מה זה חשמל במילים פשוטות
מטרת מאמר זה לעשות מבוא תאורטי יסודי-ראשוני בלבד לתחום חשמל ואינו מיועד למי שלמד על הנושא בכיתות מדעיות בחטיבה, בתיכון או בקורס מבוא (ומעלה) באוניברסיטה.
הבנת המאמר דורשת הכרות עם המונחים אטום, מולקולה, פרוטון, נויטרון ואלקטרון (למי שטרם הכיר מונחים אלה מומלץ לקרוא עליהם בוויקיפדיה העברית).
חשמל
המונח חשמל משמש לתאר כל תופעה הקשורה בנוכחות מטען חשמלי בחלקיק חומר מוגדר.
חלקיק חומר מוגדר יכול להיות למשל אטום בודד או מולקולה בודדה ובמובן רחב יותר גם מצבור חלקיקי חומר כגון תערובת אטומים ו\או מולקולות דוגמת נפח תמיסה אחיד או נפח גז אחיד, או, מבנה מורכב דוגמת מנגנון חשמלי במוצר חשמל.
המונח משמש לתאר הן תופעות חשמליות בחלקיקי חומר בעלי מטען חשמלי אשר אינם נעים במרחב[1] והן תופעות חשמליות הקשורות בחלקיקי חומר בעלי מטען חשמלי אשר הינם נעים במרחב[2].
הערות לפרק
- לגבי מצבור חלקיקי חומר המהווה "חלקיק חומר מוגדר" במרחב בעצמו ← המונח מתאר כל מצב בו מתקיימת אינטראקציה כימית בין שניים או יותר תתי-חלקיקים לכדי "חלקיק" גדול יותר. ברמת המאקרו (עצמים כפי שהם מוגדרים בחושי בני אדם בדרך כלל או ב"יום יום") מדובר על מספרים עצומים של מולקולות שקשה לאדם לכמת במונחי שפה אנושית (נניח 10 בחזקת 17 מולקולות במוצר פלסטיק טיפוסי).
מבוא לערך בנושא כימיה
כלל החומר ביקומנו מורכב מאטומים. אטום הוא יחידת חומר בסיסית. מולקולה היא מבנה טבעי המורכב משני אטומים או יותר הקשורים זה לזה בקשר כימי מסוג מסוים.
אטום מורכב מחלקיקי חומר שונים בעצמו (פרוטון אחד או יותר, נויטרון אחד או יותר ואלקטרון אחד או יותר).
גרעין אטום מורכב מפרוטון אחד או יותר ונויטרון אחד או יותר בעוד שמעטפת אטום מורכבת מאלקטרון אחד או יותר.
פרוטון ונויטרון מורכבים כל אחד מחלקיקי חומר שונים בעצמם אך אלקטרון נחשב כחלקיק חומר אלמנטרי (כלומר, אינו מורכב מחלקיקי חומר קטנים יותר).
כל חלקיק עם מטען חשמלי ("חלקיק טעון חשמלית") יכול לגרום לתופעות חשמליות, אך ככלל ביקומנו תופעה חשמלית תנבע ממטען חשמלי של פרוטונים ואלקטרונים בלבד.
הסיבה לכך היא שבטבע, בשל קיומו של הכוח הגרעיני החזק פרוטון ונויטרון ככלל יהיו כבולים זה לזה ולא ינועו בחופשיות יחסית כמו אלקטרונים.
מטען חשמלי הוא תכונה פיזיקלית אפשרית של כל אחד משלושת רכיבי האטום אשר אם תופיע, תוכל להופיע בעקבותיה תופעה חשמלית אחת או יותר.
תכונת מטען חשמלי יכולה להתבטא בשני אופנים ("שלילי" ו"חיובי").
באופן כללי, כל אטום ביקום נמצא במצב של היעדר מטען חשמלי מכך שיש בו איזון[3] בין כמות הפרוטונים לכמות האלקטרונים.
עם זאת, הוספת אלקטרון אחד או יותר לאטום, או גריעת אלקטרון אחד או יותר מאטום, תפר בו את האיזון הזה ותגרום להימצאות מטען חשמלי:
- במצב הראשון, של הוספת אלקטרון אחד או יותר, יווצר מטען שנהוג להגדיר "שלילי" ולסמן במינוס (-)
- במצב השני, של החסרת אלקטרון אחד או יותר, יווצר מטען שנהוג להגדיר "חיובי" ולסמן בפלוס (+)
ערך של מטען חשמלי לא יהיה 0 אלא רק 1- ומטה או 1+ ומעלה, שהרי 0 מסמל איזון ואיזון בין רכיבי האטום הוא היעדר מטען חשמלי.
