IData

 חשמל (Electricity) הוא אחד מכוחות הטבע. כידוע לנו כיום, החשמל הוא אחד מביטוייו של הכוח האלקטרומגנטי, שהוא אחד מארבעת כוחות היסוד של הטבע. כוח זה נמצא ביסוד המבנה האטומי והמולקולרי של החומר המוכר לנו, והוא אחראי למגוון רחב של תופעות טבע. אולם איחוד החשמל והמגנטיות הושג רק במחצית השנייה של המאה ה-19, ועד אז נחקרו שתי התופעות הללו בנפרד.חקר החשמל נחלק לשני חלקים: האלקטרוסטטיקה, העוסקת בפעילות הגומלין בין מטענים חשמליים שאינם נעים, והאלקטרודינמיקה, העוסקת בחקר תנועותיהם של מטענים חשמליים, הקרויות זרם חשמלי. תופעות האלקטרוסטטיקה היו ידועות כבר בימי קדם. היוונים העתיקים, בין השאר, ידעו כי שפשוף של מוט ענבר בפרווה מעניק לענבר כוח משיכה מוזר, המסוגל למשוך אל המוט עצמים קלים. ענבר נקרא ביוונית "אלקטרון", ומכאן שם התופעות החשמליות בשפות רבות. המילה העברית "חשמל" (שמוצאה אינו ידוע) מופיעה בספר יחזקאל, שם הכוונה כנראה לאבן חן כלשהי, או לצבעהּ. בתרגום השבעים של התנ"ך ליוונית תורגמה מילה זו ל"אלקטרון", והמשורר י"ל גורדון החזיר אותה לעברית המודרנית במשמעותה העכשווית.עפ"י המדען הצרפתי שרל-אוגוסטן דה קולון, מראשוני החוקרים את התופעה, הכוח החשמלי פועל בין שני גופים שלכל אחד מהם תכונה סגולית המכונה "מטען חשמלי". אם אחד הגופים חסר תכונה זו, הכוח אינו פועל עליו. ככל שמטענו של גוף גדול יותר, כן הוא מפעיל כוח גדול יותר. לפי חוק קולון, עוצמת הכוח פרופורציונית למטען של כל אחד מהגופים ותלויה במרחק שביניהם. ככל שנרחיק את הגופים זה מזה, ייחלש הכוח שביניהם לפי ריבוע המרחק (למשל: אם נרחיקם למרחק גדול פי 3 יחלש הכוח פי 9).

אפשר למיין את הגופים הטעונים לשתי קבוצות, ולייחס לכל אחת מהן מטען שסימנו מוגדר - חיובי או שלילי. מטענים שווי-סימן דוחים זה את זה; מטענים שוני-סימן מושכים זה את זה.

מטענו של גוף מורכב הוא סכום מטעניהם של מרכיביו. הניסיון מורה כי המטען הכולל של מערכת סגורה (שאינה קולטת או פולטת דבר) הוא קבוע: אם "נוצר" מטען חיובי, "נוצר" גם מטען שלילי. הואיל ומערכת סגורה אינה יכולה לאבד מטען, או ליצור מטען יש מאין, חל על המטען החשמלי חוק שימור. לאטום יש גרעין בעל מטען חיובי שסביבו נעים אלקטרונים בעלי מטען שלילי, ולכן יש משיכה חשמלית בין הגרעין והאלקטרונים שסביבו, אולם האטום השלם הוא נייטרלי מבחינה חשמלית. אם מוסיפים או גורעים אלקטרונים, מתקבל יון - אטום טעון. גם הכוחות המחזיקים את האטומים במערכות מורכבות יותר (מולקולות, גבישים) הם כוחות חשמליים. מכאן אפשר להסביר את תופעת "חשמול" הענבר: שפשוף המוט בפרווה מביא לכך שמטענים עוברים מזה לזה, ושני הגופים נעשים טעונים: באחד מהם עודף מטען חיובי, שנתקבל ממשנהו; השני נותר איפוא עם גרעון במטען חיובי, כלומר עודף מטען שלילי. בדרך זו אפשר להעניק לגופים רבים מטען חשמלי. אם המטען נעשה גדול מדי, הוא שואף להתפרק: הברק הוא תופעה של התפרקות חשמלית.

 

את כוח המשיכה או הדחייה בין מטענים מסבירים באמצעות מושג השדה: כל מטען חשמלי מתואר כמוקף בשדה, שהוא מרחב פעולתו של הכוח החשמלי. דרך נוחה לתיאור גרפי של שדה היא כנקודה שממנה יוצאים קווים לכל עבר; צפיפות הקווים היא אמת מידה לעוצמת השדה. התכונה המאפיינת את שדהו של מטען חשמלי היא הפוטנציאל, כמות העבודה שיש להשקיע כדי להביא מטען חשמלי חיובי המצוי מחוץ לשדה אל נקודה כלשהי בתוך השדה. הפוטנציאל של נקודה בשדה עולה ככל שהיא קרובה לנקודה שבה מצוי המטען. הפוטנציאל נמדד ביחידות וולט. רוב תופעות החשמל המוכרות לנו מחיי היומיום נוגעות לתנועות של מטענים, ובאלה עוסק הערך אלקטרודינמיקה.

