מטען חשמלי
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
מטען חשמלי הוא תכונה בסיסית של מערכות פיזיקליות, אשר קובעת את האינטרקציה האלקטרומגנטית ביניהן. זהו אחד מהמספרים הקוונטים שמאפיינים חלקיקים אלמנטריים. שתי מערכות בעלות מטען חשמלי שונה מאפס, משפיעות זו על זו וכל אחת מהן מייצרת שדות אלקטרומגנטיים. האינטרקציה בין המטען והשדה האלקטרומגנטי הוא המקור לאחד מהכוחות הבסיסיים, הכוח החשמלי. טבעו של המטען החשמלי תואר והודגם לראשונה על ידי רוברט מיליקן בניסוי טיפת השמן שלו.
מקובל לסמן את מטען האלקטרון כ 1e-, וכפועל יוצא, מטען הפרוטון הוא 1e+, והקווארקים הם בעלי מטען 2/3+ 1/3-. האנטי חלקיקים של חלקיקים אלה הם בעלי מטענים מנוגדים להם. כמובן שישנם עוד חלקיקים טעונים אחרים.
בדרך-כלל מסומן המטען החשמלי האגור במערכת כלשהי באות Q. יחידת המדידה של המטען החשמלי במערכת היחידות הבינלאומית (מערכת SI) היא קולון, אשר מייצגת בערך 6.24ּ1018 פעמים המטען האלמנטרי e (מטענו של אלקטרון). הקולון מוגדר ככמות המטען העוברת דרך חתך כלשהו במוליך במשך שנייה אחת, כאשר עוצמת הזרם היא אמפר אחד. ניתן למדוד מטען חשמלי באופן ישיר באמצעות אלקטרומטר.
פורמאלית, מידת המטען היא כפולה של המטען האלמנטרי e, אולם כיוון שלרוב המידות הנמדדות הן מסדרי גודל עצומים לעומת המטען האלמנטרי, אפקטיבית ניתן להגיע לכל ערך ממשי של מטען חשמלי.
[עריכה] היסטוריה
המטען החשמלי התגלה בידי היוונים הקדמונים אשר גילו כי שפשוף פרווה על משטחים שונים, כמו ענבר למשל, יוצר חוסר איזון של מטען חשמלי. הם גילו גם שענבר טעון משך אליו עצמים קלים כמו שיער. היוונים שמו לב שאם הם שפשפו את הענבר לאורך זמן, הם אפילו הצליחו להוציא ניצוץ ממנו. תכונה זו נגזרת מהאפקט הטריבואלקטרי. המילה אלקטרון נובעת מהמילה היוונית ηλεκτρον שפירושה - ענבר, המילה חשמל באה מספר יחזקאל.
במאה ה18, חקר החשמל תפס תאוצה. אחד מהידענים החשובים ביותר היה בנג'מין פרנקלין, אשר דימיין כי החשמל הוא סוג של נוזל אשר נמצא בכל החומרים הקיימים. הוא הניח ששפשוף משטחים מבודדים זה בזה גרם לנוזל זה לשנות מקום, ושזרם הנוזל הזה הוא שיוצר את הזרם החשמלי. הוא גם הניח שכאשר חומר מכיל מעט מדי מה"נוזל" הזה הוא היה טעון "שלילית", וכאשר היה לו עודף, הוא היה טעון "חיובית". הוא קבע שרירותית (או מסיבה שלא ידועה) שהמטען המתקבל על ידי שיפשוף מקל זכוכית עם משי הוא מטען "חיובי" ואילו מטען המתקבל משפשוף מקל ענבר עם פרווה הוא מטען "שלילי".
כיום אנו יודעים שהדגם של פרנקלין היה קרוב למציאות, אך פשוט מדי. האטומים מורכבים למעשה מכמה סוגים של חלקיקים טעונים, המשפיעים ביותר על זרימת החשמל במתכת הם: הפרוטונים - בעל מטען חיובי, והאלקטרונים - בעלי מטען שלילי. זרם חשמלי במוליך (לשם הפשטה - חד ממדי) נוצר אך ורק כתוצאה מאלקטרונים הנעים בכיוון מסוים (ואז בכיוון זה ימדד זרם שלילי, או זרם חיובי בכיוון ההפוך). הפרוטונים, המצויים בגרעין האטום, אינם נעים כדי ליצור "זרם חיובי". במודלים של מצב מוצק, כמו למשל במוליכים למחצה, מניחים את קיומם של "חורים", המייצגים חוסר באלקטרון (באופן דומה לבועות המייצגות חוסר בנוזל) בנוסף לאלקטרונים, ולהם מיוחס מטען חשמלי חיובי (הפוך למטען האלקטרון), היוצר זרם חשמלי חיובי בכיוון התקדמותו. ניתן להסתכל על המוליך החשמלי כעל מבחנה מלאה בנוזל (המייצג אלקטרונים) המעלה בועות: בועות העולות מעלה מייצגות למעשה נוזל המתקדם מטה, והתנועה אנלוגית למעשה לגרעיני אטום ה"מושכים" אלקטרונים משכניהם, וכך נוצר הזרם החיובי בכיוון ההפוך.
בכדי להפחית את המורכבות של המודל, עובדי חשמל עדיין משתמשים בהנחות של פרנקלין ומתייחסים לזרם חשמלי (ידוע כזרם שגרתי) כזרם של חלקיקים חיוביים בלבד. הזרם השגרתי מפשט את המושגים ומקל על החישובים, אולם הוא מתעלם מכך שיש כמה סוגים של מוליכים (אלקטרוליטים, מוליכים למחצה ופלסמה), וכן מהעובדה שזרם יכול לנוע בכיוונים מנוגדים של חלקיקים שונים. כיוון הזרימה של הזרם השגרתי משווה במהופך אל תנועת האלקטרון המעשית אשר מתרחשת בזרמים חשמליים במתכות, המוליך הטבעי של חשמל, דבר אשר מהווה מקור לבלבול למתחילים באלקטרוניקה.
[עריכה] תכונות
פרט לתכונות המתוארות במאמרים הקשורים לאלקטרומגנטיות, המטען החשמלי הוא אינווריאנטי בתורת היחסות, כלומר מטענו של חלקיק לא משתנה בלי שום קשר למהירות בה הוא נע. תכונה זו הוכחה בניסויים, בכך שהוכח שמטען של גרעין הליום (שני פרוטונים ושני נייטרונים המחוברים יחדיו) אשר נע במהירות עצומה, שווה למטענו של שני גרעיני דאוטריום ( איזוטופ של מימן המכיל פרוטון ונייטרון) אשר נעים לאט הרבה יותר מאשר אם הם היו גרעיני הליום.

