חשמל

ניצוצות כתוצאה מקצר חשמלי

חשמל הוא קבוצה של תופעות פיזיקליות הקשורות לנוכחות ולתנועה של מטען חשמלי. נוכחות של מטען חשמלי, אשר יכול להיות חיובי או שלילי, מייצרת שדה חשמלי. כל חלקיק טעון חשמלית יכול לגרום לתופעות חשמליות, אך בטבע רוב התופעות החשמליות נובעות מהמטען החשמלי של אלקטרונים ופרוטונים בלבד.

התנועה של מטענים חשמליים היא זרם חשמלי ומייצרת שדה מגנטי. תופעות החשמל והמגנטיות קשורות זו בזו, ויחדיו נחשבות לכוח יסודי בטבע, כלומר כוח שלא ניתן לתאר אותו כתוצאה של כוחות אחרים, וקרוי הכוח האלקטרומגנטי.

תופעות טבע רבות קשורות בחשמל, כגון ברקים, חשמל סטטי, ועוד. התכונות הבסיסיות של החשמל הפכו אותו להיות צורת האנרגיה הזמינה ביותר לשימוש כיום. התפתח סביבו משק חשמל, נוצרו מכשירים חשמליים רבים, לצרכים ביתיים ותעשייתיים, התפתח ממנו תחום הנדסת החשמל עבור מערכות מורכבות כמו שבבים ורשתות תקשורת, והוא הבסיס החומרתי למחשב על כל שימושיו המודרניים. ברוב העולם חשמל נחשב מוצר צריכה בסיסי.

לחומרים שונים תכונות חשמליות שונות, בשל אופן חלוקת ופיזור האלקטרונים בתוכם. ישנם חומרים, מתכות בעיקר, המכילים אלקטרונים חופשיים – אלקטרונים שאינם בקשר הדוק לאטומים – שמאפשרים תנועה של האלקטרונים בתוכם, תופעה הקרויה זרם חשמלי. חומרים כאלו מכונים מוליכים, על שם יכולתם להוליך חשמל.

חומרים אחרים ניחנים ביכולת לצבור עודף או חוסר של אלקטרונים, אך מגלים התנגדות לזרימה חופשית של אלקטרונים, והם קרויים חומרים מבודדים. כך ניתן לראות בחוטי החשמל בבתים חומר מוליך – על פי רוב נחושת – העטוף בפלסטיק מבודד, על מנת למנוע זליגה מסוכנת של אלקטרונים מהחוט.

במצבו הבסיסי אטום מאוזן בין מטען חיובי לשלילי, אך בחומרים מבודדים ניתן להחסיר או להוסיף אלקטרונים. בשני המקרים נבנה עודף של מטען, שלילי בהוספת אלקטרונים, וחיובי בהסרתם. בשל כוחות הדחייה והמשיכה, עודף זה שואף למצב של איזון: אם נצמיד חומר המכיל עודף לחומר בו קיים חוסר ינועו האלקטרונים מהעודף לחוסר, כלומר ייווצר זרם חשמל. גם אם נחבר חומר מוליך בין עודף לחוסר תיווצר תנועה זו. כך מתחולל זרם חשמלי במוליך.

את שני סוגי המטען החשמלי מסמנים למשל על סוללות, שבקצה אחד יש כמות גדולה יותר של אלקטרונים והוא מסומן במינוס (-) והקצה הנגדי, בו ישנו מספר קטן יותר של אלקטרונים מסומן בפלוס (+). מטענם של האלקטרונים מוגדר כשלילי, ובלב גרעין האטום קיימים פרוטונים, שמטענם מוגדר כחיובי. להבדיל מהאלקטרונים, בלב האטום פועל כוח נוסף, הכוח החזק, שכובל את גרעין האטום ומונע לרוב מהפרוטונים לנוע כמו האלקטרונים.

היסטוריה

טרם המהפכה המדעית

כבר מימי קדם זיהו בטבע תופעות שונות של חשמל ושל מגנטיות, אך הקשר בין חשמל ומגנטיות לא היה ידוע, מושג המטען החשמלי טרם הוכר וכלל לא הובנה המשמעות המקיפה של האינטראקציה בין המטענים.

כוחות המשיכה והדחייה של החשמל מוכרים כבר מימי קדם ואף ייתכן שהפרתים או אולי הסאסאנים ייצרו מעיין סוללות פרימיטיביות – התגלו שרידים של כדים המכילים מוטות ברזל ונחושת שהופרדו בזפת, שהיא חומר מבודד. כל שנדרש להפוך כדים אלה לסוללה הוא נוזל כגון מיץ לימון, ובניסוי הוכח שעוצמת כמה סוללות פרימיטיביות כאלו המחוברות יחדיו די בה לגרום לשוק חשמלי מורגש היטב. ייתכן שהשימוש בהן היה למטרת הפגנת מעין כוח קסם, אך קיימות תאוריות אחרות שמדובר בכדים לאחסון טקסטים קדושים. אם אכן היה מדובר בסוללות, תגלית זו נשכחה ואבדה.

