כדי לדעת "מה זה חשמל" צריך
לפנות ל . . .
אטום, על שום מה?
כל חומר בטבע בנוי מיסודות.
יסוד – הוא החומר הפשוט ביותר השומר על תכונותיו ואי אפשר לפרקו מבלי לאבד את תכונותיו. היסוד בנוי מסוג אחד בלבד של אטומים.
דוגמאות ליסודות: הליום, חמצן, פחמן, מימן,נחושת, סידן, אלומיניום, נתרן, ברזל מגנזיום ואורניום.
מספר היסודות בטבע שלנו עומד על כ 100 יסודות כימיים בלבד, חלקם אף נוצרו במעבדה, אך הם אינם יציבים במיוחד. יסודות אלו מסודרים בטבלה המחזורית.
כיום ידוע כי רוב החומרים מורכבים לא מסוג אחד של אטומים בלבד אלא ממולקולות, שמורכבות משילובים של אטומים. אנו קוראים לזה תרכובת –חומר אחד הבנוי מכמה יסודות, יש לו תכונות חדשות לגמרי (שונות משל היסוד). ניתן לפרק תרכובת רק ע"י שימוש בשיטות כימיות כלומר שימוש בתגובות בין חומרים אשר יגרמו לפירוק של תרכובת. דוגמאות: מים, מלח שולחן, אמוניה ופחמן דו-חמצני.
הידעתם?
יש לשים לב שלא כל מולקולה היא תרכובת (מולקולה יכולה להיות גם יסוד אם היא מורכבת משני אטומים זהים כמו מולקולת החמצן הבנויה משני אטומי חמצן), אבל כל תרכובת היא מולקולה.
לכל יסוד בטבע, סוג אטומים מסוים האופייני רק לו
אטום, הוא החלקיק הקטן ביותר שבו נשמרות תכונות היסוד. כשנתגלה, רווחה הדעה לפיה האטום הוא חלקיק אלמנטרי (חלקיק שאינו ניתן לחלוקה לחלקיקים קטנים יותר) ומכאן שמו: א (=בלתי) טום (=פריק). מאוחר יותר נתגלה כי האטום למעשה מורכב מחלקיקים קטנים יותר: אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים.
כימאים ופיזיקאים רבים פיתחו במהלך ההיסטוריה מודלים שונים להסברת מבנה האטום
במאה ה 19 ,ג'ון דלטון, תיאר את האטומים ככדורים חלקים בלתי ניתנים לחלוקה.
מניסויים שנעשו בתופעות הקשורות לחשמל, היה צורך במודל של האטום היכול להסביר את התופעות.
למדענים היה ברור שיש לתקן את המודל של דלטון.
האטום חייב להכיל בתוכו מטען.
בשנת 1908 פינו מודלים אלה את מקומם לטובת המודל הפלנטרי, בעקבות ניסוי רתרפורד.
על פי המודל הפלנטרי, האטום בנוי מגרעין, ומסביב לגרעין חגים ככוכבים בפלנטה אלקטרונים שמספרם כמספר הפרוטונים שבגרעין.
כל מטענו החיובי של האטום מרוכז בגרעין, והאלקטרונים הנעים מסביב לגרעין הם בעלי המטען החשמלי השלילי. כיוון שמספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים, האטום נטרלי מבחינה חשמלית.
✷ מסביב לגרעין, במרחק ניכר מהגרעין, מסתובבים אלקטרונים כך שרדיוס האטום הוא בסדר גודל של 10-10m .
רובו של האטום הוא חלל ריק.
פרוטון
אלקטרון
היחס בין המרחקים בין הפרוטון לאלקטרון, הוא כמו הרעיון שאתם יכולים להרגיש השפעה של מישהו הנמצא במרחק 100 ק"מ מכם.
הפרוטונים התלגו בשנת 1919, ואילו הנייטרונים התגלו רק בשנת 1932.
בשנת 1964 התגלה כי הפרוטונים וניוטרונים מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר (חלקיקים אלמנטרים) המכונים קוורקים.
הגרעין מכיל שני חלקיקים: פרוטונים הטעונים חיובית וניוטרונים חסרי מטען.
