Category: כיתה י"ב

הדמיות שדה חשמלי

הדמיה עם אפשרות תלת ממד:
https://www.falstad.com/vector3de/fullscreen.html

הדמיה מצוינת של ווקטורי וקווי שדה:
http://flashphysics.org/electricField.html

שאלון קצר לפני המעבדה

מטען חשמלי

מטען חשמלי זוהי תכונה שיכולה להיות מוקנית לגוף מסוים. היא מאפשרת לגוף לבוא באינטרקציה עם גופים אחרים – למשוך או לדחות אותם.

מתוך ניסויים רבים עם חומרים שונים התברר שבטבע יש רק שני סוגים של מטענים חשמליים. הניסויים הללו לא מחייבים אותנו להניח שחומרים עשויים מאטומים. אנשים הגיעו למסקנה שיש רק שני סוגים של מטענים עוד במאה ה-18, כאשר מודל החלקיקים של החומר היה תחת סימן שאלה גדול. מהם הניסויים הללו? בעקרון נדרשים ניסויים רבים ומגוונים, אך רוח הדברים היא כדלקמן:

אם מקרבים מוט פלסטיק למוט פלסטיק אחר (ללא מגע), לא רואים שום דבר מיוחד, אבל אם משפשפים את שני המוטות  בצמר מגלים שנוצרת בין המוטות דחייה.

מה יקרה אם נקרב למוט פסלטיק התלוי צמר שעמו שפשפנו את המוטות?

כפי שרואים באיור נוצרת משיכה. ניתן לשער שתהליך השפשוף "הטעין" את המוטות וחתיכת צמר-גפן בתכונות משלימות. היום יש לנו הסבר המבוסס על מודל החלקיקים:  כאשר לגוף יש יותר או פחות אלקטרונים (בעלי מטען שלילי) מפרוטונים (בעלי מטען חיובי), הגוף רוכש תכונה של משיכה או דחייה לגופים אחרים. חשוב לזכור שפרוטון ואלקטרון הם תגלית מאוחרת יחסית (סוף המאה ה-19), והם אינם נחוצים בשביל להבין נושאים רבים הקשורים בחשמל. במהלך המאות 18-19 מדענים בכלל חשבו שמטען חשמלי של גוף נקבע ע"י כמות של נוזל-חשמל מסתורי. המחשבה השגויה הזו לא הפריעה להם לקדם את תחום החשמל באופן די משמעותי.

ניתן לבצע ניסוי דומה לניסוי הראשון, הפעם עם חומרים אחרים: מוט זכוכית המשופשף במשי דוחה מוט זכוכית אחר המשופשף במשי, ומושך מוט פלסטיק המשופשף בצמר:

המוט מזכוכית "נטען" בתכונה זהה לתכונה שרכשה חתיכת צמר מהניסוי הקודם: שני הגופים מושכים מוט פלסטיק המשופשף בצמר, או במילים אחרות, לשני הגופים יש מטען חשמלי מאותו הסוג שגורם לגוף להימשך לגוף בעל המטען מהסוג המשלים.

בנוסף, אם עכשיו נקרב את חתיכת משי (ששופשפה במוט זכוכית) למוט פלסטיק המשופשף בצמר, נראה שמתקיימת דחייה. כל זה בהתאמה להשערה ששני גופים ששופשפו אחד בשני נטענים במטענים משלימים.

ניתן לתהות למה יש לשפשף זכוכית דווקה במשי ופלסטיק דווקה בצמר? למה שפשוף של זכוכית בצמר, לדוגמה, לא מטעין את הגופים? השאלה הזאת דורשת מאתנו להתעמק במבנה של החומרים עצמם, דבר שלא נעשה כאן.

לסיכום, מספר גדול של ניסויים עם חומרים מגוונים אפשרו למדענים לקבוע שיש בטבע שני סוגים של מטענים חשמליים בלבד:

  1. מטען-פלסטיק  – יש אותו לכל הגופים שדוחים מוט פלסטיק המשופשף בצמר. בניוסיים שתיארנו אלה היו מוט פלסטיק (טריוויאלי) וחתיכת משי. לסוג הזה של מטען יש שם נוסף, יותר מוכר –  מטען שלילי. לדוגמה, מטען האלקטרון נקבע כשלילי מכיוון שאלומת אלקטרונים נדחית ממוט פלסטיק המשופשף בצמר.
  2. מטען-זכוכית – יש אותו לכל הגופים שדוחים מוט זכוכית המשופשף במשי. בניסויים שתארנו אלה היו מוט זכוכית וחתיכת צמר-גפן.השם המקובל לסוג זה של מטען – מטען חיובי.

נדגיש שאין שום סיבה מיוחדת בקביעה מהו מטען חיובי ומהו מטען שלילי – הבחירה שרירותית לחליוטין (מי שעשה אותה היה בנג'מין פרנקלין).

יש בכל זאת סיבה למה הבחירה בסימנים מתמטיים "פלוס" (חיובי) ו"מינוס" (שלילי) מתבקשת. היא מאפרשת בצורה נוחה להציג שלושה מצבים חשמליים של גוף:

  1. טעון שלילית – כאשר סוג אחד של מטען "שולט".
  2. טעון חיובית – כאשר הסוג האחר של מטען "שולט".
  3. לא טעון חשמלית – כאשר לגוף יש מידה שווה של שני סוגי המטען שמבטלים את ההשפעה שלהם, בדיוק כמו שבחשבון מספר שלילי מבטל את המספר החיובי באותו גודל. שם נוסף לגופים ללא מטען חשמלי – גוף נייטרלי.

ניתן לשאול למה יש רק שני סוגי מטען? למה לא שלוש או ארבע?

