יסודות בחשמל

כפי שראינו בפוסט הקודם בסדרה, החשמל פוגש אותנו בכל מקום – בטבע, בטכנולוגיה ואפילו בגוף שלנו. כדי להבין את עקרונות האלקטרוניקה, עלינו להבין מאיפה חשמל בכלל מגיע ולמה הוא מתנהג כפי שהוא מתנהג. לשם כך עלינו להתחיל מהמושג הבסיסי ביותר:

מטען חשמלי

הכוח החשמלי הוא אחד הכוחות היסודיים בטבע, ומקורו במטענים חשמליים. מטען חשמלי הוא תכונה פיזיקלית של חלקיקים – כמו הפרוטון והאלקטרון. המטען יכול להיות חיובי (כמו של הפרוטון) או שלילי (כמו של האלקטרון), והאינטראקציה בין מטענים היא שמייצרת את הכוח החשמלי: מטענים בעלי סימן שונה נמשכים, ומטענים בעלי סימן זהה דוחים זה את זה.

כל החומר שסביבנו מורכב מאטומים, שבמרכזם גרעין המכיל פרוטונים ונויטרונים. את הגרעין מקיפים אלקטרונים – חלקיקים בעלי מטען שלילי. באטום ניטרלי, מספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים, ולכן המטען הכולל של האטום הוא אפס. עם זאת, בחומרים מסוימים האלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות בין האטומים, מה שהופך אותם למוליכים חשמליים.

מתח וזרם

זרם חשמלי

זרם חשמלי הוא תנועה של מטענים חשמליים (בדרך כלל אלקטרונים) דרך חומר מוליך, כמו למשל תיל נחושת. כדי לכמת זאת, נסמן את כמות המטען החשמלי בנקודה מסוימת כ- או , ונמדוד אותו ביחידות קולון ().

הגדרת הזרם החשמלי בנקודה מסוימת היא קצב שינוי המטען בה לאורך זמן:

כאשר מסמן את עוצמת הזרם החשמלי ביחידות אמפר (), ו- הוא הזמן בשניות. כלומר, זרם של אמפר אחד משמעו מעבר של קולון אחד של מטען בכל שנייה דרך נקודה במוליך.

מתח חשמלי

לכל מוליך ישנה תכונה הנקראת פוטנציאל חשמלי, המסומנת ב-. הפוטנציאל החשמלי בנקודה תלוי במטען שבאותה נקודה, וקיים ביניהם יחס פרופורציונלי:

כלומר, ככל שהפוטנציאל גבוה יותר, כך המטען בנקודה יהיה גדול יותר, ולהפך.

מתח חשמלי מוגדר כהפרש הפוטנציאלים בין שתי נקודות, והוא מסומן ב- ונמדד בוולטים (). מתח אינו גודל מוחלט – תמיד מודדים אותו יחסית לנקודה אחרת. לדוגמה, כאשר אומרים ש-"מתח הסוללה הוא 9V", הכוונה היא שהפרש הפוטנציאלים בין הדקי הסוללה הוא 9 וולט.

הקשר בין זרם למתח

באופן טבעי, מטענים חשמליים נוטים להתפזר באופן אחיד בחומר מוליך בגלל כוחות הדחייה ביניהם. משמעות הדבר היא שהפוטנציאל החשמלי שואף להשתוות בכל חלקי המוליך.

כאשר אנו יוצרים באופן מלאכותי הפרש פוטנציאלים (כלומר, מתח) בין שתי נקודות במוליך, הפוטנציאל ישאף להתאזן – כלומר, מטענים יתחילו לנוע מהאזור בעל הפוטנציאל הגבוה לאזור בעל הפוטנציאל הנמוך. תנועת המטענים הזו היא הזרם החשמלי. כלומר, באופן אינטואיטיבי:

משמעות הדבר היא שכאשר קיים מתח חשמלי בין שתי נקודות במוליך, יזרום ביניהן זרם שעוצמתו גדלה ככל שהמתח גדל, ולהפך. הקשר המדויק ביניהם יתברר בהמשך, כאשר נציג את חוק אוהם בפוסט הבא.