שדות חשמליים

השדה החשמלי הוא בסיסי להבנת אינטראקציות חשמל ומטען-מטען וקשור קשר הדוק לכמויות חשובות כגון פוטנציאל חשמלי.

כל אובייקט טעון מייצר שדה חשמלי. גודל השדה תלוי בכמות המטען על האובייקט, ובמרחק מהאובייקט בו נמדד השדה. שדות אלה מפעילים כוח גם על מטענים או חומרים סמוכים אחרים הגורמים לתופעות מעניינות.

בסרטון זה נחזור תחילה למושגי היסוד הקשורים לשדות חשמליים, ולאחר מכן נדגים ניסוי המסייע בחקר שדות חשמליים והכוחות המשפיעים על מטענים וחומרים בשדה. לבסוף, נראה כמה יישומים המשתמשים בשדות חשמליים לטובתם.

כאמור, עצם טעון מייצר שדה חשמלי בחלל שמסביב. באמצעות חוק גאוס, ניתן להוכיח שגודל השדה החשמלי הוא ביחס ליניארי למטען המקור 'Q' וביחס הפוך לריבוע המרחק 'r' ממטען המקור; ו-'k' הוא קבוע הקולומב. לפיכך, הכפלת כמות מטען המקור מביאה להכפלת עוצמת השדה. ואילו הכפלת מרחק המדידה מפחיתה את עוצמת השדה פי ארבעה.

ניתן לדמיין את השדה החשמלי המיוצר על ידי אובייקט טעון באמצעות קווים פיקטיביים הנקראים "קווי שדה חשמלי". קווים אלה הם אוסף של חיצים שצוירו כדי לעזור להמחיש הן את גודל השדה והן את כיוונו. בדרך כלל, קווי שדה מכוונים הרחק ממטען מקור חיובי לעבר מטען מקור שלילי.

המספר הכולל של קווי שדה המיוצרים על ידי אובייקט טעון מייצג את כמות המטען, בעוד שצפיפות הקווים במיקום מסוים בשדה מציינת את הגודל באותו מיקום. לכן, הקווים צפופים קרוב לכדור טעון, בעוד שהם מפוזרים יותר זה מזה במרחק גדול יותר מהמקור .

כיוון השדה החשמלי של מטען מקור לא ידוע נקבע על ידי הצבת מטען בדיקה בקרבת מטען המקור, והתבוננות אם מטען הבדיקה נמשך לעבר מטען המקור או נדחה ממנו.

גודל הכוח 'F' ניתן על ידי חוק קולומב, הקובע כי הכוח פרופורציונלי ליניארית לעוצמת השדה החשמלי ולכמות המטען על מטען הבדיקה. לכיוון: אם מטען הבדיקה חיובי, כיוון הכוח על מטען הבדיקה זהה לשדה החשמלי. עם זאת, אם מטען הבדיקה שלילי, כיוון הכוח מנוגד לזה של השדה החשמלי של מטען המקור.

שדות חשמליים יכולים גם לייצר הפרש פוטנציאל חשמלי, או ירידת מתח, לאורך כיוון השדה. תופעה זו נידונה בפירוט בסרטון הפוטנציאל החשמלי של אוסף זה. לעומת זאת, חשוב לציין ששדות חשמליים נוצרים גם על ידי הפעלת מתחים שונים על שני מוליכים מופרדים. במקרה זה, כיוון השדה מצביע מהמתח הגבוה יותר למתח התחתון.

בנוסף לעצמים טעונים, שדות חשמליים משפיעים גם על חומרים שהם ניטרליים במטען, כמו חוטי נחושת. כל החומרים הניטרליים מורכבים מכמות עצומה ושווה של מטענים חיוביים ושליליים. שדות חשמליים מפעילים אפוא כוח על כל אחד מהמטענים הללו; וכתוצאה מכך תזוזה של אוספי מטען גדולים בחומר. זה יכול לגרום להפרדה יעילה של מטענים חיוביים ושליליים וזה ידוע בשם "קיטוב".

בחלק הבא נראה כיצד לדמיין קווי שדה של השדה החשמלי שנוצר על ידי הפעלת מתחים על שתי תצורות אלקטרודות שונות. ובחלק הבא נראה את השפעת הכוחות החשמליים ואת תופעת הקיטוב באמצעות נייר, פרווה, מוט אקרילי ופחית סודה.

ההדגמה מורכבת מגנרטור אלקטרוסטטי, כגון ג'נקון סטטי כף יד או גנרטור ואן דר גראף, זוג אלקטרודות המסודרות בתצורת מעגל קונצנטרי, זוג אלקטרודות המסודרות במקביל זו לזו, וצלחת פטרי או מיכל תצפית.

מיכל התצפית מלא בשמן צמיג, כמו שמן קיק, וכחצי גרם אבקה מקוטבת, כמו זרעי סולת.

טען את מיכל התצפית המלא בתחליב השמן והאבקה לתוך המחזיק שלו. לאחר מכן, הרכיב את הצלחת עם תצורת האלקטרודה המקבילה על המחזיק. בעזרת כבלים, חבר את האלקטרודות למסופים השליליים והחיוביים של הגנרטור האלקטרוסטטי.

