זרמים חשמליים Electric Currents עד היום דיברנו על אלקטרוסטאטיקה: מטענים שאינם נעים ויוצרים שדות, פוטנציאליים וכו'. מהיום נדבר על זרמים – מטענים נעים. חשוב:

Presentazione sul tema: "זרמים חשמליים Electric Currents עד היום דיברנו על אלקטרוסטאטיקה: מטענים שאינם נעים ויוצרים שדות, פוטנציאליים וכו'. מהיום נדבר על זרמים – מטענים נעים. חשוב:"— Transcript della presentazione:

1 זרמים חשמליים Electric Currents עד היום דיברנו על אלקטרוסטאטיקה: מטענים שאינם נעים ויוצרים שדות, פוטנציאליים וכו'. מהיום נדבר על זרמים – מטענים נעים. חשוב: בהתקנים חשמליים המטענים הנעים הם אלקטרונים (כלומר, מטען שלילי זורם ממקום למקום). במערכות ביולוגיות (וגם במערכות טבעיות אחרות) לעיתים היונים הם שנעים.

2 סוללה (battery) : התקן המייצר הפרש פוטנציאל חשמלי קבוע בסוללה ישנה המרת אנרגיה לטובת יצירת הפרש פוטנציאל חשמלי קבוע (בסוללות סטנדרטיות מקור האנרגיה הוא ריאקציות כימיות). לרוב סוללות מורכבות מאוסף של תאים חשמליים (electrical cells), המייצרים כל אחד חלק מהפוטנציאל ממציא הסוללה הראשונה – Alessandro Volta בשנת 1800 (הגיע לרעיון מניתוח צפרדעים)

3 מהי המשמעות של החזקת הפרש פוטנציאל חשמלי קבוע (1)? במונחים אלקטרוסטאטיים: אם נפעיל מפל פוטנציאל חשמלי חיצוני על מוליך, אלקטרונים במוליך ינועו עד שיווצר במוליך פוטנציאל חשמל הפוך, והפרש הפוטנציאל נטו בתוך המוליך יהיה אפס  הפוטנציאל במוליך קבוע  השדה במוליך יהיה אפס (תתקבל קונפיגורציה אלקטרוסטאטית) V (external potential drop) ---- + - -------------- ------------------ עודף מטען שלילי עודף מטען חיובי V (induced potential) - +

4 מהי המשמעות של החזקת הפרש פוטנציאל חשמלי קבוע (2)? במונחים של זרמים: נניח שיש לנו מנגנון להחזיר את האלקטרונים שנעו שמאלה חזרה למקומם – נצליח להחזיק הפרש פוטנציאלים קבוע על המוליך – וכך יהיה בו גם שדה, ולכן גם זרם של מטען. שימו לב: דרוש מסלול סגור במוליך + - - סימון אוניברסאלי לסוללה

5 מה בעצם עושה הסוללה? חשוב: הסוללה איננה מייצרת מטענים הסוללה "מקפיצה" אלקטרונים אל המצב הפוטנציאלי הגבוה שלהם (ליד הקצה השלילי), ובמוליך הם נעים אל הפוטנציאל הנמוך שלהם (ליד הפוטנציאל החיובי) אנאלוגיה: כדורים נופלים מפוטנציאל גבוה לנמוך (ואולי עושים עבודה בדרך במתקן כלשהוא). ה"סוללה" מחזירה אותם אל הפוטציאל הגבוה. ברור שהדבר כרוך בהשקעת אנרגיה על-ידי הסוללה.

6 זרם (current) של מטען מסומן ב i- ונמדד לפי כמות המטען העוברת במקום מסויים ליחידת זמן – [i]=charge/time,1Ampere  1C/1s (בספרים רבים מסמנים דווקא ב I -) ניתן להגדיר לזרם כיוון, ומקובל להגדירו לפי תנועת מטען חיובי (כלומר, הכיוון ה"רשמי" של הזרם הוא הפוך לכיוון הזרימה האמיתי – של האלקטרונים). חשוב : המוליך נשאר נייטראלי מבחינה חשמלית – האלקטרונים אמנם נעים, אך צפיפות המטענים החיוביים והשליליים שווה (שימור מטען).

