חגי קרקו - אוק' 3122 חגי קרקו אוקטובר 3122

Transcript

1 חגי קרקו אוקטובר 3122 ע מ ו ד 1

2 הקדמה. כל חומר מכיל חלקיקים חשמליים. המטען החיובי נמצא בפרוטון בגרעין האטום והמטען השלילי נמצא באלקטרון המסתובב סביב הגרעין. מאחר והמטען החיובי מנוטרל ע"י המטען השלילי, רוב החומרים הם במצב ניטראלי מבחינה חשמלית. זאת אחת הסיבות שקשה להבחין בנוכחות של חשמל. הסיבה השנייה נעוצה בעובדה שיש צורך במכשיר רגיש לנוכחות גוף טעון חשמלית. ובכן קיים מכשיר כזה, והוא נקרא טסטר חשמלי. מחירו זול )תוצרת סין(, ויש בו מגבר שהוא מאוד רגיש לסביבה חשמלית ונורה הנדלקת בנוכחות גוף טעון וזרם חשמלי קטן ביותר. ע מ ו ד 2

3 ע מ ו ד 3

4 רקע - הכוח החשמלי חגי קרקו - אוק' 3122 הכוח החשמלי הוא הכוח המקשר בין הפרוטון והאלקטרון והגורם ליצירת האטום, והוא גם המקשר בין אטום לאטום ליצירת מערכות מורכבות יותר )מולקולות(, הוא הכוח הקובע את צורתו של החומר, חוזקו ותכונות רבות נוספות שלו. הכוח החשמלי חוק קולון הכוח החשמלי הוא כוח בין שני מטענים חשמליים. מבדילים בין שני סוגים של מטענים חשמליים :חיוביים )ממסומנים ב+( ושליליים )מסומנים ב-(. מטענים חשמליים אלו מפעילים כוחות זה על זה: מטענים מאותו סוג )+ ו + או - ו -( דוחים זה את זה. מטענים מסוגים שונים )+ ו -( מושכים זה את זה. אנו נסמן מטעם חשמלי באות. q אם שני מטענים נמצאים במרחק R זה מזה q 1 q 2 R הכוח החשמלי ביניהם יהיה תלוי בגודל המטענים ובמרחק ביניהם, צורת הביטוי לכוח נתונה בחוק הנקרא חוק קולון q1 q k R F R [m] המרחק בין המטענים )מטר(. - q [C] המטען החשמלי )קולון(. 4 ע מ ו ד

5 . k [N] - F הכוח החשמלי )ניוטון( - K קבוע הכוח החשמלי, גודל שנמדד בניסוי 2 m N 2 C תובנות מחוק קולון 2 1. בין כל שני מטענים קיים כוח. 2. הכוח החשמלי תלוי בגודל המטענים ביחס ישר, ככל שהמטענים גדולים יותר הכוח הפועל יהיה גדול יותר. 3. הכוח החשמלי תלוי ביחס הפוך לריבוע המרחק. ע מ ו ד 5

6 היסטוריה הברק הקיים מראשית האנושות, נחקר ונתגלה רק בשנת 1441 על ידי בנג'מין פרנקלין בניסוי המפורסם שלו ללכידת ברק בעזרת עפיפון מוארק. ניסוי זה הביא להמצאת ה"כליא-ברק" בעזרת "מוט פרנקלין"- הקרוי על שמו. בשיטת זו נלכדת אנרגית הברק על ידי המוט המוארק והאנרגיה מובלת לאדמה. מאז גילויו של פרנקלין החלו לקשר בין ברקים לתופעות פריקה אלקטרו סטטית. חשמל סטטי חשמל סטטי )בניגוד לזרם חשמלי( הוא שם כללי למטענים חשמליים זורמים )הם סטטיים(. כיצד נוצר מטען אלקטרו סטטי כל חומר טבעי או מלאכותי מכיל בתוכו אלקטרונים שלילים או חיוביים. הקבועים במקום ואינם כאשר מקרבים שני חומרים שונים )לא חומרים מוליכים( קיים מעבר אלקטרונים )מטענים חיוביים ומטענים שליליים( בין החומרים. - ' ' - כאשר מרחיקים את שני החומרים זה מזה, אחד החומרים נשאר עם עודף מטענים שליליים )חומר א'( ואחד עם חוסר מטענים שליליים )חומר ב'( - ' ' - ע מ ו ד 6

7 המטענים החשמליים בכל אחד מהחומרים בקוטביות מנוגדת, כך נוצרת טעינה אלקטרו סטטית. חשמל סטטי נוצר כאשר משפשפים שני משטחים מבודדים חשמלית זה כנגד זה כמו למשל בלון ופיסת בד, או שפשוש פרווה כנגד מוט העשוי גומי כמתואר באיור הבא 2 אלקטרונים "נקרעים" ממשטח אחד ומועברים למשטח של החומר השני וכתוצאה מכך נוצר הפרש פוטנציאלים. כאשר המשטח הטעון באלקטרונים מצוי קרוב לגוף או אזור בו חסרים אלקטרונים )"טעון חיובי"( המשטח יפרוק את האלקטרונים אליו. לא קל "לאגור" חשמל סטטי מכיוון שהנטייה של האלקטרונים לנוע למקום בו המטען חיובי )חסרים אלקטרונים(. כמעט כל תווך יכול לספק לאלקטרונים את המסלול אפילו אוויר )כך בדיוק מתרחש ברק(. לכן כדי "לאגור" את האלקטרונים יש לבודד את הגוף הטעון אלקטרונים. חשמל סטטי נאגר אך ורק בחומרים מבודדים )נייר, אריזות קרטון ופלסטיק וכד'( פריקה אלקטרו סטטית לא תתרחש בין שני חומרים מוליכים הצמודים זה לזה, מאחר והמטענים הנוצרים ביניהם זורמים באופן שווה בין החומרים המוליכים ולא נוצרים מטענים עודפים בכל אחד מהחומרים. תופעות אלקטרוסטטיות מתרחשות בעיקר באקלים יבש )לחות קטנה מ- 50% (. ע מ ו ד 7

