הפיזיקה של החשמל היא משהו שכל אחד מאיתנו צריך להתמודד איתו. במאמר נשקול את המושגים הבסיסיים הקשורים אליו.
מהו חשמל? עבור אדם לא מיודע, זה קשור להבזק של ברק או לאנרגיה שמזינה את הטלוויזיה ומכונת הכביסה. הוא יודע שרכבות חשמליות משתמשות באנרגיה חשמלית. מה עוד הוא יכול להגיד? קווי חשמל מזכירים לו את התלות שלנו בחשמל. מישהו יכול לתת עוד כמה דוגמאות.
עם זאת, תופעות רבות אחרות, לא כל כך ברורות, אבל יומיומיות קשורות לחשמל. הפיזיקה מציגה לנו את כולם. אנחנו מתחילים ללמוד חשמל (משימות, הגדרות ונוסחאות) בבית הספר. ואנחנו לומדים הרבה דברים מעניינים. מסתבר שלב פועם, ספורטאי רץ, תינוק ישן ודג שוחה כולם מייצרים אנרגיה חשמלית.
אלקטרונים ופרוטונים
בואו נגדיר את המושגים הבסיסיים. מנקודת מבטו של מדען, הפיזיקה של החשמל קשורה לתנועת אלקטרונים וחלקיקים טעונים אחרים בחומרים שונים. לכן, ההבנה המדעית של מהות התופעה המעניינת אותנו תלויה ברמת הידע על אטומים והחלקיקים התת-אטומיים המרכיבים אותם.האלקטרון הזעיר הוא המפתח להבנה זו. האטומים של כל חומר מכילים אלקטרונים אחד או יותר הנעים במסלולים שונים סביב הגרעין, בדיוק כפי שכוכבי הלכת מסתובבים סביב השמש. בדרך כלל מספר האלקטרונים באטום שווה למספר הפרוטונים בגרעין. עם זאת, פרוטונים, בהיותם כבדים בהרבה מאלקטרונים, יכולים להיחשב כאילו הם קבועים במרכז האטום. די במודל הפשוט ביותר הזה של האטום כדי להסביר את היסודות של תופעה כזו כמו הפיזיקה של החשמל.
מה עוד אתה צריך לדעת? לאלקטרונים ולפרוטונים יש אותו מטען חשמלי (אך סימן שונה), ולכן הם נמשכים זה לזה. המטען של פרוטון הוא חיובי ושל האלקטרון שלילי. אטום שיש בו יותר או פחות אלקטרונים מהרגיל נקרא יון. אם אין מספיק מהם באטום, אז זה נקרא יון חיובי. אם הוא מכיל עודף מהם, אז הוא נקרא יון שלילי.
כאשר אלקטרון עוזב אטום, הוא רוכש מטען חיובי כלשהו. אלקטרון, שחסר לו היפוכו - פרוטון, או שנע לאטום אחר, או חוזר לאטום הקודם.
למה אלקטרונים עוזבים אטומים?
זה נובע מכמה סיבות. הכללית ביותר היא שבהשפעת דופק אור או אלקטרון חיצוני כלשהו, ניתן להוציא אלקטרון שנע באטום ממסלולו. חום גורם לאטומים לרטוט מהר יותר. זה אומר שהאלקטרונים יכולים לעוף מהאטום שלהם. בתגובות כימיות, הם גם נעים מאטום אלatom.
דוגמה טובה לקשר בין פעילות כימית וחשמלית מספקת השרירים שלנו. הסיבים שלהם מתכווצים כאשר הם נחשפים לאות חשמלי ממערכת העצבים. זרם חשמלי מעורר תגובות כימיות. הם מובילים להתכווצות שרירים. אותות חשמליים חיצוניים משמשים לעתים קרובות כדי לעורר באופן מלאכותי פעילות שרירים.
