יסודות תורת החשמל · פרק 1 — מטען, כוח ושדה חשמלימבוא להנדסת אלקטרוניקה · סמל מקצוע 11.00⌂📚🏠
פרק 1

מטען, כוח ושדה חשמלי

כיתה י׳ · 2 שעות לימוד

אם נשפשף סרגל פלסטיק בפיסת צמר ונקרב אותו אל פיסות נייר קטנות, פיסות הנייר יימשכו אל הסרגל. הגורם לתופעה הזאת הוא המטען החשמלי, והוא נקודת המוצא של כל תורת החשמל: מן המטען נוצר השדה, מן השדה נוצר המתח, ומן המתח נוצר הזרם. בפרק הזה נכיר את המטען, את האטום הנושא אותו, ואת הכוח והשדה הנוצרים בין מטענים.

בסוף הפרק הזה נדע:
  • המטען החשמלי הוא תכונה בסיסית של החלקיקים היסודיים, ויש ממנו שני סוגים: חיובי ושלילי.
  • מטענים שווי סימן דוחים זה את זה ומטענים שוני סימן מושכים זה את זה, ונחשב את הכוח ביניהם לפי חוק קולון.
  • שדה חשמלי מקיף כל מטען; נתאר אותו בקווי שדה ונחשב את עוצמתו לפי E = Fq.
  • האטום בנוי מגרעין שבו פרוטונים ונייטרונים, ומאלקטרונים הנעים סביבו.
  • נבחין בין גוף ניטרלי לבין גוף טעון.

המטען כתכונה בסיסית של החלקיקים היסודיים (Electric Charge)

מטען חשמלי: הוא תכונה בסיסית של חלקיקי החומר, בדיוק כמו המסה. על חלקיק הנושא מטען פועל כוח כשהוא נמצא בקרבת מטענים אחרים. יש שני סוגי מטענים: חיובי ושלילי.

החומר בנוי משלושה חלקיקים יסודיים: הפרוטון נושא מטען חיובי, האלקטרון נושא מטען שלילי, והנייטרון אינו נושא מטען. מטען האלקטרון ומטען הפרוטון שווים בגודלם ומנוגדים בסימנם. הגודל הזה נקרא המטען היסודי ומסומן באות e:

e = 1.6·10−19 C
הערה: את המטען נסמן באות Q או q. יחידת המדידה של המטען במערכת היחידות הבין-לאומית SI היא הקולון, וסימנה [C]. קולון אחד הוא מטען גדול מאוד, ולכן נשתמש בדרך כלל במילי-קולון [mC] ובמיקרו-קולון [µC]: 1 mC = 10−3 C , 1 µC = 10−6 C.

המטען היסודי הוא המטען החופשי הקטן ביותר בטבע: אי אפשר לחלק את מטען האלקטרון לחלקים. כמו כן אי אפשר ליצור מטען או להשמיד אותו; מטענים רק עוברים מגוף לגוף. הכלל הזה נקרא שימור המטען.

הכוח בין מטענים:

בין כל שני גופים טעונים פועל כוח חשמלי. בין מטענים שווי סימן פועל כוח דחייה, ובין מטענים שוני סימן פועל כוח משיכה:

++
חיובי וחיובי: דחייה
−−
שלילי ושלילי: דחייה
+−
חיובי ושלילי: משיכה

את גודל הכוח קובע חוק קולון: הכוח גדל ככל ששני המטענים גדולים יותר, וקטן ככל שהמטענים מתרחקים זה מזה.

חוק קולון
F = k·Q1·Q2r2
סימןמשמעותיחידת מידה
Fהכוח החשמלי ההדדי בין שני המטענים[N]
Q1 , Q2גודלו של כל מטען[C]
rהמרחק בין שני המטענים[m]
kקבוע קולון, 9·109[N·m²/C²]
דוגמה 1.1
שני מטענים נקודתיים שגודלם Q1 = 2 µC ו- Q2 = 3 µC , והמרחק ביניהם 30 cm. נחשב את הכוח ההדדי ביניהם.
פתרון:

נמיר את הנתונים ליחידות הבסיס: Q1 = 2·10−6 C , Q2 = 3·10−6 C , r = 0.3 m.

F = k·Q1·Q2r2
F = 9·109 · 2·10−6 · 3·10−6(0.3)2 = 0.6 N

שני המטענים חיוביים, ולכן הכוח ביניהם הוא כוח דחייה.

F = 0.6 N
שאלה 1.1: בדוגמה הקודמת נרחיק את שני המטענים למרחק של 60 cm.
א. נחשב את הכוח החדש.
ב. פי כמה קטן הכוח?

