מַדָע

מה זה חשמל? »הגדרתו ומשמעותו

תוכן עניינים:

Anonim

החשמל הוא רכוש פיזי של עניין. זה מורכב מאותה אינטראקציה שלילית או חיובית בין הפרוטונים לאלקטרונים של החומר. המונח מתייחס לצבע הענבר, לצבע הרב-גוני והמואר שהציג. עם זאת, המונח הוכנס לראשונה לחברה המדעית על ידי המדען האנגלי ויליאם גילברט (1544-1603) במאה ה -16 כדי לתאר את תופעת האינטראקציה האנרגטית בין חלקיקים.

מה זה חשמל

תוכן עניינים

החשמל הפיזי מובן כתופעות המתבטאות בנוכחות מטענים חשמליים הקיימים בגופים, מכיוון שהם מורכבים ממולקולות ואטומים, אשר אינטראקציה בין חלקיקי המשנה שלהם יוצרת דחפים חשמליים. המטענים החיוביים והשליליים על האטומים הם חשמל סטטי, ואילו תנועת האלקטרונים ושחרורם מהאטומים מייצרים זרמים חשמליים.

זהו חלק מהאלקטרומגנטיות, התואמת את יחסי הגומלין הבסיסיים של הטבע, עם כוח הכבידה והכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק.

האטימולוגיה שלו מגיעה מהאלקטרום הלטיני, גם מהאלקטרון היווני, שפירושו "ענבר". הפילוסוף היווני תאלס ממילטוס (624-546 לפנה"ס) הבחין כיצד חיכוך התמגנט ענבר בחשמל סטטי, וכעבור מאות שנים המדען צ'רלס פרנסואה דה סיסטנאי דו פיי (1698-1739) הבחין כיצד המטענים החיוביים של חשמל הם התגלו כשמשפשפים זכוכית, ובתורם הוצגו שליליות כאשר שפשפו שרפים, כמו ענבר.

זרימת האנרגיה לנוע או חיובים סטטי הוא מה שנקרא חשמל, או העברת אלקטרונים מאטום אחד למשנהו, וגם את הכוח החשמלי הנוצר נמדד ב וולט או וואט, מונח המשמש חשמל באנגלית, ו הוא נקרא על שם ממציא מנוע הקיטור ג'יימס וואט (1736-1819).

עם זאת, ניתן למצוא חשמל בטבע, כמו במקרה של אירועים אטמוספריים, חשמל ביולוגי (חשמל הקיים אצל בעלי חיים מסוימים) והמגנטוספירה.

אחד המקרים הידועים ביותר של בעלי חיים המייצרים חשמל הוא זה של הצלופח החשמלי, אשר בגופו אלקטרוציטים (איבר של בעל חיים זה המייצר שדות חשמליים), הנמצאים בכל גופו, מתפקדים באופן דומה ל נוירונים ויכולים ליצור עד 500 וולט פריקות.

מכיוון שיש מגוון של אלמנטים, האטומים שלהם שונים; לכן חומרים מסוימים הם מובילי חשמל ומבודדים אחרים. המוליכים הטובים ביותר הם מתכות, מכיוון שיש להם מעט אלקטרונים באטומים שלהם, ולכן אין צורך בכמות גדולה יותר של אנרגיה כדי שמולקולות תת אטומיות אלה יקפצו מאטום אחד למשנהו.

מאפייני חשמל

על פי הדינמיקה, המקור, הביצועים והתופעות שהוא מייצר, יש לו מאפיינים שמבליטים אותו. בין העיקריים הם:

  • מצטבר. ישנם מכשירים עם יכולת לאגור חשמל בחומרים כימיים בתוך מצברים, המאפשרים לשמור עליו לשימוש מאוחר יותר (סוללות).
  • דרכו להשיג. במקרה של סוללות או תאים, הוא מתקבל כימית; גם על ידי אינדוקציה אלקטרומגנטית בעת העברת מוליך בשדה מגנטי, כמו אלטרנטורים; ומאור, כאשר סוגים מסוימים של מתכות משחררים אלקטרונים כאשר אור השמש נופל עליהם (פאנלים סולאריים).
  • השפעותיו. אלה יכולים להיות פיזיקאליים, מכניים או קינטיים, תרמיים, כימיים, מגנטיים ומאירים.
  • הביטויים שלה. הם יכולים להיות בצורה של ברקים, חשמל סטטי, זרמי זרם, בין היתר.
  • מסוכנות. על ידי יצירת חום, זה יכול לגרום לכוויות קשות ובמקרים של חשיפה חזקה יותר, מוות.
  • התנגדות ומוליכות. זו ההתנגדות של סוגים מסוימים של חומר מול המעבר והזרימה הקלה שלו, בהתאמה.

