2 · Electricity

האנרגיה שאינה נראית

Press a switch and a room lights. Between the power station and the lamp stands everything in this section: how domestic wiring keeps you safe, how voltage drives current through circuits, and — (P) — how electrons rubbed from one surface to another make charges that attract, repel and sometimes spark.

Edexcel International GCSE פיזיקה 4PH1, סעיף 2 (טענות 2.1–2.28P). יחידות: אמפר (A), קולון (C), ג'ול (J), אום (Ω), וולט (V), וואט (W). טענות המסומנות ב-P הן הרחבת פיזיקה בלבד, המוערכות בבחינה 2P.

חשמל רשת

חשמל רשת הוא זרם חילופין (a.c.) — הכיוון משתנה פעמים רבות בשנייה; סוללה מספקת זרם ישיר (d.c.) — בכיוון אחד בלבד.

בטיחות: בידוד על חוטים; בידוד כפול (מעטפת פלסטית, אין צורך בארץ); ארק (מסלול בעל התנגדות נמוכה כדי שזרם תקלה יפעיל הפסקן); הפקסים ומפסקי מעגלים (נמסים או מופעלים בזרם עודף, ומגנים על החיווט ועל אנשים). זרם בנגד מעביר אנרגיה חשמלית לאנרגיה תרמית — זו מטרת הסירים והחימומים, וזה הסיבה שדירוגי ההפקסים חשובים:

Worked check (fuse choice). A 230 V, 1.15 kW heater draws $I = P/V = 1150/230 = 5$ A — fit a 13 A fuse (next standard rating above the current); a 3 A fuse would blow in normal use.

מעגלים

סדרה מתאימה לשרשראות (מתגים, אמפרמטרים, תאורת חג) — אותו זרם בכל נקודה, המתחS מתווסף, וכשל אחד מפסיק את כולם. מקביל מתאים לתאורה ביתית — כל מנורה מקבלת את מתח האספקה המלא, פועלת באופן עצמאי, וזרמים מתווספים בנקודות חיבור (שימור מטען בנקודת חיבור).

זרם הוא זרימת אלקטרונים טעונים במטען שלילי במתכות. מתח הוא האנרגיה המועברת ליחידת מטען (1 V = 1 J/C). שני התנגדויות בסדרה: $R = R_1 + R_2$; במקביל ההתנגדות המשולבת קטנה מאחת מהן בנפרד.

דוגמה מוצגת (טעון ואנרגיה). מטען טלפון מספק זרם של 2.0 A במתח 5.0 V למשך 30 דקות. זמן בשניות: $t = 30 \times 60 = 1800$ s. טעון: $Q = It = 2.0 \times 1800 = 3600$ C. אנרגיה: $E = QV = 3600 \times 5.0 = 18\,000$ J. אותו תשובה מתקבלת גם מ-$E = IVt = 2.0 \times 5.0 \times 1800$.

מאפייני I–V: חוט אומי במחיר טמפרטורה קבוע נותן קו ישר דרך הראשית (התנגדות קבועה); נורת פילמנט מתעקמת כשהחימום מרים את ההתנגדות; דיודה מוליכה בכיוון אחד בלבד. LDRs: ההתנגדות יורדת כשהאור עולה. תרמיסטורים: ההתנגדות יורדת כשהטמפרטורה עולה (או עולה כשהיא קרה — משמשים בחיישני טמפרטורה). נורות ו-LEDs מציינות זרם.

דוגמה מוצגת (חיישן טמפרטורה). תרמיסטור ונגד קבוע של 4.0 kΩ מחוברים בסדר על מקור מתח 12 V. מד-מתח קורא את המתח על פני התרמיסטור.

• חדר חם, תרמיסטור 2.0 kΩ: סך הכל $R = 6.0$ kΩ, ולכן $I = 12 \div 6000 = 0.0020$ A. המתח על פני התרמיסטור הוא $= IR = 0.0020 \times 2000 = 4.0$ V.
• חדר קר, תרמיסטור 8.0 kΩ: סך הכל $R = 12$ kΩ, ולכן $I = 0.0010$ A. המתח על פני התרמיסטור הוא $= 0.0010 \times 8000 = 8.0$ V.

קר יותר פירושו התנגדות תרמיסטור גבוהה יותר, ולכן הוא לוקח חלק גדול יותר ב-12 V. קריאת מד-המתח יכולה להדליק חימום כשהיא עולה מעל ערך קבוע. בדוק: בכל מקרה שתי המתחים מתחברים ל-12 V ($4.0 + 8.0$ ו-$8.0 + 4.0$).

