מטענים וכוחות — סימולטור לכיתה י'

האטום — המקור של כל מטען חשמלי

💡 כל החומר סביבנו בנוי מאטומים. בגרעין יושבים הפרוטונים (אדום, מטען חיובי) והנייטרונים (אפור, ללא מטען), וסביבו נעים האלקטרונים (כחול, מטען שלילי). באטום רגיל מספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים — ולכן הוא ניטרלי.

ההגדרה המקצועית

הגדרה: מטען חשמלי הוא תכונה יסודית של חלקיקי החומר — בדיוק כמו שלכל גוף יש מסה. המטען הוא זה שקובע אם החלקיק ירגיש כוח חשמלי, באיזה כיוון ובאיזו עוצמה. קיימים שני סוגי מטען בלבד: חיובי ושלילי.

יחידת המידה: מטען נמדד בקולון ומסומן באות C. המטען הקטן ביותר בטבע הוא המטען היסודי של אלקטרון בודד: e = 1.6×10⁻¹⁹ קולון. זה מספר זעיר — ולכן בתרגילים נוח לעבוד במיקרו-קולון (µC), שהוא מיליונית הקולון.

איך גוף נטען? בחומר מוצק הפרוטונים כלואים בגרעין ולא זזים — רק אלקטרונים עוברים ממקום למקום. גוף שקיבל עודף אלקטרונים נטען שלילית, וגוף שאיבד אלקטרונים נטען חיובית. המטען אף פעם לא נוצר ולא נעלם — הוא רק עובר. זהו חוק שימור המטען.

שני מטענים — גרור אותם ותראה את הכוח

💡 גרור כל מטען עם העכבר או עם האצבע. הקווים הירוקים הם קווי השדה החשמלי, והחצים מציגים את הכוח שכל מטען מרגיש. שים לב: ככל שהמטענים מתקרבים — החצים מתארכים.

בחירת סימני המטענים

מרחק בין המטענים—

גודל הכוח (יחסי)—

המטענים נמשכים זה לזה ⟵⟶

הכלל הבסיסי: מטענים מאותו סימן — דוחים זה את זה. מטענים מסימנים שונים — נמשכים זה לזה. הכוח פועל תמיד על שני המטענים בגודל שווה ובכיוונים הפוכים.

חוק קולון — הכוח תלוי במטענים ובמרחק

F = k · |q₁ · q₂| / r² , k = 9×10⁹

מה חשוב לזכור: אם מגדילים את אחד המטענים פי 2 — הכוח גדל פי 2. אם מגדילים את המרחק פי 2 — הכוח קטן פי 4, כי המרחק בריבוע!

שליטה בערכים

q₁ — מטען ראשון2 µC

q₂ — מטען שני3 µC

r — מרחק30 cm

הכוח F—

אם נכפיל את המרחק — הכוח יהיה—

הדגמה מקצועית — טעינה בחיכוך ואלקטרוסקופ

💡 זו בדיוק ההדגמה שעושים במעבדה: משפשפים מוט פלסטיק בבד צמר — אלקטרונים עוברים מהבד אל המוט. כשמקרבים את המוט הטעון לאלקטרוסקופ, האלקטרונים שבו נדחים למטה אל העלים, ושני העלים — שנטענו באותו סימן — נפתחים!

שלבי ההדגמה

מטען על המוט0

זווית פתיחת העלים0°

האלקטרוסקופ ניטרלי — העלים סגורים

מה ראינו? המטען לא "נוצר" — הוא רק עבר ממקום למקום. הבד איבד אלקטרונים והמוט קיבל אותם. זהו חוק שימור המטען: סך המטען הכולל נשאר קבוע.

דוגמה פשוטה — צעד אחר צעד

נתון: שני מטענים חיוביים, q₁ = 2 מיקרו-קולון ו-q₂ = 3 מיקרו-קולון, במרחק 30 סנטימטר זה מזה. מה גודל הכוח ביניהם, והאם הם נמשכים או נדחים?

1כותבים את הנתונים ביחידות הנכונות: המרחק חייב להיות במטרים.q₁ = 2×10⁻⁶ C , q₂ = 3×10⁻⁶ C , r = 0.3 m

2מציבים בנוסחת חוק קולון:F = 9×10⁹ · (2×10⁻⁶ · 3×10⁻⁶)(0.3)²

3מחשבים — ומקבלים תוצאה נקייה:F = 0.6 N

4מסקנה: שני המטענים חיוביים ולכן הכוח הוא כוח דחייה בגודל 0.6 ניוטון — בערך כמו המשקל של סמארטפון קטן ביד.

שאלת בדיקה מהירה

שאלה: הגדלנו את המרחק בין שני מטענים פי 2, בלי לשנות את המטענים. מה יקרה לכוח ביניהם?

טיפ לזכירה: המרחק בנוסחה נמצא בריבוע ובמכנה. לכן כל שינוי במרחק משפיע "פעמיים" — פי 2 במרחק זה פי 4 בכוח, פי 3 במרחק זה פי 9 בכוח.