ממדידות במעבדה, נתגלה שלחלקיקי האטום יש מסה
מסת האלקטרון זניחה ביחס למסת הפרוטון, לכן מסת האטום מחושבת ממסת הפרטונים והניוטרונים שבגרעין
התכונות הכימיות של היסודות נקבעות לפי מספר הפרוטונים בגרעין.
כלומר לכל יסוד מספר שונה של פרוטונים.
לדוגמא, למימן, יש רק פרוטון אחד בגרעין.
מימן הוא היסוד, הקל ביותר.
להליום יש שני פרוטונים, ושני ניוטרונים בגרעין.
ולליטיום יש שלושה פרוטונים, ושלושה ניוטרונים.
את היסודות נהוג לסדר בטבלה מחזורית
מספר האלקטרונים באטום שווה למספר הפרוטונים בגרעין.
האלקטרונים מסודרים כך, שנוצרות מעין "קליפות" מסביב לגרעין. קליפות אלו, נחשבות לרמות אנרגיה ,בכל רמת אנרגיה ,יש סידור קבוע של מספר אלקטרונים אשר אינו תלוי בסוג היסוד אליו הוא שייך.
לדוגמא, בקליפה הראשונה, יכולים להיות מכסימום 2 אלקטרונים, בקליפה השניה עד 8 אלקטרונים.
מצב אלקטרוני יציב של אטום נחשב למצב שבו סידור האלקטרונים דומה לזה הקיים בגזים אצילים במצב נייטרלי. כל אטום שאינו במצב זה, נוטה להגיע אליו באמצעות הוספה או היפרדות של אלקטרונים.
נטייה זו מסבירה את הקשרים הכימיים האפשריים בין יסודות, ואת תכונותיהם.
חלקו של המודל הנוגע למיקומם של הנייטרונים והפרוטונים בגרעין מרכזי מקובל עד היום.
אולם, המודל הפלנטרי למבנה האטום הופרך, וכיום אין מייחסים לאלקטרונים מסלולים היקפיים קבועים. על פי המודל העכשווי הנובע מתורת הקוונטים לא ניתן לייחס לאלקטרון מיקום ומסלול מדויקים.
במקום זאת מוגדר עבור כל אלקטרון אורביטל שהוא פונקציית גל המגדירה עבור כל אלקטרון נפח בעל צורה מוגדרת שבה קיימת ההסתברות הרבה ביותר להימצאותו.
על פי רוב תוחמים את האורביטל כנפח שבו, על פי פונקציית ההסתברות, ימצא האלקטרון במשך כ-90% מהזמן.
הדמיה של אטום הליום. הכתם האפור הוא ענן האלקטרונים, ובמרכז בסגול גרעין האטום
קיימים מספר מושגים בפיזיקה אשר לא ניתן להגדירם באמצעות מושגים בסיסיים יותר.
מטען חשמלי הוא אחד המושגים הללו.
בדומה למושג מסה, אין דרך להשיב על שאלת המהות שלו.
אנו יכולים רק לומר, כי מושג זה מאפשר לנו לתאר באופן אלגנטי ומדויק, התואם את המציאות, אוסף גדול של תופעות, ולכן אנו בוחרים לעשות בו שימוש.
אנו מכנים את מטען האלקטרון - שלילי.
לפרוטון יש מטען הפוך ושווה בגודלו למטען האלקטרון, וזהו המטען המכונה חיובי.
המושגים "שלילי" ו"חיובי" הודבקו למטעניהם של האלקטרון והפרוטון מסיבות היסטוריות, והם מתפקדים היטב בתוך המסגרת המתמטית המתארת את האינטראקציה בין מטענים, אך אין שום מובן עמוק למושגים אלו; יכולנו לבחור לכנותם גם "שחור" ו"לבן", או "רע" ו"טוב".
מטען הוא תכונה בסיסית שיש לחלקיקים מסוימים, כמו לאלקטרון ופרוטון.
תכונה, המראה שלחלקיקים אלו יש יכולת השפעה אחד על השני.
יש בטבע חלקיקים נושאי מטען או חסרי מטען, אבל לא קיים מטען ללא חלקיק!
