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.