מוליכים ומבודדים: למה מתכת מוליכה חשמל ופלסטיק לא

• כיתה ח’
• חשמל ומעגלים
• 6 דקות קריאה

מה ההבדל בין חומר שמוליך חשמל לחומר שמבודד, מה התפקיד של האלקטרונים החופשיים, ואיך בודקים חומר בניסוי פשוט עם סוללה ונורה.

התשובה בקצרה

מוליך הוא חומר שזרם חשמלי עובר בו בקלות. מבודד הוא חומר שכמעט לא מעביר זרם.

1. במתכות יש אלקטרונים חופשיים, שלא קשורים לאטום מסוים ויכולים לנוע בכל החומר. לכן מתכות מוליכות.
2. בפלסטיק, גומי, זכוכית ועץ יבש האלקטרונים קשורים לאטומים שלהם, ולכן כמעט לא נוצר זרם.
3. חוט חשמל בנוי משניהם: נחושת מוליכה בפנים, ובידוד מפלסטיק מבחוץ.

למי זה מיועד: לתלמידי כיתה ח׳ שלומדים את פרק החשמל. כדאי להכיר קודם את המטען החשמלי והאלקטרונים ואת המעגל החשמלי.

למה מתכת מוליכה: אלקטרונים חופשיים

זרם חשמלי הוא תנועה של מטענים. כדי שזרם יעבור בחומר, צריכים להיות בו מטענים שיכולים לזוז ממקום למקום.

במתכת, האלקטרונים החיצוניים של כל אטום קשורים אליו חלש מאוד. הם עוזבים את האטום ונעים בחופשיות בין כל האטומים, כמו ענן של אלקטרונים שממלא את החומר. האטומים עצמם, שנשארו עם מטען חיובי, נשארים במקום. כשמחברים את המתכת לסוללה, כל האלקטרונים החופשיים מתחילים לנוע יחד לאורך החוט, וזה הזרם.

במבודד המצב אחר. גם בו יש הרבה אלקטרונים, אבל כל אחד מהם קשור חזק לאטום שלו. המתח של סוללה רגילה לא מספיק כדי לשחרר אותם, ולכן כמעט לא עובר זרם.

דוגמאות למוליכים ולמבודדים

• מוליכים טובים: כסף, נחושת, זהב, אלומיניום וברזל. מחוטי נחושת עשוי החיווט בבית, ומאלומיניום עשויים רוב הכבלים בקווי המתח הגבוה.
• מוליכים חלשים יותר: גרפיט, החומר השחור בעיפרון, מים שיש בהם מלחים, אדמה לחה וגם גוף האדם, שיש בו הרבה מים עם מלחים.
• מבודדים: פלסטיק, גומי, זכוכית, חרסינה, עץ יבש ואוויר יבש.

החלוקה הזו היא לא שתי קופסאות נפרדות, אלא סולם. מים מזוקקים, בלי מלחים, מוליכים חלש מאוד, אבל מי ברז ומי ים מוליכים היטב. גם אוויר, מבודד טוב, הופך למוליך כשהמתח עצום, וזה מה שקורה בברק.

מוליכים למחצה

יש חומרים שנמצאים באמצע הסולם, ונקראים מוליכים למחצה. הידוע ביותר הוא צורן, שבאנגלית נקרא סיליקון. אפשר לשלוט בכמה הוא מוליך, למשל בעזרת הוספה של כמויות זעירות של חומרים אחרים. מהחומרים האלה עשויים השבבים שבטלפון ובמחשב, נורות לד ותאים סולאריים.

ניסוי: איך בודקים אם חומר מוליך

את הניסוי הזה עושים בכיתה, רק עם סוללה ולעולם לא עם שקע בקיר:

1. בונים מעגל עם סוללה, נורה קטנה ושלושה חוטים, ומשאירים פתח בין שני מהדקים.
2. מחברים את שני המהדקים לשני הקצוות של החפץ שבודקים.
3. אם הנורה נדלקת, עובר זרם דרך החפץ, והוא מוליך. אם היא נשארת כבויה, הוא מבודד, או מוליך חלש מאוד.

שימו לב: מוליך חלש, כמו גרפיט של עיפרון או מים עם מלח, מעביר זרם קטן שאולי לא יספיק כדי להדליק את הנורה. כדי לגלות זרם קטן כזה משתמשים בנורת לד או במד זרם, שרגישים הרבה יותר.

