חשמל

חשמל (באנגלית: Electricity) הוא קבוצה של תופעות פיזיקליות הקשורות לנוכחות ולתנועה של מטען חשמלי. נוכחות של מטען חשמלי, אשר יכול להיות חיובי או שלילי, מייצרת שדה חשמלי. כל חלקיק טעון חשמלית יכול לגרום לתופעות חשמליות, אך בטבע רוב התופעות החשמליות נובעות מהמטען החשמלי של אלקטרונים ופרוטונים בלבד.
התנועה של מטענים חשמליים היא זרם חשמלי ומייצרת שדה מגנטי. תופעות החשמל והמגנטיות קשורות זו בזו, ויחדיו נחשבות לכוח יסודי בטבע, כלומר כוח שלא ניתן לתאר אותו כתוצאה של כוחות אחרים, וקרוי הכוח האלקטרומגנטי. תופעות נפוצות רבות קשורות בחשמל, כגון ברקים, חשמל סטטי, ועוד.
לחומרים שונים תכונות חשמליות שונות, בשל אופן חלוקת ופיזור האלקטרונים בתוכם. ישנם חומרים, מתכות בעיקר, המכילים אלקטרונים חופשיים – אלקטרונים שאינם בקשר הדוק לאטומים – שמאפשרים תנועה של האלקטרונים בתוכם, תופעה הקרויה זרם חשמלי. חומרים כאלו מכונים  מוליכים, על שם יכולתם להוליך חשמל.
חומרים אחרים ניחנים ביכולת לצבור עודף או חוסר של אלקטרונים, אך מגלים התנגדות לזרימה חופשית של אלקטרונים, והם קרויים חומרים  מבודדים . כך ניתן לראות בחוטי החשמל בבתים חומר מוליך – על פי רוב נחושת – העטוף בפלסטיק מבודד, על מנת למנוע זליגה מסוכנת של אלקטרונים מהחוט.
במצבו הבסיסי אטום מאוזן בין מטען חיובי לשלילי, אך בחומרים מבודדים ניתן להחסיר או להוסיף אלקטרונים. בשני המקרים נבנה עודף של מטען, שלילי בהוספת אלקטרונים, וחיובי בהסרתם. בשל כוחות הדחייה והמשיכה עודף זה שואף למצב של איזון: אם נצמיד חומר המכיל עודף לחומר בו קיים חוסר ינועו האלקטרונים מהעודף לחוסר, כלומר ייווצר זרם חשמל. גם אם נחבר חומר מוליך בין עודף לחוסר תיווצר תנועה זו. כך מתחולל זרם חשמלי במוליך.
את שני סוגי המטען החשמלי מסמנים למשל על סוללות, שבקצה אחד יש כמות גדולה יותר של אלקטרונים והוא מסומן במינוס (-) והקצה הנגדי, בו ישנו מספר קטן יותר של אלקטרונים מסומן בפלוס (+). מטענם של האלקטרונים מוגדר כשלילי, ובלב גרעין האטום קיימים פרוטונים, שמטענם מוגדר כחיובי. להבדיל מהאלקטרונים, בלב האטום פועל כוח נוסף, הכוח החזק, שכובל את גרעין האטום ומונע לרוב מהפרוטונים לנוע כמו האלקטרונים.

