים (טעונים חיובית) ונייטרונים (ללא מטען), וסביב הגרעין אלקטרונים (טעונים שלילית). מטען האלקטרון הפוך ושווה בגודלו למטען הפרוטון, ומספר האלקטרונים במצב רגיל שווה למספר הפרוטונים כך שסכום המטענים הוא אפס.

המטען החשמלי נמדד במערכת היחידות הבינלאומית בקולון, על שם שארל-אוגוסטן דה קולון. מטען האלקטרון הוא -1.6 \times 10^{-19} קולון, ומטען הפרוטון הוא +1.6 \times 10^{-19} קולון.

הכוח החשמלי בין שני מטענים חשמליים יחסי למכפלת המטענים ולהיפוך ריבוע המרחק ביניהם, בדומה לכוח הכובד, אולם הכוח החשמלי חזק לערך פי 10^{36} מכוח הכובד.

סימון המטענים נקבע במקור על פי ניסוי בחשמל: בעת שפשוף פרווה בזכוכית עוברים אלקטרונים מהזכוכית לפרווה. מאחר שבנג'מין פרנקלין קבע שהזכוכית נטענת במטען חיובי, סימן האלקטרון נקבע כשלילי. מטען הפרוטון, אם כן, חיובי. חלקיקים שמורכבים מכמות שווה של מטענים חיובייים ושליליים מסתדרים כך שמטענים הפוכים נמשכים זה לזה. סך המטען של חלקיקים כאלו הוא אפס והם נקראים נייטרליים, והם למעשה אינם מפעילים כוחות חשמליים על חלקיקים נייטרלים אחרים. לכן לרוב אין אנו מרגישים כוחות משיכה או דחייה חשמלית בין גופים. עם זאת, במרחקים קטנים כמו בין מולקולות או אטומים, מורגשים כוחות שתלויים במרחקים בין המטענים החיוביים והשליליים (קשרי ואן דר ואלס הם דוגמה לכוחות כאלה).

האלקטרונים שומרים על מרחק מהפרוטונים למרות כוח המשיכה החשמלי, דבר הנובע מעקרון אי הוודאות במכניקת הקוונטים. יציבות גרעין האטום מתאפשרת למרות כוחות הדחייה החשמליים בין הפרוטונים בזכות הכוח הגרעיני החזק.

קווי השדה מציינים את כיוונו של השדה החשמלי, וצפיפותם את עוצמתו. משמאל שני מטעניין שווי סימן ומימין שני מטענים בעלי סימנים מנוגדים

הכוח שפועל בין מטענים נקודתיים מתואר על ידי חוק קולון, הקובע שכוח זה פרופורציוני למכפלת המטענים של הגופים ולהופכי של ריבוע המרחק ביניהם. חוק זה מתקיים כאשר המטענים נמצאים במנוחה ולכן הוא נקרא גם הכוח האלקטרוסטטי. כאשר המטענים נעים זה ביחס לזה פועל ביניהם כוח נוסף - הכוח המגנטי, התלוי רק בגודל המטענים ובמהירות היחסית שלהם. בכל מקרה קיים יחס ישר בין הכוח הפועל על מטען חשמלי כתוצאה ממטענים חשמליים אחרים לבין גודל המטען, והכוח ליחידת מטען הוא קבוע (בתנאי שמטען זה אינו משפיע על יתר המטענים). משום כך נוח להגדיר שדה חשמלי ככוח חשמלי ליחידת מטען ולתאר את חוקי החשמל בעזרת השדה כתכונה של המרחב, והוא מסומן E. באופן דומה מגדירים שדה מגנטי המסומן B. הכוח הפועל על מטען חשמלי בנוכחות שדה חשמלי ושדה מגנטי נקרא כוח לורנץ והוא אחד מארבעת כוחות היסוד של הטבע.

עקרון הסופרפוזיציה קובע שהשדה שיוצרים מספר מטענים הוא סכום השדות שיוצרים כל המטענים לחוד. במרחב התלת ממדי זהו סכום וקטורי. חוק גאוס הוא משוואה דיפרנציאלית חלקית שממנה ניתן לחשב את השדה החשמלי שיוצרת התפלגות מטען מרחבית כלשהי. עקרון הסופרפוזיציה נובע מכך שהיא משוואה לינארית.

