מטען, כוח ושדה חשמלי
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.
- 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)
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:
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:
את גודל הכוח קובע חוק קולון: הכוח גדל ככל ששני המטענים גדולים יותר, וקטן ככל שהמטענים מתרחקים זה מזה.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| F | הכוח החשמלי ההדדי בין שני המטענים | [N] |
| Q1 , Q2 | גודלו של כל מטען | [C] |
| r | המרחק בין שני המטענים | [m] |
| k | קבוע קולון, 9·109 | [N·m²/C²] |
נמיר את הנתונים ליחידות הבסיס: Q1 = 2·10−6 C , Q2 = 3·10−6 C , r = 0.3 m.
שני המטענים חיוביים, ולכן הכוח ביניהם הוא כוח דחייה.
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.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| E | עוצמת השדה החשמלי | [N/C] |
| F | הכוח הפועל על המטען הנמצא בשדה | [N] |
| q | המטען 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.
- קווי השדה יוצאים מן המטען החיובי ונכנסים אל המטען השלילי.
- ככל שהקווים צפופים יותר השדה חזק יותר, וככל שהם מתרחקים זה מזה השדה חלש יותר.
- קווי השדה אינם נחתכים לעולם.
- בין שני לוחות מקבילים הטעונים במטענים מנוגדים הקווים מקבילים והמרווחים ביניהם שווים. שדה כזה נקרא שדה אחיד, ועוצמתו שווה בכל נקודה.
נתונים: q = 2·10−6 C , F = 0.06 N. נדרש: E.
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.
| החלקיק | בערבית | מקומו באטום | מטענו |
|---|---|---|---|
| פרוטון | البروتون | בגרעין | חיובי (+e) |
| נייטרון | النيوترون | בגרעין | ללא מטען |
| אלקטרון | الإلكترون | במסלולים סביב הגרעין | שלילי (−e) |
- הגרעין חיובי והאלקטרונים שליליים, ולכן הגרעין מושך את האלקטרונים ומחזיק אותם במסלוליהם.
- באטום שלם מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים, ולכן מטענו הכולל אפס: האטום ניטרלי.
- מסת האטום מרוכזת בגרעין: האלקטרון קל מן הפרוטון פי 1800 בערך, ולכן הוא נע בקלות.
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.
- מוליך: חומר שיש בו אלקטרונים חופשיים רבים, כמו נחושת, אלומיניום וכסף. המטענים נעים בו בקלות.
- מבודד: חומר שהאלקטרונים שלו קשורים לאטומים, כמו פלסטיק, זכוכית וגומי. המטענים אינם נעים בו.
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: מספר הפרוטונים שבו שווה למספר האלקטרונים, ולכן מטענו הכולל אפס.
- גוף הטעון במטען שלילי: קיבל אלקטרונים, ולכן מספר האלקטרונים שבו גדול ממספר הפרוטונים.
- גוף הטעון במטען חיובי: איבד אלקטרונים, ולכן מספר האלקטרונים שבו קטן ממספר הפרוטונים.
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.
סיכום נוסחאות הפרק:
| החוק | הנוסחה |
|---|---|
| המטען היסודי | e = 1.6·10−19 C |
| חוק קולון | F = k·Q1·Q2r2 |
| עוצמת השדה החשמלי | E = Fq |
מילון מונחים:
| עברית | English | العربية |
|---|---|---|
| מטען חשמלי | Electric charge | الشحنة الكهربائية |
| חלקיקים יסודיים | Elementary particles | الجسيمات الأولية |
| המטען היסודי | Elementary charge | الشحنة الأولية |
| אטום | Atom | الذرّة |
| גרעין | Nucleus | النواة |
| אלקטרונים חופשיים | Free electrons | الإلكترونات الحرّة |
| מוליך / מבודד | Conductor / insulator | موصل / عازل |
| גוף טעון | Charged body | جسم مشحون |
| גוף ניטרלי | Neutral body | جسم متعادل |
| יון | Ion | أيون |
| כוח | Force | القوة |
| משיכה / דחייה | Attraction / repulsion | تجاذب / تنافر |
| שדה חשמלי | Electric field | المجال الكهربائي |
| קווי השדה | Field lines | خطوط المجال |
| שדה אחיד | Uniform field | مجال منتظم |
שאלות לתרגול:
א. הפרוטון.
ב. האלקטרון.
ג. הנייטרון.
א. נחשב את הכוח ההדדי ביניהם.
ב. האם זה כוח משיכה או כוח דחייה?
א. מגדילים אחד מן המטענים פי שניים.
ב. מגדילים את המרחק ביניהם פי שלושה.
א. מטען חיובי בודד.
ב. מטען שלילי בודד.
ג. שני לוחות מקבילים, השמאלי חיובי והימני שלילי.