טרם המהפכה המדעית

כבר מימי קדם זיהו בטבע תופעות שונות של חשמל ושל מגנטיות, אך הקשר בין חשמל ומגנטיות לא היה ידוע, מושג המטען החשמלי טרם הוכר וכלל לא הובנה המשמעות המקיפה של האינטראקציה בין המטענים.
כוחות המשיכה והדחייה של החשמל מוכרים כבר מימי קדם ואף ייתכן שהפרתים או אולי הסאסאנים ייצרו מעיין סוללות פרימיטיביות – התגלו שרידים של כדים המכילים מוטות ברזל ונחושת שהופרדו בזפת, שהיא חומר מבודד. כל שנדרש להפוך כדים אלה לסוללה הוא נוזל כגון מיץ לימון, ובניסוי הוכח שעוצמת כמה סוללות פרימיטיביות כאלו המחוברות יחדיו די בה לגרום לשוק חשמלי מורגש היטב. ייתכן שהשימוש בהן היה למטרת הפגנת מעין כוח קסם, אך קיימות תאוריות אחרות שמדובר בכדים לאחסון טקסטים קדושים. אם אכן היה מדובר בסוללות תגלית זו נשכחה ואבדה.
לעומת זאת תועד היטב שליוונים הקדמונים היה ידוע שלאחר שפשוף נמרץ למשך כחצי דקה של ענבר עם פרווה פיסות הענבר יידחו זו מזו, אך תידבקנה לפרווה. התופעה מובנת כיום כמשיכה של הענבר שממנו נקרעו אלקטרונים בשל השפשוף אל פרווה בה הצטברו אלקטרונים בתהליך השפשוף, ומנגד דחייה בין פיסות הענבר שמטענן הכולל חיובי בשל קריעת האלקטרונים.
עד המאה ה-17 זוהו חומרים רבים נוספים ששפשוף ביניהם גורם לכוחות כאלו, וניתן היה לסדר את החומרים במידרג מסודר לפי מידת כוח הדחייה שייווצר בשפשוף פיסות החומר מול חומר הממוקם רחוק מהם באותו מידרג. רשימת החומרים הלכה והתרחבה וכללה למשל זכוכית, גופרית ואפילו מוצק שייצרו מחלב.

מהמהפיכה המדעית ועד ימינו

במאה ה-18 חקר תופעת החשמל תפס תאוצה. שמו לב לכך שאם לוקחים חומרים רחוקים מאד ביניהם במידרג ומשפשפים אותם בחומר שנמצא בלב המדרג ייווצר ניצוץ כשמקרבים אותם אחד לשני. עקב תגליות אלה בנג'מין פרנקלין תיאר את החשמל כמעין נוזל בלתי נראה שממלא גופים, כך שאם בגוף מסוים יש עודף של הנוזל החשמלי הוא טעון במטען חיובי ואם יש בו מחסור בנוזל החשמלי הוא טעון בסימן שלילי. פרנקלין קבע כי בשפשוף זכוכית בפרווה, אותו "נוזל חשמלי" עובר מהפרווה לזכוכית ולכן היא נטענת במטען חיובי הוא הגיע למסקנה שהכוחות החשמליים גדלים ככל שהגופים טעונים יותר וכן ככל שהגופים קרובים זה לזה, וכך התגלתה תכונה יסודית נוספת של הכוח החשמלי – הוא פועל ביחס הפוך למרחק.
פרנקלין המשיך בניסוייו, ונטל על עצמו סיכון גדול בבואו להוכיח שהברק הוא התגלמות רבת עוצמה של ניצוץ חשמלי. הוא העיף עפיפון הקשור בחוט מתכת בעיצומה של סופת ברקים, ושמח לגלות שאכן קיבל מכת חשמל בעת שהבריק ברק, וכך הוכיח את ההשערה שלו.
בתחילת המאה ה-19, במהלך שיעור שגרתי על חשמל, מורה דני בשם הנס כריסטיאן ארסטד שם לב כי בעת שמנתקים ומחברים זרם חשמל ליד מצפן מחט המצפן סוטה לרגע. בכך התגלה שיש קשר הדוק בין תופעת החשמל ותופעת המגנטיות. מאוחר יותר ניסח הפיזיקאי הדגול מקסוול מערכת של ארבע משוואות, שתיארה במדויק כיצד הכוח החשמלי והמגנטי שלובים זה בזה ולמעשה מדובר בכוח יחיד.
בתקופה זו גם התגלה בניסויים שמעין קרן אור בצבע מוזר נוצרת בשפופרת זכוכית ריקה מאוויר, שבקצותיה היו מחטי מתכת המחוברות למקור חשמל. תגלית זו הובילה לשלל ניסויים במתקן החדש, שכונה שפופרת קרן קתודית. מחקר זה הוביל בתחילת המאה ה-20 לפיתוחן של שפופרות הריק, שאפשרו שליטה רבה על זרם החשמל. השפופרות הבסיסיות היו הדיודה – שהעבירה זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד, והטריודה שמאפשרת לשלוט בזרם רב עוצמה על ידי זרם חשמלי חלש, כמעין ברז שפתיחתו וסגירתו מאפשרת שליטה בזרם. שפופרות הריק פתחו את עידן האלקטרוניקה על שלל שימושיה.

