חשמל

חומר רקע

בפעילות זו נלמד על מהות החשמל בעזרת בניית מעגל חשמלי ונבדוק אילו חומרים מוליכים ואילו מבודדים.

רקע עיוני

החשמל הוא מסוגי האנרגיה הנפוצים בימינו. קיימים שני סוגי מטען חשמלי: חיובי ושלילי. חלקיקי האטום, הפרוטונים והאלקטרונים הם הגורמים למטען חשמלי. לפרוטון, מטען חשמלי חיובי, ולאלקטרון שלילי. האלקטרונים ניידים, מעברים בין אטומים ומולקולות יוצר את המטען החשמלי. חומרים שונים, בכל מצבי הצבירה, מסוגלים להוליך זרם חשמל. לכל חומר מוליכות חשמלית שונה. בחיי היום יום, לעיתים, אנו מתחשמלים ממגע עם חומרים מסוימים כגון: שיער או צמר. תופעה זו נקראת: "חשמל סטטי". מקורה בחיכוך בין חומרים מסוימים, הגורם ליצירת מטען חשמלי באחד מהם. חלק גדול מהאנרגיה שאנו צורכים, מקורו בזרם חשמלי. מירב המכונות שאנו משתמשים, פועלים בעזרת מנוע חשמלי הניזון ממערכת חשמל ארצית. רשת החשמל הארצית, מעבירה את זרם החשמל מתחנות הכוח בהן נמצאות טורבינות ענק הניזונות מאנרגיה האצורה בדלק או פחם (או גז או מקורות חלופיים אחרים) או אנרגיה אטומית, וממירים אנרגיה זו לאנרגיה חשמלית.
הזרם החשמלי אינו אלא תנועה או זרימה של חשמל. מספר מסוים של אלקטרונים בכל אטום של מוליך, כגון תיל נחושת, אינם מוחזקים בחוזקה, "אלקטרונים חופשיים" אלה עשויים לקפוץ מאטום לאטום, ואותה זרימה מתמדת של אלקטרונים החופשיים היא זו המוליכה את החשמל בתיל.
השאלה הנשאלת היא מדוע בכלל עוברים האלקטרונים מאטום לאטום? החוק היסודי של תורת החשמל אומר, כי שני מטענים חשמליים בעלי אותו סימן (שניהם חיוביים או שליליים) דוחים זה את זה, אולם שני מטענים בעלי סימן מנוגד (האחד חיובי והשני שלילי) נמשכים זה לזה. מאחר והאלקטרונים הם בעלי מטען שלילי, הר שהם נידחים על ידי אטומים טעונים חשמל שלילי ונמשכים לאטומים טעונים חשמל חיובי. כתוצאה מכך נדחפים האלקטרונים מאטום לאטום, עד שהם מוצאים אחד החסר אלקטרונים וזה קולט אותם.
מאידך יכול אלקטרון להיאחז באטום על ידי כך שהוא דוחף מתוך האטום אלקטרון אחר. כאשר מפעילים על התיל "כוח מניע" מסוים, מסתדרים האלקטרונים הנודדים בזרימה מתמדת ובעלת כיוון אחד.
הכוח המניע הזה אינו אלא ההפרש בלחץ החשמלי (המתח) שבין שני קצוות התיל, והוא מסופק על ידי סוללה או גנרטור (דינמו). המתח החשמלי גורם לזרימת האלקטרונים על ידי כך שהוא דוחף את האלקטרונים הרופפים מן האטום הראשון בשורה אל האטום הסמוך, וכך מאטום עד קצה התיל.
התנאי ההכרחי בשביל הזרם החשמלי הוא שיהיה לו נתיב בלתי מנותק, או כפי שנהוג לומר, מעגל סגור. התילים המוליכים את הזרם מחלקו האחד של המעגל אל משנהו עשויים כמעט תמיד מנחושת. הנחושת, בדומה למתכות רבות אחרות, היא מוליך טוב לחשמל. היא מכילה אלקטרונים חופשיים בשפע, ולפיכך אין הזרם החשמלי נתקל בקשיים מיוחדים בשעת זרימתו בתילי הנחושת. הגומי והחומרים הפלסטיים הם מבדדים טובים (או שניתן לומר כי הם מוליכים רעים). המבודדים הם חומרים, אשר באטומים שלהם אין אלקטרונים חופשיים, ועל כן משתמשים בהם לציפוי תילים חשמליים.
