טעינה חשמלית ומטען חשמלי

1. טעינה חשמלית ומטען חשמלי • טעינה חשמלית • היכן נמצאים המטענים החשמליים • המטען החשמלי ושימורו

2. טעינה חשמלית • סוגי טעינה • מבנה החומר והחשמל • משיכה חשמלית בין גופים מבודדים • דחייה חשמלית בין גופים מבודדים • מטען חיובי ומטען שלילי • פעילות על הטעינה

3. סוגי טעינה • 1.   טעינה ע"י שפשוף • 2.טעינה ע"י מגע • 3. טעינה ע"י השראה • 4. טעינה ע"י מקור זרם

4. טעינה על ידי שפשוף לוקחים סרגל פלסטיק ומשפשפים אותה בעזרת גרב ניילון או מטלית צמר. א.נוגעים בסרגל בנורית ניאון , רואים שהנורית מאירה. ב.משפשפים סרגל שנית ומקרבים אותו לפיסות ניר קטנטנות רואים שהפיסות נדבקות לסרגל הפלסטיק. ג.  משפשפים הסרגל עוד פעם ומקרבים אות לזרם מים (בינוני) מן הברז, ורואים שזרם המים מתקרב לסרגל.

5. תופעות אלו מעוררות השאלות הבאות 1.מה עשתה פעולת השפשוף לסרגל ? 2.האם סרגל משופשף ממלא אותו תפקיד כשל הסוללה במעגל החשמלי?

6. מה עשתה פעולת השפשוף לסרגל ? מתברר, שכתוצאה מחיכוך מטלית הצמר בסרגל ומהמשיכה(הזיקה) החזקה של הפלסטיק לאלקטרונים, עברו אלקטרונים ממטלית הצמר לסרגל. לכן פחת מספר האלקטרונים במטלית הצמר, ואילו בסרגל גדל מספרם. בסרגל נתהווה עודף אלקטרונים, ובמטלית הצמר נתהווה מחסור באלקטרונים.

7. הפעולה זאת נקראת טעינה חשמלית. • כאשר מחברים את הסרגל לנורית הניאון, האלקטרונים, שנוספו לסרגל עוברים אל הנורית וגורמים לחלק מהאלקטרונים במוליכים שבנורית לזרום. כאשר אלקטרונים זורמים בנורית , הנורית מאירה. כיוון הזרם הוא מהסרגל הטעון אל הנורית, וממנה אל גופנו.

8. טעינה חשמלית הפיכת גוף נייטרלי לגוף טעון במטען חשמלי על ידי הוספה או הרחקה של אלקטרונים.

9. האם סרגל משופשף ממלא אותו תפקיד כשל הסוללה במעגל החשמלי ? • הסרגל הטעון ממלאה מבחינה מסוימת את התפקיד, שממלאת הסוללה כשמחברים אותה למעגל החשמלי. • כידוע לכם, תפקיד הסוללה לגרום לאלקטרונים שנמצאים במוליכים לזרום בכיוון אחד במעגל, מההדק השלילי להדק החיובי. כך קרה גם עם סרגל הפלסטיק הטעון. במעגל שבו הייתה הנורית, גרם הסרגל לתנועת אלקטרונים בכיוון אחד: מהסרגל אל הנורית וממנה לגופנו.

10. האם סרגל משופשף ממלא אותו תפקיד כשל הסוללה במעגל החשמלי ? • ההבדל בין הסוללה לסרגל הטעון מתבטא במשך זמן הפעולה של כל אחד מהם. זמן קצר אחרי חיבור הנורית לסרגל אין היא מאירה עוד, מפני שעודף האלקטרונים שהיה על גבי הסרגל עבר לגופנו. ואילו בנוכחות סוללה במעגל הנורה מאירה במשך שעות רבות. • הופעת אור בנורה אינה התופעה היחידה הנגרמת על ידי סרגל פלסטיק טעון. כמו שראינו קודם.