לעומת זאת תועד היטב שליוונים הקדמונים היה ידוע שלאחר שפשוף נמרץ למשך כחצי דקה של ענבר עם פרווה פיסות הענבר יידחו זו מזו, אך תידבקנה לפרווה. התופעה מובנת כיום כמשיכה של הענבר שממנו נקרעו אלקטרונים בשל השפשוף אל פרווה בה הצטברו אלקטרונים בתהליך השפשוף, ומנגד דחייה בין פיסות הענבר שמטענן הכולל חיובי בשל קריעת האלקטרונים.

עד המאה ה-17 זוהו חומרים רבים נוספים ששפשוף ביניהם גורם לכוחות כאלו, וניתן היה לסדר את החומרים במדרג מסודר לפי מידת כוח הדחייה שייווצר בשפשוף פיסות החומר מול חומר הממוקם רחוק מהם באותו מידרג. רשימת החומרים הלכה והתרחבה וכללה למשל זכוכית, גופרית ואפילו מוצק שייצרו מחלב.

מהמהפכה המדעית ועד ימינו

במאה ה-18 חקר תופעת החשמל צבר תאוצה. התגלה שאם לוקחים חומרים רחוקים מאוד ביניהם במדרג ומשפשפים אותם בחומר שנמצא בלב המדרג ייווצר ניצוץ כשמקרבים אותם אחד לשני. עקב תגליות אלה בנג'מין פרנקלין תיאר את החשמל כמעין נוזל בלתי נראה שממלא גופים, כך שאם בגוף מסוים יש עודף של הנוזל החשמלי הוא טעון במטען חיובי ואם יש בו מחסור בנוזל החשמלי הוא טעון בסימן שלילי. פרנקלין קבע כי בשפשוף זכוכית בפרווה, אותו "נוזל חשמלי" עובר מהפרווה לזכוכית ולכן היא נטענת במטען חיובי. הוא הגיע למסקנה שהכוחות החשמליים גדלים ככל שהגופים טעונים יותר וכן ככל שהגופים קרובים זה לזה, וכך התגלתה תכונה יסודית נוספת של הכוח החשמלי – הוא פועל ביחס הפוך למרחק.

פרנקלין המשיך בניסוייו, ונטל על עצמו סיכון גדול בבואו להוכיח שהברק הוא התגלמות רבת עוצמה של ניצוץ חשמלי. הוא העיף עפיפון הקשור בחוט מתכת בעיצומה של סופת ברקים, ושמח לגלות שאכן קיבל מכת חשמל בעת שהבריק ברק, וכך הוכיח את ההשערה שלו.

בתחילת המאה ה-19, במהלך הרצאה שגרתית על חשמל באוניברסיטה, שם לב הנס כריסטיאן ארסטד כי בעת שמנתקים ומחברים זרם חשמל ליד מצפן מחט המצפן סוטה לרגע. בכך התגלה שיש קשר הדוק בין תופעת החשמל ותופעת המגנטיות. מאוחר יותר ניסח הפיזיקאי הדגול מקסוול מערכת של ארבע משוואות, שתיארה במדויק כיצד הכוח החשמלי והמגנטי שלובים זה בזה ולמעשה מדובר בכוח יחיד.

בתקופה זו גם התגלה בניסויים שמעין קרן אור בצבע מוזר נוצרת בשפופרת זכוכית ריקה מאוויר, שבקצותיה היו מחטי מתכת המחוברות למקור חשמל. תגלית זו הובילה לשלל ניסויים במתקן החדש, שכונה שפופרת קרן קתודית. מחקר זה הוביל בתחילת המאה ה-20 לפיתוחן של שפופרות הריק, שאפשרו שליטה רבה על זרם החשמל. השפופרות הבסיסיות היו הדיודה – שהעבירה זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד, והטריודה שמאפשרת לשלוט בזרם רב עוצמה על ידי זרם חשמלי חלש, כמעין ברז שפתיחתו וסגירתו מאפשרת שליטה בזרם. שפופרות הריק פתחו את עידן האלקטרוניקה על שלל שימושיה.

