יסודות החשמל

חשמל היא צורת אנרגיה המכונה חשמל. היא מכונה "בלתי נראית" מכיוון שאין אפשרות לראות אותה, לשמוע אותה, לגעת בה או להריח אותה. לעומת זאת את תוצאותיה ניתן לשמוע - רמקולים, לראות – נורות, להרגיש – מנוע מסתובב או להריח תנור שאופה.

תיאוריית האלקטרון

תיאוריית האלקטרון עוזרת להסביר את יסודות החשמל. אבן הבניין הבסיסי של חומר, כל דבר שיש לו מסה ונפח, היא אטום. כל החומרים, מוצקים, נוזלים או גאזיים עשויים מולקלות שהם אטומים מחוברים יחדיו. אטומים אלו הם החלק הקטן ביותר אליו ניתן להגיע מפירוק חומר מבלי לאבד את המאפיינים שלו. יש קצת יותר ממאה סוגי אטומים שונים שמרכיבים את כל החומרים בעולם. המאפינים שמבדילים בין אטום אחד לשני הם גם אלו שקובעים את תכונותיו החשמליות.

מבנה אטומי

אטום הוא כמו מערכת שמש. במרכזו נמצא הגרעין, עשוי מניוטרונים ופרוטונים. הגרעין מוקף בעננים של חלקיקים המכונים אלקטרונים. האלקטרונים סובבים את הגרעין במסלולים קבועים המכונים טבעות או קליפות.

מימן הוא האטום הפשוט ביותר עם פרוטון בגרעין ואלקטרון אחד שסובב אותו. נחושת למשל מורכבת מגרעין המונה 29 פרוטונים ו-29 ניוטרונים שאותו סובבות ארבע טבעות שונות המכילות 29 אלקטרונים. יסודות אחרים מוכבים ממבנים שונים.

אטומים ומטענים חשמליים

לחלקים אטומיים יש מטען חשמלי. לאלקטרונים מטען שלילי (-), לפרוטונים מטען חיובי (+) ולניוטרונים אין מטען חשמלי הם נייטראלים. באטום מאוזן, מספר האלקטרונים זהה למספר הפרוטונים. האיזון בין המטען השלילי למטען החיובי מחזיק את האטום ביחד. מטענים זהים דוחים אחד את השני, מטענים שונים מושכים אחד את השני. הפרוטונים החיוביים, משאירים את האלקטרונים השליליים במסלול. כח צנטריפוגלי מונע מהאלקטרונים לנוע פנימה והניוטרונים מבטלים את הכח הדוחה בין שני הפרוטונים ומשאירים ליבת האטום מחוברת.

יונים חיוביים ושליליים

אם אטום אוסף אלקטרונים, הוא הופך ליון שלילי. אם אטום מאבד אלקטרון, הוא הופך חיובי. יונים חיוביים משוכים אלקטרונים מאטומים שכנים כדי להתאזן. תופעה זו יוצרת זרם אלקטרונים.

זרם אלקטרונים

מספר האלקטרונים במסלול החיצוני ביותר (קליפת וולאנס או טבעת וולאנס), קובע את יכולת האטום להוליך זרם חשמלי. האלקטרונים בטבעות הפנימיות קרובות יותר לליבה נמשכים בחוזקה אל הפרוטונים ומכונים אלקטרונים קשורים. האלקטרונים בטבעות החיצונית רחוקים יותר מהליבה, נמשכים אל הפרוטונים בעוצמה נמוכה יותר ולפיכך מכונים אלקטרונים חופשיים.

ניתן לשחרר אלקטרונים בכח כמו חיכוך, חום, אור, לחץ, תגובה כימית או מגנטית. אלקטרונים חופשיים אלו נעים מהכח האלקטרומוטיבי, EMF, מאטום אחד למשנהו. זרם של אטומים חופשיים יוצר זרם חשמלי.

מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה

המאפיינים החשמליים של חומרים שונים נקבעים על-ידי מספר האלקטרונים בטבעת החיצונית של האטום.