8 כאשר לשני חלקיקים טעונים חשמלית מטען חשמלי בעל סימן זהה )שניהם חיוביים או שניהם שליליים(, קיים ביניהם כוח דחייה חשמלי, ואילו כאשר המטענים בעלי סימנים מנוגדים )האחד שלילי והאחר חיובי(, קיים ביניהם כוח משיכה חשמלי. דוגמאות לשימוש בתופעת האלקטרוסטטית צביעה אלקטרוסטטית אלקטרודה מייננת, הממוקמת בדרך כלל בקצה אקדח הצבע, טוענת את חלקיקי הצבע באלקטרונים וגורמת להם להיות בעלי מטען שלילי חלקיקי הצבע הטעונים במטען שלילי והאובייקט הנצבע המוארק לאדמה יוצרים שדה אלקטרוסטטי המושך את חלקיקי הצבע אל האובייקט. השדה האלקטרוסטטי שנוצר משפיע על מסלולם של חלקיקי הצבע הטעונים שלילית מפני שהחלקיקים הטעונים שלילית נמשכים אל האובייקט הנצבע, לכן גם חלקיקי צבע שעפו אל מעבר לאובייקט יכולים להימשך ולהגיע אל האובייקט מהצד האחורי שלו בזכות השדה האלקטרוסטטי. בשיטה זו אתם מקבלים שכבת צבע אחידה ע מ ו ד 8

9 ע מ ו ד 9

10 פעילות - 2 כולנו מחושמלים ציוד; טסטר חשמלי, כל חפץ לקחת את הטסטר ולאחוז אותו בקצה המברג. לשפשף את הגוף הפלסטי על כל חפץ )למשל הראש שלנו, או לאורך הזרוע שלנו( והנורה תדלק. כמו כל פעולה עם הטסטר, רצוי לבצע בתנאי אפלה חלקית אבל זה לא הכרחי. כששני חומרים שונים באים במגע, גוף אחד רוצה להיפטר מהאלקטרונים שלו והגוף השני מוכן לקלוט אותם. כתוצאה מכך הגוף הראשון הופך לטעון חיובי והגוף השני הופך לשלילי. ע מ ו ד 10

11 פעילות - 3 איך מוכיחים שיש שני סוגים של מטענים ציוד; טסטר חשמלי, סרט דביק עם בסיס פלסטי )סלוטייפ(, מחולל ואן דה גרף. לקחת סרט דביק )סלוטייפ(, לחתוך לרצועות ולעשות קיפול קטן.להדביק 2 רצועות ביחד ולייצר מעין כריך עם דבק בין בסיס הפלסטי ודבק בצד החיצוני. ניתן להדביק רצועה אחת על גבי הלוח ואת השניה עליה, אין להדביק דבק לדבק, אלו חומרים זהים לכם לא יהיה מעבר מטענים ביניהם וחוץ מזה שלא ניתן יהיה להפריד בין הרצועות...( נעביר את הרצועה הכפולה בין האצבעות כדי לנטרל חשמלית את הרצועה. בדיקה עם הטסטר תראה לנו מתי זה קורה. להפריד בין הרצועות עם שימוש ב- 2 ידיים נפרדות. כעת לקרב את הרצועות המופרדות ורואים שיש משיכה בין הרצועות. לשים לב שככל המרחק מתקרב כוח המשיכה גדל. בדיקה עם הטסטר תראה שהנורה תידלק בקרבת הרצועות.להדביק בחזרה את הרצועות ביחד ולהראות עם הטסטר שהם במצב ניטראלי. בשלב הבא לייצר 2 רצועות מנוטרלות A ו- B. להפריד בין הרצועות ולהניח בקצה השולחן. עכשיו לקרב את המחולל ולבדוק איזה סרט טעון חיובית )נדחה( ואיזה סרט טעון במטען שלילי, נמשך למחולל. הסלוטייפ עשוי משני חומרים שונים. הבסיס עשוי מחומר פלסטי קשיח והדבק מחומר פלסטי רך. התחלנו עם מצב לא טעון, וכשהפרדנו את הרצועות קבלנו שני גופים טעונים שנמשכים זה לזה וכשמביאים אותם ביחד הם שוב במצב ניטראלי. לכן חייב להתקיים שני סוגים של מטענים שמושכים ומנטרלים אחד את השני. לאחד קוראים שלילי ולשני חיובי.אין שום משמעות לשמות חוץ מזה שכמו ש+ 1 ו -1 מתחברים לאפס גם המטענים מתנהגים באותו דרך. בהמשך מדענים נתנו לאלקטרון את המטען השלילי ולפרוטון את המטען החיובי אבל זה היה צעד שרירותי. בשלב הבא אנו לומדים שלקרב בין גופים טעונים במטען זהה, צריכים להתגבר על הכוח הדחייה בינם.את המשמעות שהכוחות בין המטענים תלויים במרחק נראה בהמשך הפעילויות. אנרגיה חשמלית נוצרת ע"י הפרדה בין מטענים הפוכים וקרבה בין מטענים זהים. את האנרגיה החשמלית אנו יכולים להמיר לאנרגיית תנועה, חום,אור או אנרגיה כימית ע"י החזרת המטענים למצבם הניטראלי בעזרת מכשירים שכולנו מכירים. ע מ ו ד 11