אטימולוגיה

ערך מורחב – חשמל (ספר יחזקאל)

המילה חשמל מופיעה שלוש פעמים בתנ"ך, כולן בספר יחזקאל בקשר להתגלותו של אלוהים ומלאכיו, עם מראה של אש ואור:

• ”וָאֵרֶא וְהִנֵּה רוּחַ סְעָרָה בָּאָה מִן הַצָּפוֹן, עָנָן גָּדוֹל וְאֵשׁ מִתְלַקַּחַת וְנֹגַהּ לוֹ סָבִיב וּמִתּוֹכָהּ כְּעֵין הַחַשְׁמַל מִתּוֹךְ הָאֵשׁ.” (יחזקאל א', ד')
• ”וָאֵרֶא כְּעֵין חַשְׁמַל, כְּמַרְאֵה אֵשׁ בֵּית לָהּ סָבִיב מִמַּרְאֵה מָתְנָיו וּלְמָעְלָה, וּמִמַּרְאֵה מָתְנָיו וּלְמַטָּה רָאִיתִי כְּמַרְאֵה אֵשׁ וְנֹגַהּ לוֹ סָבִיב.” (יחזקאל א', כ"ז)
• ”וָאֶרְאֶה וְהִנֵּה דְמוּת כְּמַרְאֵה אֵשׁ, מִמַּרְאֵה מָתְנָיו וּלְמַטָּה אֵשׁ, וּמִמָּתְנָיו וּלְמַעְלָה כְּמַרְאֵה זֹהַר כְּעֵין הַחַשְׁמַלָה.” (יחזקאל ח', ב')

ויליאם גילברט טבע את המילה הלטינית "אלקטריקוס" מהמילה היוונית "אלקטרון" שמשמעותה ענבר, לתיאור תופעת המשיכה של גופים קטנים לאחר שפשופם. לאור העובדה שבתרגום השבעים תורגמה המילה "חשמל" במילה היוונית "אלקטרון", חידש יהודה לייב גורדון את המילה "חשמל" בעברית כתרגום לאותו מושג בלטינית, אף שמשמעותו המדויקת השתנתה מאז ימיו של גילברט.

מושגי יסוד בתורת החשמל הקלאסית

מטען חשמלי

ערך מורחב – מטען חשמלי

מטען חשמלי הוא גודל פיזיקלי שמאפיין חומר. במצב רגיל, המטען החשמלי הכולל של החומר הוא נייטרלי (אפס), אם כי בתוך החומר נמצא מספר רב מאוד של חלקיקים בעלי מטען חשמלי, חיובי ושלילי, אשר מאזנים זה את זה. החומר מורכב מאטומים, הבנויים מגרעין המכיל פרוטונים טעונים חיובית, ונייטרונים חסרי מטען, וסביב הגרעין אלקטרונים שטעונים שלילית. מטען האלקטרון הפוך בסימן אך זהה בגודל למטען הפרוטון, ומספר האלקטרונים במצב רגיל שווה למספר הפרוטונים כך שסכום המטענים הוא אפס.

המטען החשמלי נמדד במערכת היחידות הבינלאומית (SI) בקולון, על שם שארל-אוגוסטן דה קולון. מטען האלקטרון הוא ‎-1.6×10^-19‎ קולון, ומטען הפרוטון הוא ‎+1.6×10^-19‎ קולון.

זרם חשמלי

ערך מורחב – זרם חשמלי

סוללה חשמלית היא מקור לכוח אלקטרו מניע

בעת חיבור מוליך לשתי נקודות שביניהן קיים מתח חשמלי, למשל חיבור תיל מוליך בין שני מוליכים טעונים בעלי פוטנציאלים שונים, יזרמו בתיל המוליך מטענים מהגוף בעל הפוטנציאל הגדול יותר לגוף בעל הפוטנציאל הקטן יותר, עד שהפוטנציאלים בשני הגופים ישתוו. קצב תנועת המטענים בזמן נקרא זרם חשמלי, ובמקרה המתואר לעיל הוא יתרחש לזמן קצר. על מנת ליצור זרם חשמלי לאורך זמן יש צורך בכוח אלקטרו מניע – גורם שישמור על מתח קבוע בין שתי נקודות. הכוח האלקטרו מניע (בקיצור: כא"מ) הוא העבודה החיצונית שיש להשקיע על יחידת מטען על מנת ליצור הפרש פוטנציאלים בין שני הדקים מנותקים. בסוללה חשמלית, למשל, הכא"מ נוצר על ידי הפרדת מטענים חיוביים משליליים באמצעות תגובה כימית עם אלקטרודות אליהן מחוברים ההדקים. התקן שיוצר כא"מ בין שני הדקים נקרא מקור מתח. ההדק שבו הפוטנציאל גדול יותר מסומן ב־+ והאחר מסומן ב־-. הארקה היא חיבור לאדמה, והיא משמשת הן כנקודת ייחוס לפוטנציאל החשמלי והן כאמצעי להגנה מפני הצטברות מטען גדולה מדי.

