נושא: מידע|אלקטרוסטאטיקה

אלקטרוסטאטיקה

מבוא:
נסו לדמיין רגע כיצד היו נראים חיינו ללא חשמל. שעות הפעילות שלנו היו נקבעות על פי השמש ללא מנורות להאיר עם רדת החשכה.
היינו מבלים הרבה זמן בחיפוש אחר מזון כיוון שלא היינו יכולים לשמור מזון שדורש קירור והיינו צריכים להבעיר מדורות כל אימת שרצינו לבשל. טלוויזיה,
רדיו, מחשב, טלפון סלולארי, מכונת כביסה - כל אלו מכשירים הפועלים על חשמל והרשימה ארוכה מאוד. מסקנה: החשמל נמצא בכל מקום כמעט ואנחנו מאוד תלויים בו.

אנו לוקחים את החשמל כמובן מאליו וכל כך רגילים להשתמש בו. האם עצרתם פעם וחשבתם מהו בעצם חשמל ?

אם נחזור לשיעור הראשון על חום ואנרגיה, ניזכר שחשמל היא אחת מצורות ה אנרגיה שבטבע. זו תופעה פיזיקאלית ותכונה של תת-חלקיקים מסוימים,
כמו אלקטרונים ופרוטונים, המאפשרת כוחות משיכה או דחייה ביניהם.


אטומים:
- החומר כולו ביקום מורכב מאטומים.
- אטומים הם אבני היסוד של החומר. לא משנה אם החומר הוא מוצק, נוזל או גז, הוא תמיד בנוי מאטומים.
- האטומים כולם מורכבים מפרוטונים ואלקטרונים (גם נויטרונים, אך מטענם החשמלי הוא 0) והם נבדלים זה מזה בכמות הפרוטונים והאלקטרונים
שהם מכילים.
- כמות הפרוטונים באטום היא שקובעת את התכונות הכימיות של החומר.

לדוגמא, אטום גז המימן למשל הוא הקטן ביותר והוא מכיל פרוטון אחד ואלקטרון אחד בלבד. היסוד המתכתי המוצק ליתיום,
מכיל שלושה פרוטונים ושלושה אלקטרונים. למרות הקרבה מבחינת כמות הפרוטונים בחומר,
לשני חומרים אלו תכונות כימיות שונות בעליל. לזהב למשל, יש 79 פרוטונים ולכספית 80.
פרוטון אחד בלבד מפריד בין חומר מתכתי מוצק ונחשק לבין מתכת נוזלית אפורה ורעילה.

חומר מוגדר נטרלי אם כמות הפרוטונים שבו וכמות האלקטרונים שבו זהה.
למרות שמסתו של הפרוטון גדולה פי 1000 לערך מזו של האלקטרון (דמיינו כי האלקטרון הוא כדורגל והפרוטון הוא מגרש הכדורגל)
מטענו של הפרוטון זהה לזה של מטען האלקטרון אך הפוך בסימנו. מטענו של הפרוטון הוא חיובי ומטענו של האלקטרון הוא שלילי, וביניהם ישנו כוח משיכה חשמלי.

כמה מושגים חשובים:

מטען חשמלי: תכונה פיזיקאלית בסיסית של אלקטרונים ופרוטונים הגורמת להם להימשך אחד לשני. מטען חיובי נמשך למטען שלילי (ולהיפך),
אך בין מטענים בעלי אותו סימן יש כוחות דחייה. בתוך אטום יש מספר זהה של אלקטרונים ופרוטונים, ולכם אטום הוא חלקיק ניטראלי. חומר שבאטומים שלו כמות האלקטרונים שונה
מכמות הפרוטונים נקרא חומר טעון. אם מספר האלקטרונים שבו גדול ממספר הפרוטונים אז הוא טעון שלילית ולהיפך. הכמות של המטען החשמלי של חומר נקבעת על פי העודף
או החוסר של אלקטרונים בחומר. ככל שבחומר עודף (או חוסר) רב יותר, כך הוא טעון יותר. ודאי יצא לכם בעבר לראות שקע חשמלי. האם שמתם לב כי יש לו שלוש כניסות?
אחת מהכניסות היא של ההארקה. אחד הסיכונים שבשימוש במכשיר חשמלי הוא שעקב תקלה, יצטבר מטען חשמלי על היקף המכשיר. תפקידה של ההארקה הוא לנקז מהמכשיר
החשמלי מטען חשמלי עודף. כבל ההארקה מחובר להיקף המכשיר ומנקז ממנו מטען חשמלי שלא אמור להיות עליו, לתוך כדור הארץ.

זרם חשמלי: תנועה של מטענים חשמליים (אלקטרונים) בתוך חומר. ישנם חומרים בהם האלקטרונים קשורים לאטום בקשר חלש יחסית ולהם קל יותר להתנתק מן הגרעין,
לכן הם מהווים את הזרם החשמלי.


