לוחצים על מתג והנורה נדלקת. מאחורי הרגע הזה עומדת שרשרת: מטענים הנעים בגלל הפרש פוטנציאלים, דרך חוטים ומרכיבים, העוברי אנרגיה מהתחנת חשמל לנורה. הפניה זו מכסה AQA GCSE Physics 8463, נושא 4.2 חשמל.
התחל בשאלה פשוטה: תא, מתג ונורת תאורה יוצרים לולאה סדרתית. מדוע פתיחת המתג מפסיקה זרם מתמיד? כאשר המתג סגור, האם הנורה צורכת מטען?
המתג חייב לסגור מסלול מוליך, והסוללה מספקת הפרש פוטנציאל. במעגל סדרתי יציב הזרם זהה לפני ואחרי הנורה. הנורה מעבירה אנרגיה; המטען אינו נצרך. חישובים מאוחרים מקשרים בין $Q=It$, $E=QV$, $P=VI$ ו-$E=Pt$.
הערה זו משתמשת בסמלים סטנדרטיים של מעגל חשמלי וב-דף נוסחאות הפיזיקה כשסופק לבחינה. השתמש בדף שהונפק עבור מחזור הבחינה שלך; תרגל בחירת ופירוק נוסחאות במקום להניח שכל מסמך בדיחות עתידיות יספק את אותו תמיכה. AQA משתמשת במונח "הפרש פוטנציאל" בשאלות ומקבלת שימוש נכון במונח "מתח". חשמל סטטי ושדות חשמלי הם תוכן פיזיקה בלבד.
2.1
תרשימי מעגלים, מטען וזרם
סיילבוס
סמלים במעגל חשמלי, מטען חשמלי וזרם (הצהרות AQA 8463 4.2.1.1-4.2.1.2).
צייר ומפרט תרשימי מעגלים באמצעות סמלים תקניים.
נסח כי המטען החשמלי זורם רק כאשר המעגל סגור וכולל מקור להפרש פוטנציאלים.
השתמש בנוסחת זרימת מטען = זרם × זמן (Q = It), כאשר הזמן בחדרים.
זכור כי הזרם החשמלי הוא זרימת מטען, והזרם זהה בכל נקודה במעגל סגור יחיד.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
תרשים מעגל חשמלי משתמש בסמלים סטנדרטיים. הכר אותם: תא, סוללה, מתג (פתוח, סגור), מנורה, נגד, נגד משתנה, אמפרמטר, וולטמטר, דיודה, LED, תרמיסטור, LDR ופייוז. אמפרמטרים ממוקמים בסדרה; וולטמטרים ממוקמים במקביל על רכיב.
השתמשו בזוגות לוחות ארוכים/קצרים חוזרים עבור סוללה; חצים בהירים נכנסים ל-LDR ויוצאים מ-LED.
כדי שמטען יזרום, המעגל חייב להיות סגור ויכלול מקור הפרש פוטנציאלים. זרם חשמלי הוא זרימה של מטען חשמלי, וגודלו הוא קצב הזרימה:
$$Q = It$$
$Q$ זרימת מטען בקולונים, C; $I$ זרם באמפרים, A; $t$ זמן ב-שניות, s.
לזרם יש אותו ערך בכל נקודה במעגל סדרה יחיד.
זרם קונבנציונלי זורם מ-+ ל-−; אלקטרונים זורמים בכיוון ההפוך.
הסבר מודגם: מטען אינו זרם
כתוב על ידי מורה: 4.0 C עוברים נקודה ב2.0 s במעגל סדרה יציב. הזרם הוא זרימת מטען לשנייה:
חברו חוט התנגדות (ניקרומ או קונסטנטן) לאורך סרגל מטר. מדדו את האורך הנבחר בין נקודות המגע בפועל של קליפ קבוע וקליפ נייד. האמפרמטר הוא בסדרה עם אורך זה; הוולטמטר מחובר על אותן שתי נקודות מגע.
A ו-V מודדים את החוט הנבחר בין שני הקליפים שלו.
השתמשו בהפרש פוטנציאל נמוך וכבו בין קריאות כדי להגביל חימום. שינו אורך בלבד: שמרו על חומר החוט, שטח החתך וטמפרטורה קבועים. עבור כל אורך רשמו את הפרש הפוטנציאל והזרם שנמדדו, ולאחר מכן חשבו $R = V/I$. חזרו על קריאות וחקרו תוצאות שאינן עקביות.