השדה החשמלי וקווי השדה:

כיצד מטען "מרגיש" בקיומו של מטען אחר הרחוק ממנו? כל מטען משנה את המרחב שסביבו, והשינוי הזה נקרא שדה חשמלי.

שדה חשמלי: הוא המרחב שסביב המטען, שבו פועל כוח חשמלי על כל מטען אחר. עוצמת השדה בנקודה מסוימת היא הכוח הפועל על כל קולון אחד המוצב באותה נקודה.
עוצמת השדה החשמלי
E = Fq
סימןמשמעותיחידת מידה
Eעוצמת השדה החשמלי[N/C]
Fהכוח הפועל על המטען הנמצא בשדה[N]
qהמטען הנמצא בשדה[C]

אי אפשר לראות את השדה החשמלי, ולכן מסרטטים אותו בעזרת קווי השדה. קו שדה מראה את כיוון הכוח הפועל על מטען חיובי המוצב בשדה.

+
מטען חיובי: הקווים יוצאים ממנו
−
מטען שלילי: הקווים נכנסים אליו
+−+−+−+−+−dE
בין שני לוחות טעונים: שדה אחיד
דוגמה 1.2
מטען שגודלו 2 µC הוצב בנקודה בתוך שדה חשמלי, ופעל עליו כוח שגודלו 0.06 N. נחשב את עוצמת השדה בנקודה הזאת.
פתרון:

נתונים: q = 2·10−6 C , F = 0.06 N. נדרש: E.

E = Fq
E = 0.062·10−6 = 3·104 N/C
E = 3·104 N/C
הערה: הכוח שהשדה מפעיל על מטען חיובי פועל בכיוון קווי השדה, ועל מטען שלילי בניגוד לכיוונם. לכן אלקטרון נע בשדה בניגוד לכיוון קווי השדה. נזדקק לעובדה הזאת כשנלמד על הזרם החשמלי בפרק 3.
שאלה 1.2: על מטען שגודלו 4 mC המוצב בנקודה מסוימת פועל כוח שגודלו 2 N. מהי עוצמת השדה בנקודה הזאת?
▶ניסוי חי — מטענים וכוחותסימולציה חיה: נקרב שני מטענים ונראה משיכה ודחייה ביניהם, ונמדוד את הכוח לפי חוק קולון.
⚠
המעבדה אינה זמינה כרגע. החומר בפרק שלם גם בלעדיה — ממשיכים לקרוא, וחוזרים לניסוי מאוחר יותר או פותחים אותו ישירות בקישור שמתחת למסגרת.
https://fahed-lab.com/charges/charges_forces
פתיחת המעבדה בדף נפרד ↗ fahed-lab.com/charges/charges_forces

מבנה החומר: האטום ומרכיביו (Structure of Matter)

כל חומר שסביבנו בנוי מחלקיקים קטנים מאוד הנקראים אטומים. במרכז האטום נמצא הגרעין, ובו הפרוטונים והנייטרונים, וסביב הגרעין נעים האלקטרונים במסלולים.

−−−−−
מודל פשוט של האטום: גרעין במרכז ואלקטרונים הנעים סביבו
החלקיקבערביתמקומו באטוםמטענו
פרוטוןالبروتونבגרעיןחיובי (+e)
נייטרוןالنيوترونבגרעיןללא מטען
אלקטרוןالإلكترونבמסלולים סביב הגרעיןשלילי (−e)

לדוגמה: בגרעין של אטום נחושת יש 29 פרוטונים, וסביבו נעים 29 אלקטרונים. המטען החיובי של הגרעין מאזן בדיוק את המטען השלילי של האלקטרונים, כלומר אטום הנחושת ניטרלי.

אלקטרונים חופשיים:

האלקטרונים הקרובים לגרעין קשורים אליו בכוח גדול. האלקטרונים שבמסלול האחרון, לעומת זאת, רחוקים מן הגרעין, ולכן הקשר שלהם לאטום חלש. במתכות, כמו נחושת ואלומיניום, האלקטרונים האלה משתחררים בקלות ונעים בין האטומים. הם נקראים אלקטרונים חופשיים.

שאלה 1.3: בגרעין של אטום אלומיניום יש 13 פרוטונים. כמה אלקטרונים נעים סביב הגרעין באטום אלומיניום ניטרלי?

הבהרת המושגים גוף טעון וגוף ניטרלי, באמצעות מושג המטענים היסודיים (Charged and Neutral Bodies)

כל גוף בנוי ממספר עצום של אטומים, ויש בו מספר עצום של פרוטונים ושל אלקטרונים. מה שקובע את מטען הגוף הוא ההפרש בין מספר הפרוטונים לבין מספר האלקטרונים שבו:

++++−−−−
גוף ניטרלי: שני המספרים שווים
++++−−−−−−
גוף שלילי: עודף אלקטרונים
++++−−
גוף חיובי: חוסר אלקטרונים
הערה: מגוף לגוף עוברים אלקטרונים בלבד. הפרוטונים קשורים לגרעין ואינם עוברים. כשמשפשפים סרגל פלסטיק בצמר עוברים אלקטרונים מן הצמר אל הסרגל: הסרגל נעשה שלילי והצמר נעשה חיובי, באותו גודל.