זרם חשמלי הוא גודל המטען העובר בשטח חתך (או בתיל) ביחידת זמן. כיוון הזרם במוליך הוא מפוטנציאל גבוה לפוטנציאל נמוך (למשל, מפוטנציאל חיובי לפוטנציאל שלילי). מהגדרה זו של הזרם, נובע שכיוון הזרם יהיה תמיד בכיוון שבו היו נעים מטענים חיוביים, ולכן כיוון הזרם במתכת יהיה הפוך לזה של תנועת האלקטרונים. זרם שגודלו קבוע בזמן נקרא זרם ישר וזרם שמשתנה בזמן באופן מחזורי נקרא זרם חילופין. נוהגים לסמן את הזרם באות I והוא נמדד במערכת היחידות הבינלאומית ביחידות של אמפר (על שם אנדרה מרי אמפר).

ניתן לתאר את תנועת המטענים במרחב גם בדרך מעט שונה: לכל נקודה במרחב מיוחס וקטור צפיפות זרם המוגדר כמכפלת צפיפות המטען בנקודה במהירותו. כיוון שבתורה הקלאסית מטען אינו יכול להיעלם במקום אחד ולהופיע במקום אחר, צפיפות המטען מקיימת משוואת רציפות כך שצפיפות הזרם היא השטף של צפיפות המטען.

שדה חשמלי

ערך מורחב – שדה חשמלי

נוח להגדיר שדה חשמלי ככוח חשמלי ליחידת מטען ולתאר את חוקי החשמל בעזרת השדה כתכונה של המרחב, שאותו מקובל לסמן באות E. באופן דומה מגדירים שדה מגנטי, שאותו נהוג לסמן באות B. הכוח הפועל על מטען חשמלי בנוכחות שדה חשמלי ושדה מגנטי נקרא כוח לורנץ והוא אחד מארבעת כוחות היסוד של הטבע.

עקרון הסופרפוזיציה קובע שהשדה שיוצרים מספר מטענים הוא סכום השדות שיוצרים כל המטענים לחוד. במרחב התלת־ממדי זהו סכום וקטורי. חוק גאוס הוא משוואה דיפרנציאלית חלקית שממנה ניתן לחשב את השדה החשמלי שיוצרת התפלגות מטען מרחבית כלשהי. עקרון הסופרפוזיציה נובע מכך שהיא משוואה ליניארית.

מתח חשמלי

ערך מורחב – מתח חשמלי

הכוח האלקטרוסטטי הוא כוח משמר ולכן ניתן לגזור אותו מאנרגיה פוטנציאלית, הנקראת אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען בנקודה כלשהי היא העבודה שיש להשקיע עליו על מנת להביאו מנקודת ייחוס אל הנקודה, כאשר נקודת הייחוס לרוב נבחרת במרחק אינסופי מיתר המטענים. באופן שקול, האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית בנקודה היא הכוח החשמלי הפועל על מטען לאורך דרכו מהנקודה אל האינסוף. מקובל לסמן את האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית באות U, ובמערכת היחידות הבינלאומית, היא נמדדת – בדומה לצורות אחרות של אנרגיה – ביחידות של ג'אול.

האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען פרופורציונית לגודל המטען, ולכן ניתן להגדיר פוטנציאל חשמלי כאנרגיה פוטנציאלית חשמלית ליחידת מטען. ניתן לגזור את השדה החשמלי ישירות מהפוטנציאל החשמלי באותו האופן שבו הכוח נגזר מהאנרגיה הפוטנציאלית. מקובל לסמן את הפוטנציאל החשמלי במרחב באות היוונית φ, והוא תלוי רק בפילוג המטענים המרחבי. תלות זו מתבטאת במשוואת פואסון – המצטמצמת למשוואת לפלס, כאשר המרחב ריק ממטענים.

מתח חשמלי בין שתי נקודות במרחב הוא ההפרש בין הפוטנציאלים החשמליים באותן נקודות. הוא מבטא את ההפרש באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית ליחידת מטען, ולכן הוא גודל חשוב בתיאור מערכות חשמליות. מקובל לסמן את המתח באות V, והוא נמדד במערכת היחידות הבינלאומית ביחידות של וולט (על שם אלסנדרו וולטה).