 

תכונותיהם החשמליות של חומרים כוללות את מידת ההתנגדות למעבר זרם בהן, ואת היפוכה - המוליכות. בחומרים מסוימים, התוצא הפיאזו-חשמלי גורם להיווצרות הפרש פוטנציאלים בין שני צדדיו של גביש של החומר כאשר מופעל עליו לחץ מכני; הפרש הפוטנציאלים גורם לתנועת זרם. התוצא התרמו-חשמלי כולל למעשה שלושה תוצאים שונים של יחסי גומלין בין חשמל וחום: שינוי הטמפרטורה בנקודת המפגש בין שתי מתכות, כאשר עובר ביניהן זרם חשמלי; מעבר זרם חשמלי בין חומרים שונים ששרויים בטמפרטורות שונות; ושינוי בעוצמתו של זרם שעובר במוליך אחיד שקצותיו שרויים בטמפרטורות שונות. קרוב לזה התוצא התרמיוני - פליטת אלקטרונים מחומרים מסוימים עקב התחממותם. בדומה לכך, התוצא הפוטו-חשמלי הוא פליטת אלקטרונים מחומרים מסוימים עקב פגיעת פוטונים של אור בהם, או שינוי המוליכות של חומרים עקב פגיעת פוטונים. היפוכו הוא נהורנות חשמל - פליטת אור מחומר עקב מעבר זרם חשמלי בו (להבדיל מליבון, שהוא פליטת אור עקב חימום, בין שגורם החימום חשמלי או אחר). התוצא הביו-חשמלי עוסק בהופעותיו השונות של חשמל בתהליכי החיים, כמו למשל במערכת העצבים, וביצורים המחוללים מטען חשמלי לצרכים אחרים, כמו החשמלן והאלקטרופורוס. יש גם יצורים המסוגלים לחוש בנוכחותם של זרמים חשמליים, כגון כמה מיני כרישים.

 

האלקטרואופטיקה עוסקת בקשר בין תופעות חשמליות ואופטיות וביישומי החשמל לאופטיקה, והאלקטרוכימיה עוסקת בתכונותיהם החשמליות של חומרים בכלל, וביישומי החשמל לכימיה.

 

התועלת שהחשמל מביא לאדם גדולה במידה כזו שהאדם המודרני יתקשה לתאר לעצמו את חייו בלי חשמל, והיא מתוארת בערכים רבים מאוד באנציקלופדיה זו. בין היתר עוסקים בה הערכים השונים מתחום האלקטרוכימיה והאלקטרוניקה. יש לחשמל אפילו יישום רפואי ישיר (שנוי במחלוקת גדולה), הקרוי הלם חשמלי, מלבד יישומיו הרבים מספור לאבחון ולטיפול רפואיים. עם זאת, השימוש בחשמל גם כרוך בסכנות, כגון מכת חשמל. 

 

חשמל סטטי

חשמל סטטי הוא תופעה פיזיקלית הנוצרת מחוסר איזון בין המטענים החיוביים לשליליים בחומר. כתוצאה מכך, נוצר הפרש מתחים בין החומר הטעון לחומרים אחרים, המתפרק בצורת ניצוץ חשמלי.

חוסר איזון חשמלי כזה עלול להיגרם כתוצאה ממגע בין שני עצמים, בדרך כלל עצמים העשויים מחומרמבודד כגון צמר, גומי, פלסטיק או ספוג, הגורם למעבר אלקטרונים מפני השטח של עצם אחד לשני וגורם לעצם אחד להיות טעון בעודף מטען שלילי ולעצם השני להיות בעל עודף במטען חיובי. בניגוד לדעה עממית רווחת, אין צורך בחיכוך לצורך מעבר המטענים אלא די במגע. חיכוך אפקטיבי יותר משום שבמהלך תנועת חיכוך נוצר מגע וניתוק בין שני הגופים המתחככים מספר רב של פעמים.

בתנאי מזג אוויר יבש, המוליכות של האוויר קטנה וכך כמות רבה יותר של מטענים עלולה להצטבר. התופעה מוכרת בחיי היום יום בעיקר לאחר נסיעה במכונית בחורף, כאשר נגיעה בדלת המכונית לאחר נסיעה גורמת לפריקת המטען בצורת ניצוץ. הגורם ליצירת החשמל הסטטי הוא מעבר מטענים כתוצאה מהחיכוך בין מושב המכונית לבין הנוסע. חוסר האיזון במטענים בגוף הנוסע גורם להתפרקות בצורת ניצוץ ברגע שנוגעים במוליך מתכתי כדוגמת דלת המכונית.

ניצוצות חשמליים כתוצאה מהתפרקות מטען סטטי הם לרוב גורמים לאי נוחות בלבד, אבל במקרים מסוימים עלולים לגרום לנזק ממשי. לדוגמה, התקנים אלקטרוניים כגון שבבים עלולים להינזק כתוצאה מהתפרקות של חשמל סטטי דרכם, ולכן רצוי לגעת בחפץ מוארק על מנת לפרוק את המטען הסטטי בגוף, לפני שנוגעים ברכיבים אלקטרוניים או במעגלים מודפסים. סכנה אחרת היא יצירת דליקות בתחנות דלק. סכנות רבות אלה בחיי היום יום אילצו אנשים למצוא דרך כדי שהמטען הזה יתפרק ללא פגיעה בסביבה. למשל במכלית דלק ניצוץ של חשמל סטטי יכול להיות מאוד קטלני ולכן מובנת על המכלית שרשרת הארקה, אשר בעזרתה החשמל הסטטי נפרק ללא פגיעה במכלית.התפרקות מטען סטטי בקנה מידה גדול יותר היא הגורם לברק.