זרם חשמלי

זרם חשמלי הוא מדד לתנועה מכוונת של מטען חשמלי.

ברק הוא דוגמה לזרם חשמלי בין עננים לגורם על הקרקע.

יחידת הזרם החשמלי במערכת היחידות הבין-לאומית SI היא אמפר, או קולון לשנייה, והיא קרויה על שמו של הפיזיקאי הצרפתי אנדרה מרי אמפר. את הזרם ניתן למדוד באמצעות מד זרם, הנקרא בלועזית אמפרמטר.

תנועת מטענים

במעגלים חשמליים, חלקיקים טעונים נעים בתווך מוליך כתוצאה מהמתח החשמלי, או הפרש הפוטנציאלים, השורר בין שני קצות המוליך. אלה הטעונים במטען חיובי ינועו מהפוטנציאל הגבוה לפוטנציאל הנמוך, ואילו אלה הטעונים במטען שלילי ינועו בכיוון ההפוך.

כיווני תנועת המטענים בזרם חשמלי.

לצורך הגדרת הזרם, יכול המטען החשמלי שבו נעשה שימוש להיות שלילי, חיובי או מעורב. דוגמה לזרם של מטען שלילי הוא זרם אלקטרונים הזורם במעגל חשמלי. זהו הזרם הנפוץ ביותר. לעומת זאת, זרם של מטען חיובי ניתן לראות בזרם של יונים חיוביים באלקטרוליט. מקובל לקבוע את כיוון הזרם מהפוטנציאל הגבוה לנמוך, ככיוון תנועתו של המטען החיובי, אף על פי שברוב המקרים, המטען הזורם בתווך הוא שלילי. לכן, כאשר מדובר בזרם של מטענים שליליים, הזרם מסומן למעשה בניגוד לתנועת המטענים. לעיתים, ההתייחסות לזרם היא כתנועת המטענים עצמה.

הגדרות מתמטיות

פורמלית, אפשר לבטא את הזרם כנגזרת של המטען כתלות בזמן:

$I={\frac {dQ}{dt}}$

• הזרם מסומן באות $\displaystyle I$
• המטען מסומן באות $\displaystyle Q$
• הזמן באות $\displaystyle t$

כאשר "ענן" של מטענים חשמליים נע במהירות קבועה, אפשר לבטא את הזרם בתור:

$\displaystyle I=nqAv$

• צפיפות החלקיקים מסומנת באות $\displaystyle n$ (יחידות של מספר חלקיקים/יחידת נפח)
• המטען של כל חלקיק ב"ענן" (כלומר לא המטען של הענן כולו) מסומן באות $\displaystyle q$
• השטח שהענן חוצה כאשר הוא נע מסומן באות $\displaystyle A$
• המהירות של הענן מסומן באות $\displaystyle v$

חוק אוהם

אחד החוקים הבסיסיים במעגלים חשמליים הוא חוק אוהם. זהו חוק אמפירי שנתגלה על ידי הפיזיקאי הגרמני גאורג אוהם, ולפיו בחומרים מסוימים ובטמפרטורות מסוימות המתח החשמלי שבין קצותיו של מוליך עומד ביחס ישר וקבוע לזרם הזורם דרכו. יחס זה הוא ההתנגדות החשמלית המאפיינת את החומר. בצורה מתמטית, ניתן לבטא את חוק אוהם כך: $\ V=I\cdot R$

כאשר:

• V מסמן מתח חשמלי בין שתי נקודות בגוף העשוי מחומר אוהמי
• I מסמן זרם חשמלי בין שתי הנקודות
• R מסמן את ההתנגדות החשמלית בין שתי הנקודות.

זאת אומרת שככל שהמתח גבוה יותר, או ככל שההתנגדות נמוכה יותר, הזרם חזק יותר.

