רחוב יד חרוצים 14 אזור תעשיה תלפיות


חיפוש :

תורת החשמל על רגל אחת


פתח דבר: רציתי לכתוב מדריך נוסף על איך עובדים בקרי מהירות מסוגים שונים...



אולם בקרים הם רכיבים לא פשוטים ולצורך הבנת אופן פעולתם יש להבין מספר רכיבי יסוד בחשמל, על כן אנסה לבער ולהסביר עד כמה שניתן חוקים,חישובים ומושגי יסוד בשפה אותה כולנו מבינים.

ברמת הפילוסופיה, חשמל היא תורה העוסקת בתנועת "מטענים" במוליכים ובמבודדים...ז"א יש זרם או אין זרם.
אלקטרוניקה היא תורה העוסקת בתנועת מטענים בחצאי מוליכים וריק יענו גם מצבי ביניים בהולכה ...אבל זה לא מידע שממש חשוב לזכור.
אם כן מטען חשמלי מה הוא? וכיצד הוא נוצר?
להלן מספר מושגים רלוונטיים:
אטום:הוא החלקיק הקטן ביותר של החומר השומר על תכונותיו.
האטום מורכב מ 3 מרכיבים:
פרוטונים: הרכיבים החיוביים בגרעין האטום
ניטרונים: הרכיבים הניטראליים בגרעין האטום
אלקטרונים: הרכיבים השלילים באטום אשר אינם מרכיבים את הגרעין אלא "חגים" מסביב לגרעין האטום.
אם כך הגרעין מורכב מפרוטונים בעלי מטען חיובי ומניטרונים חסרי מטען המצויים במצב סטטי בגרעין בעוד שמסביבם מצויים אלקטרונים החגים מסביב לגרעין במספר שכבות.
תכונה נוספת אותה ניתן להדגים ע"י מגנט היא הכוחות השוררים בין הגרעין לאלקטרונים.
כמו שאנחנו יודעים במגנט קיימים שני קטבים צפון ודרום. קטבים שונים נמשכים זה לזה בעוד שקטבים דומים דוחים זה את זה.
כך גם האלקטרונים. אלקטרונים הם בעלי מטען שלילי ולכן שני אלקטרונים שואפים להתרחק זה מזה בו בעת האלקטרונים נמשכים לגרעין בעל הפרוטונים החיוביים.
במצב ניטראלי המתקיים בטבע לכל אטום מספר שווה של אלקטרונים פרוטונים וניטרונים וכך הוא נשמר במצב מאוזן.

מבלי להיכנס יותר מידי לפרטים האלקטרונים מסתדרים בשכבות כאשר בכל שכבה מספר מסוים של אלקטרונים. ככל שמתרחקים מהגרעין כך נחלשים כוחות המשיכה וכן יש מקום ליותר אלקטרונים בכל שכבה. בתופעת ההולכה החשמלי משתתפים רק אלקטרונים מהשכבה החיצונית
יש צורך להיכנס לנוסחאות מתמטיות כדי להבין את סידור האלקטרונים בשכבות השונות אולם די בהבנה בסיסית כי יש חומרים בעלי מספרים שונים של אלקטרונים.

מה ההבדל בין חומר המוליך חשמל לחומר מבודד?
סידור האלקטרונים בשכבה החיצונית.במוליכים יש מספר קטן [עד שלושה]של אלקטרונים בשכבה החיצונית אשר כוחות המשיכה בינם לבין הגרעין חלשים ולכן האטום "נוטה" לשחררם.
מוליכים: חומרים עשירים באלקטרונים חופשיים אשר נוטים להינתק מהגרעין ולהוות זרם חשמלי.
מבודדים: חומרים אשר אין בקליפתם החיצונית אלקטרונים חופשיים ועל כן הם מתנגדים להולכת זרם חשמלי.

הערה כללית: באופן כללי אינני אוהב חישובים ומדע מדויק, אך נעזר בעקרונות שמאחורי הנוסחאות והחוקים לצורך הבנת המתרחש ברכב/בקר/מנוע סוללות זה הרעיון: להבין את הרעיון מאחורי הנוסחה מבלי להיבהל מהחלק המתמטי.
אז לא להיבהל...

