החומר למבחן
– מטען חשמלי.
– זרם חשמלי.
– חוק אוהם.
– מתח.
– אנרגיה.
– הספק.
– מעגל טורי.
– מעגל מקבילי.
הקדמה
הסיכום מורכב משלושה חלקים:
1. הסיכום עצמו. שכולל את המידע הכללי והמידע התאורתי.
2. סיכום של הסיכום. כולל טבלה של כל המונחים הראשיים.
3. דף נוסחאות.
סיכום למבחן בהעשרה – חשמל
מטען חשמלי
כללי
שם – כמות המטען. q
יחידת מידה – c קולון.
נוסחה – 6.2*1018אלקטרונים=1c
תיאורתי
- מטען חשמלי עשוי להיות מסוג חיובי או מסוג שלילי — המטען החשמלי של גוף נקבע לפי עודף או חוסר אלקטרונים.
- הוספת אלקטרונים לגוף גורמת לו להפוך לבעל מטען שלילי — עודף אלקטרונים יוצר מטען שלילי.
- הסרת אלקטרונים מגוף גורמת לו להפוך לבעל מטען חיובי — חוסר באלקטרונים גורם למטען חיובי.
- ניתן למדוד את גודלו של המטען החשמלי של גוף — קיימות שיטות למדידה כמותית של המטען.
- המטען החשמלי הקטן ביותר האפשרי הוא מטען של אלקטרון יחיד — המטען של אלקטרון הוא יחידת המטען הבסיסית.
עוצמת הזרם החשמלי
כללי
שם – עוצמת הזרם I.
יחידת מידה –A אמפר.
נוסחה – I=q/t (איי=קיו חלקי טי)
תיאורתי
עוצמת הזרם החשמלי תלויה בשני גורמים:
כמות המטענים – q.
זמן בשניות – t.
– ככל שכמות המטענים גדלה, עוצמת הזרם גדלה.
– ככל שהזמן גדל, עוצמת הזרם קטנה.
אמפר: עוצמת הזרם החשמלי במוליך שווה לאמפר אחד כאשר תזרום במוליך הזה כמות של קולון אחד בשנייה אחת.
תנועת מטענים
זרם חשמלי
זרם חשמלי הוא תנועה של מטענים שליליים הנעים בצורה מסודרת ובכיוון אחד.
כדי שיווצר זרם חשמלי בתוך חומר, עליו להכיל מספר גדול מספיק של אלקטרונים חופשיים שיוכלו לנוע בתוכו וליצור את הזרם. חומרים בעלי תכונה זו נקראים מוליכים, משום שהם מאפשרים מעבר חופשי יחסית של אלקטרונים דרכם. לעומתם, קיימים חומרים הקרויים מבודדים, אשר אינם מסוגלים להוליך זרם חשמלי, מכיוון שאין בהם כמות מספקת של אלקטרונים חופשיים. הסיבה לכך נעוצה במבנה האטומי של המבודדים, שמקשה על שחרור אלקטרונים מתנועתם סביב הגרעין ומונע את היווצרות הזרם.
דוגמאות לחומרים מוליכים (מהמוליך הטוב ביותר לפחות טוב):
כסף – המוליך החשמלי הטוב ביותר מבין המתכות.
זהב – מוליך מצוין, עמיד בפני קורוזיה ולכן משמש לציפוי חיבורים חשמליים.
נחושת – מוליך טוב מאוד, נפוץ בשימוש בכבלים וחוטי חשמל.
ברזל – מוליך טוב, אך פחות יעיל מנחושת ומזהב.
גוף האדם – מוליך בגלל הנוזלים המלוחים שבתוכו, אך יעילות ההולכה נמוכה מזו של מתכות.
מים (שאינם מזוקקים) – מוליך במידה מסוימת בשל המומסים שבו (כגון מלחים); מים טהורים כמעט ואינם מוליכים.
דוגמאות לחומרים מבודדים (מהמבודד הטוב ביותר לפחות טוב):
קרמיקה – מבודד מצוין, משמש בבידוד קווים במתח גבוה.
גומי – מבודד טוב מאוד, משמש בכיסויי חוטים וכפפות מגן.
פלסטיק – מבודד טוב, נפוץ בבידוד חוטי חשמל וכלים חשמליים.
עץ יבש – מבודד טוב בתנאי שהוא יבש לגמרי.