למשל, נתונים אידיאליים שנכתבו על ידי מורים ממחישים את החישוב; אלו אינם מדידות ניסוייות:
אורך / ס"מ
מתח חשמלי / V
זרם / A
התנגדות / Ω
20
0.60
0.30
2.0
40
0.80
0.20
4.0
60
0.90
0.15
6.0
בטמפרטורה קבועה, עבור אותו חומר ואותו שטח חתך, ההתנגדות פרופורציונלית ישירות לאורך החוט. צייר גרף של ההתנגחות המוחשבת כפונקציה של האורך; ישר העובר דרך הראשית תומך בקשר זה. המתח המדוד אינו חייב להיות זהה בכל אורך, ולכן חשב את ההתנגדות לכל אורך מהקריאות הזוגיות שלו.
נקודת חיתוך שאינה אפס דורשת בדיקה. ודא שהאורך נמדד בין נקודות המגע; התנגדות המגעים והחוטים יכולה גם היא להשפיע על התוצאות. אל תכפה על הגרף לעבור דרך הראשית או תחסר כל נקודת חיתוך כ-שגיאת אפס ללא זיהוי הסיבה שלה.
בחלק השני של מעבדה זו, חבר שתי התנגדויות שוות בסדר, ולאחר מכן במקביל. עם אמפרמטר הנמדד את הזרם הכולל ווולטמטר מחובר סביב הקומבינציה כולה, מדוד את המתח הכולל ואת הזרם וחשב את ההתנגדות הכוללת. השווה להתנגדות אחת: בסדר ההתנגדות הכוללת גדולה יותר; במקביל ההתנגדות הכוללת קטנה יותר. לשתי התנגדויות זהות 10 Ω, הסכום האידיאלי הוא 20 Ω בסדר ו5 Ω במקביל. ניתן להסביר את תוצאת המקביל מבחינת הכפלת הזרם הכולל באותו מתח, ללא צורך בנוסחת ההתנגשות ההפוכה.
חקור
One operating point: voltage, current and resistance
$I=\frac{V}{R};\quad P=VI$
At the worked operating point, 6 V across 20 ohms produces 0.30 A and 1.8 W.
2.3
נגדים ואופיין I–V
סיילבוס
נגדים ואופיין I-V (הצהרת AQA 8463 4.2.1.4).
הסבר כי עבור חלק מהנגדים ההתנגדות נשארת קבועה, בעוד שבאחרים היא משתנה כשהזרם משתנה.
תאר את גרף ה-I-V של מוליך אומי בטמפרטורה קבועה, נורת להב ודיודה.
הסבר על גרף נורת הלהב: הזרם מחמם את הלהב, וההתנגדות עולה.
נסח כי התנגדות הטירמיסטור יורדת כשהטמפרטורה עולה, ותן את יישום תרמוסטט.
נסח כי התנגדות LDR יורדת כשהבהירות האור עולה, ותן את יישום הדלקת תאורה.
ניסוי נדרש 4: חקור את אופייני ה-I-V של רכיבי מעגל, כולל שינוי הפרש הפוטנציאלים, הפכת אספקת המתח והגנה על הדיודה.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
מעבדה נדרשת 4 מודדת זרם דרך התנגדות, נורת פילמנט ודיודה במגוון של מתחים נמדדים על כל רכיב. חבר אמפרמטר בסדר ווולטמטר במקביל לרכיב. שינה את המתח בעזרת מקור DC משתנה או התנגדות משתנה בסדר. התחל מאפס והישאר בתוך הדרישות של הרכיב. רשום קריאות זוגיות בטווח מתאים; חזור וחקור קריאות שאינן עקביות. כבה לפני הפיכת חיבורי המקור כדי לקבל ערכים שליליים, תוך שימוש במדדים שיכולים לקרוא פולריות הפוכה. צייר גרף של זרם אנכית כנגד מתח אופקית.
A ו-V מודדים זרם דרך ו-PD על פני הנורה.
עבור חקירת הנורה בבחינת AQA יוני 2023 8463/1H Q06.1, Figure 6 מכסה טווח מ-6 V ועד +6 V עם קריאות בטווחים של 1 V. אסוף ערכים חיוביים, ולאחר מכן הפוך את המקור כדי לקבל ערכים שליליים; הגדרות אלו שייכות לחקירת הנורה הזו, ולא לכל הרכיבים האפשריים.
עבור דיודה, השתמש בהתנגדות מגן מתאימה בסדר כדי להגביל את הזרם ובמיליאמפרמטר למדידת הזרם הקטן. ההתנגדות המגנת, ולא המיליאמפרמטר, מגנה על הדיודה. מדוד את המתח על הדיודה בלבד, ללא ההתנגדות המגנת. שמור על התנגדות האומיתית בטמפרטורה קבועה ככל האפשר; השינוי בטמפרטורת הפילמנט של הנורה הוא חלק מהאפקט הנחקר.
