יסודות תורת החשמל

מבוא לחשמל והגדרות יסודיות [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

מבנה האטום • ממה בנויים החומרים בעולם שלני? • החומר בנוי מיסוד אחד או צירוף של מספר יסודות שונים • יסודות- חומרים שלא ניתן לפרק אותם לחומרים שונים. • אטום- הוא חלקיק קטן מאוד ולא ניתן לראות אותו בעין. מהו האטום? האטום הוא החלקיק הקטן ביותר של יסוד כימי שבו נשמרות תכונות היסוד. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

חומרים בנויים מ- אטומים בנויים - אלקטרונים(e( בעלי מטען חשמלי שלילי (-) גרעין בעל מטען חיובי(+) מהווה את מסת האטום ניטרונים (n( ניטרליים מבחינה חשמלית (0( פרוטונים (p( בעלי מטען חשמלי חיובי (+) [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

· כולן במצב צבירה מוצק בטמפ' החדר (מלבד כספית תכונות המתכות: שהיא נוזלית בטמפ' החדר). ·ניתנות לריקוע·בעלות ברק·מוליכות חום· מוליכות חשמל · יכולות להימצא בשלושת מצבי הצבירה במטפ' החדר תכונות האל מתכות: (מוצק,נוזל,גז). · לא בעלות ברק · לא מוליכות חשמל · לא מוליכות חום קבוצתהמתכות למחצה היא קבוצה בעלת יסודות אשר הנם מתכות למחצה. ליסודות הללו יש תכונות ביניים · לא ניתנות לריקוע. בן מתכות לאל-מתכות, שתי הקבוצות האחרות. אין דרך מיוחדת להבדיל בין המתכות למחצה לבין המתכות, ההבדל העיקרי בין שתי הקבוצות הוא שהיסודות של קבוצה זו הם מוליכים למחצה. הולכה למחצה שלחום וחשמלמושפעת לרוב מהשפעות חיצוניות כגון טמפרטורה ואור ולכן הן שימושיות מאוד באלקטרוניקה. (מסומנות באפור בטבלה בשמאל). מתכות למחצה [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

סוגי חומרים בטבע: בטבע ישðם כ 118 -חומרי יסוד קרויים יסודות ומהם ðיתן ליצור, ע"י תרכובות וכדומה, כל חומר שקיים במציאות שלðו. תכוðות החומרים המרכזיות על פרטים ðיתן למצוא בטבלה הðקראת הטבלה המחזורית. במסגרת לימודי החשמל ðתעðייןבחלוקה של החומרים ל 3 -סוגים: 1 .חומרים מוליכים - מספר גדול של אלקטרוðים חופשיים. 2 .חומרים מבודדים - מספר קטן של אלקטרוðים חופשיים. 3 .חומרים המוליכים למחצה - מתðהג כמוליך וכמבודד לפי תðאים משתðים. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

אלקטרונים חופשיים והולכה חשמלית אלקטרונים חופשיים: אלקטרון אחד או שניים מכלל האלקטרונים שבאטום, שמשיכתם החשמלית לפרוטונים שבגרעין חלשה מאוד. אלקטרונים אלו מתנתקים בקלות מהאטום ויוצאים ממנו. מדוע מתכות מוליכות חשמל ? בתוך גוף המתכת מצויים האלקטרונים החופשיים והם נמצאים כל הזמן בתנועה. תנועה זו של האלקטרונים היא ללא כיוון מוגדר ואחיד (הם נעים לכל כיוון) . אבל, כאשר אנו מחברים את המוליך המתכתי למעגל סגור (עם סוללה או ספק חשמלי אחר), הספק החשמלי גורם לאלקטרונים החופשיים לנוע בכיוון אחד – וכך נוצר זרם חשמלי. מדוע חומרים מבודדים לא מוליכים חשמל ? , חומרים מבודדים עשויים מיסודות שבאטומים שלהם אין אלקטרונים חופשיים בחומרים אלה, הסוללה לא יכולה לגרום לאלקטרונים אחרים לנוע בכיוון אחד בתוך החומר. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

חומרים מוליכים ומבודדים מוליכותו החשמלית של חומר מסוים היא מידת היכולת של זרם חשמלי לעבור בחומר. ככל שמוליכות של החומר תהיה גבוהה יותר, היכולת של הזרם לעבור בו תהיה גבוהה יותר, המוליכות החשמלית הפוכה להתנגדות החשמלית . המוליכות החשמלית של חומר נובעת מכמות האלקטרונים הקיימים בו, כיוון שהם המאפשרים יצירת זרם חשמלי. חומר בעל מוליכות גבוהה נקרא מוליך, וחומר בעל מוליכות נמוכה נקרא נגד, כאשר ביניהם קיימים גם חומרים הנקראים מוליכים למחצה. קיימים גם חומרים שאינם מאפשרים העברת זרם חשמלי דרכו, והם נקראים מבודדים. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

