סיכום אנרגיה וחשמל

Transcription

סיכום אנרגיה וחשמל
‫אנרגיה‬
‫סוגי אנרגיה‬
‫אנרגית תנועה ‪ -‬כל גוף שעשוי מחומר‪ ,‬הנמצא בתנועה הוא בעל אנרגיית תנועה‪ .‬לדוגמה‪:‬‬
‫מכונית נוסעת‪ ,‬אדם הולך‪...‬‬
‫אנרגיה אלסטית – כל גוף שיש לו גמישות מסויימת‪ ,‬יכול לאגור אנרגיה אלסטית אם מפעילים‬
‫עליו כוח ומעוותים אותו‪.‬‬
‫לדוגמה‪ :‬גומיה מתוחה‪ ,‬קפיץ מתוח‪,‬‬
‫אנרגיה חשמלית – אנרגיה היכולה ל"עבור" בחלל או בעזרת כבלים מוליכי חשמל‪ .‬לדוגמה‪ :‬זרם‬
‫חשמלי בתנור‪ ,‬בנורה ‪ ,‬במכשירים חשמליים‪...‬‬
‫אנרגית גובה – כל גוף הנמצא מעל מקום מסויים‪ ,‬ויכול ליפול ממנו‪ ,‬הוא בעל אנרגיית גובה‪.‬‬
‫לדוגמה‪ :‬חפץ מורם מעל הרצפה‪...‬‬
‫אנרגיית קול – תנודות העוברות בחומר כתוצאה מהפרעה כלשהי ומגיעות לאוזנינו‪ .‬היא למעשה‬
‫אנרגיית תנועה של חלקיקים‪ .‬למשל‪ :‬מוזיקה הבוקעת ממערכת סטריאו‪ ...‬קול נקישת חפץ‪...‬‬
‫אנרגיית חום – אנרגייה המצויה בכל גוף ונובעת מתנועת חלקיקי החומר‪ .‬למשל‪ :‬כוס חמה‬
‫מעבירה אנרגיה לאוויר סביבה‪ ,‬סיר הקולט חום מלהבה‪,‬‬
‫אנרגיה כימית – אנרגיה המצויה בחומר‪ ,‬ומשתחררת ממנו כשהחומר מתפרק‪ .‬למשל‪ :‬נפט בוער‪,‬‬
‫עץ נשרף ותהליכים המתרחשים בגוף החי‪.‬‬
‫אנרגיה מגנטית – קיימת במגנט המושך סיכות ומהדקים‬
‫אנרגיית קרינה – נפלטת מקרני השמש ומכל גוף מאיר‪ .‬לדוגמה‪ :‬השמש‪ ,‬נר דולק‪ ..‬לא תמיד‬
‫אנרגית הקרינה נראית לעין‪ .‬החלק הנראה = אנרגית אור‪.‬‬
‫אנרגיה גרעינית – באה מביקוע גרעין האטום‪ .‬למשל‪ :‬פצצת אטום‬
‫מעברי אנרגיה‬
‫המרות (גלגול) אנרגיה – מעבר אנרגיה מגוף לגוף או מעבר בין סוג אחד של אנרגיה לסוג אחר של‬
‫אנרגיה‪ ,‬או מעבר משולב גם מגוף לגוף וגם מסוג לסוג‪ .‬במערכת סגורה המרות האנרגיה מקיימות‬
‫את עקרון שימור האנרגיה‪ ,‬שמשמעותו סך הכל של האנרגיה נשאר גודל קבוע במערכת‪ ,‬כלומר כל‬
‫גוף "שמאבד" אנרגיה‪ ,‬האנרגיה עוברת לגוף אחר "שקולט" אותה‪.‬‬
‫המרות אנרגיה‬
‫גלגולי אנרגיה‪ /‬המרות אנרגיה ‪ -‬אנרגיה מסוימת עוברת לסוג אנרגיה אחר או‪ ,‬כאשר אנרגיה‬
‫מסוימת באובייקט מסוים עוברת (לאותו סוג אנרגיה) באובייקט אחר‪.‬‬
‫ניתן לתאר תופעות ותהליכים על ידי "מעברי אנרגיה" מסוג אחד לסוג אחר וממערכת אחת‬
‫למערכת אחרת‬
‫גלגולי אנרגיה מסמנים באמצעות תרשים חצים‪ ,‬ואת האנרגיה כותבים בציון גם האובייקט שעליו‬
