הכוח האלקטרוסטטי הוא כוח משמר ולכן ניתן לגזור אותו מאנרגיה פוטנציאלית, הנקראת אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען בנקודה כלשהי היא העבודה שיש להשקיע עליו על מנת להביאו מנקודת ייחוס אל הנקודה, כאשר נקודת הייחוס לרוב נבחרת כמרחק אינסופי מיתר המטענים. באופן שקול, האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית בנקודה היא הכוח החשמלי הפועל על מטען לאורך דרכו מהנקודה אל האינסוף. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית מסומנת ב-U ונמדדת בג'אול.
האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטען פרופורציונית לגודל המטען, ולכן ניתן להגדיר פוטנציאל חשמלי כאנרגיה פוטנציאלית חשמלית ליחידת מטען. ניתן לגזור את השדה החשמלי ישירות מהפוטנציאל החשמלי באותו האופן שבו הכוח נגזר מהאנרגיה הפוטנציאלית. הפוטנציאל החשמלי במרחב מסומן φ והוא תלוי רק בפילוג המטענים המרחבי. ניתן לחשב אותו בעזרת משוואת פואסון, או במרחב ריק ממטענים בעזרת משוואת לפלס.
מתח חשמלי בין שתי נקודות במרחב הוא ההפרש בין הפוטנציאלים החשמליים באותן נקודות. הוא מבטא את ההפרש באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית ליחידת מטען ולכן הוא גודל חשוב בתיאור מערכות חשמליות. המתח מסומן באות V ונמדד בוולט (על שם אלסנדרו וולטה).
מוליך הוא חומר שמכיל מטענים חשמליים חופשיים לתנועה (בניגוד למבודד). במתכת, לדוגמה, חלק מהאלקטרונים אינם נמצאים סביב גרעינים של אטומים מסוימים בסריג המתכתי, אלא נעים בו באופן חופשי. ניתן לטעון מתכת על ידי הוספת עודף או מחסור באלקטרונים. חוסר באלקטרון נקרא חור וניתן להתייחס אליו כאל גוף בעל מטען הפוך מזה של האלקטרון, כלומר מטען חיובי. המטענים העודפים במתכת יפעילו כוחות דחייה ביניהם ויסתדרו כך שהמרחקים ביניהם מקסימליים, או באופן שקול האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית מינימלית. מצב זה מתקיים כאשר הם מפולגים על פני הגוף המוליך בצפיפות מטען משטחית.
בנוכחות שדה חשמלי, חלק מהאלקטרונים החופשיים במוליך נייטרלי יתרכזו בצד האחד של המוליך כך שקיימת צפיפות מטען משטחית על פני המוליך, אך בצידו האחד הוא חיובי ובצידו האחר הוא שלילי וסך המטען הוא אפס. תופעה זו נקראת השראה אלקטרוסטטית. כתוצאה מכך השדה בתוך המוליך מתאפס, תופעה הידועה ככלוב פאראדיי.
בעת חיבור מוליך לשתי נקודות שביניהן קיים מתח חשמלי, למשל חיבור תיל מוליך בין שני מוליכים טעונים בעלי פוטנציאלים שונים, יזרמו בתיל המוליך מטענים מהגוף בעל הפוטנציאל הגדול יותר לגוף בעל הפוטנציאל הקטן יותר עד שהפוטנציאלים בשני הגופים ישתוו. קצב תנועת המטענים בזמן נקרא זרם חשמלי, ובמקרה הזה הוא רגעי. על מנת ליצור זרם חשמלי לאורך זמן יש צורך בכוח אלקטרו מניע - גורם שישמור על מתח קבוע בין שתי נקודות. הכוח האלקטרו מניע (בקיצור: כא"מ) הוא העבודה החיצונית שיש להשקיע על יחידת מטען על מנת ליצור הפרש פוטנציאלים בין שני הדקים מנותקים. בסוללה חשמלית, למשל, הכא"מ נוצר על ידי הפרדת מטענים חיוביים משליליים באמצעות תגובה כימית עם אלקטרודות אליהן מחוברים ההדקים. התקן שיוצר כא"מ בין שני הדקים נקרא מקור מתח. ההדק שבו הפוטנציאל גדול יותר מסומן + וההדק בו הפוטנציאל קטן יותר מסומן -. הארקה היא חיבור לאדמה, והיא משמשת הן כנקודת ייחוס לפוטנציאל החשמלי והן כאמצעי להגנה מפני הצטברות מטען גדולה מדי.
זרם חשמלי הוא גודל המטען העובר בשטח חתך (או בתיל) ביחידת זמן. כיוון הזרם הוא מפוטנציאל גדול לפוטנציאל קטן (או מחיובי לשלילי). זאת מלבד בתוך מקור כא"מ, שם מתבצעת עבודה על מנת להעביר מטענים מפוטנציאל נמוך לגבוה. מאחר שהזרם חיובי אם המטען שנע הוא חיובי, כיוון הזרם במתכת הפוך לזה של תנועת האלקטרונים. זרם שגודלו קבוע בזמן נקרא זרם ישר וזרם שמשתנה בזמן באופן מחזורי נקרא זרם חילופין. הזרם מסומן ב-I ונמדד באמפר (על שם אנדרה מרי אמפר).
ברוב המוליכים קיים יחס ישר בין המתח והזרם - קשר הידוע כחוק אוהם. היחס בין המתח לזרם נקרא התנגדות חשמלית, והגודל ההופכי להתנגדות נקרא מוליכות חשמלית - המידה שבה מתח על מוליך גורם לזרם דרכו. ההתנגדות מסומנת באות R ונמדדת באוהם (על שם גאורג אוהם). נגד הוא רכיב בעל התנגדות ידועה בין הדקיו.
בחיבור הדקי מקור מתח על ידי תיל מוליך יתרחש קצר חשמלי - יזרום זרם גדול מאוד שעלול לגרום להתחממות יתר, שריפה, התעוותות של חומרים, התחשמלות או התפוצצות. ריתוך הוא מעין קצר מבוקר, ונתיך וממסר פחת הם רכיבים שתפקידם לנתק את הזרם במקרה של קצר.
ניתן לייחס לנגד הספק משום שמטענים נעים בו מפוטנציאל גבוה לנמוך. קצב השינוי באנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של המטענים בזמן נקרא הספק חשמלי. ההספק מסומן באות P ונמדד בואט (על שם ג'יימס ואט). ההספק החשמלי נתון על ידי מכפלת הזרם הזורם דרך נגד בהמתח הנופל עליו.
אין תגובות:
הוסף רשומת תגובה