מוליך הוא חומר שמכיל מטענים חשמליים חופשיים לתנועה (בניגוד למבודד). במתכת, לדוגמה, חלק מהאלקטרונים אינם ממוקמים סביב גרעינים של אטומים מסוימים בסריג המתכתי, אלא יכולים לנוע בו באופן חופשי. במוליך טעון שאינו נמצא תחת השפעתו של שדה חשמלי, המטענים העודפים יפעילו כוחות דחייה ביניהם ויסתדרו כך שהמרחקים ביניהם יהיו מקסימליים, או באופן שקול, כך שהאנרגיה הפוטנציאלית החשמלית במערכת תהיה מינימלית. מצב זה מתקיים כאשר הם מפולגים על פניו של הגוף המוליך. בנוכחות שדה חשמלי, מטענים יהיו מרוכזים באופן לא אחיד, גם במוליך נייטרלי: חלק מהמטענים החופשיים יתרכזו בצדו האחד של המוליך, כך שבצדו האחד הוא יהיה טעון חיובית, ובצדו האחר הוא יהיה טעון שלילית – וסך המטען הוא אפס. תופעה זו נקראת השראה אלקטרוסטטית. בתהליך זה השדה החשמלי בתוך המוליך מתאפס, תופעה הידועה ככלוב פאראדיי.

כוח חשמלי

ערך מורחב – כוח חשמלי

הכוח החשמלי בין שני מטענים חשמליים יחסי למכפלת המטענים ולהיפוך ריבוע המרחק ביניהם, בדומה לכוח הכובד, אולם הכוח החשמלי חזק בערך פי ‎10³⁶‎ מכוח הכובד.

סימון המטענים נקבע במקור על פי ניסוי בחשמל: בעת שפשוף פרווה בזכוכית עוברים אלקטרונים מהזכוכית לפרווה. מאחר שבנג'מין פרנקלין קבע שהזכוכית נטענת במטען חיובי, סימן האלקטרון נקבע כשלילי. מטען הפרוטון, אם כן, חיובי. חלקיקים שמורכבים מכמות שווה של מטענים חיוביים ושליליים מסתדרים כך שמטענים הפוכים נמשכים זה לזה. סך המטען של חלקיקים כאלו הוא אפס, והם נקראים נייטרליים. בקירוב טוב הם אינם מפעילים כוחות חשמליים על חלקיקים אחרים, ולכן לרוב אין אנו מרגישים כוחות משיכה או דחייה חשמלית בין גופים. עם זאת, במרחקים קטנים כמו בין מולקולות או אטומים, מורגשים כוחות שיוריים (כוח ואן דר ואלס וכוחות הדומים לו), הנוצרים בשל המרחקים בין המטענים החיוביים והשליליים, הגורמים להשפעות במרחב שאינן מתקזזות זו עם זו.

מטען חשמלי יכול אמנם להתקיים רק כיחידות בדידות (כפולות של מטען האלקטרון או של מטען הפרוטון), אך פעמים רבות, כאשר במערכת מספר רב של מטענים, נוח להתייחס למטען כאילו הוא מפוזר במרחב באופן רציף. במקרים אלו, מוגדרת צפיפות מטען, שהיא פונקציה רציפה (למקוטעין) של המרחב. בנוסף, מטען יכול להצטבר סמוך לפניו של משטח, או לאורכו של גוף חד־ממדי (כמו תיל). במקרים כאלו נוח להגדיר צפיפות מטען משטחית וצפיפות מטען אורכית (בהתאמה).

קווי השדה מציינים את כיוונו של השדה החשמלי, וצפיפותם את עוצמתו. משמאל שני מטענים שווי סימן ומימין שני מטענים בעלי סימנים מנוגדים

הכוח שפועל בין מטענים נקודתיים מתואר על ידי חוק קולון, הקובע שכוח זה יחסי למכפלת המטענים של הגופים ולהופכי של ריבוע המרחק ביניהם. חוק זה מתקיים כאשר המטענים נמצאים במנוחה ולכן הוא נקרא גם הכוח האלקטרוסטטי. כאשר המטענים נעים זה ביחס לזה פועל ביניהם כוח נוסף – הכוח המגנטי, התלוי רק בגודל המטענים ובמהירות היחסית שלהם. בכל מקרה קיים יחס ישר בין הכוח הפועל על מטען חשמלי כתוצאה ממטענים חשמליים אחרים לבין גודל המטען, והכוח ליחידת מטען הוא קבוע (בתנאי שניתן להזניח את השפעת מטען זה על יתר המטענים).

התנגדות חשמלית

ערך מורחב – מוליכות חשמלית

ברוב המוליכים קיים יחס ישר בין המתח והזרם – קשר הידוע כחוק אוהם. היחס בין המתח לזרם נקרא התנגדות חשמלית, שאותה מקובל לסמן באות R, והיא נמדדת במערכת היחידות הבינלאומית ביחידות של אוהם (על שם גאורג אוהם). הגודל ההופכי להתנגדות נקרא מוליכות חשמלית – המידה שבה מתח על מוליך גורם לזרם דרכו – וניתן לנסח באמצעותו ניסוח כללי יותר לחוק אוהם: צפיפות הזרם בנקודה בתוך מוליך עומדת ביחס ישר לשדה שמופעל באותה נקודה, ומקדם הפרופורציה הוא המוליכות החשמלית.

