3.5 · Electricity and magnetism

חשמל ומגנטיות

חשמל הוא מטען בזרימה, מונחה בהפרש פוטנציאל, מיוחס על ידי כל רכיב — וכל זרם יוצר שדה מגנטי. הנושא הגדול ביותר של OxfordAQA בונה את ערכת הכלים למעגל, התנהגויות הרכיבים, והמגנטים האלקטריים הבאים.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, נושא 3.5 (גרסה 5.1). ניסוחים המסומנים (P) הם רק במבחן-2-.

מעגלים חשמליים

מתכות מוליכות משום שיש להן אלקטרונים חופשיים; (P) איזון מטענים בודד הוא חשמל סטטי, המשתחרר כאשר נוצר מסלול הולכה (ברק). הזרם הוא קצב זרימת המטען:

מתח דוחה מטענים במעגל; הפרש פוטנציאלים על רכיב מודד את האנרגיה המועברת ליחידת מטען (וולט = ג'ול לקולון). יש ללמוד את הסמלים הסטנדרטיים — מתג, נורת תאורה, פייוז, תא, סוללה, דיודה, נגד, נגד משתנה, תרמיסטור, LDR, LED, אמפרמטר ווולטמטר.

בטמפרטורה קבועה הגרף V–I של נגד הוא קו ישר (אומוני); נורת להב מתעקמת כשהיונים שלה רועשים יותר עם הטמפרטורה; דיודה מוליכה רק קדימה; (P) נגד התרמיסטור יורד כשהטמפרטורה עולה (בתרמוסטטים); נגד ה-LDR יורד כשהאור עולה (תאורה אוטומטית); LED פולט אור קדימה וחוסך אנרגיה לעומת נורות להב ו-CFL.

סדרתי: אותו זרם, ההפרשים הפוטנציאליים מתחלקים, הנגדים מחברים. מקביל: אותו הפרש פוטנציאלים, הזרמים מתפצלים, הנגד המשולב פחות מכל אחד מהם. מטענים הנפגעים ברשת מחממים כל נגד.

אימון פתור. נורת 230 V צורכת 0.25 A: $R = 230/0.25 = 920\ \Omega$. שני נגדים 4 Ω בסדרתי על 12 V נושאים $I = 12/8 = 1.5$ A; במקביל, $R = 2\ \Omega$ והמקור נותן $I = 12/2 = 6$ A.

מגנטיות ואלקטרומגנטיות

קוטבים: כמו-כמו דוחה, לא-כמו-כמו מושך — כוחות ללא מגע. קווי שדה עוברים N ל-S מחוץ למגנט; קוטבים נגדים מולם נותנים שדה אחיד ביניהם. מגנט מושרה מושך בזמן שהוא בשדה ואובד את מגנטיותו בהסרתו; שדה כדור הארץ מאפשר למצפן ניווט.

חוט נושא זרם יש לו קווי שדה מעגליים סביבו (זרם חזק יותר → שדה חזק יותר; הפוך זרם → הפוך כיוון). סולנואיד מתמקד את השדה; עם ליבת ברזל רך הוא אלקטרומגנט — ניתן להפעלה, מתכוונן, משמש במנופי מכרות, ממסרים ונעילות דלתות. מעשי נדרש: הגורמים הקובעים את חוזק האלקטרומגנט.

בדוק את עצמך

1. מדוע מתכות מוליכות?
2. נסח את הקשר בין זרם, מטען וזמן עם יחידות.
3. חשב את המטען הזורם כאשר 2 A עובר למשך 30 s.
4. נסח את צורת ה-V-I עבור נגד בטמפרטורה קבועה ועבור נורת להב.
5. (P) מה קורה לנגד התרמיסטור כשהטמפרטורה עולה?
6. נסח את חוקי הזרם וההפרש הפוטנציאלי לסדרתי ולמקביל.
7. חשב את R עבור מקור 12 V הדוחה 0.5 A.
8. נסח את חוק הקוטבים וכיוון קווי השדה מחוץ למגנט.
9. מהו מגנט מופעל?
10. ציין שתי דרכים לחזק אלקטרומגנט.

תשובות: 1 הם מכילים אלקטרונים חופשיים המוזרים כאשר מיושמת מתח; 2 Q = It, מטען בקולון = זרם באמפר × זמן בשניות; 3 Q = 2 × 30 = 60 C; 4 קו ישר העובר דרך הראשית; עקומת S המישורשת ככל שהזרם (ועל כן הטמפרטורה) עולה; 5 (P) הוא יורד — משמש בתרמוסטטים; 6 סדרתי — אותו זרם בכל מקום, המתחים נסכמים; מקביל — אותו מתח על הענפים, הזרמים נסכמים; 7 R = 12/0.5 = 24 Ω; 8 קוטבים זהים דוחים, שונים מושכים; מ-N ל-S מחוץ למגנט; 9 חומר מגנטי הופך למגנט רק בזמן הנמצא בשדה — משיכה בלבד, מאבד את רוב המגנטיות בהסרת השדה; 10 יותר פיתולים בסליל; זרם גדול יותר (גם ליבת ברזל רך).