חשמל

חשמל (מלטינית electricus) – הוא אוסף של תופעות הנגרמות על ידי קיומם, אינטראקציה ותנועה של מטענים חשמליים. המונח הוצג על ידי חוקר הטבע האנגלי וויליאם גילברט. עבודה שלו מסבירה את פעולתו של מצפן מגנטי ומתארת ​​כמה ניסויים עם גופים מחושמלים. הוא גילה שחומרים שונים יכולים להיות מחושמלים.

החשמל הוא מונח פיזי בשימוש נרחב בטכנולוגיה ובחיי היומיום. כמות האנרגיה שמספקת תחתנת כוח לרשת החשמלית או המתקבלת מהרשת על ידי הצרכן נמדדת. יחידת המדידה הבסיסית לייצור וצריכה של אנרגיה חשמלית היא קילוואט-שעה (וכפולותיה).

לתיאור מדויק יותר נעשה שימוש בפרמטרים כגון מתח, תדירות, זרם הנקוב והמקסימלי. חברות וצרכני אנרגיה חשמלית בשוק הקמעונאי משלמים לחברת החשמל בשקלים עבור כל קילוואט-שעה נצרך (₪/קוט"ש). ביטוי המחיר (₪/אלף קילוואט-שעה) משמש בדרך כלל בשוק הסיטונאי.

החשמל שנכנס לביתנו מופק על ידי תחנות כוח. מכאן הוא עובר דרך קווי חשמל גדולים המובילים אותו לתחנות משנה. לבסוף, קווי חלוקה מובילים אותו מתחנות משנה לבתים, חנויות, משרדים, עסקים, בתי ספר ודירות.

נושאי מטען החשמלי יכולים להיות:

• במתכות – אלקטרונים;
• באלקטרוליטים – יונים (קטונים ואניונים);
• בגזים – יונים ואלקטרונים;
• בוואקום בתנאים מסוימים – אלקטרונים.

כמעט כל האטומים יכולים לאבד ולצבור אלקטרונים. לכן, אם לחלקם יש עודף מהם, בעוד שלאחרים יש מחסור, אז האלקטרונים המודרכים בידי כוחות חשמליים ימהרו להתאחד. זרימה זו נקראת זרם חשמלי.

בנג'מין פרנקלין מקבל את כל הקרדיט על גילוי החשמל, אבל כל מה שהוא עשה זה בעצם מצא קשר בין ברק לחשמל. צ'ארלס פרנסואה דופאי; לואיג'י גלוואני; אלסנדרו וולטה; מייקל פאראדיי; תומס אלווה אדיסון וניקולה טסלה תרמו תרומות משמעותיות יותר לפיתוח ומסחורו.

השימוש בחשמל מספק דרך נוחה למדי להעברת אנרגיה, המתאימה למגוון משמעותי ועדיין הולך וגדל של יישומים מעשיים. אחד השימושים הציבוריים הראשונים בחשמל היה שימוש בתאורה. התנאים לכך נוצרו לאחר המצאת מנורה ב 1879 בידי תומאס אדיסון.

היסטוריה וגילוי חשמל בידי מדענים

מדענים רבים עשו מחקרים וניסויים רבים לגילוי החשמל עוד מתקופת הביניים. 

• בשנת 1663 יצר הגרמני אוטו פון גריקה את המכונה האלקטרוסטטית הראשונה. היא הדגימה בבירור את השפעות המשיכה והדחייה של החשמל סטטי.
• בשנת 1729, המדען האנגלי סטיבן גריי התנסה בהעברת החשמל למרחקים וגילה שלכל החומרים יש יכולת שונה להעביר זרם.
• בשנת 1745, המדען ההולנדי פיטר ואן מושנברוק יצר את הקבל החשמלי הראשון בעולם.
• האמריקאי בנג'מין פרנקלין כתב את התיאוריה הראשונה של החשמל. הציג את המושגים של מטענים חיוביים ושליליים, המציא את מוט הברקים והוכיח את הטבע החשמלי של הברק.
• ב-1785, עם גילוי חוק קולון, חקר החשמל הוכר רשמית על ידי מדענים כמדע מדויק.
• בשנת 1800, הפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה המציא את מקור הזרם הישיר הראשון.
• בשנת 1821 הוכיח אמפר הצרפתי שהקשר בין תופעות החשמל והמגנטיות קיים רק אם מופעל זרם חשמלי.
• עבודותיהם של המדענים המפורסמים ג'ול, לנץ, אוהם עזרו בגילוי חוקי החשמל הבסיסיים.
• בשנת 1830 ניסח הגרמני קרל גאוס את המשפט היסודי של תורת השדה האלקטרוסטטי.
• בשנת 1831 גילה האנגלי מייקל פאראדיי אינדוקציה אלקטרומגנטית ויצר את המחולל הראשון בעולם של אנרגיה חשמלית. ב-1834 הוא גם ביסס את חוקי האלקטרוליזה, הציג את המושגים של שדות מגנטיים וחשמליים. המדען הוא גם הבעלים של יצירת המנוע החשמלי הראשון בעולם.
• בשנת 1873, הפיזיקאי הסקוטי ג'יימס מקסוול פיתח את התיאוריה של תופעות אלקטרומגנטיות והקשר בין החשמל למגנטיות.
• בשנת 1888, הפיזיקאי הגרמני היינריך הרץ הוכיח בניסוי את קיומם של גלים אלקטרומגנטיים.
• בשנת 1897 גילה האנגלי ג'וזף תומסון את נושא החשמל של החומר, האלקטרון.
• במהלך המאה ה-20 נוצרה תורת האלקטרודינמיקה הקוונטית.