מוליכים מבודדים נחושת עץ אלומיניום זכוכית כסף חרסינה זהב פלסטיק פלדה אוויר [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

הגדרות יסודיות: מטען חשמלי: תכוðה פיזיקאלית של החומר הגורמת לאיðטראקציה חשמלית עם מטעðים אחרים. מטען חשמלי יכול להיות חיובי או שלילי. גוף הטעון במטען חיובי הוא גוף המורכב מיוðים חיוביים (שיחרר ממðו אלקטרוðים לסביבה). גוף הטעון במטען שלילי הוא גוף המורכב מיוðים שליליים (קיבל אלקטרוðים מהסביבה). מטען מסמðים באות Q ויחידותיו הן קולון (c , (כגון: 2c Q. . q 1.610 c , q 1.610 c : p -19 e 19 [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

דוגמה: גוף טעון מטען חשמלי של 5.4 קולון, מהו מספר האלקטרונים בגוף זה N = = 1.6 x10 c e [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

כוחות בין מטענים בין שני מטענים זהים בסימן יש כוח דחיה , בין שני גופים בעלי מטענים שונים , יש כוח משיכה. Q1 Q2rהמרחק בין המטענים ערך המטען הראשון ביחידות Cקולון ומסומן באות ערך המטען השני ביחידות קולון ]Nהוא הכוח בין שני המטענים ביחידות ניוטון [F F = K * 10ଽ ∗ 9 הוא מספר קבוע השווה ל- K

דוגמה : חשב את הכוח בין שני מטענים המרוחקים 5.0 מטר זה מזה, ערך המטען הראשון הוא 6.0 קולון והמטען השני 3.0 קולון . Q1= 0.6c Q2= 0.3cr = 0.5m F = K * F = 9* * = 6.48* רואים ששני המוענים חיוביים לכן הכוח ביניהם הוא כוח דחיה Q1= 0.6c Q2= 0.3c r = 0.5m F F

שדה חשמלי: כוח חשמלי ליחידת מטען הפועל על גוף במרחב. שדה חשמלי פועל על גופים הטעוðים במטען חשמלי במצב סטטי ובזמן תðועה. ויחידותיו: E שדה חשמלי מסומן באות N. . C [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

כוח חשמלי: כוח שמרגיש גוף הטעון במטען q בתווך בו שורר שדה חשמלי E. כוח חשמלי ðתון בðוסחה : q*E = F . יחידות הכוח הן ניוטוניים (N. ( תנועת מטענים ביחס לשדה חשמלי: מטעðים חיוביים יðועו עם כיוון השדה החשמלי ומטעðים שליליים יðועו ðגד כיוון השדה החשמלי. שדה מגנטי: תכוðה מרחבית המפעילה כוחות מגðטיים על גופים הטעוðים במטען חשמלי בתðועה. שדה מגðטי מסומן באות (B (ויחידותיו הן טסלה (T. ( כוח מגנטי: כוח שמרגיש גוף הטעון במטען q וðע במהירות v בתוך תווך שבו שורר שדה מגðטי Bכאשר הזווית שבין כיוון השדה לתðועת הגוף היא . את הכוח המגðטי ðיתן לחשב ע" : sin qBv FM. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

זרם, מתח והתנגדות: זרם חשמלי: עוצמת הזרם היא כמות המטען החשמלי העוברת דרך חתך של מוליך במשך יחידת זמן אחת. ככל שקצב מעבר המטעðים במוליך (מספר האלקטרוðים בשðייה) גדול יותר, כך עוצמת הזרם גדולה יותר. [A [Iעוצמת הזרם החשמלי. = [A = [I קשרים בין יחידות [c [Qכמות המטען החשמלי. [sec [tמשך זמן של שנייה. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

דוגמה, במשך 40שניות עובר דרך מוליך מטען שגודלו 20 קולון, חשב את הזרם דרך המוליך. פתרון: t = 40 secQ = 20 cI = ?I = = 0.5 A [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

צפיפות זרם חשמלי: צפיפות הזרם מוגדרת בתור סך הזרם I ליחידת שטח A j = మ קשרים בין יחידות * [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

חישוב מספר אלקטרונים: מספר האלקטרוðים העוברים במטען כולל של Q הוא : qe =1.6. :כאשרିଵଽהוא מטען האלקטרון. מתח חשמלי: מתח חשמלי הוא הפרש פוטðציאלים v1 -v2 = U .יחידות : v U. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