‫מופעלת האנרגיה‪.‬‬
‫לדוגמא‪ ,‬תרשים גלגול האנרגיה בנורה המחוברת לרשת החשמל הוא‪:‬‬
‫אנרגיה חשמלית‬
‫אנרגית קרינה (אור)‬
‫חוק שימור האנרגיה‬
‫גודלה של האנרגיה הכוללת במערכת סגורה נשאר קבוע‪ ,‬אנרגיה איננה הולכת לאיבוד‪ ,‬לא ניתן‬
‫ליצור אנרגיה יש מאין‪.‬‬
‫הסכום של ערכי האנרגיה מסוגים שונים נשאר קבוע ‪,‬כלומר האנרגיה הכוללת נשמרת‪.‬‬
‫אם מודדים באופן מדויק* את כל שינויי האנרגיה המיוחסים לתהליכי השינוי השונים‪ ,‬מגלים‬
‫ש"זה שעולה" מתקזז באופן מלא עם "זה שיורד"‪.‬‬
‫בשפת המדע מכנים גודל שאינו משתנה בתהליכים מסוימים כגודל "נשמר"‪.‬‬
‫דוגמאות‪:‬‬
‫כאשר גוף נופל אנרגיית הגובה קטנה ובה בעת‬
‫אנרגיית התנועה גדלה‬
‫כאשר נר בוער השעווה שלו מתכלה (וגם החמצן החופשי סביבו) ובה‬
‫בעת הנר והאוויר שסביבו מתחממים‬
‫כאשר אור נבלע בקולט השמש הוא נעלם‬
‫ובאותה עת המים שבקולט מתחממים‬
‫במכונית המתחילה לנסוע המהירות‪ ,‬ההרכב הכימי‬
‫של הדלק (והאוויר) והטמפרטורה של המנוע כולם משתנים יחדיו‬
‫אנרגיה חשמלית‬
‫מעגל חשמלי פתוח וסגור‪ ,‬מוליכים ומבודדים‬
‫מעגל סגור – מעגל חשמלי שעובר בו זרם‪ .‬מעגל חשמלי סגור הוא מעגל שיש בו רצף של מוליכים‬
‫מהדק אחד של הסוללה להדק שני‪ ,‬ואז אם יש נורה במעגל היא מאירה‪.‬‬
‫מעגל פתוח – מעגל חשמלי בו לא עובר זרם‪.‬‬
‫מוליכים – חומרים הסוגרים מעגל חשמלי משום שמאפשרים הולכת זרם דרכם‪.‬‬
‫התנגדות חשמלית ‪ -‬לכל חומר יש התנגדות אך בחומרים מסוימים יש התנגדות גדולה יותר‬
‫למעבר של אלקטרונים דרכם‪.‬‬
‫מוליכות חשמלית – ככל שההתנגדות של החומר למעבר אלקטרונים קטנה יותר‪ ,‬האלקטרונים‬
‫יעברו דרכו בקלות רבה יותר ונוכל לומר שהמוליכות שלו טובה יותר‪.‬‬
‫התנגדות נמוכה‬
‫איך נמדוד זרם?‬
‫התנגדות בינונית‬
‫מוליכות גבוהה מוליכות בינונית‬
‫כדי למדוד זרם עלינו לספור את כמות הפרטים שזורמים (כמות אנשים‪ ,‬כמות מכוניות‪ ,‬כמות‬
‫מים) בשטח מסוים ולמדוד את הזמן באמצעות שעון כדי למדוד את משך הזמן שלוקח לזרם‬
‫לעבור‪.‬‬
‫מהו זרם חשמלי? מה זורם במוליכים? אלקטרונים!‬
‫עוצמת הזרם החשמלי ‪ -‬מספר האלקטרונים העוברים בכל שנייה דרך החתך במוליך‪.‬‬
‫אמפר – יחידת המידה לעוצמת הזרם‪ .‬היחידה אמפר כוללת בתוכה את שני הגדלים‪ :‬כמות‬
‫האלקטרונים והזמן‪.‬‬
‫מד זרם (אמפרמטר) – מכשיר מדידה של זרם חשמלי‪ .‬נהוג לסמלו ב‬
