נושא 1: מבוא לתורת החשמל

בפרק זה המבנה האטומי של החומר זרם חשמלי יחידות

1. המבנה האטומי של החומר האטום: החלקיק הקטן ביותר שניתן לבודד באמצעים כימיים. על פי היוונים הקדמונים , פירוש המילה 'אטום' היא "בלתי ניתן לחלוקה" )'א' =בלתי 'טום' =פריק). וזאת כיוון שהניחו שזוהי היחידה הבסיסית ביותר של הטבע, כזו שלא ניתנת לחלוקה נוספת.

1. המבנה האטומי של החומר מבנה האטום לפי תומסון - מודל “עוגת הצימוקים” (העשרה) על פי המודל (הראשוני) של תומסון האטום הוא כדור של מטען חיובי בו נעוצים אלקטרונים כמו צימוקים בעוגה. בסך הכול המטען החיובי שווה לשלילי אלקטרונים כדור טעון מטען חיובי

1. המבנה האטומי של החומר המודל הפלנטארי (העשרה) ארנסט רתרפורד הגדיר את המודל הפלנטארי, לפיו האטום בנוי מגרעין, שבו מרוכזים נויטרונים (נטולי מטען חשמלי) ופרוטונים (בעלי מטען חשמלי חיובי). מסביב לגרעין חגים ככוכבים בפלנטה אלקטרונים שמטענם שווה והופכי למטענם של הפרוטונים ומספרם כמספר הפרוטונים שבגרעין, כך שמטענם החשמלי השלילי הכולל שווה למטען החיובי הכולל של הפרוטונים ומטען האטום כולו הוא אפס.

1. המבנה האטומי של החומר מטענים חיוביים ושליליים (העשרה) 1. המבנה האטומי של החומר מטענים חיוביים ושליליים (העשרה) מטענים חיוביים ושליליים נמשכים בטבע, ואילו מטענים חיוביים דוחים אחד את השני (וכך גם שליליים). באותו אופן, גם חלקיקים יסודיים כמו אלקטרונים נמשכים לגרעין האטום שמכיל רק חלקיקים ניטרליים וחלקיקים חיוביים. בצורה זו שומר האטום על מבנהו.

הכוחות הפועלים באטום (העשרה) 1. המבנה האטומי של החומר הכוחות הפועלים באטום (העשרה) הכוחות החשמליים: א. כוחות המשיכה בין האלקטרונים לגרעין, שהוא בעל מטען חיובי. ב. כוחות הדחייה שבין חלקיקים בעלי מטען זהה: הפרוטונים בינם לבין עצמם והאלקטרונים בינם לבין עצמם. בגלל כוח המשיכה שבין האלקטרונים (-) לגרעין (+), הם נעים סביב הגרעין, אך לא בצמוד אליו – כי הם אינם יכולים להיות קרובים אחד לשני, עקב כוחות הדחייה ביניהם.

הכוחות הפועלים באטום (העשרה) 1. המבנה האטומי של החומר הכוחות הפועלים באטום (העשרה) הכוחות הגרעיניים הם כוחות חזקים מכוחות חשמליים. אלו הכוחות המחזיקים את הפרוטונים ביחד, למרות הדחייה החשמלית הקיימת ביניהם.

1. המבנה האטומי של החומר גדלים ומשקלים (העשרה) 1. המבנה האטומי של החומר גדלים ומשקלים (העשרה) קוטר הגרעין הוא קטן מאוד ביחס לגודל האטום כולו. הפרוטונים מרוכזים במקום קטן מאוד. למעשה, הגרעין כל-כך קטן, עד אשר נוכל להמשילו לגודל של נמלה בתוך מגרש של כדורגל.

1. המבנה האטומי של החומר גדלים ומשקלים 1. המבנה האטומי של החומר גדלים ומשקלים הפרוטון כבד פי כ-2000 מהאלקטרון, והנויטרונים הם חלקיקים מעט כבדים יותר מהפרוטונים. כיוון שגודל גרעין האטום כל כך קטן, נוצר מצב שבו מסת האטום מרוכזת בגרעין שנפחו מהווה חלק של כאחד ממאה אלף בלבד מנפח האטום.

