מטרת מאמר זה לעשות מבוא תאורטי יסודי-ראשוני בלבד לתחום חשמל ואינו מיועד למי שלמד על הנושא בכיתות מדעיות בחטיבה, בתיכון או בקורס מבוא באוניברסיטה אך הבנת המאמר דורשת הכרות עם המונחים אטום, מולקולה, פרוטון, נויטרון ואלקטרון.
חשמל אני מגדיר ככל תופעה הקשורה בנוכחות מטען חשמלי בחלקיק חומר מוגדר.
חלקיק חומר מוגדר יכול להיות אטום בודד או מולקולה בודדה או תערובת כימית (נפח נוזל או נפח גז) או תרכובת כימית (משהו מוצק) אשר כל אחד מהם מורכב משניים או יותר אטומים ו\או מולקולות יחדיו.
חשמל ייתכן הן לגבי חלקיק חומר מוגדר שלא נע במרחב (אלקטרוסטטי) והן לגבי חלקיק חומר מוגדר שכן נע במרחב (אלקטרודינאמי).
תרכובת כימית ברמת המאקרו יכולה להיות מורכבת מכמות עצומה של מולקולות שקשה לאדם לכמת במונחי שפה אנושית (נניח 10 בחזקת 17 מולקולות במוצר פלסטיק טיפוסי כמו בקבוק שתייה קטן).
מטען חשמלי
מטען חשמלי הוא תכונה פיזיקלית של חומר הגורמת לחומר זה להיות חלק מתופעת חשמל.
פרוטון, נויטרון ואלקטרון יכולים להשתתף כולם ביצירת מטען חשמלי אך ככלל ביקומנו תופעה חשמלית תנבע ממטען חשמלי של פרוטונים ואלקטרונים בלבד בשל קיומו של הכוח הגרעיני החזק הכובל פרוטונים לנויטרונים זה לזה כך שלא ינועו בחופשיות כמו אלקטרונים.
תכונת מטען חשמלי יכולה להתבטא בשני אופנים שהם "שלילי" ו"חיובי".
באופן כללי, כל אטום ביקום נמצא במצב של היעדר מטען חשמלי מכך שיש בו איזון בין כמות הפרוטונים לכמות האלקטרונים.
עם זאת, הוספת אלקטרון אחד או יותר לאטום, או גריעת אלקטרון אחד או יותר מאטום, תפר בו את האיזון הזה ותגרום להימצאות מטען חשמלי:
- במצב הראשון, של הוספת אלקטרון אחד או יותר, יווצר מטען שנהוג להגדיר "שלילי" ולסמן במינוס (
-). - במצב השני, של החסרת אלקטרון אחד או יותר, יווצר מטען שנהוג להגדיר "חיובי" ולסמן בפלוס (
+).
ערך של מטען חשמלי לא יהיה 0 אלא רק 1- ומטה או 1+ ומעלה, שהרי 0 מסמל איזון ואיזון בין רכיבי האטום הוא היעדר מטען חשמלי.
שני המצבים שתוארו לעיל (מטען חשמלי שלילי או מטען חשמלי חיובי) נקראים מתח חשמלי שלילי או חיובי בהתאמה ובהתאם לכמות ההוספה או ההחסרה ייתכן שנכון יהיה להגיד חשמל במתח גבוה.
מטען חשמלי מכונה לעתים גם "מסה חשמלית" אם כי מונח זה איננו פורמלי.
זרם חשמלי
בטבע, אטום שעבר שינוי להיות בחוסר איזון בין כמות פרוטונים לכמות אלקטרונים, ככלל ינטה לחזור לאיזון כמותי ביניהם.
בהתאם לכך, אם נצמיד חומר המכיל עודף אלקטרונים לחומר בו קיים חוסר באלקטרון אחד או יותר, אלקטרון אחד או יותר ינועו מהעודף לחוסר ליצירת איזון בהתאמה.
