דף סיכום חשמל
· מעגל חשמלי סגור הוא רצף של מוליכים מהדק אחד של מקור האנרגיה (סוללה, חברת חשמל),
להדק השני.
· כדי שנורה תסגור מעגל חשמלי היא צריכה להתחבר להדק אחד בתבריג, ולהדק שני בבסיס.
· תפקידו של המתג הוא לפתוח ולסגור מעגל. הוא בנוי מפס המורכב ממוליך, מבדד, ומוליך
אליהם מחובר לחצן מוליך שיכול לנוע ולחבר בין שני המוליכים בפס.
· קיימים סימנים מוסכמים לרכיבים במעגל. (עמ' 13)
· מוליך- חומר שסוגר מעגל חשמלי.
· מבדד- חומר שאינו סוגר מעגל חשמלי.
· נורה שרופה= מעגל פתוח.
אם יש מספר נורות באותו מעגל ונורה אחת נשרפת, אין זרם בכל המעגל ואף נורה לא מאירה.
אם יש מספר נורות במעגלים שונים, צריך לבדוק לאיזה מעגל שייכת הנורה שנשרפה.
· כאשר עובר זרם בחומר מוצק, פרוש הדבר כי בחומר עוברים אלקטרונים.
· זרם חשמלי הוא זרם של אלקטרונים המצויים במוליכים, בכיוון אחד.
· יחידת המידה לעוצמת הזרם היא – אמפר.
· עוצמת הזרם מהווה מדד למספר האלקטרונים העוברים בכל שניה דרך שטח החתך במוליך, בכל נקודה במעגל.
· ככל שעוצמת הזרם גבוהה יותר, עוברים יותר אלקטרונים בשניה אחת דרך שטח החתך במוליך,
בכל נקודה במוליך.
· מכשיר המודד את עוצמת הזרם נקרא- מד זרם = אמפרמטר.
· עוצמת האור בנורה אינה מדד מדויק למדידת הזרם. אם עוצמת הזרם נמוכה מידי הנורה לא תאיר. לכן משתמשים במד זרם.
· מכשירים חשמליים אינם מבזבזים אלקטרונים, לכן עוצמת הזרם שווה בכל נקודה המעגל.
· האלקטרונים נמצאים במוליכים.
· ניתן להפיק זרם חשמלי גם ללא סוללה- ע"י דינמו .
· תפקיד הסוללה/ המגנט הנע בתוך הסליל (דינמו, גנרטור), לגרום לאלקטרונים שבמוליכים לנוע בכיוון אחד. עבור זה אנו משלמים.
· בחברת חשמל מפיקים זרם חשמלי בעזרת מגנט וסליל (גנרטור).
את הגנרטור מניעה טורבינה (גלגל).
ניתן להניע טורבינה בדרכים שונות (קיטור, מפל מים, רוח) עמ' 92
G מוליכות חשמלית מוליכות חשמלית של גוף מסוים היא היכולת של זרם חשמלי לעבור באותו גוף.
ככל שהמוליכות טובה יותר האלקטרונים יכולים לעבור בחומר יותר בקלות.
חומרים מוליכים הם חומרים בהם קיימים חלקיקים טעונים עם חופש תנועה (למשל אלקטרונים בנחושת). חומרים מוליכים יכולים להיות מתכת, תמיסה מוליכה (למשל מי ים), וקיימים גם מספר חומרים קרמיים ופולימרים מוליכים.
R התנגדות חשמלית מתייחסת להתנגדות החומר למעבר אלקטרונים במוליך בכל שנייה.
ככל שההתנגדות גדולה יותר כך עובר פחות זרם במוליך.
כל חומר מתנגד בצורה מסוימת למעבר זרם דרכו.
המושג התנגדות חשמלית מציין בכמה מתנגד החומר למעבר אלקטרונים (זרם) דרכו.
1. מידת ההתנגדות של תיל מוליך למעבר אלקטרונים דרכו מושפעת ממספר גורמים:
o סוג החומר שממנו עשוי התיל המוליך (מתבטא בהתנגדות סגולית) - ככל שהתנגדותו הסגולית של החומר ממנו עשוי המוליך גבוהה יותר, כך תהיה גבוהה יותר גם התנגדותו.
o אורך התיל המוליך - ככל שהמוליך ארוך יותר, האלקטרונים צריכים לעבור דרך ארוכה יותר. ולכן ככל שהמוליך ארוך יותר, התנגדותו לזרימת זרם דרכו גבוהה יותר.
o שטח החתך של התיל המוליך - ככל ששטח החתך גדול יותר, מעבר הזרם קל יותר. לכן, ככל שהמוליך רחב יותר, התנגדותו למעבר זרם נמוכה יותר.
מתארים את הקשר בין הגורמים המשפיעים על התנגדות תיל מוליך בנוסחה:
כאשר ρ היא ההתנגדות הסגולית של החומר,L הוא אורך התיל ו-S הוא שטח החתך שלו.
· עוצמת הזרם תלויה ב:
א. חוזקו של מקור האנרגיה- הסוללה. ככל שנחבר יותר סוללות באותו מעגל, עוצמת הזרם תגדל.