‫אמפרמטר‬
‫נגד‬
‫לזרם חשמלי יש גודל (עוצמה) וכיוון‬
‫כיצד נדע מהו גודל (עוצמת) הזרם?‬
‫•‬
‫•‬
‫הנורה היא מדד איכותי לעוצמת הזרם – עוצמת ההארה מעידה על עוצמת הזרם‬
‫החשמלי‪.‬‬
‫מד זרם (אמפרמטר) מאפשר מדידה מדויקת למדי של הזרם‪ .‬זוהי מדידה כמותית של‬
‫הזרם‪ .‬יחידות מידה אמפר (‪ .)A‬מראה כיווניות של הזרם‪.‬‬
‫כיצד נדע מהו כיוון הזרם?‬
‫כיוון זרימת האלקטרונים מחוץ לסוללה הוא מההדק השלילי של הסוללה‪ ,‬דרך המוליכים‪ ,‬אל‬
‫ההדק החיובי שלה‪.‬‬
‫גורמים המשפיעים על עוצמת הזרם החשמלי במעגל החשמלי‪.‬‬
‫האם ניתן להגדיל את זרם המים הזורמים בברז? איך נגדיל את זרם המכוניות על הכביש?‬
‫איך נוכל להגדיל את זרם האלקטרונים הזורמים במעגל חשמלי? יש לכך מספר דרכים אפשריות‪:‬‬
‫‪ .1‬סוג המוליך – סוג החומר ממנו עשויים חוטי החשמל קובע את ההתנגדות לזרם‪ ,‬כלומר‬
‫למעבר האלקטרונים דרכו‪.‬ככל שההתנגדות גדולה יותר כך יעברו דרך המוליך פחות‬
‫אלקטרונים בשנייה‪( .‬כסף ונחושת מוליכים טוב יותר מכרום ניקל)‬
‫‪ .2‬אורך המוליך – ככל שהחוט קצר יותר כך עוצמת האור ועוצמת הזרם גדולה יותר‪ .‬לחוט‬
‫ארוך יותר יש התנגדות גדולה יותר לזרם‪.‬‬
‫‪ .3‬עובי המוליך – ככל שהחוט עבה יותר עוצמת הזרם גדולה יותר‪ ,‬כי שטח החתך של‬
‫המוליך גדול יותר מה שמאפשר ליותר אלקטרונים לזרום בתוכו (כמו שצינור רחב יותר‬
‫יאפשר ליותר מים לזרום בתוכו)‪.‬‬
‫‪ .4‬מספר הסוללות המחוברות במעגל – ככל שיש יותר סוללות המחוברות זו לזו עוצמת‬
‫הזרם גדלה‪.‬‬
‫חיבור רכיבי המעגל החשמלי בטור ובמקביל ושמור המטען חשמל במעגל‬
‫כאשר רכיבים חשמליים מחוברים בזה אחר זה במעגל חשמלי‪ ,‬כלומר‬
‫‪‬‬
‫לכל שני רכיבים יש נקודת חיבור אחת בלבד (ראו איור)‪ ,‬החיבור מכונה "חיבור‬
‫בטור" או מעגל טורי‪.‬‬
‫כאשר רכיבים חשמליים מחוברים זה לזה בשני קצותיהם החיבור מכונה‬
‫‪‬‬
‫"חיבור במקביל"‪(.‬ראו איור)‪ .‬חיבור כזה דומה לצינור מים המסתעף למספר צינורות‬
‫משנה‪.‬‬
‫נגדים המחוברים בטור‪:‬‬
‫‪ ‬ניתוק אחד המכשירים‪ /‬נגדים במעגל טורי מפסיקה את זרימת הזרם‬
‫במעגל כולו‪.‬‬
‫‪ ‬במעגל טורי עוצמת הזרם קבועה לכל אורך המעגל‪.‬‬
‫‪ ‬הוספת נגד (או מכשיר כלשהו) בטור לנגד נתון במעגל כזה מגדילה את‬
‫ההתנגדות הכוללת של המעגל ולכן מקטינה את עוצמת הזרם‪.‬‬
‫נגדים המחוברים במקביל ‪:‬‬