סוגי חשמל

ישנם מספר סוגים של חשמל, החשובים ביותר הם:

סטָטִי

סטטי נובע מעודף מטען חשמלי, המצטבר בחומר מוליך או מבודד.

ידוע כי אטומים מורכבים ממספר מסוים של פרוטונים (מטען חיובי) בגרעין שלהם ומספר זהה של אלקטרונים (מטען שלילי) המקיפים אותו, מה שהופך את האטום האמור לניטראלי חשמלי או בשיווי משקל; אך כאשר נוצר חיכוך בין שני גופים או חומרים, עלולים להיווצר מטענים באובייקטים האמורים.

הסיבה לכך היא שהאלקטרונים של שני החומרים יבואו במגע וייצרו חוסר איזון במטענים של האטומים, מה שמוביל לסטטי. זה נקרא כך מכיוון שהוא נוצר באטומים שנמצאים במנוחה והמטען שלו לא נע אלא נשאר נייח. דוגמא לכך היא כאשר אנו מעבירים מברשת דרך השיער וחלקם מורמים על ידי סטטיות החיכוך בין החומר של אותו לשיער. חפצים כמו מדפסות משתמשים בסטטי כדי לחשוף את הטונר או הדיו על הנייר.

דִינָמִי

סוג זה מיוצר על ידי עומס שנמצא בתנועה, או על ידי זרימתו. לשם כך אתה זקוק למקור חשמלי (שיכול להיות כימי, כמו סוללה, או אלקטרומכני, כמו דינמו) שגורם לאלקטרונים לזרום דרך חומר מוליך שדרכו מטענים חשמליים אלה יכולים להסתובב.

בתוכו, אלקטרונים עוברים מאטום אחד למשנהו וכן הלאה. מחזור זה מכונה זרם חשמלי. דוגמא לסוג זה של חשמל הם שקעי חשמל, המהווים מקור חשמל דינמי למכשירים ומכשירים אחרים הדורשים חשמל.

חשוב להדגיש את קיומם של סוגים אחרים של חשמל, ביניהם:

  • בסיסי: סוג זה הוא זה שמתייחס למשיכה של מטענים חיוביים ושליליים, שם האובייקטים יהיו טעונים. הוא נוצר משני קטבים, שלא חייבים בהכרח לגעת אלא למשוך זה את זה. סוג זה של חשמל נמצא בחפצים יומיומיים.
  • התנהגותית: זה נחשב כחלק מהדינמיקה, מכיוון שהוא מועבר באמצעות מוליכים, ולכן הוא ממשיך לנוע במעגלים. ישנם מוליכים שונים, כגון מתכות (במיוחד נחושת), אלומיניום, זהב, פחמן, בין היתר.
  • אלקטרומגנטית: הוא נוצר על ידי שדה מגנטי, שניתן לאחסן ולהפיץ אותו כקרינה, ולכן מומלץ לא לחשוף את עצמכם לשדה מסוג זה לאורך זמן. הפיזיקאי האנס כריסטיאן אורסטד (1777-1851) גילה את הקשר בין מגנטיות לחשמל, וציין כי זרם חשמלי יוצר שדה מגנטי.

    בין היישומים של סוג זה של חשמל בולטים ברפואה, למשל, עבור מכונות רנטגן או לביצוע הדמיית תהודה מגנטית.

  • תעשייתי: זה מה שיש לייצר למכונות הגדולות המשמשות לייצור המוני של מוצרים, הדורשות כמויות גדולות של אנרגיה מכיוון שהן בעלות הספק גבוה.

    הוא פותח לאחר שהמדע הוכיח כי משאבי אנרגיה טבעיים כמו ברק, יכולים להיות מנועים ומשומשים על ידי האדם, והפכו למקור חזק של אנרגיה חשמלית, מה שאפשר לענות על צרכי התעשייה.

ביטויים חשמליים

מטען חשמלי

זהו מאפיין שיש לחלקיקים תת-אטומיים (אלקטרונים, נויטרונים ופרוטונים) למשוך ולהדוף זה את זה, כמו כן הוא מגדיר את האינטראקציה האלקטרומגנטית שלהם. זה מיוצר באטומים, שיעבירו אותו למולקולות של גוף אחר, או דרך חומר מוליך. הכוונה היא גם ליכולת של חלקיק להחליף פוטונים (חלקיקי אור או אנרגיה אלקטרומגנטית).