11. טעינה במגע • כולנו מכירים את ההשפעה החשמלית שיש לחיכוך של גופים זה בזה. אנו מלטפים שיער של חתול ושומעים את פצפוצי הניצוצות שנוצרו, אנחנו מסרקים את השיער, בעיקר בחדר חשוך מול הראי, וכך יכולים גם לראות, ולא רק לשמוע, את ניצוצות החשמל, או שאנו מתחככים בכיסוי הפלסטי של מושב המכונית ומרגשים "במכת חשמל" כשאנו מקרבים את היד למשטח מתכתי, בכל המקרים הללו אלקטרונים מועברים כתוצאה מהמגע הקרוב שנוצר בין שני גופיך המתחככים זה בזה. זאת טעינה במגע.

12. טעינה במגע • אלקטרונים יכולים לעבור מגוף אחד למשנהו גם במגע פשוט, ללא חיכוך. • מוט מוליך וטעון הנוגע בגוף שאינו טעון, יעביר מטען אל הגוף הניטרלי.

13. אם הגוף הוא מוליך טוב, המטענים יתפזרו במהירות על כל שטחו, מכיוון שהמטענים הדומים דוחים זה את זה. • אם הגוף הוא מבדד, נצטרך לגעת בו במספר מקומות כדי לקבל פיזור אחיד, פחות או יותר של המטען. מטען עובר, איפוא, מגוף אחד למשנהו גם במגע קל בלבד.

14. טעינה ע"י השראה • אם נשים גוף טעון בקרבת משטח מוליך, נשרה בכך תנועה של אלקטרונים בתוך החומר המוליך, גם בהעדר מגע בין השניים. זוהי טעינה בהשראה .

15. נתבונן בשני כדורי המתכת המבדדים A וB שבאיור (א) הם נוגעים זה בזה ובכך מהווים, למעשה, מוליך אחד ובלתי טעון. באיור (ב) כאשר מוט בעל מטען שלילי מובא בסמוך ל –A, מטענים חיוביים בתוך המתכת נמשכים לעבר המוט, ומטענים שליליים נדחים ממנו. דבר זה יוצר חלוקה חדשה של המטען.

16. באיור (ג) אם נפריד עתה בין הכדורים A ו B, מבלי להרחיק עדיין את המוט הטעון, נקבל איור (ד) שיימצא על כל אחד מהם מטען השווה בגודלו ומנוגד בסימנו למטען שעל הכדור האחר. הכדורים נטענו באמצעות השראה. המוט הטעון מעולם לא נגע בהם, והמטען שעליו נותר בדיוק כשהיה מלכתחילה.

17. תלחץ כאן כדי להתקשר לאתר שנותן פעילות על ההשראה השראת מטען ע"י הארקה דוגמה: סופת רעמים

18. השראת מטען ע"י הארקה • (א) סך הכל המטען על כדור המתכת הוא אפס. • (ב) נוכחותו של המוט הטעון משרה סידור מחדש לש המטענים. סך כל המטען הוא עדיין אפס. • (ג) נגיעה בצדו השלילי של הכדור מרחיקה ממנו אלקטרונים על ידי מגע.

19. השראת מטען ע"י הארקה • (ד) כך נשאר הכדור טעון חיובית. • (ה) הכדור נמשך ביתר חוזקה אל המוט השלילי, וכאשר הם נוגעים זה בזה מתרחשת טעינה במגע . • (ו)הכדור השלילי נדחה מהמוט, שעדין טעון במידת מה במטען שלילי.

20. השראת מטען ע"י הארקה • באופן דומה נוכל לטעון כדור מתכת יחיד אם ניגע בו כאשר מושרית בו הפרדת מטענים. נתבונן בכדור מתכת התלוי בחוט מבדד, כדוגמת זה שבאיור שלמעלה כאשר אנחנו נוגעים באצבע בחלק הטעון של פני המתכת, נצור מסלו מוליך למטענים הדוחים זה את זה אל מאגר עצום של מטען חשמלי, הקרקע. לתהליך הפריקה של מוליך בנגיעה או על ידי יצירת חיבור בינו לבין הקרקע אנו קוראים הארקה.