מתח חשמלי וזרם חשמלי[עריכת קוד מקור | עריכה]

הכוח האלקטרוסטטי הוא כוח משמר ולכן ניתן לגזור אותו מאנרגיה פוטנציאלית, הנקראת אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען בנקודה כלשהי היא העבודה שיש להשקיע עליו על מנת להביאו מנקודת ייחוס אל הנקודה, כאשר נקודת הייחוס לרוב נבחרת כמרחק אינסופי מיתר המטענים. באופן שקול, האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית בנקודה היא הכוח החשמלי הפועל על מטען לאורך דרכו מהנקודה אל האינסוף. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית מסומנת ב-U ונמדדת בג'אול.

האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען פרופורציונית לגודל המטען, ולכן ניתן להגדיר פוטנציאל חשמלי כאנרגיה פוטנציאלית חשמלית ליחידת מטען. ניתן לגזור את השדה החשמלי ישירות מהפוטנציאל החשמלי באותו האופן שבו הכוח נגזר מהאנרגיה הפוטנציאלית. הפוטנציאל החשמלי במרחב מסומן \phi והוא תלוי רק בפילוג המטענים המרחבי. ניתן לחשב אותו בעזרת משוואת פואסון, או במרחב ריק ממטענים בעזרת משוואת לפלס.

מתח חשמלי בין שתי נקודות במרחב הוא ההפרש בין הפוטנציאלים החשמליים באותן נקודות. הוא מבטא את ההפרש באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית ליחידת מטען ולכן הוא גודל חשוב בתיאור מערכות חשמליות. המתח מסומן באות V ונמדד בוולט (על שם אלסנדרו וולטה).

מוליך הוא חומר שמכיל מטענים חשמליים חופשיים לתנועה (בניגוד למבודד). במתכת, לדוגמה, חלק מהאלקטרונים אינם נמצאים סביב גרעינים של אטומים מסוימים בסריג המתכתי, אלא נעים בו באופן חופשי. ניתן לטעון מתכת על ידי הוספת עודף או מחסור באלקטרונים. חוסר באלקטרון נקרא חור וניתן להתייחס אליו כאל גוף בעל מטען הפוך מזה של האלקטרון, כלומר מטען חיובי. המטענים העודפים במתכת יפעילו כוחות דחייה ביניהם ויסתדרו כך שהמרחקים ביניהם מקסימליים, או באופן שקול האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית מינימלית. מצב זה מתקיים כאשר הם מפולגים על פני הגוף המוליך בצפיפות מטען משטחית.

בנוכחות שדה חשמלי, חלק מהאלקטרונים החופשיים במוליך נייטרלי יתרכזו בצד האחד של המוליך כך שקיימת צפיפות מטען משטחית על פני המוליך, אך בצידו האחד הוא חיובי ובצידו האחר הוא שלילי וסך המטען הוא אפס. תופעה זו נקראת השראה אלקטרוסטטית. כתוצאה מכך השדה בתוך המוליך מתאפס, תופעה הידועה ככלוב פאראדיי.

סוללה חשמלית היא מקור לכוח אלקטרו מניע

בעת חיבור מוליך לשתי נקודות שביניהן קיים מתח חשמלי, למשל חיבור תיל מוליך בין שני מוליכים טעונים בעלי פוטנציאלים שונים, יזרמו בתיל המוליך מטענים מהגוף בעל הפוטנציאל הגדול יותר לגוף בעל הפוטנציאל הקטן יותר עד שהפוטנציאלים בשני הגופים ישתוו. קצב תנועת המטענים בזמן נקרא זרם חשמלי, ובמקרה הזה הוא רגעי. על מנת ליצור זרם חשמלי לאורך זמן יש צורך בכוח אלקטרו מניע - גורם שישמור על מתח קבוע בין שתי נקודות. הכוח האלקטרו מניע (בקיצור: כא"מ) הוא העבודה החיצונית שיש להשקיע על יחידת מטען על מנת ליצור הפרש פוטנציאלים בין שני הדקים מנותקים. בסוללה חשמלית, למשל, הכא"מ נוצר על ידי הפרדת מטענים חיוביים משליליים באמצעות תגובה כימית עם אלקטרודות אליהן מחוברים ההדקים. התקן שיוצר כא"מ בין שני הדקים נקרא מקור מתח. ההדק שבו הפוטנציאל גדול יותר מסומן + וההדק בו הפוטנציאל קטן יותר מסומן -. הארקה היא חיבור לאדמה, והיא משמשת הן כנקודת ייחוס לפוטנציאל החשמלי והן כאמצעי להגנה מפני הצטברות מטען גדולה מדי.