שני המצבים שתוארו לעיל (מטען חשמלי שלילי או מטען חשמלי חיובי) נקראים מתח חשמלי שלילי או חיובי בהתאמה ובגובה מסוים. מכאן הביטוי "חשמל במתח גבוה".
הולכת מטען חשמלי ובידודו
בטבע, אטום שעבר שינוי להיות בחוסר איזון בין כמות פרוטונים לכמות אלקטרונים, ככלל ינטה לחזור לאיזון כמותי ביניהם.
בהתאם לכך, אם נצמיד חומר המכיל עודף אלקטרונים לחומר בו קיים חוסר באלקטרון אחד או יותר, אלקטרון אחד או יותר ינועו מהעודף לחוסר ליצירת איזון בהתאמה.
תנועה כזו נקראת זרם חשמלי והיא תתקיים בתנאי והחומר הינו חומר מוליך ולא חומר מבודד:
- ישנם חומרים, מתכות בעיקר, אשר בשל מבנה גרעין האטום שלהם, לפחות חלק מן האלקטרונים בקרבתם נוטים שלא להיצמד לגרעין האטום ולפיכך נעים כ"אלקטרונים חופשיים" אשר יכולים לעזוב את תחום האטום בקלות. חומרים אלה מכונים "מוליכים" מכך שאלקטרון יכול להיות "מולך" עליהם לכדי זרם חשמלי בין שניים או יותר אטומים כאלה
- מגוון חומרים ניחנים ביכולת לצבור עודף או חוסר של אלקטרונים, אך בשל מבנה גרעין האטום שלהם, הם מושכים אליהם אלקטרונים ולא נותנים להם לנוע בחופשיות בצורת זרם חשמלי ולכן מכונים חומרים מבודדים.
כלל חוטי החשמל עשויים מחומר מוליך (כגון נחושת) ומחומר מבודד (כגון פלסטיק). חומר מבודד עוטף חומר מוליך ומבודד את המתח שלו בכדי למנוע זליגה מסוכנת של חלקיקי חומר בעלי מטען חשמלי מן החוט.
הערות לפרק
- מטען חשמלי מכונה לעתים גם "מסה חשמלית" אם כי מונח זה איננו פורמלי
זרם חשמלי
במערכות חשמל הכוללות תנועה של חלקיקי חומר בעלי מטען חשמלי, זרם חלקיקים כאלה במתח נתון נע כזרם חשמלי ממקור זרם כגון תחנת חשמל או סוללה.
בטרם מקור זרם יעביר זרם על מוליך, עלינו לגרום לתחילת התהליך הזה, כלומר להניע אותו. סך האנרגיה שנשקיע לכך (ללא תלות בשאלה איך זה ייעשה) נקראת כוח אלקטרו-מניע.
בדרך כלל זרם חשמלי משקע חשמל שמקורו בתחנת חשמל ניתן בזרם חליפין וזרם חשמלי שמקורו בסוללה ניתן בזרם ישר.
יחידת זרם חשמלי קרויה אמפר וניתן למדודה באמצעות אמפרמטר. באופן כללי מבנים מקבלים זרם חליפין אשר מומר לזרם ישר במתח מסוים דרך טרנספורמר[4].
בהפעלת מוצר חשמל כגון מערכת מחשב, מתקבל זרם מטענים חשמליים במתח נתון אשר מווסת לרכיבי החשמל השונים דרך ספק כוח של המערכת.
אם מערכת מחשב מופעלת על ידי זרם חשמלי מתחנת חשמל, ככלל זרם חשמלי זה יהיה מסוג זרם חליפין במסלול חשמלי ("מעגל חשמלי") והפעלת המחשב היא למעשה סגירת המסלול החשמלי ("סגירת מעגל החשמלי").
לעומת זאת, אם המחשב מונע על סוללה (כמו במקרה של סמארטפון), ככלל יהיה זרם זה מסוג זרם ישר.
זרם חשמלי הולך ונעשה איטי בשל התנגדות חשמלית אך במערכות חשמל טיפוסיות (כמו מוצר חשמל ביתי) אין לנתון זה משמעות רבה.
חשמל ומגנטיות
תופעות החשמל ותופעת המגנטיות קשורות זו בזו ויחדיו הן נחשבות לכוח יסוד בטבע. כלומר, כוח שלא ניתן לתאר אותו כתוצאה של כוחות אחרים וקרוי הכוח האלקטרומגנטי.