‫‪ ‬ניתוק אחד הרכיבים לא יביא להפסקת הזרם בהסתעפויות‬
‫האחרות‬
‫‪ ‬עוצמת הזרם בקו הראשי שווה לסכום עוצמות הזרמים‬
‫בהסתעפויות‪.‬‬
‫‪ ‬במעגל חשמלי בו הרכיבים מחוברים במקביל‪ ,‬הוספת רכיב‬
‫במקביל מקטינה את ההתנגדות הכוללת של המעגל ולכן עוצמת‬
‫הזרם במעגל הראשי גדלה‪.‬‬
‫•‬
‫מכשירים חשמליים בבית מחוברים במקביל‪ ,‬מדוע?‬
‫– במקרה של חיבור בטור‪ ,‬אם מכשיר אחד לא יפעל המעגל‬
‫החשמלי ייפתח וכל שאר המכשירים לא יפעלו‪.‬‬
‫– במקרה של חיבור בטור נצטרך להפעיל את כל המכשירים‬
‫בו זמנית גם אם איננו זקוקים להם‪.‬‬
‫– ככל שיותר מכשירים מחוברים בטור כך ההתנגדות‬
‫הכוללת של המעגל גדולה יותר ועוצמת הזרם במעגל‬
‫תקטן ולא תספיק להפעלת כל המכשירים במלוא‬
‫עוצמתם‪.‬‬
‫חיבור במקביל‬
‫חיבור בטור‬
‫חוק שימור המטען החשמלי‬
‫בהמשך לחוק שמור האנרגיה‪ ,‬המטען החשמלי אינו נוצר יש מאין ואינו נעלם‪.‬‬
‫מתקיים שימור המטען במעגל החשמלי‪ .‬האלקטרונים אינם "מתבזבזים" בשעת‬
‫הזרימה‪ ,‬ועוצמת הזרם לפני או אחרי התקן‪/‬מכשיר חשמלי כלשהו היא אותה‬
‫עוצמה‪.‬‬
‫תופעות שנגרמות בעקבות מעבר זרם חשמלי‪:‬‬
‫א‪ .‬התחממות – כתוצאה מחיכוך האלקטרונים הזורמים בחלקיקי החומר שבמוליכים‪.‬‬
‫‪ .1‬התחממות ללא התלהטות‪ -‬אם הזרם קטן והמוליך דק‪ ,‬אם הזרם קטן והמוליך עבה‪,‬‬
‫אם הזרם גדול והמוליך‬
‫עבה (חוטי החשמל שבקיר)‪.‬‬
‫‪ .2‬התחממות עד התלהטות והפצת אור‪ -‬אם הזרם גדול והמוליך דק (חוט הלהט בנורה)‪.‬‬
‫ב‪ .‬מגנטיות‪:‬‬
‫‪ .1‬זרם חשמלי הזורם ליד מחט מגנטית (מצפן)‪ ,‬מסיט אותה מהצפון‪.‬‬
‫‪ .2‬אלקטרומגנט‪ -‬ברזל שסביבו מלופף מוליך שדרכו עובר זרם – הופך למגנט‪.‬‬
‫האלקטרומגנט עשוי מחוט מתכת המלפף סביב גרעין ברזל‪ .‬כאשר בחוט המתכת זורם‬
‫זרם חשמלי‪ ,‬הברזל מתנהג כמגנט ‪ .‬שמושים טכנולוגיים רבים מצריכים יצירה של שדה‬
‫מגנטי חזק‪ ,‬ומגנט רגיל אינו מתאים למטרה זו ‪ ,‬כי השדה שלו חלש מדי‪ .‬לכן משתמשים‬
‫במתקן חשמלי הנקרא אלקטרומגנט‪ .‬האלקטרומגנט מרכב מחוט מתכת ארך המלפף‬
‫כסליל סביב לבה עשויה מברזל ‪ .‬כאשר זרם חשמלי זורם דרך הסליל‪ ,‬נוצר בלבת הברזל‬
‫שדה מגנטי‪ ,‬והלבה מתנהגת כמגנט חזק‪ .‬כאשר מפסיקים את הזרם‪ ,‬השדה המגנטי‬
‫נעלם‪ .‬יתרון נוסף של האלקטרומגנט לעמת המגנט הרגיל הוא שאפשר לשנות את עצמתו‪:‬‬
‫ככל שהזרם החשמלי חזק יותר‪ ,‬עצמת השדה המגנטי גדולה יותר‪.‬‬
