לחסרי ידע, חשמל עשוי להיראות כמעין קסם נסתר. זה משחק ליד חוקי הפיזיקה אנחנו לא בהכרח יכולים לתפוס בעיניים שלנו.
אבל רוב חיינו פועלים על חשמל. כל מי שאי פעם עבר הפסקת חשמל יודע כמה זה לא נוח. ברמה רחבה יותר, קשה להמעיט עד כמה חיונית זרימת החשמל מניע את הפונקציות של החברה המודרנית.
"אם אני מאבד חשמל, אני מאבד את התקשורת. אני מפסיד את המגזר הפיננסי. אני מאבד טיפול במים. אני לא יכול לחלוב את הפרות. אני לא יכול לקרר אוכל", אומר מארק פטרי, חוקר רשתות חשמל במעבדה הלאומית Argonne באילינוי.
[קָשׁוּר: איך לחסוך בחשמל הקיץ]
מה שהופך את זה ליותר חשוב לדעת איך חשמל עובד, מאיפה הוא מגיע ואיך הוא מגיע לבתים שלנו.
איך עובד החשמל?
היקום כפי שאנו מכירים אותו נשלט על ידי ארבעה כוחות יסוד: הכוח הגרעיני החזק (המחזיק חלקיקים תת-אטומיים יחד בתוך אטומים), הכוח הגרעיני החלש (המנחה סוגים מסוימים של רדיואקטיביות), כוח הכבידה, ו אלקטרומגנטיות (ששולט במושגים הקשורים באופן מהותי של חשמל ומגנטיות).
אחד העקרונות המרכזיים של האלקטרומגנטיות הוא שהחלקיקים התת-אטומיים המרכיבים את הקוסמוס יכולים להיות בעלי מטען חיובי או שלילי. כדי להשתמש בהם כצורה של אנרגיה, עלינו לגרום להם לזרום כזרם חשמלי. החשמל שיש לנו על כדור הארץ הוא בעיקר מתנועה של אלקטרונים בעלי מטען שלילי.
אבל צריך יותר ממטען כדי לשמור על זרימת אלקטרונים. החלקיקים אינם נוסעים רחוק לפני שהם נתקלים במכשול, כמו אטום שכן. זה אומר שחשמל צריך חומר שלאטומים שלו יש אלקטרונים רופפים, אותם ניתן לדפוק כדי לשמור על הזרם. סוג זה של חומר ידוע בשם מנצח. לרוב המתכות יש איכויות מוליכות, כמו הנחושת שיוצרת הרבה חוטי חשמל.
לחומרים אחרים, הנקראים מבודדים, יש אלקטרונים קשורים הרבה יותר, שאינם נדחפים בקלות. הפלסטיק שמצפה את רוב החוטים הוא מבודד, וזו הסיבה שאתה לא מקבל זעזוע מגעיל כשאתה נוגע בכבל או בתקע.
כמה מדענים ומהנדסים חושבים על חשמל כמו קצת כמו מים הזורמים דרך צינור. נפח המים העובר בקטע צינור בזמן נתון משתווה למספר האלקטרונים הזורמים דרך גדיל מסוים של תיל, אותו מודדים מדענים באמפר. לחץ המים שעוזר לדחוף את הנוזל דרכו הוא כמו המתח החשמלי. כשאתה מכפיל אמפר בוולט, אתה מחשב את ההספק או את כמות האנרגיה העוברת דרך החוט בכל שנייה, אותו מודדים חשמלאים בוואטים. הספק של המיקרוגל שלך, אם כן, הוא בערך כמות האנרגיה החשמלית שהוא משתמש בשנייה.
איך אלקטרונים נושאים מתח דרך חוטים
בהתבסס על חוק האלקטרומגנטיות, אם חוט נתפס בשדה מגנטי והשדה המגנטי הזה משתנה, הוא משרה זרם חשמלי בחוט. זו הסיבה שרוב החשמל בעולם נולד מגנרטורים, שהם בדרך כלל מכשירים מגנטיים מסתובבים. כאשר גנרטור מסתובב, הוא שולח חשמל דרך חוט מפותל סביבו.
[קָשׁוּר: הגנרטורים החשמליים הטובים ביותרעבור הבית שלך]
הפעלת עיר שלמה דורשת מחולל אדיר, אולי בגודל של בניין. אבל צריך אנרגיה כדי לייצר אנרגיה מהגנרטור הזה. ברוב מפעלי הדלק המאובנים והמפעלים הגרעיניים, מקור הדלק מרתיח מים לקיטור, מה שגורם לטורבינות לסובב את הגנרטורים שלהן. מחוללי הידרו ורוח מנצלים את תנועתו של הטבע, ומפנים מים או משבי רוח כדי לבצע את הסיבוב. פאנלים סולאריים, בינתיים, עובדים אחרת מכיוון שהם אינם זקוקים למגנטים נעים כלל. מתי האור פוגע בתא סולארי, הוא מעורר את האלקטרונים בתוך האטומים של החומר, וגורם להם לזרום החוצה בזרם.