1. המבנה האטומי של החומר גדלים ומשקלים (העשרה) 1. המבנה האטומי של החומר גדלים ומשקלים (העשרה) סימולם של אטומים בכתב כימי נעשה באמצעות אותיות לטיניות הקבועות לכל יסוד כימי. H - מימן He - הליום O - חמצן N - חנקן Ne - ניאון C - פחמן Co - קובלט Cl - כלור Ca- סידן B - בור

1. המבנה האטומי של החומר יסוד (העשרה) יסוד: חומר המורכב מחלקיקים מסוג אחד בלבד, לא ניתן להרכיבו מחומרים אחרים, לא ניתן לפרקו או לשנותו לחומר אחר בתהליכים כימיים רגילים. זאת בניגוד למולקולה המורכבת מיסודות. היסוד הוא המרכיב הבסיסי של כל החומרים. החלק הקטן ביותר של היסוד הוא האטום המוגדר על ידי מספר אטומי (מספר הפרוטונים הנמצאים בגרעין).

1. המבנה האטומי של החומר יסוד- המימן (העשרה) היסוד בעל האטום הפשוט ביותר הוא המימן (H):זהו אטום של גז המורכב מפרוטון אחד בגרעין ,ללא נויטרון, ומסביבו אלקטרון אחד. כלומר, יש באטום כולו מטען חשמלי חיובי אחד (בגרעין) ומטען חשמלי שלילי אחד (בקליפה - כלומר ענן האלקטרון). ביחד, האטום כולו הוא ניטרלי :מטען אחד של פרוטון פחות מטען אחד של אלקטרון (כי המטענים הפוכים).

1. המבנה האטומי של החומר יסודות (העשרה) היסוד השני בסדרה אף הוא אטום של גז- ההליום. הוא מורכב מגרעין בן שני פרוטונים ושני אלקטרונים סביבו. בצורה כזו מתקדם המבנה של אטומים והופך מורכב יותר, ובעל מספר רב יותר של חלקים. בנחושת למשל יש בגרעין 29 פרוטונים ו- 29 אלקטרונים המקיפים את הגרעין.

1. המבנה האטומי של החומר מוליכים ומבודדים 1. המבנה האטומי של החומר מוליכים ומבודדים במצבו הנורמלי של האטום בכל חומר שווה מספר האלקטרונים למספר הפרוטונים. מצב זה של שיווי משקל בין מטענים חיוביים לשליליים הוא המצב אליו שואף כל אטום. למרות זאת, בחלקים חיצוניים יותר של האטום מצויים אלקטרונים אשר הקשר שלהם לגרעין רופף והם חופשיים לנוע מאטום לאטום. אלקטרונים אלו נקראים – אלקטרונים חופשיים. מספר האלקטרונים החופשיים שונה בכל יסוד, ותלוי בתכונות של אותו יסוד.

1. המבנה האטומי של החומר תנועת אלקטרונים 1. המבנה האטומי של החומר תנועת אלקטרונים קיימת אפשרות ,במיוחד במתכות, שכתוצאה מהשפעות חיצוניות כלשהן, כגון חום, ינתק אלקטרון ממסלולו. במקרה שכזה נמצא האטום במצב לא מאוזן ובעל מטען חיובי, וישאף להשלמה של חוסר זה באלקטרון, על מנת להפוך את מצבו למאוזן. אטום זה ימשוך אליו אלקטרון חופשי מאטום הסמוך אליו, וכך הלאה בין כל שאר האטומים. ישנה אפשרות גם שאטום יקבל אלקטרון מאטום סמוך ויהיה במצב לא מאוזן, ובעל מטען שלילי. וכמובן שכעת יישאף להיפטר מאלקטרון עודף זה על מנת לאזן את מטענו. בצורה זו נוצרת תנועה של אלקטרונים חופשיים אך בצורה בלתי מסודרת.

1. המבנה האטומי של החומר תנועת אלקטרונים 1. המבנה האטומי של החומר תנועת אלקטרונים מימין -אטום בעל מטען חשמלי חיובי: 2 פרוטונים ,2 ניוטרונים ואלקטרון יחיד. במרכז- אטום בשווי משקל : 2 פרוטונים ,2 ניוטרונים ו-2 אלקטרונים. משמאל- אטום בעל מטען חשמלי שלילי: פרוטון יחיד נויטרון יחיד ו- 2 אלקטרונים.

