אם ניקח שני לוחות מוליכים גדולים ונניח אותם זה מול זה, וניצור הפרש מתחים בין שני הלוחות (למשל באמצעות סוללה חיצונית), ייווצר ביניהם שדה חשמלי. כמו כן הלוחות ייטענו, האחד במטען חיובי (Q+) והאר במטען שלילי, (Q-), כך שסך המטען על שני הלוחות ישאר אפס אולם חלק מהמטען יועבר מלוח אחד ללוח השני. הקשר בין המתח למטען המצטבר על הלוחות מתואר במשוואה V=QC, כאשר V הוא המתח, Q הוא המטען ו-C הוא גודל המכונה קיבול.
הרכיב האלקטרוני שתיארנו זה עתה נקרא "קבל לוחות". היישומון שלפנינו יאפשר לנו להבין יותר את העקרונות העומדים מאחורי פעולתו. להפעלת היישומון לחצו על התמונה.
היישומון הופק במסגרת פרוייקט PhET של אוניברסיטת קולורדו.
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
תחילה נראה איך להשתמש ביישום .נתחיל בלשונית "הקדמה". מצד שמאל תראו את המעגל החשמלי – סוללה המחוברת לקבל הלוחות, שתאפשר לכם לשלוט במתח הנופל בין הלוחות. כמו כן תוכלו לשנות את המרחק בין הלוחות ואת שטחם. אפשר גם לנתק את הסוללה מהלוחות ולקבוע באופן ישיר את המטען על כל לוח.
בצד ימין תוכלו לבחור אילו מדדים תראו. שימו לב שאם תפעילו את מד השדה החשמלי או את מד המתח, תוכלו לשלוט במקום שבו הגדלים האלה נמדדים על ידי הזזה של המודד באמצעות העכבר.
תחילה הפעילו את מד הקיבול ושנו את המרחק בין הלוחות. ראו איך זה משפיע על הקיבול. לאחר מכן חיזרו על אותו תהליך, אבל הפעם שנו את שטח הלוחות. ראו שאתם מצליחים להבין את הקשר המתמטי בין הגדלים הגיאומטריים הללו לבין הקיבול.
כעת הבה נתחיל להפעיל את הקבל. העלו בהדרגה את המתח בין שני לוחות הקבל. אם תפעילו את הצפייה במטענים שעל גבי הלוח ובקווי השדה החשמלי תוכלו לראות שכתוצאה מכך מתחילים מטענים להצטבר על לוחות הקבל, ובין הלוחות נוצר שדה חשמלי. אם תהפכו את סימן המתח תראו שסימני המטענים על כל לוח פשוט יתהפכו, וכך יעשו גם קווי השדה.
כעת ננסה לבחון מה קורה מבחינה כמותית. הציבו מתח כלשהו בין הלוחות. הסתכלו על מדד הקיבול ומדד המטען וודאו שכפי שצוין למעלה אכן מתקיים הקשר V=QC. חזרו על אותה פעולה במתחים שונים.
מדד מעניין נוסף הוא מדד האנרגיה. התהליך שבו אנו שמים מתח על קבל וגורמים למטענים להיווצר בו נקרא "טעינת קבל". טעינה של קבל דורשת אנרגיה, אך האנרגיה הזו אינה מתבזבזת אלא נשמרת בקבל עצמו. מדד האנרגיה יראה לכם מהי האנרגיה האצורה בקבל.
נסו לבדוק מהי האנרגיה הזו עבור מתחים שונים וקיבולים שונים (את הקיבול תוכלו לשנות על ידי שינוי הגדלים הגיאומטרים שהוזכרו קודם לכן). האם אתם מבינים מהו הקשר בין המתח והקיבול לבין האנרגיה? נסו לחשוב מה יקרה אם תשימו על הקבל מתח מסוים או מתח הפוך לו (כלומר באותו גודל אך בסימן הפוך), האם לדעתכם תהיה אצורה בקבל אותה אנרגיהבשני המקרים? מה זה אומר על הקשר בין האנרגיה לבין המתח? אם אתם מבינים את התשובה לשאלה הזו או רוצים לשאול על כך שאלות, אנא הגיבו בפורום ואני אתייחס לכל שאלותיכם.
עכשיו נוכל לנתק את הסוללה ולחזור על אותם ניסויים, אולם הפעם נקבע את המטען של הקבל ולא את המתח, ונראה איך זה משפיע.