נגד הוא רכיב בעל התנגדות ידועה בין הדקיו, וניתן לייחס לו הספק, משום שמטענים נעים בו מפוטנציאל גבוה לנמוך. קצב השינוי באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של המטענים בזמן נקרא הספק חשמלי. ההספק מסומן לרוב באות P ונמדד במערכת היחידות הבינלאומיות ביחידות של ואט (על שם ג'יימס ואט). ההספק החשמלי על נגד נתון על ידי מכפלת הזרם הזורם דרך הנגד במפל המתח עליו (המתח ש"מתבזבז" עליו).

קֶצֶר חשמלי

ערך מורחב – קצר חשמלי

בחיבור הדקי מקור מתח על ידי תיל מוליך יתרחש קצר חשמלי – יזרום זרם גדול מאוד שעלול לגרום להתחממות יתר, שרפה, התעוותות של חומרים, התחשמלות או התפוצצות. במעגלים חשמליים, נתיך וממסר פחת הם רכיבים שתפקידם לנתק את הזרם במקרה של קצר. עם זאת, במערכות מסוימות, קצר הוא מצב רצוי. כך למשל, בפעולת הריתוך משתמשים לעיתים במעגל מקוצר, על מנת ליצור הספק גדול דיו לחימום המתכות.

אלקטרודינמיקה

מנורות רחוב חשמליות

ערך מורחב – מגנטיות

הכוח האלקטרומגנטי

על מטען שנע ביחס למטענים אחרים פועל כוח נוסף מלבד הכוח החשמלי – הכוח המגנטי. הקשר בין הכוח המגנטי והשדה המגנטי נתון בכוח לורנץ. השדה המגנטי נוצר על ידי מטענים בתנועה, והקשר בינו לבין זרם המטענים נתון על ידי חוק אמפר או על ידי חוק ביו-סבר. גם הכוח המגנטי היה ידוע עוד בימי קדם ככוח שפועל בין אבנים מסוימות לברזל, או ככוח שפועל על מחט של מצפן. אולם הקשר בין תופעת המגנטיות לבין חשמל נתגלתה רק ב־1821 על ידי הנס כריסטיאן ארסטד, שהבחין בשדה מגנטי שנוצר מסביב לתיל מוליך נושא זרם. התורה המאוחדת של החשמל והמגנטיות תוארה באופן מלא על ידי ג'יימס קלרק מקסוול במשוואות מקסוול. בעזרת משוואות אלה ניתן לתאר גם קרינה אלקטרומגנטית כגל של השדה האלקטרומגנטי.

השראה אלקטרומגנטית

השראה אלקטרומגנטית היא תופעה הקושרת בין חשמל ומגנטיות, בה שינוי בשטף מגנטי גורם להופעה של מתח חשמלי במוליך. תופעה זו היא המנגנון המאפשר ייצור זרם חילופין על ידי גנרטור ואת פעולתם של סליל ההשראה, השנאי והמנוע החשמלי. ההשראה האלקטרומגנטית מתוארת על ידי חוק פאראדיי, שהוא אחד ממשוואות מקסוול. חוק פאראדיי אומר, שהכוח האלקטרו מניע שנוצר בלולאה מוליכה סגורה נמצא ביחס ישר לקצב שינוי שטף השדה המגנטי דרך השטח הכלוא בלולאה. באותו אופן שבו השינוי בשטף מגנטי משרה מתח (שדה חשמלי לאורך דרך), כך גם שינוי בשטף של שדה חשמלי משרה שדה מגנטי לאורך דרך. זהו התיקון של מקסוול לחוק אמפר.

מסלול סגור חשמלי

איור של מעגל חשמלי. הסימונים השונים מייצגים רכיבים חשמליים. v – מקור מתח חשמלי, c – קבל, R – נגד

מסלול סגור חשמלי (נקרא גם "מעגל חשמלי" אם כי אינו בהכרח עגול) הוא מערכת שבה מחוברים מספר רכיבים, בדרך כלל למקור מתח. המעגל מיוצג בשרטוט שבו סימונים שונים מייצגים רכיבים חשמליים, וקווים ישרים מייצגים חיבור חשמלי (ראו איור). אופן החיבור הפשוט ביותר הוא חיבור בטור או במקביל. חיבור טורי הוא חיבור של שני רכיבים בזה אחר זה כך שהזרם שעובר דרכם שווה, אך המתח שנופל על כל אחד מהם עשוי להיות שונה. בחיבור מקבילי שני הדקי הרכיבים מחוברים אלה אל אלה כך שהמתח הנופל על הרכיבים שווה, אך הזרם שעובר בכל אחד מהם עשוי להיות שונה.

