שלושת הגדלים החשמליים
זרם, מתח והתנגדות — שלושת המושגים הכי חשובים בחשמל! בואו נבין מה כל אחד מהם אומר לנו.
שלושה גדלים, סיפור אחד
גודל 1: זרם חשמלי (Current)
מהו זרם חשמלי?
זרם חשמלי הוא זרימה של מטען חשמלי (אלקטרונים) במעגל.
דמיון למים:
חשבו על זרם חשמלי כמו זרימת מים בצינור:
• יותר מים בשנייה = זרם מים חזק יותר
• יותר אלקטרונים בשנייה = זרם חשמלי חזק יותר
הגדרה מדעית:
זרם חשמלי הוא כמות המטען החשמלי שעוברת בנקודה מסוימת במעגל בזמן נתון.
יחידת מידה: אמפר (A)
נקראת על שם המדען הצרפתי אנדרה-מארי אמפר.
סימון במשוואות: I
(מהאנגלית Intensity — עוצמה)
ככל שיותר אלקטרונים עוברים בשנייה, כך הזרם חזק יותר (יותר אמפרים).
עוצמות זרם במציאות
שלט רחוק
0.01-0.05 אמפר
מכשיר קטן, צריך מעט אנרגיה.
פנס LED
0.5-1 אמפר
נורת LED חסכונית, זרם נמוך.
סמארטפון בטעינה
1-2 אמפר
מטען מהיר: עד 3 אמפר!
מחשב נייד
2-4 אמפר
צריך יותר כוח לעיבוד ולמסך.
מנורת שולחן
0.5-1 אמפר
נורת חיסכון: עד 0.2 אמפר.
מכונת כביסה
10-15 אמפר
מנוע חזק, צורכת הרבה זרם.
גודל 2: מתח חשמלי (Voltage)
מהו מתח חשמלי?
מתח חשמלי הוא ה"לחץ" שדוחף את האלקטרונים במעגל.
דמיון למים:
מתח חשמלי הוא כמו לחץ המים בצינור:
• לחץ גבוה → מים זורמים חזק יותר
• מתח גבוה → זרם חשמלי חזק יותר
הגדרה מדעית:
מתח חשמלי הוא האנרגיה שמקבל כל יחידת מטען כשהיא עוברת במעגל.
המתח מייצג את ה"דחיפה" שהסוללה נותנת לאלקטרונים.
יחידת מידה: וולט (V)
נקראת על שם המדען האיטלקי אלסנדרו וולטה.
סימון במשוואות: V
(מהאנגלית Voltage)
ככל שהמתח גבוה יותר, כך ה"דחיפה" לאלקטרונים חזקה יותר.
מתחים במציאות
סוללת שעון
1.5 וולט
סוללה זעירה, מתח נמוך.
סוללת AA/AAA
1.5 וולט
הסוללות הנפוצות בפנס ובצעצועים.
סוללת 9V
9 וולט
לגלאי עשן ולפדלי גיטרה.
מטען USB
5 וולט
מטען סטנדרטי לסמארטפון.
סוללת רכב
12 וולט
מניעה מנוע ומערכות הרכב.
שקע חשמל בבית
220-240 וולט
מתח גבוה — מסוכן לנגיעה!
גודל 3: התנגדות חשמלית (Resistance)
מהי התנגדות חשמלית?
התנגדות היא המידה שבה חומר "מתנגד" לזרימת זרם חשמלי.
דמיון למים:
התנגדות היא כמו צר המפת בצינור:
• צינור צר = התנגדות גבוהה = מים זורמים לאט
• צינור רחב = התנגדות נמוכה = מים זורמים מהר
הגדרה מדעית:
התנגדות חשמלית מודדת כמה החומר מקשה על זרימת האלקטרונים.
גורמים להתנגדות:
• סוג החומר (נחושת = התנגדות נמוכה, פלסטיק = התנגדות גבוהה מאוד)
• אורך החוט (ארוך יותר = התנגדות גבוהה יותר)
• עובי החוט (דק יותר = התנגדות גבוהה יותר)
יחידת מידה: אוהם (Ω)
נקראת על שם המדען הגרמני גאורג סימון אוהם.
סימון במשוואות: R
(מהאנגלית Resistance)
ככל שההתנגדות גבוהה יותר, כך קשה יותר לזרם לזרום.
התנגדות נמוכה מול גבוהה
התנגדות נמוכה
החומר מאפשר לזרם לזרום בקלות.
דוגמה: {b}דוגמאות:{/b} • נחושת: 0.000000017 אוהם למטר • אלומיניום: 0.000000028 אוהם למטר • זהב: 0.000000024 אוהם למטר חומרים אלה נקראים {b}מוליכים{/b}.