זרם חשמלי: הוא תנועה של מטענים חשמליים [אלקטרונים] בתוך מוליך.
הזרם החשמלי נתגלה ע"י פיזיקאי צרפתי בשם אנדרה מרי אמפר אשר קבע כי זרם חשמלי הוא תנועה של מספר אלקטרונים [לא משנה המספר עצמו] לחתך של מוליך במשך שניה אחת שווה
ל 1 אמפר. הזרם מסומן באות הלועזית I [אי] ונמדדת ביחידות של A אמפר.
בגלל שיחידות האמפר גבוהות מאוד לשימוש יום יומי ניתן להשתמש ביחידות משנה של mA [מילי אמפר= אלפית האמפר] או MA [מיקרו אמפר=מיליונית האמפר]

מתח חשמלי: הוא הפרש כוחות המשיכה בין מטען בצד אחד של המוליך לצידו השני.
המתח החשמלי נתגלה ונוסח ע"י פיזיקאי איטלקי בשם אלסנדרו וולטה אשר בין שאר הוא אבי הסוללה הכימית המודרנית. המתח מסומן באות U ונמדד ביחידות של V וולט.

התנגדות חשמלית: מתוארת כיכולתו של חומר לעכב זרם חשמלי העובר בו.
ההתנגדות החשמלית נתגלתה ונוסחה ע"י פיזיקאי גרמני בשם גאורג אוהם. ההתנגדות החשמלית מסומנת באות R ונמדדת ביחידות המסומנות באות היוונית אומגה [כמו השעון] [אוהם].
הערה חשובה: הגופן בפורום אינו מסוגל לכתוב את האות אומגה ועל כן אני נאלץ להסיר אותה מכל מקום בו היא מופיע הטקסט הנוכחי.
נהוג בשפה המתמטית לציין את יחידות המידה בן מתבצעת המדידה ולכן חסרון האות הנוכחית יורגש.


חוק אוהם: מתאר את היחס שבין המתח לזרם ולהתנגדות בצורה מתמטית
מתח: UV=R X IA
מתח=לזרם כפול ההתנגדות.

הערה קטנה: אי אפשר להבין את הנושא הזה ללא קצת מתמטיקה [שאותה גם אני לא סובל]
אז אנסה לפשט ולהסביר את משמעות הסימונים השונים
R= התנגדות המסומנת באות R ונמדדת ביחידות אוהם [אומגה]
UV= מתח המסומן ב U ונמדד ביחידות V וולט.
IA= זרם המסומן ב I ונמדד ביחידות של A אמפר.

מבלי להיכנס להוכחות מתמטיות ניתן לבטא את הזרם וההתנגדות כך:

התנגדות: R=UV / IA או בעברית: ההתנגדות שווה למתח המחולק בזרם.
זרם: IA=UV/ R או בעברית: הזרם שווה למתח המחולק בהתנגדות.

הספק: מידה לכמות העבודה המופקת מהאנרגיה החשמלית במעגל. הספק מסומן באות הלועזית P
ונמדדת ביחידות של וואט W או כוח סוס HP.
להלן הנוסחה: PW=IA X UV או בעברית: ההספק שווה לזרם כפול המתח...
רגע. נראה לנו מוכר מאיפה שהוא?! את המתח הרגע למדנו לחשב כ: UV=R X IA
לכן PW= R X IA X IA או בעברית הספק שווה לזרם בריבוע [זרם כפול זרם שווה בריבוע] כפול ההתנגדות.


השוואה למים: נוח להדגים את המונחים אשר נידונו מקודם ע"י השוואה למים:
צינור מים=מוליך חשמלי
זרם מים= זרם חשמלי
קוטר הצינור/חור= ערך התנגדות
מגדל מים= הפרש הפוטנציאלים=מתח חשמלי= מצבר/סוללה

יש לציין כי ההשוואה הנ"ל אינה ב 100% מדויקת אך משמשת אותנו נאמנה במטרה להמחיש את המושגים.

מעגל טורי: מעגל טורי הוא מעגל בו הצרכנים [בעלי ההתנגדות] מחוברים האחד לשני כך שבכל נקודת מפגש לא יפגשו יותר משני מוליכים/צרכנים.