הפנס החשמלי הוא דוגמא יפה למעגל זרם חשמלי. הזרם (שבו אנו מכנים את זרימת החשמל לפי הכלל המוסכם- מן הקוטב החיובי אל הקוטב השלילי) זורם מן הקוטב החיובי של הסוללה. זה הוא מוט תקוע במרכז הסוללה ועשוי פחמן- שהוא אחת במעטות שבאלמתכות המוליכות חשמל- ובראשו של הפחמן נתונה כיפת פליז. כתוצאה מן הפעולה הכימית שבסוללה מאבדים האטומים של הפחמן את איזונם ויש להם מחסור של אלקטרונים (כלומר- הם בעלי מטען חיובי). אולם לאטומים שבמעטה האבץ של הסוללה יש עודף של אלקטרונים (כלומר- הם בעלי מטען שלילי). אחד מקצות חוט הלהט שבנורה הקטנה של הפנס מחובר לחתיכת מתכת שבצד הנורה וזו יוצרת מגע עם כיפת הפליז של מוט הפחמן. הקצה האחר של חוט הלהט מחובר לבסיס המתכת של הנורה המתברג בתוך בית הנורה. כיוון שבית הנורה עשוי מתכת, עובר דרכו הזרם אל רצועת הפליז המובילה אל מתג שבדופן הפנס. כל זמן שהמתג סגור עובר דרכו הזרם ומגיע אל קופסת הפח של הפנס עצמה. בתחתית הקופסא נתון קפיץ המשמש גם לתמיכת הסוללה וגם כמוליך המאפשר את מעבר הזרם מפח הקופסא למעטה האבץ של הסוללה. מעטה האבץ, העטוף מסביב בבידוד של נייר עבה, הוא קוטבה השלילי של הסוללה. וכך משלים הזרם את מסעו חזרה אל הסוללה.
חשמל מיוצר בדרך כימית
כשמכניסים מתכות לתוך מיכל של חומצה, הן מותקפות על ידי פעולתה הכימית של החומצה. כך נוהגות רוב המתכות. אם נכניס לתוך מיכל המכיל תמיסה של חומצה ומים, לוח מתכת ולוח פחם, תתרחש ריאקציה כימית מורכבת, אשר כתוצאה ממנה יקבלו אטומי המתכת שהותקפו על ידי החומצה, עודף של אלקטרונים. כתוצאה מן הריאקציה הכימית אף ישתחררו מן החומצה אטומים של מימן והללו יהיו עתה חסרי אלקטרונים במידה הדרושה להם (במצב זה הם יהיו אטומים של מימן). הם ינועו לעבר הלוח השני, אשר ממנו יוציאו את האלקטרונים הדרושים להם. בלוח השני ייוצר אפוא מחסור כללי של אלקטרונים, כלומר- מטען חיובי. ההפרש שבמטעני החשמל בין שני הלוחות מספיק לגרימת זרימת אלקטרונים לאורך תיל נחושת המחבר את שני הלוחות מבחוץ כלומר- זרם חשמלי עובר במעגל.


מהלך הניסוי

חומרים וכלים

נורה חשמלית



בית סוללות



חוטי חשמל



סוללות
חומרים מוליכים ומבדדים



מצפן (להדגמה)



מגנט (להדגמה)



אופן הפעילות

1. בשלב הראשון נסביר מהו מגנט.
2. בשלב שני נסביר את אופן פעולת המצפן.
3. עתה ניגש לבניית המעגל החשמלי, ראשית נכניס סוללות לבית הסוללות ואח"כ נחבר את חוטי החשמל לבית הסוללות. בשלב האחרון נחבר את הנורה החשמלית למעגל ונקבל מעגל סגור אם חיברנו הכל כראוי הנורה תדלוק.
4. עתה יחד עם הנורה החשמלית נחבר את החומרים השונים למעגל ונבדוק אילו מהם מוליכים ואילו מבודדים.