זרם, מתח והתנגדות: חוק אוהם

מדעים · לכיתות ח׳–ט׳

ביסודי למדנו שמעגל חשמלי צריך להיות סגור כדי שנורה תדלק. בחטיבת הביניים לומדים למדוד את החשמל: כמה זרם עובר, כמה ״דחיפה״ יש לו ומה מפריע לו לעבור. שלושת הגדלים האלה קשורים זה לזה בחוק פשוט — חוק אוהם.

זרם, מתח והתנגדות

זרם חשמלי הוא תנועה מסודרת של מטענים חשמליים. בחוטי מתכת אלה אלקטרונים שנעים לאורך החוט. עוצמת הזרם מתארת כמה מטען עובר בכל שנייה, והיא נמדדת באמפר.

כדי שהמטענים ינועו, צריך משהו שידחוף אותם. הדחיפה הזאת נקראת מתח, והיא נמדדת בוולט. סוללה רגילה מספקת מתח של 1.5 וולט, ושקע החשמל בבית בישראל מספק כ־230 וולט — מתח מסוכן מאוד לאדם.

כל רכיב במעגל מפריע במידה מסוימת לזרם. ההפרעה הזאת נקראת התנגדות, והיא נמדדת באוהם. לחוט נחושת עבה יש התנגדות קטנה מאוד; לחוט הדק בתוך נורת להט או בתוך גוף חימום יש התנגדות גדולה, ולכן הוא מתחמם ומאיר.

דימוי שעוזר להבין: מים שזורמים בצינור. המתח הוא כמו הלחץ שדוחף את המים, הזרם הוא כמות המים שעוברת בכל שנייה, וההתנגדות היא כמו צינור צר שמקשה על הזרימה.

חוק אוהם

ב־1827 פרסם הפיזיקאי הגרמני גאורג אוהם את הקשר בין שלושת הגדלים: מתח שווה לזרם כפול התנגדות, V = I·R. פירוש הדבר: אם מגדילים את המתח פי שניים, גם הזרם גדל פי שניים. אם מגדילים את ההתנגדות פי שניים, הזרם קטן בחצי.

דוגמה: נורה שהתנגדותה 6 אוהם מחוברת לסוללה של 12 וולט. הזרם יהיה 12 חלקי 6, כלומר 2 אמפר. את הזרם מודדים במד זרם (אמפרמטר), שמחברים בטור, בתוך המעגל. את המתח מודדים במד מתח (וולטמטר), שמחברים במקביל לרכיב, משני צדדיו.

מעגל טורי ומעגל מקבילי

במעגל טורי כל הרכיבים מחוברים בשרשרת אחת, והזרם עובר דרך כולם בזה אחר זה. אותו זרם עובר בכל רכיב, וההתנגדויות מצטרפות. לכן כשמוסיפים עוד נורה בטור, ההתנגדות הכוללת גדלה, הזרם קטן והנורות מאירות חלש יותר. ואם נורה אחת נשרפת — המעגל נקטע וכולן נכבות.

במעגל מקבילי לכל רכיב יש ״מסלול״ משלו, וכל ענף מקבל את מלוא המתח של המקור. אם נורה אחת נשרפת, האחרות ממשיכות לדלוק. כך מחווטת הרשת בבית: כל מכשיר מקבל 230 וולט, ואפשר להפעיל ולכבות כל אחד בנפרד. אבל כל מכשיר שמוסיפים מגדיל את הזרם הכולל בחוט הראשי.

הספק ובטיחות

הספק חשמלי מתאר כמה אנרגיה המכשיר צורך בכל שנייה. הוא שווה למתח כפול הזרם, P = V·I, ונמדד בוואט. קומקום של 2,000 וואט בשקע של 230 וולט מושך זרם של כמעט 9 אמפר.

כשמחברים יותר מדי מכשירים חזקים לאותו מעגל, או כשנוצר קצר — חיבור ישיר עם התנגדות כמעט אפסית — הזרם גדל מאוד והחוטים עלולים להתחמם ולגרום לשריפה. לכן בכל בית יש מפסקים אוטומטיים שמנתקים את הזרם כשהוא גבוה מדי, ומפסק פחת שמנתק כשזרם ״בורח״ דרך גוף של אדם. ולעולם לא נוגעים בחשמל בידיים רטובות.

✅ חידון: זרם, מתח והתנגדות: חוק אוהם

1. מה אומר חוק אוהם?

2. סוללה של 12 וולט מחוברת לנורה של 6 אוהם. מה הזרם?

3. באיזו יחידה מודדים מתח?

4. מה קורה לנורות בטור כשמוסיפים עוד נורה?

5. למה הבית מחווט במעגל מקבילי?

6. איך מחברים מד מתח לנורה?

7. מה תפקידו של מפסק אוטומטי בלוח החשמל?

8. מה ההספק של מכשיר שעובד ב־230 וולט ומושך 2 אמפר?

🖨️ דף עבודה להדפסה

8 שאלות, שאלות לחשיבה ודף תשובות עם הסברים.

💬 שאלות לשיחה

למה לדעתכם שרשרת נורות לחג, שבה נורה אחת שרופה מכבה את כולה, מחוברת בטור?
בדקו על שלושה מכשירים בבית מה ההספק שלהם בוואט. איזה מהם צורך הכי הרבה אנרגיה בשעה?
למה מסוכן לחבר הרבה מכשירים חזקים למפצל אחד?