21. הארקה • חיבור גוף של מכשיר חשמלי במוליך. לאדמה כאמצעי ביטחון נגד פגיעה, העלולה להיגרם ממגע במכשיר. מחשמל. • ההארקה אינה הגנה מספקת מפני. התחשמלות.

22. סופת רעמים • טעינה באמצעות השראה מתרחשת במהלך סופת רעמים. תחתית העננים, הטעונה שלילית, משרה מטען חיובי על פני הקרקע שמתחתיהם (ראה האיור).

23. סופת רעמים

24. בנג'מין פרנקלין • הראשון שהדגים זאת היה בנג'מין פרנקלין, שהוכיח, בניסוי העפיפון המפורסם שערך, כי ברק הוא תופעה חשמלית. ברק הוא התפרקות חשמלית בן העננים לקרקע,שטעונה במטען נגדי, או בין עננים שונים הטעונים במטענים הפוכי סימן.

25. פרנקלין גילה גם שמטען דולף דרך קצוות חדים, וכך המציא את קולט הברק ("כלאי ברק") הראשון. אם מוט מתכת מוצב על ראש בניין ומחובר לקרקע, המטען דולף ואינו מצטבר. דליפה רצופה זו של מטען לקרקע מונעת מהמבנה להיטען בהשראה מן העננים במטען גדל והולך. בלעדיה, הייתה מתרחשת התפרקות מטען פתאומית בין המבנה הטעון ובין הענן, ובמילים אחרות – מכת ברק.

26. מטרתו של קולט הברקים • מטרתו העיקרית של קולט הברקים היא למנוע התרחשותה של מכת ברק. אם מצטברת בענן כמות של מטען שדי בה לחולל התפרקות חשמלית לעבר הבניין (כלומר: אם ברק פוגע בבניין), הברק יפגע בקולט הברקים וימשיך בדרכו דרך החיבור של מוט הקולט לעבר הקרקע, במקום לפגוע בבניין עצמו. ובסך הכל, מטרתו של קולט הברקים היא למנוע פריצת אש כתוצאה מפגיעת הברק.

27. טעינה ע"י מקור זרם • אפשר גם כן לטעון גופים ע"י מקור חשמלי חזק, אבל כאן צריך לשים לב שבמוליכים המחוברים למקור החשמלי החזק זורם זרם בעל עוצמה מסוכנת לאדם. • כאשר מקור הזרם פועל: • ההדק החיובי של מקור הזרם טעון במטענים חיוביים. לכן הוא נקרא הדק חיובי. • וההדק השלילי של מקור הזרם טעון במטענים שליליים לכן הוא נקרא הדק שלילי.

28. משיכה חשמלית בין גופים מבודדים • בפרק הקודם למדתם על הטעינה על ידי שפשוף, וראינו כי השפשוף מקנה לחומר תכונה חדשה, שלא הייתה לו לפני כן. ואז אמרנו כי הגוף המשופשף נטען במטען חשמלי. • בין גוף הטעון במטען חשמלי לבין חומרים שונים קיימת משיכה. היות שהטעינה היא חשמלית, אנו מכנים משיכה זו בשם משיכה חשמלית. • צריך לציין שלא כל חומר נמשך לגוף טעון. • לדוגמה: שמן, אבקת מתכת ועוד.

29. דחייה חשמלית בין גופים מבודדים • בין גופים מבודדים טעונים תיתכן דחייה חשמלית. • בחיי היום יום אנו נפגשים בתופעת הטעינה בתחומים רבים ושונים. במרבית המקרים מתרחשת הטעינה שלא במתכוון, אלא כתוצאת לוואי מפעולות שונות. טעינה זו עשויה להסב נזקים לרכוש ואי נעימות לאדם, ואך גרוע מזה.

30. מטען חיובי ומטען שלילי • אם אנחנו שמים גוף כל שהוא על אחד ההדקים של מקור הזרם (ספק מתח) והוא לא פועל הגוף לא מקבל שום מטען . • הגוף הטעון במטען חיובי יש חסר באלקטרונים (יותר מטענים חיוביים מאשר שליליים). • הגוף הטעון במטען שלילי יש עודף באלקטרונים (יותר מטענים שליליים מאשר חיוביים).