זרם חשמלי הוא גודל המטען העובר בשטח חתך (או בתיל) ביחידת זמן. כיוון הזרם הוא מפוטנציאל גדול לפוטנציאל קטן (או מחיובי לשלילי). זאת מלבד בתוך מקור כא"מ, שם מתבצעת עבודה על מנת להעביר מטענים מפוטנציאל נמוך לגבוה. מאחר שהזרם חיובי אם המטען שנע הוא חיובי, כיוון הזרם במתכת הפוך לזה של תנועת האלקטרונים. זרם שגודלו קבוע בזמן נקרא זרם ישר וזרם שמשתנה בזמן באופן מחזורי נקרא זרם חילופין. הזרם מסומן ב-I ונמדד באמפר (על שם אנדרה מרי אמפר).

ברוב המוליכים קיים יחס ישר בין המתח והזרם - קשר הידוע כחוק אוהם. היחס בין המתח לזרם נקרא התנגדות חשמלית, והגודל ההופכי להתנגדות נקרא מוליכות חשמלית - המידה שבה מתח על מוליך גורם לזרם דרכו. ההתנגדות מסומנת באות R ונמדדת באוהם (על שם גאורג אוהם). נגד הוא רכיב בעל התנגדות ידועה בין הדקיו.

בחיבור הדקי מקור מתח על ידי תיל מוליך יתרחש קצר חשמלי - יזרום זרם גדול מאוד שעלול לגרום להתחממות יתר, שריפה, התעוותות של חומרים, התחשמלות או התפוצצות. ריתוך הוא מעין קצר מבוקר, ונתיך וממסר פחת הם רכיבים שתפקידם לנתק את הזרם במקרה של קצר.

ניתן לייחס לנגד הספק משום שמטענים נעים בו מפוטנציאל גבוה לנמוך. קצב השינוי באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של המטענים בזמן נקרא הספק חשמלי. ההספק מסומן באות P ונמדד בואט (על שם ג'יימס ואט). ההספק החשמלי נתון על ידי מכפלת הזרם הזורם דרך נגד בהמתח הנופל עליו.

אלקטרודינמיקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנורות רחוב חשמליות
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מגנטיות

על מטען שנע ביחס למטענים אחרים פועל כוח נוסף מלבד הכוח החשמלי - הכוח המגנטי. הקשר בין הכוח המגנטי והשדה המגנטי נתון בכוח לורנץ. השדה המגנטי נוצר על ידי מטענים בתנועה, והקשר בינו לבין זרם המטענים נתון על ידי חוק אמפר או על ידי חוק ביו סבר. גם הכוח המגנטי היה ידוע עוד בימי קדם ככוח שפועל בין אבנים מסוימות לברזל, או ככוח שפועל על מחט של מצפן. אולם הקשר בין תופעת המגנטיות לבין חשמל נתגלתה רק ב-1821 על ידי הנס כריסטיאן ארסטד, שהבחין בשדה מגנטי שנוצר מסביב לתיל מוליך נושא זרם. התורה המאוחדת של החשמל והמגנטיות תוארה באופן מלא על ידי ג'יימס קלרק מקסוול במשוואות מקסוול. בעזרת משוואות אלה ניתן לתאר גם קרינה אלקטרומגנטית כגל של השדה האלקטרומגנטי.

השראה אלקטרומגנטית היא תופעה הקושרת בין חשמל ומגנטיות, בה שינוי בשטף מגנטי גורם להופעה של מתח חשמלי במוליך. תופעה זו מהווה את הבסיס לייצור של זרם חילופין על ידי גנרטור ולפעולתם של סליל ההשראה, השנאי והמנוע החשמלי. ההשראה האלקטרומגנטית מתוארת על ידי חוק פאראדיי, שהוא אחד ממשוואות מקסוול. חוק פאראדיי אומר, שהכוח האלקטרו מניע שנוצר בלולאה מוליכה סגורה נמצא ביחס ישר לקצב שינוי שטף השדה המגנטי דרך השטח הכלוא בלולאה. באותו אופן שבו השינוי בשטף מגנטי משרה מתח (שדה חשמלי לאורך דרך), כך גם שינוי בשטף של שדה חשמלי משרה שדה מגנטי לאורך דרך. זהו התיקון של מקסוול לחוק אמפר.

