אלקטרוניקה ומחשבים – יצחק, ברקת ושוהם כהן אתר מגמת אלקטרוניקה ומחשבים
מטען חשמלי – כל מה שצריך לדעת מהיסוד ועד הבנה מעמיקה
תוכן עניינים
האם אי פעם שאלת את עצמך למה בלון נדבק לקיר אחרי ששפשפת אותו בשיער?
או למה אתה חוטף "חשמל" כשאתה נוגע בידית מתכת בחורף?
כל זה מתחיל במושג בסיסי, כמעט קסום, שנקרא – מטען חשמלי.
אבל כדי להבין אותו באמת – לא מספיק לדעת שהוא "פלוס" או "מינוס".
צריך להיכנס לעולם של חלקיקים תת-אטומיים, אינטראקציות בלתי נראות, וכוחות שבונים את כל הטכנולוגיה שמסביבנו.
למה חשוב להבין מהו מטען חשמלי?
בלי הבנה ברורה של מטען חשמלי – לא תוכל להבין כמעט כלום בפיזיקה של חשמל, אלקטרוניקה או מערכות בקרה.
מטען הוא הבסיס של כל מעגל חשמלי. הוא הסיבה שזרם זורם, שדיודה פועלת, ששדה נוצר, ואפילו לכך שאותות דיגיטליים מייצגים מידע.
הוא קיים בכל דבר — מהאלקטרון הקטן ביותר ועד לשבבי מחשב מתקדמים.
מה זה בכלל מטען חשמלי?
המטען החשמלי הוא תכונה יסודית של חומר, בדיוק כמו מסה או נפח.
אבל במקום "כמה כבד" הגוף – המטען אומר לנו כמה חשמל יש בו, או יותר נכון – מה היכולת שלו ליצור או להגיב לשדה חשמלי.
ישנם שני סוגי מטענים:
1. מטען חיובי (לדוגמה: פרוטון)
2. מטען שלילי (לדוגמה: אלקטרון)
והכלל החשוב הראשון:
מטענים מנוגדים נמשכים זה לזה, ומטענים זהים דוחים זה את זה.
זו לא רק תופעה תיאורטית – זו אבן יסוד בכל חוקי החשמל והאלקטרוניקה.
המטען כמושג פיזיקלי:
1. המטען הוא גודל פיזיקלי שניתן למדידה.
2. הוא נשמר: כלומר, לא ניתן "לייצר" או "להעלים" מטען – הוא רק עובר ממקום למקום.
3. יחידת המדידה הבינלאומית של מטען היא: קולון (Coulomb)
ערכים לדוגמה:
חלקיק | סוג המטען | ערך המטען בקולון |
אלקטרון | שלילי | −1.6×10^−19C |
פרוטון | חיובי | +1.6×10^−19C |
כלומר – כדי להגיע ל־1 קולון של מטען, נצטרך כמות אדירה של חלקיקים:
1C=6.25×10^18
איך מטענים נוצרים ומועברים?
1. מקור המטענים – האטום
כדי להבין איך נוצר מטען, צריך להתחיל מהאטום.
האטום מורכב משלושה חלקיקים עיקריים:
א. פרוטונים – חיוביים, נמצאים בגרעין (כחול)
ב. נייטרונים – ניטרליים, גם הם בגרעין (אדום)
ג. אלקטרונים – שליליים, נעים מסביב לגרעין (צהוב)
במצב רגיל, יש שוויון בין מספר האלקטרונים לפרוטונים – ולכן האטום נייטרלי.
אבל מה קורה אם אלקטרון עוזב את האטום?
או אם נוסף לו אלקטרון מבחוץ?
אז נוצר יֹון – אטום טעון חשמלית, והוא מסוגל להשפיע על אטומים אחרים.
2. תהליך ההטענה
יש כמה דרכים להטעין גוף:
א. שפשוף – כמו בלון על שיער. האלקטרונים "קופצים" מגוף אחד לשני, ומשאירים עודף של מטען.
ב. מגע – שני גופים נוגעים ומעבירים ביניהם מטענים עד שמתחילים להשוות פוטנציאלים.
ג. השפעה (אינדוקציה) – כאשר גוף טעון מתקרב לגוף נייטרלי, הוא דוחה או מושך אלקטרונים בו, גם מבלי לגעת.
דוגמה מוחשית:
כאשר אתה שוטף ידיים ונוגע בידית מתכת – לפעמים אתה מקבל "זרם קטן".
זה לא זרם אמיתי אלא פריקה של מטען חשמלי שנצבר על הגוף שלך (בד"כ בגלל שפשוף בגדים יבשים, שטיחים וכו').
3. התנהגות של מטענים בגופים שונים
סוג חומר | מה קורה עם המטענים? | דוגמה |
מוליך | המטענים נעים בקלות | מתכת, מים עם מלחים |
מבודד | המטענים לא נעים בקלות | גומי, פלסטיק |
מוליך למחצה | תכונות ביניים, תלוי בתנאים | סיליקון, גרמניום |
במוליכים, מטענים חופשיים נעים על פני השטח במהירות.
במבודדים, המטען נצמד לאזור מסוים ולא מתפשט.
חוק שימור המטען החשמלי
זהו אחד מחוקי היסוד בפיזיקה:
סך כל המטען במערכת סגורה נשמר תמיד.
כלומר: אם אלקטרון עוזב גוף אחד ונכנס לאחר – המטען הכולל לא השתנה, רק עבר מקום.
במעגל חשמלי – זו אחת הסיבות לכך שזרם חשמלי הוא מעגלי וסגור: מה שיוצא, חייב לחזור.
דוגמה מהעולם האמיתי – מדפסות לייזר
מדפסת לייזר פועלת באמצעות טעינה חשמלית:
הגליל הראשי נטען, והלייזר מוחק חלקים מהמטען כדי ליצור תמונה.
אבקת הטונר (שגם היא טעונה) נמשכת רק לאזורים ה"נכונים", ומשם מועברת לדף.
כל זה – רק בזכות התכונה שנקראת מטען חשמלי.
