ראשית, תיקון קטן חברת החשמל מייצרת חשמל במתח נמוך אך מיד ממירה אותו למתח גבוה שמומר מחדש למתח נמוך בהגיעו לבית הלקוח.

קיימות שתי דרכים להוביל חשמל מהמפעל לבית הלקוח: אפשר לעשות זאת באמצעות זרם ישר (DC), שפירושו שהאלקטרונים נעים כל הזמן בכיוון אחד, כפי שגילה תומס אלווה אדיסון במאה ה-19. דרך אחרת היא באמצעות זרם חלופין (AC), שבו האלקטרונים משנים את כיוון התנועה שלהם במוליך בתדירות של 50 או 60 פעמים בשנייה (50 או 60 הרץ). את הצורה הזו להעברת זרם חשמלי פיתח הממציא ניקולה טסלה.

זרם ישר

בסוף המאה ה-19 הקים אדיסון את מפעל החשמל הראשון ליד העיר ניו יורק בארצות הברית. הוא בחר להשקיע את המפעל ואת החברה שלו (ג'נרל אלקטריק) בזרם ישר בלבד. מכיוון שהוא גם היה זה שהמציא את הנורה המודרנית והוציא עליה פטנט, ומכיוון שבתקופה ההיא השימוש העיקרי של החשמל היה לתאורה, היה לאדיסון מונופול ומערכת החשמל בארצות הברית כולה פעלה בזרם ישר.

החשבון של אדיסון היה פשוט: בזרם ישר לא קל להמיר מתח גבוה במתח נמוך ולהיפך, כך שהמפעל צריך לייצר מלכתחילה את המתח הסופי שיהיה בבית הלקוח. כאשר הזרם עובר בכבל הנחושת מהמפעל לבית הלקוח, המתח שלו נופל מעט בגלל ההתנגדות של הנחושת לזרם. כתוצאה מכך כבל הנחושת מתחמם, וככל שהזרם חזק יותר אובדן המתח גדול יותר והכבל מתחמם יותר, עד שבסופו של דבר החום מתיך אותו לגמרי. אובדן המתח מחושב על פי ריבוע הזרם כפול ההתנגדות, כך שאם הזרם גדל פי 4, ההפסדים גדלים פי 16 וכן הלאה. מדובר בהפסדים גדולים מאוד.


קו מתח גבוה | התמונה לקוחה מוויקיפדיה; צילום על ידי Guam

יש שתי דרכים עיקריות למנוע את האובדן הזה. ראשית, אפשר להשתמש בכבלים עבים יותר. הבעיה היא שהנחושת יקרה מאוד וגם המשקל מתחיל מהר מאוד לשחק תפקיד. דרך אחרת היא להקים את תחנת הכוח המייצרת את החשמל קרוב לבית הלקוח, כך שהכבלים קצרים יחסית ואובדן המתח. היתרון שזה נותן מבחינת אדיסון היא שכדי שכל תחנות הכוח תהיינה קרובות קרובים צריך לבנות יותר תחנות, וזה מביא רווח גדול יותר ליצרן – כלומר לאדיסון עצמו.

יתרון נוסף שהיה לזרם הישר מבחינת אדיסון נגזר גם הוא מהקושי לשנות את המתח בזרם ישר. בגלל זה, כל מכשיר שדורש מתח אחר זקוק לכבל נפרד. כלומר, אם יש לנו בבית נורות של 110 וולט ומקרר שעובד ב-200 וולט, נצטרך כבלים שונים לכל רמה של מתח. גם זה יעלה את הרווחים של אדיסון.

זרם חילופין

בזרם חילופין המצב הפוך. הוא יוצא מהמפעל במתח נמוך, אבל קל יחסית להפוך אותו למתח גבוה. ההספק (שנמדד בוואט), נקבע על פי מכפלת הזרם במתח, כך שכדי להגיע להספק מסוים אפשר להגדיל את הזרם ולהקטין את מתח, או להיפך. מאחר שרוב אובדן האנרגיה לחום (התנגדות) נובע מהזרם, אם נגדיל את המתח (אפילו לרמה של עשרות אלפי וולט) נוכל להקטין מאוד את עוצמת הזרם וכך למזער את האובדן בדרך. בנוסף, מאחר שבשיטה הזאת כמעט שלא נוצר חום, אפשר להשתמש בכבלי נחושת דקים מאוד ולהוזיל באופן משמעותי את בעיית המחיר והמשקל.