צורות איכותיות, לא גרפי מדידה מספריים. הזרם הוא הציר האנכי בשלושת הלוחות.
מוליך אומי (נגד קבוע בטמפרטורה קבועה): הזרם פרופורציונלי ישירות להפרש הפוטנציאלים; ההתנגדות קבועה. ישר העובר דרך הראשית.
נורת פילמנט: ההתנגדות עולה כשטמפרטורת הפילמנט עולה. הזרם עולה פחות מאופקית עם המתח, ולכן עקומת ה-I-V משטחת ומתרחקת מהראשית בשני הכיוונים.
דיודה: מוליכה בכיוון הקדמי; זרם הפוך הוא זניח בדגם זה, ולכן ההתנגדות ההפוכה גבוהה מאוד. אל תניח שכל דיודה יש לו בדיוק אותה מתח קדמי.
נקודת פעולה נבחרה, חשב התנגדות באמצעות $R=V/I$. בגרף זרם נגד מתח, התנגדות אינה השיפוע. עבור קו ישר העובר דרך הראשית, השיפוע הוא $I/V=1/R$; עבור מאפיין מעוגל השתמש במיקודים של הנקודה הנבחרת, ולא בשיפוע מגע.
דוגמה פתורה, מותאמת מבחינת AQA יוני 2023 8463/1H Q06.2. ב+3.0 V, הגרף הרשמי של הנורה נותן כ-0.16 A:
ההתנגדות הגדולה יותר תואמת לפילמנט חם יותר: רעידות רשת מוגברות מקשות על תנועת האלקטרונים. הזרם עדיין עולה, אך ביחס קטן יותר מהמתח.
תרמוסטור: בטיפוס הנדרש כאן, ההתנגדות יורדת כשטמפרטורה עולה – משמש כחיישן טמפרטורה בטרמוסטט.
LDR: ההתנגדות יורדת כשעוצמת האור עולה – משמש כחיישן אור במערכת תאורה אוטומטית.
אלו גרפי התנגדות כנגד סביבה, לא מאפייני I–V.
חיישן אינו קובע באופן עצמאי מתי מכשיר נדלק. לדוגמה, בקר המוגדר לנדלק מנורה כאשר התנגדות LDR גבוהה, יפעיל אותה בחושך. ניתן לעצב בקר קירור כדי שידלק כאשר התנגדות תרמיסטור יורדת עם עליית הטמפרטורה. ציין את חוק הבקר הנתון ועקוב אחר השינוי דרכו. רק עבור אותו מתח ספציפי (pd) על החיישן, ירידת התנגדות מעידה על עליית הזרם לפי $I=V/R$; ספק קבוע אינו מבטיח מתח ספציפי קבוע על החיישן במעגל סדרתי.
2.4
מעגלים סדרתיים ופאראלליים
סיילבוס
מעגלים בסדרות ובמקביל (הצהרת AQA 8463 4.2.2).
עבור רכיבים בסדרה: נסח כי הזרם זהה, הפרש הפוטנציאלים מסופק מתחלק, וההתנגדות הכוללת היא סכום ההתנגדויות.
עבור רכיבים מקבילים: ציין שהמתח זהה בכל ענף, הזרם הכולל הוא סכום זרמי הענפים, וההתנגדות הכוללת של שני נגדים היא קטנה מהערכים הפרטיים הקטנים ביותר.
הסבר באופן איכותי מדוע חיבור נגדים בסדר מגדיל את ההתנגדות הכוללת בעוד שחיבורם במקביל מקטין אותה.
חשב זרמים, מתחים והתנגדויות במעגלי DC סדרתיים, תוך שימוש בהתנגדות שקולה.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
במעגל סדרתי, רכיבים משתפים לולאה אחת בלתי-מתפצלת. במעגל מקביל, רכיבים מחוברים על ערוצים נפרדים בין אותם שני צמתים. עקוב אחר מסלולים אלו בתרשים לפני שימוש בחוקי הזרם והמתח.
אותם רכיבים, כללים שונים מאוד.
לרכיבים בסדרה:
הזרם זהה דרך כל רכיב;
המתח מסופק מתחלק בין הרכיבים;
ההתנגדות הכוללת היא הסכום: $R_{total} = R_1 + R_2$.
לרכיבים בפאראלל:
המתח על כל רכיב הוא זהה;
הזרם הכולל הוא הסכום זרמי הענפים;
ההתנגדות הכוללת של שני נגדים היא קטנה מהקטנה ביותר בודד.