התנגדות ומוליכות חשמלית: מוליכות חשמלית מתוארת כמידת הקלות שבה חומר מאפשר לתðועת מטעðים חופשיים דרכו. המוליכות מצייðת את היחס שבין הזרם למתח החשמלי על פðי חומר מסוים:ההתðגדות החשמלית של חומר מוגדרת בתור היכולת של חומר להתðגד לתðועת מטעðים חופשיים דרכו והיא שווה ליחס שבין המתח לזרם שעל פðי החומר: ௎ ூ התנגדותו של תיל מוליך למעבר אלקטרונים דרכו מושפעת ממספר גורמים: l-אורך המוליך (נמדד במטרים) m. A-שטח חתך של מוליך (נמדד ב ממ"ר) mm². com.gmail@Lhyosif–התנגדות סגולית , סוג החומר ממנו עשוי המוליך, נמדד ביחידות m/mm² יוסף נעמה – 5644996-050

התנגדויות של חומרים שונים: התðגדותו של חומר באורך L עם שטח חתך A ובעל התðגדות סגולית תחושב באופן הבא: .L m , A mm² , mm²/m : כאשרטבלת התðגדות סגולית של חומרים שוðים: A שטח חתך mm² [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

תרגיל : חשב מהי התנגדות מוליך נחושת באורך 120 מטר ושטח חתך של 5.2 ממ"ר = 0.018 mm²/m L = 120 m A = 2.5 mm² = 0.864Ω [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

תרגילים: 1 (מצא את המטען העובר בתיל במשך 3 שðיות אם ידוע כי סך הזרם הðמדד הוא 12mA I. 2 (מצא את סך המטען שעובר בתיל במשך שעה אם ידוע כי הזרם . I 6 A הוא מדדðה3 (צרכן צורך מטען כולל של 12kC במשך 8 שעות. מה הזרם שיקבל הצרכן? 4 (צרכן צורך מטען כולל של 480kC במשך יממה שלמה (24 שעות). מה תהיה עוצמת הזרם? [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

תלותההתנגדות בטמפרטורה כפי שראינו, הגורמים המשפיעים על התנגדותו של מוליך : 1-אורך המוליך ( מטר) 2-שטח חתך המוליך (ממ"ר) 3-ההתנגדות הסגולית של החומר 4-טמפרטורת הסביבה של המוליך באופן ניסיוני נקבע, כי שינוי הטמפרטורה (Ɵ , (של החומר , גורם לשינוי התנגדותו הסגולית . [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

עם עליית הטמפרטורה עולה התנגדות המתכות, לעומת זאת, התנגדות הפחם, חומרי הבידוד והתמיסות יורדת. בשם מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות אנו מכנים את שינוי ההתנגדות לכל אום, כאשר הטמפרטורה משתנה במעלה אחת צלסיוס. הסימון המקובל של מקדם הטמפרטורה הוא (α (והיחידות של מקדם הטמפרטורה היא ºC/1 לכל חומר וחומר מקדם טמפרטורה (α (משלו . [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

דוגמא: חשב את ההתנגדות הסגולית של ברזל בטמפרטורה c°120. α20= 0.005 ρ20 = 0.12 : הלוח לפי Δθ = 120-20 = 100ºc : הוא בטמפרטורה השינוי : לכןρθ = ρ20 x (1 + αΔθ) = 0.12 x (1 + 0.005x100) = 0.18Ωהואהדין לגבי התנגדות , לכן נוכל לרשום : Rθ = R20 x (1 + αʌθ) [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

חוק אוהם, פוטנציאל והפרש פוטנציאלים, תנועת אלקטרונים. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

חוק אוהם מספק את הקשר בין המתח החשמלי "הפרש פוטנציאלים" לעוצמת הזרם והתנגדות הצרכן . המתח החשמלי מייצג את הכוח שדוחף את תנועת האלקטרונים והא מקור האנרגיה שלנו ( חיבור מחברת החשמל, מערכת סוללות, גנרטור...) חוק אוהם קובע את שני הפרמטרים הבאים : א -מה שקובע את עוצמת הזרם זה הפרש הפוטנציאלים , לדוגמה למכשיר מסוים יהיה הבדל אם הוא יחובר לקצה ראשון למתח של 50 וולט בשני המקרים ההפרש הוא 50 וולט.ולקצה השני ל- 0 וולט או אם הוא יחובר בין 200 וולט ל 150 וולט ז"א ב-חוק אוהם קובע שכיוון הזרם דרך צרכן יהיה מהפוטנציאל הגבוה לנמוך, בכל מעגל חשמלי יש נקודת ייחוס פוטנציאלים ( ה 0V ( וכל פוטנציאל בודד נמדד יחסית לנקודת ה 0V. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

Ua–הוא הפוטנציאל בנקודה a Ub–הוא הפוטנציאל בנקודה b Uab = Ua – Ub- + Uba = Ub - Ua [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

