חשמל

החשמל התגלה עוד ביוון העתיקה לפני הספירה בשפשוף של ענבר ופרווה. ענבר זוהי אבן חן שמקורה ביולוגי.

היוונים שיפשפו אבן ענבר עם פרווה וחתיכות ענבר נדחו זה מזה. ביוונית ענבר זה אלקטרון. רק במאה 19 התחילו המדענים לחקור את חוקי החשמל.   במצב רגיל כל חומר ניטראלי, כלומר מספר אלקטרונים שווה למספר פרוטונים. (+) = (—). האלקטרונים מסתובבים סביב גרעין חיובי ,כי הם נמשכים לגרעין חיובי לפרוטונים.

המטענים הפוכי הסימן נמשכים זה לזה, מטענים זהים דוחים זה את זה. ביום חם ויבש נוצר חשמל סטטי באויר. אם מסרקים את השיער כמה פעמים, במיוחד שיער ארוך, השערות נטענות במטען חשמלי זהה (לדוגמה, מטען חיובי). המטען הזהה גורם לשערות לדחות אחת את השניה, והשיער יעמוד על הראש כמו מניפה.

חשמל סטטי יוצר ברק. בזמן הסערה אטומי מים שנמצאים בעננים משפשפים זה את זה, ובקצה התחתון של הענן מצטברים מטענים שליליים (או חיוביים). האדמה היא מחסן ענק של מטענים משני הסוגים. המטענים השליליים בקצה של הענן מושכים מטענים חיוביים בפני האדמה, ודוחים את המטענים השליליים. בין המטענים השליליים בענן ובין המטענים החיוביים בקרקע נוצר מתח חשמלי של מיליוני וולטים.  (להשוואה, בשקע בבית יש לנו 220 וולט, וזה קטלני, לא מומלץ לגעת!). כאשר הענן הכבד יורד מספיק נמוך, המטענים השליליים פורצים את האויר , ועוברים לאדמה למטענים החיוביים. אנחנו רואים את התופעה כניצוץ מסנוור.

בימי הביניים רוב הבתים באמריקה היו עשוים עץ. ברקים פגעו בבתים וגרמו לשריפות ענק. המדען והמדינאי בנג'מין פרנקלין, אשר היה בין החותמים על מגילת העצמאות של ארצות הברית, המציא כליא ברק. הוא הציע לבנות על הגג של כל בית עמוד מתכת (מוליך חשמלי) ולחבר אותו לאדמה. בזמן שברק פוגע בכליא, הוא עובר לאדמה בלי לפגוע בבית. עד היום משתמשים בהמצאתו, רק שהיום היא משופרת. אדם שהולך בשדה בזמן סערת ברקים ומנסה להסתתר מתחת לעץ, מסכן את חייו. ברק פוגע בד"כ בגוף שבולט מעל הקרקע, כי זוהי דרך קצרה יותר לפרק את המטען.

לפני מספר שנים דייג ישב בחוף כנרת בזמן סערת ברקים. ברק פגע בו כי הוא בלט בשטח.

 סוגי חומרים בחשמל

 מבחינת חשמל כל החומרים מתחלקים ל-: 

מוליכים – הם מוליכים חשמל. חומרים שיש להם אלקטרונים חופשיים, הם יכולים לעבור בקלות בהשפעת שדה חשמלי. רוב המתכות הן מוליכים טובים. ביניהן כסף, נחושת, ברזל וכו'

מבודדים – לא מוליכים חשמל. חומרים שאין להם אלקטרונים חופשיים, הם לא יכולים לעזוב את האטומים שלהם. ביניהם זכוכית, פלסטיק, שעם, עץ וכו'. 

מוליכים למחיצה – אלה חומרים שהם מבודדים, אך בתנאים מסוימים הם הופכים למוליכים. כמעט כל החומרים באלקטרוניקה הם מוליכים למחיצה. המפורסמים ביניהם סיליקון, גרמניום וכו'.  

זרם חשמלי 

בכל תחומי חיינו אנחנו משתמשים בחשמל, אך אנחנו שמים לב אליו בעיקר כשיש הפסקת חשמל. אז מתברר שאי אפשר לחמם אוכל, לעשות מקלחת, לראות טלויזיה והכי גרוע אין מחשב!! את החשמל מייצרים בתחנות כוח. משם הוא נשלח בחוטים לבתים. 