לאחר מכן, כשהזרם מגיע לצרכן, אפשר להמיר אותו בחזרה למתח נמוך, שיכול לשמש את צרכן החשמל לצרכים שונים בהספק הדרוש לו. כך גם אפשר לבנות את תחנות הכוח רחוק מאוד מבית הלקוח ולצמצם את מספרן, והנה קיבלנו חיסכון נוסף.

לבסוף, יתרון נוסף של זרם החילופין הוא שהוא יכול לשמש להנעה ישירה של מנוע. היפוכו של השדה המגנטי שנוצר בסלילים הפנימיים בכל פעם שכיוון הזרם משתנה יוצר דחייה בין הסלילים לבין המגנטים החיצוניים, וכך מתקבל כוח סיבובי שיכול להניע ציר כמו בתרשים הבא:


מנוע בזרם חילופין | האיור לקוח מוויקיפדיה; נוצר בידי Wapcaplet

ההסבר הזה הוא תקציר של ההסבר המעולה והמפורט שניתן בפודקסט השלישי והרביעי (פרק 3, 4) של המהנדס רן לוי בתוכנית "עושים היסטוריה". הפודקסט המקורי כולל עוד הרחבות רבות והסברים נוספים.

ד"ר מאיר ברק
המחלקה לביולוגיה מבנית
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 יתקבלו תמיד בברכה.

25 תגובות

  • אלי שטראוס

    לפי חוק אום, אם המתח עולה אז

    לפי חוק אום, אם המתח עולה אז גם ההתנגדות או הזרם עולה. אז אם אני מעלה הרבה את המתח אז הזרם גם צריך לגדול,

  • דן

    בבקשה הייתי רוצה פירוט למה הזרם הוא זה שגורם ומעלה את ההתנגדות

    מאחר שרוב אובדן האנרגיה לחום (התנגדות) נובע מהזרם

  • דיוויד

    עברית

    "(2). לשים את מפעל החשמל קרוב לבית הלקוח וכך הקבלים..."
    כבלים עם כ .

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרמי שלהבת

    תודה רבה

    תודה על ההערה. הטעות תוקנה - יחד עם עוד כמה נוספות.

  • אבי סינקה

    חשמל

    אומרים שמחברת חשמל יוצא מתח גבוה אז איך אתם אומרים שחברת חשמל מייצרת מתח נמוך וממירה אותו למתח גבוה אפשר הסבר בבקשה

  • שלומי דגן

    תשובה

    תהליך יצור החשמל הוא במתח נמוך, ההובלה היא במתח גבוה (ולכן הוא "יוצא" כמתח גבוה) ובבית הלקוח הוא חוזר לנמוך

  • אשכנזי אייל

    מתח גבוה

    הגנרטור של חברת החשמל מייצר מתח ברמה של 22000 וולט שזה מתח גבוה לפי חוק החשמל מהיציאה של הגנרטור חברת החשמל ממירה את המתח למתח עליון שהוא 161000 וולט או מתח על שהוא 400000 וולט המתח שמגיע בפועל קרוב לבתים יכול להיות 22000 וולט או 400 וולט תלוי איפה נמצא השנאי של חברת חשמל

  • הלפרין

    הגדלת מתח בהספקת חשמל

    הגדלת המתח מאפשרת בחירת שטחי חתך של מוליכים דקים יחסית שכן אז הזרם חלש יותר (הספק שווה למכפלת המתח בזרם) עבור הספק זהה.
    בקויי מתח 400KV , 160K וכדומה זורם זרם נמוך בהרבה מזה שהיה זורם אילו המתח היה 380 וולט כמו המתח הקווי בבית (בין פאזות). אילו היינו משתמשים במתח הנמוך היינו צריכים להעביר תילים בעובי לא סביר!!

    בתשובתי לא התייחסתי להפסדי החומר או הפסדי אנרגיה (קורונה) שכן זה אינו רלוונטי לעצם השאלה!!