מוליכות
בחומרים מסוימים, אלקטרונים תחת פעולת שדה חשמלי חיצוני נעים בחופשיות רבה יותר מאשר באחרים. אומרים כי חומרים כאלה בעלי מוליכות טובה. הם נקראים מנצחים. אלה כוללים את רוב המתכות, גזים מחוממים, וכמה נוזלים. אוויר, גומי, שמן, פוליאתילן וזכוכית הם מוליכים גרועים של חשמל. הם נקראים דיאלקטריים ומשמשים לבידוד מוליכים טובים. מבודדים אידיאליים (לא מוליכים לחלוטין) אינם קיימים. בתנאים מסוימים, ניתן להסיר אלקטרונים מכל אטום. עם זאת, בדרך כלל כל כך קשה לעמוד בתנאים האלה, שמבחינה מעשית, חומרים כאלה יכולים להיחשב לא מוליכים.
היכרות עם מדע כמו פיזיקה (סעיף "חשמל"), אנו למדים שיש קבוצה מיוחדת של חומרים. אלו הם מוליכים למחצה. הם מתנהגים בחלקם כדיאלקטריים ובחלקם כמוליכים. אלה כוללים, במיוחד: גרמניום, סיליקון, תחמוצת נחושת. בשל תכונותיו, המוליך למחצה מוצא יישומים רבים. לדוגמה, זה יכול לשמש כשסתום חשמלי: כמו שסתום צמיג אופניים, זהמאפשר למטענים לנוע בכיוון אחד בלבד. מכשירים כאלה נקראים מיישרים. הם משמשים במכשירי רדיו מיניאטוריים וכן בתחנות כוח גדולות להמרת AC ל-DC.
חום הוא צורה כאוטית של תנועה של מולקולות או אטומים, והטמפרטורה היא מדד לעוצמת התנועה הזו (ברוב המתכות, עם ירידה בטמפרטורה, תנועת האלקטרונים נעשית חופשית יותר). המשמעות היא שההתנגדות לתנועה חופשית של אלקטרונים יורדת עם ירידה בטמפרטורה. במילים אחרות, המוליכות של מתכות עולה.
מוליכות-על
בחומרים מסוימים בטמפרטורות נמוכות מאוד, ההתנגדות לזרימת אלקטרונים נעלמת לחלוטין, והאלקטרונים, לאחר שהחלו לנוע, ממשיכים אותה ללא הגבלת זמן. תופעה זו נקראת מוליכות-על. בטמפרטורות של כמה מעלות מעל האפס המוחלט (-273 מעלות צלזיוס), הוא נצפה במתכות כמו בדיל, עופרת, אלומיניום וניוביום.
גנרטורים של ואן דה גראף
תוכנית הלימודים בבית הספר כוללת ניסויים שונים בחשמל. ישנם סוגים רבים של גנרטורים, על אחד מהם נרצה לדבר ביתר פירוט. גנרטור ואן דה גראף משמש לייצור מתחים גבוהים במיוחד. אם חפץ המכיל עודף של יונים חיוביים מונח בתוך מיכל, אזי יופיעו אלקטרונים על פני השטח הפנימיים של האחרון, ומספר זהה של יונים חיוביים יופיע על פני השטח החיצוניים. אם כעת ניגע במשטח הפנימי עם עצם טעון, אז כל האלקטרונים החופשיים יעברו אליו. מבחוץחיובים חיוביים יישארו.
בגנרטור Van de Graaff, יונים חיוביים ממקור מוחלים על מסוע בתוך כדור מתכת. הקלטת מחוברת למשטח הפנימי של הכדור בעזרת מוליך בצורת מסרק. האלקטרונים זורמים למטה מהמשטח הפנימי של הכדור. יונים חיוביים מופיעים בצדו החיצוני. ניתן לשפר את האפקט על ידי שימוש בשני גנרטורים.
זרם חשמלי
קורס הפיזיקה של בית הספר כולל גם דבר כזה כמו זרם חשמלי. מה זה? זרם חשמלי נובע מתנועת מטענים חשמליים. כאשר מנורה חשמלית המחוברת לסוללה נדלקת, זרם זורם דרך חוט מקוטב אחד של הסוללה אל המנורה, לאחר מכן דרך שערה, גורם לו להאיר, וחוזר דרך החוט השני אל הקוטב השני של הסוללה.. אם המתג מסובב, המעגל ייפתח - זרימת הזרם תיעצר והמנורה תכבה.