1. המבנה האטומי של החומר מוליכות חשמלית 1. המבנה האטומי של החומר מוליכות חשמלית כעת, כאשר הבנו את תיאורית האלקטרונים החופשיים ניתן להסביר את תופעת המוליכות החשמלית. קיימים חומרים המסוגלים להעביר דרכם מטענים חשמליים בקלות יחסית, כמו למשל מתכות. חומרים אלו נקראים "חומרים מוליכים" וקיימים בהם אלקטרונים טעונים עם חופש תנועה. חומרים מוליכים יכולים להיות מתכת, תמיסה מוליכה (למשל מי ים) או פולימר מוליך. אם כך, ניתן לסכם ולהגיד כי מוליכות חשמלית של גוף מסוים היא מידת היכולת של זרם חשמלי לעבור באותו גוף.

1. המבנה האטומי של החומר מוליכים ומבודדים 1. המבנה האטומי של החומר מוליכים ומבודדים חומרים מבדדים לדוגמא: עץ שעם זכוכית חרסינה פלסטיק אוויר קרמיקה חומרים מוליכים לדוגמא: נחושת אלומיניום כסף זהב פלדה כספית מוליכים למחצה: תכונות קבוצה זו הם בין מצב הולכה למצב בידוד על ידי ערור חיצוני חלש (למשל תאורה). צורן גרמניום

(העשרה) בשנת 1774 ניתנה הוכחה ניסיונית שגוף האדם הוא מוליך. אדם קשור בכבלים בלתי מוליכים נטען ע"י מגע עם גוף טעון כאשר הוא מקרב את ידו השמאלית, פניו ומוט מתכת המוחזק בידו הימנית אל צלחות ובהן חתיכות נייר, הן נמשכות אליו

2. זרם חשמלי זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת של נושאי מטען (אלקטרונים) חופשיים בתוך חומר מוליך. תמונה מיקרוסקופית של תיל מוליך דרכו זורם זרם אלקטרונים חופשיים

2. זרם חשמלי ישנם מספר תהליכים אשר מעוררים את פעילות האלקטרונים זו. אנו נתמקד בתהליך מעורר אחד :יצירת פוטנציאל חשמלי. תהליך זה מאפשר ליצור פעילות אלקטרונים בכוון מסוים, משמע- זרם חשמלי.

2. זרם חשמלי שאלה: מדוע בעצם זרם חשמלי הוא תנועה של אלקטרונים ולא של פרוטונים? תשובה: כיוון שהפרוטונים כבדים פי 2000 מהאלקטרונים.

2. זרם חשמלי ההגדרה המקובלת בתורת החשמל היא שזרם מסומן הפוך לתנועת האלקטרונים (השליליים). כלומר- מסמן את כוון הזרימה החיובי של המטען החשמלי. כוון זרימת האלקטרונים כוון הזרימה השלילי של המטען כוון הזרימה החיובי של המטען כוון הזרם החשמלי (I)

2. זרם חשמלי בחשמל ואלקטרוניקה אנחנו בדרך כלל משתמשים בזרם החשמלי הזורם דרך מעגל או מערכת חשמלית במשך זמן ממושך. כך למשל הזרם דרך נורה דולקת חייב לזרום כל זמן פעולת הנורה. ברגע שייפסק הזרם - תכבה הנורה.

2. זרם ופוטנציאל חשמלי מהי אנרגיה פוטנציאלית? (העשרה) אנרגיה פוטנציאלית הינה אנרגיה הטמונה בגוף כלשהו עקב מצבו. לדוגמא: אם נכווץ קפיץ , הרי שעם השתחררותו הוא מסוגל לבצע עבודה. האנרגיה אותה השקענו בקפיץ הפכה לאנרגיה הפוטנציאלית שלו. אם נרים כדור לגובה, השקענו אנרגיה (או- עבודה) בהרמתו. אותה אנרגיה יכולה להשתחרר על ידי הגוף בנופלו ובכך לבצע עבורנו עבודה. מכאן- כשאנחנו אומרים כי לגוף מסוים יש את היכולת לבצע עבודה עקב מצבו, סימן שלגוף זה ישנה אנרגיה פוטנציאלית

2. זרם ופוטנציאל חשמלי מהו פוטנציאל חשמלי (אנרגיה פוטנציאלית חשמלית) 2. זרם ופוטנציאל חשמלי מהו פוטנציאל חשמלי (אנרגיה פוטנציאלית חשמלית)? (העשרה) נניח שנתון גוף טעון במטען חשמלי חיובי. על מנת לקרב אליו יחידת מטען חיובית גם כן, ממרחק אינסופי (מסומן כ- ∞) ממנו, למרחק r כלשהו ממנו, צריך לבצע עבודה (להשקיע אנרגיה) כנגד כוח הדחייה החשמלי הקיים ביניהם. ישנו כוח דחייה בין שני המטענים הללו. ככל שנתקרב אל הגוף הטעון כוח הדחייה יהיה גדול יותר.