מוליכים ומבודדים:
על מנת להבין מה גורם לחומר מסוים להוליך חשמל, עלינו להבין את מבנה האטום. במרכז האטום מצויים הפרוטונים והנויטרונים - זהו גרעין האטום, ובהיקפו חגים האלקטרונים:

האלקטרונים סביב הגרעין חגים במסלולים הנקראים גם אורביטלים. לכל אלקטרון ישנו המסלול שלו.
ישנם אלקטרונים החגים במסלולים הקרובים לגרעין ויש אלקטרונים החגים במסלולים הרחוקים מהגרעין. כוח המשיכה בין הפרוטונים והאלקטרונים מונע בריחת האלקטרונים מן
הגרעין. ישנם חומרים בהם האלקטרונים המרוחקים מן הגרעין, מוחזקים על ידו בכוח חלש. אלקטרונים אלו נקראים אלקטרונים חופשיים. אלקטרונים אלו יעזבו בקלות יחסית את
גרעין האטום והם אלו שיהוו את הזרם החשמלי. אלקטרונים חופשיים מצויים במתכות שמוליכות זרם חשמלי והן נקראות חומרים מוליכים. חומרים בהם לא מצויים אלקטרונים
חופשיים, יוליכו חשמל בצורה גרועה והם נקראים חומרים מבודדים. מוליכות של מתכת למשל יכולה להיות גדולה ממוליכות של מבודד כמו זכוכית פי מיליארד מיליארדים.
חשוב לציין כי גם גופים שאינם מוליכים חשמל יכולים להיטען חשמלית.

חוק שימור המטען:
דבר נוסף שחשוב לציין הוא שבמערכת סגורה, מטענים לא ייעלמו ולא ייווצרו יש מאין. זהו חוק שימור המטען. אם תחברו בבית מנורה ותדליקו אותה היא תצרוך חשמל.
זה לא אומר שהיא משתמשת באלקטרונים שמגיעים אליה ואז נוצר חוסר של אלקטרונים בחוט שהוליך אותם, אלקטרונים עוברים דרך המנורה ויוצאים דרך חוט נוסף המחובר אליה. חוק שימור המטען קובע כי לא ייעלמו אלקטרונים ממערכת חשמלית שגם היא מערכת סגורה.
בחומרים שאינם מוליכים חשמל ניתן לטעון מקומית את החומר, זאת אומרת שאם אזור מסוים נטען בדרך כלשהי, אזורים אחרים יישארו ניטראליים מבחינה חשמלית.
לא כך הדבר בחומרים מוליכי חשמל. ברגע שאזור מסוים נטען, מיד תהיה זרימה של מטענים והחומר כולו יהיה טעון בהתפלגות כזו,
שבתוך המתכת לא תהיה השפעה למטענים בהיקפה (על כך נפרט בהמשך).

אלקטרוסקופ
זהו מכשיר למדידת מטען חשמלי בגופים. האלקטרוסקופ בנוי ממוט מרכזי דק ומוליך שחלקו בולט אל מחוץ לאלקטרוסקופ. אליו מחוברת בציר, פיסת אלומיניום או מחט
מתכת החופשיים לנוע. כאשר האלקטרוסקופ נטען חשמלית, המחט או פיסת האלומיניום שבו מתרחקים מהמוט הדק.

שדה חשמלי הוא תחום במרחב מסביב למטען חשמלי (או מטענים חשמליים) שבו קיימת השפעת המטען. עוצמת השדה נחלשת עם המרחק לפי חוק הריבוע ההופכי
שדה חשמלי יכול להיות חיובי או שלילי והוא תלוי במטען שיוצר אותו. מטען נוסף שיהיה בתוך שדה חשמלי יחוש כוח לפי עוצמת השדה ומטענו שלו. שדה חשמלי מסומן באות E.
חשוב להדגיש כי שדה חשמלי נוצר על ידי מטענים חשמליים וגם משפיע על מטענים חשמליים אחרים.

בתרשים ניתן לראות קווי שדה חשמלי של מטען בודד A ושל לוחות טעונים במטענים הפוכים B.
תופעה מעניינת מתרחשת במתכות - השדה החשמלי בתוכן הוא תמיד אפס. בתחילת השיעור הזכרנו התפלגות של מטענים במתכת ואת העובדה שהתפלגות המטען עליה תגרום לכך שלא תהיה השפעה על מטענים שבתוך המתכת. כיוון שהמטענים חופשיים לנוע, הם יתרחקו זה מזה כמה שאפשר למצב בו השדות החשמליים שלהם מאזנים זה את זה בתוך החומר. למשל, אם ניקח כדור עשוי אלומיניום, נטען אותו במטען חיובי ונכניס לתוכו מטען שלילי, הוא לא יחוש כל כוח עליו.
על מנת להמחיש את התופעה, הביטו בסרטון הבא:

http://www.youtube.com/watch?v=bZwlD-Z0zmE

פורסם במקור על ידי Toxocity

עבודה יפה מאוד.
אם היית מפרט על קוואקים והשפעותיהם החשמליות על האלקטרונים זה היה פשוט מושלם
אחלה עבודה.

מזה קוואק?

תבדוק בויקי, אין לי ממש כוח לחפש עכשיו.
עריכה.
הייתה לי טעות מבחינת השם, היתבלבלתי.

הייתי מציע לך גם לרשום את הנוסחאות של הכוח החשמלי ולדבר גם על מעגל זרם..
בסה"כ-כמו ההסברים של המורה שלי רק בלי מבטא :-) (זה טוב..)