מה גורם לחשמל לעבור בחוטים? זרם חשמלי מורכב מאלקטרונים חופשיים אשר נמשכים למטען חיובי. בדרך הם מפעילים כל מיני מכשירים, אך קודם כל בקצה הדרך צריך לחכות להם מטען חיובי. כך נוצר זרם חשמלי.

את הסוללה הראשונה המציא אלסנדרו וולטה באיטליה. את יחידת המתח קראו על שמו "וולט". בתוך תמיסת מלח אבץ וולטה שם אלקטרודת אבץ ובתוך מלח נחושת הוא שם אלקטרודת נחושת. בתהליך כימי כל אלקטרודה התכסתה ביונים. יון זהו אטום של חומר אשר חסר לו אלקטרון או שיש לו אלקטרון מיותר. אם חסר אלקטרון, היון חיובי, ואם יש לו אלקטרון מיותר, הוא יון שלילי.  האלקטרונים  המיותרים יכולים לעבור לאלקטרודה חיובית רק דרך הנורה (כמו בתיאור). האלקטרונים זורמים למטען חיובי, אך בדרך מפעילים מכשיר חשמלי.

הסוללות של היום משוכללות יותר וקטנות יותר והן מייצרות זרם ישר. האלקטרונים זורמים תמיד אל הפלוס. במכשירי חשמל מודרניים משתמשים בזרם חילופין, אשר מחליף את כיוון הזרימה 50 פעם בשניה. את זרם החילופין פיתחו בעבודה של הרבה מדענים ומהנדסים. 

הנה סיפור מעניין על מלחמה בין תומאס אדיסון הידוע כאבא של הנורה החשמלית ובין ניקולה טסלה אשר עבד בחברה של אדיסון.

ניקולה טסלה נולד בקרואטיה, עבד באירופה, אך נשאר ללא גרוש ועבר לארה"ב. בשלב מסוים הוא עבד במפעל של אדיסון. טסלה פיתח מערכות עם זרם חילופין, הוא האמין שזהו עתיד במכשירי חשמל. היום רוב המערכות עובדות על זרם חילופין, אך לאדיסון היה מפעל מכשירים אשר עבדו על זרם ישר, לכן הוא לא היה מעוניין לפתח את ההמצאות של טסלה. אדיסון הציע לטסלה לשפר מכונה העובדת על זרם ישר, אשר אדיסון פיתח, והבטיח לטסלה סכום ענק של כסף. טסלה פיתח את המכונה מעבר למבוקש, אך כסף לא קיבל. חלק מהפיתוחים של טסלה היו נרשמים על שם אדיסון. לעומת כל המלחמות בין "זרם ישר" ו"זרם חילופין", טסלה המשיך לפתח מכשירים חדשים. כל פיתוח חדש דורש הרבה ניסוים והרבה כסף. כדי לקבל כסף לניסוים הבאים, טסלה מכר את הזכויות שלו לפטנטים לאנשים אחרים. למרות כל הגילויים הגדולים והמכשירים מפותחים, טסלה נפטר בעוני. לפחות קראו את יחידת עוצמת השדה המגנטי על שמו:  1T  = 1 טסלה.

יצירת חשמל

כולם יודעים שחשמל מגיע מהשקע. לתוך השקע חשמל מגיע מתחנת הכוח. בעולם ישנן תחנות כוח העובדות על עקרונות שונים:

• פחם – שיטת שריפת פחם היתה לא מזמן פופולרית בהרבה מקומות וגם בישראל. בעזרת שריפת פחם מפעילים גנרטור חשמלי. בשנים אחרונות משתמשים בארץ בגז במקום פחם. שימוש בגז טבעי עדיף להגנת הסביבה.
• רוח  - שימוש ברוח ליצירת חשמל גם ידידותי לסביבה וגם לא יקר. בתחנות רוח משתמשים הרבה בהולנד בשטחים פתוחים עם רוח חזקה
• מים – בתחנות הידרואלקטריות משתמשים בארצות שיש בהן נהרות גדולים, כמו ארה"ב, רוסיה. מי נהר נופלים מגובה רב על טורבינה המפעילה את הגנרטור חשמלי.
• אנרגית שמש – אנרגיה סולרית שימושית בהרבה ארצות, שנים אחרונות גם בישראל. בינתיים משתמשים לשטח מוגבל. אנרגיה סולרית עדיפה מבחינת הגנת הסביבה וגם מבחינת מחיר.