הכוח החשמלי הוא אחד מתוך ארבעת הכוחות היסודיים בטבע: כוח המשיכה, הכוח החשמלי, הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק.

החשמל פוגש אותנו בכל פינה בחיי היום יום: תופעות טבע ומזג אוויר (למשל ברקים), בטכנולוגיה החשמלית ובכל המכשירים והמוצרים שמתבססים עליה, ואפילו בתוך הגוף שלנו כחלק ממערכת העצבים.

מאיפה חשמל בכלל מגיע, ולמה הוא מתנהג כפי שהוא מתנהג?

מטען חשמלי

מקורו של הכוח החשמלי הוא קיומם של חלקיקים בעלי מטען חשמלי, שהיא תכונה פיזיקלית שלחלקיקים מסוימים יש – כמו למשל מסה, שהיא תכונה שיש לכל חלקיק והיא מקורו של כוח המשיכה. בניגוד למסה – אשר גודלה יכול להיות חיובי או אפסי בלבד, גודלו של המטען החשמלי יכול להיות גם שלילי.

במהותו, הכוח החשמלי גורם למטענים בעלי סימן שונה להימשך זה אל זה, ולמטענים בעלי סימן זהה להידחות זה מזה.

כל העולם שסביבנו בנוי מאטומים, ובמרכזו של כל אטום קיים גרעין המכיל שני חלקיקים – פרוטון ונויטרון. הפרוטון טעון במטען חשמלי חיובי, והנויטרון במטען ניטרלי (אפסי). את גרעין האטום מקיפים אלקטרונים – חלקיקים הטעונים במטען חשמלי שלילי, שערכו המוחלט שווה לזה של הפרוטון.

בחומרים מסוימים האלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות בין האטומים, וכך נוצר מצב שאלקטרונים רבים יכולים להימצא באיזור מסוים של החומר, כאשר באיזור אחר של החומר קיים מחסור באלקטרונים. חומר כזה נקרא – מוליך חשמלי.

מתח וזרם

זרם חשמלי

זרם חשמלי הוא תנועה של מטענים חשמליים (באמצעות האלקטרונים) דרך חומר מוליך (לדוגמה כבל חשמל או תיל). את המטען החשמלי בנקודה מסוימת במרחב מסמנים בדרך כלל כ- q או Q, ומודדים ביחידות קולון (C). את עוצמת הזרם החשמלי דרך מוליך נסמן בדרך כלל באות I ונמדוד ביחידות אמפר (A). לפי הגדרת הזרם כתנועה של מטען חשמלי (כלומר שינוי המטען החשמלי לאורך זמן בנקודה מסוימת במרחב), מתקיים הקשר הבא בין המטען החשמלי בנקודה מסוימת לבין עוצמת הזרם החשמלי באותה נקודה:

I=\frac{q}{t}

כאשר t מסמן את הזמן.

מתח חשמלי

למוליכים ישנה תכונה הנקראית "פוטנציאל חשמלי", אשר עשויה להיות שונה בין נקודות שונות של המוליך. הפוטנציאל החשמלי בנקודה מסוימת במוליך תלוי במטען החשמלי q באותה הנקודה. הקשר ביניהם מעט מורכב, אבל הם שומרים על יחס פרופורציה:

\varphi \propto q

כלומר ככל שהפוטנציאל החשמלי בנקודה כלשהי (\varphi) גדל, כך גם המטען באותה נקודה גדל, וככל שהפוטנציאל קטן, כך גם המטען קטן. ולהפך.

מתח חשמלי הוא הפרש הפוטנציאלים בין שתי נקודות, הוא מסומן על ידי האות V ונמדד ביחידות וולט (V). לכן מתח אינו גודל אבסולוטי אלא יחסי – תמיד נמדוד אותו ביחס לנקודה אחרת. כשאומרים "מתח הסוללה הוא 9V", מתכוונים שהפרש הפוטנציאלים בין שני הדקי הסוללה הוא 9 וולט.

הקשר בין זרם למתח

אחד מחוקי הטבע הכי בסיסיים בפיזיקה גורס כי המטען החשמלי בחומר מוליך ישאף להיות מפוזר עליו באופן אחיד, כלומר המרחק בין האלקטרונים החופשיים יהיה זהה בכל נקודה ונקודה על המוליך. חוק זה נובע מהדחייה החשמלית בין האלקטרונים, שכן מטענם זהה.

מיחס הפרופורציה בין הפוטנציאל לבין המטען החשמלי נובע שתנועת המטען בין חלקי המוליך גורמת גם לתנועה של פוטנציאל בתוך המוליך, בכיוון זהה לתנועת המטען. תופעה זו עובדת גם להפך:

כאשר אנחנו יוצרים באופן מלאכותי הפרש פוטנציאלים (מתח) בין נקודות שונות במוליך, הפוטנציאל ישאף לאזן את עצמו כך שיהיה שווה בכל המוליך – כלומר, חלק מהפוטנציאל יעבור מהנקודה שבה יש "יותר" פוטנציאל אל הנקודה שבה יש "פחות" פוטנציאל. וכפי שראינו, תנועת הפוטנציאל במוליך היא בעצם תנועת מטענים חשמליים במוליך, שהיא זרם חשמלי! כך שבמובן הכי בסיסי פיזיקלית, עצם קיומו של המתח החשמלי גורם להיווצרות זרם חשמלי אשר זורם מהפוטנציאל הגבוה אל הפוטנציאל הנמוך, עם כיוון המתח.

לבסוף הפרש הפוטנציאלים שיצרנו יתאפס – וכאשר הפוטנציאל משתווה בכל נקודה במוליך, המתח החשמלי שיצרנו במוליך יתאפס גם הוא.

אם הפוטנציאל והמתח פרופורציונליים למטען החשמלי, והמטען החשמלי פרופורציונלי לעוצמת הזרם החשמלי, אז בהכרח גם עוצמת הזרם החשמלי פרופורציונלית למתח החשמלי:

I \propto V

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

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.