מוליכים – חומרים אשר יש להם אחד עד שלושה אלקטרונים בטבעת החיצונית שלהם הם מוליכים טובים. האלקטרונים מוחזקים אל גרעין האטום בצורה רפויה למדי, יש מקום לעוד אלקטרונים וכח אלקטרומוטיבי נמוך יוצר זרימה של אלקטרונים חופשיים.

מבודדים – חומרים אשר יש להם חמישה עד שמונה אלקטרונים בטבעת החיצונית שלהם הם מבודדים. האלקטרונים בטבעת החיצונית מוחזקים באופן הדוק, הטבעת החיצונית מלאה למדי, וכח אלקטרומוטיבי גבוה דרוש על-מנת לגרום לתנועת אלקטרונים כלשהי. חומרים אלו כוללים זכוכית, גומי, וסוגי פלסטיק מסוימים.

מוליכים למחצה – חומרים אשר להם ארבעה אלקטרונים בדיוק בטבעת החיצונית של האטום מכונים מוליכים למחצה. הם לא מוליכים טובים ולא מבודדים טובים. חומרים אלו כוללים סיבי פחמן, גרמניום וסיליקון.

תיאוריות זרימת זרם

שתי תיאוריות מתארות זרימת זרם חשמלי, התיאורייה הקונבנציונאלית, אשר בדרך כלל נמצאת בשימוש בתחום הרכב, גורסת כי זרם זורם מה(+) אל ה (-), אלקטרונים עודפים זרומים מאיזור של פוטנציאל גבוה לאיזור של פוטנציאל נמוך. תיאוריית האלקטרונים גורסת כי הזרם זורם מה (-) אל ה(+). עודף אלקטרונים יוצר איזור של פוטנציאל שלילי וזורם לכיוון שבו חסרים אלקטרונים, איזור של פוטנציאל חיובי, לאזן את המטענים.

מונחי יסוד בחשמל

חשמל אינו יכול להימדד באופן רגיל. ניתן למדוד את הפעולות שהחשמל מבצע אם נזכור שהחשמל משתווה למילון המונחים הרגיל שלנו בצורה הבאה:

מתח הוא לחץ, זרם חשמלי דומה לכל זרם, התנגדות מתנגדת לזרם והספק חשמלי הוא כמות העבודה שמתבצעת.

מתח – מתח הוא לחץ חשמלי, כח פוטנציאלי או הפרש פוטנציאלי בין שתי נקודות. הוא יכול לדחוף זרם חשמלי בתוך חוט, אבל לא דרך הבידוד שלו. מתח נמדד בוולטים. וולט אחד יכול לדחוף זרם מסויים, שני וולט ידחפו זרם כפול וכן הלאה. מד מתח (וולטמטר) מודד את ההפרש החשמלי בין שתי נקודות בוולטים. יש לחבר מד מתח באופן מקבילי למעגל הנבדק. סימנו V

זרם – זרם חשמלי הוא זרם אלקטרונים בתוך חוט. הזרם נדחף בתוך החוט ע"י המתח. זרם מודדים ביחידות של אמפר. מודד זרם, בודק את כמות הזרם במעגל ביחידות אמפר. יש לחבר אותו בטור למעגל או כחלק ממנו. סימנו A

התנגדות – התנגדות מתנגדת למעבר זרם, בדומה לחיכוך במערכות מכאניות. ההתנגדות מאיטה את מעבר הזרם. לכל רכיב חשמלי או מעגל יש התנגדות. התנגדות זאת ממירה את האנרגיה החשמלית לצורת אנרגיה אחרת – חום, אור או תנועה. התנגדות נמדדת ביחידות אוהם, מודד מיוחד המכונה אוהםמטר מודד התנגדות של רכיב או מעגל גם כשאין מעבר זרם. סימן ההתנגדות Ω

גורמים המשפיעים על ההתנגדות – חמישה גורמים קובעים את ההתנגדות של חומרים. אורך המוליך, קוטר המוליך, חום המוליך, מצבו הפיזי והחומר ממנו הוא עשוי. היות ותיל הלהט של מנורה, מנוע חשמלי וסליל של סולונואיד הם מוליכים, הכללים האלו חלים עליהם כמו גם חיווט.

