גדלים במעגל חשמלי
זרם, מתח והתנגדות - שלושת המושגים הבסיסיים שמתארים את עולם החשמל
מה זה מעגל חשמלי?
זרם חשמלי - כמה מטענים זורמים?
זרם חשמלי מתאר את כמות המטענים החשמליים שעוברים דרך נקודה מסוימת בחוט ביחידת זמן. כשאנחנו מפעילים מכשיר חשמלי, אלקטרונים (מטענים שליליים) זורמים בתוך החוט ומעבירים אנרגיה למכשיר.
הגדרה מדויקת
זרם חשמלי (I) - כמות המטען החשמלי שעובר דרך חתך של מוליך ביחידת זמן.
יחידת מידה: אמפר (A)
1 אמפר = מעבר של כ-6.24 x 10^18 אלקטרונים בשנייה אחת.
מה צריך לדעת על זרם
כיוון הזרם
הזרם המוסכם זורם מהקוטב החיובי (+) לשלילי (-). בפועל, האלקטרונים זורמים בכיוון ההפוך, אבל בחישובים נשתמש בכיוון המוסכם.
מדידה באמפרמטר
אמפרמטר מחובר בטור - הזרם חייב לעבור דרכו. לאמפרמטר התנגדות קטנה מאוד כדי לא לשנות את הזרם במעגל.
זרם במעגל סגור
זרם יכול לזרום רק כאשר המעגל סגור. מתג פתוח, חוט שבור או נורה שרופה - כל אחד מהם ישבור את המעגל.
ערכים טיפוסיים
נורת LED: כ-0.02A. נורת בית: כ-0.5A. קומקום חשמלי: כ-10A. ברק: עד 200,000A!
מתח חשמלי - הכוח שדוחף
מתח חשמלי הוא הגודל שמתאר את ההפרש באנרגיה בין שתי נקודות במעגל. המתח הוא ה'כוח הדוחף' שגורם למטענים לנוע - בדומה ללחץ מים בצינור. ככל שהמתח גבוה יותר, כך 'הדחיפה' חזקה יותר והזרם גדל.
הגדרה מדויקת
מתח חשמלי (V) - הפרש הפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות במעגל. מבטא כמה אנרגיה מועברת לכל יחידת מטען.
יחידת מידה: וולט (V)
1 וולט = העברה של 1 ג'ול אנרגיה למטען של 1 קולון.
מה צריך לדעת על מתח
מקור המתח
הסוללה או השקע הם מקור המתח. סוללה AA: 1.5V, סוללת רכב: 12V, שקע ביתי: 220V.
מדידה בוולטמטר
וולטמטר מחובר במקביל לרכיב הנמדד. לוולטמטר התנגדות גבוהה מאוד כדי שלא ישאב זרם מהמעגל.
מתח על רכיב
כשהזרם עובר דרך רכיב (נגד, נורה), חלק מהאנרגיה מומרת. הפרש האנרגיה הזה נקרא 'המתח על הרכיב'.
מתח בלי זרם
גם כשהמעגל פתוח (אין זרם), יש מתח על הסוללה. זה כמו לחץ מים בצינור סגור - יש לחץ גם בלי זרימה.
התנגדות חשמלית - מה מעכב את הזרם?
התנגדות חשמלית מתארת את מידת ה'קושי' שהחומר מציב בפני זרימת הזרם. חומרים שונים מוליכים חשמל בצורה שונה: מתכות כמו נחושת וכסף מוליכות היטב (התנגדות נמוכה), ואילו חומרים כמו גומי, פלסטיק וזכוכית כמעט לא מוליכים (התנגדות גבוהה מאוד) - ולכן הם נקראים מבודדים.
הגדרה מדויקת
התנגדות חשמלית (R) - מידת ההתנגדות שחומר מפגין כלפי זרימת זרם חשמלי.
יחידת מידה: אוהם (ohm)
נקראת על שם הפיזיקאי גאורג סימון אוהם. הסמל: Ω
ממה תלויה ההתנגדות?
סוג החומר
לכל חומר מוליכות שונה. נחושת מוליכה מצוין (התנגדות נמוכה), ברזל פחות טוב, וגומי כמעט לא מוליך כלל.
מוליכים: מתכות (נחושת, כסף, אלומיניום)
מבודדים: גומי, פלסטיק, זכוכית, עץ
אורך המוליך
ככל שהמוליך ארוך יותר, ההתנגדות גדולה יותר.
למטענים יש יותר חומר לעבור דרכו. חוט של 2 מטר - כפול ההתנגדות של חוט במטר אחד.
שטח חתך (עובי)
ככל שהמוליך עבה יותר, ההתנגדות קטנה יותר.
חוט עבה = יותר 'מקום' לאלקטרונים לזרום. כמו כביש רחב שמאפשר ליותר מכוניות לעבור.
טמפרטורה
ככל שהטמפרטורה עולה, ההתנגדות של מתכות בדרך כלל גדלה.
האטומים רוטטים יותר ומפריעים לתנועת האלקטרונים. (בחומרים מסוימים, כמו מוליכים-למחצה, ההתנגדות דווקא יורדת.)
אנלוגיית המים - להבין חשמל בקלות
אחת הדרכים הטובות ביותר להבין מעגלים חשמליים היא להשוות אותם למערכת צינורות מים. האנלוגיה הזו עוזרת להמחיש מושגים מופשטים:
מים מול חשמל - אנלוגיה שלמה
זרם = זרימת מים
כמות המים שעוברת בצינור ביחידת זמן - כמו כמות המטענים שזורמים בחוט. ככל שיותר מים זורמים, הזרם חזק יותר.
