חשמל

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

חשמל היא תכונה של תת־חלקיקים מסוימים, כמו אלקטרונים ופרוטונים, המאפשרת כוחות משיכה ודחיה ביניהם.

זהו אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים בטבע. חשמל נחשב לתכונה המשויכת לחומר ואותה ניתן לכמת (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. (כמובן 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.

תוכן עניינים 1 מושגים מעולם החשמל 2 מעגלים חשמליים 3 ייצור חשמל 4 תופעות של חשמל בטבע 5 מקור המילה חשמל 6 קישורים חיצוניים

[עריכה] מושגים מעולם החשמל

• 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).

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

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

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

• מבודד (דיאלקטרן): חומר שאיננו מוליך.

• מקור מתח (או: ספק מתח): מספק זרם החשמלי (אנרגיה חשמלית) כדי לשמור על מתח מסוים בין הדקיו. לדוגמה: סוללה, מצבר, שקע (אחד ממתקני החשמל של חברת החשמל).

• זרם: 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).

• 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).

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

• חוק אוהם: (היחס בין מתח לזרם במעגל שווה להתנגדות בו). נוסחה חשובה בתורת החשמל המייצגת את הקשר בין מתח, זרם והתנגדות במעגלים חשמליים רבים.

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

• 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.

• 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)

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

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

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

• 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).

• קצר חשמלי: העברת חשמל במעגל חשמלי שהתנגדות שלו היא אפסית (כלומר: נדרש זרם אינסופי). ריתוך הוא בעצם סוג של קצר מבוקר.

• נתיך (פיוז): רכיב שתפקידו להפסיק את הזרם במידה ויש צריכת זרם מעל ערך רצוי, זאת בכדי למנוע השרפות של חוטי החשמל בקירות ובכדי למנוע שריפה. לדוגמה בבתים מקובל נתיך של 10A לקווי מאור, ושל 20A לקווי הספק.

• 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: (ההספק שווה למכפלת הזרם במתח).

• מגנטיות: תופעת מפתח בייצור חשמל שעליה מתבססים מחוללים ומנועים.

מגנט: עצם היוצר שדה מגנטי מסביבו.

עוד בעניין: אלקטרומגנטיות.

• 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).

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

[עריכה] מעגלים חשמליים

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

רוב החשמל בעולם מיוצר בתחנות כוח המופעלות בתוצרי נפט או פחם. שם משתמשים באנרגיה המכנית המופקת משריפת תוצרים אלו כדי לסובב גנרטורים. הגנרטור (מחולל) הוא מתקן חשמלי המשמש ליצור חשמל מאנרגיה מכנית. גנרטור מורכב מציר, שעליו סליל מוליך, הנע בשדה מגנטי ומייצר זרם חשמלי (זרם חילופין).

קיימות מספר דרכים אחרות ליצור חשמל:

• על ידי שימוש באנרגיה מכנית ממקורות חלופיים:
  • אנרגיה אטומית: על ידי שימוש באנרגיית החום הנפלטת מביקוע גרעיני מייצרים קיטור המניע טורבינות שבתורן מניעות גנרטור.
  • אנרגיית רוח: ניתן לרתום את הרוח לסובב גנרטורים.
  • אנרגיית מים: בארצות שבהן יש נהרות גדולים, בונים סכרים ורותמים את האנרגיה של נפילת המים לייצור חשמל.
  • אנרגיה שאובה: שימוש בחשמל, בשעות שפל התצרוכת, לשם שאיבת מים, והפלת המים, לשם ייצור חשמל, בשעות שיא התצרוכת.
• אנרגיה סולארית: במקומות בהן קיים קושי לסלול תשתית חשמל או במקומות בהן הדבר בלתי אפשרי (כמו בתחנות חלל ולוינים) ניתן להשתמש בתאים סולריים (פוטו-וולטאים). תאים אלו ממירים אור לאנרגיה חשמלית.
• אנרגיה כימית: תא חשמלי הוא מיכל המכיל בתוכו שתי תרכובות כימיות ומוליכים אל מחוץ לתא. כאשר מחוברת התנגדות למוליכים, זורם מטען חשמלי ביניהם. ניתן לחבר מספר תאים בטור ולקבל מתח גבוה יותר או מספר תאים במקביל ולקבל הספק לפרק זמן ארוך יותר. כיום קיימות מספר טכנולוגיות ליצור תאים לשימוש רב פעמי (סוללות נטענות) או לשימוש חד פעמי.

בישראל ניתן למצא דוגמאות לרוב אמצעי יצור אלו. ברמת הגולן קיים שדה של תחנות רוח. במספר רב של מקומות ניתן לשים לב לשימוש בתאים סולריים ליצור חשמל בכמויות קטנות כמו עמודי תאורה או מחשבי השקיה במקומות נידחים. בכורי מחקר גרעיני מיוצר חשמל. וכמובן שעיקר יצור החשמל עדיין מגיע מתחנות כוח המשתמשות בדלק קונבנציונלי להנעתן.

[עריכה] תופעות של חשמל בטבע

• ברקים: הברק הינו תופעה חשמלית רבת עוצמה. בנג'מין פרנקלין הוכיח זאת באמצעות ניסוי העפיפון המפורסם שלו.

• 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.

• גירוי חשמלי: ניורונים במערכת העצבים מעבירים מידע באמצעות דפקים חשמליים

• 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:

• "דמותם כחשמל הוד במפעלותם מדברים רעדה ואש במכונם ממולאים פחד מושלים ברוחות המשוטטות בארץ ובמקום שיזכרו לא תוכל להראות שם רוח רעה"

[עריכה] קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: חשמל
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: חשמל

• גליון של כתב העת "כמעט 2000", המוקדש לחשמל באתר סנונית