תורת החשמל

החשמל היא תופעה בסיסית בטבע הקשורה לתנועה של חלקיקים טעונים. היא מהווה בסיס לתהליכים טכנולוגיים רבים ומשפיעה באופן משמעותי על חיי היומיום שלנו. במאמר זה נבחן את מושגי היסוד בתורת החשמל.

תורת החשמל מבוססת על חוקי יסוד:

• חוק שימור האנרגיה, השולט בתופעות חשמליות.
• חוק אוהם, שהוא החוק הבסיסי של זרם חשמלי.
• חוק האינדוקציה האלקטרומגנטית עוסק באינטראקציה בין שדות אלקטרומגנטיים ומגנטיים.
• חוק אמפר, המציב את הכללים לאינטראקציה של שני מוליכים עם זרמים.
• חוק ג'ול-לנץ, שגילה את ההשפעה התרמית של החשמל.
• חוק קולומב עוסק בחשמל אלקטרוסטטי.
• חוקי יד ימין ושמאל שעוזרים לקבוע את הכיוונים של קווי השדה המגנטי וגם של כוח האמפרה הפועל על מוליך בשדה מגנטי.
• הכלל של לנץ, המאפשר לקבוע את כיוון זרם האינדוקציה.
• חוקי פאראדיי העוסקים באלקטרוליזה.

מושגי יסוד בתורת החשמל

במדריך זה נדבר על מושגי יסוד בתורת החשמל ושיטות מניעת התחשמלות בעת עבודות חשמל בבתי מגורים. כנ"ל נתייחס גם לנוסה תדירות ומתח חשמלי בעולם ובארץ.

זרם חשמלי – הינו כמות החשמל העוברת במוליך בשנייה, מבוטא באמפר (A). על המבטיחים, המותקנים על כל מעגל חשמלי, מצויין כמה זרם יכול לעבור דרכו. לתאורת דירה נדרש בדרך-כלל מבטיח של 10 אמפר (A10). למעגלים מיוחדים (מוזנים בנפרד מלוח החשמל), המיועדים למכשירים בעלי הספק חשמלי גבוה יותר, כמו דודי חימום, תנורי חשמל או מזגנים, נדרשים מפסקים של 25 אמפר (A25). זרם המפסקים חייב להיות נמוך יותר מזרם המבטיח הראשי. מפסק ראשי לדירה אינו גדול מ 3*45 אמפר.

מתח חשמלי – הפרש הפוטנציאל (לחצים) בין שתי נקודות, הגורם לזרימת זרם חשמלי, מבוטא בוולט (V). מתח חשמלי ברשת הוא כמעט קבוע (יש מפל מתח בהתאם לעומס ברשת).

הספק חשמלי – הינו כמות הזרם החשמלי ביחידת זמן, המבוטא בואט (W). על כל מכשיר חשמלי ועל כל נורה חשמלית מצוין כמה ואט המכשיר צורך. דוגמא: הנורה צורכת W100, מגהץ W1500, תנור לבישול ואפייה W3000, מזגן בין W900-2500 ויותר.

אם מעמיסים מעגל נתון בכמה מכשירים, הדורשים זרם חשמלי גדול מיכולתו של המעגל (עומס יתר), ינתק המבטיח את הזרם במעגל.

אנרגיה חשמלית – שהיא כמות הזרם הזורמת בגלל המתח החשמלי זמן מסוים, מבוטאת בקילו-ואט-שעה (קוט"ש).

מטען חשמלי – היא תכונה של הגוף, המתבטאת בעיקר ביכולת ליצור שדה חשמלי סביב עצמו ודרכו להשפיע על גופים טעונים אחרים. מטענים חשמליים מחולקים לחיובים ושלילים. גופים טעונים במטען של אותו סימן דוחים, וגופים טעונים הפוך מושכים.