תרגיל פתור: אילו חפצים מוליכים

השאלה: תלמידים הכניסו למעגל הבדיקה, בכל פעם, אחד מהחפצים האלה: מסמר ברזל, סרגל פלסטיק, רצועה של נייר אלומיניום, מטבע, מחק גומי וכף עץ. באילו מקרים הנורה תידלק? הסבירו.

שלב 1, ממה עשוי כל חפץ: המסמר, נייר האלומיניום והמטבע עשויים מתכת. הסרגל, המחק והכף עשויים פלסטיק, גומי ועץ.

שלב 2, מה קורה בכל חומר: במתכת יש אלקטרונים חופשיים, והם נעים כשהמעגל נסגר. בפלסטיק, בגומי ובעץ יבש האלקטרונים קשורים לאטומים.

התשובה: הנורה תידלק עם המסמר, עם נייר האלומיניום ועם המטבע. עם הסרגל, המחק והכף היא תישאר כבויה, כי אלה מבודדים.

השוואה במספרים: התנגדות

כדי להשוות בין חומרים במספרים, מודדים את ההתנגדות שלהם. ההתנגדות אומרת כמה החומר מקשה על הזרם, והיא מחושבת לפי חוק אוהם:

תרגיל פתור: שני מוטות

השאלה: שני מוטות באותו גודל, עשויים משני חומרים שונים, חוברו בכל פעם לסוללה של 6 וולט. במוט הראשון נמדד זרם של 3 אמפר, ובשני זרם של 0.000006 אמפר בלבד, שש מיליוניות אמפר. מה ההתנגדות של כל מוט, ואיזה מהם עשוי ממבודד?

שלב 1, המוט הראשון: R = 6 / 3 = 2 Ω.

שלב 2, המוט השני: R = 6 / 0.000006 = 1,000,000 Ω, מיליון אוהם.

שלב 3, ההשוואה: 1,000,000 / 2 = 500,000. ההתנגדות של המוט השני גדולה פי חצי מיליון.

התשובה: 2 אוהם למוט הראשון, שהוא מוליך, ומיליון אוהם למוט השני, שמתנהג כמבודד. בנורה במעגל כזה הזרם של המוט השני לא היה מורגש בכלל.

מוליכים, מבודדים ובטיחות

כל כללי הבטיחות בחשמל נשענים על ההבדל בין מוליך למבודד. הבידוד של הכבל מונע מהזרם לעבור אלינו, ולכן כבל עם בידוד קרוע יוצא משימוש. לכלי העבודה של חשמלאים יש ידיות מפלסטיק או מגומי. וגוף האדם הוא מוליך, ולכן לא נוגעים במכשיר חשמלי בידיים רטובות: עור רטוב מוליך טוב יותר מעור יבש.

איפה רואים את זה בחיים

• כבל חשמל

  בתוך כל כבל יש חוטי נחושת שמוליכים את הזרם, ומסביבם שכבה של פלסטיק שמבודדת אותם מהיד שלנו ומהחוטים האחרים.

• עמודי חשמל

  הכבלים בקווי המתח לא נוגעים ישירות בעמוד. הם תלויים על מבודדים מזכוכית או מחרסינה, כדי שהזרם לא יעבור לעמוד ולאדמה.

• השבב בטלפון

  השבבים במכשירים האלקטרוניים עשויים צורן, מוליך למחצה. מיליוני רכיבים זעירים בתוכם מכוונים לאן הזרם יעבור.

שאלות נפוצות

האם מים מוליכים חשמל?

מים מזוקקים מוליכים חלש מאוד. מי ברז ומי ים מכילים מלחים מומסים, ולכן הם מוליכים היטב. זו הסיבה שמים ליד מכשירי חשמל מסוכנים.

האם גוף האדם מוליך חשמל?

כן. יש בגוף הרבה מים עם מלחים, ולכן זרם יכול לעבור דרכו. עור יבש מתנגד יותר, ועור רטוב מוליך טוב יותר.

איזו מתכת מוליכה הכי טוב?

כסף, ואחריו נחושת. כסף יקר מדי לחוטי חשמל, ולכן משתמשים בנחושת, ובקווי מתח ארוכים באלומיניום, שהוא קל וזול יותר.

רוצים לתרגל את פרק החשמל עד רמת מבחן?

בקורס הפיזיקה לכיתה ח׳ כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל בחוברת יש סרטון פתרון מלא. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס כיתה ח׳

או מתחילים בחינם: חוברת כיתה ח׳, להורדה