זרם חילופין ושנאי

• חשמל ומגנטיות
• מגנטיות והשראה
• 7 דקות קריאה

מה ההבדל בין זרם ישר לזרם חילופין, איך שנאי מעלה ומוריד מתח, ולמה מעבירים חשמל בקווי מתח גבוה. עם נוסחת השנאי, שני שרטוטים ותרגיל פתור.

התשובה בקצרה

שנאי הוא מכשיר שמשנה מתח של זרם חילופין:

1. זרם חילופין: זרם שמחליף כיוון שוב ושוב. בישראל המתח בשקע הוא 230 וולט, והוא מחליף כיוון בתדירות של 50 הרץ.
2. שנאי: שני סלילים על ליבת ברזל אחת. היחס בין המתחים שווה ליחס בין מספרי הכריכות.
3. רק עם חילופין: שנאי עובד בזכות השראה, ולכן צריך זרם שמשתנה כל הזמן. עם זרם ישר מסוללה הוא לא עובד.

למי זה מיועד: לתלמידי תיכון שלומדים חשמל ומגנטיות. שנאי עובד בזכות השראה אלקטרומגנטית, שמוסברת בעמוד השראה אלקטרומגנטית. בחישובי ההספק כאן משתמשים בנוסחאות מהעמוד הספק חשמלי.

מה זה זרם חילופין

סוללה נותנת זרם ישר: הזרם זורם כל הזמן באותו כיוון, והמתח קבוע. בשקע בקיר זה שונה. המתח עולה, יורד, מתהפך ושוב עולה, כמו גל. בישראל זה קורה 50 פעמים בשנייה, ולכן אומרים שהתדירות היא 50 הרץ. אחד האנשים שבזכותם זרם החילופין הגיע לכל בית הוא הממציא ניקולה טסלה.

המספר 230 וולט שכתוב על מכשירים הוא לא המתח המקסימלי, אלא מעין ממוצע יעיל: זרם חילופין של 230 וולט מחמם גוף חימום בדיוק כמו זרם ישר של 230 וולט. המתח המקסימלי בכל גל גבוה יותר, כ־325 וולט.

איך שנאי עובד

שנאי בנוי משני סלילים שמלופפים על אותה ליבת ברזל, בלי שום חיבור חשמלי ביניהם. זרם החילופין בסליל הראשוני יוצר בליבה שדה מגנטי שמשתנה כל הזמן. הליבה מובילה את השדה הזה גם דרך הסליל המשני, והשינוי בשדה משרה בו מתח. זו השראה אלקטרומגנטית.

המתח שנוצר בכל סליל תלוי במספר הכריכות שלו. לכן היחס בין המתחים שווה ליחס בין מספרי הכריכות. אם בסליל המשני יש יותר כריכות, המתח עולה, וזה שנאי מעלה. אם יש פחות כריכות, המתח יורד, וזה שנאי מוריד.

שנאי לא יוצר אנרגיה. אם הוא מעלה את המתח פי 10, הזרם בסליל המשני קטן בערך פי 10, וההספק נשאר כמעט זהה. שנאים גדולים יעילים מאוד, ולפעמים הנצילות שלהם עוברת 99 אחוז.

תרגיל פתור

הנתונים: שנאי מחובר לשקע של 230 וולט. בסליל הראשוני 2,000 כריכות, ובסליל המשני 100 כריכות. הסליל המשני מספק זרם של 2 אמפר. השנאי אידיאלי.
השאלה: מה המתח במוצא? מה ההספק? ומה הזרם בסליל הראשוני?

1. המתח במוצא, לפי יחס הכריכות: V₂ = V₁ · N₂ / N₁ = 230 · 100 / 2000 = 11.5 V
2. ההספק במוצא: P = V₂ · I₂ = 11.5 · 2 = 23 W
3. בשנאי אידיאלי ההספק בכניסה שווה להספק במוצא: I₁ = P / V₁ = 23 / 230 = 0.1 A

התשובה: זה שנאי מוריד. המתח במוצא 11.5 וולט, ההספק 23 וואט, והזרם בסליל הראשוני רק 0.1 אמפר. המתח ירד פי 20, והזרם עלה פי 20. V₂ = 11.5 V · I₁ = 0.1 A

למה מעבירים חשמל במתח גבוה

לכל חוט חשמל יש התנגדות, וחלק מהאנרגיה הולך בו לאיבוד כחום. ההפסד הזה תלוי בריבוע של הזרם: P = I² · R. כדי להעביר את אותו הספק עם זרם קטן, מעלים את המתח. זה בדיוק מה ששנאי יודע לעשות.

דוגמה: מעבירים הספק של מיליון וואט בקו שההתנגדות שלו 10 אוהם. במתח של 10,000 וולט, הזרם 100 אמפר, וההפסד הוא 100² · 10 = 100,000 W, עשירית מכל ההספק. במתח של 100,000 וולט, הזרם רק 10 אמפר, וההפסד 10² · 10 = 1,000 W, אלפית בלבד. מתח גבוה פי 10 הקטין את ההפסד פי 100.

לכן בתחנת הכוח שנאי מעלה את המתח. ברשת ההולכה בישראל יש קווים של 161,000 וולט, ובעמוד השדרה של הרשת קווים של 400,000 וולט. ליד הבתים שנאים מורידים את המתח בכמה שלבים, עד 230 וולט בשקע.

איפה רואים את זה בחיים

• שנאי על העמוד

  הקופסאות הגדולות שעל עמודי החשמל או בחדרי שנאים בשכונה מורידות את המתח מרשת החלוקה אל המתח של הבתים.

• זמזום של שנאי

  ליד שנאי גדול שומעים לפעמים זמזום נמוך. הליבה רוטטת קלות בגלל השדה המגנטי שמשתנה עשרות פעמים בשנייה.

• מכשירים מחו״ל

  מכשירים מחו״ל שכתוב עליהם 110 וולט צריכים שנאי מוריד כדי לעבוד בישראל. חיבור ישיר ל־230 וולט עלול לשרוף אותם.

שאלות נפוצות

מה זה שנאי?

מכשיר שמשנה את המתח של זרם חילופין. הוא בנוי משני סלילים על ליבת ברזל אחת, והיחס בין המתחים שווה ליחס בין מספרי הכריכות.

מה ההבדל בין זרם ישר לזרם חילופין?

זרם ישר זורם תמיד באותו כיוון, כמו מסוללה. זרם חילופין מחליף כיוון שוב ושוב. בשקע בישראל זה קורה בתדירות של 50 הרץ.

מה ההבדל בין שנאי מעלה לשנאי מוריד?

בשנאי מעלה יש בסליל המשני יותר כריכות מאשר בראשוני, ולכן המתח במוצא גבוה יותר. בשנאי מוריד יש בסליל המשני פחות כריכות, והמתח במוצא נמוך יותר. בשני המקרים ההספק נשאר כמעט זהה.

למה לשנאי יש ליבת ברזל?

הברזל מרכז את השדה המגנטי ומוביל אותו מהסליל הראשוני אל המשני. בלי ליבה, רוב השדה היה מתפזר באוויר, והשנאי היה הרבה פחות יעיל.

השראה ושנאים עדיין לא ברורים?

בקורס החשמל והמגנטיות יש פרק שלם על השראה אלקטרומגנטית, עם כא״מ מושרה ושטף מגנטי. כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל יש פתרון מלא. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס החשמל והמגנטיות

או מתחילים בחינם: ספר החשמל והמגנטיות, להורדה