חוק המתחים של קירכהוף: חוק המתאר את התנהגות המתח במעגל טורי אשר נוסח ע"י גוסטב קירכהוף. מהותו של חוק קירכהוף: במעגל טורי, סכום מפלי המתח על הנגדים שווה למתח המקור.
בצורה מתמטית ניתן לבטא את החוק כך: UT=U1+U2+U3 או בעברית מתח המקור [UT] שווה לסכום [+] המתחים ע"ג הצרכנים במעגל
חוק המתחים מגדיר את התנהגות המתחים במעגל וממנו ניתן להסיק את התנהגות הזרם והמתח במעגל טורי.
זרם במעגל טורי: IT=I1=I2=I3 או בעברית הזרם שווה בכל הנקודות במעגל.
התנגדות במעגל טורי: RT=R1+R2+R3 או בעברית: ההתנגדות הכללית [RT] שווה לחיבור סכומי הנגדים.

מעגל מקבילי: מעגל מקבילי הוא מעגל בו הצרכנים [בעלי ההתנגדות] מחוברים האחד לשני כך שבכל נקודת מפגש יפגשו יותר משני מוליכים/צרכנים.

חוק הזרמים של קירכהוף: חוק המתאר את התנהגות המתח במעגל מקבילי אשר נוסח ע"י גוסטב קירכהוף. מהותו של חוק קירכהוף: במעגל מקבילי, סכום הזרמים הנכנסים לצומת שווה לזרם היציאה. כך למעשה לא הולך שום דבר לאיבוד
בצורה מתמטית ניתן לבטא את החוק כך: IT=I1+I2+I3 או בעברית זרם המקור [IT] של צומת שווה לסכום [+] הזרמים ע"ג הענפים בצומת ושווה לזרם היציאה מהצומת.
חוק הזרמים מגדיר את התנהגות הזרמים במעגל וממנו ניתן להסיק את התנהגות ההתנגדות והמתח במעגל מקבילי.
מתח במעגל מקבילי: UT=U1=U2=U3 או בעברית המתח שווה בכל הנקודות במעגל.

התנגדות במעגל מקבילי: תמונה או בעברית: מה לעזאזל קרה כאן???
הסבר: במעגל מקביל יש למטען החשמלי "בחירה" בין מספר דרכי תנועה ניתן הדגים זאת ע" מים בחבית. המים הרוצים לצאת החוצה מבעד לחור בחבית, גודל החור הוא ההתנגדות, זרם המים בחור הוא הזרם החשמלי...מה יקרה אם ניצור חור נוסף בחבית? [בגודל זהה].
המים יתרוקנו בקצב מהיר יותר פי שתים, ההתנגדות [החורים] קטנה [כי כרגע למים יש שתי דרכים לצאת] והזרם שהיה בחור הראשון מתווסף לזרם שבחור השני ויחד שווה לזרם [קצב הריקון] הכללי.
במידה וכל הצרכנים זהים ניתן לחשב את התנגדות הצרכנים במקביל כך: RT=R/n או בעברית ההתנגדות הכללי שווה להתנגדות המחולקת במספר הצרכנים.

אחרי שסיימנו בהצלחה את בית הספר התיכון...וחזרנו לתחביב שלנו.
למה זה משמש אותנו?

להלן מספר דוגמאות שימושיות:
א. חיבור סוללות בטור UT=U1+U2 או בעברית המתח הכולל שווה למתח סוללה 1 ועוד מתח סוללה 2...ובאותה מידה איך נדע שהזרם לא משתנה? ע"פ הנוסחה של הזרם בחיבור טורי נאמר כי הזרם הכללי שווה לזרם בכל אחת מהנקודות במעגל הטורי IT=I1=I2
דוגמה מוחשית: חיבור תאי ליפו בטור: 3.7+3.7+3.7= 11.1 וולט בסוללת ליפו בעלת 3 תאים.

ב. חיבור סוללות במקביל UT=U1=U2 או בעברית המתח הכולל שווה בכל מקום במעגל ובאותה מידה איך נדע כיצד משתנה הזרם? ע"פ הנוסחה של הזרם בחיבור מקבילי נאמר כי הזרם הכללי שווה לחיבור הזרם בענפים IT+I1+I2
דוגמה מוחשית: תאי ליפו המחוברים במקביל במתח 3.7 וולט אך זרם גבוה.

לסיכום:
כמי ששונא מדעים מדויקים אך אוהב סדר והיגיון אני משתמש בנוסחאות ע"מ להבין את העיקרון וליישם ביום יום אך להימנע מהסבל שבחישובים.

במידה ואיתרתם אי דיוקים אלו או אחרים אשמח אם תפנו את תשומת ליבי.

לשימושכם המועיל

רן ענבר
טואול - בניית אתרים