2. זרם ופוטנציאל חשמלי מהו פוטנציאל חשמלי? (העשרה) הפוטנציאל בנקודה ב"שדה חשמלי" הוא העבודה שעובד השדה בהעבירו יחידת מטען חיובי מהנקודה לאינסוף. המושג "פוטנציאל חשמלי" הוא בעל משמעות פיזיקאלית רק אם מוגדרת רמת ייחוס (כמו אינסוף במקרה שלנו). ההגדרות האלו מבוססות על בחירת רמת הייחוס באינסוף, כך שהפוטנציאל החשמלי באינסוף מוגדר כשווה לאפס.

2. זרם ופוטנציאל חשמלי מהו מתח חשמלי? מתח חשמלי, ובקצרה מתח, הוא ההפרש בפוטנציאל חשמלי בין שתי נקודות. מתח נמדד ביחידות של וולט המסומנות באות V. (לפעמים באותיות U או E).

2. זרם ופוטנציאל חשמלי מהו שדה חשמלי? (העשרה) כשעל מטען המצוי בנקודה במרחב פועל כוח חשמלי, אומרים שבנקודה קיים שדה חשמלי. כיוונו של השדה החשמלי בנקודה מסוימת נקבע ככיוונו של הכוח החשמלי שיפעל על מטען נקודתי חיובי שיוצב בנקודה זו. גודל השדה החשמלי הוא כגודל הכוח הפועל על יחידת מטען. שדה חשמלי אלקטרוסטאטי הוא שדה חשמלי שנוצר על ידי מטענים חשמליים הקבועים במקומם

2. זרם ופוטנציאל חשמלי על מנת שיזרום זרם חשמלי דרושות שתי נקודות בעלות פוטנציאל שונה, או במילים אחרות- שתי נקודות שביניהן קיים מתח חשמלי (שדה חשמלי). על שתי הנקודות שביניהן קיים מתח חשמלי להיות מחוברות באמצעות מוליך. נקודה ב' פוטנציאל נמוך חומר מוליך נקודה א' פוטנציאל גבוה זרם

2. זרם ופוטנציאל חשמלי הזרם החשמלי יזרום כל עוד ישנו מתח חשמלי שתי הנקודות מחוברות ביניהן אם הפוטנציאל בין שתי נקודות משתווה במהירות יזרום הזרם במשך זמן קצר בלבד. אם הפוטנציאל משתווה לאט או שאינו משתווה כלל – יזרום הזרם במשך זמן ממושך.

2. זרם ופוטנציאל חשמלי ההבדל אפשר להסתכל על הרעיון של מתח וזרם בצורה הבאה: ישנו מקור מתח מסויים (כמו למשל סוללה), ובו מטענים חיוביים (פרוטונים חסרי אלקטרונים) ושליליים (פרוטונים עם עודף אלקטרונים) . כמו שלמדנו- מטענים אלו רוצים להתאזן, כלומר שאלקטרונים יעברו אל האיזור החיובי. על מנת שזה יקרה אנחנו מחברים כבל מוליך אשר מאפשר את תנועת המטענים הזו (זרם) מהאיזור השלילי אל האיזור החיובי. זהו הזרם!

3. יחידות- זרם אמפר- Ampere (העשרה) יחידת הזרם :האמפר זו היחידה באמצעותה מגדירים עוצמות זרמים, כך למשל עובר דרך נורה רגילה כחצי האמפר, דרך רדיו טרנזיסטור בין 0.1 ל- 0.01 אמפר וכו'. זרם של אמפר אחד מוגדר על ידי 6,300,000,000,000,000 (או כמו שהמתמטיקאים מסמנים את המספר הזה: 6.3X1014 ) אלקטרונים העוברים במוליך בכל שנייה. היא קרויה על שמו של הפיזיקאי אנדרה מרי אמפר. נהוג לסמן את הזרם על ידי האות I, ואת יחידת הכמות באות A. לדוגמא: I =0.2 A – כמות הזרם היא 0.2 אמפר.