תנועת אלקטרונים
זרם ברוב המקרים הוא תנועה מסודרת של אלקטרונים במתכת המשמשת כמוליך. בכל המוליכים ובכמה חומרים אחרים תמיד מתרחשת תנועה אקראית כלשהי, גם אם אין זרם זורם. אלקטרונים בחומר יכולים להיות חופשיים יחסית או קשורים בחוזקה. מוליכים טובים יש אלקטרונים חופשיים שיכולים לנוע. אבל במוליכים גרועים, או מבודדים, רוב החלקיקים האלה מחוברים מספיק חזק עם אטומים, מה שמונע את תנועתם.
לפעמים תנועת אלקטרונים בכיוון מסוים נוצרת באופן טבעי או מלאכותי במוליך. זרימה זו נקראת זרם חשמלי. הוא נמדד באמפר (A). יונים (בגזים או בתמיסות) ו"חורים" (מחסור באלקטרונים בחלק מסוגי מוליכים למחצה) יכולים לשמש גם כנשאי זרם. האחרונים מתנהגים כמו נושאי זרם חשמלי טעונים חיובית. יש צורך בכוח מסוים כדי לגרום לאלקטרונים לנוע בכיוון אחד או אחר. בטבע המקורות שלו יכולים להיות: חשיפה לאור שמש, השפעות מגנטיות ותגובות כימיות. חלקם משמשים לייצור חשמל. בדרך כלל למטרה זו הם: גנרטור המשתמש באפקטים מגנטיים, ותא (סוללה) שפעולתו נובעת לתגובות כימיות. שני המכשירים, היוצרים כוח אלקטרו-מונע (EMF), גורם לאלקטרונים לנוע בכיוון אחד במעגל. ערך ה-EMF נמדד בוולט (V). אלו הן היחידות הבסיסיות של חשמל.
גודל ה-EMF וחוזק הזרם קשורים זה בזה, כמו לחץ וזרימה בנוזל. צינורות מים תמיד מלאים במים בלחץ מסוים, אבל המים מתחילים לזרום רק כשהברז נפתח.
באופן דומה, ניתן לחבר מעגל חשמלי למקור של EMF, אך זרם לא יזרום בו עד שנוצר נתיב עבור האלקטרונים לנוע לאורכו. זה יכול להיות, למשל, מנורה חשמלית או שואב אבק, המתג כאן משחק תפקיד של ברז ש"משחרר" זרם.
היחס בין הנוכחי לביןמתח
ככל שהמתח במעגל עולה, כך גם הזרם עולה. בלימוד קורס פיזיקה נלמד שמעגלים חשמליים מורכבים מכמה חלקים שונים: בדרך כלל מתג, מוליכים ומכשיר שצורך חשמל. כולם, המחוברים יחד, יוצרים התנגדות לזרם חשמלי, אשר (בהנחה של טמפרטורה קבועה) עבור רכיבים אלו אינה משתנה עם הזמן, אלא שונה עבור כל אחד מהם. לכן, אם אותו מתח מופעל על נורה ועל ברזל, אזי זרימת האלקטרונים בכל אחד מהמכשירים תהיה שונה, שכן ההתנגדויות שלהם שונות. לכן, עוצמת הזרם הזורם דרך קטע מסוים של המעגל נקבעת לא רק על ידי מתח, אלא גם על ידי ההתנגדות של מוליכים והתקנים.
חוק אוהם
ערך ההתנגדות החשמלית נמדד באוהם (אוהם) במדע כמו פיזיקה. חשמל (נוסחאות, הגדרות, ניסויים) הוא נושא עצום. לא נגזר נוסחאות מורכבות. להיכרות ראשונה עם הנושא, די במה שנאמר לעיל. עם זאת, עדיין כדאי לגזור נוסחה אחת. היא די לא מסובכת. עבור כל מוליך או מערכת של מוליכים והתקנים, הקשר בין מתח, זרם והתנגדות ניתן על ידי הנוסחה: מתח=זרם x התנגדות. זהו הביטוי המתמטי של חוק אוהם, על שם ג'ורג' אוהם (1787-1854), אשר ביסס לראשונה את הקשר בין שלושת הפרמטרים הללו.
פיזיקה של חשמל היא ענף מעניין מאוד במדע. שקלנו רק את המושגים הבסיסיים הקשורים אליו. האם ידעתמהו חשמל וכיצד הוא מופק? אנו מקווים שתמצא מידע זה שימושי.
