אלקטרוניקה ומחשבים – יצחק, ברקת ושוהם כהן אתר מגמת אלקטרוניקה ומחשבים
שדה חשמלי – ההשפעה הבלתי נראית של מטען
תוכן עניינים
חיבור לפוסט הקודם – מה למדנו עד עכשיו?
בפוסט הקודם חקרנו את הכוח החשמלי: למדנו שמטענים חשמליים מפעילים כוחות של דחייה או משיכה זה על זה, בהתאם לגודלם, סימנם והמרחק ביניהם.
הכרנו את חוק קולון, שדרכו ניתן לחשב את עוצמת הכוח הזה, וראינו שמדובר בכוח עוצמתי בהרבה מכוח הכבידה – במיוחד בין חלקיקים קטנים כמו אלקטרונים ופרוטונים.
אבל שאלה אחת נשארה פתוחה:
איך מטען חשמלי מפעיל כוח על מטען אחר, מרחוק, בלי לגעת?
מה המנגנון שמאפשר לו "להרגיש" מטען אחר שנמצא במרחק?
כדי לענות על כך, אנחנו צריכים להכיר מושג פיזיקלי עוצמתי ועמוק:
השדה החשמלי.
👨🏫 עבור תלמידי חטיבה עליונה, שדה חשמלי הוא הצעד הראשון להבנה של מבנה האטום, מעגלים חשמליים ואפילו תנועה של אלקטרונים בתוך חוט.
👨🔧 עבור סטודנטים להנדסה, מדובר ביסוד תאורטי שמוביל למושגים כמו פוטנציאל, קיבול, פתרון משוואות לפונקציות שדה – ולכן חשוב להבין אותו לעומק כבר מההתחלה.
מהו שדה חשמלי?
השדה החשמלי הוא האזור שבו מורגש כוח חשמלי על כל מטען שייכנס אליו.
אפשר לדמיין אותו כמעין "הילה" שהמטען יוצר סביבו – סוג של מרחב השפעה בלתי נראה.
ברגע שמטען אחר נכנס לאותו שדה – הוא ירגיש כוח. גם אם אין ביניהם חוט, תווך או מגע פיזי.
במילים אחרות:
שדה חשמלי הוא הביטוי הפיזיקלי לכך שמטען "נוכח" גם בלי להיות במגע ישיר עם אחרים.
שדה חשמלי נחשב לשדה וקטורי – כלומר בכל נקודה במרחב שבו הוא קיים, יש לו גם עוצמה וגם כיוון.
זו תכונה חשובה במיוחד כאשר מנתחים תנועה של מטענים במרחבים תלת־ממדיים, או כשבודקים את השפעת השדה על זרם חשמלי.
איך מגדירים שדה חשמלי?
כדי להבין שדה חשמלי, מדענים משתמשים במושג מטען בדיקה – מטען חיובי קטן מאוד, שתפקידו לבדוק “מה קורה” במקום מסוים.
אם נכניס את מטען הבדיקה לנקודה כלשהי, והוא ירגיש כוח – סימן שבאותה נקודה קיים שדה חשמלי.
הגדרת השדה:
: עוצמת השדה (N/C – ניוטון לקולון)
F: הכוח החשמלי שפועל על מטען הבדיקה
q: גודל מטען הבדיקה (בקולון)
זה אומר:
השדה החשמלי הוא הכוח שפועל על כל קולון של מטען.
ככל שהשדה חזק יותר – הכוח על המטען גדול יותר.
למתקדמים:
ההגדרה הזו של שדה כיחס בין כוח למטען תקפה גם כשיש כמה מטענים שמפעילים כוחות בו זמנית – שכן כוח הוא גודל שמכיל סופרפוזיציה (סכימה וקטורית של השפעות).
שדה שנוצר על ידי מטען נקודתי
עכשיו בוא נניח שיש מטען אחד בלבד – נניח חיובי – ואנחנו רוצים לדעת מהו השדה שהוא יוצר סביבו.
כאן אנחנו משתמשים בנוסחה נוספת:
q: גודל המטען שיוצר את השדה.
r: המרחק ממנו (במטרים).
k: קבוע קולון:
שים לב:
🔹שדה תלוי רק במטען היוצר, לא במטען הבדיקה.
🔹ככל שמתקרבים למטען – השדה מתחזק משמעותית.
🔹ככל שמתרחקים – השדה נחלש בריבוע המרחק.
הסבר פיזיקלי עמוק יותר:
הירידה נובעת מכך שהשדה "מתפזר" על פני שטח כדורי. זה קשור ישירות ל־חוק גאוס, שמופיע בשלבים מתקדמים יותר בלימודי הנדסה.
ייצוג גרפי של שדה – קווים ויזואליים
כדי להבין איך נראה שדה, נוהגים לייצג אותו בעזרת קווים:
🔹סביב מטען חיובי – הקווים יוצאים החוצה
🔹סביב מטען שלילי – הקווים נכנסים פנימה
🔹ככל שהקווים צפופים יותר – כך השדה חזק יותר
חשוב לדעת: קווי השדה אינם אמיתיים – הם ייצוג חזותי בלבד, שנועד לעזור לנו להבין כיוון ועוצמה.
בתוכנות הדמיה ובפתרונות הנדסיים, משתמשים בקווי שדה כדי לחזות השפעה של מטענים על חומרים, אלקטרודות, מוליכים ועוד.
דוגמאות מהחיים
🔹ליד בלון ששפשפנו בשיער – השדה שנוצר גורם לניירות קטנים "לקפוץ" אליו
🔹ליד מחשבים ומסכים – נבנים שדות חשמליים שמושכים אבק
🔹סביב כל מוליך טעון – נוצר שדה שמשפיע על המרחב סביבו, גם אם לא נוגעים בו
בהנדסה: שדות חשמליים סביב כבלים ומוליכים הם שיקול משמעותי בתכנון בידוד, מרחקי בטיחות, והצפנה של אותות בתקשורת.
סיכום השפעות וגורמים
🔹השדה תלוי בגודל המטען היוצר ובמרחק ממנו
🔹ככל שהמטען חזק יותר – השדה חזק יותר
🔹ככל שמתרחקים – השדה נחלש
🔹השדה תמיד פועל על מטען חיובי לכיוון מסוים
🔹 אם נכניס מטען שלילי – הוא ינוע בכיוון ההפוך לשדה
למתקדמים: הכיוון של השדה נקבע לפי מטען בדיקה חיובי, ולכן תמיד מסומן מאותו כיוון. זה הבסיס לעבודה עם וקטורים בשדה חשמלי, שילמד בהמשך.
תרגול בסיסי
מטען חיובי של
2 * 10^-6
יוצר שדה.
מהו עוצמת השדה בנקודה במרחק 0.1 מטר ממנו?
פתרון
מבט קדימה: מהו פוטנציאל חשמלי?
אם הבנו ששדה חשמלי מפעיל כוח על מטענים –
אפשר עכשיו לשאול: כשהמטען זז בתוך השדה – האם יש לו אנרגיה?
התשובה היא כן – וזו בדיוק המשמעות של המושג הבא:
פוטנציאל חשמלי – האנרגיה ליחידת מטען במקום מסוים בשדה.
בפוסט הבא נצלול לעולם של פוטנציאל, מתח, עבודה, ולהבנה איך כל זה קורה בתא, בסוללה או בלוח חשמל.
🡸 [מעבר להסבר על פוטנציאל חשמלי]