אחרי שנסיים לעשות ניסיונות ולהבין איך פועל הקבל נעבור ללשונית "דיאלקטרי". בלשונית הזו תוכלו לחזור על אותם הניסויים, אולם כעת תתווסף לכם האפשרות להכניס בין שני הלוחות חומר השונה מהאוויר. חומר זה יקרא "חומר דיאלקטרי", שפירושו הוא שמדובר בחומר מבודד, כלומר לא זורם בו זרם כשפועל עליו שדה חשמלי. למרות זאת, החומר הזה מגיב לשדה החשמלי, המטענים החשמליים שבתוכו יוצרים זוגות של מטען חיובי ומטען שלילי, ובעקבות זאת אפשר להפריד אותם בקלות זה מזה. כדי להמחיש את הכוונה, משכו את החומר הדיאלקטרי אל בין לוחות הקבל וסמנו את האופציה "הראה את כל המטענים".
בקצוות החומר הדיאלקטרי, ליד כל אחד מהלוחות, ייווצר מטען הפוך למטען הלוח. כדי להבין את התופעה הזו סמנו את האופציה "הראה מטענים עודפים". הכנסה של חומר כזה בין לוחות הקבל משנה את קיבולו. הסיבה לכך היא שהתגובה של החומר לשדה החשמלי שבין לוחות הקבל דורשת מהקבל לטעון את עצמו במטען רב יותר כדי לשמר את אותו שדה החשמלי. השדה עצמו נקבע על ידנו מבחוץ כשאנחנו קובעים את המתח בין לוחות הקבל. מאחר שהקיבול הוא היחס בין המתח למטען (שוב, V=QC), הכנסת חומר דיאלקטרי בין לוחות הקבל מגדילה את קיבולו.
הבה נבחן זאת. בחרו את אחד מהחומרים הדיאלקטרים האפשריים, שההבדל היחיד ביניהם הוא הקבוע הדיאלקטרי האומר עד כמה החומר משנה את השדה החשמלי החיצוני. כשגודלו של הקבוע הדיאלקטרי הוא 1, החומר אינו משנה את השדה כלל.
העלו מתח על הקבל וראו את המטענים המופיעים על הלוחות. כעת התחילו להכניס את החומר הדיאלקטרי בתוך הקבל. צפו בשינוי המטען על הלוחות והפעילו את מדד הקיבול כדי לראות איך משתנה הקיבול. נסו זאת עם חומרים בעלי מקדמים דילאקטרים שונים, וראו אם את אתם מבינים את השפעתם.
תוכלו להבין היטב את ההשפעת החומר הדיאלקטרי אם תפעילו את מד השדה החשמלי. תחילה מדדו את השדה החשמלי בלי החומר הדיאלקטרי. השדה הזה יורכב משני שדות – השדה שיוצרים הלוחות והשדה שיוצר החומר הדיאלקטרי. כשהחומר הדיאלקטרי רחוק מהקבל תוכלו לראות שהשדה הכולל זהה לשדה שיוצרים הלוחות. כעת הכניסו את החומר הדיאלקטרי ומדדו את השדה שוב. תגלו שהחומר הדיאלקטרי יוצר שדה בכיוון הפוך לשדה שיוצרים הלוחות. תראו גם שסכום השדות נשאר קבוע, ועל כן השדה שהלוחות מייצרים חייב להיות גדול יותר ומכאן נובע השינוי בקיבול.
נסו לשחק עם האפשרויות השונות של היישומון. אם יש לכם רעיון לניסוי מעניין שאפשר לעשות באמצעותו או אם אתם נתקלים בתופעות מעניינות ורוצים לשאול אותנו עליהן, זאת בפורום ותענו בהקדם.
כמה הערות לסיום
- הדוגמה שניתה ביישומון זה היא דוגמה ספציפית אחת לקבל לוחות. קיימים סוגים רבים של קבלים בצורות שונות. לדוגמה, במקום לוחות אפשר לחשוב על שתי טבעות מוליכות הכרוכות האחת סביב השנייה, או כל צורה גיאומטרית אחרת.
- קיבול אינו חייב להיות בין שני מוליכים שונים כפי שהודגם כאן. כמו כן קיים גודל שנקרא "קיבול עצמי". חישבו למשל על כדור מתכת. אם אני רוצה לטעון אותו במטען Q, אני יכול לשאול מה יהיה הפרש המתחים שייוצר בין הכדור הזה לנקודה רחוקה מאוד אחרי שטענתי את הכדור במטען כזה. התשובה תהיה V=QC, כאשר הקיבול הינו הקיבול העצמי של הכדור. הגודל הזה יקבע גם כמה אנרגיה יעלה לי לטעון את הכדור, ועל כן יש לו חשיבות רבה.
- חשוב להבין שקבלים אינם סתם כלי תיאורטי או שעשוע רעיוני, אלא הם רכיבים חשובים ביותר במעגלים חשמליים וכל אחד ואחד מכם הוא הינו בוודאי הבעלים הגאה של מיליארדי קבלים השוכנים בתוך הטלפונים שלכם, המחשבים שלכם וכל רכיב אלקטרוני אחר שאתם עושים בו שימוש.
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.
