המעגל החשמלי
זרם חשמלי
כפי שראינו בשני הפרקים הקודמים התופעה המרכזית במעגל החשמלי היא הזרם החשמלי.
הזרם החשמלי הוא תנועה של מטען חשמלי בתוך המוליך. את הזרם החשמלי ניתן לאפיין ולכמת על-ידי הקצב בו המטען החשמלי מועבר בעזרתו מצד לצד.
קצב התעבורה של המטען החשמלי במעגל מחושב לפי כמות המטען החשמלי העוברת דרך נקודה מסוימת בו בפרק זמן מסוים.
קצב התעבורה של מטען חשמלי
כדי שניתן יהיה לתת ערך מספרי לזרם החשמלי נזדקק לתת קודם ערך מספרי (לפי יחידות מדידה שנבחר) לכמות המטען החשמלי ולפרק הזמן. הזרם החשמלי נקבע ככמות המטען החשמלי ביחידות של קולון העוברת בפרק זמן הנמדד בשניות. הזרם החשמלי מחושב, אפוא, לפי הנוסחה הבאה,
Q – המטען החשמלי, ביחידות של קולון c
Δt – פרק הזמן, ביחידות של שנייה sec
היחידה של הזרם החשמלי נקבעה להיות אמפר והיא מסומנת באות A, יחידה זו שווה לקולון לשנייה C / sec.
בעזרת הגדרה זו המצאנו גודל פיזיקאלי חדש, הזרם החשמלי, שניתן להשתמש בו כדי לתאר את קצב העברה של המטען החשמלי במעגל החשמלי.
השימוש בזרם החשמלי מפשט מאוד את החישובים במעגל החשמלי. הזרם החשמלי מאפשר לנו לקבל מדד על קצב תעבורת המטען החשמלי מבלי להצטרך לספור את מספר האלקטרונים הזורמים במוליך.
לדוגמה, ידוע שמטען חשמלי של 32C עובר דרך מוליך חשמלי בפרק זמן של 4 שניות. כמה אלקטרונים עוברים במוליך בממוצע כל שנייה בפרק הזמן בו המטען החשמלי עובר? מהו הזרם החשמלי הממוצע הזורם במוליך החשמלי בפרק זמן זה?
התשובה היא:
כ- 20•1019 אלקטרונים עוברים סך הכול בפרק הזמן של ה-4 השניות בהן המטען עובר. מכאן שבממוצע, כל שנייה עוברים 5•1019 אלקטרונים.
והזרם החשמלי הממוצע שזורם במעגל החשמלי הוא,
כלומר, במשך 4 שניות זרם דרך המוליך החשמלי זרם שעוצמתו הממוצעת היא 8A.
כפי שראינו, עוצמת הזרם החשמלי מתארת את קצב זרימת האלקטרונים במעגל החשמלי. האלקטרונים יוצאים מההדק השלילי של מקור המתח החשמלי ונעים במעגל החשמלי אל עבר ההדק החיובי שלו. כלומר, הזרם החשמלי זורם במעגל החשמלי מההדק השלילי של מקור המתח אל ההדק החיובי שלו. למרות עובדה זו מוסכם לשרטט את כיוון הזרם החשמלי במעגל באופן הפוך, מההדק החיובי של מקור המתח אל ההדק השלילי שלו.
כיוון הזרם החשמלי במעגל החשמלי
סתירה זו בין הנוהג המוסכם לסמן את הזרם החשמלי במעגל כזורם מההדק החיובי של מקור המתח אל ההדק השלילי לבין כיוון הזרימה האמיתי של האלקטרונים במעגל נובעת מטעות הבנה היסטורית.
כיום ידוע ומוכר לנו מבנה האטום ותנועת האלקטרונים החופשיים שבו, בעלי המטען החשמלי השלילי, שהם מהווים את הזרם החשמלי. במאה ה-19, כשחקר תופעת החשמל היה בתחילת דרכו, כל הידע הזה טרם התגלה ונצבר.
עם גילוי תופעת החשמל נערכו ניסויים רבים בזרם החשמלי בתחום הכימי. תהליך כימי אחד בו נעשה שימוש בחשמל הוא תהליך אלקטרוליזה.
בתהליך אלקטרוליזה מחברים את שני הדקי המקור החשמלי בעזרת חוטים מוליכים לשתי אלקטרודות הטבולות בתוך תמיסה אלקטרוליטית. הזרם החשמלי עובר בין שתי האלקטרודות דרך התמיסה האלקטרוליטית. מעבר הזרם החשמלי יוצר תגובה כימית עם התמיסה.
תהליך אלקטרוליזה
תהליך אלקטרוליזה נפוץ הוא עם תמיסה מימית של חומצה גפריתית. מעבר הזרם החשמלי בתמיסה המימית מפרק את מולקולות המים שבה לאטומים המרכיבים אותם: חמצן ומימן. סביב הדק אחד יצטברו אטומי מימן ואילו סביב ההדק השני יצטברו אטומי חמצן. אם נכניס כל אלקטרודה הטבולה בתמיסה לתוך מבחנה, אז נוכל לאגור בה את אותם אטומי הגז.
אלקטרוליזה לפירוק מולקולות מים
באותה תקופה שנחקרה תופעת האלקטרוליזה לא היה ידוע הרבה על תופעת החשמל. באופן שרירותי נקבע אז שהאלקטרודה שסביבה הצטברו אטומי החמצן תיקרא אנודה וסימנה יהיה חיובי +. האלקטרודה שסביבה הצטברו אטומי מימן נקראה קתודה וסימנה נקבע להיות שלילי –.
מכאן נקבע גם שהדק המקור החשמלי המחובר לאנודה יהיה ההדק החיובי ויסומן בסימן +.
הדק המקור החשמלי המחובר לקתודה יהיה ההדק השלילי ויסומן בסימן –.
סימון כיוון הזרם החשמלי נקבע להיות לפי התופעה שנצפתה בתמיסה האלקטרוליטית של חומצה גופרתית. סימון כיוון הזרם במעגל האלקטרוליזה נקבע באופן שרירותי להיות מהאלקטרודה שעליה מצטבר חמצן (האנודה) לאלקטרודה שעליה מצטבר מימן (קתודה). כלומר, כיוון זרימת הזרם החשמלי במעגל נקבע להיות מההדק החיובי של מקור המתח אל עבר ההדק השלילי של מקור המתח.
סימון כיוון הזרם החשמלי במעגל חשמלי
קביעה זו נערכה כאמור לפני שהתגלה מבנה האטום ולפני שהובן שהזרם החשמלי הוא תנועה של האלקטרונים בעלי המטען החשמלי (שנבחר להיות) השלילי. בפועל, במציאות, כיוון הזרם החשמלי הוא הפוך מהסימון שנקבע בשעתו. למרות שהטעות התגלתה היא לא תוקנה וגם כיום מוסכם לסמן בשרטוטי המעגל החשמלי את כיוון הזרם החשמלי כיוצא מההדק החיובי של מקור המתח ומגיע אל ההדק השלילי שלו. הסימון השגוי לא יוצר אף בעיה כלשהי.
[ עמוד ראשי - חשמל | המעגל החשמלי : מבוא | מעגל חשמלי בסיסי | הזרם החשמלי | חוק אוהם | ההתנגדות החשמלית | נגד חשמלי | נגד משתנה | חיבור נגדים | סיכום ]