נייר – מבודד, אך חלש יחסית ונפגע בקלות בלחות או קריעה.
כמובן שהתנועה המסודרת של האלקטרונים אינה מתרחשת מעצמה, אלא נוצרת בעקבות פעולה של גורם חיצוני. גורם זה נקרא מתח חשמלי, והוא זה שיוצר את הכוח הדרוש כדי לגרום לאלקטרונים לנוע באופן מכוון בתוך המוליך וליצור זרם חשמלי.
מה ניתן למדוד בזרם חשמלי? – כמות וזמן.
מתח והתנגדות במעגל החשמלי
התנגדות – כללי
שם – התנגדות (או צרכן, הצרכן יוצר את ההתנגדות). R
יחידת מידה – אום.
נוסחה – R=V/I
תיאורתי
תפקיד הצרכן הוא להמיר את האנרגיה החשמלית המגיעה אליו לאנרגיית שימוש אחרת בהתאם לצורך. הצרכן קולט את האנרגיה החשמלית ומבצע המרה לאנרגיה מסוג אחר, כגון אנרגיית אור (במנורה), אנרגיית חום (במכשיר חימום), אנרגיה מכנית (במנוע) או אנרגיית קול (ברמקול). כלומר, הצרכן משמש חוליה חשובה בשרשרת האנרגיה בכך שהוא מאפשר שימוש מעשי באנרגיה החשמלית שהתקבלה.
חישוב עוצמת הזרם עפ"י מתח (ראה למטה) והתנגדות :
I=V/R
– ככל שמקור המתח (V) גדל – עוצמת הזרם גדלה.
– ככל שההתנגדות (R) גדלה – עוצמת הזרם קטנה.
חוק אוהם
במעגל החשמלי, עוצמת הזרם (I) שווה למתח חלקי ההתנגדות.
היחסים האלה מוגדרים בחוק אוהם ע"י שלוש נוסחאות, שהן בעצם הצגה שונה של אותה משוואה:
I=V/R , V=I*R , R=V/I
מתח – כללי
שם – מתח V.
יחידת מידה –וולט v.
נוסחה –V=I*R (וי שווה איי כפול אר)
מתח – תיאורתי
מקור המתח:
כאשר נוצר מתח חשמלי, הוא יוצר שתי נקודות בעלות מטענים מנוגדים: נקודה אחת טעונה במטען שלילי (מינוס) ונקודה שנייה טעונה במטען חיובי (פלוס). הנקודה השלילית היא בעלת רמת אנרגיה חשמלית גבוהה יותר, בעוד שהנקודה החיובית נמצאת ברמת אנרגיה חשמלית נמוכה יותר. הפרש האנרגיה הזה יוצר כוח דחף שגורם לאלקטרונים לנוע בכיוון מסוים — מן הנקודה שבה האנרגיה גבוהה יותר (המינוס) לעבר הנקודה שבה האנרגיה נמוכה יותר (הפלוס), וכך נוצר הזרם החשמלי.
דוגמאות למקורות מתח:
סוללה, חברת החשמל, דינמו ועוד…
אנרגיה חשמלית
כללי
שם – אנרגיה חשמלי. Ee
יחידת מידה –ג'ול J
נוסחה –Ee=V*I*t (אי שווה וי כפול איי כפול טי) או Ee=V*q
תיאורתי
כמות האנרגיה החשמלית שבה משתמש מכשיר חשמלי בזמן פעולתו תלויה בשלושה גורמים עיקריים:
במתח החשמלי שאליו מחובר המכשיר (V) — המתח הוא הגורם שיוצר את הכוח שמניע את האלקטרונים במעגל, וככל שהמתח גבוה יותר, כל מטען שמעביר הזרם מעביר עמו יותר אנרגיה.
בעוצמת הזרם שזורמת במכשיר (I) — הזרם החשמלי מציין כמה מטענים עוברים דרך המכשיר בכל שנייה. ככל שעוצמת הזרם גדולה יותר, כך כמות המטענים העוברת גדלה, ולכן מועברת יותר אנרגיה בזמן נתון.
במשך הזמן שבו המכשיר פועל (t) — ככל שהמכשיר פועל יותר זמן, כך הוא צורך יותר אנרגיה מצטברת, כי התהליך נמשך לאורך זמן ארוך יותר.