תנועה כזו נקראת זרם חשמלי והיא תתקיים בתנאי והחומר הינו חומר מוליך ולא חומר מבודד:
- ישנם חומרים, מתכות בעיקר, אשר בשל מבנה גרעין האטום שלהם, לפחות חלק מן האלקטרונים בקרבתם נוטים שלא להיצמד לגרעין האטום ולפיכך נעים כ"אלקטרונים חופשיים" אשר יכולים לעזוב את תחום האטום בקלות. חומרים אלה מכונים "מוליכים" מכך שאלקטרון יכול להיות "מולך" עליהם לכדי זרם חשמלי בין שניים או יותר אטומים כאלה
- מגוון חומרים ניחנים ביכולת לצבור עודף או חוסר של אלקטרונים, אך בשל מבנה גרעין האטום שלהם, הם מושכים אליהם אלקטרונים ולא נותנים להם לנוע בחופשיות בצורת זרם חשמלי ולכן מכונים חומרים מבודדים.
כלל חוטי החשמל עשויים מחומר מוליך כגון נחושת ומחומר מבודד כגון פלסטיק.
חומר מבודד עוטף חומר מוליך ומבודד את המתח שלו בכדי למנוע זליגה מסוכנת של חלקיקי חומר בעלי מטען חשמלי מן החוט.
זרם חשמלי ברמת המאקרו
במערכות חשמל הכוללות תנועה של חלקיקי חומר בעלי מטען חשמלי, זרם חלקיקים כאלה במתח נתון נע כזרם חשמלי ממקור זרם כגון תחנת חשמל או סוללה.
בטרם מקור זרם יעביר זרם על מוליך, עלינו לגרום לתחילת התהליך הזה, כלומר להניע אותו. סך האנרגיה שנשקיע לכך (ללא תלות בשאלה איך זה ייעשה) נקראת כוח אלקטרו-מניע.
בדרך כלל זרם חשמלי משקע חשמל שמקורו בתחנת חשמל ניתן בזרם חליפין וזרם חשמלי שמקורו בסוללה ניתן בזרם ישר.
יחידת זרם חשמלי קרויה אמפר וניתן למדודה באמצעות אמפרמטר.
באופן כללי מבנים מקבלים זרם חליפין אשר מומר לזרם ישר במתח מסוים דרך טרנספורמר.
בהפעלת מוצר חשמל כמו מחשב, מתקבל זרם מטענים חשמליים במתח נתון אשר מווסת לרכיבי החשמל השונים דרך ספק כוח של המערכת.
זרם חשמלי הולך ונעשה איטי בשל התנגדות חשמלית אך במערכות חשמל טיפוסיות (כמו מוצר חשמל ביתי) אין לנתון זה משמעות רבה.
חשמל ומגנטיות
תופעות החשמל ותופעת המגנטיות קשורות זו בזו ויחדיו הן נחשבות לכוח יסוד בטבע. כלומר, כוח שלא ניתן לתאר אותו כתוצאה של כוחות אחרים וקרוי הכוח האלקטרומגנטי.
זרם חשמלי של מטענים חשמליים מייצר שדה חשמלי (הנובע ישירות ממטען חשמלי ובהתאם למתח חשמלי) וכן שדה מגנטי.
שדה חשמלי מכיל אנרגיה פוטנציאלית מסוג אנרגיה פוטנציאלית חשמלית הנמדדת ביחידות ג'ול וניתנת להמרה לסוגי אנרגיה אחרים כגון אנרגיית חום.
יחידת מטען היא חלקיק חומר בעל מטען חשמלי או מצבור של שניים או יותר חלקיקים כאלה ופוטנציאל חשמלי הוא אנרגיה פוטנציאלית חשמלית ליחידת מטען.
הפרש פוטנציאלים ("מתח חשמלי") הוא ההפרש המתקבל מחיסור ממוצע האנרגיה בג'ול של מטען בנקודה B במרחב, מממוצע האנרגיה בג'ול של מטען בנקודה A במרחב.
חלקיק חומר יכול להישאר במקומו כחלקיק אלקטרוסטטי ועדיין יהיו בו הפרשי פוטנציאלים (כלומר, הוא עדיין יוכל לצאת מאיזון) בשל כוחות הפועלים עליו מבחוץ באופן שווה לדוגמה משני כיוונים או מארבע כיוונים.
