חלקיקים טעונים יוצרים סביבם שדה חשמלי. חלקיקים שליליים יוצרים שדה חשמלי המצביע לכיוונם ואילו החיוביים יוצרים שדה המצביע הלאה מהם. השדה של מטען נקודתי בודד הוא פשוט – הוא מצביע תמיד לכיוון הנקודה שבה החלקיק נמצא ועוצמתו דועכת ככל שמתרחקים מהחלקיק, אך לא באופן ליניארי (כלומר לא בקו ישר). השדה נמצא ביחס הפוך לריבוע המרחק מהחלקיק שיצר אותו.
אם כן, קל להבין את השדה של חלקיק יחיד, אבל מה קורה כשיש חלקיקים רבים? האם זה עדיין פשוט? היישומון שלפנינו יאפשר לנו לבדוק את זה. חשוב לזכור שהיישומון אינו מתייחס לתנועה של מטענים בעקבות השדה, אלא מניח שכוח אחר פרט לשדה החשמלי מקבע את המטענים במקומם. חישבו עליהם כאילו מסמרו אותם למקומם.
להפעלת היישומון לחצו על התמונה.
הישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו.
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
היישומון מאפשר לנו לבצע כמה צעדים פשוטים. בצד שמאל שלו נמצא סל עם מטענים חיוביים ושליליים, שאותם אפשר לגרור ולפזר ברחבי המסך. כמו כן אפשר לפזר מדדי שדה שיקראו את השדה בנקודות שבהן הם יוצבו. בצד ימין למטה מופיע תפריט ירוק שמאפשר לשנות את האופן שבו אנו צופים בשדה – גודל, כיוון וכו'). ובצד ימין למטה מופיע מד פוטנציאל. אם תקחו אותו לנקודה מסוימת ותלחצו על "צייר" תוכלו לראות את כל הקו הרציף שבו הפונציאל קיים אותו פוטנציאל. הפוטנציאל מקושר באופן ישיר לשדה בגלל חוקי מקסוול.
התחילו בלמקם על הלוח חלקיק בודד. במצב הזה תוכלו לראות שכל קווי השדה מובילים לכיוון החלקיק (אם הוא חיובי) או ממנו והלאה (אם הוא שלילי). אם תחפשו קווים שווי פוטנציאל תגלו שהם נמצאים במעגלים מדויקים בסביב החלקיק.
כעת התחילו לשחק ולהוסיף מטענים רבים וראו איך השדה משתנה. חשבו אם יכולתם לצפות זאת.
אופציה חשובה שיהיה מעניין לבדוק היא איך משלבים שני מטענים, האחד חיובי והשני שלילי, הנמצאים במרחק מה זה מזה (עדיף מרחק קטן). מצב זה נקרא דיפול חשמלי. התחילו במצב שבו המרחק בין החלקיקים גדול והקטינו אותו. תוכלו לראות שכאשר המרחק בין החלקיקים קצר מאוד יש שדה בקרבתם, ואילו רחוק מהם נראה כאילו השדה מתאפס. אפשר להבין את זה אופן אינטואיטיבי: אם מסתכלים מאוד מרחוק, המרחק בין החלקיקים כה קטן עד שהם נראים כאילו הם נמצאים ממש זה על זה, ואז המטען החיובי מבטל את השלילי ונראה כאילו אין שום מטען ולכן אין שדה חשמלי. ככל שמתקרבים, מרגישים יותר את המרחק בין החלקיקים ומתחילים להבחין בפרטי השדה.
הדיפול החשמלי הוא תופעה חשובה מאוד. אינטרקציות רבות בטבע קורות בין דיפולים חשמליים, וגם אטומים נייטרליים מייצרים שדה דומה לשדה של דיפול, מאחר שהמטענים החיובים נמצאים בגרעין ומופרדים מהמטענים השלילים המקיפים אותם.
נסו לבנות מבנים מורכבים אחרים. אם אתם מוצאים מבנים מעניינים, אל תשכחו לספר לנו בפורום.
והנה לכם אתגר מחשבתי מעניין – האם תוכלו לייצר מלכודת לחלקיקים חיוביים (או שליליים). כלומר, האם תוכלו ליצור אזור במרחב שכל קווי השדה בו יצביעו לעבר נקודה מסוימת (או ממנה והלאה), אף שבנקודה הזו אין שום חלקיק? אם תוכלו ליצור מצב כזה ותניחו חלקיק חיובי (או שלילי) בנקודה, הוא יישאר במקומו. אחר כך, אם תזיזו אותו קצת, הוא ירגיש כוח חשמלי שידחוף אותו בחזרה לאותה נקודה. כלומר, הוא יהיה כלוא בנקודה הזו. אם תחשבו על כך, השדה ייראה דומה מאוד לשדה שמסביב לחלקיק שלילי (או חיובי), פרט לזה שלא יהיה בו שום חלקיק.
נסו לחשוב אם זה אפשרי? אם כן, נסו להבין כיצד לעשות זאת, ואם לא נסו לחשוב מדוע לא. בכל מקרה תצטרכו לחשוב באופן שיטתי, כי יהיה קשה להגיע לתשובה שלילית או חיובית בניסוי וטעייה אקראיים. אם אתם מכירים את משוואות מקסוול, אחת מהן תוכל לעזור לכם להגיע לפתרון. אם אתם מבינים את התשובה, או אם אתם חושבים שאתם מבינים או מעוניינים להתייעץ, פרסמו זאת בפורום ואנו נדון בכך.
נסו לחשוב, האם אפשר ליצור תופעה כזו? מי מכם שמכיר את חוק גאוס יכול להיעזר גםןם בו כדי להבין אם הדבר אפשרי. העלו את מסקנותיכם לפורום.
ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
