איך להדליק נורה בלי לחבר אותה לחשמל?

בסדרת ניסויים שעשה ב-29 וב-30 באוגוסט 1831 גילה המדען מייקל פאראדיי כי הזזה של מגנט ליד חוט חשמל (או כל מוליך חשמלי) מייצרת בו מתח חשמלי. ההשפעות של תגלית זו נמשכות עד ימינו – כי היא הבסיס לייצור רוב החשמל בעולם. צפו בסרטון המציג את התגלית החשובה:

הסבר

מייקל פאראדיי היה מדען יוצא דופן בעל סיפור חיים מיוחד. הוא לא למד מעולם באוניברסיטה, אפילו לא בתיכון, ואף על פי כן הוא נחשב לאחד המדענים הגדולים בהיסטוריה והגיע למעמד זה בזכות הרבה כוח רצון והתמדה שאיפשרו לו לממש את גאוניותו.

אחת מתגליותיו החשובות ביותר היא מה שנקרא היום חוק פאראדיי או תופעת ההשראה האלקטרומגנטית. קשה לחשוב על תגליות רבות אחרות שהשפיעו על החיים המודרניים כמו זו – משום שהיא איפשרה את השימוש בחשמל בכל בית.

בתקופה שבה חי פאראדיי (1791 - 1867) – חשמל הופק באמצעות סוללות פרימיטיביות, או באמצעות שפשוף שני חומרים זה בזה ליצירת חשמל סטטי. שתי השיטות יצרו אנרגיה חשמלית מעטה יחסית, ובכל מקרה לא היו שיטה ליצור חשמל בקנה מידה גדול. פאראדיי ערך ניסויים רבים במגנטיות ובחשמל, והשבוע לפני 186 שנה גילה כי אם מעבירים זרם חשמלי דרך סליל חוטי מתכת (חומר מוליך חשמל) – נוצר מתח חשמלי בסליל מתכת אחר הנמצא בקרבתו (למעוניינים הנה קישור ליומנים של פאראדיי – תיאור הניסויים פורצי הדרך מה- 29-30.8.1831 נמצא בעמוד 37). המשך הניסויים הוביל במהרה לתגלית כי מספיק להעביר מגנט דרך סליל מתכת – ונוצר בין קצוות הסליל מתח חשמלי. למעשה, גם בניסוי הראשון מגנט הוא שגרם בעצם לחשמל בסליל – השדה המגנטי שנוצר בסליל הראשון כאשר זרם בו חשמל. בשפה יותר מדעית אומרים כי שינוי שטף מגנטי יוצר כוח-אלקטרו-מניע (חשמל) בסליל. (בניסוח מדויק ממש החוק קובע: "הכוח האלקטרו-מניע שנוצר בלולאה מוליכה סגורה נמצא ביחס ישר לקצב שינוי שטף השדה המגנטי דרך השטח הכלוא בלולאה").

משמעות החוק היא שמגנט לבדו לא ייצור חשמל אם יימצא ליד סליל מחומר המוליך חשמל. חובה שהמגנט יהיה בתנועה מתמדת, שיהיה שינוי תמידי בשדה המגנטי ליד הסליל המוליך כדי ליצור בו חשמל. מה שקורה בתהליך הוא מעבר של אנרגיה: מאנרגיה קינטית/מכנית, כלומר תנועה של המגנט, לאנרגיה חשמלית. המגנט לא 'מתבזבז' והוא אינו מקור אנרגיה לתהליך, אלא רק מאפשר אותו. מכיוון שלמגנטים יש כיווניות (למגנט יש שני קטבים) – תנועה בכיוונים הפוכים של המגנט ליד הסליל יוצרת בו שינוי הפוך של השטף המגנטי, ולכן גם זרמים חשמליים הפוכים – כפי שמודגם בסרטון.

פאראדיי הבין שהדרך הקלה ביותר ליצר תנועה מתמדת היא באמצעות סיבוב, מה שהוביל אותו להמציא את הדינמו / גנרטור הראשון – המכשיר הראשון שייצר חשמל בצורה רציפה, קבועה ובלתי פוסקת – כל עוד מסובבים את צירו. בדינמו של פאראדיי מה שהסתובב היה דווקא המוליך החשמלי, כאשר המגנט עצמו היה קבוע.

מאז המצאתו של פאראדיי היא שוכללה מספר פעמים: המגנט הוחלף בסופו של דבר באלקטרומגנט המאפשר שדות מגנטיים חזקים, ולכן גם זרם חשמלי חזק בהרבה. אולם העיקרון נותר אותו עיקרון: ועד היום כך מייצרות חברות החשמל את רוב החשמל בעולם עד ימינו – תנועה סיבובית שמומרת לחשמל.

השוני בין תחנות הכוח הוא לרוב בשיטה שבה גורמים לתנועה הסיבובית: מנוע בנזין, טורבינת פחם, גז, כוח גרעיני, מפלי מים או רוח – אבל בכל השיטות הנ"ל בסופו של דבר שדות מגנטיים מסתובבים סביב חוטי מתכת – ויוצרים חשמל. רק מיעוט זניח מהחשמל מופק בימינו בשיטות שלא כוללות גנרטורים,  למשל בתאים סולאריים.

אם רוצים להבין מדוע בעצם התופעה של השראה אלקטרומגנטית מתרחשת, נאמר בקיצור שהיא פשוט התגלמות של אחד מחוקי הטבע הקשורות לחשמל ומגנטיות: במתכות ישנם אלקטרונים חופשיים, האלקטרונים הם חלקיקים קטנים הנושאים מטען חשמלי שלילי. מסתבר שכאשר אלקטרונים נעים ביחס לשדה חשמלי (או שדה חשמלי נע ביחס אליהם – כמו בהדגמה) – פועל על האלקטרונים כוח (כוח לורנץ) הדוחף את האלקטרונים במאונך לכיוון תנועתם ולכיוון השדה המגנטי, וכוח זה מתבטא בתנועת האלקטרונים במעגל החשמלי – זרם חשמלי.