הבדל מפתח – זרם לעומת מתח
בשדה חשמלי, מטענים חשמליים מושפעים מכוח הפועל עליהם; לפיכך, יש לעבוד על חלקיק טעון כדי לעבור מנקודה אחת בשדה חשמלי לנקודה אחרת. עבודה זו מוגדרת כהפרש הפוטנציאל החשמלי בין שתי הנקודות הללו. הפרש פוטנציאל חשמלי נקרא גם מתח בין שתי נקודות. תנועה או זרימה של מטענים חשמליים בהשפעת הפרש הפוטנציאלים ידועים כזרם חשמלי. ההבדל העיקרי בין זרם למתח הוא שזרם כרוך תמיד בתנועה של מטענים חשמליים מתחת לשדה חשמלי ואילו מתח אינו כרוך בזרימת מטענים.מתח מתרחש רק עקב קיומו של מטען לא מאוזן.
מהו מתח?
מכיוון שלאטום יש אותו מספר של פרוטונים ואלקטרונים, כל החומר היציב ביקום מאוזן חשמלית. עם זאת, לחלקיקים בעלי מטען חיובי או שלילי עשויים להיות יותר או פחות אלקטרונים מאשר פרוטונים בשל השפעות פיזיקליות וכימיות חיצוניות. תחת איסוף של מטענים דומים, נוצר שדה חשמלי שנותן פוטנציאל חשמלי או מתח לכל נקודה סביבו. ניתן להתייחס למתח כאל התכונה הבסיסית ביותר בחשמל. הוא נמדד בוולט (V) באמצעות מד מתח.
הפוטנציאל החשמלי בנקודה נחשב תמיד כהבדל בין שתי נקודות, או בנקודה מסוימת, מתח נחשב בהתאמה לאינסוף שבו הפוטנציאל הוא אפס. בנקודת המבט של מעגל חשמלי, כדור הארץ נחשב לנקודת אפס פוטנציאל; לפיכך, המתח בכל נקודה במעגל נמדד ביחס לאדמה (או לאדמה).
מתח עשוי להיווצר כתוצאה מתופעות טבעיות או מאולצות רבות. ברק הוא דוגמה למתח הנובע מהתרחשות טבעית; מאות מיליוני מתח מתרחש בענן עקב חיכוך. בקנה מידה קטן מאוד, סוללה מייצרת מתח על ידי תגובה כימית, הצוברת יונים טעונים במסוף החיובי (אנודה) והשלילי (קתודה). תאים פוטו-וולטאיים הכלולים בפאנלים סולאריים מייצרים מתח כתוצאה משחרור אלקטרונים מהחומר המוליך למחצה הסופג את אור השמש. ניתן לראות אפקט דומה בפוטודיודות המשמשות במצלמות לזיהוי רמת אור הסביבה.
מהו זרם?
זרם הוא זרימה של משהו, כמו מי הים או האוויר האטמוספרי. בהקשר חשמלי, זרימה של מטענים חשמליים, לרוב זרימה של אלקטרונים דרך מוליך, מכונה זרם חשמלי. זרם נמדד באמפר (A) עם מד זרם. אמפר מוגדר כקולומב לשנייה והוא פרופורציונלי להפרש המתח בין שתי נקודות בהן זורם הזרם.
איור 01: מעגל חשמלי פשוט
כפי שמוצג באיור 01, כאשר הזרם עובר דרך התנגדות טהורה R, היחס בין מתח לזרם שווה ל-R. זה מובא בחוק אוהם שניתן כ:
V=I x R
אם המתח dV משתנה על פני סליל, הידוע גם כמשרן, זרם dI דרך הסליל משתנה בהתאם ל:
dI=1/L∫dV dt
כאן, L היא השראות של הסליל. זה קורה מכיוון שהסליל עמיד לשינוי המתח על פניו ומייצר מתח נגדי.
במקרה של קבל, השינוי של הזרם על פניו dI הוא כדלקמן:
dI=C (dV/dt)
כאן, C הוא הקיבול. הסיבה לכך היא פריקה וטעינה של הקבל בהתאם לשינוי המתח.
איור 02: חוק יד ימין של פלמינג
כאשר מוליך נע על פני שדה מגנטי, נוצר זרם ולאחר מכן מתח על פני המוליך בהתאם לכלל יד ימין של פלמינג.
זהו הבסיס של הגנרטור החשמלי שבו סדרת מוליכים מסתובבת במהירות על פני שדה מגנטי. כפי שהוסבר בסעיף הקודם, הצטברות מטענים יוצרת מתח בסוללה. כאשר חוט מחבר את שני המסופים, זרם מתחיל לזרום לאורך החוט, כלומר אלקטרונים בחוט נעים עקב הפרש המתח בין המסופים. ההתנגדות של החוט גדולה יותר, כך הזרם גדול יותר והסוללה מתרוקנת מהר יותר. באופן דומה, עומס שצורך חשמל גבוה יותר מושך זרם גבוה יותר מהספק.לדוגמה, מנורת 100W המחוברת לאספקת 230V, ניתן לחשב את הזרם שהיא שואבת כך:
P=V ×I
I=100W ÷230 V
I=0.434 A
כאן, כאשר ההספק גבוה יותר, צריכת הזרם תהיה גבוהה.
מה ההבדל בין מתח לזרם?
מתח לעומת זרם |
|
| Voltage מוגדר כהפרש האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית בין שתי נקודות בשדה חשמלי. | זרם מוגדר כתנועה של מטענים חשמליים תחת הפרש אנרגיה פוטנציאלית בשדה חשמלי. |
| התרחשות | |
| יציאות מתח עקב קיומם של מטענים חשמליים. | Current מופק עם תנועה של מטענים. אין זרם עם מטענים חשמליים סטטיים. |
| תלות | |
| מתח יכול להתקיים מבלי לייצר זרם; לדוגמה, בסוללות. | הזרם תמיד תלוי במתח מכיוון שזרימת טעינה לא יכולה להתרחש ללא הבדל פוטנציאל. |
| מדידה | |
| המתח נמדד בוולטים. הוא נמדד תמיד ביחס לנקודה אחרת, לפחות לכדור הארץ הנייטרלי. לכן, מדידת המתח היא קלה מכיוון שלא נשבר מעגל כדי למקם את מסופי המדידה. | הזרם נמדד באמפר ונמדד על פני מוליך. מדידת זרם קשה יותר מכיוון שצריך לשבור את המוליך כדי למקם את מסופי המדידה, או שיש להשתמש במד זרם מהדק מתוחכם. |
סיכום – מתח לעומת זרם
בשדה חשמלי, הפרש הפוטנציאל בין כל שתי נקודות נקרא כהפרש מתח. תמיד צריך להיות הפרש מתח כדי ליצור זרם. במקור מתח כמו תא פוטו או סוללה, מתח נוצר עקב הצטברות מטענים בטרמינלים. אם המסופים הללו מחוברים עם חוט, זרם מתחיל לזרום עקב הפרש המתח בין המסופים. על פי חוק אוהם, הזרם במוליך משתנה באופן יחסי עם המתח. למרות שזרם ומתח מחוברים זה לזה על ידי ההתנגדות, זרם לא יכול להתקיים ללא מתח. זה ההבדל בין זרם למתח.
