לאן זורם החשמל?

זרם חשמלי מתעורר במעגל חשמלי הכולל מקור זרם וצרכן חשמל. אך לאיזה כיוון מתרחש זרם זה? באופן מקובל מאמינים כי במעגל החיצוני יש לזרם כיוון מהפלוס של המקור למינוס, ואילו בתוך מקור הכוח הוא ממינוס לפלוס.

אכן, זרם חשמלי הוא התנועה המסודרת של חלקיקים טעונים חשמליים. אם המוליך עשוי מתכת, החלקיקים הללו הם אלקטרונים - חלקיקים טעונים באופן שלילי. עם זאת, במעגל החיצוני האלקטרונים עוברים במדויק מהמינוס (הקוטב השלילי) לפלוס (הקוטב החיובי), ולא מהפלוס למינוס.

אם כלול במעגל חיצוני דיודה מוליכים למחצה, יתברר כי זרם אפשרי רק כאשר הדיודה מחוברת על ידי הקתודה בכיוון המינוס. מכאן יוצא כי הכיוון ההפוך לתנועת האלקטרונים בפועל נלקח ככיוון הזרם החשמלי במעגל.

אם נתחקה אחר ההיסטוריה של היווצרות הנדסת חשמל כמדע עצמאי, נוכל להבין מאיפה הגיעה גישה פרדוקסלית שכזו.

החוקר האמריקני בנימין פרנקלין הציג בתקופתו תיאוריה יחידה (מאוחדת) של חשמל. על פי תיאוריה זו, חומר חשמלי הוא נוזל חסר משקל שיכול לזרום מגופים מסוימים תוך הצטברותם באחרים.

לדברי פרנקלין, יש נוזל חשמלי בכל הגופים, אך גופים מתחשמלים רק כאשר יש בהם עודף או חוסר בנוזל חשמלי (נוזל חשמלי). היעדר נוזל חשמלי (לפי פרנקלין) פירושו התחשמלות שלילית, והעודף - חיובי.

זו הייתה תחילת מושגי המטען החיובי והמטען השלילי. ברגע החיבור של גופים טעונים חיוביים עם גופים טעונים באופן שלילי, נוזל חשמלי זורם מגוף עם כמות גדולה של נוזל חשמלי לגופים עם כמות מופחתת ממנו. זה דומה למערכת של כלי תקשורת. מושג יציב של זרם חשמלי, תנועת מטענים חשמליים, נכנס למדע.

השערת פרנקלין זו קדמה לתיאוריה האלקטרונית של הולכה, אך התברר שהיא רחוקה מלהיות מושלמת. הפיזיקאי הצרפתי צ'ארלס דאף גילה שבמציאות ישנם שני סוגים של חשמל, המצייתים באופן אינדיבידואלי לתאוריה של פרנקלין, אך מנוטרלים הדדית במגע. תיאוריה חשמלית (כפולה) חדשה על חשמל הופיעה, שהגיש מדען הטבע רוברט סימר על בסיס הניסויים של צ'ארלס דאף.

כאשר משפשפים, על מנת להתחשמל, גופים מחשמלים, לא רק את הגוף השפשף, אלא גם זה שנשפשף הופך טעון. התיאוריה הדואליסטית טענה כי במצב הרגיל הגופים הכילו שני סוגים של נוזל חשמלי ובכמויות שונות המנטרלים זה את זה. החשמל הוסבר על ידי שינוי ביחס של חשמל שלילי וחיובי בגופים חשמליים.

גם ההשערה של פרנקלין וגם ההשערה של סימר הסבירו בהצלחה תופעות אלקטרוסטטיות ואף התחרו זו בזו.

הומצא בשנת 1799 על ידי עמוד וולט וגילוי תופעות אלקטרוליזה הוביל למסקנה שבמהלך אלקטרוליזה של תמיסות ונוזלים בהם ישנם שני מטענים מנוגדים בכיוון התנועה של המטענים - שליליים וחיוביים. זה היה הניצחון של התיאוריה הדואליסטית, מכיוון שכשפורקו מים, ניתן היה כעת לראות כיצד משתחררות בועות חמצן על האלקטרודה החיובית, ואילו מימן שוחרר על האלקטרודה השלילית.

אבל לא הכל היה חלק כאן. כמות הגזים הנפלטים התבררה אחרת. מימן שוחרר כפליים מחמצן.הפיזיקאים המבולבלים הזה. אז לא היה לכימאים מושג כי במולקולת המים ישנם שני אטומי מימן ורק אטום חמצן אחד.

התיאוריות הללו לא הובנו על ידי כולם.

אולם בשנת 1820, אנדרה-מארי אמפר, בעיתון שהוצג בפני חברי האקדמיה למדעים בפריס, מחליט תחילה לבחור באחד מכיווני הזרמים כראשון, אך לאחר מכן נותן כלל לפיו ניתן לקבוע במדויק את השפעת המגנטים על זרמים חשמליים.

כדי לא לדבר כל הזמן על שני זרמים הפוכים של שני זרמי החשמל, כדי להימנע מחזרות מיותרות, החליטה אמפר לנקוט בקפדנות בכיוון התנועה של חשמל חיובי ככיוון הזרם החשמלי. לכן, לראשונה על ידי אמפר, הוכנס עד כה הכלל המקובל בכיוון של זרם חשמלי.

מאוחר יותר, מקסוול עצמו דבק בעמדה זו, לאחר שהמציא את חוק ה"גימלט "הקובע את כיוון השדה המגנטי של הסליל. אולם שאלת הכיוון האמיתי של הזרם החשמלי נותרה פתוחה. פאראדיי כתב שמצב העניינים הזה הוא רק על תנאי, הוא נוח למדענים ועוזר להם לקבוע בבירור את כיוון הזרמים. אבל זה רק כלי נוח.

לאחר שגילה פאראדיי אינדוקציה אלקטרומגנטית, היה צורך לקבוע את כיוון הזרם המושרה. הפיזיקאי הרוסי לנץ נתן כלל: אם מוליך מתכת נע ליד זרם או מגנט, אז נוצר בו זרם גלווני. וכיוון הזרם המתהווה הוא כזה שהחוט הקבוע היה מגיע מפעולתו לתנועה הפוכה לעקירה הראשונית. כלל פשוט וקל להבנה.

גם לאחר גילוי האלקטרון, אמנה זו הייתה קיימת למעלה ממאה וחצי. עם המצאת מכשיר כמו מנורה אלקטרונית, עם הצגתם הנרחבת של מוליכים למחצה, החלו להתעורר קשיים. אבל הנדסת חשמל, כמו קודם, פועלת על פי הגדרות ישנות. לפעמים זה גורם לבלבול אמיתי. אך ביצוע התאמות יגרום אי נוחות רבה יותר.

קרא גם:חיווט וצנרת: אנלוגים והבדלים

Comments

[#1 סרגיי]

מאמר שימושי מאוד והסרט טוב. בני הקטן מאוד סקרן מבחינת הפיזיקה והאלקטרוניקה, ועכשיו הוא בא ושאל שאלה כזו. אבל מה, אני מבין את זה קצת, אבל איך להסביר את הכל לילד בן שלוש-עשרה ... במשך תקופה ארוכה ניסיתי לסחוט משהו מובן, אבל הבן שלי רק הציץ בעיניו. ואז נכנסתי לרשת עולמית בתקווה שאנשי מקצוע יעזרו. וכאן מאמר כזה טוב. תודה, יחד עם בני הבנתי מה מה.