  • המשך

    המשך

    מצרף לך קובץ עם נוסחאות לבגרות בו מופיעה הנוסחה מתח בריבוע לחלק לזרם שווה הספק
    ראה עמוד 2 בנוסחאון

    http://elecomp.cet.ac.il/elecomp/tests/bagrut/formulas/04/845202N04.pdf

    בכבוד רב
    שלומי
    קבצים:
    נוסחאון
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/upload/e234ecfb4c9373923733b656a0e7a2d2.pdf

  • מאיר

    תשובה

    אני חושב שעכשיו הבנתי למה אתה מתכוון.

    הנקודה שאתה מתעלם כאן מההתנגדות ומשליחך ישירות מעליה במתח לעלייה בהפסד אבל אתה מתעלם מההתנגדות. בגלל חוק אוהם אותו הזכרת בעצמך כדי הגדיל את המתח יש את הזרם או ההתנגדות.

    אם אתה מגדיל את הזרם הרי שזאת התשובה אני נותן.
    אם אתה מגדיל אתההתנגדות אז היאמשפיעה באופן המקטין את ההפסדים.

  • מאיר

  • שלומי

    הסבר

    שלום
    מצרף לך הסבר איך הגיעו לנוסחאה מתח בריבוע לחלק להתנגדות שווה גם להפסדי הספק

    בכבוד רב
    שלומי

  • שלומי

    שאלה על המאמר

    לא הבנתי את התשובה לשאלה
    מדוע חברת החשמל מייצרת מתח גבוה וממירה אותו ליד הבית?

    אני יודע כי הפסד הפסק מחושב גם ע"י מתח בריבוע לחלק להתנגדות

    לכן ככל שנעלה את המתח ההפסד יגדל בריבוע

    תודה
    שלומי

  • גיא

    תשובה מאוחרת

    צריך לשים לב שבנוסחה של מתח בריבוע חלקי ההתנגדות, המתח שנכנס הוא המתח על הנגד. במקרה שלנו זהו הפרש המתחים על החוט ולא המתח של המערכת כמו שהצעת בתגובה. כלומר, אם נעבוד במתח גבוה נוכל להעביר את אותו ההספק בזרם נמוך יותר של המערכת (ההספק שעובר הוא מתח המערכת כפול הזרם), כיוון שההתנגדות של החוט קבועה, המתח שייפול על החוט יקטן (לפי חוק אוהם) כך שההספק הממבזבז יקטן גם לפי הנוסחה שהזכרת.

  • מאיר

    תשובה

    אני לא מהנדס חשמל אך אני לא מכיר נוסחת הפסד שמתעלמת מהזרם.
    אני מפנה אותך לדף נוסחאות שהמתעסק בין השאר גם בחישובי הפסד שים לב שיש תמיד התייחסות לזרם
    קישורים:
    נוסחאות חשמל
    http://elecomp.cet.ac.il/elecomp/tests/engineers/formulas/733913-Nus_ma_...

  • אוריאל

    לוחות

    שאלתי היא מתי צריך לחבר בלוח החשמל מנתק רגיל בנוסף ל מפסק הראשי(המבטח) והאם החיבור בין שני אלו הוא טורי או מקבילי
    אוריאל
    אשדוד

  • מאיר

    תגובה

    שלום אוריאל,

    שאלתך היא יישומית והמדור לא יכול לענות עליה מכיוון שאיננו אנשי מקצוע הרשאים ליעץ בתחומים מהסוג הנ"ל.
    מהנדס חשמל או מהנדס של חברת חשמל הם כתובת טובה.

  • שלמה

    זרם חשמלי

    שלום מאיר

    ראיתי באתר http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1525&incat=1412&a...

    את תשובתך לשאלה מה מסוכן יותר זרם חילופין או זרם ישר

    אמרו לי שזרם ישר יותר מסוכן מיכוון שהוא קבוע והשרירים אינם יכלוים להתנתק לעומת זרם חילופין שמשתנה יורד ומגיע לאפס ואז השתחרורות בזמן שהוא נמוך שאז השרירים מפסיקים להתכווץ בחוזקה

    לא יודע מה נכון ומה לא

    האם תוכל לברר את העניין

    כמו כן קראתי את הקישור באנגלית שצרפתה ושם מדובר על תדירויות מאוד גבוהות שלא ברשת בדרך כלל . ברשת hz50 60hz

    במאמר מדובר על מגה הרץ

    האם תוכל להתיחס לסכנה בתידרויות הנמוכות.

