כוח חשמלי – כך מטענים “מרגישים” אחד את השני

חיבור לנושא הקודם: המטען החשמלי

בעמוד הקודם פגשנו בפעם הראשונה את המטען החשמלי – תכונה יסודית של חלקיקים כמו אלקטרונים ופרוטונים.
למדנו שיש שני סוגי מטען (חיובי ושלילי), ושהם נמשכים או דוחים זה את זה בהתאם לסימן.

אבל עצור רגע:
איך מטען יכול להשפיע על מטען אחר כשביניהם אין שום מגע פיזי?
אם הם לא נוגעים — מה גורם להם לזוז?

התשובה טמונה ב־כוח החשמלי.
וזה בדיוק מה שנלמד כאן: איך מטענים מפעילים כוח מרחוק, איך מחשבים את זה, ומה אפשר להבין מכך על העולם.

מהו כוח חשמלי?

כוח חשמלי הוא הכוח שמופעל בין שני מטענים חשמליים – בין אם הם חיוביים, שליליים או אחד מכל סוג.

🔵 אם המטענים באותו סימן – הם דוחים אחד את השני
🔴 אם המטענים בסימנים הפוכים – הם נמשכים זה לזה

במילים פשוטות:
כוח חשמלי הוא הדרך שבה מטען “מרגיש” מטען אחר.
והכוח הזה פועל מרחוק, בלי מגע, ובמהירות עצומה.

זוהי תופעה יומיומית שמתחבאת סביבנו כל הזמן:

1. בלון שצמוד לתקרה אחרי ששפשפנו אותו בשיער
2. גוף שמקבל “זרם” כשנוגעים בידית מתכת
3. אפילו הקשרים הכימיים שמחזיקים את החמצן והפחמן בגוף שלנו — כולם נובעים מהכוח החשמלי.

חוק קולון – הכוח שבין מטענים

נסו לדמיין שני מגנטים קטנים שמונחים אחד ליד השני – הם יכולים להתקרב או להתרחק, למרות שאין ביניהם מגע פיזי.
כעת החליפו את המגנטים בשני מטענים חשמליים: אלקטרון ופרוטון, או שני יונים. גם הם "מרגישים" זה את זה, גם אם מפריד ביניהם אוויר, זכוכית או אפילו ריק מוחלט.

הכוח הזה – משיכה או דחייה – נחקר לראשונה באופן מדעי על-ידי שארל-אוגוסטן קולון בשנת 1785.
הוא מדד את עוצמת הכוח בעזרת מערכת של קפיצים וגלגלות, וגילה חוק מתמטי שמנבא את הכוח הזה בדיוק מרשים.

החוק עצמו:

“הכוח החשמלי בין שני מטענים נקודתיים ישר למכפלת המטענים, והפוך לריבוע המרחק ביניהם.”

הנוסחה:

הסבר כל מרכיב:

F: גודל הכוח החשמלי (ניוטון, N) – כמה חזק המטענים "דוחפים" או "מושכים"

Q1, Q2: המטענים החשמליים (בקולון, C) – ככל שהמטענים חזקים יותר, הכוח חזק יותר

$r$: המרחק בין המטענים (במטרים) – ככל שמתרחקים, הכוח נחלש מאוד

k: קבוע קולון, ערך מספרי:

ובחישובים פשוטים לעיתים נהוג לקצר ל:

זהו קבוע פיזיקלי שמתאר את “עוצמת ההשפעה החשמלית” בחלל ריק. זה מה שמחבר בין כמות המטען לבין המרחק לכדי כוח מדוד.

💡 יש לשים לב:

1. הסימן של הכוח לא נמצא בנוסחה – אנחנו מפרשים אותו לפי סימני המטענים.
2. אם שניהם חיוביים או שליליים -> דחייה
3. אם אחד חיובי ואחד שלילי -> משיכה

מה משפיע על עוצמת הכוח?

כאשר בוחנים את הכוח שפועל בין שני מטענים, ישנם ארבעה גורמים עיקריים שמשפיעים עליו:

1. גודל המטענים
ככל שהמטענים החשמליים גדולים יותר (ביחידות קולון), כך עוצמת הכוח ביניהם גדלה.
מדובר ביחס ישר – אם נכפיל את אחד המטענים פי שתיים, גם הכוח יוכפל.

2. המרחק בין המטענים
ככל שהמרחק ביניהם קטן יותר – הכוח גדל באופן חד.

ולכן, הקטנה קטנה של המרחק → תוביל לעלייה גדולה בכוח.