31.  אבל כאשר מפעילים את מקור הזרם אז: • א.הגוף שעל ההדק החיובי. של מקור זרם נטען במטען חיובי. • ב.והגוף שעל ההדק השלילי. של מקור הזרם נטען במטען שלילי.

32. לוקחים כדוגמה עלי מתכת (שהם פסים דקים של "נייר כסף") עלי המתכת שנמצאים על ההדק השלילי כאשר מפעילים את מקור הזרם הם נטענים במטען שלילי לכן נוצרת דחייה חשמלית בין שני עלי המתכת. עלי המתכת שנמצאים על ההדק החיובי כאשר מפעילים את מקור הזרם הם נטענים במטען חיובי לכן נוצרת דחייה חשמלית בין שני עלי המתכת.

33. מסקנה • עלי המתכת המחוברים להדק אחד של מקור הזרם דוחים זה את זה.

34. אם נחבר את עלי המתכת כל אחד על הדק שונה של מקור הזרם ומפעילים את מקור הזרם אז נוצר מצב של משיכה חשמלית בין עלי המתכת כי העלה המחובר להדק החיובי נטען במטען חיובי, והעלה המחובר להדק השלילי נטען במטען שלילי.

35. מסקנה • אז מכאן מקבלים שעלי המתכת, המחוברים להדקים שונים של מקור חשמלי, מושכים זה את זה.

36. האלקטרוסקופ • האלקטרונים נדחים מהמוט ומצטרפים למטה בעלים והפרוטונים נדחים למעלה, ועלי האלקטרוסקופ נדחים זה מזה, ואז האלקטרוסקופ נטען במטען שלילי. • וכאשר מרחיקים המוט המצב חוזר כמו שהיה עלי האלקטרוסקופ נמשים זה לזה והוא יהיה טען במטען ניטרלי (אפס). כאשר מקרבים מוט טעון במטען שלילי לאלקטרוסקופ

37. כאשר עלי האלקטרוסקופ נמצאים במצב דחייה זה מזה, אם שמים את כף היד לשנו על האלקטרוסקופ אז האלקטרונים בורחים לכף היד שלנו, כי הגוף שלנו זה מוליך ואז האלקטרוסקופ נטען במטען חיובי.

38. היכן נמצאים המטענים החשמליים בחומר ? • קישור למבנה האטום • מדוע מתכות מוליכות זרם חשמלי, ואילו מבדדים אינם מולכים אותו • טעינה ופריקה של גופים ע"י התורה האטומית • תופעות אלקטרוסטטיות בחיי היום יום • השפעה אלקטרוסטטית • כיצד פועלות נורות ההתפרקות

39. מדוע מתכות מוליכות זרם חשמלי, ואילו מבדדים אינם מוליכים אותו? • אתם כבר יודעים כי האלקטרונים נמצאים בכל החומרים. • וכמו כן ידוע כי כל האלקטרונים זהים זה לזה בתכונותיהם. אלקטרון שנמצא באטום של יסוד אחד זהה בתכונותיו לאלקטרון אחר, שנמצא באטום של יסוד אחר.

40. מדוע מתכות מוליכות זרם חשמלי, ואילו מבדדים אינם מוליכים אותו? • מהעובדות האלו עולה השאלה: מדוע ישנם חומרים, שמאפשרים מעבר זרם חשמלי היטב (מתכות), וישנם מוליכים גרועים של חשמל (מבדדים)? • הסיבה לכך נעוצה במבנה האטום ובמשיכה החשמלית הקיימת בין הפרוטונים לבין האלקטרונים שבאטום. • א. אלקטרונים באטומי היסודות המתכתיים. • ב. אלקטרונים בחומרים המבודדים.