    תודה

    שלמה

  • מאיר

    תשובה

    אני עונה שוב כפי שעניתי במקום אחר בפורום
    יש אמונה רווחת שזרם ישר פחות מסוכן מכיוון שזרם חילופין גורם לשרירים להינעל ואז אתה לא מסוגל להזיז את היד ממקור הזרם ואילו בזרם ישר אתה מסוגל. כאשר הזרם מספיק חזק זמן התגובה של האדם ארוך מידי כדי להתרחק ממקור הזרם הישר ולכן הייתרון הנ"ל כנראה ולא בא לידי ביטוי, גם בתדירות של 50-60 הרץ.

    עוד טענה היא שהתדירות של הזרם המתחלף קרובה לתדירות הלב ולכן יכולה לשבש את תאי הקוצב ולגרום לאריטמיות.

    כפי שציינתי, בהינתן זרם מספיק חזק יש להיזהר באופן שווה משני סוגי הזרמים גם בתדירויות נמוכות כפי שציינת.

  • ניר

    הפיכת זרם AC ל-DC

    יש אפשרות לשנות מכשיר חשמל שבמקום שיקבל 220 וולט AC יקבל 12 וולט DC?

  • מאיר

    הפנייה הועברה לקישור אחר

    הפנייה הועברה לפורום הבא: ושם היא תענה בקרוב.
    באופן עקרוני ניתן ל"יישר" זרם חילופין, לדוגמא ע"י דיודה
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1446&incat=1412&a...

    אני מציע לך גם לקרוא את התשובה באותו הקישור.

    תשובות נוספות שיכולות לעזור לך:
    קישורים:
    האם ניתן להפוך כיוון סיבוב של מנוע 220 וולט-
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1525&incat=1412&a...

    מהו דינמו-
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1446&incat=1412&a...

  • בוריס

  • מאיר ברק

    שניהם מסוכנים בהינתן זרם גבוה מספיק

    יש אמונה רווחת שזרם ישר פחות מסוכן מכיוון שזרם חילופין גורם לשרירים להינעל ואז אתה לא מסוגל להזיז את היד ממקור הזרם ואילו בזרם ישר אתה מסוגל. כאשר הזרם מספיק חזק זמן התגובה של האדם ארוך מידי כדי להתרחק ממקור הזרם הישר ולכן הייתרון הנ"ל כנראה ולא בא לידי ביטוי.

    עוד טענה היא שהתדירות של הזרם המתחלף קרובה לתדירות קב הלב ולכן יכולה לשבש את תאי הקוצב ולגרום לאריטמיות.

    כפי שציינתי, בהינתן זרם מספיק חזק יש להיזהר באופן שווה משני סוגי הזרמים.

    קישורים:
    קישורים:
    בללי זהירות בחשמל (אנגלית)-
    http://www.epanorama.net/links/safety.html#electrical

    תשובה נוספת (אנגלית)-
    http://www.controleng.com/blog/Ask_Control_Engineering/14279-Is_ac_curre...

  • אור

  • מאיר ברק

    למיטב ידיעתי יש רתכות של זרם קבוע מול מתח קבוע.

    אני לא מומחה גדול בעניין אבל ממה שמצאתי רתכת (Welder) יכולה לעבוד בזרם קבוע (constant current, CC) או במתח קבוע (constant voltage, CV).
    הרתכות עובדות על זרם DC אך יש מספר רתכות העובדות על זרם פסוידו AC (פשוט ע"י שימוש ממירים העובדים לסרוגין והופכים זרם DC ל"כאילו" AC).
    קישורים:
    הסבר על רתכות
    http://www.millerwelds.com/resources/articles/index?page=articles31.html

    הסבר נוסף המזכיר רתכות DC ורתכות דמויות AC
    http://www.lincolnelectric.com/knowledge/articles/content/inverter.asp