מקורות מתח – למה ואיך?

מה זה מקור מתח?

נניח שאנחנו רוצים להדליק נורה חשמלית. נגיד, אחת קטנה שצריכה מתח של 5V כדי לפעול, כזו:

ברשומה הקודמת בסדרה ראינו שמתח חשמלי הוא הפרש פוטנציאלים. לכן, כדי לספק לנורה מתח, נצטרך לדאוג שיהיה פוטנציאל גבוה בהדק החיובי שלה, ופוטנציאל נמוך יותר בהדק השלילי.

כמו כן ראינו כי גודל הפוטנציאל החשמלי פרופורציונלי לגודל המטען החשמלי באותה נקודה במרחב. אם כך, כדי לדאוג שיופעל על הנורה מתח של 5V, נצטרך למקם כמות מתאימה של מטענים חשמליים בהדקים שלה. כיוון שהמטען החיובי מגיע מהפרוטונים ואלו נייחים, נוכל להשתמש רק באלקטרונים. ובגלל שמטען האלקטרונים שלילי, נמקם אותם בהדק השלילי של הנורה. ככה:

בהדק השלילי יש לנו הרבה אלקטרונים עם מטענים שליליים, בהדק החיובי אין לנו מטענים שליליים. אכן נוצר הפרש פוטנציאלים בין ההדקים. כפי שראינו, הפוטנציאל / מטען שואף להתפזר באופן אחיד על פני המעגל החשמלי. לכן אלקטרונים יתחילו לנוע מההדק השלילי אל ההדק החיובי. אותה תנועת אלקטרונים היא הזרם החשמלי! ואכן הנורה תידלק.

בסופו של דבר יעברו מספיק אלקטרונים בין ההדקים כך שהמטענים והפוטנציאלים בשני הצדדים ישתוו. במצב כזה תנועת האלקטרונים תסתיים והמערכת תגיע לשיווי משקל. כלומר, הזרם החשמלי ייפסק והנורה לא תאיר.

וכאן נמצאת הבעיה. כי מעבר המטענים מתבצע מהר. מאוד מהר. ובפועל הנורה שלנו דלקה לכל כך מעט זמן, שעין אנושית כנראה לא תוכל להבחין בכך.

כדי לפתור את הבעיה הזו, נצטרך כלי שימשיך לתת עוד ועוד אלקטרונים להדק השלילי של הנורה, כדי שלא ייגמרו לנו האלקטרונים שמזינים את הזרם. והאמת שזה לבדו לא מספיק – נצטרך גם שאותו כלי ימשיך לקחת את האלקטרונים מההדק החיובי, כדי שלא יצטברו שם יותר מדי. אז בעצם, הכלי שאנחנו צריכים הוא כזה שמצליח לשמר לאורך זמן ארוך כרצוננו את מאזן האלקטרונים בין ההדק השלילי להדק החיובי, באופן שייצר הפרש פוטנציאלים קבוע ויציב שגודלו כרצוננו (בדוגמה הזו, 5V).

הכלי הזה הוא מקור מתח! וזו בדיוק הדרך שבה הוא עובד, על ידי העברה של אלקטרונים מההדק החיובי בחזרה אל ההדק השלילי.

אפשר להמשיל את המערכת הזו אל מגלשת מים – מים זורמים מראש המגלשה אל הבריכה שבתחתית, אך כדי שזרם המים יימשך צריך להשתמש במשאבה כדי להחזיר את המים מהבריכה בתחתית אל ראש המגלשה. במשל הזה, המשאבה היא מקור המתח.

קצת לא נוח לחשוב על מטען האלקטרונים השלילי, כי בפועל זה אומר שהזרם החשמלי זורם מהפוטנציאל הנמוך אל הפוטנציאל הגבוה – מההדק השלילי אל ההדק החיובי. לכן, באלקטרוניקה מקובל לחשוב "הפוך", וכשמדברים על הזרם החשמלי אנחנו מתנהגים כאילו המטענים שמרכיבים אותו הם חיוביים והם נעים מהפוטנציאל הגבוה אל הנמוך, למרות שפיזיקלית קורה ההפך.

כך שבעצם, מטעמי נוחות הזרם החשמלי שאנחנו מתייחסים אליו הוא בעצם "אנטי זרם" דמיוני. אבל זה בסדר. אמנם אנחנו לא מדייקים בהתנהגות הפיזיקלית של החלקיקים, אבל מעשית זה לא משנה.

סוללה חשמלית

סוללה היא דוגמה מושלמת למקור מתח שאנחנו נתקלים בו ביום־יום. בתוך הסוללה יש חומרים כימיים שונים שמתפרקים או מתחברים ומשחררים אלקטרונים במקום אחד ובולעים אותם במקום אחר. זה יוצר עודף של אלקטרונים בקוטב השלילי וחוסר של אלקטרונים בקוטב החיובי. ההפרש הזה בין הקטבים הוא המתח שהסוללה מספקת.

התהליך הכימי בסוללה ממשיך לפעול ולחדש את ההפרש בין הקטבים כל זמן שיש לו "דלק" (החומרים הכימיים). זה מה שמאפשר לסוללה לספק מתח קבוע למשך זמן רב, עד שהחומרים נגמרים והסוללה מתרוקנת.

במקרים רבים נקרא למקור חשמלי "ספק חשמלי".

עוד דוגמאות למקורות מתח

---

בפוסט הבא בסדרה נתחיל להתעמק בקשר שבין המתח החשמלי והזרם החשמלי, ונראה איך הם קשורים אל ההתנגדות החשמלית