היחידה הבסיסית של המטען החשמלי , כלומר היחידה הקטנה ביותר שאנו מוצאים חופשית בטבע –
היא מטען האלקטרון.
(לקווארקים מטען השווה לשליש או שני שליש מטען האלקטרון, אך עד כה לא נצפו קווארקים בודדים, אלא בקבוצות שמטענן המשותף גדול או שווה למטען האלקטרון)
את יחידת המטען , היה הגיוני למדוד באלקטרונים, ככל שיש יותר אלקטרונים כך כמות המטען גדלה.
אך כיוון שמדובר בחלקיק קטן מאוד, והכמויות של האלקטרונים גדולות מאוד, הוחלט על יחידת מטען המייצגת כמות גדולה של אלקטרונים.
הוחלט שלגוף המכיל עודף של
6.25∙1018
אלקטרונים מטענו יהיה שווה ל 1- קולון.
ולגוף המכיל עודף של
6.25∙1018
פרוטונים מטענו יהיה שווה ל 1 קולון.
את יחידת המטען מסמנים באות c, היא נקראת קולון- על שמו של המדען הצרפתי אוגוסטן קולון
אם בתוך השק יש
6.25∙1018
אלקטרונים.
ומטענו של השק 1 קולון, מהו המטען של כל אחד מהאלקטרונים שנמצאים בשק?
נסמן את גודלו של מטען האלקטרון qe
לפיכך מטענו של כל אחד מהאלקטרונים הוא:
נזכור כי המטען הינו גודל סקלרי, אך מטענו של האלקטרון מוגדר כמטען שלילי
שק
אלקטרונים
מטען הפרוטון
qp = +1.6⋅10-19C
qe = -1.6⋅10-19C
qn = 0
נסכם:
מטען האלקטרון
מטען הנויטרון
+
-
כיום אנו מגדירים את המטען בעזרת הזרם.
מכשירים למדידת זרם, נבנו כבר בתחילת המאה ה 18 , זרם חשמלי הוא למעשה תנועה של מטענים חשמליים.
הזרם נמדד באמפרים והזמן נמדד בשניות.
הוחלט שכאשר זורם זרם של אחד אמפר במשך שנייה אחת נקבל מטען השווה לאחד קולון.
שימו לב, אין לנו הסבר למהות המטען אלא רק הגדרה שלו.
האלקטרונים שהם חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי נמצאים בתנועה כענן במעטפת סביב הגרעין, הם יכולים גם לעבור מאטום לאטום או מחומר לחומר�הפרוטונים הם חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי הנמצאים בגרעין האטום.
בד"כ קיים בחומר איזון בין מספר החלקיקים השליליים ומספר החלקיקים החיוביים, כך שמטענו של גוף הוא ניטרלי .
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
אטום שאינו מאוזן מבחינה חשמלית נקרא יון
יון שלילי - אטום שיש לו יותר אלקטרונים מפרוטנים
יון חיובי- אטום שיש לו יותר פרוטונים מאלקטרנים
אטום מיונן הוא אטום אינו מאוזן מבחינה חשמלית
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
יון חיובי
כדי לטעון גוף יש לשנות את היחס בין מספר האלקטרונים למספר הפרוטונים
גוף הטעון שלילי הוא גוף שיש לו יותר אלקטרונים מאשר פרוטונים
גוף הטעון חיובי הוא גוף שיש לו יותר פרוטונים מאשר אלקטרונים.
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
חיכוך בין שני גופים יכול לגרום להעברת אלקטרונים מגוף אחד לגוף שני
חוק שימור המטען :המטען החשמלי הכולל של מערכת מבודדת נותר קבוע, ללא תלות בשינויים המתרחשים בתוך המערכת.
זה הזמן לסכם ולכתוב לעצמכם
א. איזה חלקים יש באטום
ב. מי מהחלקיקים באטום קובע את תכונות היסוד ומי אחראי על הקשרים בין האטומים השונים.
ג. מהו מטען , ומהן יחידות המטען.
ד. מתי גוף נחשב כטעון
הצלחתם?