זרם חשמלי של מטענים חשמליים מייצר שדה חשמלי (הנובע ישירות ממטען חשמלי ובהתאם למתח חשמלי) וכן שדה מגנטי.
שדה חשמלי מכיל אנרגיה פוטנציאלית מסוג אנרגיה פוטנציאלית חשמלית הנמדדת ביחידות ג'ול וניתנת להמרה לסוגי אנרגיה אחרים (כגון אנרגיית חום).
יחידת מטען היא חלקיק חומר בעל מטען חשמלי או מצבור של שניים או יותר חלקיקים כאלה.
פוטנציאל חשמלי הוא אנרגיה פוטנציאלית חשמלית ליחידת מטען.
הפרש פוטנציאלים ("מתח חשמלי") הוא ההפרש[5] המתקבל מחיסור ממוצע האנרגיה בג'ול של מטען בנקודה B במרחב, מממוצע האנרגיה בג'ול של מטען בנקודה A במרחב.
עם זאת, הגדרה זו כללית מדי ולא פרקטית שכן לא ניתן למדוד אנרגיה של כל מטען המכיל אותה במרחב. לכן, בהגדרה פרקטית יותר, הפרש פוטנציאלים הוא הפרש חיסור ממוצע אנרגיה מדוד של מטען בנקודה B בשדה חשמלי, מממוצע אנרגיה מדוד של מטען בנקודה A בשדה חשמלי[6].
עיסוק עם מערכות חשמל
להלן מידע בסיסי על עיסוק עם מערכות חשמל ועל דרכים להגן על המשתמשים מבעיות עימן.
כאשר מתעסקים עם מערכות חשמל יש להקפיד על כל תקנת בטיחות סבירה כגון כיבוי מוצר חשמל (חסימת זרם) וניתוקו ממקור זרם בכלל ומשקע חשמל בפרט (במקרים מסוימים אף מסוללה) וכן הימנעות ממגע בכבל חשמל חשוף או השארת נוזלים וחומרים דליקים ליד מוצר חשמל ועוד בכדי למנוע התחשמלות[7] שהיא מצב בו זרם חשמלי חיצוני זורם דרך גוף אדם או בעל חיים אחר ואשר היא מסוכנת לחיים ויכולה להביא לפציעה או מוות ולבעיות ואסונות כגון התחממות יתר, עיוות, פיצוץ ושריפה.
קצר חשמלי
מפל מתח ("קצר חשמלי" או רק "קצר") הוא מצב בו שני קטבים בעלי מטען חשמלי מנוגד (חיובי ושלילי) נוגעים זה בזה, בין אם באופן ישיר ובין אם דרך חומר מוליך המהווה תווך, כגון גז או מים.
מפל מתח יכול לגרום לזרם במתח גבוה מאד ולכן ככלל הוא מסוכן ביותר.
עם זאת, במקרים נדירים, במערכות מסוימות, קצר הוא מצב רצוי. כך למשל, בפעולת ריתוך מתכות (למשל לצורך חיבור שתי מתכות) משתמשים לעיתים במסלול מקוצר, על מנת ליצור הספק חשמלי (כמות אנרגיה חשמלית ליחידת זמן) גדול דיו אשר דרך מבנה המערכת תותמר לאנרגיית חום ותשמש לחימום המתכות.
נתיך (פיוז) וממסר פחת הם רכיבים שתפקידם להפסיק זרם במקרה של קצר.
זרם זליגה
הפרעה נפוצה במסלול חשמלי היא זרם זליגה (מכונה גם בריחת מתח). אז חלק מזרם המטענים החשמליים דולף החוצה (דרך פתח או חור בחומר מבודד ולא ממשיך מסלול חשמלי מלא.
זרם זליגה הוא מסוכן שכן הוא יכול לגרום להתחשמלות (עליה יוסבר עוד בהמשך) וניתן להתגונן ממנו על ידי התקנת מנגנון הארקת חירום המאריק (מעביר) זרם לאדמה (אדמת כדור הארץ בקרבת המתקן החשמלי) אשר באופן טבעי יוארק לשם במקום לגוף האדם בשל משיכה טובה הרבה יותר אך פתרון זה אינו מגן מפני שריפות שכן הארקת חירום יכולה לגרום לחום רב בעצמה. שימוש במנגנון הארקת חירום במערכת חשמל של בניין או מוצר חשמל זהו תקן בטיחות בסיסי.