עליך להסביר את שני הכיוונים: הוספת התנגדויות בסדרות מוסיפה התנגדות נוספת באותו מסלול מוליך בלתי-מתפצל, ולכן ההתנגדות הכוללת עולה; במקביל, כל התנגדות פותחת ערוץ נוסף למטען, ולכן זורם יותר זרם עבור אותו מתח ספציפי וההתנגדות הכוללת יורדת.
אינך מחויב לחשב את ההתנגדות המשולבת של שני נגדים בפאראלל — רק להשוות ולהסביר.
דוגמה פותרת. סוללה בעוצמת 6.0 V מופעלת מנורה בסדרה עם נגד משתנה המוגדר ל-6.0 Ω. ההתנגדות של המנורה היא 12 Ω בנקודת הפעולה זו.
נתונים: מתח הספק ושתי ההתנגדויות בנקודת הפעולה זו. שמור על הזרם שאינו מעוגל בזמן חישוב חלוקת המתח.
החלוקות מתחכתבות ל-6.0 V. חלוקה שווה מתרחשת רק עבור התנגדויות שוות בנקודת הפעולה; רכיבים בסדרה אינם חולקים מתח תמיד בצורה שווה.
השוואה שנכתבה על ידי מורה עם התנגדויות קבועות. שתי התנגדויות בערך 8.0 Ω מחוברות לספק אידיאלי בעוצמת 12 V. בסדרה, הערכים הם $R_{total}=R_1+R_2=16\ \Omega$ ו-$I=V/R_{total}=0.75\ \text{A}$; לכל התנגדות יש מתח של $V=IR=6.0\ \text{V}$. במקביל, לכל ערוץ יש מתח של 12 V, ולכן זרם הערוץ הוא $I=V/R=1.5\ \text{A}$ ו-$I_{total}=I_1+I_2=3.0\ \text{A}$. הוספת נגד מקביל נוסף מוסיפה ערוץ זרם נוסף ומגבירה את הזרם הכולל באותו מתח ספק. כאן אין צורך בנוסחת ההתנגדויות ההפוכות.
בערוצים מקבילים עצמאיים על ספק מתח ספציפי קבוע ואידיאלי, פתיחת ערוץ אחד מפסיקה את הזרם בערוץ זה; הערוץ האחר עדיין יש לו אותו מתח ספציפי. פתיחת הערוץ הסדרתי היחיד מפסיקה את הזרם דרך שני הרכיבים. אם מתח הספק משתנה תחת עומס, אל תניח שהזרם בערוץ השני לא השתנה.
Integrated worked example, adapted from AQA June 2024 8463/1H Q05.5. At 20 °C the question's thermistor graph gives about 80 Ω. It is in series with a 400 Ω resistor across 12 V. Find the pd across the thermistor.
להתנגדות הקבועה נותרו 10 V נוספים. דוגמה זו משתמשת בקריאת הגרף שסופקה לעיל; השאלה המלאה במבחן דורשת גם לקרוא את ההתנגדות מהגרף. מתח ספק קבוע אינו גורם להתנגשות מתח הספציפי על התרמיסטור להיות שווה למתח הספק.
ציין שמספק החשמל הביתי הוא אספקה AC בתדר 50 הרץ ומתח כפוף ל-230 וולט בבריטניה.
הסבר ההבדל בין מתח ישיר למתח מתחלף.
זיהוי חוטי הפאזה, האפס והארץ לפי צבע הבידוד וציין את משימתו של כל אחד מהם.
הסבר מדוע חוט פאזה עלול להיות מסוכן גם כאשר מתג במעגל החשמל הביתי פתוח.
הסבר הסיכון שבחיבור כלשהו בין חוט הפאזה לארץ.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
ספק החשמל הביתי בבריטניה הוא מתח חילופין (ac): המתח הספציפי משנה באופן חוזר את הקוטבות שלו. התדר שלו הוא 50 Hz, כלומר 50 מחזור מלא בשנייה, והמתח הספציפי המפורט הוא כ-230 V. סוללות מספקות מתח ישר (dc) עם קוטביות אחת. מתח ישר אינו חייב להיות קבוע לגמרי בגודלו; כיוונו אינו מתהפך.
קנה מידת מתח איכותי: העקומה אינה מציגה 230 V כשיא שלה. מחזור 50 Hz שלם נמשך 20 ms.
זיכרון בדיקת אמת: AQA יוני 2024 8463/1H Q05.1 מבקש תדר ומתח רשת בריטניה: 50 Hz ו-230 V בהתאמה. חמישים מחזורים לשנייה אינם פירוש רק חמישים שינויי כיוון לשנייה: מחזור סינוסואידלי כולל מחצית חיובית ומחצית שלילית.