סובב את ארכובת הגנרטור לפחות 5 סיבובים מלאים ובכך ליצור הבדל פוטנציאלי בין שני המוליכים וליצור שדה חשמלי. מכיוון שהאבקה הנוספת ניתנת לקיטוב, כתמי האבקה יתחילו לאט לאט ליישר קו עם קווי השדה החשמלי.

לאחר מכן, על מנת לנטרל את המטענים, קצר ישירות את המסופים החיוביים והשליליים על ידי חיבור כבל בין המסופים. לאחר המתנה של מספר שניות עד שהטעינה תתפוגג, נתק את כבל הקיצור מהמסופים. לאחר מכן, נתק את לוחית האלקטרודה מהמחזיק.

כעת, הרכיב את הצלחת עם תצורת האלקטרודה המעגלית הקונצנטרית על המחזיק. מערבבים את השמן והאבקה המקוטבת במיכל התצפית על ידי גלגול זהיר של ההגדרה.

הפעל את הגנרטור וסובב אותו לפחות 5 סיבובים מלאים כדי ליצור שדה חשמלי בין שתי טבעות המוליכים. האבקה בין הטבעות תיצור קווים מקרינים המציינים שקווי השדה החשמלי באזור זה דומים לקווי השדה החשמלי של מטען נקודתי הממוקם במרכז הטבעות. לעומת זאת, לאבקה בתוך המעגל הפנימי אין יישור ברור המצביע על כך שלא קיים שדה חשמלי ניכר באזור זה.

עכשיו בואו נדון בניסוי שמדגים קיטוב וכוחות שדה חשמלי. הפריטים הנפוצים המשמשים בהדגמה זו הם פחית סודה ריקה, מוט אקרילי, פיסת פרווה גדולה מספיק כדי לעטוף את המוט ורצועת נייר.

הניחו את פחית הסודה הריקה על צדה כדי שתוכל להתגלגל בחופשיות. עטפו את פיסת הפרווה סביב המוט ושפשפו אותה מקצה לקצה לפחות 10 פעמים. על ידי שפשוף המוט, אתה מעביר פיזית אלקטרונים מהפרווה למוט והופך את המוט למטען שלילי ומאפשר לו לייצר את השדה החשמלי הדרוש כדי לגרום לקיטוב.

קרבו את המוט הטעון לפחית הסודה הריקה והתבוננו בכוחות האטרקטיביים על הפחית כשהיא מתחילה להתגלגל לכיוון המוט. הסיבה לכך היא שהשדה החשמלי של המוט גורם לקיטוב על פחית הסודה. מטענים ממול בסימן לאלה שעל המוט מובאים קרוב יותר למוט, בעוד מטענים מאותו סימן נדחפים הרחק מהמוט. התוצאה היא שהמוט מפעיל כוחות משיכה ודוחים על הפחית. מכיוון שהמטענים המנוגדים קרובים יותר למוט, אלה חווים כוח חזק יותר, המייצר כוח משיכה נטו לכיוון המוט.

לאחר מכן, קרבו את המוט הטעון לרצועת הנייר והתבוננו בכיפוף הנייר לכיוון המוט. ההתנהגות האטרקטיבית היא תוצאה של אותו אפקט קיטוב מושרה שגרם לפחית הסודה להתגלגל לעבר המוט. מעניין שלמרות משקלו הרבה פחות מפחית הסודה, התנועה הכוללת של הנייר קטנה יחסית. זאת בשל אופי הבידוד של הנייר בהשוואה לאופי המוליך של הפחית, מה שמוביל לקיטוב חלש בהרבה.

שדות חשמליים נמצאים בכל מקום מכיוון שהם קיימים בכל מקום שבו יש עצמים טעונים או הפרשי מתח.

חשמל, או זרם חשמלי, הוא תוצאה של שדות כוח חשמליים הדוחפים מטען דרך חוטים מוליכים מאוד. בקנה מידה גדול, זה כרוך בניתוב חשמל מתחנות כוח לבנייני מגורים ומסחר. בקנה מידה קטן יותר, מעבר זרם חשמלי דרך מעגל הוא בסיסי להפעלת כל מכשיר אלקטרוני, כגון נורית LED, נורה, מאוורר או מחשב.

ספקטרומטריית מסה משתמשת בשדות חשמליים כדי לקבוע את התוכן הכימי של דגימה. בציוד זה, ראשית המולקולות המיוננות נוצרות על ידי הפעלת כוחות חזקים, כגון קרן אלקטרונים, פלזמה או לייזרים. מולקולות טעונות אלה מועברות לאחר מכן דרך קבוצה של שדות חשמליים מתחלפים. השדה מפעיל כוח חשמלי על המולקולות, מה שמשנה את מסלולן, מה שמוביל להפרדה יעילה.

זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לשדות חשמליים. כעת עליכם להבין את העקרונות השולטים בגודלם ובכיוונם של שדות חשמליים, כיצד לדמיין קווי שדה חשמלי וכיצד ניתן לגרום לקיטוב על ידי שדה חשמלי. תודה שצפית!