אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

מבוא

א. המושג "שדה", שהוא רב-חשיבות בפיזיקה, הוא מושג מופשט, ורוב התלמידים מתקשים להבינו. עם זאת, קרוב לוודאי שהתלמידים כבר עסקו בו במסגרת לימודי המכניקה בפרק "כבידה" ועל המורה לנצל זאת לעריכת אנלוגיה בין השדה האלקטרוסטטי לשדה הגרביטציוני.

ב. ללימוד מעמיק יחסית של הנושא שדה בפיזיקה דרוש ידע מסוים בחשבון הדיפרנציאלי והאינטגרלי. ההנחה היא שבשלב שבו עוסקים בנושא זה אין לתלמידים הידע הנדרש. לפיכך אין צורך לדון בשלב זה במושג "הקפה של שדה" או חישוב שטף באמצעות אינטגרציה. לצורך פיתוח נוסחאות, ניתן להיעזר בהדמיות או בפעילויות בגיליון אלקטרוני. על פי רמת התלמידים והיקף הזמן העומד לרשותו, יחליט המורה אם להשתמש במתמטיקה מסובכת ובאיזו מידה.

המושג "שדה" בפיזיקה

א. כדי להקל על התלמידים להבין את המושג שדה בפיזיקה, רצוי להזכיר את קיומם של שדות בתחומים שונים של הפיזיקה. דוגמאות לכך הם שדה הכבידה, שדה הקרינה של מקור אור נקודתי או זרימה של נוזל שניתן לתארה על ידי שדה וקטורי - שדה המהירויות של הנוזל.

ב. כדאי לציין שמושגים שונים המשמשים לתיאור שדות וקטוריים, לקוחים מתיאור זרימה של נוזלים (המושג "שטף", למשל).

השדה החשמלי (האלקטרוסטטי) - הגדרה ויחידות

א. במבוא כדאי לציין שבנושא הפעולה ההדדית של מטענים חשמליים הנמצאים במנוחה, התיאורים - של פעולת כוחות ממרחק ושל פעולה באמצעות שדה חשמלי 'מתווך' - אקוויוולנטיים.

ב. שדות חשמליים הנקראים "אלקטרוסטטיים", הם שדות הנוצרים על ידי מטענים הנמצאים במנוחה.

ג. כאשר מצבם ההדדי של מטענים משתנה עם הזמן, דרוש זמן כדי להעביר 'הודעה' על השינוי. תופעה זו מעניקה לשדה משמעות פיזיקלית: השדה נושא תנע ואנרגיה.

ד. להגדרת השדה החשמלי, חשוב שמטען חשמלי הבא לבדוק ולמדוד את השדה, יהיה קטן במידה כזו שהכנסתו לתוך השדה לא תשפיע על השדה ולא תשנה אותו במידה משמעותית. (מטען כזה נקרא מטען בוחן.)

ה. השדה החשמלי הוא שדה וקטורי, זאת אומרת שבכל נקודה במרחב יש לשדה החשמלי גודל (הנקרא עצמת השדה) וכיוון. מאחר שהתלמידים נוטים להתבלבל בין כיוון הכוח לכיוון השדה, רצוי להביא מגוון דוגמאות שבהם מציגים כיווני שדה או כוח הפועלים על מטענים בעלי סימנים שונים, ויש למצוא את הגודל החסר.

עקרון הסופרפוזיציה והשימוש בו לחישוב שדות חשמליים

א. עקרון הסופרפוזיציה של שדות חשמליים נובע מהעיקרון המוכר בדבר סופרפוזיציה של כוחות. רצוי להדגימו על ידי ניסויים מתאימים בעזרת כדור הבוחן, המשמש מד-E.

ב. על ידי שימוש בכל הידוע על שדה חשמלי של מטען נקודתי ובעקרון הסופרפוזיציה, אפשר לחשב שדות חשמליים הנוצרים על ידי מספר מטענים נקודתיים הקבועים במקומם.

ג. כבר בשלב זה כדאי לציין כעובדה שפרט לשדות החשמליים הקבועים בזמן, הנוצרים על ידי מטענים חשמליים הנמצאים במנוחה (שדות "אלקטרוסטטיים"), קיימים גם שדות חשמליים הנוצרים בתהליך אחר (שדה מגנטי המשתנה עם הזמן). בשדות מסוג זה נעסוק בשלב מאוחר יותר של הלימוד.

תיאור שדות חשמליים בעזרת קווי שדה

יש לציין בפני התלמידים שקיימות אפשרויות שונות לייצוג ולתיאור של שדות וקטוריים, בכלל, ושל השדה החשמלי, בפרט. קיים מגוון של תוכנות מחשב והדמיות שבאמצעותם ניתן להדגים ייצוגים שונים של השדה החשמלי.

1. תרשים חצים: לכל נקודה במרחב שיש בה שדה חשמלי, אפשר להתאים חץ שגודלו פרופורציוני לעצמת השדה וכיוונו ככיוון השדה בנקודה. אלא שהמרחב מלא נקודות, והתאמת חץ לכל נקודה היא אפוא משימה בלתי אפשרית;מסתפקים בציור של חצים אחדים בלבד, המייצגים את כל השאר. כל חץ יצויר לפי קנה מידה אחיד, מתכונתי לעצמת השדה בנקודת מוצאו.
2. תרשים קווי שדה: קווי שדה הם קווים דמיוניים, שכיוונם בכל נקודה (כלומר כיוון המשיק להם באותה נקודה) הוא ככיוון השדה החשמלי בנקודה. קווי השדה הם קווים רציפים וחלקים, היוצאים ממטענים חיוביים והמסתיימים במטענים שליליים או באינסוף. קווי השדה אמנם מתארים את כיוונו של השדה, אך לא את עצמתו. ניתן להעריך את עָצמת השדה לפי צפיפות קווי השדה.

עם זאת, חייבים כמובן להביא בחשבון מגבלה רצינית של שני התיאורים החזותיים הללו: הם דו-ממדיים, בעוד שהמרחב הוא תלת-ממדי. יש להדגיש שקווי השדה הם 'יצירת אדם', לנוחות הייצוג; אין ישות פיזיקלית כזאת במציאות.