headline
Error processing SSI file




תופעת החשמל


הכוח החשמלי וחוק קולון


בין שני מטענים חשמליים פועל כוח היכול להיות כוח דחייה אם הם שווי סימן (שניהם חיוביים או שניהם שליליים) או כוח משיכה אם הם שוני סימן (אחד חיובי ואחד שלילי).

הכוח הפועל בין שני המטענים הוא ווקטור, כלומר, יש לו עוצמה וכיוון פעולה. כדי להבחין בין כוח דחייה חשמלי ובין כוח משיכה חשמלי הוסכם שהראשון יהיה בעל ערך חיובי והשני בעל ערך שלילי.

כוחות חשמליים וסימנם


כדי למצוא את עוצמת הכוח החשמלי הפועל בין שני גופים הטעונים במטען חשמלי ערך צ'ארלס קולון הצרפתי ניסוי בעזרת מכשיר מיוחד. עוד על קולון ועל הניסוי שערך ניתן לקרוא בפרק הדן בגילוי חוק קולון אשר באתר זה.

בעזרת הניסוי מצא קולון שהכוח החשמלי הפועל בין שני גופים נמצא ביחס ישר לכמות המטען החשמלי (כמות הפרוטונים או האלקטרונים העודפת) שבכל אחד מהם. נסמן זאת כך,

Fe α q1q2


הסימן α מציין כי קיים יחס ישר בין שני הביטויים שמשני צידיו. יחס ישר משמעו, למשל, שאם המטען החשמלי באחד הגופים יגדל פי שניים, אזי גם הכוח החשמלי F הפועל בין הגופים יגדל גם הוא באותו השיעור, כלומר גם פי שניים.

עוד מצא קולון כי הכוח החשמלי הפועל בין שני הגופים נמצא ביחס הפוך לריבוע המרחק שביניהם. נסמן זאת כך,

Fe α 1/r2


הכוח החשמלי F נמצא ביחס הפוך לריבוע המרחק r שבין שני הגופים. כלומר, למשל, אם המרחק בין הגופים יגדל פי שלושה, אז הכוח החשמלי יקטן פי תשעה.

נוכל לצרף את שני הכללים ולקבל שהכוח החשמלי תלוי ביחס ישר במכפלת כמויות המטענים החשמליים וביחס הפוך למרחק ביניהם בריבוע,

Fe α q1q2/r2


כזכור לנו מעולם המכאניקה נמדד הכוח ביחידות של ניוטון. יחידת אחת של ניוטון שווה לכוח הפיזי הנדרש להפעיל על גוף שמסתו אחד ק"ג כדי להקנות לו תאוצה של אחד מטר לשנייה בריבוע בכיוון הפעלת הכוח,

F = m a


F – הכוח, נמדד ביחידות של ניוטון N
m – המסה, נמדדת ביחידות של ק"ג kg
a – התאוצה, נמדדת ביחידות של מטר לשנייה בריבוע m/s2

במקום להמציא יחידות כוח חדשות לכוח החשמלי נרצה למדוד גם את הכוח החשמלי ביחידות של ניוטון. לשם כך נצטרך למצוא את הקשר בין כמות המטענים החשמליים והמרחק ביניהם ובין התאוצה שמקבל גוף כלשהו מהכוח הפועל ביניהם.

את הכוח החשמלי ניתן לתרגם לכוח פיזי, הרי בניסוי שתיארנו בפרק הקודם (וגם בניסוי שערך קולון) ראינו כיצד בין גופים הטעונים במטען חשמלי שווה סימן פועל כוח דחייה הגורם לתנועתם. אם נניח גוף ניטראלי צמוד אליהם לפני טעינתם במטען חשמלי, אז אותו גוף יקבל דחיפה שמקורה בכוח הדחייה החשמלי ויתחיל לנוע בתאוצה כלשהי.

הקניית תאוצה מכוח חשמלי


הערה: בניסוי שלעיל רק חצי מהכוח החשמלי הפועל בין שני כדורי הצמר-גפן נוצל להנעת הגולה, זאת מכיוון שרק התנועה של כדור צמר-גפן אחד מתוך השניים נוצלה להקניית תאוצה לגולה.

מניסויים ומדידות תאוצה שערך קולון הוא מצא כי יש להוסיף קבוע ליחס שלעיל כדי להתאים את הכוח החשמלי המתקבל ליחידות של ניוטון. קולון היה הראשון להוסיף את הקבוע החדש אותו הוא הגדיר והנושא את שמו עד היום, קבוע קולון, שמסומן על-ידי האות k,

Fe = k q1q2 / r2


Fe – הכוח החשמלי, ביחידות של ניוטון [N]
q1 – מטען חשמלי של גוף אחד, ביחידות של קולון [c]
q2 – מטען חשמלי של גוף שני, ביחידות של קולון [c]
r – המרחק בין שני הגופים, ביחידות של מטר [m]
k – מקדם נרמול, ביחידות של ניוטון כפול מטר בריבוע לקולון בריבוע [N∙m2 / C2]

המטען החשמלי של הגופים נמדד ביחידות של קולון C. יחידה של קולון אחד מצביעה על כמות מסוימת של אלקטרונים. במקום לספור את האלקטרונים (דבר בלתי ישים) נקבעה יחידה זו לפי עוצמת הזרם החשמלי, שגם היא מדד לכמות האלקטרונים (ליחידת זמן). על הגדרת יחידת הקולון כמו גם על הגדרת יחידת האמפר לעוצמת הזרם החשמלי נלמד מאוחר יותר בפרק נפרד, לאחר שנכיר את מהות הזרם החשמלי ותופעותיו.

המקדם k, מקדם קולון, תלוי בסוג התווך אשר בין שני הגופים. ערכו המספרי שונה אם הגופים נמצאים בריק, באוויר, או שמפריד ביניהם חומר אחר כמו לוח זכוכית וכו'.

בריק (ובקירוב טוב גם באוויר) ערכו של המקדם k הוא,

k = ~9∙109 [N∙m2 / C2]


מלבד הפעלת כוח חשמלי הגוף הטעון במטען חשמלי גם משפיע על אופן החלוקה הפנימית בין הפרוטונים והאלקטרונים בגוף האחר. על כך נלמד מייד בפרק הבא.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - חשמל | תופעת החשמל : מבוא | המטען החשמלי | מבנה האטום | הכוח החשמלי וחוק קולון | השראה אלקטרוסטאטית | טעינת גוף במטען חשמלי סטאטי | אלקטרוסקופ | סיכום ]