12 פעילות - 4 מחולל ואן דה גרף. ציוד; טסטר חשמלי, סרט דביק עם בסיס פלסטי )סלוטייפ(, מחולל ואן דה גרף. רקע דרך אחת ליצירת הפרשי פוטנציאלים ואגירתם בצורה "מלאכותית" היא מחולל ואן-דר-גרף. מחולל )גנראטור( ואן-דה-גרף הוא למעשה משאבת מטענים המפרידה בין מטענים חיוביים לשליליים. לקחת סרט דביק )סלוטייפ(, לחתוך לרצועות ולעשות קיפול קטן. להדביק 2 רצועות ביחד ולייצר מעין כריך עם דבק בין בסיס הפלסטי ודבק בצד החיצוני. יש להדביק רצועה אחת על גבי הלוח ואת השניה עליה, אין להדביק דבק לדבק, אלו חומרים זהים לכם לא יהיה מעבר מטענים ביניהם )וחוץ מזה שלא ניתן יהיה להפריד בין הרצועות...(. נעביר את הרצועה הכפולה בין האצבעות כדי לנטרל חשמלית את הרצועה. בדיקה עם הטסטר תראה לנו מתי זה קורה. להפריד בין הרצועות עם שימוש ב- 2 ידיים נפרדות. ולהדביק בקצה השולחן. עכשיו לקרב את המחולל ולבדוק איזה סרט טעון חיובית )נדחה( ואיזה סרט טעון במטען שלילי, נמשך למחולל. אנו רואים כי המחולל מייצר מטענים חיוביים ולכן אחת מהרצועות נמשכת והשנייה נדחית. ע מ ו ד 12

13 פעילות - 5 מחולל ואן דה גרף עם רסיסי קלקר בצלחת ציוד; צלחת חד פעמית, פתיתי קל קר, מחולל ואן דה גרף. מפזרים פתיתי קלקר על גבי צלחת הפלסטיק, מרימים אותה באורי ומעבירים מתחתיה הלוך ושוב את מחולל ואן דה גרף. פתיתי הקלקר מתחילים לקפץ מהצלחת ממש כמו פופ-קורן. בתחילה פתיתי הקלקר טעונים במטען חשמלי בלתי ידוע, כאשר מקרבים את המחולל מתחת לצלחת הפתיתים מתחילים להיטען במעטן חיובי עד אשר מתקיים כוח דחייה מספיק חזק שגורם לפתיתים לקפוץ מהצלחת. ע מ ו ד 13

14 פעילות - 6 משיכה בין שני גופים ציוד; בלון, טסטר, פיסות נייר. נפחו בלון עד שגודלו יהיה כגודל כף ידכם לערך, כעת קשרו את הבלון. יש להכין נייר גזור לחתיכות קטנות )ניתן להשתמש בעיגולי נייר ממחורר משרדי(. שפשפו את הבלון בעדינות על שיערכם, ודאו ששיערכם יבש ואינו שמנוני. )ללא ג'ל וכד'( קרבו את הבלון ךפיסות הנייר ובדקו מה קורה. הבלון נטעון במעטן חשמלי חיובי ימשוך אליו את פיסות הנייר והם ייצמדו אליו. גם במקרה זה ניתן לראות כי קיימים כוחות משיכה חשמליים בין שני גופים הטעונים במטענים חשמליים סטטיים מנוגדים. ע מ ו ד 14

15 פעילות - 7 יצירת אנרגיה חשמלית בשיטה האלקטרו סטטית- אלקטרופורוס ציוד; שקית פלסטי )מהסופרמרקט(,עיפרון עם מחק, נעץ, טסטר חשמלי, רדיד אלומיניום כשמשפשפים את שקית הפלסטית מקבלים גוף טעון. נפנוף הטסטר מעל השקית ידליק את הנורה.המטענים הנמצאים על השקית אינם ניתנים לשימוש כי החומר הפלסטי לא מאפשר תנועת מטענים. ניקח מלבן של רדיד אלומיניום בגודל של כ 15 ס"מ וננעץ בו במרכז את הנעץ אל תוך המחק של העיפרון. נוכל עכשיו בעזרת העיפרון להחזיק את הרדיד מעל השקית ובמגע אתו כשהרדיד מבודד. אם נגע ברדיד עם המברג ואת הראש של הטסטר עם האגודל של היד שום דבר לא יקרה. אבל עם נגע ברדיד עם הראש ואת המברג נחזיק באגודל נראה את הנורה נדלקת לזמן קצר. בהמשך נרחיק את הרדיד מהשקית בעזרת העיפרון ונדאג לכך שלא לייצור מגע עם הרדיד. נפנוף עם הטסטר ביד השנייה יראה שהרדיד הוא טעון. נקרב את הרדיד לשקית ונראה שהשקית נמשכת אל הרדיד. אם נגע ברדיד עם המברג ובאגודל של היד השנייה נחזיק בראש הטסטר נראה את הנורה נדלק שוב ובסוף התהליך, בדיקה עם הטסטר יראה שרדיד נשאר לא טעון. את התהליך הנ"ל אפשר לעשות אין ספור פעמים בלי שהשקית יאבד את מטענו. השקית טעון חיובית. אם נניח עליו את הרדיד המטענים השלילים ימשכו אל השקית והמטענים החיוביים יברחו מהשקית,הם יגיעו לקצה השני של הרדיד אבל הם לא יכולים לעזוב. נגיעה עם המברג של הטסטר אינו מאפשר את בריחת המטענים כי נורת הלד של הטסטר מאפשרת זרימת מטענים רק אם הראש מחובר לחיובי. לכן רק שאנו הופכים את הטסטר אנו מאפשרים את הזרימה של המטענים החיוביים אל הגוף שלנו ומהגוף שלנו אל האדמה. שכול המטענים החיוביים שהשקית הצליח להבריח נשאר לנו רק מטענים שלילים ברדיד. לאחר שמרחיקים את הרדיד מהשקית הטעון חיובית, אפשר לפרק את הרדיד ולהדליק את הנורה )הפעם עם המברג במגע עם המטען השלילי( הצלחנו להפוך את האנרגיה החשמלי שייצרנו ע"י הפרדת מטענים לאנרגיית אור. את המטען על הרדיד אפשר לטעון ולפרק אין ספור פעמים, כל עוד אנו משקיעים אנרגיה בהפרדת המטענים. שיטה זו של השראה על המטענים של חומר המוליך מטענים שקל לפרק אותם ( חומר הרדיד( ע"י חומר מבודד שקל להטעין אותו בלי שהמטען יברח ממנו, נקרא האלקטרופורוס. עד היום משתמשים בו ( מחולל ווימהרסט בצורה המודרנית( כדי לקבל מתחי חשמל גבוהים,כשאפשר להסתפק בזרמים מאוד קטנים. וולטה המציא את השיטה הזאת כמה שנים לפני שהוא המציא את הסוללה בשנת ע מ ו ד 15

