מבוא

בזמן שבמאות ה-16 וה-17 המדעים "הקלאסיים" – אסטרונומיה, מכניקה ואופטיקה – דהרו קדימה ושינו את תפיסת היקום, תחום החשמל נותר מאחור, קפוא בזמן. במשך כאלפיים שנה, תופעות של חשמל סטטי נחשבו לא יותר מאשר קסם משעשע או "צעצוע" להצגת כוחות משיכה וניצוצות בסלונים חברתיים.

באותה תקופה, המדענים עדיין גיבשו את שפתם: החשמל נתפס כמעין "נוזל" מסתורי שעובר בין גופים באמצעות חיכוך, והקשר בינו לבין המגנטיות נראה דמיוני לחלוטין. 

תחילה נסו לבחון את תפיסתכם, מה אתם באמת חושבים על התופעות שאתם רואים:

תרגילית - מבוא לחשמל
יוצאים לחקירה: מעשה בשקית.

 בפעילות הבאה, תתבקשו לבצע ניסוי פשוט, ולעקוב אחר התוצאות. אין כאן "תשובה נכונה" או "טעות". המטרה היא לחשוף את הדרך שבה אתם חושבים על העולם.
תרגילית - מעשה בשקית משימה חוקרת

סקירה היסטורית

אז מהו אותו חשמל? מה עושה אותו לכל כך מיוחד? מהם התכונות שלו?

כדי לענות על כל השאלות, חייבים קודם כל להבין את מבנה האטום. ההתפתחות ההיסטורית הייתה שונה, רק בסוף התהליך התקבל מודל האטום ועימו ההבנה לגבי מהות החשמל. במצגת הבאה נעשה  סקירה קצרה של גילויים אשר השפיעו על התפתחות ההבנה לגבי מהות החשמל.

התפתחות מושג האטום והבנת מהות החשמל 

במאה ה-19 למדענים עדיין לא היה מושג על המבנה הפנימי של האטום. סדרה של ניסויים פורצי דרך לאורך כמאה שנה הובילה לבניית מודל המאפשר לנו להסביר את התנהגות החומר והחשמל.

למרות שאיננו יכולים 'לראות' חלקיקים תת-אטומיים באופן ישיר, התצפיות שלנו מאששות את קיומם ואת תכונותיהם בדיוק מדהים.

במצגת הבאה נכיר את ה'שחקנים' המרכזיים: האלקטרון והפרוטון, ונבין מהן התכונות שהופכות אותם לאחראים על כל התופעות החשמליות שראינו עד כה.

הטבלה המחזורית

הטבלה המחזורית היא "מפת הדרכים" של היקום. היא לא סתם רשימה של יסודות, אלא סידור גאוני שחושף קשרים בין משפחות של חומרים. בטבלה זו, היסודות מסודרים לפי המספר האטומי שלהם, אך המבנה שלה מאפשר לנו לחזות מראש כיצד חומר יתנהג – האם הוא יוליך חשמל בקלות, האם הוא יתחבר לחומרים אחרים, ואילו תכונות פיזיקליות יהיו לו.
  

הטבלה המחזורית מאורגנת בצורה מתוחכמת המאפשרת לנו "לקרוא" את תכונות האטום מבלי להביט במיקרוסקופ:

השורות: מייצגות את מספר קליפות האלקטרונים הסובבות את הגרעין. ככל שאנחנו יורדים בשורות, האטום הופך ל"גדול" יותר ובעל שכבות רבות יותר.

העמודות : זהו החלק המרתק ביותר עבורנו בחשמל. יסודות הנמצאים באותה עמודה הם בעלי מספר זהה של אלקטרונים בקליפה חיצונית, ולכן הם מתנהגים בצורה דומה מאוד מבחינה כימית וחשמלית.

מוליכים מול מבודדים בטבלה

הטבלה מחולקת לשתי קבוצות עיקריות שחשוב שנכיר בפרק החשמל:

המתכות (המוליכים): תופסות את רוב שטחה של הטבלה (צד שמאל ומרכז). באטומים אלו, האלקטרונים בקליפה החיצונית קשורים בצורה חלשה יחסית לגרעין. לכן, הם יכולים להתנתק בקלות ולהפוך ל"אלקטרונים חופשיים" – מה שמאפשר זרימה של זרם חשמלי.

האל-מתכות (המבודדים): נמצאות בצד ימין של הטבלה. באטומים אלו, האלקטרונים קשורים בחוזקה רבה לגרעין ואינם יכולים לנוע בחופשיות בין האטומים. לכן, חומרים אלו (כמו עץ, פלסטיק או גומי) אינם מאפשרים מעבר זרם חשמלי בקלות.

 . קובץ על היסודות בטבלה המחזורית ומשמעות שמם , מאת מירי שיינוביץ

•   טבלה מחזורית דינמית- טבלה מחזורית דינמית זהו כלי עבודה מתקדם ומקיף המאפשר לחקור את תכונות היסודות לעומק. מה תמצאו כאן: מידע מפורט על כל יסוד, כולל סידור האלקטרונים ברמות האנרגיה (אורביטלים), מצבי צבירה בטמפרטורות שונות, ואפילו קישורים לערכי ויקיפדיה מורחבים.