ב. התנגדות המוליכים: התנגדות נמוכה --- > עוצמת זרם גבוהה.
1. ככל שהחומר מוליך טוב יותר, התנגדותו נמוכה יותר, ועוצמת הזרם גדולה יותר.
2. ככל שהמוליך עבה יותר, התנגדותו נמוכה יותר, ועוצמת הזרם גדולה יותר.
3. ככל שהמוליך קצר יותר, התנגדותו נמוכה יותר, ועוצמת הזרם גדולה יותר.
· חומרים שונים מוליכים זרם במידה שונה.
לחוטי חשמל התנגדות נמוכה.
למכשירים חשמליים התנגדות גדולה יותר.
למבדדים התנגדות גדולה מאד.
גוף האדם מוליך.
· תופעות שנגרמות בעקבות מעבר זרם חשמלי:
א. התחממות – כתוצאה מחיכוך האלקטרונים הזורמים בחלקיקי החומר שבמוליכים.
1. התחממות ללא התלהטות- אם הזרם קטן והמוליך דק, אם הזרם קטן והמוליך עבה,
אם הזרם גדול והמוליך עבה (חוטי החשמל שבקיר).
2. התחממות עד התלהטות והפצת אור- אם הזרם גדול והמוליך דק (חוט הלהט בנורה).
ב. מגנטיות:
1. זרם חשמלי הזורם ליד מחט מגנטית (מצפן), מסיט אותה מהצפון.
2. אלקטרומגנט- ברזל שסביבו מלופף מוליך שדרכו עובר זרם – הופך למגנט.
· קצר – מצב שבו יש אפשרות לזרם לעבור במוליך בעל התנגדות נמוכה מאד במעגל (ללא
מכשיר חשמלי). יכול להיגרם ממגע מקרי בין מוליכים חשופים.
התוצאה- א. המכשירים שבמעגל לא יעבדו כי הזרם שיעבור דרכם מאד נמוך (התנגדותם גבוהה
יחסית).
ב. עלייה בעוצמת הזרם במעגל (כיוון שהזרם עובר במוליך בעל התנגדות נמוכה מאד).
הסכנה- התחממות יתר של החוטים במעגל היכולה לגרום להתכת המוליך ולשריפה.
תיקון המצב- חשמלאי מתקן את החוטים שנחשפו.
הגנה מפני נזקים שעלולים להיגרם- מבטח חצי אוטומטי- פותח את המעגל כשהזרם עולה מעל המותר
· עומס יתר- נגרם כתוצאה מפעולה בו זמנית של מכשירי חשמל (הצורכים זרם גדול) המחוברים במעגלים נפרדים לאותו מקור.
התוצאה- עלייה בעוצמת הזרם.
הסכנה- התחממות יתר של החוטים במעגל היכולה לגרום להתכת המוליך ולשריפה.
תיקון המצב- ניתוק מכשירים הצורכים זרם גדול.
הגנה מפני נזקים שעלולים להיגרם- מבטח חצי אוטומטי- פותח את המעגל כשהזרם עולה מעל המותר
· "מגע גוף"- מגע של חוט חשמל בלתי מבודד בגוף המכשיר (בתוך המכשיר).
מצב זה עלול לגרום להתחשמלות.
· הארקה- חיבור גופו של המכשיר לאדמה ע"י חוט חשמל. הארקה מקטינה את הסכנה כתוצאה מהתחשמלות אך לא מונעת אותה.
· ממסר פחת הוא מכשיר המגן מפני התחשמלות.
המכשיר גורם לפתיחת המעגל החשמלי כאשר הוא מרגיש שירד זרם במעגל (כתוצאה ממעבר חלק מהזרם לגוף האדם)
· ממסר פחת אינו מגן מפני התחשמלות כאשר נוגעים בשני הדקי המעגל בו זמנית.
סוגי מעגלים חשמליים:
מעגל טורי:
זהו מעגל חשמלי שבו הצרכנים מחוברים בטור ( אחד אחרי השני במעגל אחד) לדוגמא:
הזרם היוצא מההדק השלילי עובר דרך כל הצרכנים וחוזר להדק החיובי של הסוללה.
ניתוק צרכן אחד במעגל זה תגרום לכבוי של יתר הנורות. כיוון שאין רצף של מוליכים בין הדק אחד להדק שני והמעגל הפך להיות פתוח.
מעגל מקבילי:
זהו מעגל חשמלי שבו כל הצרכנים מחוברים במקביל זה לזה ולסוללה.
התנתקות של צרכן יחיד (או יותר) לא תשפיע על פעולתם התקינה של יתר הצרכנים במעגל החשמלי המקבילי. כיוון שעבור כל אחד מהצרכנים נותר עדיין מעגל חשמלי סגור.
מעגל חשמלי מעורב:
מעגל חשמלי שהצרכנים בו מחוברים בחלקם חיבור טורי ובחלקם חיבור מקבילי.
סיכום הסיבות לחיבור מכשירים בבית במקביל ולא בטור
א. במקרה של חיבור בטור, אם מכשיר אחד לא יפעל המעגל החשמלי ייפתח וכל שאר המכשירים לא יפעלו.