16 ע מ ו ד 16

17 מוליכים ומבודדים באטומים מורכבים מתחלקים האלקטרונים לקליפות. בכל קליפה מרוחקים האלקטרונים במידה שווה מהגרעין. מכיוון שהאלקטרונים בעלי מטען שלילי הם נמשכים אל הגרעין החיובי ומקיפים אותו במסלולים קבועים, כך שקשה מאוד להוציא אותם ממסלולם. האלקטרונים הקשורים קשר הדוק לאטום נקראים אלקטרוני מסלול. למרות זאת, בקליפה החיצונית מצויים אלקטרונים אשר הקשר שלהם לגרעין רופף והם חופשיים לנוע מאטום לאטום. אלקטרונים אלו נקראים אלקטרונים חופשיים. מספר האלקטרונים החופשיים שונה בכל יסוד, ותלוי בתכונות של אותו יסוד. באופן רגיל, מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים, ונוצר שוויון בין סכום מטעני האלקטרונים למטען הגרעין. לכן, האטום מאוזן, וחסר מטען כלפי הסביבה החיצונית. במקרה שאלקטרון חופשי אחד, מסיבה זו או אחרת, עוזב את האטום האטום הופך להיות לא מאוזן ובעל מטען חיובי. אטום זה ימשוך אליו אלקטרון חופשי מאטום הסמוך אליו, וכך הלאה בין כל שאר האטומים. כך נוצרת תנועה של אלקטרונים חופשיים אך בצורה בלתי מסודרת. חומר שבו מספר גדול של אלקטרונים חופשיים נקרא מוליך. למשל 2 כסף, נחושת, ברזל. חומר שבו מספר מועט של אלקטרונים חופשיים, או אין בכלל, נקרא מבודד למשל 2 עץ, פלסטיק, גומי. כאשר נוצר מגע בין גוף טעון לגוף ניטרלי מבחינה חשמלית בעזרת מתכת מוליכה, מטענים מהגוף הטעון עוברים לגוף שאינו טעון וכך נוצר שיווי משקל חשמלי בשני הגופים (b). כאשר נוצר מגע בין גוף טעון לגוף ניטרלי מבחינה חשמלית בעזרת עץ מבודד לא יתבצע מעבר מטענים מהגוף הטעון לגוף הניטרלי. (c). חומר מוליך חשמל הוא חומר שעובר בו זרם חשמלי. חומר מוליך סוגר מעגל חשמלי. חומר מבודד הוא חומר שלא עובר בו זרם חשמלי. חומר מבודד אינו סוגר מעגל חשמלי. אם נצליח להביא לכך שהאלקטרונים החופשיים יזרמו בתנועה מכוונת ומסודרת לאורכו ששל תיל העשוי מחומר מוליך, נגרום לכך שלאורך התיל יזרום זרם חשמלי. ע מ ו ד 17