התנגדות גבוהה
החומר מקשה מאוד על זרימת הזרם.
דוגמה: {b}דוגמאות:{/b} • גומי: מיליארדי אוהם • פלסטיק: מיליארדי אוהם • זכוכית: מיליארדי אוהם חומרים אלה נקראים {b}מבודדים{/b}.
נגד הוא רכיב שנועד במיוחד להוסיף התנגדות למעגל.
מדידת זרם, מתח והתנגדות
מכשירי המדידה
אמפרמטר (Ammeter)
מודד זרם חשמלי ביחידות אמפר.
איך מחברים אותו?
• בטור עם הרכיב
• הזרם צריך לעבור דרך האמפרמטר
סימון: A
וולטמטר (Voltmeter)
מודד מתח חשמלי ביחידות וולט.
איך מחברים אותו?
• במקביל לרכיב
• מודד את ההפרש במתח לפני ואחרי הרכיב
סימון: V
אוהממטר (Ohmmeter)
מודד התנגדות ביחידות אוהם.
איך מחברים אותו?
• מחברים לרכיב כשאין זרם
• המכשיר מעביר זרם קטן ומודד
סימון: Ω
מולטימטר (Multimeter)
מכשיר רב-תכליתי שמשלב את שלושת המדידים!
• מודד זרם, מתח, התנגדות
• המכשיר הכי נפוץ במעבדות
• יש בו בורר לבחירת סוג המדידה
כיצד לזכור את ההבדלים?
דמיון למים בצינור עוזר לזכור:
- זרם (I) = כמות המים שעוברת → עוצמת הזרימה
- מתח (V) = לחץ המים → כוח הדחיפה
- התנגדות (R) = צרות הצינור → קושי לזרום
סיכום שלושת הגדלים
| גודל | משמעות | יחידה | סימן | סימול |
|---|---|---|---|---|
| זרם חשמלי | כמות מטען בזמן נתון | אמפר | A | I |
| מתח חשמלי | "לחץ" חשמלי, דחיפה | וולט | V | V |
| התנגדות | התנגדות לזרימה | אוהם | Ω | R |
* שלושת הגדלים האלה קשורים זה לזה בחוק אוהם (V=IR) שנלמד בשיעור הבא!
שאלה לחשיבה
למה חוטי חשמל עשויים נחושת ולא ברזל, למרות שברזל זול יותר?
כי לנחושת יש התנגדות נמוכה יותר!
השוואה:
• נחושת: התנגדות נמוכה מאוד → הזרם זורם בקלות → פחות אנרגיה מתבזבזת
• ברזל: התנגדות גבוהה יותר → הזרם "נאבק" לזרום → הרבה אנרגיה הופכת לחום
בעיות עם ברזל:
1. בזבוז אנרגיה — החוט מתחמם
2. סכנת שריפה — חום רב מדי
3. ירידת מתח — החשמל "נגמר" לפני שמגיע ליעד
למה בכל זאת משתמשים בנחושת?
כי בטווח הארוך, החיסכון באנרגיה גדול יותר מההוצאה על נחושת!
זו גם הסיבה שכבלי מתח גבוה (חברת החשמל) עשויים אלומיניום — קל יותר ועדיין עם התנגדות נמוכה!
זרם (I)
כמות המטען שעוברת בנקודה בזמן נתון.
אמפר (A)
מתח (V)
ה"דחיפה" שגורמת לזרם לזרום.
וולט (V)
התנגדות (R)
ה"התנגדות" של החומר לזרימת הזרם.
אוהם (Ω)
זה יכול להיראות מסובך — למה לא גודל חשמלי אחד? התשובה היא שכל גודל מתאר היבט אחר של החשמל.
מדוע צריך את כולם?
דוגמה מהמציאות:
דמיינו שאתם רוצים להדליק נורה.
- המתח (V) קובע אם הסוללה מספיק "חזקה" לנורה (5V? 12V? 220V?)
- הזרם (I) קובע כמה אנרגיה הנורה צורכת בפועל (נורה חלשה או חזקה?)
- ההתנגדות (R) של הנורה קובעת כמה זרם תזרום עבור מתח נתון
אם נבין רק את המתח, לא נדע כמה זרם זורם. אם נבין רק את הזרם, לא נדע איזו "דחיפה" יש לו. שלושתם ביחד מספרים את הסיפור המלא!
הקשר ביניהם
בשיעור הבא נלמד את חוק אוהם, שמקשר בין שלושת הגדלים הללו במשוואה אחת פשוטה:
V = I × R
משוואה זו היא אחת המשוואות החשובות ביותר בחשמל!