צבעי הבידוד מופיעים בכותרות.
חוט
צבע בידוד
תפקיד רגיל ומתח
חי
חום
ספק מתח חילופין; כ-230 V ביחס לאדמה.
ניטרלי
כחול
משלים את המעגל הרגיל; בפוטנציאל אדמה או קרוב אליו, כ-0 V.
earth
green and yellow stripes
Protective connection to an exposed metal case; near 0 V in the normal model, carrying no normal load current.
למסילה ולארץ יש משימות שונות למרות ששתיים מהן נמצאות לרוב בפוטנציאל האדמה. המסילה מעבירה זרם עומס רגיל; ארץ ההגנה מספקת מסלול לזרם תקלה.
מדוע מתג פתוח אינו הופך את כל החיווט החי לחסר סכנה
מתג חיווי פתוח עם נקודות מסומנות בצד האספקה ובצד העומס.
המתג הפתוח מונע זרם מנורה במעגל אידיאלי זה. הנקודה A נשארת מחוברת לאספקה החיה, ב-230 V לערך ביחס לאדמה. אדם שמבצע חיבור מוליך מהנקודה החיה הזו לאדמה עלול לקבל חשמל. אין להסיק מכך שמכשיר כבוי משמעותו שהכל מעגל מבודד. הדבר אינו מצביע על כך שנקודה B לאחר מתג פתוח חיווט נכון גם היא חייבת להיות חיה.
הסכנה תלויה בזרם הגוף, במסלול ובמשך הזמן. גוף האדם אינו חוט בעל התנגדות אפסית, אך זרם קטן משמעותית מדרוג'ת הביטחון של מכשיר יכול עדיין לגרום לפגיעה חמורה. ביטחון מכשיר אינו מבטיח הגנה מפני מגע בחיווט חיה.
ארץ הגנה וביטחון בתקלת מארז מתכת
לדגם תקלת הכיתה, נניח שחוט חי נוגע בארז מתכת חשוף בעל חיבור ארץ הגנה תקין. מוליט הארץ מספק מסלול תקלה בעל התנגדות נמוכה; הזרם הגדול שנוצר מחמם וממיס ביטחון בדרוג'ת מתאימה בחוט החי, ופותח את האספקה החיה. ללא חיבור הארץ הזה, הארז עלול להיות חי ללא זרם מספיק כדי להפעיל את הביטחון. ההגנה של ביטחון מפני זרם יתר שונה מטענה שכל זרם חשמל אפשרי יפיח אותו.
הערכת תקלת מסילה שבורה
דגם אידיאלי שנכתב על ידי מורה: נורה מחוברת לאספקה חד-פאזית של חוט חי ומסילה. חיבור המסילה נשבר בין הנורה לבין האספקה. הפלטת המסילה השולית נשארת מחוברת לחוט החי דרך הנורה; אין מסלול חזרה אחר. אין זרם עומס רגיל, אך הפלטה השולית יכולה להיות בפוטנציאל חיי.
תנאי
מתח חוט-חי לאדמה
מתח מסילה-עומס לאדמה
מתח על הנורה
תקין
כ-230 V
כ-0 V
כ-230 V
מסילה שבורה
כ-230 V
כ-230 V
כ-0 V
מודל אידיאלי זה מסביר מנורה לא דולקת עם קצה מסוכן באחור. לשתי נקודות המנורה יש כמעט אותה פוטנציאל, ולכן ההפרש הפוטנציאלים (PD) על המנורה הוא סמוך לאפס; כל אחת עשויה עדיין להיות בעלת PD גבוה ביחס לאדמה. לא ניתן לייחס 230 V גם למנורה האידיאלית הלא-דולקת וגם מקצה אחד שלה לאדמה במודל חד-פאזי הנ"ל.
2.6
העברות אנרגיה: הספק ומכשירים
סיילבוס
הספק והעברות אנרגיה במכשירים (AQA 8463 הצהרות 4.2.4.1-4.2.4.2).
השתמש בנוסחת הספק = מתח × זרם (P = VI) והספק = זרם בריבוע × התנגדות (P = I^2 R).
הסבר כיצד הספק המועבר במכשiroו קשור למתח עליו, לזרם שעובר דרכו ולאנרגיה המועברת לאורך זמן.
השתמש בנוסחת אנרגיה מועברת = הספק × זמן (E = Pt) ואנרגיה מועברת = זרימת מטען × מתח (E = QV), כאשר הזמן נמדד בשניות.