18 פעילות - 8 חומרים מולכים פחות ויותר. ציוד; טסטר חשמלי, אוסף של כל מיני חומרים, כוס מים. לטסטר יש רגישות גבוהה לזרמים קטנים ביותר ולכן הוא מכשיר אידיאלי להבדיל בין חומר מוליך ללא מוליך. מחברים את אצבע היד השמאלית לקצה עם המברג ואצבע יד ימנית לראש הטסטר. הנורה נדלקת ( אם לא, הטסטר לא תקין(. טובלים את אצבע יד שמאלית בתוך כוס מים ואת היד הימנית על ראש הטסטר וטובלים את המברג בתוך המים. הנורה נדלקת. אפשר לבדוק מגוון רחב של חומרים )כגון מתכת\ חומרים פלסטיים ועוד( עם הטסטר ולבדוק אם החומרים מוליכים או לא. מים מוליכים חשמל, כי המלחים שמתמוססים בהם הופכים לגופים טעונים )יונים( שמוליכים חשמל. מאחר ואנו עשויים מ- 40% מים, גם אנחנו מוליכים חשמל.) טוב שכך כי אנחנו מתפקדים ע"י העברת אותות חשמליים בגוף(. רוב כללי הבטיחות בחשמל מתבססים על עובדה פשוטה זאת. אבל כדאי להזכיר שביחס לשימוש באנרגיות אחרות אנרגיה חשמלית היא מאוד בטוחה אם נוקטים בצעדי בטיחות מינימאליות. מתכות מוליכות חשמל בצורה טובה מאוד, כי יש להם כמות אלקטרונים שלא מחויבים להיות שייכים לאטום מסוים ולכן האלקטרונים נקראים חופשיים )הם אינם חופשיים באמת, כי הם אסירים בתוך גוף המתכת(. יותר מזה, אלקטרונים הם בסדרי גודל יותר קלים מיונים ולכן הם זורמים יותר בקלות. לעומת זאת,בחומרים פלסטיים, רוב החומרים האורגניים ללא מים וחומרים קראמיים, כל עוד האלקטרונים או היונים שלהם תפוסים במקום, הם מוליכים גרועים אם בכלל. ע מ ו ד 18

19 o o o מוליכות חשמלית והתנגדות חשמלית יכולת המעבר של אלקטרונים בחומר שונה מחומר לחומר ומתוארת על ידי תכונה המכונה מוליכות ו/או התנגדות )משתמשים במונחים שונים לתיאור המצב ההפוך של אותה תכונה(. מוליכות חשמלית מתייחסת ליכולת של האלקטרונים לעבור בחומר. מוליכות גבוהה יותר משמעותה היא שהאלקטרונים יכולים לעבור בחומר יותר בקלות, ולכן עוצמת הזרם במעגל החשמלי גדולה יותר. התנגדות חשמלית מתייחסת להתנגדות החומר למעבר אלקטרונים במוליך בכל שנייה. במוליכים בעלי התנגדות קטנה מספר האלקטרונים העוברים בשנייה גדול יותר ולכן גם עוצמת הזרם החשמלי גדולה יותר לעומת מוליכים בעלי התנגדות גדולה. המוליכות של חומר גבוהה כאשר התנגדותו קטנה ולהיפך. מידת ההתנגדות של תיל מוליך למעבר אלקטרונים דרכו מושפעת ממספר גורמים 2 סוג החומר שממנו עשוי התיל המוליך )מתבטא בהתנגדות סגולית( אורך התיל המוליך שטח החתך של התיל המוליך מתארים את הקשר בין הגורמים המשפיעים על התנגדות תיל מוליך בנוסחה 2 R l A כאשר ρ היא ההתנגדות הסגולית של החומר, l הוא אורך התיל ו- A הוא שטח החתך שלו. ע מ ו ד 19

20 פעילות - 9 חיבור נגדים בטור-איך אורך הנגד משפיע על הזרם. ציוד; טסטר חשמלי, סוכריות רצועה שטוחות)חמצוצים(. מוסיפים למעגל החשמלי רצועת סוכרייה )"חמצוצים"( כשבקצה הימני מניחים את המברג, והאצבע הימנית אוחזת בראש הטסטר והאצבע השמאלית בקצה השני של הרצועה. הנורה תדלק כי הסוכרייה מכילה מים. כשמקרבים את האצבע השמאלית לכוון המברג עוצמת האור גדלה ונחלשת כשהאצבע מתרחק. הרצועה היא דגם לנגד במעגל חשמלי. הרצועה מוליכה חשמל כי יש בתוכה מים. התפקיד המרכזי של נגד הוא לשלוט על כמות הזרם במעגל בלי לשנות את מתח המעגל. בפעולה זאת אנו רואים בבירור שככל שאורך הנגד יותר גדול אז ההתנגדות של המעגל גדלה, כי האור הולך ונחלש ולכן הזרם החשמלי הולך וקטן במעגל. כשמחברים נגדים בטור במעגל האורך של הנגדים גדל ולכן ההתנגדות גדלה. נגד שאורכו משתנה והוא מחובר בטור נקרא ראוסטט. ע מ ו ד 20

21 פעילות : - איך משפיע עובי הנגד על התנגדותו החשמלי - חמצוץ ציוד; טסטר חשמלי, חמצוץ. מחלקים את החמצוץ לשלושה חלקים שווים, עורמים את החלקים האחד על השני. מחברים את הטסטר בקצה הערמה ונוגעים עם האצבע בקצה השני. לאחר מכן מסירים חתיכת חמצוץ )עכשיו יש שתי שכבות חמצוץ( ושוב נוגעים עם האצבע בקצה השני, נין לראות כי האור נחלש. מסירים שכבה שניה וחוזרים על הבדיקה. ניתן לראות שככל שנסיר שכבות חמצוץ עוצמת האור הולכת ונחלשת, האור הכי חזק כאשר שלושת שכבות החמצוץ מוליכות זרם, והאור מאיר הכי חלש כאשר יש שכבת חמצוץ אחת. ככל שמספר שכבות החמצוץ גדול יותר,עובי המוליך גדול יותר )הוא בעל שטח חתך יותר גדול(. ככל שהשטח חתך יותר גדול המוליך מכיל יותר מטענים ולכן הזרם החשמלי גדל. אם הזרם החשמלי גדל אז ההתנגדות החשמלית קטנה. ע מ ו ד 21