זה קיים, למשל, בחשמל סטטי, שהוא מטען נייח בגוף. כמו כן, מטען מוליד את הכוח האלקטרומגנטי, מכיוון שהוא מייצר כוח על אחרים. חיובים עשויים להיות שליליים ואחרים חיוביים, וחיובים מאותו סוג יבוטלו, ואילו חיובים הפוכים ימשכו זה את זה.

המטענים נמדדים דרך קולומב היחידה או קולומב ומיוצגים על ידי האות C, ומשמעותם כמות המטען העוברת בקטע של מוליך כלשהו בפרק זמן של שנייה אחת. לחומר וגם לחומר האנטי יש מטענים שווים והפוכים לחלקיק המקביל שלהם.

זרם חשמלי

זוהי זרימת המטען החשמלי דרך חומר, המיוצר על ידי תנועת אלקטרונים או סוג אחר של מטען. זה ייצור שדה מגנטי, אחת התופעות החשמליות שניתן לנצל, במקרה זה על ידי אלקטרומגנט.

החומרים שדרכם זרימה זו יסתובבו יכולים להיות מוצקים, נוזליים או גזים. בחומרים מוצקים, אלקטרונים נעים; יונים (אטומים או מולקולות שאינן ניטרליות חשמלית) נעים בנוזלים; והגזיים יכולים להיות גם אלקטרונים וגם יונים.

סכום החיוב הנוכחי עבור יחידת הזמן ידוע בתור עוצמת זרם חשמלי, אשר מסומל על ידי האות I ומוצג כמו תליות לשניות או אמפר.

הזרם החשמלי יכול להיות:

  • רציף או ישיר, שהם אותם זרמי מטענים שמסתובבים במסלול קבוע, הוא אינו מופרע בשום תקופת ואקום, משום שהוא בכיוון אחד בלבד.
  • אלטרנטיבי, שהוא זה שנע בשני כיוונים, משנה את מסלולו ואת עוצמתו.
  • תלת פאזי, שהוא קיבוץ של שלושה זרמים מתחלפים עם משרעת, תדר וערך יעיל זהה (מושג המשמש לחקר גלים תקופתיים), המציג הפרש של 120 מעלות בין שלב לשלב.

שדה חשמלי

זהו שדה אלקטרומגנטי שנוצר על ידי מטען חשמלי (גם כשאינו נע) ומשפיע על המטענים המקיפים אותו או נמצאים בו. השדות אינם ניתנים למדידה, אך ניתן לראות את המטענים המוטלים עליהם.

שדה חשמלי הוא מרחב פיזי שבו המטענים החשמליים של הגופים השונים מתקשרים, ומוגדר ריכוז עוצמת הכוח החשמלי. באזור זה המאפיינים שונו על ידי נוכחות של תשלום.

פוטנציאל חשמלי

הכוונה היא לקיבולת של גוף חשמלי, או לאנרגיה שהוא זקוק להנעת מטען או ביצוע עבודה ונמדדת בוולטים. מושג זה קשור לזה של הבדל פוטנציאלי, המוגדר כאנרגיה הדרושה להעברת מטען מנקודה אחת לאחרת.

ניתן להגדיר זאת רק באזור מוגבל של שטח עבור שדה סטטי, שכן עבור מטענים נעים נעשה שימוש בפוטנציאלים Liénard-Wiechert (הם מתארים את השדות האלקטרומגנטיים של התפלגות מטענים נעים).

אלקטרומגנטיות

הכוונה היא לשדות המגנטיים הנוצרים עקב המטענים החשמליים הנמצאים בתנועה, ומייצרים משיכה או דחייה כלפי החומרים הנמצאים בתוך שדות אלה, אשר יכולים לייצר זרם חשמלי.

מעגלים חשמליים

הכוונה היא לחיבור של לפחות שני רכיבים חשמליים, כך שהמטען החשמלי יכול לזרום בנתיב סגור למטרה מסוימת כלשהי. אלה מורכבים מאלמנטים כגון רכיבים, צמתים, ענפים, רשתות, מקורות ומוליכים.

ישנם מעגלים עם מקלט, כמו במקרה של נורות או פעמונים; מעגלי סדרות, כמו אורות חג המולד; מעגלים במקביל, כמו במקרה של אורות שנדלקים באותו מתג בו זמנית; מעגלים מעורבים (הם משלבים סדרות ומקבילות); והופעל, שהם אלה המאפשרים, למשל, להדליק נורה אחת או יותר מנקודה אחת אחרת.

