מה זה אלקטרוסטטיקה?
אלקטרוסטטיקה היא התיאוריה העוסקת במטענים חשמליים נייחים ובכוחות הפועלים ביניהם. כאשר המטענים נעים, מופיע קשר הדוק בין התיאוריה העוסקת בחשמל לתיאוריה העוסקת במגנטיות. חלק שני ואחרון
עד עתה תיארנו מטענים בודדים, אשר יוצרים שדה חשמלי או מגיבים לו; אך בעולם הממשי מכילים העצמים שסביבנו מספר עצום של פרוטונים ואלקטרונים, כלומר של מטענים חיוביים ושליליים כאחד. לחומרים השונים יש תכונות חשמליות שונות, התלויות בחופש התנועה של המטענים שבתוכם.
גביש עם חופש תנועה
במתכת, למשל, האטומים מסודרים כגביש שבו יש חופש תנועה לאלקטרונים שבקליפה החיצונית של כל אטום. לכן מתכות הן מוליכות מבחינה חשמלית: הזרם החשמלי – שבמקרה זה מבוסס על זרימת אלקטרונים בחומר – חופשי לנוע במתכת. חופש התנועה של האלקטרונים במתכת גורם גם לכך, שהטלפון הסלולרי אינו יכול לקלוט או לשדר במעלית מתכתית: הטלפון מתקשר באמצעות שינויים מחזוריים – גלים – בשדה החשמלי והמגנטי.
שינויים אלה, כאשר הם מגיעים לדופן המתכתית, גורמים לתאוצות משתנות של האלקטרונים שבמתכת. מאחר שהאלקטרונים עצמם הם בעלי מטען חשמלי, שינוי במיקומם גורם לשינוי בשדה החשמלי. כך נוצר מצב שהשינוי בשדה גורם לתנועת האלקטרונים, וזו מצידה מבטלת את השינויים בשדה, ולכן מונעת מעבר אינפורמציה מבעד למתכת.
כלוב פרדיי
בתוך חומר מוליך לא יכול להתקיים שדה חשמלי. מבנה ("כלוב") שדופנותיו עשויות מתכת מכונה כלוב פרדיי, על שם המדען האנגלי מייקל פרדיי (Faraday), בן המאה התשע-עשרה, שחקר תופעות חשמליות ובין היתר הגה את מושג השדה החשמלי, זיהה את הקשר בין חשמל למגנטיות והמציא את הדינמו.
על מנת שכלוב פרדיי יפעל, הוא אינו צריך להיות עשוי מתכת מלאה – גם רשת או סורגי מתכת, שאלקטרונים יכולים לנוע בהם, יספיקו כדי למנוע את מעבר שדה חשמלי וגלים מבחוץ פנימה, ובלבד שהמרווח בין הסורגים קטן מאורך הגל.
הניסוי של תאלס
גם בחומרים בהם האלקטרונים אינם חופשיים לנוע בין האטומים (חומרים דיאֶלקטריים), קיימת תגובה חשמלית. דוגמה לכך הוא הניסוי המפורסם בענבר המיוחס לתאלס היווני: תאלס שפשף פיסת ענבר בצמר, וגילה כי גוש הענבר יכול למשוך אליו גופים קטנים.
מי שאזל בביתו הענבר יוכל לחזור על הניסוי בעזרת מסרק פלסטיק או בלון מנופח; לאחר שמחככים אותו בפיסת בד רכה, הוא יכול למשוך שערות, חתיכות נייר קטנות, ואפילו להטות זרם מים דק. החיכוך גורם למעבר אלקטרונים בין הבד לפלסטיק, וכך מוענק לפלסטיק מטען חשמלי.
הטיפה המתקטבת
כאשר מקרבים אותו לחתיכת נייר או לטיפת מים, היא נמשכת אליו אף שמטענה החשמלי הכולל אפס, כלומר – נייטרלית מבחינה חשמלית. הטיפה אמנם אינה טעונה, אך בהשפעת השדה החשמלי של הפלסטיק הטעון שלידה, היא מתקטבת. התפלגות המטען בתוך כל מולקולת מים אינה סימטרית - צד אחד שלה שלילי יותר, והצד השני חיובי.
השדה החיצוני מפעיל כוח הגורם לכל המולקולות להסתדר כך שצידן החיובי פונה כלפי המטען השלילי החיצוני (או להיפך, אם המטען החיצוני חיובי). לכן פני השטח של הטיפה בצד אחד חיוביים, ובצד השני שליליים, אף כי המטען הכולל הוא עדיין אפס. מאחר שהכוח החשמלי דועך עם המרחק, הצד של הטיפה אשר נמצא קרוב יותר לפלסטיק הטעון מפעיל כוח משמעותי יותר מאשר הצד הרחוק, וכך מתאפשרת המשיכה.
מים ופלסטיק
טיפת מים היא דוגמה מורכבת במקצת, משום שאנו יודעים כי מים הם גם מוליכי חשמל; ידוע כי הרטבת מכשירי חשמל גורמת לקצר – לזרימת הזרם החשמלי דרך המים במקום דרך החוטים המוליכים המיועדים לכך. נוכל לראות זאת אם ניתן לזרם המים לגעת בחתיכת הפלסטיק הטעונה: המטען יזרום מהפלסטיק אל המים ומשם אל הקרקע, וזרם המים יחזור לזרום כלפי מטה ללא הפרעה.