22 פעילות - 21 איך משפיע עובי הנגד על התנגדותו החשמלי - דבש ציוד; טסטר חשמלי, מיכל קטן, דבש שקוף. שמים דבש נוזלי במיכל קטן. טובלים עם האצבע השמאלית בקצה השמאלית של המיכל ובקצה הימנית של המיכל טובלים את המברג. אוחזים באצבע הימנית על ראש הטסטר. הנורה תדלק כי בדבש יש כמות מים לא מבוטלת. מרימים את האצבע השמאלית מעל המיכל ומחזיקים אותה בגובה קבוע. עם הזמן הסיב של הדבש הולך ונהיה יותר דק, ועוצמת האור נחלשת עד שהוא נכבה ברגע שיש נתק של הסיב מהמיכל. ככל שקוטר הסיב גדול יותר הוא בעל שטח חתך יותר גדול. ככל שהשטח חתך יותר גדול הסיב מכיל יותר מטענים )יונים במקרה שלנו( ולכן הזרם החשמלי גדל. אם הזרם החשמלי גדל אז ההתנגדות החשמלית קטנה. הסיב מהדבש הוא דגם לכל נגד אמיתי. יש אפשרות לשלוט על ההתנגדות של הנגד ע"י שליטה בקוטרו. ע מ ו ד 22

23 פעילות 22- חיבור נגדים במקביל. ציוד; טסטר חשמלי, סוכריות רצועה שטוחות )חמצוצים( חותכים רצועה אחד של הסוכרייה לשלושה חלקים. מחברים ביחד את הקצה הימני ואת הקצה השמאלי מפזרים כמניפה. כשהאצבע הימנית אוחזת בראש הטסטר, נועצים את המברג בקצה הימני ועם האצבעות ביד השמאלי נוגעים בזה אחר זה בקצה השמאלי של הרצועה העליונה והרצועה האמצעית ובסוף את הרצועה התחתונה. רואים שעוצמת האור גדלה עם מספר הרצועות. חיבור הנגדים שנעשה כאן נקרא חיבור מקבילי. ככל שמוסיפים יותר נגדים במקביל בעצם מגדילים את עובי הנגדים. ראינו מה המשמעות של צעד זה. חיבור מכשירי החשמל בבית נעשה בצורה מקבילית. חיבור זה מאפשר הפעלת כל מכשיר בנפרד בלי שניתוק או חיבור מכשיר אחד יפריע לשני. ככל שנשתמש ביותר מכשירים דרישת כמות הזרם תלך ותגדל. מאחר וכמות הזרם שמערכת חוטי החשמל יכולה לשאת מוגבלת, יש גם הגבלה של מכשירים שאפשר להשתמש בהם. זאת בניגוד מוחלט לחיבור טורי) פעילות 10#( שבו ניתוק מכשיר אחד מנתק את כל המכשירים והוספת כל מכשיר תקטין את הזרם. ע מ ו ד 23

24 פעילות 23- השפעת החומר על ההתנגדות ציוד; דבק נייר בצורת שפתון, טסטר חשמלי, דף נייר, עפרון, דף נייר שמים פס של דבק נייר )דבק שנמצא במיכל בצורת שפתון( באורך של כמה סנטימטרים על דף נייר. מניחים את האצבע השמאלית על הקצה השמאלי של הפס ואת המברג על הקצה הימני כשהאצבע הימני על ראש הטסטר. הנורה נדלקת כי יש מים בדבק. עם הזמן המים מתאדים ועוצמת האור קטנה. לאחר זמן שתלוי בלחות הסביבה הנורה לא תדלק כלל. עפרון העיפרון מורכב ממוט גרפיט, אשר לרוב מצופה בעץ. נוגעים בעפרון עם הטסטר ורואים כי הוא אינו מוליך. מציירים קווים עבים ונוגעים עם הטסטר בקצה אחד ועם היד השניה בקצה השני ורואים כי החומר גרפיט )ממשפחת הפחמניים( הינו חומר מוליך. הסעת האצבע לאורכו של הקו המצויר תדגים גם כאן את הקשר בין אורך המוליך להתנגדותו. המים הם שגורמים למוליכות ולכן ככל שכמות המים קטנה הזרם קטן וההתנגדות של החומר גדל. הזו בא להדגים שהחומר משחק תפקיד חשוב במוליכות של נגד. לכל חומר יש מקדם התנגדות המאפיין אותו)התנגדות סגולית(.לרוב המוליכים מקדם ההתנגדות גדלה עם הטמפרטורה אם כי יש מוליכים שהתנגדותם קטנה או לא מושפעת בכלל מעליית הטמפרטורה. פעולה באינטרנט 2 חיפשו ערכים של התנגדות סגולית של מתכות נפוצות כגון זהב, כסף, נחושת, אלומיניום. השווה יתרונות וחסרונות. ע מ ו ד 24

25 ע מ ו ד 25

26 מגנטיות חגי קרקו - אוק' 3122 המגנטיות התגלתה )לא הומצאה, מכיוון שהיא קיימת בטבע( ע"י היוונים הקדמונים. הם מצאו מחצב שמשך ברזל ליד עיר בשם "מגנסיה" )Magnesia( ולכן קראו למחצב "מגנס". שבבי ברזל מסתדרים על פי קווי הכוח של השדה המגנטי של מגנט. שדה מגנטי נוצר על ידי מטענים חשמליים המצויים בתנועה )זרם חשמלי- תנועה של חלקיקים חופשיים נושאי מטען חשמלי לאורך המוליך(. לשדה המגנטי גודל וכיוון, כיוון השדה הוא בניצב לכיוון תנועת המטענים. אטום מורכב מאלקטרונים, פרוטונים ונויטרונים. האלקטרונים )בעלי מטען חשמלי שלילי( סובבים סביב עצמם )מכונה "ספין", )spin ויוצרים שדה מגנטי זעיר. כיוון הסיבוב משפיע על כיוון השדה, שדות מנוגדים ימשכו זה לזה ושדות זהים ידחו זה את זה. יש יסודות שבהם האטומים ניטראליים מבחינה מגנטית )כי סך כל השדות בטלו אחד את השני( ולכן לא יושפעו מהימצאות מגנט לידם )אדישים(. לעומתם, חומרים כמו ברזל הם בעלי מומנט מגנטי, כאשר נקרב עליהם מגנט המומנטים יסתדרו עם כיוון השדה המגנטי וימשכו אליו )מכאן המשיכה). ע מ ו ד 26