תאר כיצד מכשירים ביתיים מעבירים אנרגיה לאנרגיה קינטית, לחום או לאור, וקשר את דירוג ההספק לשינויים באנרגיה מאוגרת בזמן השימוש.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
מכשירים חשמליים ממירים אנרגיה מהסוללות או מהרשת. מנוע ממיר אנרגיה מכנית לגופים זזים; חימום ממיר אנרגיה למאגר התרמי של סביבתו. הספק הוא קצב העברת האנרגיה: 1 W פירושו 1 J בכל שנייה. דירוג מציין קצב זה בתנאי המתח העבודה הנדרשים; הוא אינו האנרגיה הכוללת שנצרכה.
גדלים ידועים
משוואה
מטרה
pd וזרם
$P=VI$
הספק ב-W
זרם והתנגדות
$P=I^2R$
הספק התנגדותי ב-W
הספק וזמן
$E=Pt$
אנרגיה ב-J
מטען ו-pd
$E=QV$
אנרגיה ב-J
השתמשו בשניות עם וואטים כדי לקבל ג'ולים. השתמשו באמפרים, וולטים, אוהמים וקולומבים עם נוסחאות אלו. עבור דגם התנגדותי, הצבת $V=IR$ לתוך $P=VI$ נותנת $P=(IR)I=I^2R$. אם הזרם אינו ידוע, סדרו מחדש את $I^2=P/R$ ולקחו את השורש: $I=\sqrt{P/R}$, לא $P/R$.
דוגמה פתורה — AQA יוני 2023 8463/1H שאלה06.3. מנורה עובר בה זרם של 0.21 A במתח של 6.0 V למשך 30 דקות. חשב את האנרגיה המועברת. הזרם והמתח נותנים הספק; ההספק והזמן נותנים אנרגיה.
מירגל את הזמן: $30\ \text{min}=30\times60\ \text{s}=1800\ \text{s}$.
שתי הדרך מסכימות ומתקבלות בתוכנית הרשמית. שמור על הערכים הביניים עד לתשובה הסופית; כתוב J עבור אנרגיה, לא W.
דוגמה פתורה — AQA יוני 2025 8463/1H שאלה09.2. השאלה נותנת הספק של משאבה-מנוע 4.86 W והתנגדות 6.0 Ω ושואלת על זרימת המטען ב30 דקות. השתמש בדגם הנדרש בשאלה $P=I^2R$; זוהי אינה טענה כללית שהכניסה החשמלית לכל מנוע פעיל היא חימום התנגדותי. הספק והתנגדות נותנים זרם; זרם וזמן נותנים מטען.
השווה דירוגי הספק — כתיבת מורה. שני מכשירים מעבירים אותו כמות של 120 kJ אנרגיית כניסה בהספקים קבועים של 1.0 kW ו2.0 kW. מירגל 120 kJ ל120 000 J ו-kW ל-W לפני שימוש ב$t=E/P$.
הקו התלול יותר מעביר אנרגיה מהר יותר. הקצוות מראים אנרגיה שווה, אך בזמנים שונים.
באותו זמן הפעלה, המכשיר בעל 2.0 kW מעביר פי שניים מאנרגיה. עבור אותה כמות כניסה שווה, הוא לוקח מחצית מזמן. דירוג גבוה לבדו אינו מוכיח צריכת אנרגיה כוללת או עלות כוללת גבוהה יותר לעבודה: אורך המשך ויעילות (ביציאה מועילה) הם קובעים. עבור אותו חומר וכמות מים, הספק חימום מועיל גדול יותר מרים את הטמפרטורה מהר יותר כאשר האיבודים דומים.
2.7
הרשת הלאומית
סיילבוס
הרשת הלאומית (AQA 8463 הצהרה 4.2.4.3).
תאר את הרשת הלאומית כמערכת של כבלים וממירים המקשרת תחנות חשמל לצרכנים.
ציין שממירי הרמה מגדילים את מתח ההעברה וממירי הורדה מקטנים אותו לשימוש ביתי.
הסבר מדוע הרשת הלאומית היא דרך יעילה להעברת אנרגיה, תוך שימוש בנוסחת P = VI וההפסד הספק בכבלים P = I^2 R.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
רשת החשמל הלאומית מעבירה אנרגיה חשמלית ממחנות חשמל לצרכנים באמצעות כבלים ומפסי מתח.
חצים מראים את מסלול העברת האנרגיה במערכת, ולא חוטי מעגל פרטיים.