אורך – האלקטרונים בתנועה מתנגשים ללא הרף האחד בשני כאשר המתח דוחף אותם במוליך. אם שני חוטים עשויים מאותו חומר ובאותו הקוטר, לחוט הארוך יותר תהיה התנגדות גדולה יותר. התנגדות של חוטים נרשמת לעיתים באוהמים למטר. לאורך חוטי הצתה למשל יש משקל גדול על הביצועים, וכאשר מחליפים אותם חשוב להקפיד על אורך מתאים.

קוטר – מוליכים עבים מתירים ליותר זרם לזרום תחת פחות מתח. שני חוטים עשויים מאותו חומר ובאותו האורך, לחוט הדק יותר תהיה התנגדות גבוהה יותר.

חום – ברוב המוליכים ההתנגדות עולה ככל שהטמפרטורה עולה. אלקטרונים נעים מהר יותר, אבל לא בהכרח בכיוון הרצוי. רוב המבודדים מבודדים פחות טוב בטמפרטורות גבוהות. יוצאים מהכלל הם מוליכים למחצה המכונים טירמיסטורים מסוג NTC, ככל שהטמפרטורה עולה, ההתנגדות שלהם יורדת.

מצב פיזי – חוטים חתוכים למחצה או "צבוטים" מתנהגים כמו חוט בקוטר קטן יותר בעל התנגדות גבוהה יותר בנקודה הבעייתית. חשוב מאוד לא לפגוע בחוטים בעת בדיקות שלהם.

סוג החומר – חומרים בעלי כמות רבה של אלקטרונים חופשיים הם מוליכים טובים ובעלי התנגדות נמוכה לזרם. חומרים עם אלקטרונים כבולים רבים הם מבודדים טובים ובעלי התנגדות גבוהה מאוד . נחושת, אלומיניום, זהב וכסף הם מוליכים מעולים. גומי, זכוכית, נייר, קרמיקה ואוויר הם מבודדים בעלי התנגדות גבוהה.

מתח, זרם והתנגדות במעגלים

קיים יחס פשוט בין מתח זרם והתנגדות במעגלים חשמליים. הבנת היחס הזה חשובה לאבחון מהיר ונכון של תקלות במעגלים חשמליים.

חוק אוהם

חוק אוהם אומר, הזרם במעגל הוא ביחס ישר למתח וביחס הפוך להתנגדות. הווה אומר, ככל שהמתח עולה, הזרם גם עולה ולהפך. וגם, ככל שההתנגדות עולה הזרם יורד ולהפך.

ניתן להשתמש בחוק אוהם לפתרון תקלות בחשמל אך הוא לא תמיד פרקטי. עדיף להשתמש במספר יישומים שלו:

מקור מתח – אינו מושפע מזרם או התנגדות. הוא או נמוך מידי או גבוה מידי. אם הוא נמוך הזרם יהיה נמוך. אם הוא גבוה מידי – הזרם יהיה גבוה מידי ואם הוא נורמאלי, הזרם יהיה גבוה כאשר ההתנגדות נמוכה ולהפך.

זרם – מושפע גם ממתח וגם מהתנגדות. אם המתח גבוה או ההתנגדות נמוכה, הזרם יהיה גבוה. אם המתח נמוך או ההתנגדות גבוהה, הזרם יהיה נמוך.

התנגדות – לא מושפעת מזרם או מתח. יכולה להיות גבוהה מידי, נורמאלית או נמוכה מידי. אם ההתנגדות נמוכה מידי, הזרם יהיה גבוה בכל מתח. אם היא גבוהה מידי, הזרם יהיה נמוך במתח תקין.

כח חשמלי ועבודה

מתח וזרם אינם מדדים טובים לכח חשמלי ועבודה. כח נמדד ביחידות וואט וסימנו w.

עבודה ביחידות של וואט לשעה, היא כמות העבודה בפרק זמן מסוים, ומכונה הספק.