חוק אוהם: עבור חומר מסוים, הðמצא בין שתי ðקודות פוטðציאל שוðות במרחב היוצרות מתח Uלאורכו ובו זורם זרם I ההתðגדות שלו מוגדרת בתור היחס שבין המתח לזרם: צורות הכתיבה של חוק אוהם: Ua UbI [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

הערות: 1 .ðגד הוא רכיב פאסיבי, כלומר רכיב שמגיב ביחס ישיר למתח המורגש עליו 2 .החוטים במעגל החשמלי הם אידיאליים, ז"א ללא התðגדות : 0 R . והזרם שעובר דרכו. .UAB UBA : ולכן UAB vB vA : יחושב קודותð שתי בין מתח. [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

תרגיל דוגמה: מוליך נחושת באורך של 300 מטר בעל שטח חתך של 5.1 ממ"ר מחובר למערכת חשמלית בין הנקודות B,A. נתון שהפוטנציאל בנקודה A הוא 6 וולט . א-מה יהיה הפוטנציאל בנקודה B כאשר זורם זרם של 2.5 אמפר מנקודה A ל- B. ב-נמדד דרך אותו מוליך מטען של 3600 קולון במשך 12 דקות , מהן האפשרויות של המתח בנקודה Bג -חיברו לנקודה B פוטנציאל של 5V -חשב כעת את הזרם וכיוונו במוליך ומהו המטען שעבר במוליך במשך 5.6שעות . [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

[email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

הספק, יח‘ HP , אנרגיה, מאזן ההספקים, נצילות, נתיך/פיוז, נתונים נומינאליים [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

, שמציין את כמות העבודה ר ִגָּיּה היא גודל פיזיקלי סקלרי ְ נ ֶ בפיזיקה, ֵאהיכולה להיעשות על ידי כוח. אנרגיה על פי ההגדרה היא היכולת לבצע עבודה הניתנת למדידה כמותית . עבודה נעשית כאשר כוח מניע גוף כל שהוא לאורך של דרך. האנרגיה או העבודה המושקעת בהנעת הגוף תלויה במסה של הגוף ובמרחק שעבר אחד החוקים החשובים והבסיסיים ביותר בעולם הפיסיקה הוא חוק שימור האנרגיה " החוק קובע כי אנרגיה אינה נוצרת מאפס ואינה הופכת לאפס אלה רק פושטת ולובשת צורה חדשה. האנרגיה חייבת לבוא ממקור כל שהוא ולעולם אינה מושמדת בפיזיקה, ְסָקָלרהוא גודל פיזיקלי חד ממדי, כלומר כזה שניתן לתארו על ידי מספר ממשי יחיד. לסקלר אין כיוון, אלא גודל בלבד: למשל, טמפרטורה ומסה הן סקלרים [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

האנרגיה החשמלית היא סוג אנרגיה שאפשר להמיר לסוגים אחרים של אנרגיה - אנרגיית אור, חום, אנרגיית תנועה ועוד. אנרגיה חשמלית : היא צורת אנרגיה נוחה מאוד לשימוש בחיי היומיום . אולם לא כמו פחם ונפט, אנרגיה חשמלית אינה מצויה בטבע בצורה שאנו יכולים לנצלה את האנרגיה החשמלית צריך אם כן להפיק. בתהליך הפקת האנרגיה החשמלית , לדוגמה זה שנעשה בתחנת – חשמל , אנרגיה מכנית של תנועה המחולל ( הגנרטור) מתגלגלת לאנרגיה חשמלית. מה היא אנרגיה חשמלית ? [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

כדי לחמם 1 גר' מים במעלה צלזיוס אחת , צריכים אנרגיה 4.2J שלאז כדי לחמם כוס קפה של 250 גר' : E = ’גר250 X צלזיוס מעלות 80 X 4.2= 80000 J הגדרת יחידת אנרגיה: [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

אנרגיה חשמליים: אנרגיה חשמלית: אðרגיה חשמלית האגורה במטען q השרוי במתח UAB היא : qUAB E. .E J Cv : יחידות בין קשריםכל מטען האגור בצרכן חשמלי , ממיר אנרגיה, כמות האנרגיה המותרת בצרכן המחובר למקור מתח מסוים נקרא חוק ג'אול E = U * I * t E = U * Q Q = I * t [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050

הספק חשמלי: הספק של גוף מוגדר בתור האðרגיה ליחידת זמן של הגוף: הספק החשמלי של רכיב עם זרם I השרוי במתח UAB שהתðגדותו R יחושב באופן הבא : קשרים בין יחידותהערה:כוח סוס אחד שווה -746w. P = U*I , = I²*R , = [email protected] יוסף נעמה – 5644996-050