27 המגנט המוכר לנו מוגדר כגוף בעל שדה מגנטי 3 זהו חומר פרומגנטי )כמו ברזל או ניקל( שעבר תהליך בו השדה המגנטי של כל אטום בחומר מצביע לאותו כיוון. מגנט הוא למעשה כל גוף בעל שדה מגנטי. מגנט תמידי הוא גוף העשוי חומר פרומגנטי שעבר מגנוט, כמו ניקל או ברזל. בתהליך, האטומים שמהם מורכב החומר מסודרים כך שהשדות המגנטיים שיוצר כל אטום בנפרד, יצביעו באותו הכיוון. כל אחד מהאטומים המרכיבים את החומר, הוא למעשה לולאת זרם היוצרת סביבה שדה מגנטי. השדה המגנטי של המגנט כולו הוא סופרפוזיציה )סכום( של השדות הנ"ל. לסוג החומר יש השפעה על עוצמת השדה. קווי השטף המגנטי יוצרים תמיד מעגל סגור, הינם סימטריים ביחס לקטבים ואינם מצלבים אחד בשני. ניתן גם להבחין כי צפיפות הקווים הגדולה ביותר הינה בקטבים. זרימת השטף המגנטי מחוץ למגנט היא מצפון לדרום, ובתוך המגנט מדרום לצפון. ע מ ו ד 27

28 אלקטרומגנט אלקטרומגנט הוא סוג של מגנט שבו השדה המגנטי מופק באמצעות זרם חשמלי המועבר מסביב לליבת מתכת, ובו השדה המגנטי 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 3 החיסרון הוא שנדרש זרם חשמלי כדי לקיים את השדה המגנטי. ע מ ו ד 28

29 פעילות 24- השפעת אלקטרומגנט על מגנט )מצפן( ציוד; כוס עם מים, אטב משרדי, חוט, סוללה, נייר טישו. ממלאים את הכלי במים, מניחים פיסת נייר טישו ועליה מניחים את האטב המשרדי פרוס. לפני כן יש למגנט את האטב המשרדי ע"י העברת מגנט חזק לאורכו בכיוון אחד. כאשר נייר הטישו שוקע והאטב נשאר לצוף מחברים את החוט לשתי קצוות הסוללה ומקרבים אותו לכוס בו נמצא האטב המשרדי, האטב המשרדי ישנה את כיוונו בהתאם למיקום החוט בו זורם הזרם שהופך אותו לאלקטרומגנט. השדה המגנטי הוא פונקציה של המרחק. תיל נושא זרם מפתח סביבו שדה אלקטרו מגנטי. ע מ ו ד 29

30 חוק לורנץ תופעה זו היא הדגמה פשוטה של כוח לורנץ. כוח לורנץ הוא הכוח הפועל על מטען חשמלי עקב נוכחותם של שדה חשמלי ושדה מגנטי. ההתקן לעיל נקרא מנוע 'הומופולרי'. כאשר אנו נוגעים במגנט בעזרת התיל החשמלי, אנו סוגרים מעגל חשמלי. זרם זורם מחוץ לסוללה, למטה אל הבורג, עובר מן הצד דרך המגנט, ומהתיל בחזרה לקוטב השני של הסוללה. השדה המגנטי הנוצר מהמגנט מכוון כלפי הפנים השטוח שלו, ועל כן הוא מקביל לציר הסימטריה של המגנט )המגנט בהתקן זה הינו דסקה עגולה(. זרם חשמלי זורם דרך המגנט )בממוצע( בכיוון ממרכז המגנט לקצה המגנט, כלומר הוא זורם בכיוון הרדיאלי, מאונך לציר הסימטריה של המגנט. מבט מוגדל של דסקת המגנט 2 קווי השדה המגנטי, בצבע כחול, מאונכים למגנט )מקבילים לציר הסימטריה שלו(. השדה המגנטי שמעל המגנט מצביע כלפי מעלה. כמו בתמונה הקודמת, כיוון הזרם מסומן בעזרת החצים הסגולים. שימו לב לחץ האופקי של הזרם 2 המטענים החשמליים הנעים דרך המגנט מרגישים כוח לורנץ שעוצמתו נקבעת על ידי הזווית שבין כיוון השדה המגנטי וכיוון זרימת הזרם. הכוח הינו חזק יותר אם הזווית ביניהם היא 10 מעלות. כיוון הכוח הינו מאונך לשני כיוונים אלו. עבור הזרם שזורם בבורג ובתיל, הכוחות הם מינימליים משום שכיוון הזרם הינו מקביל לשדה המגנטי. אולם, יש כוח ניכר על המטענים החשמליים אשר זורמים אופקית דרך המגנט, ב 10 מעלות לכיוון המאונך של אוריינטציית השדה המגנטי. על כן, כוח, חץ ירוק באיור, נוצר בכיוון השלישי אשר גורם לסיבוב המגנט. ע מ ו ד 30

