מתח, התנגדות, זרם וכוח הם הכמויות החשמליות העיקריות

בהנדסת חשמל, אין טעם לומר פשוט "חשמל". כאן תמיד יש לציין במה בדיוק נדון. אנו יכולים להתכוון לטעינה החשמלית של הקבל, למתח בשקע, לזרם הזורם דרך החוטים, או למשל לחשמל שמונה החשמל בדירתנו נפצע בחודש.

בכל מקרה, אין כמות כמו חשמל, יש את הכמות "כמות החשמל", המכונה כראוי המטען החשמלי, הנמדד בתליונים. זהו מטען חשמלי - הוא נע לאורך החוטים, מצטבר על צלחות הקבל, נוכח מדי פעם במסופים (מינימום - על חוט הפאזה) של השקע, נע בצורת זרם כאשר הרשת החשמלית מבצעת עבודה. הכמויות החשמליות העיקריות קשורות איכשהו לטעינה. נדבר היום על הערכים האלה.

מתח

המתח U נמדד בין שתי נקודות במעגל. על מנת שמתח מתח או מתח קבוע יתחיל להיות קיים במעגל סגור, יש צורך במקור זרם שיכול להבטיח כי מתח זה נשמר בקצות המעגל. מקור זה ישמש כמקור EMF - כוח אלקטרומוטיבי, שכמו מתח נמדד בוולטים.

אם מקור כזה מחובר למעגל סגור, ראשית, יהיה קיים מתח בין מסופי המקור, כלומר בקצות המעגל, ושנית, בקצות כל חלקי המעגל הזה, אם הוא מחולק על תנאי לחלקים.

בכל רגע של זמן, למתח החשמלי הפועל על חלק מסוים במעגל יכול להיות ערך שונה מאשר ברגע הקודם, אם המעגל מופעל על ידי מקור emf משתנה, או אותו ערך אם הוא מקור emk קבוע, והמעגל, בהתאמה, הוא מעגל זרם ישיר.

המתח בקצוות מעגל DC דומה להפרשי הגובה בצד של הר, והמטען בתנאים אלה הוא כמו מים המוגבהים לגובה, רק ביחס לשדה החשמלי, הבדל זה נקרא ההבדל בין פוטנציאלים (חשמליים), מכיוון שלא מדובר בשדה הכבידה.

ההבדל הפוטנציאלי בין שתי נקודות הוא וולט אחד, אם להעברת מטען של 1 תליון מנקודה אחת לאחרת, יש לבצע את העבודה עליו בכמות של ג'ואל 1. וולט שווה גם למתח החשמלי הגורם לזרם ישיר של אמפר 1 במעגל החשמלי בהספק של 1 וואט, אך יותר מכך בהמשך.

זרם

כאשר קיים מתח חשמלי בקצוות קטע של מעגל (מוליך), כלומר כאשר יש הבדל בפוטנציאלים החשמליים, המשמעות היא ששדה חשמלי פועל במוליך (לאורך הקטע הנבדק). שדה חשמלי פועל בכוח על חלקיקים טעונים.

במתכות, למשל, אלקטרונים חופשיים הם נשאים בעלי מטען שלילי, ויכולים להיכנס לתנועה תרגומית אם הם ימצאו עצמם לפתע בשדה חשמלי חיצוני, שמקורו במקרה זה מקור ה- emk. כאשר אלקטרונים נכנסים לתנועה תחת השפעת שדה חשמלי הם הופכים למטען נע, כלומר זרם חשמלי I.

כמות המטען נמדדת בקולומבים, והזרם מאפיין את מהירות תנועת המטען דרך חתך הרוחב של המוליך (לזמן ליחידה). כאשר מטען חשמלי של תליון אחד עובר בחתך המוליך בשנייה אחת, הזרם במוליך הוא אמפר 1. באנלוגיה למים - ככל שעוברים יותר מים בקטע הצינור בשנייה - כך הזרם גדול יותר.

התנגדות

בהשפעת מתח חשמלי המטען נע דרך חתך הרוחב של המוליך ויוצר זרם, אך הוא אינו נע ללא הפרעה. מאז שהתחלנו לשקול מוליך מתכת, נמשיך עם זה.

אלקטרונים במוליך הנעים תחת השפעת שדה חשמלי נתקלים במכשולים בתוך המוליך - אטומי סריג הגביש, כמו זה בזה, בגלל המרכיב הכאוטי (התרמי) של תנועת האלקטרונים ורטט אטומי.

מכשולים אלה מספקים סוג של התנגדות, מאטים את האלקטרונים, מצמצמים את הזרם לעומת כמה שהוא יכול להתפתח אם לא היו מכשולים כאלה. אבל סוג זה של התנגדות R במוליכים אמיתיים (מעגלים) תמיד קיים.

ערך זה נקרא התנגדות חשמלית בהנדסת חשמל. התנגדות חשמלית נמדדת באוהם. אוהם אחד שווה להתנגדות החשמלית של קטע במעגל חשמלי, שבקצותיו זורם זרם ישר של אמפר במתח של וולט אחד בקצוות.

ככל שהתנגדות המאפיינת מוליך נתון גדולה יותר, כך הזרם יהיה קטן יותר באותו מתח בקצוות של מוליך זה. תלות זו מכונה חוק אוהם עבור קטע במעגל חשמלי: גודל הזרם בקטע של מעגל הוא ביחס ישר למתח בקצוות קטע זה ויחס הפוך להתנגדות החשמלית של חלק מסוים במעגל.

כוח

אם כבר מדברים על המעגל החשמלי, מתח, התנגדות וזרם, אי אפשר שלא לסיים את נושא הכמויות החשמליות הבסיסיות עם סיפור על הכוח החשמלי P. כאשר נוצר זרם וממשיך לזרום במעגל תחת השפעת מתח, מקור ה- emk מבצע את העבודה A במעגל.

למעשה, העבודה מבוצעת על ידי שדה חשמלי במטען חשמלי שנע בתחום זה. כמות העבודה המושלמת תלויה בהבדל הפוטנציאלי שגבר המטען ובגודל המטען הזה. ככל שהעבודה נעשתה מהר יותר, כך כוח התהליך היה גבוה יותר.

במקרה של זרם, אנו בדרך כלל מדברים על כוחו של המקור שביצע את העבודה, כמו גם על כוחו של הצרכן (מעגל). הכוח החשמלי שמבלה בעבודות שימושיות נמדד בוואט. עבור כל סוג של אנרגיה, לא רק חשמל, 1 וואט מוגדר ככוח בו מתבצעת ג'ול של עבודה אחת בשנייה של הזמן.