אטימולוגיה

ויליאם גילברט טבע את המילה הלטינית "אלקטריקוס" מהמילה היוונית "אלקטרון" שמשמעותה ענבר, לתיאור תופעת המשיכה של גופים קטנים לאחר שפשופם. בעקבותיו ובעקבות תרגום השבעים חידש יהודה לייב גורדון את המילה "חשמל" בעברית.

הכוח האלקטרומגנטי

על מטען שנע ביחס למטענים אחרים פועל כוח נוסף מלבד הכוח החשמלי – הכוח המגנטי. הקשר בין הכוח המגנטי והשדה המגנטי נתון בכוח לורנץ. השדה המגנטי נוצר על ידי מטענים בתנועה, והקשר בינו לבין זרם המטענים נתון על ידי חוק אמפר או על ידי חוק ביו-סבר. גם הכוח המגנטי היה ידוע עוד בימי קדם ככוח שפועל בין אבנים מסוימות לברזל, או ככוח שפועל על מחט של מצפן. אולם הקשר בין תופעת המגנטיות לבין חשמל נתגלתה רק ב־1821 על ידי הנס כריסטיאן ארסטד, שהבחין בשדה מגנטי שנוצר מסביב לתיל מוליך נושא זרם. התורה המאוחדת של החשמל והמגנטיות תוארה באופן מלא על ידי ג'יימס קלרק מקסוול במשוואות מקסוול. בעזרת משוואות אלה ניתן לתאר גם קרינה אלקטרומגנטית כגל של השדה האלקטרומגנטי.

השראה אלקטרומגנטית

השראה אלקטרומגנטית היא תופעה הקושרת בין חשמל ומגנטיות, בה שינוי בשטף מגנטי גורם להופעה של מתח חשמלי במוליך. תופעה זו היא המנגנון המאפשר ייצור זרם חילופין על ידי גנרטור ואת פעולתם של סליל ההשראה, השנאי והמנוע החשמלי. ההשראה האלקטרומגנטית מתוארת על ידי חוק פאראדיי, שהוא אחד ממשוואות מקסוול. חוק פאראדיי אומר, שהכוח האלקטרו מניע שנוצר בלולאה מוליכה סגורה נמצא ביחס ישר לקצב שינוי שטף השדה המגנטי דרך השטח הכלוא בלולאה. באותו אופן שבו השינוי בשטף מגנטי משרה מתח (שדה חשמלי לאורך דרך), כך גם שינוי בשטף של שדה חשמלי משרה שדה מגנטי לאורך דרך. זהו התיקון של מקסוול לחוק אמפר.

מסלול סגור חשמלי

מסלול סגור חשמלי (נקרא גם "מעגל חשמלי" אם כי אינו בהכרח עגול) הוא מערכת שבה מחוברים מספר רכיבים, בדרך כלל למקור מתח. המעגל מיוצג בשרטוט שבו סימונים שונים מייצגים רכיבים חשמליים, וקווים ישרים מייצגים חיבור חשמלי (ראו איור). אופן החיבור הפשוט ביותר הוא חיבור בטור או במקביל. חיבור טורי הוא חיבור של שני רכיבים בזה אחר זה כך שהזרם שעובר דרכם שווה, אך המתח שנופל על כל אחד מהם עשוי להיות שונה. בחיבור מקבילי שני הדקי הרכיבים מחוברים אלה אל אלה כך שהמתח הנופל על הרכיבים שווה, אך הזרם שעובר בכל אחד מהם עשוי להיות שונה.