כאשר גופים טעונים נעים, נוצר שדה מגנטי וכך מתרחשות תופעות המאפשרות לבסס את הקשר בין חשמל למגנטיות. במבנה החומר, מטען חשמלי כתכונה של גופים חוזר לחלקיקים אלמנטריים טעונים, למשל, לאלקטרון ולאנטיפרוטון יש מטען שלילי, בעוד לפרוטון ולפוזיטרון יש מטען חיובי. 

הקשרים בין זרם, מתח, הספק ואנרגיה חשמלית

החשמל התבסס כל כך חזק בחיי האדם, עד כדי כך זה שלרובם נתפס כמובן מאליו כברכה של הציוויליזציה. אנשים נזכרים עד כמה הוא חשוב ומשמעותי במהלך תאונות ועבודות מתוכננות. כאשר מתברר כי למעשה שום דבר לא עובד ללא זרם חשמלי. 

זרם * מתח = הספק

הספק * זמן = אנרגיה חשמלית

המונה רושם את האנרגיה החשמלית הנצרכת ביחידות של קוט"ש. למשל, אם מכשיר חימום ביתי צורך W2000 ופועל ברציפות 3 שעות, תירשם במונה צריכה של 6 קוט"ש. לכל קוט"ש תעריף, המשתנה מדי פעם בפעם.

עוצמת הזרם היא המהירות שבה אלקטרונים עוברים דרך נקודה מסוימת במעגל חשמלי סגור. אמפר (A) היא יחידה בינלאומית למדידת הזרם.

מתח ותדירות בארץ ובעולם

בארץ ובאירופה החשמל מסופק במתח קבוע של V220 וולט ובתדירות קבועה של 50 הרץ (זרם חילופין). בארצות הברית מסופק החשמל במתח קבוע של כ – V110 ותדירות 60 הרץ.

כל מכשיר מותאם לשימוש במתח מסוים. שימוש לא נכון במכשיר עלול לגרום שהמכשיר לא יפעל כראוי או יישרף.

שנאי (טרנספורמטור) משנה את המתח ברשת ומתאים אותו למתח הפעולה של המכשיר. את המושג תדירות לא נסביר כאן, אף נציין כי מכשירים כגון שעון חשמלי, המיועדים לשימוש בארצות הברית, לא יהיו טובים לשימוש בארץ. על-ידי שנאי נוכל לשנות מתח 110 וולט ל 220 וולט, אף התדירות השונה תגרום לשעון להסתובב במהירות לא נכונה ולעוות את הזמן.

הגנה מפני התחשמלות

תקלה במכשיר או טיפול לא נכון במתקן חשמלי עלולים לגרום להתחשמלות, שיכולה להסתיים אפילו במוות.

כדי למנוע סכנה זו, "חוק החשמל" קובע כי רק חשמלאי מוסמך יכול לטפל במתכנים אלו. כמו כן קיימים גם אמצעים שונים, שתפקידם למנוע התחשמלות.

כללים למניעת התחשמלות

1. יש לבנות מתכני החשמל בצורה שתבטיח הפרדה מוחלטת בין חלקי המכשיר נושאי הזרם ובין חלקי המכשיר שהמשתמש נוגע בהם.
2. יש להבטיח שבזמן תקלה, ינותק הזרם במעגל לפני שייגרם נזק לאדם.

שיטות למניעת התחשמלות בבית מגורים רגיל.

• הארקה – גוף המכשיר מחובר לגוף מתכתי הנמצא בקרקע (הערכת יסוד). כאשר מתרחשת תקלה בגוף המכשיר, זרם חשמלי יזרום לקרקע באמצעות חיבור הארקה. בכך מפסק הפחת יגרום לניתוק הזרם המסופק למכשיר.
• מפסק פחת – המפסק מנתק את הזרם במעגל כאשר יש דליפת זרם (אם מתרחשת תקלה במכשיר או נוצר מגע בין המשתמש לחלק הנושא את נמתח). המפסק רגיש מאוד, מגיב מיד ונחשב לבטוח, אף מחייב בדיקה תקופתית פשוטה.
• בידוד כפול – במכשירים ביתיים רבים, כמו מכונות כביסה, מערבלים, שואבי אבק, מקדחות וכו', מבצעים בידוד כפול. שתי מערכות בידוד, שאינן תלויות זו בזו, מפרידות בין חלקי המעגל החשמלי ובין חלקי המתכת החיצוניים. אמצעי זה מגן מפני סכנת התחשמלות ואין צורך באמצעים נוספים.

כאן תוכלו למצוא מידע שימושי אודות בחירה של מוצרי חשמל ואביזרים: מחסני חשמל