מה שנכון לגוף נכון גם לאטום בודד: אטום שאיבד אלקטרון או קיבל אלקטרון אינו ניטרלי עוד, והוא נקרא יון. אטום שאיבד אלקטרונים הוא יון חיובי, ואטום שקיבל אלקטרונים הוא יון שלילי.

שאלה 1.4: אטום נחושת איבד שני אלקטרונים. האם היון שנוצר חיובי או שלילי?

סיכום נוסחאות הפרק:

החוקהנוסחה
המטען היסודיe = 1.6·10−19 C
חוק קולוןF = k·Q1·Q2r2
עוצמת השדה החשמליE = Fq

מילון מונחים:

עבריתEnglishالعربية
מטען חשמליElectric chargeالشحنة الكهربائية
חלקיקים יסודייםElementary particlesالجسيمات الأولية
המטען היסודיElementary chargeالشحنة الأولية
אטוםAtomالذرّة
גרעיןNucleusالنواة
אלקטרונים חופשייםFree electronsالإلكترونات الحرّة
מוליך / מבודדConductor / insulatorموصل / عازل
גוף טעוןCharged bodyجسم مشحون
גוף ניטרליNeutral bodyجسم متعادل
יוןIonأيون
כוחForceالقوة
משיכה / דחייהAttraction / repulsionتجاذب / تنافر
שדה חשמליElectric fieldالمجال الكهربائي
קווי השדהField linesخطوط المجال
שדה אחידUniform fieldمجال منتظم

שאלות לתרגול:

1.
נקבע לכל חלקיק את מקומו באטום ואת סימן מטענו:
א. הפרוטון.
ב. האלקטרון.
ג. הנייטרון.
תשובות: א. בגרעין, חיובי. ב. במסלולים סביב הגרעין, שלילי. ג. בגרעין, ללא מטען
2.
גוף נושא מטען שגודלו −8 µC. האם הגוף קיבל אלקטרונים או איבד אותם?
תשובות: קיבל אלקטרונים
3.
שפשפנו מוט זכוכית בפיסת משי, ועברו אלקטרונים מן המוט אל המשי. מהו סימן המטען של המוט, ומהו סימן המטען של פיסת המשי?
תשובות: המוט טעון במטען חיובי (איבד אלקטרונים), ופיסת המשי טעונה במטען שלילי (קיבלה אלקטרונים)
4.
שני מטענים נקודתיים, גודלו של כל אחד מהם 4 µC והמרחק ביניהם 20 cm.
א. נחשב את הכוח ההדדי ביניהם.
ב. האם זה כוח משיכה או כוח דחייה?
תשובות: א. F = 3.6 N. ב. דחייה
5.
כיצד משתנה הכוח בין שני מטענים בכל מקרה?
א. מגדילים אחד מן המטענים פי שניים.
ב. מגדילים את המרחק ביניהם פי שלושה.
תשובות: א. גדל פי שניים. ב. קטן פי תשעה
6.
על מטען שגודלו 5 µC פועל כוח שגודלו 0.02 N כשהוא מוצב בשדה חשמלי. נחשב את עוצמת השדה.
תשובות: E = 4000 N/C
7.
אלקטרון הוצב בשדה אחיד שעוצמתו 2000 N/C. האם האלקטרון נע בכיוון קווי השדה או בניגוד לכיוונם?
תשובות: בניגוד לכיוון קווי השדה
8.
נסרטט את קווי השדה החשמלי בכל מקרה:
א. מטען חיובי בודד.
ב. מטען שלילי בודד.
ג. שני לוחות מקבילים, השמאלי חיובי והימני שלילי.
תשובות: נשווה את הסרטוט לאיורים שבסעיף השדה החשמלי וקווי השדה
תשובות סופיות לשאלות הפרק
1.1 א. F = 0.15 N. ב. פי ארבעה, כי המרחק מופיע במכנה בריבוע
1.2 E = Fq = 500 N/C
1.3 13 אלקטרונים
1.4 חיובי, כי האטום איבד אלקטרונים

שאלות בגרות לפרק 1

אין שאלות בגרות עצמאיות לפרק הזה.
נוסחאון הספר: כל נוסחאות הפרק הזה מרוכזות, עם סרטוטיהן וטבלאות הסמלים שלהן, בפרק 14 — נוסחאון הספר.