קיבול והשראות

הקיבול של מוליך הוא היחס בין המטען שמצטבר עליו לפוטנציאל שלו. קבל הוא רכיב בעל קיבול ידוע והוא לרוב מכיל זוג מוליכים המחוברים לשני הדקים, וכאשר נופל מתח על ההדקים נצבר מטען שווה בגודלו והפוך בסימנו על פני המוליכים. הקיבול הוא תכונה של המבנה הגאומטרי של המוליכים ותלוי גם במבודד שמפריד ביניהם, הנקרא חומר דיאלקטרי. הקיבול מסומן באות C ונמדד בפאראד (על שם מייקל פאראדיי).

השראות היא תכונה של מעגל חשמלי, המראה עד כמה הוא מתנגד לשינויים בזרם בו על פי חוק לנץ. ההשראות מוגדרת כיחס בין השטף המגנטי דרך השטח הכלוא על ידי המעגל החשמלי לבין הזרם היוצר את השדה המגנטי. ההשראות מסומנת L ונמדדת בהנרי (על שם ג'וזף הנרי). סליל השראה הוא רכיב בעל השראות ידועה שלרוב תלויה במבנה הגאומטרי שלו.

היחס בין המתח הנופל על קבל או משרן לזרם הזורם דרכם אינו קבוע אלא תלוי בקצב שינוי המתח או הזרם בזמן. אך אם הרכיבים מחוברים למקור של זרם חילופין – זרם שמשתנה באופן מחזורי בצורה סינוסואידית, המתחים והזרמים ברכיבים יהיו גם הם סינוסואידיים באותה התדירות אך עם משרעות שונות ובהפרשי מופע. עכבה חשמלית (הנקראת גם אימפדנס) היא גודל מרוכב המתאר את היחס בין המתח והזרם ברכיב כללי (לאחר זמן התייצבות כלשהו), בדומה להתנגדות. גודל העכבה הוא היחס בין משרעת המתח למשרעת הזרם, והזווית שלה בהצגה קוטבית היא הפרש המופע בין המתח והזרם.

בפיזיקה של המצב המוצק

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

אלקטרוניקה

אלקטרוניקה היא תחום העוסק במעגלים המכילים רכיבים אלקטרוניים המבצעים מניפולציות מורכבות בזרם החשמל כגון דיודה וטרנזיסטור. בתחילה האלקטרוניקה התבססה על שפופרות ריק, בהמשך על מוליכים למחצה, ובשנות ה-60 פותח המעגל המשולב, שאפשר ייצור של מעבדים ספרתיים. בעזרת רכיבים אלקטרוניים ניתן ליצור מגברים, רכיבי מיתוג, שערים לוגיים, דלגלגים ועוד. הם מהווים את הבסיס לרוב מכשירי האלקטרוניקה ומכשירי החשמל הביתיים ותרמו תרומה עצומה להתקדמות הטכנולוגית במאה ה-20.

ייצור וצריכת חשמל

עמוד חשמל דרכו עובר זרם מתחנת הכוח לצרכנים

עבודות תחזוקת רשת חשמל

ערך מורחב – ייצור חשמל

ייצור חשמל הוא תהליך המשתמש באמצעים שונים על-מנת להפוך אנרגיה מסוגים שונים לחשמל. זהו שלב בסדרה של תהליכים שכוללים גם את העברת החשמל וחלוקת החשמל אל הצרכנים, והזנת מוצרי חשמל באנרגיה אשר דרושה לפעולתם. רוב ייצור החשמל בעולם נעשה בתחנות כוח המופעלות בתוצרי נפט, פחם, גז טבעי ואנרגיית גרעין באמצעות השראה אלקטרומגנטית. קיימות גם דרכים אחרות להפקת חשמל ובהן: אנרגיה גרעינית, אנרגיית רוח, אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיה סולארית, אנרגיה כימית ועוד. צריכת חשמל היא מכפלה של ההספק שצורך מכשיר חשמלי במשך זמן פעולתו, והיא נמדדת בואט-שעה.

הפקת חשמל מדלקים מאובנים (נפט, פחם וגז טבעי), כרוכה בפליטת גזי חממה אשר תורמים להתחממות הגלובלית.

שימושים

לחשמל קשת רחבה של שימושים בעולם המודרני. לאחר המצאת הנורה החשמלית בסוף המאה ה-19, הפכה התאורה החשמלית למוצר החשמלי הראשון בו נעשה שימוש רחב והיא החליפה את התאורה באמצעות להבות. התנור החשמלי הוא בטיחותי ונוח, ובאמצעות חשמל מתאפשרת פעולת המקרר ומיזוג האוויר. למנוע החשמלי שימושים רבים ומגוונים. אותות חשמליים מאפשרים מחשוב ותקשורת, ומכשירי חשמל ואלקטרוניקה מהווים חלק משמעותי מהמוצרים שאנו צורכים. לחשמל שימושים ביתיים, תעשייתיים, רפואיים, צבאיים, ואף קיימת שיטה להוצאה להורג באמצעות חשמל בכיסא חשמלי. למעשה החשמל הוא הכוח הפיזיקלי שרתם האדם לצרכיו באופן המגוון והרחב ביותר, ולא ניתן לתאר את חייו של האדם המודרני ללא שימוש בו.

