ההתנגדות החשמלית וחוק אוהם

בפוסטים הקודמים 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. ההתנגשויות הללו יוצרות חיכוך שמגביל את תנועת האלקטרונים. תופעה זו נקראת זו נקראת התנגדות חשמלית. ההתנגדות מסומנת באות ונמדדת ביחידות אוהם ().

באופן אינטואיטיבי, אפשר לאפשר לחשוב על ההתנגדות כמכשול שמאט את הזרימה: ככל שההתנגדות גדולה יותר, כך קשה יותר לזרם לעבור דרך החומר. כל רכיב חשמלי בעל התנגדות חשמלית כלשהי נקרא צרכן – רכיב שצורך אנרגיה. דוגמאות לכך הן נורה, מנוע או אנטנה.

מה משפיע על ההתנגדות?

ההתנגדות של מוליך תלויה במספר גורמים פיזיקליים:

1. אורך המוליך – ככל שהמוליך ארוך יותר, ההתנגדות גבוהה יותר.
2. שטח חתך המוליך – מוליך עבה יותר מאפשר זרימה קלה יותר, ולכן תהיה לו התנגדות נמוכה יותר.
3. סוג החומר – לכל חומר יש התנגדות 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 מבטאת את התנגדות החומר עצמו, ללא תלות בצורה או בגודל המוליך, ונמדדת ביחידות אוהם מטר ().

הנוסחה לחישוב התנגדות של מוליך היא:

כאשר:

– התנגדות המוליך (),

– ההתנגדות הסגולית של החומר (),

– אורך המוליך במטרים (),

– שטח חתך המוליך במטרים רבועים ().

דוגמאות להתנגדות סגולית של חומרים

חומר	התנגדות סגולית
כסף	1.59×10−8
נחושת	1.68×10−8
זהב	2.44×10−8
אלומיניום	2.65×10−8
ברזל	9.70×10−8
סיליקון	2.3×103
עץ	1×103
זכוכית	1×1011
אוויר	1×1015

חוק אוהם

הקשר בין מתח , זרם והתנגדות מתואר על ידי חוק אוהם, שנוסח לראשונה על ידי הפיזיקאי גאורג סימון אוהם:

כלומר, המתח החשמלי בין שתי נקודות במעגל שווה למכפלת הזרם הזורם בהן, בהתנגדות החשמלית שביניהן.

אפשר לתאר זאת גם כך:

• כאשר ההתנגדות קבועה – הגדלת המתח תגדיל את הזרם, ולהפך.
• כאשר הזרם קבוע – הגדלת ההתנגדות תגדיל את המתח, ולהפך.
• כאשר המתח קבוע – הגדלת ההתנגדות תקטין את הזרם, ולהפך.

חשוב תמיד לשים לב מי המשתנה הקבוע במשוואה – זה המפתח להבנת יחסי הגומלין בין שלושת המשתנים.

בסימולציה הבאה ניתן לשחק עם חוק אוהם, להחליט מי מהמשתתפים נשאר או נשארים קבועים, ולראות איך זה משפיע על הערכים האפשריים של המשתתפים שאינם קבועים

נגדים

נגד הוא אחד הרכיבים הבסיסיים והנפוצים ביותר באלקטרוניקה. הנגד מתנגד לזרימת הזרם החשמלי ושולט בכמות הזרם העוברת במעגל. כל נגד מתוכנן כך שתהיה לו התנגדות חשמלית קבועה ומדויקת, בהתאם לערך הרשום עליו (למשל ‎1 kΩ‎ או ‎10 Ω‎).

באופן מעשי, נגדים משמשים למגוון מטרות, את כולן נראה בהמשך הסדרה:

• הגבלת זרם – לדוגמה, מניעת זרם גבוה מדי בנורה או בנורית לד.
• יצירת חלוקת מתח – שני נגדים או יותר יכולים לחלק את המתח ביניהם ביחס לערכיהם.
• שליטה בעוצמה – במגברי שמע, חיישנים וממשקים אלקטרוניים, נגדים מאפשרים לקבוע רמות רגישות או עוצמה.

קיימים נגדים מסוגים שונים – קבועים, משתנים (פוטנציומטרים), טרמיסטורים הרגישים לטמפרטורה ועוד – אך לכולם עיקרון פעולה דומה: הפיכת חלק מהאנרגיה החשמלית לחום כתוצאה מההתנגדות לזרם. בפוסט הבא בסדרה נלמד איך זה קורה, כשנדבר על אנרגיה והספק חשמליים.