זרם חשמלי
בשני הפרקים הקודמים למדנו על מטענים במנוחה, והכרנו את השדה ואת המתח. כשמחברים מוליך בין קוטבי מקור מתח המטענים מתחילים לנוע, וכך נוצר הזרם החשמלי: הוא שמדליק את הנורה, מסובב את המנוע ומעביר את המידע במחשב. בפרק הזה נכיר את הזרם, את הגורם להיווצרותו, את כיוונו ואת דרך החישוב של עוצמתו.
- הזרם החשמלי הוא תנועה מסודרת ומכוונת של חלקיקים טעונים.
- השדה החשמלי שמקור המתח יוצר במוליך הוא הגורם לזרם.
- במתכות האלקטרונים החופשיים מעבירים את הזרם, ונבחין בין מוליך, מבודד ומוליך למחצה.
- הכיוון המוסכם של הזרם הוא מן הקוטב החיובי אל הקוטב השלילי, בניגוד לכיוון תנועת האלקטרונים.
- נחשב את עוצמת הזרם לפי I = Qt , ויחידת המדידה שלה היא האמפר.
- נכיר שימושים בזרם החשמלי, נשתמש בתחיליות n, µ, m, k, M ונעבור ביניהן.
הזרם החשמלי כתנועה מסודרת ומכוונת של חלקיקים טעונים (Electric Current)
האלקטרונים החופשיים בפיסת מתכת אינם עומדים במקומם לעולם: הם נעים כל הזמן במהירות גדולה ולכל הכיוונים. התנועה הזאת אקראית, ולכן לא עובר מטען מקצה אחד של המוליך אל קצהו האחר. רק כשכל המטענים נעים בכיוון אחד אומרים שיש במוליך זרם חשמלי.
| החומר | נושאי המטען | דוגמה |
|---|---|---|
| מתכות | אלקטרונים חופשיים | תילי נחושת, תיל הלהט של נורה |
| תמיסות כימיות | יונים חיוביים ויונים שליליים | התמיסה שבתוך סוללה ומצבר |
| גזים | יונים ואלקטרונים | נורת פלואורסצנט, ברק |
א. אלקטרונים חופשיים נעים לכל הכיוונים בתוך תיל שאינו מחובר.
ב. יונים חיוביים נעים כולם אל הקוטב השלילי בתוך תמיסה.
השדה החשמלי כגורם לזרם חשמלי (The Field as the Cause of Current)
מה גורם לאלקטרונים לנוע בכיוון אחד? כשמחברים את קצות המוליך לקוטבי מקור מתח נוצר בין קצותיו מתח V. למדנו בפרק 2 שבכל מקום שיש מתח יש שדה חשמלי. השדה נוצר לכל אורך המוליך, ומפעיל כוח על כל אלקטרון חופשי שבו.
הכוח הזה דוחף את כל האלקטרונים החופשיים באותו כיוון, וכך תנועתם האקראית הופכת לתנועה מכוונת. השרשרת כולה: מקור מתח ← מתח ← שדה חשמלי במוליך ← כוח על המטענים ← זרם.
השדה לאורך התיל אחיד, והמרחק בין הקצוות הוא אורך התיל:
השדה הזה דוחף את כל האלקטרונים החופשיים שבתיל באותו כיוון.
התנאים לזרימת זרם:
כדי שזרם יזרום ברציפות צריכים להתקיים שני תנאים: שיהיה מקור מתח השומר על המתח, ושיהיה מסלול סגור של מוליכים שבו המטענים חוזרים אל המקור.
- מעגל סגור: המסלול שלם, ולכן הזרם זורם בכל רכיבי המעגל.
- מעגל פתוח / נתק: המסלול מנותק בנקודה אחת לפחות, ולכן לא זורם זרם במעגל כולו, גם אם המקור נשאר מחובר.
אלקטרונים חופשיים וזרם חשמלי (Free Electrons)
השדה החשמלי יכול להניע רק מטענים חופשיים. לכן יכולתו של חומר להוליך זרם תלויה במספר האלקטרונים החופשיים שבו. בנחושת, למשל, כל אטום תורם אלקטרון חופשי אחד, ולכן בכל פיסת נחושת יש מספר עצום של אלקטרונים חופשיים.
| סוג החומר | בערבית | האלקטרונים החופשיים | דוגמאות |
|---|---|---|---|
| מוליך | موصل | רבים מאוד: הזרם עובר בקלות | נחושת, אלומיניום, כסף, זהב |
| מבודד | عازل | כמעט אין: הזרם אינו עובר | פלסטיק, גומי, זכוכית, אוויר יבש |
| מוליך למחצה | شبه موصل | מעטים, ואפשר לשלוט במספרם | סיליקון, גרמניום |
- תילים עשויים ממוליך, בדרך כלל נחושת, ומצופים במבודד מפלסטיק המונע מן הזרם לעבור אל מחוץ לתיל.