מעגלים חשמליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

איור של מעגל חשמלי. הסימונים השונים מייצגים רכיבים חשמליים.

מעגל חשמלי הוא מערכת שבה מחוברים מספר רכיבים, בדרך כלל למקור מתח. המעגל מיוצג בשרטוט שבו סימונים שונים מייצגים רכיבים חשמליים, וקווים ישרים מייצגים חיבור חשמלי (ראו איור). אופן החיבור הפשוט ביותר הוא חיבור בטור או במקביל. חיבור טורי הוא חיבור של שני רכיבים בזה אחר זה כך שהזרם שעובר דרכם שווה, אך המתח שנופל על כל אחד מהם עשוי להיות שונה. בחיבור מקבילי שני הדקי הרכיבים מחוברים אלה אל אלה כך שהמתח הנופל על הרכיבים שווה, אך הזרם שעובר בכל אחד מהם עשוי להיות שונה.

קיבול והשראות[עריכת קוד מקור | עריכה]

הקיבול של מוליך הוא היחס בין המטען שמצטבר עליו לפוטנציאל שלו. קבל הוא רכיב בעל קיבול ידוע והוא לרוב מכיל זוג מוליכים המחוברים לשני הדקים, וכאשר נופל מתח על ההדקים נצבר מטען שווה בגודלו והפוך בסימנו על פני המוליכים. הקיבול הוא תכונה של המבנה הגאומטרי של המוליכים ותלוי גם במבודד שמפריד ביניהם, הנקרא חומר דיאלקטרי. הקיבול מסומן באות C ונמדד בפאראד (על שם מייקל פאראדיי).

השראות היא תכונה של מעגל חשמלי, המראה עד כמה הוא מתנגד לשינויים בזרם בו על פי חוק לנץ. ההשראות מוגדרת כיחס בין השטף המגנטי דרך השטח הכלוא על ידי המעגל החשמלי לבין הזרם היוצר את השדה המגנטי. ההשראות מסומנת L ונמדדת בהנרי (על שם ג'וזף הנרי). סליל השראה הוא רכיב בעל השראות ידועה שלרוב תלויה במבנה הגאומטרי שלו.

היחס בין המתח הנופל על קבל או משרן לזרם הזורם דרכם אינו קבוע אלא תלוי בקצב שינוי המתח או הזרם בזמן. אך אם הרכיבים מחוברים למקור של זרם חילופין - זרם שמשתנה באופן מחזורי בצורה סינוסואידלית, המתחים והזרמים ברכיבים יהיו גם הם סינוסואידליים באותה התדירות אך עם משרעות שונות ובהפרשי מופע. עכבה חשמלית (הנקראת גם אימפדנס) היא גודל מרוכב המתאר את היחס בין המתח והזרם ברכיב כללי (לאחר זמן התייצבות כלשהו), בדומה להתנגדות. גודל העכבה הוא היחס בין משרעת המתח למשרעת הזרם, והזווית שלה בהצגה קוטבית היא הפרש המופע בין המתח והזרם.

אלקטרוניקה[עריכת קוד מקור | עריכה]

אלקטרוניקה היא תחום העוסק במעגלים המכילים רכיבים אלקטרוניים העשויים ממוליכים למחצה כמו דיודה וטרנזיסטור. בעזרת רכיבים אלקטרוניים ניתן ליצור מגברים, רכיבי מיתוג, שערים לוגיים, דלגלגים ועוד. הם מהווים את הבסיס לרוב מכשירי האלקטרוניקה ומכשירי החשמל הביתיים ותרמו תרומה עצומה להתקדמות הטכנולוגית במאה ה-20.

ייצור וצריכת חשמל[עריכת קוד מקור | עריכה]

עמוד חשמל דרכו עובר זרם מתחנת הכוח לצרכנים
עבודות תחזוקת רשת חשמל
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – ייצור חשמל

ייצור חשמל הוא תהליך המשתמש באמצעים שונים על-מנת להפוך אנרגיה מסוגים שונים לחשמל. זהו השלב הראשון בסדרה של תהליכים שכוללים גם את העברת החשמל וחלוקת החשמל אל הצרכנים, והזנת מוצרי חשמל באנרגיה אשר דרושה לפעולתם. רוב ייצור החשמל בעולם נעשה בתחנות כוח אלקטרו מכניות המופעלות בתוצרי נפט, פחם או גז טבעי, באמצעות השראה אלקטרומגנטית. קיימות גם דרכים אחרות להפקת חשמל ובהן: אנרגיה אטומית, אנרגיית רוח, אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיה סולארית, אנרגיה כימית ועוד. צריכת חשמל היא מכפלת ההספק שצורך מכשיר חשמלי במשך זמן פעולתו, והיא נמדדת בואט-שעה.

שימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]

לחשמל קשת רחבה של שימושים בעולם המודרני. לאחר המצאת הנורה החשמלית בסוף המאה ה-19, הפכה התאורה החשמלית למוצר החשמלי הראשון בו נעשה שימוש רחב והיא החליפה את התאורה באמצעות להבות. התנור החשמלי הוא בטיחותי ונוח, ובאמצעות חשמל מתאפשרת פעולת המקרר ומיזוג האוויר. למנוע החשמלי שימושים רבים ומגוונים. אותות חשמליים מאפשרים מחשוב ותקשורת, ומכשירי חשמל ואלקטרוניקה מהווים חלק משמעותי מהמוצרים שאנו צורכים. לחשמל שימושים ביתיים, תעשייתיים, רפואיים, צבאיים, ואף קיימת שיטה להוצאה להורג באמצעות חשמל בכסא חשמלי. למעשה החשמל הוא הכוח הפיזיקלי שרתם האדם לצרכיו באופן המגוון והרחב ביותר, וקשה לתאר את חייו של האדם המודרני ללא שימוש בו.

תופעות חשמליות בטבע[עריכת קוד מקור | עריכה]

ברקים

החשמל בא לידי ביטוי בתופעות טבע שונות:

  • ברק הוא תופעת הטבע החשמלית העוצמתית ביותר והוא נגרם מפריקת חשמל סטטי שנמצא בעננים. המתח החשמלי בין תחתית הענן לבין הקרקע נע בין 20 ל-100 מיליון וולט. עוצמת זרם הברק עשויה להגיע עד 10,000 אמפר. אחת מתוצאות של הזרימה החשמלית הזו היא שהאוויר בדרך מתחמם מאוד ויכול להגיע לטמפרטורה של למעלה מ-27 אלף מעלות.
  • רוב הכוחות המוכרים לנו ברמה המקרוסקופית הם כוחות חשמליים: הכוח הנורמלי, כוח החיכוך, הכוח האלסטי וסוגים שונים של קשרים כימיים כולם נגרמים מכוחות חשמליים מיקרוסקופיים.
  • השדה המגנטי של כדור הארץ נוצר על ידי תנועה סיבובית של יונים בליבת הארץ.
  • פיאזואלקטריות היא תופעה בה מאמץ לחיצה על גבישים מסוימים גורם למתח חשמלי, ולהיפך.
  • ניורונים במערכת העצבים מעבירים מידע באמצעות פוטנציאלי פעולה.
  • בעלי חיים רבים (לדוגמה, כרישים) רגישים לשינויים בשדה החשמלי. אחרים מסוגלים לייצר בעצמם שדות חשמליים רבי עוצמה המשמשים לניווט, ציד או הגנה עצמית. דג הטורפדו ממשפחת הכרישים, לדוגמה, מייצר מתח חשמלי של 50 וולט. הצלופח הדרום אמריקני בנהר האמזונס מייצר מתח של 660 וולט, שמסוכן אף לבני אדם.

הנדסת חשמל[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנוע חשמלי

הנדסת חשמל ואלקטרוניקה היא תחום בהנדסה העוסק בחשמל. התחום הפך לעיסוק בעל זהות מגובשת בסוף המאה ה-19 בד בבד עם מגמת המסחור של הטלגרף ושל אספקת חשמל לצרכנים. כיום, התחום מכסה מגוון רחב של תת-תחומים שבחלקם כלל אין עיסוק במעגלים חשמליים אלא בעיקר במתמטיקה שימושית. ביניהם ניתן למנות את הנדסת מערכות תקשורת, עיבוד אותות, אלקטרואופטיקה, מיקרואלקטרוניקה, קרינה אלקטרומגנטית, תורת הבקרה, הנדסת מחשבים, וזרם חזק (הספק והמרת אנרגיה).

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • Feynman R, Leighton R, and Sands M, The Feynman Lectures on Physics, Volume 2, Addison-Wesley, 1964

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]