חשמל הוא תופעה שכיחה וחיונית לרוב האנשים. וכמו כל דבר מוכר, זה מורגש לעתים רחוקות. מעטים תוהים מאיפה זה בא, איך זה עובד, מה אפשר לעשות איתו. עם זאת, המחקר שלו בוצע הרבה לפני תקופתנו, ועד עכשיו, כמה תעלומות נותרו ללא מענה.
תוֹכֶן
מה הכוונה בזרם חשמלי
חשמל הוא מכלול של תופעות הקשורות לקיומם של מטענים חשמליים. מילה זו פירושה לרוב זרם חשמלי וכל התהליכים שהוא גורם.
זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת של חלקיקים הנושאים מטען בהשפעת שדה חשמלי.
מי המציא את החשמל - היסטוריה
ביטויים מיוחדים של חשמל נחקרו הרבה לפני תקופתנו.אבל שילובם לתיאוריה אחת שמסבירה הבזקי ברק בשמים, משיכת חפצים, היכולת לגרום לשריפות וחוסר תחושה של חלקי גוף, או אפילו מוות של אדם, התברר כמשימה קשה.
מאז ימי קדם, מדענים חקרו שלושה ביטויים של חשמל:
- דגים המייצרים חשמל;
- חשמל סטטי;
- מַגנֶטִיוּת.
במצרים העתיקה, מרפאים ידעו על היכולות המוזרות של שפמנון הנילוס וניסו לטפל בעזרתו בכאבי ראש ומחלות אחרות. רופאים רומיים עתיקים השתמשו ברמפה חשמלית למטרות דומות. היוונים הקדמונים חקרו בפירוט את היכולות המוזרות של הדגיגון וידעו שיצור יכול להמם אדם ללא מגע ישיר דרך תלושה ורשתות דיג.
קצת קודם לכן, התגלה שאם תשפשפו ענבר על פיסת צמר, היא תתחיל למשוך צמר וחפצים קטנים. מאוחר יותר התגלה חומר נוסף בעל תכונות דומות - טורמלין.
בסביבות 500 לפני הספירה מדענים הודים וערבים ידעו על חומרים המסוגלים למשוך ברזל והשתמשו באופן פעיל ביכולת זו בתחומים שונים. בסביבות 100 לפני הספירה מדענים סינים המציאו את המצפן המגנטי.
בשנת 1600 גילה ויליאם גילברט, רופא החצר של אליזבת הראשונה וג'יימס הראשון, שכל כוכב הלכת הוא מצפן אחד ענק והציג את המושג "חשמל" (מיוונית "ענבר"). בכתביו החלו לשלב ניסויים בשפשוף ענבר על צמר ויכולת של מצפן להצביע צפונה לכדי תיאוריה אחת. בתמונה למטה, הוא מראה את המגנט לאליזבת הראשונה.
בשנת 1633, המהנדס אוטו פון Guericke ממציא מכונה אלקטרוסטטית שיכולה לא רק למשוך, אלא גם להדוף חפצים, ובשנת 1745 בונה פיטר ואן מושנברוק את התקן אחסון המטען החשמלי הראשון בעולם.
בשנת 1800, האיטלקי אלסנדרו וולטה ממציא את הראשון מקור נוכחי - סוללה חשמלית המייצרת זֶרֶם יָשָׁר. הוא גם היה מסוגל להעביר זרם חשמלי למרחקים. לכן, שנה זו נחשבת בעיני רבים לשנת המצאת החשמל.
בשנת 1831 מגלה מייק פאראדיי את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית ופותח את הדרך להמצאת מכשירים שונים המבוססים על זרם חשמלי.
בתחילת המאות XIX-XX, מספר עצום של תגליות והישגים נעשו, הודות לפעילותו של ניקולה טסלה. בין היתר, הוא המציא את מחולל התדרים הגבוהים ו שַׁנַאי, מנוע חשמלי, אנטנה לאותות רדיו.
המדע החוקר חשמל
חשמל הוא תופעת טבע. זה נלמד חלקית בביולוגיה, כימיה ופיזיקה. המטענים החשמליים השלמים ביותר נחשבים במסגרת האלקטרודינמיקה - אחד מענפי הפיזיקה.
תיאוריות וחוקי חשמל
יש מעט חוקים השולטים בחשמל, אך הם מתארים במלואם את התופעה:
- חוק שימור האנרגיה הוא חוק יסוד שגם תופעות חשמליות מצייתות לו;
- חוק אוהם הוא החוק הבסיסי של זרם חשמלי;
- חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית - על שדות אלקטרומגנטיים ומגנטים;
- חוק אמפר - על האינטראקציה של שני מוליכים עם זרמים;
- חוק ג'ול-לנץ - על ההשפעה התרמית של חשמל;
- חוק קולומב - על אלקטרוסטטיקה;
- כללי היד הימנית והשמאלית - קביעת כיווני קווי השדה המגנטי וכוח האמפרה הפועל על מוליך בשדה מגנטי;
- כלל לנץ - קביעת כיוון זרם האינדוקציה;
- חוקי פאראדיי עוסקים באלקטרוליזה.
ניסויים ראשונים בחשמל
הניסויים הראשונים בחשמל היו בעיקר משעשעים. המהות שלהם הייתה בחפצים קלים שנמשכו ונדחו בהשפעת כוח לא מובן. חוויה משעשעת נוספת היא העברת חשמל באמצעות שרשרת של אנשים המחזיקים ידיים. ההשפעה הפיזיולוגית של חשמל נחקרה באופן פעיל על ידי ז'אן נולט, שגרם למטען חשמלי לעבור דרך 180 אנשים.
ממה עשוי זרם חשמלי?
