תופעות הנלוות לזרם חשמלי
במאמר על זרם ישר הגדרנו תנאי לקיומו (קיום הפרש פוטנציאלים בין נקודות כלשהן במוליך). כעת נדבר יותר על החלק הכמותי של הנושא, ונחקור כיצד ניתן לזהות זרם חשמלי על פי תופעות חיצוניות שונות.
אם כן, אנו מעוניינים כעת להבין איך ניתן לזהות זרם חשמלי במוליך. כבר אמרנו כי זרם חשמלי הינו תהליך שבו המטענים נעים בתוך גוף אשר בין נקודות כלשהן בתוכו נוצר הפרש פוטנציאלים. אולם נושאי המטען במקרים שונים עלולים להיות שונים. לפעמים זה יכול להיות גוף שעל פניו יש גרגרים זעירים הטעונים במטען כלשהו. אך ברוב המקרים נושאי המטען זה יונים של חומר (אטומים או מולקולות הטעונות במטען חשמלי חיובי או שלילי) או אלקטרונים חופשיים. במקרה הראשון, נהוג לומר כי לגוף יש מוליכות יונית, או שמנגנון המוליכות הינו מנגנון יוני. במקרה השני, נהוג לומר מוליכות אלקטרונית. ישנם גם מקרים בהם המוליכות היא מעורבת, כלומר נושאי המטען הינם גם יונים וגם אלקטרונים.
בכל המקרים של המוליכות היונית או המוליכות האלקטרונית לא ניתן לראות ישירות העברה של חלקיקים טעונים בודדים. אך זרם חשמלי גורם לתופעות שונות, אשר לא קורות במקרה של מטענים סטטיים, ולפי התופעות הללו ניתן תמיד לומר האם יש זרם או לא.
- נחבר נורה למעגל חשמלי עם מקור מתח כלשהו. חוט הלהט יתלהט והנורה תאיר. זה אומר שהזרם החשמלי מחמם את המוליך שבו הוא עובר, כלומר זרם חשמלי יוצר פעילות תרמית. יש לציין כי בניסוי זה לא רק חוט הלהט מתחמם, אלא גם כל שאר המוליכים, רק במידה קטנה יותר.
- נקרב מחט של מצפן אל תילי המעגל ונראה שהיא סוטה מהמצב המקורי שלה, והיא תשאר במצב החדש כל עוד המעגל נשאר סגור. כלומר זרם חשמלי גורם לפעילות מגנטית.
- נמזוג תמיסה של נחושת גופרתית אל תוך כוס ונכניס אלקטרודות פחם אל תוך הכוס. אנו נראה על אחת האלקטרודות משקע נחושתי אדמדם. כלומר זרם חשמלי גורם לפעילות כימית. ניסויים מראים כי השפעה כימית של זרם מתרחשת לא בכל מוליך. זרם חשמלי במתכת לא גורם לשום שינוי כימי. ולהיפך, בתמיסות של חומצה גופרתית, מלח בישול, מלחת ובהרבה חומרים אחרים זרם חשמלי גורם להפרשה של רכיבים שונים. לכן נהוג להפריד מוליכים לשתי קבוצות: מוליכים מסוג ראשון, אשר בהם זרם חשמלי לא גורם לשום תופעות כימיות (אליהם משתייכות כל המתכות, וגם פחם), ומוליכים מסוג שני, אשר תחת השפעה כימית הנגרמת על ידי זרם חשמלי מתפרקים לתת רכיבים. למוליכים מסוג שני הרבה פעמים קוראים גם אֶלֶקטרוֹלִיטים, ולתופעה עצמה של התפרקות החומר כתוצאה מזרם חשמלי – אֶלֶקטרוֹלִיזָה (מיוונית – “ליו” – התפרקות).
התחממותם של המוליכים כאשר זורם בהם זרם חשמלי יכולה להיות גדולה או קטנה, וזה תלוי בתכונות של כל מוליך. בניסוי הראשון, חוט הלהט של הנורה מתחמם מאוד (מעל 1500 מעלות צלזיוס), בעוד שהכבלים מתחמים פחות. ניתן לגרום לחלק מהחומרים (למשל, עופרת) להיות במצב המכונה מוליכות-על, אשר בו הם כמעט ולא מתחמים, גם כאשר זורם בתוכם זרם חשמלי. לכן ניתן לסכם כי כאשר זורם זרם חשמלי במוליך, הפעילות התרמית שלו תלוייה בתכונות של המוליך הספציפי.
לעומת זאת, הפעילות המגנטית של הזרם החשמלי מתרחשת תמיד וללא תלות בתכונות של המוליך; מחט המצפן הממוקם במקביל לכל מוליך, אשר בו זורם זרם חשמלי, תמיד מרגיש הטייה, ללא תלות בסוג המוליך ותכונותיו. לכן התופעה המגנטית הינה התופעה המובהקת ביותר הנלוות לזרם חשמלי.
כיוון הזרם החשמלי
נשנה בניסויים שתוארו קודם את חיבור הכבלים המוליכים ונחבר את המוליך שהיה מחובר קודם להדק השלילי של מקור המתח אל ההדק החיובי, ואת המוליך שהיה מחובר להדק החיובי אל ההדק השלילי. אנו נראה, כי רק התופעה התרמית (נורה זוהרת) נשארת ללא שינוי. אולם מחט המצפן סוטה לכיוון הפוך; המשקע הנחושתי האדמדם שהופיע באחת האלקטרודות בניסוי השלישי, כעת יופיע על האלקטרודה האחרת. כלומר כאשר אנו מדברים על זרם חשמלי, יש לציין לאיזה הדק של הגנרטור מחובר כל כבל. אך במקום זה, נהוג להגדיר כיוון של זרם חשמלי, ונוסף על כך, בצורה אקראית נבחר כי
זרם חשמלי במעגל החיצוני של גנרטור מכוון מההדק החיובי שלו להדקו השלילי.
