העולם החשמלי סביבנו
מה גורם לבלון להידבק לקיר? מדוע אנחנו מקבלים "חשמל" כשנוגעים במתכת אחרי שהלכנו על שטיח? בואו נגלה את סודות המטען החשמלי!
מהו מטען חשמלי?
שני סוגי המטען
קיימים שני סוגים של מטען חשמלי, שאנו מסמנים בסימנים + ו-−.
מטען חיובי (+)
• פרוטונים נושאים מטען חיובי
• מסומן בצבע אדום או סימן +
מטען שלילי (−)
• אלקטרונים נושאים מטען שלילי
• מסומן בצבע כחול או סימן −
חוק יסוד:
• מטענים שונים (+ ו-−) → נמשכים זה לזה
• מטענים זהים (+ ו-+ או − ו-−) → דוחים זה את זה
זה בדיוק כמו מגנטים: קטבים מנוגדים נמשכים, קטבים זהים דוחים!
גוף נייטרלי מול גוף טעון
גוף נייטרלי (טעון אפס)
כאשר מספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים, המטען הכולל הוא אפס.
דוגמה: רוב הגופים סביבנו הם נייטרליים: שולחן, עיפרון, כוס מים — יש להם אותו מספר מטענים חיוביים ושליליים.
גוף טעון
כאשר יש עודף של אלקטרונים או חסר באלקטרונים, הגוף הוא טעון חשמלית.
דוגמה: • עודף אלקטרונים → גוף טעון {b}שלילית{/b} • חסר אלקטרונים → גוף טעון {b}חיובית{/b}
גוף נעשה טעון כאשר אלקטרונים עוברים ממנו לגוף אחר או אליו מגוף אחר. הפרוטונים נשארים תמיד בגרעין!
חשמל סטטי — תופעות מוכרות
חשמל סטטי הוא מצב בו מטען חשמלי מצטבר על גופים ונשאר במקום ("סטטי" = לא זז).
דוגמאות לחשמל סטטי
בלון ושיער
כשמשפשפים בלון בשיער, אלקטרונים עוברים מהשיער לבלון.
• הבלון הופך טעון שלילית
• השיער הופך טעון חיובית
• השיער נמשך לבלון!
בלון וקיר
בלון טעון שלילית נדבק לקיר נייטרלי.
למה?
האלקטרונים בבלון דוחים את האלקטרונים בקיר, והמטענים החיוביים בקיר נמשכים לבלון!
"חשמל" אחרי הליכה על שטיח
כשהולכים על שטיח, אלקטרונים עוברים מהשטיח לגוף.
כשנוגעים אחר כך במתכת, האלקטרונים קופצים בחזרה במהירות → מרגישים נקישה!
ברק בסערת רעמים
ענני סערה נטענים חשמלית בגלל חיכוך בין טיפות מים וגרגירי קרח.
כשההפרש במטען גדול מאוד, קורה פריקה → ברק!
שאלה לחשיבה
למה בחורף (כשהאוויר יבש) יש יותר "חשמל" כשנוגעים במתכת?
התשובה קשורה ללחות באוויר!
בחורף (אוויר יבש):
• אין מספיק לחות באוויר
• המטען החשמלי מצטבר על הגוף ולא "בורח"
• כשנוגעים במתכת → פריקה חזקה!
בקיץ (אוויר לח):
• הלחות מוליכה חשמל טוב יותר
• המטען מתפזר לאט לאט לסביבה
• פחות הצטברות → פחות "חשמל"
זו הסיבה שבמעבדות אלקטרוניקה שומרים על רמת לחות מסוימת!
מוליכים ומבודדים
לא כל החומרים מתייחסים למטען חשמלי באותה צורה. יש חומרים שמאפשרים למטען לזרום בהם, ויש כאלה שמונעים זאת.
מוליכים מול מבודדים
מוליכים חשמליים
חומרים שמאפשרים למטען חשמלי (אלקטרונים) לזרום דרכם בקלות.
דוגמה: {b}דוגמאות:{/b} • מתכות: נחושת, אלומיניום, ברזל, זהב, כסף • גרפיט (עפרונות) • גוף האדם (בגלל מים ומלחים) • מים עם מלחים מומסים
מבודדים (בידודים)
חומרים שמונעים או מקשים מאוד על זרימת מטען חשמלי.
דוגמה: {b}דוגמאות:{/b} • פלסטיק • גומי • עץ יבש • זכוכית • אוויר • קרמיקה
שימו לב: מים טהורים (ללא מלחים) הם מבודד! רק מים עם מינרלים/מלחים מולכים חשמל.
שימושים במוליכים ובמבודדים
חוט חשמל
מוליך בפנים (נחושת) מעביר זרם חשמלי
מבודד בחוץ (פלסטיק) מונע התחשמלות
כפפות חשמלאי
עשויות גומי (מבודד) כדי למנוע מהזרם החשמלי לעבור דרך הגוף
ידית מברג חשמלאי
החלק המתכתי הוא מוליך, אבל הידית עשויה פלסטיק (מבודד) להגנה
עמודי חשמל
מחזיקי הכבלים עשויים קרמיקה (מבודד) כדי שהחשמל לא ייצא לעמוד
זהירות! בטיחות חשמלית
גוף האדם הוא מוליך חשמל!
- אל תיגעו במכשירי חשמל בידיים רטובות
- אל תכניסו חפצים מתכתיים לשקע חשמל
- אל תתקנו מכשירי חשמל בעצמכם
- אל תתקרבו לחוטי חשמל מתוח ברחוב (סכנת חיים!)
שני סוגי מטען
מטען חיובי (+) ומטען שלילי (−). מטענים שונים נמשכים, מטענים זהים דוחים.
חשמל סטטי
הצטברות מטען על גופים. גורם לתופעות כמו בלון שנדבק לקיר או "חשמל" מהשטיח.
מוליכים ומבודדים
מוליכים מאפשרים זרימת מטען (מתכות). מבודדים מונעים זרימה (פלסטיק, גומי).
ברק הוא אחת התופעות המרהיבות והמסוכנות בטבע, והיא תוצאה ישירה של חשמל סטטי בקנה מידה עצום.
איך נוצר ברק?
1. הצטברות מטען
• בענני סערה, טיפות מים וגרגירי קרח מתנגשים זה בזה
• החיכוך גורם להעברת אלקטרונים בין החלקיקים
• תחתית הענן נטענת שלילית, ראשו חיובית
2. פריקה
• ההפרש במטען גדל עד שהאוויר כבר לא יכול לעצור אותו
• ניצוץ ענק (ברק) קופץ בין הענן לקרקע או בין עננים
• מתח חשמלי של עד 100 מיליון וולט!
עובדות מדהימות על ברק
- ברק מחמם את האוויר ל-30,000 מעלות צלזיוס — פי 5 מהשמש!
- האוויר המתרחב במהירות יוצר את הרעם שאנחנו שומעים
- ברק נע במהירות של כ-200,000 קמ"ש
- בכל רגע נתון יש כ-2,000 סערות רעמים בעולם
מוט הברקים שבנימין פרנקלין המציא ב-1752 עדיין מגן על בניינים גבוהים — הוא מוליך מתכתי שמוביל את הברק בבטחה לקרקע!