 למי זה מתאים: למי שרוצה להבין את ה"מספרים" מאחורי האטום – מסות מדויקות, נקודות רתיחה, ונתונים טכניים המאפיינים את מבנה החומר.

• הטבלה המחזורית המאוירת (The Periodic Table of Elements in Pictures and Words) כתובת: elements.wlonk.com

אתר ויזואלי המנגיש את הטבלה המחזורית דרך היישומים שלה בחיי היומיום. מה תמצאו כאן: כל יסוד מלווה באיור המראה היכן אנו פוגשים אותו במציאות (למשל: ליתיום בסוללות, הליום בבלונים). בנוסף, מופיע הסבר קצר במילים פשוטות על תפקיד היסוד בטבע או בתעשייה. 

למי זה מתאים: למי שרוצה לחבר את התיאוריה למציאות ולהבין מדוע יסודות מסוימים כל כך חשובים לחיינו.

ממיקרו למאקרו: איך גופים הופכים לטעונים?

עד כה הבנו שכל החומר סביבנו בנוי מאטומים, וכי בלב כל אטום נמצא "מאזן כוחות" בין הפרוטונים החיוביים לאלקטרונים השליליים. אך מה קורה כאשר האיזון הזה מופר?

היכנסו לסימולציה הבאה, שפשפו את הרגל של ג'ון על השטיח ונסו לגעת בידית.

שאלות למחשבה תוך כדי משחק:

• מה עובר מהשטיח לרגל של ג'ון – המטענים החיוביים או השליליים?

• האם ג'ון יכול לקבל מכת חשמל (ניצוץ) בלי שהוא הזיז את הרגל?

• מה קורה למטענים שנמצאים על הגוף שלו ברגע שהוא נוגע בידית המתכת?

שיחקתם עם ג'ון? שמתם לב שהאלקטרונים (הכדורים הכחולים) תמיד עוברים מהשטיח אל הנעל שלו? למה זה לא קורה הפוך? ולמה כשג'ון נוגע בידית, הכל משתחרר?

הסדרה הטריבואלקטרית 

מדענים חקרו ומצאו שלכל חומר בטבע יש 'דרגת רעב' שונה לאלקטרונים. חלק מהחומרים אוהבים לתת, וחלק ממש אוהבים לקחת. הסדר הזה נקרא הסדרה הטריבואלקטרית.

בסימולציה, ג'ון לובש נעלי גומי ומשפשף אותן בשטיח צמר. מכיוון שהצמר (שטיח) נמצא הרבה יותר גבוה מהגומי (נעליים) בסדרה הטריבואלקטרית, האלקטרונים תמיד יזרמו מהשטיח אל ג'ון. ג'ון הופך ל'מחסן אלקטרונים' מהלך, עד שהוא פוגש את ידית המתכת...

טעינת גופים והשראה חשמלית

 כפי שלמדנו, גוף נחשב טעון רק כאשר קיים בו חוסר או עודף של אלקטרונים. מכיוון שהפרוטונים נעולים בגרעין, המעבר היחיד שמתאפשר הוא של אלקטרונים:

•  גוף טעון חיובית: הוא גוף ש"איבד" אלקטרונים (חוסר במטענים שליליים).

•  גוף טעון שלילית: הוא גוף ש"הרוויח" אלקטרונים (עודף במטענים שליליים).

 אבל איך זה קורה בפועל? איך אנחנו יכולים לגרום לאלקטרונים "לעבור דירה" מגוף אחד למשנהו?

 במצגת שלפניכם נחקור את הדרכים השונות לטעינת גופים:

•  חיכוך (שפשוף): הדרך המוכרת לנו מניסוי השקיות והבלון.

•  הולכה: טעינה באמצעות מגע ישיר בין גופים.

•  השראה: תופעה מרתקת שבה גוף נטען ללא כל מגע, רק על ידי קירוב.

 הבנת הדרכים הללו היא המפתח להבנת תופעות רבות, החל מהברק שבשמיים ועד לאופן שבו פועל מסך המגע בטלפון שלכם.
על כך במצגות הבאות:

מכשיר לזיהוי נוכחות של מטען חשמלי: האלקטרוסקופ

מכשיר לייצור חשמל סטטי - Wimshurs

הרצאות וסרטונים באינטרנט

הרצאה של פרופ' מריו ליביו בנושא מטען חשמלי ומושגים כמו אטומים מוליכים ומבדדים

(באנגלית)  MIT-הרצאה של פרופ' וולטר לואין מ

ב 1785 ביצע אוגוסטן קולון מדידות אשר עזרו לו לנסח את הקשר עבור הכוח הפועל בין מטענים חשמליים. קשר זה דומה לתיאור כוח הכבידה של ניוטון , שעל פיו עוצמת הכוח יורדת עם ריבוע המרחק, ההבדל החשוב ביותר בין חוקים אלו לחוק של ניוטון הוא שכוח הכבידה מושך תמיד. ואילו מטענים חשמליים יכולים למשוך או לדחות זה את זה. אולם מבנה החוק המתאר את פעולת הכוח דומה. להרחבה והעמקה על חוק קולון עברו לדף חוק קולון