לכן, כאשר אומרים כי במוליך עובר זרם חשמלי מנקודה a לנקודה b, זה אומר שהנקודה a מחוברת עם ההדק החיובי של הגנרטור, והנקודה b – עם ההדק השלילי, כלומר הפרש הפוטנציאלים בין נקודות a ו- b הינו חיבוי.
במילים אחרות
בתור הכיוון החיובי של הזרם נבחר הכיוון שבו היו נעים מטענים חיוביים תחת השפעה של הפרש פוטנציאלים מסויים.
אך זה כלל לא אומר שתמיד ובכל המוליכים נעים דווקא מטענים חיוביים. יתרה מזו, במקרים מסוימים במוליכים נעים רק מטענים שליליים, בעוד שבמקרים אחרים יכולים להיות גם מטענים חיוביים וגם מטענים שליליים בתנועה בכיוונים מנוגדים. בפרט, ידוע כי במוליכים החשובים כמו מתכות יכולים לנוע אך ורק אלקטרונים אשר נושאים מטען שלילי. כאשר סוגרים רכיב כלשהו במעגל חשמלי באמצעות תיל מתכתי, השדה החשמלי מניע אלקטרונים לכיוון שבו הפוטנציאל גדול יותר, כלומר מההדק השלילי להדק החיובי. אנו רואים כי הכיוון של הזרם נבחר בתור כיוון מנוגד לכיוון הזרימה של האלקטרונים, ולכן ניתן לומר כי הבחירה הזאת לא הכי מוצלחת. הכיוון הזה נקבע עוד כאשר ידעו מעט על האלקטרונים ולא ידעו מה נושא מטענים במוליכים.
עוצמת הזרם החשמלי
תיארנו את התופעות הנלוות לזרם חשמלי, וכעת אנו יכולים לתאר באופן כמותי את הזרם באמצעות המושג עוצמת הזרם החשמלי. למטען חשמלי העובר בפרק זמן כלשהו בחתך של מוליך קוראים עוצמת הזרם החשמלי. כלומר אם בזמן $\Delta t$ דרך החתך של המוליך עוברת כמות מטען $\Delta q$, עוצמת הזרם שווה
\[I=\frac{\Delta q}{\Delta t}\]על מנת למנוע בלבול מיותר, נציין שוב כי תנועה של מטען $+q$ בכיוון מסויים או מטען $-q$ מסויים בכיוון האחר, מבחינת הגדרת הזרם החשמלי לגמרי זהה. לכן בנוסחה זו, כאשר אנו אומרים $q$, אנו מתכוונים לסכום כל המטענים שהועברו בפועל על ידי נושאי מטענים חיוביים בכיוון המוסכם של כיוון הזרם החשמלי, ועל ידי נושאי מטענים שליליים בכיוון המנוגד. לזרם החשמלי אשר עוצמתו וכיוונו הינם קבועים בזמן קוראים זרם ישר.
בכדי לקבל את הערך המדוייק של עוצמת הזרם החשמלי יש בביטוי הקודם לעבור לגבול, בתנאי שפרק הזמן $\Delta t$ שואף לאפס:
\[I=\lim_{\Delta t \to 0}\frac{\Delta q}{\Delta t}=\frac{\mathrm{d} q}{\mathrm{d} t}=q^{\prime}\left( t \right )\]יש לציין כי במעגל חשמלי בו זורם זרם ישר, עוצמת הזרם החשמלי קבועה בכל חתכי מוליך לא מפוצל. מטען $\Delta q_1$ הזורם דרך שטח חתך $S_1$ של מוליך בפרק זמן $\Delta t$, צריך להיות שווה למטען $\Delta q_2$ הזורם דרך שטח חתך $S_2$ באותו פרק זמן. אם זה לא היה מתקיים, הרי שבמרווח שבין שני החתכים היה מצתבר מטען חשמלי, כתוצאה מכך היה משתנה השדה החשמלי, וזה היה גורם לשינוי הזרם החשמלי עצמו, וזה נוגד את התנאי להיותו קבוע. אך מ-$\Delta q_1 = \Delta q_2$ נובע כי $\frac{\Delta q_1}{\Delta t}=\frac{\Delta q_2}{\Delta t}$, כלומר $I_1=I_2$. וזה מה שהיה צריך להוכיח.
לא נשאיר בצד את עניין היחידות. ב-SI יחידה של עוצמת זרם חשמלי נקראת אמפר (A), על שם הפיזיקאי הצרפתי אנדרה מרי אמפר – כאשר דרך שטח חתך של מוליך בכל שנייה עובר מטען של קולון אחד:
\[1~\text{A} = 1~\text{C} ~ / ~ 1~\text{s}\]הרבה פעמים נוח להשתמש בגודל הנקרא צפיפות הזרם החשמלי. הצפיפות הממוצעת של הזרם שווה ליחס שבין עוצמת הזרם לבין שטח החתך במוליך:
\[J=\frac{I}{S}\]יחידה של צפיפות הזרם החשמלי ב-SI הינה $\text{A}/\text{m}^2$.
