בפוסט הקודם הכרנו את יסודות החשמל: מטען חשמלי, מתח וזרם. כעת, נבחן כיצד חומרים שונים משפיעים על תנועת הזרם ונציג חוק בסיסי וחשוב בפיזיקה והנדסת חשמל – חוק אוהם.

מהי התנגדות חשמלית?

כאשר זרם חשמלי נע בתוך מוליך, האלקטרונים נתקלים באטומים של החומר, מה שיוצר חיכוך ומגביל את הזרימה שלהם. תכונה זו נקראת התנגדות חשמלית, היא מסומנת באות R ונמדדת ביחידות אוהם (\Omega).

באופן אינטואיטיבי, אפשר לדמות את ההתנגדות למכשול שמאט את הזרימה – ככל שההתנגדות גבוהה יותר, כך קשה יותר לזרם לעבור דרך החומר.

חוק אוהם

הקשר בין מתח V, זרם I והתנגדות R מתואר על ידי חוק אוהם (שגילה הפיזיקאי גאורג אוהם):

V=I\cdot R

כלומר, המתח החשמלי בין שתי נקודות במעגל שווה למכפלת הזרם הזורם בהן בהתנגדות החשמלית שביניהן. ניתן לנסח זאת גם כך:

  • כאשר ההתנגדות קבועה, הגדלת המתח תגרום להגדלת הזרם.
  • כאשר המתח קבוע, הגדלת ההתנגדות תקטין את הזרם.
גאורג סימון אוהם. איזה מותק.

מה משפיע על ההתנגדות?

התנגדותו של מוליך תלויה במספר גורמים פיזיקליים:

  1. אורך המוליך – ככל שהמוליך ארוך יותר, ההתנגדות גבוהה יותר.
  2. שטח חתך המוליך – מוליך עבה יותר יאפשר מעבר קל יותר לזרם ולכן תהיה לו התנגדות נמוכה יותר.
  3. סוג החומר – כל חומר מוליך מתאפיין בהתנגדות סגולית שונה, התלויה במבנה האטומי שלו. ההתנגדות הסגולית של חומר היא מדד פנימי שמביע את ההתנגדות של החומר עצמו, ללא תלות בגודלו או צורתו של המוליך. ההתנגדות הסגולית נמדדת ביחידות אוהם מטר (\Omega \cdot m).

הנוסחה לחישוב התנגדות של מוליך באורך L ושטח חתך A היא:

R=\rho \cdot \frac{L}{A}​

כאשר:

R – התנגדות המוליך ב-\Omega,

\rho – ההתנגדות הסגולית של החומר ב-\Omega \cdot m,

L – אורך המוליך במטרים (m),

A – שטח חתך המוליך במטרים רבועים (m).

אנרגיה והספק חשמלי

בפיזיקה, אנרגיה נמדדת ביחידה ג'אול (J).

ההספק החשמלי הוא גודל פיזיקלי המייצג את קצב צריכת האנרגיה החשמלית. הוא מסומן באות P ונמדד ביחידות ואט (W), כשלמעשה הספק של ואט אחד אומר שנעשה שימוש בג'אול אחד בכל שנייה. כלומר:

[W]=\frac{[J]}{[s]}

את ההספק החשמלי ניתן לחשב על ידי מכפלת הזרם החשמלי במתח החשמלי:

P=V\cdot I

אם נזכור את חוק אוהם, נוכל להחליף את המתח V ב-I \cdot R, ואז נקבל את ההספק בצורה נוספת:

P=I^2\cdot R

כפי שניתן לראות, הספק במעגל תלוי ישירות בהתנגדות R של המוליך. ככל שהתנגדות המוליך גבוהה יותר, כך ההספק שמופק מהמוליך יהיה גבוה יותר, בתנאי שזרם החשמל נשאר קבוע.

באופן דומה, ניתן לחשב את ההספק גם באמצעות המתח:

P=\frac{V^2}{R}​

כל הנוסחאות הללו מדגישות את הקשר החשוב בין התנגדות, זרם ומתח, ואת השפעתם על האנרגיה המופקת במעגל.

במקרים רבים (למשל בחשבון החשמל בישראל) מודדים צריכת אנרגיה ביחידות קוט"ש – קילו ואט שעה. כלומר, האנרגיה שצורכת מערכת שהספקה קילו-ואט (1000 ואט) במשך שעה שלמה. נראה שזה מסתדר עם יחידות ג'אול:

[kWh]=1000[W]\cdot 1[hour]=\frac{1000[J]\cdot 1[hour]}{[seconds]}

=\frac{1000[J]\cdot 3600\cancel{[seconds]}}{\cancel{[seconds]}}=3.6\cdot 10^{6}[J]

ואכן חזרנו ליחידות אנרגיה.

בפוסט הבא נמשיך להעמיק בעולם ההתנגדות ונראה כיצד ניתן לחבר נגדים בטור ובמקביל, וכיצד שילובם משפיע על המעגל החשמלי.