📖 קטע קריאה בנושא: ⚡ למה הציפור על החוט לא מתחשמלת?

על חוטי החשמל שלאורך הכבישים יושבות לעתים קרובות להקות של ציפורים. בחלק מהחוטים האלה הוא אלפי וולט, ובכל זאת הציפורים יושבות בנחת. איך זה ייתכן? התשובה מסתתרת בחוק פשוט — חוק אוהם.

זרם חשמלי הוא תנועה של חשמליים. כדי שזרם יעבור דרך גוף כלשהו, צריך שני דברים: מסלול יכולים לנוע בו, בין שני קצות המסלול. הוא מעין ״לחץ״ שדוחף את . חוק אוהם מקשר בין שלושה גדלים: הזרם (I) שווה (V) חלקי (R), כלומר I = V / R. ככל גדול יותר, הזרם גדול יותר; ככל גדולה יותר, הזרם קטן יותר.

עכשיו נחזור לציפור. שתי הרגליים שלה עומדות על אותו חוט, במרחק של סנטימטרים ספורים זו מזו. החוט עשוי מתכת שמוליכה היטב, ולכן שלו בקטע הקצר הזה זעירה, וכמעט אין בין רגל אחת לשנייה. לפי חוק אוהם, כשהמתח כמעט אפס, גם הזרם שעובר דרך הציפור כמעט אפס. כמעט כל הזרם ממשיך לזרום בחוט, והציפור אינה מרגישה דבר.

המצב משתנה לגמרי אם הציפור נוגעת בשני חוטים, או בחוט ובעמוד המחובר לאדמה. עכשיו יש גדול בין שתי נקודות המגע, וזרם עובר דרך הגוף שלה. ציפורים גדולות, כמו חסידות ועופות דורסים, נפגעות כך לפעמים, כי שלהן רחבה. כדי להפחית את הסכנה מתקינים על חלקים מעמודי החשמל כיסויים מבודדים.

אותו עיקרון נכון גם לגבי בני אדם. של עור רטוב קטנה בהרבה מזו של עור יבש, ולכן הזרם שעובר בגוף גדל — וזו הסיבה שמסוכן במיוחד לגעת במכשירי חשמל בידיים רטובות. של 230 וולט, כמו בשקעים בבית, גם זרם קטן יחסית יכול את פעילות הלב.

לכן בכל בית יש , שמנתק את החשמל כשהוא מזהה שזרם ״בורח״ מהמעגל. והכלל החשוב ביותר: לעולם לא מתקרבים לחוט חשמל שנפל, גם אם הוא נראה כבוי.

📖 מילון הקטע

מתח — הכוח שדוחף את החשמל
מטענים — חלקיקים חשמליים
הפרש מתח — הבדל במתח בין שתי נקודות
התנגדות — כמה החומר מקשה על הזרם
בו זמנית — באותו זמן
מוטת הכנפיים — המרחק בין קצות הכנפיים
לשבש — לקלקל, להפריע
ממסר פחת — מתג שמנתק חשמל כשיש תקלה

שאלות

1. מה צריך כדי שזרם יעבור דרך גוף?

2. לפי חוק אוהם, מה קורה לזרם כשההתנגדות גדלה והמתח קבוע?

3. למה כמעט לא עובר זרם בציפור שעומדת על חוט אחד?

4. מתי ציפור נפגעת מחשמל?

5. למה מסוכן לגעת במכשיר חשמלי בידיים רטובות?

6. השתמשו בחוק אוהם כדי להסביר למה ציפור על חוט אחד בטוחה, וציפור שנוגעת בשני חוטים נמצאת בסכנה.

עוד שיעורים במדעים

💡 חשמל ומעגל חשמלי🎢 אנרגיה: צורות, המרות וחוק שימור האנרגיה🧲 מגנטים⚛️ מבנה החומר: אטומים, יסודות ותרכובות🍎 חוקי ניוטון: כוח, מסה ותאוצה

לכל 60 השיעורים במדעים ←

חוברת ומבחן לדוגמה לכיתה

שאלות נפוצות

למה ציפורים יכולות לעמוד על חוט חשמל?

כי שתי הרגליים שלהן נמצאות על אותו חוט, כמעט באותו מתח, ולכן כמעט לא עובר זרם דרך הגוף. אם ציפור תיגע בו זמנית בשני חוטים שונים, היא עלולה להתחשמל.

מה ההבדל בין זרם ישר לזרם חילופין?

בזרם ישר, כמו מסוללה, המטענים נעים כל הזמן באותו כיוון. בזרם חילופין, כמו בשקע בבית, הכיוון מתחלף הלוך וחזור — בישראל 50 פעמים בשנייה.

האם חוק אוהם נכון לכל רכיב?

לא בדיוק. הוא מתאים היטב לנגדים ולמתכות בטמפרטורה קבועה. בנורת להט ההתנגדות גדלה כשהחוט מתחמם, ויש רכיבים, כמו דיודות, שלא מצייתים לו בכלל.

שווה להסתכל גם על מדע וטכנולוגיה, ולומדים.

🔌 זרם, מתח והתנגדות: חוק אוהם