בקצר חשמלי יש התנגדות חשמלית נמוכה ביותר ולכן זרם חזק מאד עם המון חום נקודתי ומהיר (פיצוץ) וזליגה היא רק דליפה של זרם מטענים חשמליים.
פריקת מטען חשמלי לעומת אובדן מטען חשמלי
פריקת מטען חשמלי (electric discharge) פירושו העברת מטען חשמלי דרך תווך, כגון גז. פריקת מטען חשמלי יכולה להיקרא גם "פיזור מטען חשמלי"[8].
פריקת מטען חשמלי דרך מקטע אוויר הכולל יונים[9] נקרא פריקת קורונה (corona discharge) שהיא תופעה הנפוצה בעמודי חשמל המפיקים רעש עקבי בשל זרם זליגה לא מטופל מהם[10].
יש להבחין בין פריקת מטען חשמלי לבין אובדן מטען חשמלי (loss of electrical charge)[11] שהיא תופעה במסגרתה חלקיק חומר בעל מטען חשמלי מאבד את מטענו החשמלי (כלומר איננו עוד במצב של חוסר איזון בין חלקיקים פנימיים והוא חזר למצב של איזון בין חלקיקים פנימיים).
חשמל סטטי איננו פריקת מטען חשמלי אלא אי יציבות מצד חלקיקים טעונים חשמלית שהתקבעו בקרבת חומר ואינם זורמים ממנו כזרם חשמלי.
דלגלג (פליפ-פלופ)
למונח דלגלג (באנגלית: Flip-flop ; "פליפ-פלופ" ; פונטית נכון לבטא את התרגום העברי dlag-lag) הגדרות שונות בתחומים שונים כגון תורת החשמל, פיתוח תוכנה ואף פוליטיקה; המכנה המשותף לכלל ההגדרות השונות למונח הוא מעבר ממצב אחד ("פליפ") למצב שני ("פלופ") כתגובה לתרחיש ("איוונט") מסוים.
בתורת החשמל, הגדרה כללית היא מערכת חשמלית בעלת שני מצבים אפשריים שיכולה לזכור סיבית מידע אחת (ביט מידע אחד).
דלגלג כזה יכול להיות מבוקר כך שרק במתח חשמלי מסוים מצבו (ובהתאם לכך גם הפלט שלו) ישתנה.
- דוגמה אחת היא מערכת צירופית שהפלט שלה תלוי קלט מיידי
- דוגמה שנייה היא מערכת סידרתית שהפלט שלה תלוי קלט זכור (בהתקן זיכרון) ובקלט מיידי יחדיו
באופן כללי כל דלגלג מאופס לערך 0; כלומר כמבנה מידע שיש בו סיבית אחת לפחות, באופן כללי ערכה יוגדר כ-0.
דלגלג יכול להיות נעול במצב מסוים כך שכל עוד הוא במצב מסוים הפלט שלו יינתן בהתאם למצב הזה
הערות שוליים
- ^ אלקטרוסטטיטקה
- ^ אלקטרודינמיקה
- ^ בהקשר חשמל, "איזון" מכונה לעתים חלופית "נייטרליות"
- ^ בהיעדר מצב זה היה נדרש להקים תחנת חשמל קטנה ליד כל מבנה
- ^ במובן של חיסור מתמטי
- ^ חלקיק חומר יכול להישאר במקומו כחלקיק אלקטרוסטטי ועדיין יהיו בו הפרשי פוטנציאלים (כלומר, הוא עדיין יוכל לצאת מאיזון) בשל כוחות הפועלים עליו מבחוץ באופן שווה (למשל משני כיוונים או מארבע כיוונים)
- ^ מכונה גם "מכת חשמל"
- ^ או פשוט פריקה חשמלית או פיזור חשמלי
- ^ אטומים ו\או מולקולות בעלי מטען חשמלי
- ^ ההבדל בין פריקת קורונה לבין מה שמכונה קשת חשמלית הינו שפריקת קורונה מתפרשת על פני מקטע גז "רב" וקשת חשמלית מתפרשת על פני מקטע גז "צר" (ולכן היא חמה מאד במקום אחד). בניגוד לניצוץ או ברק למשל שהם אירועים רגעיים ← קשת חשמלית היא אירוע שמתמשך לפרקי זמן ארוכים יותר משבריר שנייה
- ^ המכונה לעתים בטעות "התפרקות מטען חשמלי"