קורס אלקטרוניקה

16: זרם ישר וזרם חילופין



זרם ישר
ראינו בדף מס' 6 שסוללה חשמלית היא מקור אנרגיה, או מקור מתח בזרם ישר.
בסוללה חשמלית יש קוטב חיובי וקוטב שלילי.
בזרם הזורם במעגל חשמלי, בחוטים מוליכים מתכתיים, הזרם החשמלי הוא זרם, או תנועה, של אלקטרונים הנעים במעגל החשמלי מהקוטב השלילי של הסוללה, דרך המעגל החשמלי, אל הקוטב החיובי של הסוללה.

הקטבים בסוללה החשמלית הם קבועים. דהיינו, הקוטב החיובי הוא חיובי כל הזמן, בעוד הקוטב השלילי הוא שלילי כל הזמן. לכן, כיוון הזרם החשמלי הוא אחיד וקבוע, הוא אינו משתנה. בין אם נתייחס לכיוון זרם האלקטרונים ובין אם נתייחס לכיוון הזרם החשמלי המוסכם, כל אחד מהם הוא בכיוון אחיד וקבוע כל הזמן. היוון אינו משתנה.

זרם ישר הוא זרם חשמלי בכיוון אחיד, או תנועת מטענים חשמליים בכיוון אחיד וקבוע.
זרם ישר הוא תוצאה של מתח ישר, דהיינו, זרם ישר נגרם על ידי מקור מתח ישר – מקור מתח בעל קוטביות קבועה ואחידה, קוטביות שאינה משתנה, כמו בסוללה חשמלית.

זרם ישר מסומן בראשי תיבות ז"י – ובאנגלית הוא נקרא Direct Current ובכינויו הנפוץ יותר, בראשי תיבות באנגלית: DC.

יש מספר מכשירים חשמליים שבהם הקוטביות לא משנה ולא משפיעה על אופן הפעולה של המכשיר, כמו בפנסי כיס בעלי נורות חשמל מסוג נורת ליבון.
במרבית מכשירי החשמל, כמו גם בפנסי כיס בעלי נורות מסוג LED הקוטביות משנה. אם נכניס את הסוללות הפוך (מינוס במקום פלוס), המכשיר לא יעבוד ופעמים רבות הוא גם עלול להינזק.
כמעט בכל המכשירים האלקטרוניים הפועלים על סוללות הקוטביות משנה, אם נכניס את הסוללות הפוך בשלט רחוק, למשל, הוא לא יפעל והוא עלול להינזק.

זרם חילופין
זרם חילופין הוא תנועה של מטענים חשמליים המשנה את כיוונה באופן מחזורי.
דהיינו, זרם חילופין הוא זרם המשנה את כיוונו באופן מחזורי.
במרבית המקרים, לבד מאשר בגל ריבועי, זרם החילופין גם משנה את עוצמתו באופן מחזורי.
זרם חילופין הוא תוצאה של מתח חילופין. זרם חילופין נוצר על ידי מקור מתח בזרם חילופין, או מקור מתח חילופין. משמעות הדבר היא שמקור המתח משנה את הקוטביות שלו באופן מחזורי.
זרם חילופין מסומן בראשי תיבות ז"ח – ובאנגלית הוא נקרא Alternating Current ובכינויו הנפוץ יותר, בראשי תיבות באנגלית: AC.

מתח הרשת הביתי, המסופק על ידי חברת החשמל, הוא מתח בזרם חילופין. את הסיבה לכך נביא בהמשך הקורס – היא קשורה לשיקולי עלות ויעילות של הולכת מתח החשמל.

מאחר והקוטביות של מקור מתח בזרם חילופין משתנה באופן מחזורי, למתח חילופין אין קוטביות קבועה – הקוטביות משתנה כל הזמן, באופן מחזורי.
כך, במכשירים חשמליים (כמו מכונת גילוח, למשל) בהם יש תקע חשמלי בעל 2 פינים בלבד – אין זה משנה באיזה כיוון נכניס את התקע לשקע החשמלי.
למתח החשמל בבית יש פאזה ואפס – אבל זה שונה מקוטביות המתח. פירוט יבוא בהמשך הקורס.

היסטוריה של זרם החילופין
הניסויים הראשונים שנעשו בחשמל וכן מכשירי החשמל הראשונים היו בזרם ישר. את תחילת היישום המעשי של חשמל בזרם ישר ניתן לראות בסוללה החשמלית הראשונה, אשר פותחה על ידי אלנסדרו וולטה בשנת 1800.