מפסי מתח מרומים מגביר את המתח לפני ההעברה. עבור אותו הספק הנכנס לקו, מתח גבוה יותר בקצה השליחה פירושו זרם קטן יותר: $I=P_{\text{in}}/V$. עם אותה התנגדות כבל, איבודי החימום $P_{\text{loss}}=I^2R$ הם קטנים יותר. יותר מאנרגיית הכניסה מגיעה לצרכנים, ולכן היעילות עולה. האיבודים מצטמצמים, אך אינם נעלמים לחלוטין.
מפסי מתח מורידים את מתח ההעברה לצרכנים; מכשירי בית בארצות הברית משתמשים בכ-230 V. זהו ערך נמוך ומתאים יותר מאשר מתח ההעברה; הוא עדיין יכול לגרום לזעזוע חשמלי מסוכן. בניית ותפעול מפסים מוסברים בנושא 4.7; סעיף זה מסביר את תפקידיהם ברמת המערכת.
הסבר מבחן אמיתי — AQA יוני 2022 8463/1H שאלות06.1–06.2. במבחן מופיע המפס X לפני כבלי ההעברה האוויריים והמפס Y לפני הצרכנים. X מגביר את המתח, מקטין את הזרם, מקטין את העברת החום לסביבה ומגביר את יעילות ההעברה. Y מוריד את המתח לערך בטוח יותר לצרכנים. אל תחליף את הסבר X רק ב“זה יעיל יותר”: יש לפרט את השרשרת הפיזיקלית.
השווי שני מתחי שליחה
השוואה פשוטה שנכתבה על ידי מורה. שמור על הספק הכניסה בקצה השליחה ב500 kW ועל התנגדות כבל כוללת ב2.0 Ω. השווה מתח שליחה של 10 kV מול 20 kV. השתמש בדגם פשוט של רשת עורמית אחת עם מפסים אידיאליים; זוהי אינה חישוב של רשת ה-3-פאזית האמיתית בבריטניה. מירגל kW ו-kV ל-W ו-V.
מתח שליחה כפול נותן מחצית מהזרם ורבע מאיבודי הכבל. הספק הכניסה נשאר ללא שינוי; הספק היציאה עולה כי פחות מאנרגיה אובדת. חישוב זרם-התנגדות נותן את האיבודים, אך לבדו אינו נותן את היעילות: נדרש גם הספק כניסה או אנרגיה כוללים.
השוואה בדף 2.7. ב2000 A דרך 40 Ω, מתקבל $P_{\text{loss}}=I^2R=(2000\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.6\times10^8\ \text{W}$. ב500 A דרך אותה התנגדות, מתקבל $P_{\text{loss}}=I^2R=(500\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.0\times10^7\ \text{W}$. הזרם הוא רבע, ולכן ההפסד הוא שישי-עשר. ללא ציון הספק כניסה, אל תטענו שהפסדים אלו מהווים אחוז קטן מהסך הכל.
חישוב יעילות בפועל — AQA יוני 2023 8463/1H Q01.5. האנרגיה הנכנסת היא 34.2 GJ והיעילות היא 0.992. השתמשו ב-$\eta=E_{\text{useful}}/E_{\text{in}}$ ואתרו את המשתנה לפני ההצבה. שתי האנרגיות הן ב-GJ כאן, ולכן היחס אינו דורש המרה ליחידות J.
הסבר ששחיקת חומרים מבודדים מעבירה אלקטרונים ומשאירה מטענים שווים והפוכים.
תאר את הכוחות בין גופים טעונים: מטענים זהים דוחפים, מטענים שונים נמשכים, ככוח שאינו נוגע.
תאר יצירת חשמל סטטי ובזקוקים כתוצאה משחיקה של משטחים.
צייר תבנית שדה חשמלי לכדור טעון מבודד.
הסבר את מושג השדה החשמלי ואופן הסברתו של כוח שאינו נוגע בין מטענים ובין בזקוקים.
מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
כששני חומרים מבודדים נגזרים זה מזה, אלקטרונים — מטענים שליליים — נגרדים מאחד ועוברים לשני:
החומר המקבל אלקטרונים הופך למטען שלילי;
החומר האובד אלקטרונים נותר עם מטען חיובי שווה בגודלו.
גופים טעונים מפעילים כוחות ללא מגע: מטענים זהים נדחים; מטענים שונים נמשכים — כוח שאינו במגע. הפרש פוטנציאל גדול יכול ליצור שדה חשמלי חזק על פני מרווח אוויר קטן. אם השדה חזק מספיק, האוויר הופך למוליך (שבירת דיאלקטרית), ומטען זורם בקצב קצר על פני המרווח כ-ניצוץ. מוליך מאדם יכול לקבל ניצוץ; האדמה אינה מסירה מקור מתח גבוה הסמוך.