ב. במקרה של חיבור בטור נצטרך להפעיל את כל המכשירים בו זמנית גם אם איננו זקוקים להם.
ג. סיבה נוספת (למתקדמים) – בחיבור במקביל הספק האנרגיה לא ישתנה כתוצאה מחיבורו של מכשיר נוסף, לכן חיבור במקביל מאפשר לשמור על מתח קבוע.
קצר – מצב שבו יש אפשרות לזרם לעבור במוליך בעל התנגדות נמוכה מאד במעגל (ללא
מכשיר חשמלי). יכול להיגרם ממגע מקרי בין מוליכים חשופים. כאשר ההדק השלילי מחובר ישירות להדק החיובי של הסוללה כל המטענים (זרם) עוברים ישירות להדק החיובי מבלי שהשתמשנו בהם (ללא צרכנים). עוצמת הזרם גדולה במיוחד.
קצר יכול להיווצר לדוגמה כתוצאה מקרע בבידוד בתוך מכשיר, או בעקבות חדירת חומר מוליך לתווך המבודד בין מוליכים חשמליים (למשל חדירת מים למכשיר חשמלי).
התוצאה- א. המכשירים שבמעגל לא יעבדו כי הזרם שיעבור דרכם מאד נמוך (התנגדותם גבוהה יחסית).
ב. עלייה בעוצמת הזרם במעגל (כיוון שהזרם עובר במוליך בעל התנגדות נמוכה מאד).
עומס יתר: מצב שבו עוצמת זרם גדולה בהרבה מהמותר עוברת במעגל החשמלי.
עומס יתר יכול לגרום לקצר או לפתיחת מעגל חשמלי סגור.
עובי המוליך חייב להתאים לגודל הזרם העובר בו.
כאשר עובי המוליכים במעגל מתאים לגודל הזרם עולה הטמפרטורה במעלות בודדות. עליה זו בטמפרטורה אינה מפריעה.
כאשר חלה עליה גדולה מידי בעוצמת הזרם העובר במוליכים עולה הטמפרטורה שלהם במעלות רבות. בטמפרטורות גבוהות המעטה הפלסטי של המוליכים ניתך ויכול אף להישרף. שריפה זו של המעטה יכולה לגרום להתלקחות של חומרים דליקים הנמצאים במקרבת מקום ולהתפשטות השריפה.
חשמל ובטיחות
בעיות בטיחות יכולות לנבוע ממספר סיבות:
א. התחממות יתר של רכיבי המעגל החשמלי, שעלולה לגרום לשריפה.
ב. התחשמלות, הנובעת מכך שגוף האדם הוא מוליך, וזרם מעל עוצמה מסוימת עלול להזיק לו.
אמצעי בטיחות להגנה מפני הסכנות הכרוכות במצבי קצר ועומס יתר כוללים: נתיך, מפסק חצי אוטומטי, ממסר פחת.
o נתיך הוא תיל קצר ודק יחסית המורכב בגוף עשוי חרסינה או בשפופרת זכוכית ומחובר בטור למעגל החשמלי. הנתיך עשוי מחומר שניתך ברגע שעוצמת הזרם מגיעה לערך המרבי המותר, ותפקידו לנתק (לפתוח) את המעגל.
o מפסק חצי אוטומטי משמש לאותו תפקיד כמו הנתיך, אך עקרון פעולתו שונה. הוא מבוסס על שילוב בין תופעה תרמית לתופעה מגנטית. כאשר עובר במעגל זרם בעל עוצמה גדולה מהמותר המפסק פותח את המעגל. (על עקרון הפעולה ראו "פרקים בחשמל ובכימיה" עמ' 72)
o ממסר פחת זרם תפקידו לזהות מצבים שבהם הזרם הנכנס למעגל החשמלי גדול מהזרם היוצא, כלומר יש "בריחת זרם". במקרים כאלה המכשיר פותח את המעגל החשמלי וכך מגן מפני התחשמלות. לדוגמה, בריחה כזו עלולה להתרחש במקרה שאדם (או בע"ח אחר) נוגע במוליך לא מבודד באופן שחלק מהזרם החשמלי עלול לעבור דרך הגוף אל האדמה.
אלקטרומגנט
אלקטרומגנט הוא סוג של מגנט שבו השדה המגנטי מופק באמצעות זרם חשמלי המועבר מסביב לליבת מתכת, ובו השדה החשמלי מתפוגג כאשר הזרם החשמלי נפסק. האלקטרומגנט משתמש בחשמל כדי להפיק כוח מגנטי. המבנה הבסיסי של אלקטרומגנט הוא ליבה של חומר פרומגנטי (לרוב ברזל) סביבה מלופף סליל מחומר מוליך, לרוב נחושת. עם העברת זרם חשמלי בסליל נוצר שדה מגנטי בתוך הליבה והופך אותה למגנט חזק.
יתרון האלקטרומגנט על פני מגנט רגיל הוא שניתן ליצור שדה מגנטי חזק, וניתן לשלוט על עוצמתו; החסרון הוא שנדרש זרם חשמלי כדי לקיים את השדה המגנטי.