הספק חשמלי
כללי
שם – הספק. P
יחידת מידה –וואט. w
נוסחה –P=I*V
תיאורתי
הספק חשמלי הוא מדד ליכולת של מכשיר או גוף לבצע עבודה או להעביר אנרגיה בפרק זמן מסוים. במילים אחרות, ההספק מציין כמה אנרגיה מועברת או מנוצלת בכל שניית פעולה של המכשיר.
לדוגמה, נניח שיש לנו מנוף ופועל שניהם מסוגלים לבצע את אותה העבודה בדיוק ולהשקיע את אותה כמות של אנרגיה לצורך כך. ההבדל הוא בזמן שבו הם מבצעים את המשימה: הפועל יידרש לזמן רב יותר כדי להשלים את העבודה, כיוון שאין לו אפשרות להשקיע כמות גדולה של אנרגיה בפרק זמן קצר. לעומת זאת, המנוף מסוגל להשקיע אנרגיה רבה בזמן קצר ולסיים את העבודה מהר יותר. ליכולת זו — להשקיע כמות מסוימת של אנרגיה בפרק זמן נתון — אנו קוראים הספק. לכן נאמר שההספק של הפועל קטן מההספק של המנוף, כיוון שהמנוף מצליח לבצע את העבודה באותו היקף אנרגיה אבל בזמן קצר יותר.
האנרגיה שמסוגל לגלגל מכשיר בזמן מסוים תלויה בשני גורמים:
1. ההספק שלו P.
2. הזמן שהוא פועל.
לחישוב האנרגיה החשמלית באמצעות הספק וזמן משתמשים בנוסחה:
P*t=Ee
מעגל מקבילי
מהו מעגל מקבילי?
מעגל מקבילי הוא מעגל שבו הצרכנים מחוברים במקביל אחד לשני.
יתרונותיו של המעגל המקבילי
מעגל מקבילי מהווה פתרון לבעיות ולמגבלות הקיימות במעגל טורי. במעגל טורי, כל הרכיבים מחוברים זה אחרי זה באותו הנתיב, ולכן תקלה ברכיב אחד עלולה לגרום להפסקת הזרם בכל המעגל. לעומת זאת, במעגל מקבילי כל רכיב מחובר כאילו הוא נמצא לבדו במעגל — כלומר, כל רכיב מקבל ישירות את אותו המתח מהמקור החשמלי, בלי שהמתח מתחלק בינו לבין שאר הרכיבים. המשמעות היא שכל רכיב במעגל מקבילי מקבל את מלוא המתח הנדרש לו לפעול בצורה תקינה, ממש כמו לו היה מחובר בנפרד למקור החשמל.
יתרון חשוב נוסף של מעגל מקבילי הוא שאם אחד הרכיבים (או הצרכנים) מפסיק לפעול או יוצא מכלל שימוש, הדבר אינו משפיע על הפעולה של שאר הרכיבים במעגל. שאר הרכיבים ממשיכים לפעול כרגיל ולקבל את האנרגיה הדרושה להם מהמקור. בזכות תכונה זו, מעגלים מקביליים נפוצים מאוד במערכות חשמליות בבתים, במבנים ובמכשירים שונים, שם חשוב שכל מכשיר יוכל לפעול באופן עצמאי וללא תלות ברכיבים האחרים.
חישובים ונוסחאות במעגל המקבילי
הנתונים בכל הדוגמאות בסעיפים
המתח הזורם במעגל המקבילי הוא 240 וולט. במעגל המקבילי יש שני צרכנים (התנגדויות). התנגדות צרכן 1 היא 2 אום והתנגדות הצרכן השני היא 4 אום.
לחישוב עוצמת הזרם החשמלי בכל אחד מן המוליכים
משתמשים בנוסחה למציאת זרם חשמלי (I=V/R) על כל אחד מן הנתונים.
דוגמא:
I1=V/R1=240/2=120A
I2=V/R2=240/4=60A
לחישוב ההספק החשמלי בכל אחד מן הצרכנים
משתמשים בנוסחה למציאת הספק חשמלי (P=I*V) על כל אחד מן הנתונים.
דוגמא:
PR1=I1*V=120*240=28800w
PR2=I2*V=60*240=14400w
לחישוב הזרם הכולל במעגל
מחברים את כל הזרמים של כל המוליכים במעגל (הזרמים חושבו מקודם!!)
דוגמא:
IT=I1+I2=120+60=180A
לחישוב ההספק הכולל במעגל
יש לחשב שתי נוסחאות. אם לא יוצאת אותה התוצאה בשתי הנוסחאות, יש טעות באחד החישובים.