כיווני הזרם

זרם אמיתי

כאשר אלקטרונים נעים בתוך מוליך, הם נעים מפוטנציאל נמוך לפוטנציאל גבוה, ומשום שזרם מתאר את תנועת האלקטרונים לשנייה, הכיוון האמיתי של הזרם הוא מפוטנציאל נמוך לפוטנציאל גבוה.

זרם מוסכם

מכיוון שהשימוש במושג הזרם החשמלי נעשה לפני זמן רב (כבר במאה ה-18), ולא הייתה הבנה מלאה של מהות המטען והשדה החשמלי, בטעות הניחו המדענים שהחשמל נע בכיוון ההפוך לכיוון תנועתם האמיתית של האלקטרונים, מפוטנציאל גבוה לפוטנציאל נמוך. כדי להתגבר על הטעות החליטו המדענים לקרוא לכיוון הזרם הזה "ככיוון מוסכם".

סוגי זרמים

זרם ישר

זרם ישר הוא זרם השומר על מגמה קבועה, כלומר, אינו הופך את כיוונו. מונח זה מתייחס לכל צורה של זרימת מטענים בכיוון אחד, בין אם עוצמת הזרימה קבועה ובין אם היא משתנה או פועמת. זרם מסוג זה ניתן להפיק, למשל, מסוללות ומתאים סולריים.

זרם חילופין

זרם חילופין הוא זרם שהופך את כיוונו באופן מחזורי סינוסואידי. אחד היתרונות הבולטים של זרם זה הוא שהמתח שיוצר אותו ניתן להעלאה או להורדה באמצעות שנאים. בכך ניתן להעביר אותו על פני מרחקים גדולים מבלי לגרום להתחממות יתרה של הכבלים המעבירים אותו, זאת על ידי העלאת המתח והקטנת הזרם החשמלי הגורם להפסדים בהעברת האנרגיה החשמלית בקווים ארוכים. משום כך, זרם מסוג זה הוא הזרם הזורם ברשת החשמל הארצית.

זרם חשמלי ומגנטיות

מטענים בתנועה יוצרים שדה מגנטי סביבם, לכן קיומו של זרם מעיד על שדה מגנטי סביב התווך בו נעים המטענים. לפי חוקי ביו-סבר ואמפר, עוצמת השדה המגנטי תלויה בעוצמת הזרם. כמו כן, שינוי בשטף מגנטי גורם ליצירה של זרם חשמלי. תופעה זו, המכונה השראה אלקטרומגנטית, היא הבסיס לייצור זרם חילופין (על ידי גנרטור או דינמו) ולפעולתו של השנאי.

התחשמלות

ערך מורחב – התחשמלות

בעת התחשמלות עובר זרם חשמלי דרך גוף האדם או גוף בעל חיים. עבור האדם, בזרמים מסדר גודל של 1–10 מיליאמפר ההשפעות הנובעות מכך יכולות להיות קלות, כגון תחושת עקצוצים, אך בזרמים מסדר גודל של 30 מיליאמפר ומעלה ההשפעות עלולות להיות חמורות, הן בהיבט של שיבוש ההולכה העצבית, אשר מבוססת על אותות חשמליים, והן בהיבט של כוויות, אשר נגרמות כתוצאה מהחום שיוצר הזרם. הנזק הנגרם כתוצאה משיבוש ההולכה העצבית עלול להוביל לכיווץ שרירים ללא יכולת שליטה, לפגיעה במערכות העצבים והנשימה, להפרעה לפעילות הלב ואף למוות. במקרה של עור רטוב, התנגדות העור נמוכה פי עשרה מהתנגדותו של עור יבש, ולכן המתח הדרוש להעברת זרמים קטן פי עשרה.

ראו גם

• הספק חשמלי
• צפיפות זרם

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא זרם חשמלי בוויקישיתוף

• ד"ר ארז גרטי, זרם ומתח חשמליים, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 2 ביולי 2011
• מהו זרם חשמלי? מהי עוצמת זרם חשמלי? ועוד..
• זרם חשמלי, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• זרמים חשמליים, דף שער בספרייה הלאומית