3. סימן המטענים
הסימן של כל מטען (חיובי או שלילי) לא משנה את גודל הכוח, אבל הוא משפיע באופן ישיר על כיוונו:

   א. מטענים בעלי אותו סימן → דוחים זה את זה

   ב. מטענים בעלי סימנים הפוכים → נמשכים זה לזה

4. החומר שביניהם (התּווך)
אם המטענים נמצאים בתוך חומר (כמו מים, זכוכית או שמן) ולא באוויר או בריק – עוצמת הכוח תיחלש.
זאת בגלל תכונה הנקראת קבוע דיאלקטרי, שהיא מדד ליכולת של חומר "להחליש" שדות חשמליים.
ככל שהקבוע הדיאלקטרי גבוה יותר – הכוח בין המטענים קטן יותר.

כיוון הכוח – לא רק גודל, אלא גם כיוון

הכוח החשמלי הוא וקטור – כלומר יש לו גם עוצמה וגם כיוון.

א. אם המטענים שונים – > הכוח הוא משיכה: כל אחד “שואב” את השני.
ב. אם המטענים זהים  -> הכוח הוא דחייה: כל אחד “דוחף” את השני.

🧠 לפי החוק השלישי של ניוטון:

הכוח שמפעיל מטען אחד על האחר – שווה בגודלו והפוך בכיוונו לכוח שהשני מפעיל עליו.

לכן תמיד יפעלו שני כוחות שווים והפוכים – גם אם מטען אחד קטן מהשני.

דוגמה פשוטה לחישוב

נתון שני מטענים:

המרחק ביניהם: 

נחשב את הכוח:

תוצאה: הכוח הוא 7.2 ניוטון – כמו משקל של 720 גרם בערך.
וזה רק בין שני חלקיקים זעירים!

השוואה: כוח חשמלי מול כוח כבידה

כשמדברים על כוחות שפועלים בין גופים מרחוק, לרוב מזכירים את כוח הכבידה – אותו כוח שגורם לנו להישאר על הקרקע, שמושך את התפוח מהעץ או את הירח סביב כדור הארץ.
אבל לצד הכבידה, קיים כוח חזק בהרבה, שפועל בכל אטום, בכל מולקולה ובכל מעגל חשמלי – הכוח החשמלי.

הכוח החשמלי והכוח הכבידתי דומים בכך ששניהם פועלים מרחוק ושתלויים בפרמטרים פנימיים של הגופים – אך כאן מסתיימת הדמיון, ומתחילים ההבדלים.

אופי הכוח:
כוח כבידה תמיד פועל כמשיכה. אין כזה דבר "דחיית כבידה".
לעומתו, כוח חשמלי יכול לפעול כמשיכה או דחייה, בהתאם לסוג המטענים – חיובי עם שלילי נמשכים, שלילי עם שלילי נדחים.

עוצמת הכוח:
הכוח החשמלי הוא חזק פי מיליארדים מכוח הכבידה.
למעשה, אם ניקח שני פרוטונים, הכוח החשמלי שדוחה ביניהם חזק פי 10 בחזקת 36 מהכוח הכבידתי שמושך אותם. זו הסיבה שהכוח החשמלי הוא הדומיננטי ברמה האטומית והאלקטרונית.

🔹 מה משפיע על הכוח:
בכוח כבידה מדובר ב־מסה של הגופים.
בכוח חשמלי – ב־מטען חשמלי.

🔹 קבועי הטבע:

קבוע קולון (לכוח החשמלי) הוא:

וקבוע הכבידה הוא:

הפער בין שני הקבועים מדגיש את העוצמה העצומה של הכוח החשמלי.

אז בפעם הבאה שתראו בלון נמשך לשיער או מדפסת לייזר פולטת דיו, תדעו – מאחורי כל תנועה כזו פועל כוח שקט, חזק, ומורכב להפליא: הכוח החשמלי.

טבלת סיכום: 

איך משתנה הכוח לפי המרחק

דמיין שאתה עומד עם מגנט מול מגנט אחר. ככל שתקרב אותו – תרגיש את הכוח עולה.
כך בדיוק גם בין מטענים חשמליים.

הגרף של $F$ כפונקציה של $r$:

🔹כש־$r$ קטן -> F מזנק
🔹כש־$r$ גדול -> $F$ נחלש במהירות

מה הלאה? – שדה חשמלי

למדנו שמטענים מפעילים כוחות, ושאפשר לחשב את גודלם.
אבל רגע… איך בכלל מטען מפעיל כוח מרחוק?
האם הוא שולח קרן? יוצר גלים? מקרין משהו?

כדי להבין את זה, אנחנו צריכים להכיר מושג חדש ועוצמתי:

השדה החשמלי – הדרך שבה כל מטען “צובע” את הסביבה שלו.

בפוסט הבא ניכנס לעומק ההגדרה של שדה, נלמד איך מודדים אותו, ואיך הוא פועל גם בלי מטען נוסף ליד.

🡸 [מעבר לפוסט על שדה חשמלי]