Worked check. Two resistors, 4 Ω and 6 Ω, in series across 10 V: total 10 Ω, $I = 10/10 = 1$ A; voltages 4 V and 6 V. In parallel across 10 V: each branch draws 10/4 = 2.5 A and 10/6 ≈ 1.67 A — total ≈ 4.17 A, equivalent resistance ≈ 2.4 Ω (less than either).

מטען חשמלי (P)

מוליכים (מתכות) מאפשרים זרימת מטען; מבודדים (פלסטיק) לא עושים זאת.

שפשוף מבודד מעביר אלקטרונים: המפסיד הופך חיובי, המקבל שלילי — לעולם לא פרוטונים זזים. מטענים נגודיים נמשכים; מטענים זהים דוחים. מקל טעון מושך ניירות קטנים ונטעונים כי הוא מייצר הפרדת מטען. סכנות: ניצוצות בעת הזנת מטוסים ומכליות — קשרי הארקה מנטרלים מטען בבטחה. שימושים: צלניות ומדפסות מזרקת דיו מכוונות טונר או טיפות טעונות.

טעויות נפוצות

• השארת זמן בדקות או בשעות ב$Q = It$ או ב$E = IVt$. השתמשו בשניות.
• טענה שזרם חשמלי נצרך על ידי מנורה. במעגל סדרתי הזרם זהה בכל מקום; זו האנרגיה שעוברת, לא הזרם.
• חיבור התנגדויות במקביל. ההתנגדות הכוללת של זוג במקביל היא קטנה מההתנגדות הקטנה ביותר.
• בחירת דירוג פיוס המשווה לזרם העבודה או מעט מתחתיו. הוא חייב להיות מעל זרם העבודה, אלא הוא יימס בשימוש רגיל.
• טענה שההתנגדות של LDR עולה באור בהיר, או שההתנגדות של תרמיסטור עולה כשהוא חם. שתיהן יורדות: אור בהיר יותר או חום גבוה יותר פירונו התנגדות נמוכה יותר.
• (P) טענה שמטענים חיוביים זזים כאשר בודד משוחק. רק אלקטרונים עוברים העברה.

בדוק את עצמך

1. ציין את ההבדל בין זרם AC לזרם DC ותן מקור אחד לכל אחד.
2. הסבר איך הארקה ופיוז עובדים יחד כדי להגן על משתמש.
3. קומקום בעל 230 V מסומן 2.0 kW. חשב את הזרם והפיוז הטוב ביותר.
4. ציין שתי סיבות לכך שתאורה ביתית מחוברת במקביל.
5. ציין את צורות ה-I–V לחוט, נורת להב ודיודה.
6. מה קורה להתנגדות LDR באור בהיר?
7. הגדר מתח במונחים של אנרגיה ומטען.
8. חשב את המטען העובר כאשר 2 A זורם למשך 30 s.
9. (P) הסבר איך שפשוף מקל פוליאתילן עם בד גורם לו להיות שלילי.
10. (P) תן סכנה אחת ושימוש אחד למטען אלקטרוסטטי.

תשובות: 1 זרח חילף (a.c.) משנה כיוון באופן חוזר — רשת החשמל; זרח ישר (d.c.) זורם בכיוון אחד — תא או סוללה; 2 החוט האדמה מספק מסלול בעל התנגדות נמוכה, כך שהזרם הגדול של תקלה זורם לאדמה וממס את הפיוז, וניתק את האספקה לפני שמשתמש יכול לגעת בקוסיית המעטפת החיה; 3 $I = 2000/230 = 8.7$ A — פיוז של 13 A; 4 כל נורה מקבלת את מתח הרשת המלא; כשל של נורה אחת משאיר את השאר פעילות (ומתגים מבקרים בנורות בנפרד); 5 קו ישר דרך הראשית; עקומה בצורת S (השיפוע יורד כשהוא מתחמם); אפס עד סף קדמי ולאחר מכן תלול (כיוון אחד); 6 הוא יורד; 7 המתח הוא האנרגיה המועברת ליחידת מטען (1 וולט = 1 ג'ול לקולון); 8 $Q = 2 \times 30 = 60$ C; 9 (P) חיכוך מעביר אלקטרונים מבד למקל — המקל מקבל אלקטרונים והופך לשלילי, הבד לחיובי; 10 (P) סכנה — ניצוצות בזמן טעינת מטוסים/מיכליות; שימוש — מכונת צילום או מדפסת הזרקת דיו.