- מוליכים למחצה הם החומר שממנו בנויים הרכיבים האלקטרוניים: הדיודה, הטרנזיסטור והמעגלים המשולבים. נכיר אותם במקצוע האלקטרוניקה.
הכיוון המוסכם של הזרם החשמלי (Conventional Current Direction)
האלקטרונים שליליים, ולכן השדה דוחף אותם מן הקוטב השלילי של המקור, דרך המעגל, אל הקוטב החיובי. אבל המדענים קבעו את כיוון הזרם שנים רבות לפני גילוי האלקטרון, והסכימו שהזרם הוא תנועה של מטענים חיוביים. ההסכמה הזאת נשארה בשימוש עד היום:
- הכיוון המוסכם של הזרם: מן הקוטב החיובי של המקור אל הקוטב השלילי, מחוץ למקור. זה הכיוון שבו משתמשים בכל החישובים והסכמות, והוא גם כיוון השדה החשמלי במוליך.
- כיוון תנועת האלקטרונים: הפוך, מן הקוטב השלילי אל הקוטב החיובי, כי מטען האלקטרון שלילי.
בסכמות מסמנים את כיוון הזרם בחץ על המוליך, וכותבים לצדו את האות I.
א. מאיזה קוטב של הסוללה יוצא הזרם המוסכם?
ב. מאיזה קוטב יוצאים האלקטרונים?
הגדרת עוצמת הזרם: יחידת המדידה של הזרם במערכת SI (Current Intensity)
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| I | עוצמת הזרם | [A] |
| Q | המטען שעבר דרך חתך המוליך | [C] |
| t | הזמן | [s] |
נמיר את הזמן לשניות: t = 2 min = 120 s.
נחלץ את המטען מנוסחת הזרם:
קיבול הסוללה באמפר-שעה:
כמות המטען שסוללה או מצבר יכולים לספק עד שהם מתרוקנים נקראת קיבול הסוללה. הקיבול נמדד ביחידות אמפר-שעה [Ah] , וזו יחידת מטען: מכיוון שבשעה יש 3600 s , מתקיים 1 Ah = 3600 C.
נחלץ את הזמן מנוסחת הזרם, ונציב את המטען ביחידות [Ah] כדי לקבל את הזמן בשעות:
מדידת הזרם ותיאור סכמתי של מעגל:
את עוצמת הזרם מודדים בעזרת מד-זרם (אמפרמטר). כדי שכל הזרם יעבור דרך המד, פותחים את המעגל ומחברים את המד בטור עם הרכיב. מד-מתח (וולטמטר), לעומת זאת, מודד את המתח בין שתי נקודות, ולכן מחברים אותו במקביל לרכיב, בלי לפתוח את המעגל. את המעגל מסרטטים בעזרת סכמה, שבה כל רכיב מופיע בסמל המוסכם שלו:
| הרכיב | בערבית | הסמל | תפקידו במעגל |
|---|---|---|---|
| מקור מתח | مصدر جهد | מספק למעגל אנרגיה חשמלית. הקו הארוך הוא הקוטב החיובי | |
| נגד | مقاومة | מגביל את עוצמת הזרם, וממיר אנרגיה חשמלית לחום | |
| מוליך (תיל) | موصل (سلك) | מחבר בין הרכיבים ומעביר את הזרם | |
| מפסק | مفتاح | פותח את המעגל או סוגר אותו | |
| נורה | مصباح | ממירה אנרגיה חשמלית לאור | |
| מד-זרם (אמפרמטר) | مقياس التيار (أمبيرمتر) | מודד את עוצמת הזרם, ומתחבר בטור | |
| מד-מתח (וולטמטר) | مقياس الجهد (فولتمتر) | מודד את המתח, ומתחבר במקביל | |
| אדמה / הארקה | أرضي | נקודת הייחוס, והפוטנציאל שלה אפס |
א. מה קורה לנורה L אם פותחים את המפסק S?
ב. מה מודד כל אחד משני המדים?
ג. מהו כיוון הזרם בנגד R?
דוגמאות לשימושים בזרם החשמלי (סקירה) (Uses of Electric Current)
אי אפשר לראות את הזרם החשמלי, אבל אפשר לראות את השפעותיו. כל שימוש בחשמל נשען על אחת או יותר מן ההשפעות האלה:
| השפעת הזרם | בערבית | מה קורה? | שימושים |
|---|---|---|---|
| השפעה תרמית | التأثير الحراري | מוליך שזורם בו זרם מתחמם | קומקום חשמלי, מגהץ, תנור אפייה, תנור חימום, נתיך |
| השפעה אורית | التأثير الضوئي | המרת אנרגיה חשמלית לאור | נורת לד, מסך |
| השפעה מגנטית | التأثير المغناطيسي | סביב כל מוליך שזורם בו זרם נוצר שדה מגנטי | מנוע חשמלי, ממסר, רמקול |
| השפעה כימית | التأثير الكيميائي | זרם העובר בתמיסה גורם לתגובה כימית | טעינת מצבר, ציפוי במתכות |
| העברת מידע | نقل المعلومات | זרמים קטנים מייצגים אותות ונתונים | מחשב, טלפון, מכשירי תקשורת |
עוצמת הזרם שונה מאוד משימוש לשימוש (ערכים מקורבים): מיקרו-אמפרים אחדים בשעון יד אלקטרוני, כ- 20 mA בנורת לד קטנה, בין 1 A ל- 2 A במטען של טלפון, וכ- 10 A בקומקום חשמלי.
