הספר של דודי

פרק 1 -מבוא ומושגי יסוד בתורת החשמל

מטרות לימודיות

1.      התלמידים יגדירו מהו אטום ויתארו את מבנהו.

2.      התלמידים ימנו את ההבדלים בין פרוטונים לאלקטרונים.

3.      התלמידים יגדירו מהו מטען חשמלי ויחשבו מטען חשמלי בעבור חומרים בלתי מאוזנים.

4.      התלמידים יאפיינו חומר מוליך, חומר מבודד וחומר מוליך למחצה.

5.      התלמידים יגדירו מהו חוק קולון.

6.      התלמידים ימנו את סוגי הכוחות החשמליים הפועלים בין גופים טעונים.

7.      התלמידים יגדירו מהו שדה חשמלי ויתארו אותו באמצעות קווי שדה חשמלי.

8.      התלמידים יגדירו מהו פוטנציאל חשמלי.

9.      התלמידים יגדירו מהו הפרש פוטנציאלים.

1.2 מבנה האטום

• (Atom structure)

  האטום, החלק הקטן ביותר של היסוד שעדיין שומר על תכונותיו, מורכב מחלקים קטנים עוד יותר. הוא בנוי מגרעין המכיל בתוכו חלקיקים קטנים הקרויים פרוטונים וניטרונים. סביב הגרעין נעים במסלולים שונים שמהווים את שכבות האטום, חלקיקים נוספים הקרויים אלקטרונים (מקור המילה אלקטרון הוא ביוונית ופירושו ענבר). ראוי לציין כי המסה העיקרית של האטום מצויה בגרעין, משום שמסת הפרוטונים והניטרונים גדולה בהרבה (פי 1835) ממסת האלקטרונים. לכן הגרעין הוא זה שמהווה את החלק העיקרי במשקל האטום. נפח הגרעין קטן מאוד ביחס לנפח האטום הנקבע בעיקר על ידי מסלולי התנועה של האלקטרונים סביב הגרעין, כפי שמוצג באיור הבא (אותן שכבות שנעים בהן האלקטרונים הן אלו שקובעות את נפח האטום).

  
  

  מבחינה חשמלית לניוטרונים אין כל חשיבות ולכן לא נעסוק בהם בקורס זה.

  החלקיקים החשובים לענייננו הם האלקטרונים והפרוטונים. האלקטרונים נבדלים מן הפרוטונים בכך שיש להם מסה שונה ותכונה חשמלית מנוגדת.

   

  מסה

  המסה העיקרית של האטום מצויה בגרעין, משום שהפרוטונים מרוכזים בגרעין, ולהם מסה גדולה יותר מאשר מסת האלקטרונים. המסה נמדדת ביחידות גרם [kg]:

      

  מסה של אלקטרון:   [me = 0.9x[kg

  מסה של פרוטון:      [mp  =1.7x[kg

1.3 המטען החשמלי

• (Electric charge)

  כאמור, כל גוף בטבע מורכב ממספר רב של אטומים, כשמבחינה חשמלית הוא מצוי במצב “ניטרלי”. בתנאים מסוימים אפשר להפר את האיזון החשמלי בחומר, כך שהוא יהיה טעון מטען חשמלי לדוגמה, כשמשפשפים זה בזה שני גופים שונים, כגון  מוט גומי בבד, מתרחש תהליך של מעבר אלקטרונים מגוף אחד למשנהו. תופעה זו נקראת בשם חשמול , ואילו אותם גופים נקראים מחושמלים. אפשר לומר אפוא, כי באותם גופים נעשתה פעולת טעינה חשמלית.

   

  המטען החשמלי שיהיה בגוף המחושמל יכול להיות או מטען חיובי או שלילי.

  קיימים שני סוגים של מטען חשמלי, שכתוצאה מ”תאונה היסטורית” נקראים חיובי ושלילי (אין שום דבר חיובי במטען חיובי כמו שאין דבר שלילי במטען שלילי, אלו פשוט מטענים המפעילים כוחות בכיוונים מנוגדים).

  המטען החשמלי מסומן באות Q, יחידותיו “קולון” [C].

  המטען השלילי הבסיסי הוא האלקטרון  שסימנו  (-q). לעומתו, הפרוטון נושא מטען חשמלי חיובי וסימנו q)+). מטען האלקטרון שווה בגודלו  למטען הפרוטון אך הפוך בסימנו.

  גוף הטעון מטען חשמלי ביחידה של 1C מוגדר כריכוז עודף של 6.28×10¹⁸  אלקטרונים.

  מעניין אתכם לדעת מיהו קולון לחץ כאן http://www.sikumuna.co.il/w/images/Colonlaw1A.pdf.

   

  אטום המצוי במצב ניטרלי הוא אטום שבו מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים. אפשר לגרום לניתוקם של אלקטרונים מן האטום שלהם אם מספקים להם אנרגיה. למשל, על ידי שפשוף של שני גופים זה בזה, אפשר לגרום למעבר אלקטרונים מגוף לגוף. אותם אלקטרונים שעוברים הם  האלקטרונים החופשיים שנותקו מן האטום שלהם כתוצאה מפעולת השפשוף. במצב זה, מספר הפרוטונים בכל גוף לא השתנה, אך לעומת זאת בגוף אחד יש יותר אלקטרונים (לעומת פרוטונים) ובגוף האחר פחות.

  אותו גוף שלו חוסר באלקטרונים טעון במטען חשמלי חיובי (Np>Ne), ואילו הגוף שיש בו עודף אלקטרונים טעון במטען חשמלי שלילי  (Np<Ne).

  Np) מציין את מספר הפרוטונים ו- Ne מציין את מספר האלקטרונים).

   

  כלומר אטום שיצאו ממנו או יתווספו אליו אלקטרונים, ייקרא אטום בלתי מאוזן (אטום טעון מבחינה חשמלית). אנו מבחינים בין שני סוגי אטומים טעונים:

  –    אטום שקיבל אלקטרונים – נקרא בשם יון שלילי (אניון).

  –    אטום שאיבד אלקטרונים – נקרא בשם יון חיובי (קטיון).       

   

את מטען האלקטרון בערכו המוחלט ביחידות של קולון אפשר לחשב כך (מטען אלקטרון ופרוטון מקובל לסמן ב- q):

מאחר שמטען האלקטרון שווה בגודלו למטען הפרוטון אפשר לומר:

בכל אטום מאוזן מספר האלקטרונים שווה למספר הפרוטונים (Ne = Np), ולכן המטען החשמלי הכולל שווה אפס, או שאפשר לומר שהאטום ניטרלי מבחינה חשמלית.