נוסח השאלה המלא: בזרם ישר המיוצר ע"י גנרטור, הזרם שנוצר מגיע מדי פעם למצב בו לא זורם זרם כך שהגל נראה כמו באיור התחתון בתמונה הבאה:
באיור העליון מוצג זרם המופק ע"י בטריה, השאלה שלי האם כשנסתכל בזכוכית מגדלת על הגרף של הבטריה, האם לא נראה שם אי אלו חורים, הנובעים מכך שיש זמן קצרצר (אפי' מליונית השניה) שבו אין זרם, או שמא התנועה היא תמידית ממש, וכשנעשה חתך רוחב במוליך, נגלה שאין זמן נתון בו לא זורמים אלקטרונים, מכיוון שהאלקטרונים חופפים זה את זה, במקרה שהאלקטרונים אינם חופפים זה את זה פירוש הדבר שיש זמן מסוים בו אין זרם, ייתכן והדבר תלוי בעוצמת הזרם העובר במוליך.
זרם חשמלי יכול להיות, כפי שציינת, משני סוגים: זרם ישר (dc) וזרם חילופין (ac). האיורים לעיל מתארים כולם זרם ישר או שעבר יישור (כאשר הציר המאוזן הוא זמן, והציר המאונך הוא עצמת הזרם), שבו המטענים זורמים בכיוון אחד. הגרף העליון מתאר זרם ישר המיוצר ע"י סוללה, אשר הסימנים של ההדקים שלה (הקוטביות שלה) אינם משתנים עם הזמן. אלקטרונים נעים מההדק השלילי שדוחה אותם, אל ההדק החיובי שמושך אותם, תמיד בכיוון אחד. הגרפים התחתונים מייצגים זרם ישר אשר עבר המרה מזרם חילופין. בזרם חילופין האלקטרונים מחליפים כיוון מסביב לנקודת ייחוס קבועה למדי (50 פעמים בשניה עבור זרם של 50 הרץ). בתוך הממיר יש דיודה, רכיב אלקטרוני אשר משמש כשסתום חד כיווני, ומאפשר לאלקטרונים לזרום בכיוון אחד בלבד. מכיוון שזרם חילופין זורם בשני הכיוונים, רק מחצית מכל מחזור תעבור דרך הדיודה. התוצאה היא הגרף האמצעי – זרם ישר בעצמה לא קבועה שמנותק מחצית מהזמן. בפועל משתמשים בזוג דיודות, והתוצאה היא היפוך קוטביות בכל חצי מחזור, וכך אין מאבדים מחצית מן המחזורים (גרף תחתון). נכון הדבר שבכל חצי מחזור הזרם מתאפס באופן רגעי (כי הוא החליף את כיוונו), כפי שכמנדנדים ילד על נדנדה הוא עוצר באופן רגעי בגובה המקסימלי ובגובה המינימלי (אבל התאוצה אינה מתאפסת).
הזרם שעליו אנחנו מדברים הוא תנועה של אלקטרונים חופשיים בתוך המוליך. אותות חשמליים נעים במהירות הקרובה למהירות האור (כאשר לוחצים על מתג של נורה, היא נדלקת "מיד"). אולם לא האלקטרונים הם אלה שנעים במהירות גדולה כל כך, אלא השדה החשמלי שנוצר בתוך המוליך כאשר הוא מחובר לסוללה. במעגל זרם ישר, האלקטרונים נדחפים ע"י השדה הזה בכיוון המקביל לקווי השדה, אך מהירות הסחיפה שלהם (המהירות נטו שבה נע אלקטרון בודד) היא כעשירית מ"מ בשניה. במעגל זרם חילופין, האלקטרונים אינם מתקדמים כלל, אלא מתנדנדים סביב נקודות קבועות במרחב. הדבר דומה לשחיין איטי השוחה בנהר מהיר. הנהר הוא זה שמועבר מהשקע אל הנורה, לא השחיין.
תנועת האלקטרונים במוליך מעוכבת משום שהם נתקלים ביוני המתכת, הקבועים כמעט במקומם. בהתנגשויות אלה מאבדים האלקטרונים חלק מהאנרגיה הקינטית שלהם, והתוצאה היא התחממות חוטי התיל. אם נעשה חתך רוחב במוליך שעובר דרכו זרם של אמפר אחד (1 קולון לשנייה), תתקבל התמונה הבאה: שטח החתך של הנחושת הוא כ- 0.008 cm2. צפיפות האלקטרונים במוליך היא 8.45*1022/cm3, ומהירותם היא כ- 0.0093cm/s. כלומר מדובר במספר עצום של אלקטרונים. תנועתם היא היא תמידית ורציפה, , אך איטית ביותר: כל אחד מהם נע במהירות של מטר בשלוש שעות (בערך כמו חילזון עייף).
מאת: נעה זמשטיין
המחלקה לפיזיקה כימית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