3. יחידות- מטען קולון – Coulomb (העשרה) יחידת כמות האלקטרונים :הקולון זו כמות של 6,300,000,000,000,000 (או כמו שהמתמטיקאים מסמנים את המספר הזה: 6.3X1014 ) אלקטרונים . אנו רואים כי כמות של קולון אחד העוברת במוליך במשך שנייה אחת יוצר זרם בן אמפר אחד. יחידה זו קרויה על שם הפיזיקאי הצרפתי שארל-אוגוסטן דה קולון. נהוג לסמן את המטען באות Q ויחידת המטען באות C. לדוגמא Q=3C : גודל המטען הוא 3 קולון.

3. יחידות (העשרה) אם מטען בכמות 'Q' עובר דרך חתך של המוליך בזמן 'T' הזרם מוגדר כ: חתך של המוליך מטען בכמות Q

3. יחידות שאלות לדוגמא (העשרה) מהי עוצמת הזרם הזורם במוליך בו עוברים 4 קולונים במשך 2 שניות? Q= 4C T= 2 sec I = ? פתרון:

3. יחידות- מתח וולט- Volt יחידת המתח- וולט , היא גם יחידת הפרש הפוטנציאלים. הגדרה לוולט היא- הפרש הפוטנציאלים שדורש השקעה של ג'אול אחד של אנרגיה על מנת להזיז מטען בן קולון אחד בכיוון גידול הפוטנציאל. הוולט נקרא על שמו של אלסנדרו וולטה, אשר בשנת 1800 המציא את עמוד וולטה - הסוללה הכימית הראשונה. נהוג לסמן את יחידות הוולט באות v, ואת גודל המתח באות V.

3. יחידות- התנגדות אוהם - Ohm יחידת ההתנגדות למעבר זרם חשמלי נקראת אוהם. אם נפעיל על מוליך מסוים מתח בן וולט אחד וכתוצאה מכך יזרום זרם בן אמפר אחד- התנגדות המוליך היא אוהם אחד. נקראת על שמו של גאורג אוהם, אשר גילה את חוק אוהם. נהוג לסמן את גודל ההתנגדות באות R, ויחידות ההתנגדות באות אומגה- Ω.

3. יחידות חוק אוהם אם נפעיל על מוליך מסוים מתח בן וולט אחד וכתוצאה מכך יזרום זרם בן אמפר אחד- התנגדות המוליך היא אוהם אחד התנגדות מתח זרם

3. יחידות חוק אוהם ניתן להתייחס אל חוק אוהם בכמה דרכים שונות.

3. יחידות- חוק אוהם- שאלת לדוגמא 3. יחידות- חוק אוהם- שאלת לדוגמא מהו הזרם הזורם דרך מוליך שהתנגדותו 100 אוהם והמתח המופעל עליו הוא 220 וולט? R= 100 Ω V= 220V I = ? פתרון:

3. יחידות- הספק וואט- Watt מכשיר חשמלי אשר עובר בו זרם בגודל של אמפר אחד (1A) בזמן שמופעל עליו מתח בגודל של וולט אחד (1V) הוא בעל הספק של וואט אחד. היחידה קרויה על שם ג'יימס ואט, ממפתחי מנוע הקיטור. נהוג לסמן את גודל ההתנגדות באות P, ויחידות ההתנגדות באות W. לדוגמא: P=3W משמעו הספק של 3 וואט.

3. יחידות נוסחת הספק הספק מתח P [Watt] = V [volts] X I [Amper] זרם

3. יחידות נוסחת הספק- דרכים שונות להסתכל עליה P = V X I סימון מתח V זרם I התנגדות R הספק P P = IX R2

3. יחידות שאלות לדוגמא- הספק מהו ההספק של מנורה המחוברת למקור מתח בן 220 וולט ושכתוצאה מכך זורם דרכה זרם בן שני אמפר? V = 220v I = 2A P = ? P = V X I = 220 X 2 = 440 [W] פתרון:

3. יחידות - סיכום סימון יחידות מתח V Volt (v) זרם I Ampere (A) התנגדות Resistance (Ω) זמן T Seconds (sec) מטען Q Coulomb (C) הספק P Watt (W)

3. יחידות - סיכום P = I X V V = I X R Q = I X T סימון מתח V זרם I התנגדות R זמן T מטען Q הספק P P = I X V V = I X R Q = I X T

כל הזכויות שמורות למכללת מלט"ש (המכללה ללימודי טכנולוגיה שימושית) נוצר על ידי: רותם עבדו