אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

מבוא

א. רצוי להתחיל את לימודי האלקטרוסטטיקה בהקדמה איכותית מקיפה העוסקת בנושא "תופעות חשמליות". ההקדמה תתבסס בעיקר על הדגמות וניסויים ועל מודלים פשוטים המסבירים אותם.

ב. בשלב זה עדיין אין להשתמש בנוסחאות. הבנת התופעות והסקת המסקנות תתבסס על התפיסה האינטואיטיבית, שלפיה הכוח החשמלי בין שני מטענים נקודתיים קטן כשהמרחק ביניהם גדל .

שני סוגי מטען חשמלי והכוחות ביניהם

א. ניסויים (או הדגמות) על כוחות דחייה ומשיכה בין לוחיות משופשפות מצביעים על קיומם של שני סוגי מטען חשמלי.

ב. הכוחהאלקטרוסטטי מקורו בתכונה הקרויה מטען חשמלי. זאת, בדומה לכוח הכבידה המוכר מלימודי המכניקה, שמקורו בתכונה הקרויה מסה כבידתית.

ג. השמות שניתנו לשני סוגי המטען החשמלי הם שרירותיים (כלומר, היה אפשר לתת להם גם שמות אחרים). בשלב מאוחר יותר של הלימוד, כדאי להצביע על הנוחות בקביעה שרירותית זו, המתבטאת בחוק שימור המטען החשמלי ובניטרליות של רוב החומרים.

ד. חשוב להציג את קיומו של כוח משיכה בין גוף נייטרלי לגוף טעון ולהסביר כוח זה באמצעות המבנה החלקיקי של החומר.

מוליכים ומבדדים - סקירת מבוא על המבנה החשמלי של חומרים

א. רצוי להזכיר לתלמידים שבאטומים מצויים פרוטונים (בגרעין) ואלקטרונים הנעים סביבו. יש לציין שמטען האלקטרון שווה (בערכו המוחלט) למטען הפרוטון, ומכיוון שבאטום מצויים מספרים שווים של פרוטונים ואלקטרונים - האטום נייטרלי מבחינה חשמלית. מטענו של גוף טעון הוא כפולות שלמות של מטען האלקטרון ("המטען היסודי"). דיון מקיף ומעמיק יותר במבנה האטום והחומר יתקיים בעת לימוד הנושא קרינה וחומר.

ב. נושא המוליכות החשמלית יידון בפרק זה באופן איכותי, רצוי בליווי הדגמות. המסרים המרכזיים יהיו:

• במבדדים, כמעט כל האלקטרונים קשורים היטב לאטומים ולמולקולות ואינם יכולים לנוע באופן חופשי.
• במתכות, אלקטרון אחד או אלקטרונים אחדים בכל אטום הם 'אלקטרונים חופשיים'.אלקטרונים אלה אינם קשורים עוד לאטום מסוים, אלא שייכים למתכת כולה. לפיכך ניתן להתייחס למתכות כאל חומרים המורכבים מיונים חיוביים, הקבועים פחות או יותר במקומם, ומאלקטרונים הנעים באופן חופשי בין היונים בכל חלקי המתכת.
• בתמיסות אלקטרוליטיות (מוליכות), נושאי המטען הם יונים.
• הערה: קיימים גם חומרים הנקראים מוליכים למחצה, והם בעלי תכונות ביניים - בין התכונות של מוליכים (מתכות) לתכונות של מבדדים. בתכנית לימודי האלקטרומגנטיות, אין מעמיקים יותר בתכונותיהם ובשימושיהם של המוליכים למחצה באלקטרוניקה ובטכנולוגיה המודרנית. הולכה ובידוד אינן תכונות מנוגדות, אלא רמות שונות של אותה תכונה.

השראה אלקטרוסטטית

השראה אלקטרוסטטית היא הפרדת מטענים (קיטוב), הנוצרת בגוף כתוצאה מנוכחותו של גוף טעון בקרבתו. עקב כך פועלים כוחות משיכה בין הגוף הטעון לגוף הלא-טעון (זאת בגלל תלות הכוח האלקטרוסטטי במרחק בין המטענים).הודות לניידותם הרבה של האלקטרונים החופשיים, תופעת ההשראה האלקטרוסטטית חזקה בהרבה במוליכים מתכתיים מאשר במבדדים. אחת השיטות לטעינת גופים מוליכים היא באמצעות השראה אלקטרוסטטית.

מוליך טעון בשיווי משקל אלקטרוסטטי

א. המטענים העודפים במוליך טעון נמצאים על פני המוליך. מצב של שיווי משקל אלקטרוסטטי, הוא מצב שבו אין תנועה של מטענים במוליך, כלומר שקול הכוחות החשמליים הפועלים על המטענים החופשיים מתאפס.

ב. בשלב זה ראוי לציין כי אם במוליך קיים זרם חשמלי, לא קיים "שיווי משקל אלקטרוסטטי", דהיינו שקול הכוחות החשמליים הפועלים על נושאי המטען החופשי בתוכו אינו מתאפס.

ג. כשנוצר קשר מוליך בין מערכת מוליכים טעונה לבין כדור הארץ ("האדמה"), יש תנועת מטענים ביניהם עד להתאפסות פוטנציאל המערכת - הארקה.

ד. הסבר מלא לתופעת ההארקה יינתן בפרקים הבאים, כאשר יידונו המושגים פוטנציאל, קיבול והשתוות פוטנציאלים של מוליכים שנוצר ביניהם קשר מוליך. בשלב זה של הלימוד, יש להסתפק בהסבר חלקי, איכותי בלבד: המטענים החופשיים 'שואפים' להתרחק זה מזה ככל האפשר בגלל כוחות הדחייה הפועלים ביניהם.

קיום זרמים חולפים באלקטרוסטטיקה

באלקטרוסטטיקה אין עוסקים רק במערכות של מטענים הנמצאים במנוחה מתמדת. מעברים בין מצבים שונים של שיווי משקל אלקטרוסטטי מלווים בתנועות של מטענים המהוות "זרמים חשמליים חולפים" (טרנזיאנטים). חשוב מאוד להתייחס לזרמים אלה, ובמידת האפשר אף להדגימם. תהיה בכך תרומה משמעותית להקטנת הנתק בין הפרקים "אלקטרוסטטיקה" ו"זרם חשמלי".

שימור המטען החשמלי

א. יודגש כי בטבע קיים "חוק שימור המטען החשמלי". בתהליכים של טעינת גופים, לא נוצרים מטענים 'יש מאין'.בדרך כלל מדובר בהפרדת מטענים בלבד.התהליך של הפרדת מטענים כרוך בעבודה, לכן דרוש מקור אנרגיה כדי לבצעו.קיימים ניסויים פשוטים רבים המדגימים את חוק שימור המטען החשמלי.חשוב ביותר לבצעם, ובמידת האפשר לתת לתלמידים לבצעם.

ב. למדידה ישירה של כמות מטען, מותר להשתמש במכשירים המאפשרים ביצוע מדידה כזו (קולונמטרים) גם בלי שמבינים את אופן פעולתם.בשלב זה, מכשירים אלה מהווים 'קופסאות שחורות'. מאוחר יותר, כשיכירו התלמידים את המושגים מתח וקיבול חשמלי, יוסברו להם העקרונות הפיזיקליים שעליהם מבוססת פעולתם של מכשירים אלה.