עיסוק עם מערכות חשמל
כאשר מתעסקים עם מערכות חשמל יש להקפיד על כל תקנת בטיחות סבירה כגון כיבוי מוצר חשמל (חסימת זרם) וניתוקו ממקור זרם בכלל ומשקע חשמל בפרט (במקרים מסוימים אף מסוללה) וכן הימנעות ממגע בכבל חשמל חשוף או השארת נוזלים וחומרים דליקים ליד מוצר חשמל ועוד בכדי למנוע התחשמלות (מכת חשמל) שהיא מצב בו זרם חשמלי חיצוני זורם דרך גוף אדם או בעל חיים אחר ואשר היא מסוכנת לחיים ויכולה להביא לפציעה או מוות ולבעיות ואסונות כגון התחממות יתר, עיוות, פיצוץ ושריפה.
מפל מתח חשמלי
מפל מתח חשמלי (קצר חשמלי) הוא מצב בו שני רכיבים בעלי מטען חשמלי מנוגד (חיובי ושלילי) נוגעים זה בזה, בין אם באופן ישיר ובין אם דרך חומר מוליך המהווה תווך, כגון גז או מים, מה שגורם לזרם חשמלי במתח גבוה מאד ולכן ככלל מסוכן ביותר. אני אומר ככלל כי במקרים מיוחדים קצר הוא מצב רצוי כמו למשל בריתוך מתכות בו משתמשים במסלול מקוצר, על מנת ליצור הספק חשמלי (כמות אנרגיה חשמלית ליחידת זמן) גדול אשר יומר לאנרגיית חום שתספיק לריתוך המתכות.
נתיך (פיוז) וממסר פחת הם רכיבים שתפקידם להפסיק זרם במערכת חשמלית במקרה של קצר.
זרם זליגה
הפרעה נפוצה במסלולים חשמליים שונים היא זרם זליגה או לחלופין בריחת מתח.
במצב זה, חלק מזרם המטענים החשמליים דולף החוצה דרך פתח או חור בחומר מבודד ולא ממשיך מסלול חשמלי מלא.
זרם זליגה הוא מסוכן שכן הוא יכול לגרום להתחשמלות וניתן להתגונן ממנו על ידי התקנת מנגנון הארקת חירום המאריק (מעביר) זרם לאדמה (אדמת כדור הארץ בקרבת המתקן החשמלי) אשר באופן טבעי יוארק לשם במקום לגוף האדם בשל משיכה טובה הרבה יותר אך פתרון זה אינו מגן מפני שריפות שכן הארקת חירום יכולה לגרום לחום רב בעצמה.
שימוש במנגנון הארקת חירום במערכת חשמל של בניין או מוצר חשמל זהו תקן בטיחות בסיסי.
בקצר חשמלי יש התנגדות חשמלית נמוכה ביותר ולכן זרם חזק מאד עם המון חום נקודתי ומהיר (פיצוץ) וזליגה היא רק דליפה של זרם מטענים חשמליים.
פריקת מטען חשמלי לעומת אובדן מטען חשמלי
פריקת מטען חשמלי (electric discharge) פירושו העברת מטען חשמלי דרך תווך, כגון גז.
פריקת מטען חשמלי דרך מקטע אוויר הכולל יונים נקרא פריקת קורונה (corona discharge) שהיא תופעה הנפוצה בעמודי חשמל המפיקים רעש עקבי בשל זרם זליגה לא מטופל מהם.
הבדל בין פריקת קורונה לבין מה שמכונה קשת חשמלית הינו שפריקת קורונה מתפרשת על פני מקטע גז "רב" וקשת חשמלית מתפרשת על פני מקטע גז "צר" (ולכן היא חמה מאד במקום אחד).
בניגוד לניצוץ או ברק למשל שהם אירועים רגעיים ← קשת חשמלית היא אירוע שמתמשך לפרקי זמן ארוכים יותר משבריר שנייה.
יש להבחין בין פריקת מטען חשמלי לבין אובדן מטען חשמלי (loss of electrical charge) אשר מכונה לעתים בטעות "התפרקות מטען חשמלי" שהוא מצב בו חלקיק חומר בעל מטען חשמלי מאבד את מטענו החשמלי כך שאיננו עוד במצב של חוסר איזון בין חלקיקים פנימיים והוא חזר למצב של איזון בין חלקיקים פנימיים.