זרם חשמלי הוא תנועה מכוונת או מסודרת של חלקיקים טעונים (אלקטרונים, יונים). חלקיקים כאלה נקראים נושאי מטען חשמלי. על מנת שתופיע תנועה, חייבים להיות חלקיקים טעונים חופשיים בחומר. היכולת של חלקיקים טעונים לנוע בחומר קובעת את המוליכות של אותו חומר. על ידי מוליכות, חומרים מובחנים למוליכים, מוליכים למחצה, דיאלקטריים ומבודדים.
במתכות, המטען מועבר על ידי אלקטרונים. יחד עם זאת, החומר עצמו אינו דולף לשום מקום - יוני מתכת מקובעים היטב בצמתים של המבנה ומתנדנדים מעט.
בנוזלים, המטען נישא על ידי יונים: קטיונים בעלי מטען חיובי ואניונים בעלי מטען שלילי. החלקיקים ממהרים אל האלקטרודות עם המטען ההפוך, שם הם הופכים לנייטרליים ומתמקמים.
פלזמה נוצרת בגזים תחת פעולת כוחות בעלי פוטנציאל שונה. המטען נישא על ידי אלקטרונים חופשיים ויונים של שני הקטבים.
במוליכים למחצה, המטען מועבר על ידי אלקטרונים, עובר מאטום לאטום ומשאיר מאחוריו אי-רציפות הנחשבים טעונים חיובית.
מאיפה מגיע הזרם החשמלי
החשמל שמגיע דרך החוטים לבתים מופק על ידי גנרטור חשמלי בתחנות כוח שונות. עליהם, הגנרטור מחובר לטורבינה מסתובבת כל הזמן.
בעיצוב גֵנֵרָטוֹר יש רוטור - סליל שנמצא בין הקטבים של המגנט. כאשר הטורבינה מסובבת את הרוטור הזה בשדה מגנטי, על פי חוקי הפיזיקה, מופיע או מושרה זרם חשמלי. לפיכך, מטרת הגנרטור היא להמיר את הכוח הקינטי של הסיבוב לחשמל.
ישנן דרכים רבות לעשות סיבוב טורבינה, תוך שימוש במגוון מקורות אנרגיה. הם מחולקים לשלושה סוגים:
- מתחדשת - אנרגיה המופקת ממשאבים בלתי נדלים: זרמי מים, אור שמש, רוח, מקורות גיאותרמיים ודלק ביולוגי;
- לא מתחדשת - אנרגיה המתקבלת ממשאבים הנוצרים באיטיות רבה, שאינה תואמת את קצב הצריכה: פחם, נפט, כבול, גז טבעי;
- גרעיני - אנרגיה המתקבלת מתהליך חלוקת התא הגרעיני.
לרוב, חשמל מופק באמצעות עבודה של:
- תחנות כוח הידרואלקטריות (HPP) - בנויות על נהרות ומשתמשות בכוח זרימת המים;
- תחנות כוח תרמיות (TPP) - פועלות על אנרגיה תרמית משריפת דלק;
- תחנות כוח גרעיניות (NPPs) - פועלות על אנרגיה תרמית המתקבלת מתהליך התגובה הגרעינית.
האנרגיה המומרת מסופקת באמצעות חוטים לתחנות משנה של שנאים ולמתקני מיתוג ורק אז מגיעה לצרכן הסופי.
עכשיו מה שנקרא סוגי אנרגיה חלופיים מתפתחים באופן פעיל. אלה כוללים טורבינות רוח, פאנלים סולאריים, שימוש במקורות גיאותרמיים וכל דרך אחרת להשיג חשמל באמצעות תופעות חריגות. אנרגיה חלופית נחותה בהרבה מבחינת פרודוקטיביות והחזר למקורות מסורתיים, אך במצבים מסוימים היא עוזרת לחסוך כסף ולהפחית את העומס על רשתות החשמל הראשיות.
יש גם מיתוס על הקיום BTG - גנרטורים ללא דלק. באינטרנט יש סרטונים המדגימים את עבודתם ומוצעת מכירתם. אבל יש הרבה מחלוקת לגבי מהימנות המידע הזה.
סוגי חשמל בטבע
הדוגמה הפשוטה ביותר לחשמל טבעי היא ברק. חלקיקי מים בעננים מתנגשים זה בזה ללא הרף, ורוכשים מטען חיובי או שלילי. החלקיקים הקלים יותר, בעלי מטען חיובי, מגיעים לראש הענן, ואילו החלקיקים הכבדים והשליליים נעים למטה. כאשר שני עננים דומים נמצאים במרחק מספיק קרוב, אך בגבהים שונים, המטענים החיוביים של אחד מתחילים להימשך הדדית על ידי החלקיקים השליליים של השני. ברגע זה מתרחש ברק. כמו כן, תופעה זו מתרחשת בין העננים לבין פני כדור הארץ עצמו.
ביטוי נוסף לחשמל בטבע הוא האיברים המיוחדים בדגים, קרניים וצלופחים. בעזרתם, הם יכולים ליצור מטענים חשמליים כדי להגן על עצמם מפני טורפים או להמם את טרפם. הפוטנציאל שלהם נע בין הפרשות חלשות מאוד, בלתי מורגשות לבני אדם, ועד קטלניות.יש דגים שיוצרים סביבם שדה חשמלי חלש, שעוזר להם לחפש טרף ולנווט במים בוציים. כל אובייקט פיזי מעוות אותו איכשהו, מה שעוזר לשחזר את המרחב שמסביב ו"לראות" ללא עיניים.
חשמל מתבטא גם בעבודה של מערכת העצבים של יצורים חיים. דחף עצבי מעביר מידע מתא אחד למשנהו, ומאפשר לך להגיב לגירויים חיצוניים ופנימיים, לחשוב ולשלוט בתנועות שלך.
מאמרים דומים:
