|
הארי סטיילס המלך{{לשכתב|פתיח הערך צריך מעט דידקטיקה שיהיה יותר נגיש|נושא=מדעי הטבע}}
[[קובץ:Electric charge symbol positive.svg|ממוזער|סמל של מטען חשמלי חיובי|180x180px]]
[[קובץ:Electric charge symbol negative.svg|ממוזער|סמל של מטען חשמלי שלילי|180x180px]]
== היסטוריה ==
המטען החשמלי התגלה בידי [[יוון העתיקה|היוונים הקדמונים]] אשר גילו כי שפשוף [[פרווה]] על משטחים שונים, כמו [[ענבר]] למשל, יוצר חוסרהארי איזוןסטיילס של מטען חשמלי. הם גילו גם שענבר טעון משך אליו עצמים קלים כמו [[שיער]]. היוונים שמו לב שאם הם שפשפו את הענבר לאורך זמן, הם אפילו הצליחו להוציא ניצוץ ממנו. המילה '''אלקטרון''' נובעת מהמילה היוונית ''ηλεκτρον'' שפירושה - ענבר, המילה [[חשמל]] לקוחה מ[[ספר יחזקאל]], שם היא מופיעה בהקשר אחר לגמרי ו[[תרגום השבעים]] מתרגם אותה למילה "אלקטרון".המלך
ב[[המאה ה-18|מאה ה-18]], חקר ה[[חשמל]] תפס תאוצה. אחד מהחוקרים החשובים בתחום היה [[בנג'מין פרנקלין]], אשר סבר כי החשמל הוא סוג של נוזל אשר נמצא בכל החומרים הקיימים. הוא הניח ששפשוף משטחים [[מבדד]]ים זה בזה גרם לנוזל זה לשנות מקום, ושזרם הנוזל הזה הוא שיוצר את הזרם החשמלי. הוא גם הניח שכאשר חומר מכיל מעט מדי מה"נוזל" הזה הוא היה טעון "שלילית", וכאשר היה לו עודף, הוא היה טעון "חיובית". הוא קבע שרירותית (או מסיבה שלא ידועה) שהמטען המתקבל על ידי שפשוף מקל זכוכית עם [[משי]] הוא מטען "חיובי" ואילו מטען המתקבל משפשוף מקל ענבר עם [[פרווה]] הוא מטען "שלילי".
כיום ידוע כי הדגם של פרנקלין היה קרוב למציאות, אך פשוט מדי. ה[[אטום|אטומים]] מורכבים למעשה משני סוגים של חלקיקים טעונים: הפרוטונים - בעל מטען חיובי, והאלקטרונים - בעלי מטען שלילי. זרם חשמלי במוליך (לשם הפשטה - חד ממדי) נוצר אך ורק כתוצאה מאלקטרונים הנעים בכיוון מסוים (ואז יימדד בכיוון זה זרם שלילי, או זרם חיובי בכיוון ההפוך). הפרוטונים, המצויים ב[[גרעין האטום]], אינם נעים כדי ליצור "זרם חיובי". במודלים מתקדמים של [[מצב מוצק]], כמו למשל ב[[מוליך למחצה|מוליכים למחצה]], מניחים את קיומם של "חורים", המייצגים חוסר באלקטרון (באופן דומה ל[[בועה (נוזל)|בועות]] המייצגות חוסר ב[[נוזל]]) בנוסף לאלקטרונים, ולהם מיוחס מטען חשמלי חיובי (הפוך למטען האלקטרון), היוצר זרם חשמלי חיובי בכיוון התקדמותו. ניתן להסתכל על המוליך החשמלי כעל מבחנה מלאה בנוזל (המייצג אלקטרונים) המעלה בועות: בועות העולות מעלה מייצגות למעשה נוזל המתקדם מטה, והתנועה אנלוגית למעשה לגרעיני אטום ה"מושכים" אלקטרונים משכניהם, וכך נוצר הזרם החיובי בכיוון ההפוך.
כדי להפחית את מורכבות המודל, עובדי חשמל עדיין משתמשים בהנחות של פרנקלין ומתייחסים לזרם חשמלי (ידוע כ"זרם שגרתי") כזרם של חלקיקים חיוביים בלבד. הזרם השגרתי מפשט את המושגים ומקל על החישובים, אולם הוא מתעלם מכך שיש כמה סוגים של מוליכים (אלקטרוליטים, מוליכים למחצה ופלזמה), וכן מהעובדה שזרם יכול לנוע בכיוונים מנוגדים של חלקיקים שונים. כיוון הזרימה של הזרם השגרתי משווה במהופך אל תנועת האלקטרון המעשית אשר מתרחשת בזרמים חשמליים במתכות, המוליך הטבעי של חשמל, דבר אשר מהווה מקור לבלבול למתחילים באלקטרוניקה.