קל יותר להעביר אנרגיה עם הרבה וולט ופחות אמפר. ככזה, קווי חשמל למרחקים ארוכים משתמשים באלפי וולט כדי להעביר חשמל מתחנות כוח. זה הרבה יותר מדי גבוה עבור רוב הבניינים, אז רשתות החשמל מסתמכות על תחנות משנה להורדת המתח עבור שקעים רגילים ואלקטרוניקה ביתית. בניינים בצפון אמריקה בדרך כלל מגדירים את המתח שלהם ל-120 וולט; רוב שאר העולם משתמש בין 220 ל-240 וולט.
זרם גם אינו זורם בכיוון אחד - במקום זאת, הוא מחליף כל הזמן כיוון קדימה ואחורה, מה שהמהנדסים מכנים זרם חילופין. זה מאפשר לו לנסוע בקטעים של עד כמה אלפי קילומטרים. חוטי צפון אמריקה מתהפכים מכיוון זרם אחד לשני 60 פעמים בכל שנייה. בחלקים אחרים של כדור הארץ, במיוחד באירופה ובאפריקה, הם מתחלפים הלוך ושוב 50 פעמים בכל שנייה.
זה מביא את הזרם לקופסת המפסק של הבניין שלך. אבל איך הכוח הזה מגיע למעשה למכשירים האלקטרוניים שלך?
[קָשׁוּר: למה אתה צריך אל פסק]
כדי לשמור על זרימת חשמל רציפה, מערכת צריכה מעגל שלם. בניינים בכל מקום מחוברים במעגלים לא שלמים. שקע שני חורים מכיל חוט "חי" אחד וחוט "נייטרלי" אחד. כשאתה מחבר מנורה, מכשיר מטבח או מטען לטלפון, אתה משלים את המעגל הזה, מה שמאפשר חשמל יזרום מהחוט החי, דרך המכשיר וחזרה דרך החוט הנייטרלי כדי לספק אֵנֶרְגִיָה.
במילים אחרות, אם אתה תוקע אצבע לתוך שקע חי, אתה משלים באופן זמני את המעגל עם הגוף שלך (קצת כואב).
עתיד החשמל
לפני זמן לא רב, חשמל עדיין היה מותרות. בסוף שנות ה-90, כמעט שליש מאוכלוסיית העולם גר בבתים ללא גישה לחשמל. מאז קיצרנו את השיעור הזה ביותר מחצי - אבל כמעט מיליארד אנשים, מרוכז בעיקר באפריקה שמדרום לסהרה, עדיין אין לך זרם.
מבחינה היסטורית, כמעט כל החשמל התחיל בתחנות כוח גדולות והסתיים בבתים ובעסקים. אבל המעבר לאנרגיה מתחדשת משנה את התהליך הזה. בממוצע, חוות שמש וחוות רוח קטנות יותר ממפעלי פחם ענקיים וסכרים. בימים גשומים ורגועים, סוללות ענק יכול לגבות אותם בכוח מאוחסן.
"מה שראינו, ומה שאנחנו יכולים לצפות לראות בעתיד, הוא התפתחות גדולה של הרשת", אומר פטרי.
[קָשׁוּר: מדוע רשת החשמל של הנרי פורד לא הפכה למציאות?]
התשתית שאנו בונים סביב חשמל עושה את ההבדל, גם עבור בריאות כדור הארץ והאנשים. בשנת 2020, רק 39 אחוז מהחשמל בעולם הגיע ממקורות נקיים כמו גרעין והידרו, בהשוואה ל-CO2-פליטת דלקים מאובנים.
למרבה המזל, יש מספיק סיבות לאופטימיות. לפי כמה חשבונות, אנרגיה סולארית היא כעת מקור האנרגיה הזול ביותר בהיסטוריה האנושית, עם כוח רוח לא הרחק מאחור. יתר על כן, מספר הולך וגדל של משתמשי שירות התקנת פאנלים סולאריים על הגג, גנרטורים סולאריים, משאבות חום, וכדומה. "הבתים של אנשים לא רק לוקחים חשמל מהרשת", אומר פטרי. "הם מחזירים את החשמל לרשת. זו מערכת הרבה יותר מורכבת".
חוקי החשמל אינם משתנים בהתאם למקום ממנו אנו בוחרים לשאוב את הזרם שלנו. אבל ההשלכות של ההחלטות שלנו לגבי איך להשתמש בכוח הזה כן חשובות.