התשובה היא פשוטה: בשביל לתאר כל תופעות הטבע שאנחנו מכירים מספיקים רק שני סוגים של מטענים. אם תגלו תופעת טבע חדשה, הלא ניתנת להסבר על ידי שני סוגים של מטענים, נצטרך לעצב את התיאוריות בהתאם.

הערה חשובה להמשך

שימו לב, שני סוגי המטענים מטען-זכוכית (פלוס) ומטען-פלסטיק (מינוס) נקבעים לפי תכונות הדחייה של גופים, ולא על ידי תכונת המשיכה. למה?

מסתבר שאם נקרב גוף טעון, לא משנה באיזה מטען לגוף נייטרלי (ללא מטען), נצפה בתופעה של משיכה. בשביל להבין למה זה קורה יש להבין את תופעת הקיטוב וללמוד על הכוח החשמלי – בהמשך. הנקודה החשובה בשלב הזה, היא שלא ניתן לקבוע את מטען הגוף רק לפי תופעת המשיכה. גוף שנמשך לגוף אחר עלול להיות טעון אבל גם יכול להיות נייטרלי. ניסוי קליל הממחיש את הנקודה היא משיכה של של פיסות נייר לא טעונות על ידי גוף טעון כלשהו:  לא משנה אם הגוף טעון שלילית או חיובית הוא תמיד יימשוך אליו את פיסות הנייר:

(באיזה מטען חשמלי טעון האיש הזה שהוא כלכך מתלהב?)

מצגת מטען חשמלי – קישור

מהי אלקטרוסטטיקה?

אֶלֶקְטְרוֹסְטָטִיקָה  – זהו תחום בתוך אלקטרומגנטיות העוסק בתופעות הקשורות במטענים חשמליים נייחים.

כאשר לומדים פיזיקה של תופעות חשמליות, מתחילים מאלקטרוסטטיקה, ורק אחר כך עוברים לאלקטרודינמיקה – תחום שעוסק במטענים חשמליים ניידים.

ניסויים נחמדים חשמל סטטי. חלקם אפשר לעשות יחסית בקלות בבית.

לקראת לימודי אלקטרומגנטיות

אלקטרומגנטיות (חשמל ומגניטיות) נחשב לתחום קשה בפיזיקה: המושגים מופשטים ודורשים מאמץ וזמן לעיכול. לכן מומלץ להתחיל ללמוד אותו כמה שיותר מוקדם. הפוסט הזה מכוון לאלה מכן\ם שמוכנים להשקיע מאמץ וזמן במהלך חופשת הקיץ הארוכה.


השוני בין לימודי אלקטרומגנטיות לעומת לימודי מכניקה

מכניקה שלמדנו בכיתה י"א עוסקת בדברים שניתן לראות די בקלות, ומה שרואים – יחסית קל לחקור ולהסביר. לעומת מה שלמדנו השנה, בבסיס התופעות החשמליות ישנם חלקיקים זעירים שעל קיומם נודע לאנושות רק ממש בסוף המאה ה-19 (להשוואה ניוטון נפטר ב 1727 ולא ידע כמעט כלום על חשמל). מה שלא רואים – הרבה יותר קשה לחקור. נדרשים מודלים יותר מורכבים ומושגים מופשטים.

למי ששכח\לא ידע עד כמה חלקיקים יסודיים קטנים (יש כתוביות בעברית)

רקע היסטורי

על מנת שלימודי אלקטרומגנטיות יתמקדו בעקרונות חשובים (ולא בשינון של נוסחאות – ויש סכנה כזאת) מומלץ להכיר את הקונטקסט ההיסטורי של התחום.

הסדרה בת שלושה פרקים Shock and Awe (הפקה של BBC) מספרת, באופן מוצלח מאוד לטעמי, איך חקר של חשמל ומגנטיות התפתח. מומלץ לראות את כל הסדרה, אבל הפרק הראשון ממש נוגע להתחלה של חומר הלימוד. (תכננתי להראות לכם אותו בשיעור, אבל אז הלכתם לאלדין.)

בקישור הזה יש את הפרק הראשון והשני. אפשר למצוא את כל הסדרה באינטרנט.

ספרי לימוד

בתחילת השנה תקבלו שני ספרי הלימוד בחשמל ומגנטיות:

ספרי הלימוד

הספרים מכסים את כל תכנית הלימודים וכולללים תרגילים טובים מאוד.

בנוסף יש ספר אחר, גם הוא מכיל את כל הנושאים. הוא יותר תמציתי אבל זמין בחינם ברשת:
קישור לספר לימוד מקוון

עוד ספר לימוד חדש

נסו לקרא את הפרק הראשון העוסק בכוח החשמלי, ולפתור את התרגילים בסוף הפרק. בכל אחד מהספרים יש לא מעט דוגמאות פתורות.

מי שרוצה יכול\ה כמובן להתקדם. (יש שמועה שאחד התלמידים מתכוון ללמוד את כל הנושאים במהלך הקיץ. שיהיה לו המון בהצלחה. אחרי שנאכל את העוגה שלו בראשון בספטמבר אפשר יהיה לגשת לבחינה.)

מקור נוסף, למי שאוהב לראות אנשים מדברים באנגלית, הן הרצאותיו של פרופסור וולטר לוין, לשעבר המרצה הבכיר ב MIT. זהו אוסף של הרצאות פיזיקה (ובכלל?) הכי מפורסם שיש ב Youtube. הן מכילות הרבה הומור וניסויים (גם בבני אדם). ההרצאות ברמה קצת יותר גבוהה ממה שאתן נדרשות לבגרות.

הרצאות של הפרופסור המהולל ב MIT (עד שהסתבך)