דוגמה: זרם של 2A = כפליים מטענים מאשר זרם של 1A
מתח = לחץ מים
הלחץ שדוחף את המים בצינור - כמו המתח שדוחף את המטענים בחוט. סוללה חזקה = לחץ גבוה = יותר זרם.
דוגמה: סוללה 9V 'דוחפת' חזק יותר מסוללה 1.5V
התנגדות = צינור צר
צינור צר מקשה על זרימת המים - כמו נגד שמקשה על זרימת הזרם. צינור רחב = פחות התנגדות.
דוגמה: נגד 100 ohm = צינור צר מאוד, נגד 1 ohm = צינור רחב
מכשירי מדידה
כדי למדוד את הגדלים השונים במעגל, נשתמש במכשירי מדידה מיוחדים. חשוב מאוד לדעת איך לחבר כל מכשיר - חיבור שגוי עלול להרוס את המכשיר או לגרום לקצר!
מכשירי מדידה במעגל חשמלי
| מכשיר | מודד | יחידה | חיבור למעגל | התנגדות המכשיר |
|---|---|---|---|---|
| אמפרמטר | זרם (I) | אמפר (A) | בטור (רציף עם המעגל) | קטנה מאוד |
| וולטמטר | מתח (V) | וולט (V) | במקביל (על פני הרכיב) | גבוהה מאוד |
| אוהממטר | התנגדות (R) | אוהם (ohm) | על הרכיב (מעגל מנותק!) | משתנה |
* כלל זכירה: אמפרמטר בטור (אט - לאט, בזהירות!), וולטמטר במקביל (ום - על המכשיר)
למה חשוב לחבר נכון?
חיבור שגוי של מכשירי מדידה עלול לגרום נזק:
- אמפרמטר במקביל - התנגדותו קטנה מאוד, כל הזרם יעבור דרכו ← קצר חשמלי! המכשיר ייהרס
- וולטמטר בטור - התנגדותו גבוהה מאוד, כמעט לא יעבור זרם ← המעגל לא יפעל
- אוהממטר על מעגל פעיל - הזרם מהסוללה יזרום למכשיר ← מדידה שגויה והמכשיר עלול להיפגע
סיכום שלושת הגדלים
זרם חשמלי (I)
אמפר (A)
כמות המטענים שעוברים בחוט ביחידת זמן.
נמדד באמפר (A).
נמדד באמצעות אמפרמטר - מחובר בטור.
סימון: I
מתח חשמלי (V)
וולט (V)
ההפרש באנרגיה בין שתי נקודות במעגל.
נמדד בוולט (V).
נמדד באמצעות וולטמטר - מחובר במקביל.
סימון: V
התנגדות (R)
אוהם (ohm)
מידת ההתנגדות שהחומר מפגין כלפי זרימת זרם.
נמדדת באוהם (ohm).
תלויה בחומר, באורך, בעובי ובטמפרטורה.
סימון: R
שאלה לחשיבה
אם נחבר אמפרמטר במקביל (במקום בטור), מה יקרה?
לאמפרמטר התנגדות קטנה מאוד. אם נחבר אותו במקביל, כמעט כל הזרם יעבור דרכו (כי ההתנגדות שלו נמוכה מאוד לעומת הרכיב שבמקביל) - וזה עלול לגרום לקצר חשמלי, לשריפת המכשיר ואף לסכנת שריפה.
שאלה לחשיבה
למה חוטי חשמל ביתיים עשויים מנחושת ולא מברזל?
לנחושת התנגדות חשמלית נמוכה בהרבה מברזל. התנגדות נמוכה = פחות אנרגיה אובדת כחום בחוטים = יותר אנרגיה מגיעה למכשירים. נחושת גם גמישה ועמידה לקורוזיה, מה שהופך אותה לחומר אידיאלי לחוטי חשמל.
חומרים שונים מוליכים חשמל ברמות שונות:
- מוליכים - מתכות כמו נחושת, כסף, זהב ואלומיניום. יש להם אלקטרונים חופשיים שנעים בקלות. התנגדות נמוכה מאוד.
- מבודדים - גומי, פלסטיק, זכוכית, עץ יבש, אוויר. האלקטרונים קשורים חזק לאטומים ולא יכולים לנוע. התנגדות גבוהה מאוד.
- מוליכים-למחצה - סיליקון וגרמניום. הם הבסיס לכל האלקטרוניקה המודרנית: מחשבים, טלפונים, לוחות סולאריים. אפשר לשלוט בהתנגדות שלהם.
- מוליכי-על - חומרים שבטמפרטורות מאוד נמוכות (קרוב לאפס המוחלט) מוליכים חשמל בלי שום התנגדות! משמשים ברפואה (MRI) ובמחקר.
חשמל יכול להיות מסוכן. זרם של 0.1A בלבד שעובר דרך גוף האדם יכול להיות קטלני! לכן חשוב לזכור:
- לעולם אל תכניסו חפצים מתכתיים לשקע חשמל
- אל תגעו במכשירי חשמל עם ידיים רטובות (מים מוליכים חשמל!)
- כבל פגום או חשוף חייב להחליף מיד
- בבית יש מפסק פחת (מכשיר בטיחות) שמנתק את החשמל ברגע שמזהה דליפת זרם
- בניסויים בבית הספר, עובדים רק עם סוללות (מתח נמוך ובטוח) ולא עם חשמל מהשקע