א. מצנם.
ב. מאוורר.
ג. טעינת סוללת הטלפון.
ד. נורת לד.
תחיליות היחידות (Unit Prefixes)
הגדלים החשמליים משתרעים על תחום רחב מאוד: ממיקרו-אמפרים בשעון יד ועד מאות אמפרים במנוע המכונית. כדי לייצג ערכים קטנים וגדולים בלי לכתוב אפסים רבים, מקדימים ליחידה אות הנקראת תחילית, המייצגת חזקה של 10.
| התחילית | בערבית | הסימן | הערך | דוגמה מן החשמל |
|---|---|---|---|---|
| מגה | ميغا | M | 106 = 1,000,000 | התנגדות 2 MΩ |
| קילו | كيلو | k | 103 = 1,000 | מתח 22 kV |
| — (יחידת הבסיס) | — | — | 100 = 1 | A , V , Ω |
| מילי | ميلي | m | 10−3 = 0.001 | זרם 30 mA |
| מיקרו | مايكرو | µ | 10−6 = 0.000001 | מטען 5 µC |
| ננו | نانو | n | 10−9 = 0.000000001 | קבל 100 nF |
כלל המעבר בין תחיליות: במעבר לתחילית גדולה יותר המספר קטן, ובמעבר לתחילית קטנה יותר המספר גדל. בין כל שתי תחיליות סמוכות בטבלה יש שלושה מקומות עשרוניים, כלומר כופלים ב-1000 או מחלקים ב-1000.
א. 4.7 kV ליחידות [V].
ב. 250 mA ליחידות [A].
ג. 0.000033 C ליחידות [µC].
ד. 2.2 MΩ ליחידות [kΩ].
א. מקילו ליחידת הבסיס, כופלים ב- 103:
ב. ממילי ליחידת הבסיס, כופלים ב- 10−3:
ג. מיחידת הבסיס למיקרו, כופלים ב- 106:
ד. ממגה לקילו, כופלים ב- 103:
א. 0.05 A ליחידות [mA].
ב. 3300 V ליחידות [kV].
ג. 470 nF ליחידות [µF].
ד. 1500 mV ליחידות [V].
סיכום נוסחאות הפרק:
| החוק | הנוסחה |
|---|---|
| עוצמת הזרם החשמלי | I = Qt |
| המטען שעבר במוליך | Q = I·t |
| אמפר-שעה | 1 Ah = 3600 C |
מילון מונחים:
| עברית | English | العربية |
|---|---|---|
| זרם חשמלי | Electric current | التيار الكهربائي |
| נושאי מטען | Charge carriers | حاملات الشحنة |
| תנועה אקראית / מכוונת | Random / directed motion | حركة عشوائية / موجَّهة |
| אלקטרונים חופשיים | Free electrons | الإلكترونات الحرّة |
| מוליך | Conductor | موصل |
| מבודד | Insulator | عازل |
| מוליך למחצה | Semiconductor | شبه موصل |
| מעגל חשמלי | Electric circuit | الدائرة الكهربائية (الدارة) |
| מעגל סגור / פתוח | Closed / open circuit | دائرة مغلقة / مفتوحة |
| הכיוון המוסכם | Conventional direction | الاتجاه الاصطلاحي |
| עוצמת הזרם | Current intensity | شدة التيار |
| קיבול הסוללה | Battery capacity | سعة البطارية |
| מד-זרם | Ammeter | مقياس التيار (أمبيرمتر) |
| מד-מתח | Voltmeter | مقياس الجهد (فولتمتر) |
| סכמה | Schematic | مخطط |
| מפסק | Switch | مفتاح |
| תחילית | Prefix | البادئة (السوابق المترية) |
שאלות לתרגול:
א. בתיל שאינו מחובר למקור מתח האלקטרונים החופשיים אינם נעים כלל.
ב. האלקטרונים נעים במעגל מן הקוטב השלילי אל הקוטב החיובי.
ג. במעגל פתוח זורם זרם קטן.
א. נחשב את המטען שעבר בתנור.
ב. נכתוב את התוצאה ביחידות [Ah].
א. נחשב את עוצמת הזרם.
ב. נחשב את קיבול המצבר ביחידות [C].
א. 0.0025 A = … mA ·
ב. 68 kV = … V ·
ג. 0.5 MΩ = … kΩ ·
ד. 2200 µC = … mC ·
ה. 15 nF = … µF.