גוף טעון יוצר סביבו שדה חשמלי: אזור שבו מטען אחר מרגיש כוח.
אלקטרונים זזים; השדה מראה את הכוח. השדה חזק ביותר קרוב לגוף וחלש יותר ככל שמרחקים.
עליך לצייר את דפוסי השדה לכדור טעון בודד: קווים רדיאליים ישרים המכוונים לחוץ ממטען חיובי (או פנימה למטען שלילי), עם רווחים הולכים וגדלים ככל שמרחיקים מהכדור.
קשרו את ההסבר לשאלות אמיתיות בבחנות
AQA יוני 2022 8463/1H שאלה05.1: אלקטרונים עוברים מבד למקל; אלקטרונים טעונים שלילית, ולכן לבד נותר מטען חיובי עודף. אל תתאר העברת מטען חיובי. שאלה05.4: מתח גבוה עלול לגרום לשבירת אוויר; אלקטרונים זורמים דרך האוויר מהמקל השלילי למונע האדמה.
AQA יוני 2024 8463/1H שאלות04.1–04.3: אלקטרונים עוברים לתלמידה, השיער שלה רוכש את אותו מטען שלילי, ומטענים זהים דוחים זה את זה. השדה החשמלי הוא אזור בו גוף טעון חווה כוח; עוצמתו פוחתת עם המרחק.
Q04.4: ניצוץ מעביר 0.60 J עם 2.0 מיקרו-קולומב של מטען. ממירים $Q=2.0\times10^{-6}\ \mathrm{C}$. בוחרים $E=QV$ ומסדרים מחדש:
הרחבת אובייקט ניטרלי לדף 2.8. מקל טעון יכול למשוך נייר ניטרלי כי הוא מפריד מעט מטענים חיוביים ושליליים בתוך הנייר. המטענים הנגודים הקרובים מרגישים משיכה חזקה יותר מאשר הדחייה של המטענים זהים הרחוקים. בקיר מבודד, מטענים קשורים זזים מעט; אל תניחו שאלקטרונים זורמים בחופשיות דרכו. משיכה לבד לא מוכיחה מטענים נטו נגודים. בשאלת המקל בדף, כל המקלים מוגדרים כטעונים, ולכן חוק המטענים הנגודים חל.
2.8
רשימת בדיקה לפני סיום נושא זה
צייר את הסמלים הסטנדרטיים; הנח אמפרמטרים בסדרה, וולטמטרים במקביל.
השתמש ב-$Q = It$, $V = IR$, $P = VI$, $P = I^2R$, $E = Pt$, $E = QV$ — הנבחרים מן המילים בשאלה.
תארו את RP3: $R \propto L$, בקרות, נקודת חיתוך ובדיקות חימום; RP4: מעגלים וצורות I–V.
ציינו חוקי זרם, פוטנציאל והתנגדות בסדרה ובמקביל; הסבירו את מגמות ההתנגדות.
תזכרו את רשת החשמל: 230 V, 50 Hz, ac; צבעי חוטים ותפקידיהם; הסבירו את סכנות החוט המזין.
הסבר את יעילות הרשת הלאומית עם $P = I^2R$.
(פיזיקה בלבד) הסבר טעינה חיכוך באמצעות אלקטרונים, ושרטט את השדה הרדיאלי של כדור טעון.
טעויות נפוצות
אמירה שהזרם נצרך על ידי נורת תאורה. במעגל סדרתי הזרם זהה בכל מקום; אנרגיה מועברת, לא מטען.
חיבור התנגדויות במקביל כאילו היו בסדר. שתי התנגדויות במקביל יוצרות התנגדות כוללת פחות מהקטנה ביותר ביניהן.
הצבת המדיד בוולטמטר בסדר או המדיד באמפרמטר במקביל. אמפרמטר במעגל; וולטמטר על פני המרכיב.
השארת הזרם ב-mA או הזמן בדקות: $75\ \text{mA} = 0.075\ \text{A}$, $30\ \text{min} = 1800\ \text{s}$.
בלבול בין הספק לאנרגיה. $P = VI$ נותן וואטים; אתם צריכים $E = Pt$ או $E = QV$ לג'ולים.
קבלת מגמות חיישנים הפוכות. התנגדות טרמיסטור יורדת כשהטמפרטורה עולה; התנגדות LDR יורדת כשהתאורה עולה.
טענה שחוט האדמה מוביל זרם מתמיד. הוא מוביל זרם רק אם תקלה מחברת חוט החשמל למארז מתכת.