‫בטיחות בשימוש באנרגיה חשמלית‬
‫בעיות בטיחות יכולות לנבוע ממספר סיבות‪:‬‬
‫א‪ .‬התחממות יתר של רכיבי המעגל החשמלי‪ ,‬שעלולה‬
‫‪‬‬
‫לגרום לשריפה‪.‬‬
‫ב‪ .‬התחשמלות‪ ,‬הנובעת מכך שגוף האדם הוא מוליך‪ ,‬וזרם‬
‫‪‬‬
‫מעל עוצמה מסוימת עלול להזיק לו‪.‬‬
‫‪‬‬
‫א‪ .‬התחממות יתר‪ :‬בכל מעגל חשמלי סגור רכיבי המעגל מתחממים‪ .‬טמפרטורת‬
‫התיל המוליך עולה עד לערך קבוע‪ ,‬שבו קצב היווצרות החום שווה לקצב איבוד‬
‫החום מפני התיל לסביבה‪ .‬ערך זה תלוי בתכונות התיל ומתאים לעוצמה מסוימת של‬
‫הזרם החשמלי העובר דרכו‪ .‬אם מסיבה כלשהי עוצמת הזרם בתיל תעלה מעל לערך‬
‫זה‪ ,‬תהיה עליית טמפרטורה‪ ,‬העלולה לגרום להתלקחות הבידוד‪.‬‬
‫עלייה בעוצמת הזרם עלולה להיגרם כתוצאה משתי סיבות עיקריות‪ :‬קצר ועומס‬
‫יתר‪.‬‬
‫קצר‪-‬‬
‫מצב בו נוצר חיבור שהתנגדותו קטנה ביותר בין ההדק החיובי והשלילי של‬
‫הסוללה (למשל ללא מכשיר חשמלי ביניהם‪ ).‬במצב כזה קטנה באופן‬
‫ניכר ההתנגדות החשמלית במעגל‪ ,‬ועוצמת הזרם עולה במידה ניכרת‪.‬‬
‫קצר יכול להיווצר לדוגמה כתוצאה מקרע בבידוד בתוך מכשיר‬
‫עומס יתר‬
‫מצב שבו עוצמת זרם גדולה בהרבה מהמותר עוברת במעגל החשמלי‪ .‬מצב‬
‫כזה יכול להתרחש כאשר מספר רב של מכשירים מחובר לאותו מקור‪.‬‬
‫אמצעי בטיחות להגנה מפני הסכנות הכרוכות במצבי קצר ועומס יתר כוללים‪ :‬נתיך‪,‬‬
‫מפסק חצי אוטומטי‪.‬‬
‫‪ o‬נתיך הוא תיל קצר ודק יחסית אשר מחובר בטור למעגל החשמלי‪ .‬הנתיך עשוי מחומר‬
‫שניתך ברגע שעוצמת הזרם מגיעה לערך המרבי המותר‪ ,‬ותפקידו לנתק (לפתוח) את‬
‫המעגל‪.‬‬
‫‪ o‬מפסק חצי אוטומטי משמש לאותו תפקיד כמו הנתיך‪ ,‬אך עקרון פעולתו שונה‪ .‬הוא‬
‫מבוסס על שילוב בין תופעה תרמית לתופעה מגנטית‪ .‬כאשר עובר במעגל זרם בעל‬
‫עוצמה גדולה מהמותר המפסק פותח את המעגל‪.‬‬
‫הקטנת תופעת התחשמלות‪-‬‬
‫‪ o‬הארקה‪ -‬תפקיד להוליך זרם חשמלי מגוף מכשיר מקולקל לכדור הארץ ובכך להגן‬
‫עלינו מפני התחשמלות‪.‬‬
‫‪ o‬ממסר פחת זרם תפקידו לזהות מצבים שבהם הזרם הנכנס למעגל החשמלי גדול מהזרם‬
‫היוצא‪ ,‬כלומר יש "בריחת זרם"‪ .‬במקרים כאלה המכשיר פותח את המעגל החשמלי וכך‬
‫מגן מפני התחשמלות‪ .‬לדוגמה‪ ,‬בריחה כזו עלולה להתרחש במקרה שאדם (או בע"ח‬
‫אחר) נוגע במוליך לא מבודד באופן שחלק מהזרם החשמלי עלול לעבור דרך הגוף אל‬
‫האדמה‪.‬‬