הממציא הראשון שהשתמש בזרם חילופין הוא, קרוב לוודאי, הנירולוג הצרפתי גיליאם דושן (Guillaume Duchenne) או (Guillaume-Benjamin-Amand Duchenne) שחי בין השנים 1875 - 1806. הוא יישם זרם חילופין לטיפולים נירולוגיים רפואיים.

זרם החילופין זכה לפיתוח ניכר ולקידום רב על ידי הפיזיקאי, מהנדס החשמל והממציא האמריקאי-סרבי ניקולה טסלה (Nikola Tesla) שחי בין השנים 1943 - 1856. טסלה נחשב בעיני רבים כאחד מגדולי הממציאים בכל הזמנים וכאחד מגדולי מהנדסי החשמל. בין החשובות שבהמצאותיו הרבות של טסלה נכללים המחולל (גנרטור) לזרם חילופין, השנאי (טרנספורמטור), המנוע החשמלי לזרם חילופין ועוד. הוא גם היה הראשון לשדר שידורי רדיו בשנת 1893, אם כי המצאת הרדיו מיוחסת בטעות לגוליילמו מרקוני (Guglielmo Marconi). ניקולה טסלה, בהיותו עובד של ג'ורג' וסטינגהאוס (George Westinghouse, Jr) תרם לשימוש בחשמל בזרם חילופין לאספקת חשמל ביתית ולתעשייה, כאשר שיטה זאת, של חשמל בזרם חילופין, גברה על שיטתו של תומאס אלווה אדיסון (Thomas Alva Edison) לאספקת חשמל בזרם ישר.

ההבדלים בין זרם ישר לזרם חילופין
בשרטוטים למטה, מצד שמאל מופיע שרטוט חשמלי של מעגל חשמלי בסיסי בזרם ישר, בו הזרם זורם בכוון אחד. מצד ימין מופיע שרטוט חשמלי של מעגל חשמלי בסיסי בזרם חילופין, בו כוון הזרם משתנה באופן מחזורי.
                     


בקישור הבא מובא איור אינטראקטיבי הממחיש באופן חזותי את ההבדלים בין מעגל בזרם ישר לבין מעגל בזרם חילופן. במעגל שבאיור נמצא מפסק בעל שלושה מצבים. מימין למעגל החשמלי, ניתן לסמן באמצעות עכבר המחשב, על כל אחד מהמצבים של המפסק: מצב מנותק (OFF) , מצב זרם ישר (DC) ומצב זרם חילופין (AC): איור אינטראקטיבי.

למטה מובא תיאור גרפי של מתח בזרם ישר:

הציר האופקי (ציר x) הוא ציר הזמן, בעוד הציר האנכי (ציר y) הוא ציר המתח. מתואר כאן מתח חיובי בזרם ישר. הקו האופקי השחור התחתון הוא נקודת מתח אפס, בעוד הקו האדום מתאר את גודל המתח. המתח הוא אחיד בגודלו ובכוונו – הוא כל הזמן חיובי, מעל נקודת האפס.

למטה מובא תיאור גרפי של מתח בזרם חילופין, בגל סינוס:

הציר האופקי (ציר x) הוא ציר הזמן, בעוד הציר האנכי (ציר y) הוא ציר המתח. הקו השחור האמצעי הוא קו מתח אפס. מעל מתח אפס מתואר מתח חיובי ומתחת מתח אפס מתואר מתח שלילי. המתח מתחיל מנקודת המתח אפס, עולה בהדרגה לכיוון החיובי, עד לנקודת השיא החיובי שלו. משם הוא מתחיל לרדת בהדרגה, חוצה את נקודת המתח אפס, משנה את כיוונו וממשיך לרדת, או, לעלות בהדרגה בעוצמתו לכיוון השלילי, עד לנקודת השיא השלילי שלו. משם הוא מתחיל לעלות, או לרדת בעוצמתו לכיוון השלילי וחוצה את נקודת האפס מתח. זהו מחזור אחד של מתח החילופין. באיור מובאים שלושה מחזורים של המתח, כל המחזורים זהים זה לזה.

כאשר המתח נהיה שלילי יותר ויותר, ניתן להגיד שהמתח יורד – אבל מדויק יותר להגיד שהמתח עולה בעוצמתו לכיוון השלילי.


הרחבות נוספות ניתן לראות בקישורים הבאים:
זרם ישר – ויקיפידיה
זרם חילופין – ויקיפידיה
זרם ישר – ויקיפידיה באנגלית
זרם חילופין – ויקיפידיה באנגלית








לדף קודם       לתוכן העניינים         לדף הבא





שאלות, הערות והצעות יתקבלו בברכה: דואר אלקטרוני E-mail



כל הזכויות שמורות.
Copyright © - 2010 ליהושע גומא,
עזריאל