זרם ישר

זרם ישר

  • 5 בספטמבר, 2013
  • אלקטרומגנטיות
  • אין תגובות

על מנת שהמטענים יהיו במצב סטטי, אנו יודעים כי צריך שהפרש הפוטנציאלים בין כל נקודות המוליך יהיה שווה לאפס. אם התנאי הזה לא מתקיים, הרי ששיווי המשקל של המטענים מופר ובמוליך מתרחשת תנועה של מטענים – היא נקראת זרם חשמלי. לפיכך, על מנת לקבל זרם חשמלי מספיק ליצור הפרש פוטנציאלים (מתח) בין נקודות כלשהן במוליך.

נבצע זאת בניסוי המתואר בסכמה הבאה:

dc-circuit-scheme

בחלק הימני של הסכמה יש לנו מקור מתח (V) אשר יוצר הפרש פוטנציאלים בין הלוחות A ו-B של הקבל במרכז בעל קיבול C; האלקטרומטר (וולטמטר) מאפשר למדוד את הפרש הפוטנציאלים הנוצר. מקור המתח יכול להיות מכונה חשמלית או סוללה. בהמשך אנו נניח כי מדובר במכונה חשמלית וגם נניח כי כאשר אנו סוגרים את אחד המפתחות, המפתח האחר נפתח אוטומטית. בחלק השמאלי של הסכמה מתואר כיצד ניתן לחבר את לוחות הקבל באמצעות מוליך המורכב מכבלים ומנורה (L). על מנת להמחיש את תהליך יצירת הפרש הפוטנציאלים בסכמה מופיע מפתח מס' 2. אם נסגור אותו, אנו נטען בכך את הקבל (ניצור מתח בין לוחותיו); אם נסגור את מפתח מס' 1 – נחבר בכך את הלוחות אל המוליך עם הנורה. נתחיל לסובב את המכונה החשמלית (בצורה ידנית או באמצעות מנוע קטן) ונסגור את מפתח מס' 2. הקבל יתחיל להיטען, והאלקטרומטר יורה על מתח שנוצר בין לוחות הקבל. כעת, נסגור את מפתח מס' 1. הנורה תידלק לרגע והאלקטרומטר יראה כי המתח נפל לאפס, כלומר השדה בקבל נעלם.

כאשר שוב פעם נסגור את מפתח מס' 2, אנו שוב נטען את הקבל, וכאשר שוב נסגור את מפתח מס' 1, אנו עוד פעם נראה נורה הנדלקת לרגע וכדומה.

ננסה להבין לרגע מה קורה בניסוי. כאשר אנו טוענים באמצעות המכונה החמשלית את הקבל, נוצרת הפרדה של מטענים. על קוטב אחד של המכונה, למשל a, ולכן גם על הלוח של הקבל אליו הוא מחובר A, נוצר עודף של אלקטרונים; על הקוטב האחר b (ועל הלוח B) – יש מחסור אלקטרונים בהתאמה. בין הקטבים (ולכן גם בין הלוחות) נוצר מתח (הפרש פוטנציאלים), שעל מנת ליצור אותו, כידוע, יש להשקיע עבודה מסוימת. בניסוי שלנו את העבודה הזאת עשו השרירים של היד או המנוע שגרמו למכונה להסתובב. כאשר אנו מחברים את המוליך אל הלוחות, בקצוות שלו יש הפרש פוטנציאלים ובמוליך מתרחשת זרימה של אלקטרונים: האלקטרונים נעים מהמקום בו יש אותם בעודף (A), למקום בו יש בהם מחסור (B). המטען על הלוחות מאוד מהר פוחת, המתח נופל, השדה נעלם, ובמוליך יש זרימה אשר מתבטאת בהארה של הנורה. התהליך עצמו של הפריקה של המטען על הקבל ושל זרימת הזרם מתרחש מאוד מהר, בשברירי שנייה. בכדי להאריך את התהליך, יש לחזור על השלבים שתוארו מספר רב של פעמים, תוך פתיחה וסגירה מהירה של המפתחות.

אנו השתמשנו בקבל בניסוי זה רק על מנת להדגיש שתי נקודות חשובות בתהליך המאפשר את הזרם:

  • יצירה ותמיכה במתח (הפרש הפוטנציאלים) בין שתי נקודות כלשהן
  • יצירה של מעגל מוליך סגור שבו יעבור המטען בין אותן שתי הנקודות