==תכונות==
פרט לתכונות הקשורות לאלקטרומגנטיות, המטען החשמלי הוא [[תורת היחסות הפרטית#תורת האינווריאנטים|אינווריאנטי]] ב[[תורת היחסות]]. כלומר מטענו של חלקיק לא משתנה בלי שום קשר למהירות בה הוא נע. תכונה זו הוכחה במספר ניסויים. לדוגמה, נמצא שמטענו של גרעין [[הליום]] (שני פרוטונים ושני [[נייטרון|נייטרונים]] המחוברים יחדיו) אשר נע במהירות עצומה, שווה למטענם של שני גרעיני [[דאוטריום]] ([[איזוטופ]] של [[מימן]] המכיל פרוטון ונייטרון) אשר נעים במהירויות נמוכות משמעותית מ[[מהירות האור]].
==מטען יסודי==
מטען יסודי או מטען אלמנטרי (מסומן כ-e) הוא המטען החשמלי שנושא [[פרוטון]] יחיד, או הערך הנגדי של המטען שנושא [[אלקטרון]] יחיד.
זהו [[קבוע פיזיקלי]] יסודי ויחידה למטען חשמלי במערכת של [[יחידות אטומיות]].
ערכו הוא: <math>\ 1.602176634\times10^{-19}</math> [[קולון]] או <math>\ 4.8 \times 10^{-10} \ \mbox{esu}</math> ביחידות cgs.
מאז שנמדד לראשונה על ידי [[רוברט מיליקן]] ב[[ניסוי מיליקן|ניסוי]] המפורסם שלו בשנת [[1909]], המטען היסודי נחשב לבלתי ניתן לחלוקה. כאמור, [[קווארק|הקווארקים]], אשר קיומם הונח ב[[שנות ה-60 של המאה ה-20]], נחשבים לחלקיקים שמטענם הוא שליש או שני שלישים מהמטען היסודי, אולם הם נצפו רק בחלקיקים עם מטען ביחידות שלמות של המטען היסודי ומעולם לא התגלו באופן חופשי.
==שימור מטען==
{{ערך מורחב|חוק שימור המטען החשמלי}}
המטען החשמלי הכולל של [[מערכת פיזיקלית|מערכת מבודדת]] נותר קבוע, ללא תלות בשינויים המתרחשים בתוך המערכת. [[חוק שימור]] זה מתקיים בכל התהליכים הידועים בפיזיקה או כימיה, וניתן ל[[נגזרת|גזור]] אותו (בצורתו המקומית) מ[[שדה כיול]] של [[פונקציית גל|פונקציית הגל]]. שימור המטען מביא ל[[משוואת רצף|משוואת הרצף]] למטען-זרם. באופן כללי, השינוי נטו [[צפיפות מטען|בצפיפות המטען]] <math>\ \rho</math> בתוך נפח האינטגרציה <math>\ V</math> שווה לאינטגרל המשטחי של [[צפיפות זרם|צפיפות הזרם]] <math>\ J</math> על המשטח <math>\ S</math>, הוא [[זרם חשמלי|הזרם החשמלי]] <math>\ I</math>:
<math display="block">- \frac{d}{dt} \int_V \rho\, \mathrm{d}V = \int_S \mathbf{J} \cdot \mathrm{d}\mathbf{S} = \int J S \cos\theta = I</math>
על כן, שימור המטען החשמלי, כפי שמבוטא על ידי משוואת הרצף, נותן את התוצאה:
<math display="block">I = -\frac{dQ}{dt}</math>
כאן <math>\ I</math> הוא הזרם היוצא נטו דרך משטח סגור, ו-<math>\ Q</math> הוא המטען החשמלי הכלוא בנפח המוגדר על ידי המשטח.
==ראו גם==
* [[צפיפות מטען]]
== קישורים חיצוניים ==
{{מיזמים|ויקימילון=מטען חשמלי}}
* [http://physicsweb.org/article/news/1/10/7/1 'Fractional charge carriers discovered' - מאמר באתר physicsworld משנת 1997]
* {{דוידסון|ארז גרטי|מהו מטען חשמלי|maagarmada/physics/מהו-מטען-חשמלי|2 ביולי 2011}}
* [https://www.youtube.com/watch?v=GMnsZuEE_m8 Electromagnetism - Electrostatic Force] - סרטון הסבר על אלקטרוסטטיקה והכוחות הפועלים בין מטענים חשמליים {{וידאו}}
* {{בריטניקה}}
{{חשמל}}
[[קטגוריה:גדלים פיזיקליים]]
[[קטגוריה:גדלים חשמליים]]
[[קטגוריה:אלקטרומגנטיות]]
| 