41. תופעות אלקטרוסטטיות בחיי היום יום כבר למדנו שבשפוף חפצים מסוימים מסוגלים החפצים המשופשפים למשוך אליהם חפצים קלים. כמו למשל, • 1.אם נעביר מספר פעמים מסרק פלסטי בשערות ונקרבו לאחר מכן לפיסות נייר קלות, יימשו פיסות הנייר אל המסרק. • 2.אם נשפשף סרגל ונקרבו לפיסת נייר , יימשכו פיסות הנייר למסרק.

42. תופעות אלקטרוסטטיות בחיי היום יום • תופעות אלו נגרמים על ידי מטענים אלקטרוסטטיים. אלה הם מטענים נייחים (סטטיים), הנמצאים על גבי מבדדים או על גבי גופים מוליכים המבודדים מן הסביבה.

43. תופעות אלקטרוסטטיות בחיי היום יום • קיימות מספר דרכים להפרדת מטענים חשמליים. • אחת מהן היא מגע וחיכוך בין גופים. במהלך מגע בין גופים מתאימים וחיכוכם זה בזה מתרחש מעבר אלקטרונים מגוף אחד למשנהו.

44. תופעות אלקטרוסטטיות בחיי היום יום • הסבר מתאפשר, כאשר לאחד הגופים יש זיקה (נטייה) רבה יותר לקשור אלקטרונים מאשר לגוף הבא עמו במגע, ולשני זיקה קטנה יותר. שטח המגע של הגוף הקולט אלקטרונים נטען במטענים שליליים. המטענים האלה, הנמצאים על פני שטח הגופים, הם המטענים החשמליים הסטטיים.

45. מעבר של אלקטרונים בעת המגע והישארותם על פני המשטח הקולט, לאחר הפרדת הגופים. תהליך זה הוא גורם ראשו במעלה להופעת חשמל סטטי. מידת הטעינה של הגופים תלויה במספר גורמים. סכנת התפוצצות מחשמל סטטי. בעיות שגורם להם חשמל סטטי.

46. מידת הטעינה של הגופים תלויה במספר גורמים: א.    זיקתם של שני הגופים הבאים במגע לאלקטרוני. ככל שההבדל בזיקה בין שני הגופים יהיה גדול. יותר, כך תגדל המשיכה ביניהם. ב.    מהירות הניתוק בין הגופים. ככל שגדול יותר. שטח המגע, גדל המטען הסטטי המתקבל.

47. מידת הטעינה של הגופים תלויה במספר גורמים: ג. גודל המשטחים הבאים במגע ישיר. ככל שגדול יותר שטח המגע, גדל מספר האלקטרונים העוברים מגוף אחד למשנהו.

48. מידת הטעינה של הגופים תלויה במספר גורמים: ד. המוליכות החשמלית של הגופים – ככל שהמוליכות החשמלית קוטנה יותר יצטברו יותר מטענים סטטיים. מבדדים טובים שהתנגדותם החשמלית גדולה, כמו נייר יבש ופלסטיק, שומרים יותר זמן על המטענים הסטטיים. ואילו במוליכי חשמל טובים, כמו מתכות, שהתנגדותם החשמלית קטנה, מתפזרים המטענים במהירות בכל נפח החומר.

49.  סכנת התפוצצות מחשמל סטטי • כשמקרבים זה לזה שני גופים הטעונים במטענים הפוכים, או כשמקרבים גוף טעון אל האדמה, כך שנוצר רווח קטן מאוד בין שני הגופים בלי שיגעו זה בזה, עלול לעבור ניצוץ חשמלי מגוף אחד למשנהו דרך האוויר, שנמצא ברווח שביניהם. הניצוץ, הפורץ דרך האוויר, עלול לגרום להתפוצצות, אם מצויים באוויר אדי חומר דליק.

50. בעיות הנגרמות ע"י חשמל סטטי מלבד סכנת ההתפוצצות גורם חשמל סטטי לבעיות, שניתן לסווגן ל-4 קבוצות: 1.   "מכות חשמל" לאנשים. 2.   משיכה והצטברות לכלוך ואבק. 3.   הפרעות לתהליכי ייצור תעשייתיים. 4.   הפרעות במערכות תקשורת ומחשבים.