המים מוליכים לא משום שאלקטרונים חופשיים לנוע בהם, אלא משום שהם מכילים יונים – אטומים טעונים, אשר ספחו אלקטרון עודף או איבדו את אחד האלקטרונים שלהם. היונים הללו, הנושאים מטען חשמלי שאיננו אפס, חופשיים לנוע בתוך הנוזל. קרח, לעומת זאת, שהוא מוצק ובו יש לחלקיקים מעט חופש תנועה, אינו מוליך טוב.
חופש תנועה של חלקיקים
חופש התנועה המוגבל של החלקיקים בתוך המוצק גורם גם לכך, שקרח גם אינו מתקטב היטב; סידור המולקולות בגביש הקרח קבוע, והן אינן יכולות לנוע ולהפנות את צידן אל גוף חיצוני טעון הנמצא בקרבת מקום, כפי שהדבר קורה בנוזל.
אוויר הוא מבודד טוב. הוא אינו מוליך חשמל, מאחר שאין בו חלקיקים טעונים שיכולים לנוע בחופשיות. עם זאת, כאשר נוצר מתח חשמלי גדול מאוד – כלומר מצב שבו מטענים הפוכים גדולים מספיק נמצאים במרחק קטן מספיק – המבודד יכול להפוך למוליך.
תגובת שרשרת
הדבר יתרחש אם עוצמת השדה החשמלי מספיקה כדי לקרוע אלקטרונים מהמולקולות להן הם שייכים, ואז תתחיל תגובת שרשרת שבה אלקטרונים אלה פוגעים במולקולות אחרות ומשחררים גם מהן אלקטרונים נוספים. תהליך זה, המלווה לרוב בפליטת אור וקול, מכונה פריצה.
הדוגמה הנפוצה ביותר שלו היא הברק. האוויר שעבר יינון הופך למוליך, זרם חשמלי זורם דרכו בין שני עננים, או בין הענן לאדמה, או אף בין אזורים שונים של אותו ענן. האוויר מתחמם לטמפרטורה של כ-20,000 מעלות צלזיוס, וכתוצאה מכך הוא פולט אור ומתפשט. התפשטותו המהירה, ההודפת את שאר האוויר שבסביבה, היא הגורמת לצליל שאנו מכנים רעם.
כיצד נטענים עננים?
לא ידוע בוודאות כיצד נטענים העננים. לענני סערה התפלגות מטען אופיינית לפיה חלקו העליון של הענן נטען חיובית וחלקו התחתון נטען שלילית. תהליך הטעינה עשוי להיות קשור לזרמים הסעיים (Convective) באטמוספירה, הנושאים חלקיקים טעונים לתוך הענן, או להבדלים במאסה בין חלקיקים בעלי מטענים הפוכים. נראה כי המנגנון הדומיננטי תלוי מאוד בתנאים השוררים בענן ובסביבתו.
ידוע כי ברקים "נמשכים" לעצמים חדים – עצים, עמודים וכדומה. באזורים המועדים לסערות מלמדים את הילדים להתכופף ולהתרחק מעצים בעת סערת ברקים. הסיבה לכך היא נטייתו של המטען החשמלי להתפלג כך שקצוות חדים, בעלי עקמומיות גבוהה (כלומר, שאינם שטוחים), מאכלסים מטען בצפיפות גבוהה יותר מאשר אזורים שטוחים.
פריצה בזעיר אנפין
פריצה חשמלית בזעיר-אנפין מתרחשת גם במערכות טעונות קטנות יותר: מכונית או עגלת קניות, שתנועת גלגליהן טוענת אותן; ליטוף של פרוות חתול או סירוק שער אדם. בכל המקרים הללו, הפריצה תתחיל לרוב בקצוות החדים – אוזניו של החתול או דופן דלת המכונית.
כליא ברק
כליא-ברק הוא מוט מוליך אשר מטרתו למנוע נזקי פגיעת ברק. כאמור, הברק מלווה בחום רב וזרימת זרם חשמלי, אשר יכולים להיות קטלניים ליצורים חיים והרסניים לרכוש. כליא ברק מיועד להעביר מטען בהדרגה על מנת למנוע פריצה פתאומית והרסנית.
כאשר ענן טעון חולף מעל מבנה המצויד בכליא ברק, השדה החשמלי יגרום לאלקטרונים בקרבת קצה המוט להשתחרר, ויתחיל תהליך מתון שיאפשר לענן להשתחרר מעודפי המטען שלו. עם זאת, קיימים מקרים קיצוניים שבהם כליא הברק לא יצליח למנוע את הפריצה האלימה.
מה קורה באזורים מועדים
אם מדובר בכליא ברק יחיד בסביבתו, הענן עשוי להגיע כשהוא טעון במטען רב ותתרחש פריצה שתנותב אל כליא הברק ותגרום נזק לבנין שעליו הוא מוצב. באזורים המועדים לסערות ברקים, קיומם של עצים ומוטות רבים מאפשר פריקה הדרגתית ומקטין את הסיכוי לנזקים.
נוסחת החודש: חוק קולון
הכוח החשמלי הפועל בין שני מטענים q1, q2, הנמצאים במרחק r זה מזה. K המופיע בנוסחה הוא קבוע מספרי התלוי במערכת היחידות שבה אנו בוחרים לבטא את הגדלים הפיזיקליים (השוו ביטוי זה לנוסחה המתארת את כוח הכבידה הפועל בין שתי מאסות):