7 כלומר.... + - - "כיוון הזרם"

8 מעגלים חשמליים (electrical circuits) לשם מה לנו להזיז אלקטרונים במעגלים? אנו ממירים את האנרגיה של הסוללה לאנרגיה חשמלית – תנועת המטענים ובתוך המעגל אנו ממירים את האנרגיה החשמלית לאנרגיה מסוג אחר i i הדוגמא הקלאסית: נורת חשמל: "חוט להט" – הוא מתלהט כשעובר בו זרם  החוט החם מקרין אור נראה

9 הערה על תנועת האלקטרונים במוליך האלקטרונים החופשיים נעים בתוך המוליך בתנועה אקראית (בגלל הטמפרטורה.....) v T כאשר מופעל שדה חיצוני, תנועת האלקטרונים מתאפיינת בסחיפה לפי כיוון השדה – drift velocity, v d v d <<v T (נרחיב על הלוח)

10 התנגדות סגולית ( Resistivity ) בחומרים – גם במוליכים מצויינים – האלקטרונים הנעים עוברים התנגשויות המקשות עליהם להתקדם לפי השדה החיצוני. "מידת ההתנגשויות" שונה מחומר לחומר ומכונה ההתנגדות הסגולית התנגדות ( Resistance ) עבור עצם (או התקן) נתון "מידת ההתנגשויות" תלוייה הן בצורת העצם והן בחומר ממנו הוא עשוי. היא מכונה ההתנגדות של העצם. עצם בעל התנגדות מכונה נגד (resistor) ההתנגדות קובעת כמה זרם יעבור בנגד בנוכחות מפל מתחים נתון.

11 חוק אוהם (Ohm’s Law) G.S. Ohm גילה בניסויים שהגדלת המתח על תיל מוליך מביאה להגדלת הזרם לפי המדידות (*) התקבל קשר לינארי בין המתח לזרם, i  V. זוהי דרך להגדרה כמותית של ההתנגדות של התיל, R, R=V/i  V=iR זהו חוק אוהם היחידות של התנגדות מכונות אוהם ומסומנות ב  -. 1  =1V/1A (*) – נכון רק כאשר ההתנגדות איננה תלוייה בזרם; לרוב נכון בקירוב

12 דוגמא: פנס הנורה בפנס חשמלי קטן מושכת זרם של 300mA מסוללה של 1.5V. מהי ההתנגדות שלה? R=V/i  R=1.5/0.3=5  נניח שכעבור זמן הסוללה נחלשת, ומפל המתח שהיא מייצרת יורדת ל 1.2V -. מהו הזרם בנורה? בהנחה שההתנגדות קבועה i=V/R  i=1.2/5=240mA

13 הספק ואנרגיה במעגל חשמלי כאשר כמות מטען dq עוברת מפל פוטנציאל V, סך האנרגיה המתקבלת היא dU=Vdq לכן, כדי לקיים מפל פוטנציאל V למשך הזמן שבו עובר מטען dq במערכת יש להשקיע אנרגיה dU. במעגל חשמלי שבו יש זרם i, dq=i  dt (dt הזמן שבו זרם הזרם ) האנרגיה היא dU=V  i  dt ולכן ההספק הוא P  dU/dt=iV להספק יחידות של אנרגיה לזמן, 1Watt=1Joule/1sec; 1Watt (current)=1Volt  1Ampere

14 הספק ואנרגיה במעגל חשמלי (המשך) הזרם תלוי במפל המתח דרך ההתנגדות V=iR לכן ניסוחים חלופיים למשוואת ההספק הם P=iV=i 2 R=V 2 /R דוגמא : מהי ההתנגדות של פנס של מכונית, הצורך 40W מסוללה של 12V? P=V 2 /R  R=V 2 /P=12 2 /40=3.6  שימו לב – חברת החשמל מחייבת אותנו לפי סך האנרגיה שאנו צורכים, ביחידות של הספק כפול זמן: קילווואט-שעה

15 תנור חימום חשמלי מושך זרם של 8A משקע המספק מפל פוטנציאל של 220V. מהי ההתנגדות של התנור? R=V/i=27.5  מהו ההספק שצורך התנור? P=iV=8  220=1760W=1.76kW ואם הוא פועל שבוע רצוף, מהו החיוב לחברת החשמל? 1week=168hours, U=1.76  168=295.68kW-hr שימו לב – חברת החשמל מחייבת אותנו לפי סך האנרגיה שאנו צורכים, ביחידות של הספק כפול זמן: קילו-וואט-שעה