היסטוריה של חשמל

הקדמות של החשמל חוזרות לתקופות קדומות, אפילו כמעט שלושת אלפים שנה לפני ישו, שם התבוננו בני האדם בתופעות חשמליות מסוימות בטבע, למרות שלא ידעו כיצד הופקו או את הדינמיקה שלהן. כמו כן, הם היו עדים לתופעות מגנטיות מסוימות המיוצרות על ידי סוגים מסוימים של חומרים שהושגו בטבע, כגון מגנטיט, או נוכחותם בבעלי חיים.

בסביבות 2,750 לפני הספירה, הציוויליזציה המצרית כתבה על הדגים החשמליים שנמצאו בנהר הנילוס, והתייחסה אליהם כמגינים על בעלי החיים האחרים בו. בסביבות 600 לפני הספירה, תאלס ממילטוס היה האדם הראשון שגילה שענבר רכש תכונות חשמליות ומגנטיות כאשר הוא נשפשף בחומר ספציפי. אך החשמל כמדע מתוארך למאה השבע עשרה ושמונה עשרה, בעיצומה של המהפכה המדעית, כאשר הופעתו של תחום מחקר זה הייתה ההקשר המושלם לתחילת המהפכה התעשייתית, ולהתרחבותה ברחבי העולם המודרני שעלה, זה היה קריטי להתפתחות האנושות.

לפני כן, במאה ה -16, הפילוסוף והרופא ויליאם גילברט (1544-1603) תרמו תרומות חשובות לחקר תופעת החשמל תוך מתן תשומת לב מיוחדת לחשמל ולמגנטיות. המונחים "חשמל" ו"חשמלי "מופיעים לראשונה בשנת 1646 ביצירתו של האנגלי תומאס בראון (1605-1682). יחידות המדידה לתופעות החשמליות השונות הופיעו מאוחר יותר הודות לתרומות מרובות של אינטלקטואלים בפיזיקה.

המדען, הפוליטיקאי והממציא בנג'מין פרנקלין (1706-1790), בשנת 1752 הצליח לתעל דרך העפיפון את הכוח החשמלי הכלול בברק, מה שהוביל להמצאת מוט הברק; מכשיר המשמש להובלת חשמל מברק לקרקע. מאוחר יותר, הפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה (1745-1827) המציא את סוללת המתח בשנת 1800 שאפשרה לאגור אנרגיה וניצלה את השימוש בחשמל שנוצר על ידי תגובות כימיות; ובשנת 1831 פיתח הפיזיקאי מייקל פאראדיי (1791-1867) את הגנרטור החשמלי הראשון, שאפשר לשלוח זרם חשמלי ברציפות.

השלב הראשון של המהפכה התעשייתית לא כלל חשמל לפיתוחו, כיוון שהוא עשה שימוש באנרגיה שנוצרה על ידי קיטור. כבר לקראת המהפכה התעשייתית השנייה במאה ה -19 שימשו חשמל ונפט להפקת אנרגיה, מה שאיפשר למדען תומאס אלווה אדיסון (1847-1931) להדליק את נורת הלהט הראשונה בשנת 1879.

בסוף המאה ה -19 ובתחילת המאה ה -20, אדיסון, תומך זרם ישר, והממציא והמהנדס ניקולה טסלה (1856-1943), אבי זרם חילופין, התווכח עם עתיד החשמל.

זרם ישר זכה לפופולריות בארצות הברית לשימוש ביתי ותעשייתי; אולם עד מהרה התגלה כי הוא אינו יעיל למרחקים ארוכים וכאשר נדרש מתח גבוה יותר, ופלט כמויות אדירות של חום.

טסלה פיתח ניסויים שהובילו לגילוי דרכים חלופיות להובלת אנרגיה חשמלית בצורה יעילה יותר, מה שהביא לגילוי זרם חילופין.

ג'ורג 'ווסטינגהאוס (1846-1914), איש עסקים אמריקאי, תמך וקנה את המצאתו של טסלה, שבסופו של דבר ניצח בקרב על חשמל מכיוון שהיה סוג זרם זול יותר עם פחות אובדן אנרגיה.

חשיבות החשמל

חשיבותו חיונית לחיים המודרניים, בהיותם אחד מעמודי התווך הבסיסיים של החברה של ימינו, שכן בעצם כל מה שבני אדם משתמשים בו כולל חשמל לתפקוד: מכשירים חשמליים, מכונות, תקשורת, צורות תחבורה מסוימות, ייצור. סחורות ושירותים, לתחום הרפואה, המדע, בין היתר.