תופעות חשמליות בטבע

ברקים

החשמל בא לידי ביטוי בתופעות טבע שונות:

• ברק הוא תופעת טבע חשמלית עוצמתית ביותר. הוא נגרם מפריקת חשמל סטטי שנמצא בעננים. המתח החשמלי בין תחתית הענן לבין הקרקע נע בין 20 ל-100 מיליון וולט. עוצמת זרם הברק עשויה להגיע עד 10,000 אמפר. אחת התוצאות של הזרימה החשמלית הזו היא שהאוויר בדרך מתחמם מאוד ויכול להגיע לטמפרטורה של למעלה מ-27 אלף מעלות.
• רוב הכוחות המוכרים לנו ברמה המקרוסקופית הם כוחות חשמליים: הכוח הנורמלי, כוח החיכוך, הכוח האלסטי וסוגים שונים של קשרים כימיים כולם נגרמים מכוחות חשמליים מיקרוסקופיים.
• השדה המגנטי של כדור הארץ נוצר על ידי תנועה סיבובית של יונים בליבת כדור הארץ.
• פיאזואלקטריות היא תופעה בה מאמץ לחיצה על גבישים מסוימים גורם למתח חשמלי, ולהפך.
• נוירונים במערכת העצבים מעבירים מידע לאורך האקסונים והדנטריטים שלהם באמצעות פוטנציאלי פעולה.
• בעלי חיים רבים (לדוגמה, כרישים) רגישים לשינויים בשדה החשמלי. אחרים מסוגלים לייצר בעצמם שדות חשמליים רבי עוצמה המשמשים לניווט, ציד או הגנה עצמית. דג החשמלן ממשפחת הכרישים, לדוגמה, מייצר מתח חשמלי של 50 וולט. הצלופח הדרום אמריקני בנהר האמזונאס מייצר מתח של 660 וולט, שמסוכן אף לבני אדם.

הנדסת חשמל

מנוע חשמלי

הנדסת חשמל ואלקטרוניקה היא תחום בהנדסה העוסק בחשמל. התחום הפך לעיסוק בעל זהות מגובשת בסוף המאה ה-19 בד בבד עם מגמת המסחור של הטלגרף ושל אספקת חשמל לצרכנים. כיום, התחום מכסה מגוון רחב של תת-תחומים שבחלקם כלל אין עיסוק במעגלים חשמליים אלא בעיקר במתמטיקה שימושית. בהם ניתן למנות את הנדסת מערכות תקשורת, עיבוד אותות, אלקטרואופטיקה, מיקרואלקטרוניקה, קרינה אלקטרומגנטית, תורת הבקרה, הנדסת מחשבים, וזרם חזק (הספק והמרת אנרגיה).

לקריאה נוספת

• Feynman R, Leighton R, and Sands M, The Feynman Lectures on Physics, Volume 2, Addison-Wesley, 1964

קישורים חיצוניים

• ספרים בנושאי חשמל בהוצאת האוניברסיטה הפתוחה באתר גוגל ספרים:
  • תורת החשמל
  • חשמל א' יחידות 3-4
  • חשמל א' יחידות 5-6
  • מערכות בקרה ואנרגיה תורת החשמל
  • עולם החשמל והאלקטרוניקה
• לימוד חשמל בשפה פשוטה, כולל נוסחאות באתר דע מדע
• למה בכלל חשמל?, באתר מוזיאון המדע בירושלים
• אילון גלעד, גלגולה של מילה – חשמל, באתר הארץ, 5 בינואר 2013
• טיפים והמלצות לחיסכון באנרגיה בבית, משרד האנרגיה והמים
• איך מפיקים חשמל? באתר הכיתה האינטראקטיבית
• מילון למונחי חשמל ומגנטיות | חשמל ומגנטיות 1976 | חשמל 1935 | באתר האקדמיה ללשון העברית
• The Big Misconception About Electricity, סרטון בערוץ "Veritasium", באתר יוטיוב (אורך: 14:48), 19 בנובמבר 2021
• How Electricity Actually Works, סרטון בערוץ "Veritasium", באתר יוטיוב (אורך: 24:31), 29 באפריל 2022
• חשמל, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• חשמל, דף שער בספרייה הלאומית