החלק השני של התהליך מתבצע פשוט באמצעות מפתח אשר סוגר את המעגל הפתוח. במקרה שלנו, החלק הראשון התבצע באמצעות עבודה של מכונה חשמלית, אשר הפרידה מטענים. הקבל שימש בסך הכול להפרדה מוחשית של כל התהליך המסובך הזה לשני שלבים, הבאים זה אחר זה. לגופו של עניין שני השלבים העוקבים הללו בכלל לא הכרחיים: שניהם יכולים להתרחש בו זמנית ומבלי לעצור, לכן תפקיד הקבל הוא איורי בלבד. ניתן להסתדר גם בלעדיו ולחבר את הנקודות c ו-d, כלומר ליצור מעגל סגור בין שני קטבים של המכונה. במעגל כזה, כל הזמן שהמכונה פועלת זורם זרם חשמלי, שכן, למרות המעבר הקבוע של האלקטרונים מ-a דרך הכבלים והנורה ל-b, הפרש הפוטנציאלים בין b ל-a כל הזמן משוחזר בזכות העבודה של המכונה. למרות שיש לציין כי מכונה חשמלית רגילה לא יכולה להאיר נורה מכיוון שהיא מפרידה כמות קטנה יחסית של מטען ליחידת זמן, אשר לא מספיק להארה קבועה וחזקה של נורה רגילה. בכדי לזהות זרם במקרה כזה יש צורך להשתמש במכשירים יותר רגישים כמו גלוונומטר. אם כן, בניסוי הזה המכונה החשמלית והתיל המוליך המחבר את הקצוות שלה הינם ההכרחיים ביותר.

מהדוגמה לעיל אנו יכולים לראות כי על מנת ליצור זרם קבוע במעגל של מוליכים, יש צורך במכשיר כלשהו במעגל שבו ייתרחשו כל מיני תהליכים אשר יפרידו מטענים, ובכך ייצרו הפרש פוטנציאלם קבוע. למכשיר כזה קוראים מקור או גנרטור של זרם חשמלי, ולתהליכים המתרחשים בתוכו, הגורמים להפרדה של מטענים קוראים כוחות חיצוניים.

הכוחות החיצוניים, כלומר כוחות שאינם אלקטרוסטטיים במקורם, פועלים אך ורק בתוך מקור הזרם החשמלי עצמו. כאשר הכוחות הללו מפרידים מטענים הם גורמים למתח בין קצוות המעגל החשמלי. התנועה של המטענים במעגל הזה מתרחשת כתוצאה מהופעת שדה חשמלי הנגרם על ידי הפרש הפוטנציאלים.

כאשר מניעים מטען במעגל במסלול סגור, העבודה הנעשית על ידי הכוחות האלקטרוסטטיים שווה לאפס. לפיכך, העבודה הכוללת של כל הכוחות, הפועלים על המטען בהעברה כזאת, שווה לעבודה של הכוחות החיצוניים. היחס $\varepsilon$ בין העבודה $W$ הנעשית על ידי הכוחות החיצוניים לבין מטען חיובי $q$ הנע במסלול סגור נקרא כוח אלקטרו מניע, או בקיצור – כא"מ. אם כן, לפי ההגדרה:

$$\varepsilon=\frac{W}{q}$$ יש לציין כי אין לפרש את השם "כוח אלקטרו מניע" (כא"מ) פשוטו כמשמעו, מכיוון שהיחידות של הגודל הזה (וולטים) שונות מהיחידות של כוח רגיל (ניוטונים). בכדי להבהיר יותר את העניין, ניתן להשתמש באנלוגיה של מים וצינור.

ידוע כי בכדי לאפשר זרימה של מים בצינור, למרות כל תופעות החיכוך המפריעות לתהליך זה, צריך ליצור הפרש לחצים בין נקודות כלשהן בצינור. הפרש הלחצים הזה מניע את המים. בצנרת למשל, הפרש הלחצים הזה נוצר על ידי מגדל מים אשר בו רמת המים גבוהה מזו של כל נקודה בצנרת עצמה. הפרש הרמות הזה (או הלחץ) שווה ערך להפרש הפוטנציאלים (או המתח) במעגל חשמלי, ומיכל המים במגדל משחק את תפקיד הקבל הטעון בדוגמה שלנו. ובדומה למקרה של זרם חשמלי הגורם לפריקה של הקבל ולנפילה של המחת, שהולך ושואף לאפס, כך גם המיכל הולך ומתרוקן, והפרש הרמות שואף לאפס, הזרימה של המים נפסקת, כמו שהזרם החשמלי נפסק. הזרם החשמלי יהיה פחות או יותר רגעי, בהתאם לקיבול של הקבל; באופן דומה, הזרימה של המים תיפסק מהר יותר, אם הנפח של המיכל יהיה קטן יותר ואם צריכת המים רבה יותר. ובדומה למעגל חשמלי, אשר בו הגנרטור מספק הפרש פוטנציאלים קבוע, גם במקרה של המים יש צורך במכשיר אשר יתמוך בהפרש הרמות – משאבה – "כוח מניע מים".

כמובן שגם במקרה של המים, התפקיד של המיכל הוא לא חשוב במיוחד. ניתן היה לספק עבודה תקינה של הצנרת ללא המיכל באמצעות משאבה. אך לאור האי אחידות בצריכה של המים בצנרת, טכנית יותר נוח שיהיה איזשהו "מלאי של לחץ" באמצעות מיכל הממוקם בנקודה גבוהה כלשהי, ולא יהיה צורך להפעיל את המשאבה כל הזמן אלא רק מדי פעם.


מבוסס על: לנדסברג ג. ספר לימוד בפיזיקה כרך ב' (1985) [עמ' 94-97]

תמונה ראשית: photosof.org

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.