זה יכול להיווצר על ידי האדם או לרתום אותו ישירות מהטבע. חשמל מעשה ידי אדם נוצר על ידי טורבינות, מעבים ומכונות המסתמכות על כוח הטבע לתפקד, כמו סכרים המשתמשים בכוח של כמויות גדולות של מים כדי לייצר את הזרם המספק ערים גדולות.

כוכב הלכת כדור הארץ מסוגל גם לייצר חשמל, אותם קרניים, הבזקים וברקים שאנו רואים בשמיים באמצע סערה הם פריקות חשמל שנוצרות על ידי התנגשות צבירי חומר ואנרגיה ענקיים. זה נקרא זרם טבעי טבעי והוא יכול לשמש את האדם עם מוטות ברק ומוליכים עמידים במיוחד המסוגלים לספוג את ההשפעה של פריקה בסדר גודל כזה.

10 דוגמאות לשימוש בחשמל

לחשמל שימושים מרובים בפעילות אנושית. בין הדוגמאות הבולטות ביותר הן:

  • ברכבים עם חשמל רכב, שמסתובב דרך מעגלים שמגיעים לחלקים ממנו ודורשים חשמל כדי לתפקד, כמו אורות, הצופר, המנוע, בין היתר, ונוצר מסוללה.
  • לתאורה, כלומר להפעלת תאורה ביתית, ציבורית ותעשייתית.
  • להצתה של מכשירי חשמל ואלקטרוניקה.
  • כדי לייצר חום באקלים ממוזג, כגון באמצעות חימום.
  • לתחבורה כמו מטוסים מכיוון שהם זקוקים לחשמל כדי להמריא.
  • לתחום הרפואי, המשמש במכשירים המשמשים לניתוח ולימודים.
  • בתעשייה, הדורשת כמויות גדולות של מטען חשמלי לייצור מוצרי צריכה.
  • כדי ליצור תנועה באמצעות מנועים המניעים כוח חשמלי, המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.
  • לתקשורת המשמשת בין היתר בהתקנים כמו אנטנות מהדר, משדרים.
  • עבור הובלה ובקרה של נוזלים, כגון מים, דרך שסתומי סולנואיד כי עזרה למתן את הזרימה.

שאלות נפוצות על חשמל

מה זה חשמל ולשם מה זה מיועד?

אנרגיה חשמלית מייצגת מקור אנרגיה הנלכד באמצעות תנועות מטענים חשמליים על ידי מוליכים. תפקידה העיקרי הוא להאכיל את כל המכשירים המשמשים את האדם, להבטיח מזון, ביטחון, תקשורת, תחבורה, בידור, בין היבטים רבים אחרים.

מהם המאפיינים של חשמל?

המאפיינים העיקריים של החשמל הם שהוא מצטבר, טמפרטורה גבוהה, מייצר זוהר, יכולת לשנות את הרכב החומרים, קיים ביצורים חיים, ניתן להשיג באופן טבעי או מלאכותי וניתן לתעל אותו.

איך מייצרים את החשמל?

מבחינה מיקרוסקופית זה נוצר על ידי אובדן אלקטרונים מאטום, או החלפתם. זה קיים בטבע, למשל, בקרניים, במגנטוספירה, בעלי חיים מסוימים. ניתן להפיק אותו באמצעות תהליכים המנצלים משאבי טבע, שיכולים להיות רוח, דלקים מאובנים, השמש וכוח המים, בין היתר.

מה זה חשמל לילדים?

זוהי תנועה של חלקיקים זעירים דרך כבל, שדרכו מיליונים מהם עוברים מנקודה אחת לאחרת. כמו כן, ניתן לאחסן אנרגיה מהחלקיקים במכשיר הנקרא סוללה. תנועה זו מאפשרת למכשירים לתפקד ולנוע, כמו משחקי וידאו, מחשבים, טלוויזיות או צעצועים המשתמשים בסוללות.

מי המציא חשמל?

לא ניתן לייחס את המצאת החשמל לאופי ספציפי כלשהו. עם זאת, היו חוקרים, כמו תאלס ממיליטוס, שערכו ניסויים להתבוננות בהתנהגותו ובביטויים של כוח זה, ולמעשה, הוא היה החלוץ בתחום זה. בתחום המדע הוא הוגדר על ידי ויליאם גילברט ותומאס בראון; הראשון למד חשמל ומגנטיות, והשני הגדיר את המונח כמושג.