הנוסחאות הן:
PT=IT*V (הזרם הכולל כפול המתח)
PT=PR1+PR2 (חיבור כל ההספקים של כל הצרכנים)
דוגמא:
PT=180*240=43200w
PT=28800+14400=43200w
מעגל טורי
מהו מעגל טורי?
מעגל טורי הוא מעגל שבו הצרכנים מחוברים בסדר אחד אחרי השני.
חסרונו של המעגל הטורי
במעגל הטורי ההספק קטן יותר מאשר במעגל המקבילי.
חישובים ונוסחאות במעגל המקבילי
הנתונים בכל הדוגמאות בסעיפים
המתח הזורם במעגל הטורי הוא 220 וולט. במעגל הטורי יש שני צרכנים (התנגדויות). התנגדות צרכן 1 היא 7 אום והתנגדות הצרכן השני היא 8 אום.
לחישוב ההתנגדות הכוללת במעגל
מחברים את התנגדויות כל אחד מהמוליכים.
דוגמא:
RT=7+8=15 אום
לחישוב הזרם הכולל במעגל
משתמשים בנוסחה לחישוב זרם חשמלי. (I=V/R)
דוגמא:
IT=V/RT=220/15=14.66A
שימו לב! – הזרם הכולל הוא הזרם הזורם דרך כל ההתנגדויות (צרכנים) במעגל!
לחישוב המתח בכל אחד מן הצרכנים (התנגדויות)
משתמשים בנוסחה לחישוב מתח (V=I*R) על כל אחת מן ההתנגדויות (משתמשים בזרם הכולל).
דוגמא:
VR1=I*R1=14.66*7=102.62v
VR2=I*R2=14.66*8=117.28v
לחישוב ההספק של כל אחד מן הצרכנים
משתמשים בנוסחה לחישוב הספק (P=V*I) על כל אחד מן המתחים (משתמשים בזרם הכולל).
דוגמא:
P1=V1*I=102.62*14.66=1504.40w
P2=V2*I=109.28*14.66=1602.04w
לחישוב ההספק הכולל במעגל החשמלי
בעת חישוב ההספק החשמלי במעגל, חשוב לבצע את החישוב בשתי דרכים שונות — על פי שתי נוסחאות שונות — כדי לוודא את הדיוק של התוצאה. יש לחשב את ההספק פעם אחת לפי הנוסחה הספק = מתח × זרם (P = V × I), ופעם שנייה לפי הנוסחה הספק = אנרגיה / זמן (P = E / t) או נוסחה אחרת רלוונטית בהתאם לנתונים.
לאחר שמבצעים את שני החישובים, התוצאה המתקבלת בשתי הדרכים צריכה להיות זהה או לפחות קרובה מאוד. אם התוצאות אינן תואמות, הדבר מעיד על כך שבאחד מהחישובים נפלה טעות — ייתכן בטעות בחישוב עצמו, בהצבת הנתונים, או בהבנה של הנתונים שניתנו. במקרה כזה יש לבדוק היטב את החישובים, לאתר את השגיאה ולתקן אותה כדי לוודא שההספק חושב בצורה נכונה.
הנוסחאות הן:
PT=IT*V (הזרם הכולל כפול המתח [הכולל])
PT=PR1+PR2 (חיבור כל ההספקים של כל הצרכנים)
טבלת מונחים כללית
סיכום בהעשרה – חשמל
| סימון | שם | יחידת מידה | נוסחה | משמעות |
מטען חשמלי | q | קולון | c קולון | q=I*t או q=6.2*1018 | כמות המטען החשמלי |
זרם חשמלי | I | אמפר | A אמפר | q/t=I או V/R=I | זרם של מטענים חשמליים |
התנגדות | R | התנגדות | אום | R=V/I | ההתנגדות שמביע צרכן לזרם החשמלי |
מתח | V | וולט | v וולט | V=I*R | העוצמה שבה האלקטרונים נזרקים למוליך |
אנרגיה חשמלית | Ee | אנרגיה חשמלית | J ג'ול | Ee=V*I*t | אנרגיה חשמלית המתגלגלת במעגל |
הספק | P | וואט | w וואט | P=V*I | הזמן שלוקח למכשיר לבצע עבודה מסוימת בפרק זמן נתון |