31 פעילות 25- איך הופכים אנרגיה חשמלית לאנרגיית תנועה-מנוע יבש ציוד; סוללה 2.6 וולט, מגנט כפתור ניאודימיום, בורג מברזל, תייל מוליך רב-גידי גלוי בקצוות. מחברים כפתור מגנטי ניאודימיום לראש של בורג עשוי ברזל. את נקודת החוד של הבורג מחברים לבסיס של סוללת אצבע )1.5 ואלט(.) הבורג נצמד ע"י כוחות מגנטיים.( מחזיקים את מערכת הסוללה, הבורג והמגנט בצורה אנכית ומחברים את הקוטב החיובי עם המגנט ע"י תיל מנחושת רב-גידי.)יש לגלות את הגידים ע"י הסרת הציפוי הפלסטי.( המגנט עם הבורג יסתובבו במהירות גבוהה. זרם חשמלי שנע בניצב לשדה מגנטי גורם לכוח שיופעל על המטענים שבמקרה שלנו גורם לתנועה סיבובית. בפעילות זאת הזרם זורם במישור של ראש הבורג והשדה המגנטי הוא בכוון ציר הבורג. שינוי כוון הזרם או השדה המגנטי)הפיכת הכפתור( ישנה את כוון הסיבוב )תנסו(. בפעילות זו בנינו מנוע הכי פשוט. כל מנוע חשמלי הנמצא באין ספור מכשירים עובד על פי אותו עיקרון. ע מ ו ד 31

32 פעילות - 26 איך הופכים אנרגיה חשמלית לאנרגיית תנועה-מנוע רטוב ציוד; סוללה : ווולט, מיכל קטן, מים,מלח, פלפל, תיליים עם ראש תנין, רדיד אלומיניום. ממלאים את המיכל במים, מוסיפים מלח ומערבבים היטב. מניחים כפתור מגנטי ניאודימיום באמצע הכוס כשגובה פני המים קצת מעל המגנט. מחברים קצה אחד של תיל מוליך מנחושת או מאלומיניום לאחד ההדקים של סוללת 1 וולט ומחזיקים את הקצה השני מעל מרכז המגנט כשתופסים פיסת רדיד מגולגל עם התנין. מחברים את הקצה של תיל שני להדק האחר של הסוללה והקצה השני עם פיסת רדיד במרחק מה ממרכז המגנט במים. המים יתחילו להסתובב. )אם לא מבחינים בסיבוב יש להוסיף אבקת פלפל שחור למים ואז הסיבוב בולט יותר.( בפעילות זו הזרם של היונים של המלח, נעים במישור המים המלוחים והשדה המגנטי בניצב למישור פני המים. הכוח הסיבובי שמופעל על היונים עובר אל המים. שוב, שנוי בכוון הזרם ( החלפת התליים ) או החלפת כוון השדה המגנטי )כוון הכפתור( ישנה את כוון הסיבוב. ע מ ו ד 32

33 פעילות 27 -התנהגות המיוחדת של דיודה ציוד; נורת דיודה, טסטר חשמלי לנורת לד יש שתי רגליים, אחת ארוכה ואחת קצרה. מחברים את הרגל הקצרה למברג של טסטר ואת הרגל הארוכה אוחזים ביד השמאלית ונוגעים עם היד הימנית לראש הטסטר. נורת הטסטר תדלק. אם מחברים את הרגל הארוכה למברג ואת הקצרה לאצבע הימנית אז הנורה לא תדלק. נורת לד מעבירה זרם רק בכוון אחד. הרגל הארוכה חייבת להתחבר להדק החיובי ורגל קצר לשליל. במקרה ההפוך הלד לא מוליך חשמל. רק נורת הלד בתוך הטסטר נדלקת במקרה הראשון כי שם יש מגבר חשמלי, נורת הלד החיצונית לא נדלקת כי הזרם שעובר דרכה קטן מדי. מה שאנו רואים כאן שבכוון אחד של הזרם יש מוליכות חשמלית ובכוון ההפוך אין מוליכות. כבר נאמר למעלה שלחומרים האלו אנו קוראים חצאי-מוליכים והם הבסיס לתעשיית האלקטרוניקה. פעילות 28- איך המתח של הסוללה משפיע על זרם חשמלי. ציוד; סוללת אצבע 2.6 וולט, טסטר חשמלי. מחברים לקצה של המברג של הטסטר את החלק החיובי של סוללת 1.5 ואלט )החלק הבולט( ומחזיקים את האצבע השמאלית על החלק השלילי )הבסיס( כשהאצבע הימנית במגע עם הראש של הטסטר. הנורה תדלק בעוצמה יותר חזקה מאשר במעגל ללא הסוללה. אם הופכים את הקוטביות של הסוללה אז הנורה יותר חלשה מאשר ללא סוללה. כשמחברים את הטסטר לגוף שלנו במעגל חשמלי,ערך מתח הסוללות הפנימיות הם 3 וולט. כשמחברים את הסוללה החיצונית בצורה הנכונה ( + ל - ) אז כמות המתח עולה ל 4.5 וולט ובהתאם גם עוצמת האור ולכן גם הזרם במעגל. כשמחברים את הסוללה החיצונית בצורה הפוכה, ערך המתח יורד ל 1.5 וולט ובהתאם זרם במעגל. מסקנה 2 אם משאירים את שאר התנאים קבועים, ככל שהמתח במעגל גדל גם הזרם גדל. ע מ ו ד 33