קיבול והשראות

הקיבול של מוליך הוא היחס בין המטען שמצטבר עליו לפוטנציאל שלו. קבל הוא רכיב בעל קיבול ידוע והוא לרוב מכיל זוג מוליכים המחוברים לשני הדקים, וכאשר נופל מתח על ההדקים נצבר מטען שווה בגודלו והפוך בסימנו על פני המוליכים. הקיבול הוא תכונה של המבנה הגאומטרי של המוליכים ותלוי גם במבודד שמפריד ביניהם, הנקרא חומר דיאלקטרי. הקיבול מסומן באות C ונמדד בפאראד (על שם מייקל פאראדיי).
השראות היא תכונה של מעגל חשמלי, המראה עד כמה הוא מתנגד לשינויים בזרם בו על פי חוק לנץ. ההשראות מוגדרת כיחס בין השטף המגנטי דרך השטח הכלוא על ידי המעגל החשמלי לבין הזרם היוצר את השדה המגנטי. ההשראות מסומנת L ונמדדת בהנרי (על שם ג'וזף הנרי). סליל השראה הוא רכיב בעל השראות ידועה שלרוב תלויה במבנה הגאומטרי שלו.
היחס בין המתח הנופל על קבל או משרן לזרם הזורם דרכם אינו קבוע אלא תלוי בקצב שינוי המתח או הזרם בזמן. אך אם הרכיבים מחוברים למקור של זרם חילופין – זרם שמשתנה באופן מחזורי בצורה סינוסואידלית, המתחים והזרמים ברכיבים יהיו גם הם סינוסואידליים באותה התדירות אך עם משרעות שונות ובהפרשי מופע. עכבה חשמלית (הנקראת גם אימפדנס) היא גודל מרוכב המתאר את היחס בין המתח והזרם ברכיב כללי (לאחר זמן התייצבות כלשהו), בדומה להתנגדות. גודל העכבה הוא היחס בין משרעת המתח למשרעת הזרם, והזווית שלה בהצגה קוטבית היא הפרש המופע בין המתח והזרם.

אלקטרוניקה

אלקטרוניקה היא תחום העוסק במעגלים המכילים רכיבים אלקטרוניים המבצעים מניפולציות מורכבות בזרם החשמל כגון דיודה וטרנזיסטור. בתחילה האלקטרוניקה התבססה על שפורפרות ריק, בהמשך על מוליכים למחצה.ובשנות ה-60 פותח המעגל המשולב, שאפשר ייצור של מעבדים ספרתיים. בעזרת רכיבים אלקטרוניים ניתן ליצור מגברים, רכיבי מיתוג, שערים לוגיים, דלגלגים ועוד. הם מהווים את הבסיס לרוב מכשירי האלקטרוניקה ומכשירי החשמל הביתיים ותרמו תרומה עצומה להתקדמות הטכנולוגית במאה ה-20.

שימושים

לחשמל קשת רחבה של שימושים בעולם המודרני. לאחר המצאת הנורה החשמלית בסוף המאה ה-19, הפכה התאורה החשמלית למוצר החשמלי הראשון בו נעשה שימוש רחב והיא החליפה את התאורה באמצעות להבות. התנור החשמלי הוא בטיחותי ונוח, ובאמצעות חשמל מתאפשרת פעולת המקרר ומיזוג האוויר. למנוע החשמלי שימושים רבים ומגוונים. אותות חשמליים מאפשרים מחשוב ותקשורת, ומכשירי חשמל ואלקטרוניקה מהווים חלק משמעותי מהמוצרים שאנו צורכים. לחשמל שימושים ביתיים, תעשייתיים, רפואיים, צבאיים, ואף קיימת שיטה להוצאה להורג באמצעות חשמל בכיסא חשמלי. למעשה החשמל הוא הכוח הפיזיקלי שרתם האדם לצרכיו באופן המגוון והרחב ביותר, ולא ניתן לתאר את חייו של האדם המודרני ללא שימוש בו.

הנדסת חשמל

הנדסת חשמל ואלקטרוניקה היא תחום בהנדסה העוסק בחשמל. התחום הפך לעיסוק בעל זהות מגובשת בסוף המאה ה-19 בד בבד עם מגמת המסחור של הטלגרף ושל אספקת חשמל לצרכנים. כיום, התחום מכסה מגוון רחב של תת-תחומים שבחלקם כלל אין עיסוק במעגלים חשמליים אלא בעיקר במתמטיקה שימושית. בהם ניתן למנות את הנדסת מערכות תקשורת, עיבוד אותות, אלקטרואופטיקה, מיקרואלקטרוניקה, קרינה אלקטרומגנטית, תורת הבקרה, הנדסת מחשבים, וזרם חזק (הספק והמרת אנרגיה).