הספק מסומן באות W, ושווה לעבודה כפול זמן. אנרגיה חשמלית מבצעת עבודה כאשר היא משתנה לאנרגיה של חום, אור, צליל, תגובה כימית או תנועה. ניתן למדוד אותה בעזרת מד וואפט-שעה.

פעולות של זרם

הזרם, כמו שהזכרנו קודם יכול לגרום למספר פעולות: תנועה, אור, חום, תגובה כימית ואלקטרו-מגנטיות.

חום – כאשר זרם זורם דרך תיל במנורת ליבון, מפשיר אדים או מצית סיגריות, נוצר חום כתוצאה מהפיכת אנרגיה חשמלית לאנרגיית חום. נתיכים נשרפים כתוצאה מהחום המיוצר כאשר זורמת כמות זרם גדולה מידי.

תגובה כימית – בסוללה פשוטה, תגובה כימית בין שתי מתכות ותערובת של חומצה ומים יוצרת אנרגיה פוטנציאלית, או מתח. כאשר הסוללה מחוברת לעומס חיצוני, זרם חשמלי יזרום. הזרם ימשיך לזרום עד שבשתי המתכות אנרגיה פוטנציאלית שווה והתמיסה תהפוך ברובה למים. כאשר זרם נשלח אל המצבר דרך האלטרנטור או מטען המצברים, התגובה הכימית הפוכה. זו תגובה כימית הנוצרת בעקבות מעבר זרם. הזרם הזה גורם לשינוי הפוטנציאל החשמלי של המתכות, ומחדש את התמיסה חומצה-מים.

אלקטרו-מגנטיות – חשמל ומגנטיות הם תחומים קרובים מאוד. ניתן להשתמש במגנטיות כדי לייצר חשמל ולהיפך. כל מוליך שמעביר זרם מייצר שדה מגנטי. חוזק השדה המגנטי משתנה בהתאם לשינוי הזרם, ככל שיש יותר זרם השדה המגנטי חזק יותר. כאשר המוליך ישר, השדה המגנטי סובב את המוליך בקוים מעגליים. כאשר המוליך מלופף (סליל), הקווים של השדה המגנטי מרוכזים יותר ומייצרים שדה מגנטי חזק מאוד. ניתן להגביר את עוצמת השדה על-ידי הגברת הזרם, או הגברת מספר הכריכות, או גם-וגם. ניתן לייצר אלקטרו-מגנט חזק על-ידי הכנסת ליבה מברזל אל לב הסליל. משתמשים בתכונת האלקטרו-מגנטיות במגוון שימושים רחב.

סוגים של חשמל

יש שני סוגים של חשמל: סטאטי ודינאמי. חשמל דינאמי יכול לזרום בזרם ישר (DC), או בזרם חלופין (AC).

חשמל סטאטי: כאשר שני מבודדים, לדוגמא משי וזכוכית, מתחככים זה בזה, מספר אלקטרונים משתחרר. שני החומרים נעשים טעונים חשמלית. לאחד חסרים אלקטרונים והוא טעון במטען חיובי, לשני יש עודף של אלקטרונים והוא טעון במטען שלילי. המטענים נשארים על פני השטח ואינם נעים אלא אם שני החומרים נוגעים אחד בשני שוב או שחומר מוליך מחובר אליהם. מכיוון שאין זרימת אלקטרונים, התופעה מכונה חשמל סטאטי.

חשמל דינאמי: כאשר אלקטרונים משוחררים מהאטומים שלהם וזורמים בתוך חומר מוליך. כאשר האלקטרונים זורמים בכיוון אחד זה מכונה זרם ישר DC. זהו סוג הזרם המיוצר על-ידי מצבר הרכב. אם האלקטרונים החופשיים משנים את כיוון הזרימה שלהם ללא הרף בין הקטבים זה מכונה זרם חלופין AC, זהו סוג הזרם המיוצר על-ידי האלטרנטור של הרכב. ממירים אותו לזרם ישר כדי להפעיל את הצרכנים וכדי לטעון את מצבר הרכב.