משיכה משום דבר
שפשפו בלון בשיער, החזיקו אותו מעל פיסות נייר קרועות, והפיסות מזדקפות, רועדות וקופצות אל הגומי. אותו בלון גם ייצמד לקיר, וימשוך הצידה זרם דק של מי ברז. לפני ששפשפתם אותו, הוא לא עשה אף אחד מהדברים האלה.
השפשוף שינה דבר אחד: הוא הזיז מטען. והחלק המוזר הוא לא שהבלון טעון. המוזר הוא שהנייר לא טעון, ובכל זאת הוא קופץ.
מאין בא המטען
כל דבר עשוי מאטומים, ובכל אטום יש פרוטונים חיוביים בגרעין ואותו מספר של אלקטרונים שליליים סביבו. המטענים מבטלים זה את זה, ולכן דברים רגילים דוחפים ומושכים זה את זה כל כך מעט.
כששני חומרים שונים נוגעים זה בזה, אלקטרונים שעל פני השטח יכולים לעבור מאחד לשני. השיער מחזיק את האלקטרונים החיצוניים ביותר שלו חזק פחות מהגומי, ולכן השפשוף משאיר על הבלון בערך טריליון אלקטרונים עודפים, ובשיער שלכם חסר אותו מספר. עכשיו הבלון טעון במטען שלילי; השיער שלכם טעון במטען חיובי בדיוק באותה כמות, ולכן השערות מתרוממות ומתרחקות זו מזו.
גומי לא מעביר אלקטרונים דרכו, ולכן הם נשארים איפה שנחתו, על האזור ששפשפתם. לכן קוראים לזה חשמל סטטי: מטען שנשאר במקומו, במקום לזרום כזרם בחוט.
מטענים זהים דוחים, מנוגדים מושכים
שני מטענים דוחפים או מושכים זה את זה לאורך הקו שביניהם. שני מטענים שליליים נדחים זה מזה; מטען שלילי ומטען חיובי נמשכים זה לזה. הכוח גדל עם כל אחד מהמטענים ונחלש עם ריבוע המרחק ביניהם: חצו את המרווח, והדחייה או המשיכה מתחזקת פי ארבעה.
המרחב שסביב מטען מלא בשדה החשמלי שלו, שאומר לאיזה כיוון, ובאיזו עוצמה, היה נדחף מטען חיובי קטן בכל נקודה. סביב הבלון השלילי השדה מצביע פנימה, לכיוון הבלון.
למשוך משהו ניטרלי
בפיסת נייר יש מספר שווה של מטענים חיוביים ושליליים, כך שלכאורה לבלון אין במה לאחוז. אבל המטענים בנייר לא מקובעים במקומם. בנייר יש תמיד מעט מים, והם מאפשרים להם לזוז קצת. ליד הבלון השלילי, האלקטרונים של הפיסה נסחפים לצד הרחוק שלה ומשאירים בצד הקרוב חוסר באלקטרונים, ולכן הוא חיובי במקצת.
הפיסה עדיין ניטרלית בסך הכול. המטענים שלה רק זזו, וזה נקרא קיטוב. אבל עכשיו הצד החיובי שלה קרוב לבלון יותר מהצד השלילי. המשיכה של המטענים החיוביים הקרובים גוברת על הדחייה של המטענים השליליים הרחוקים, כי הכוח נחלש עם המרחק, והפיסה נמשכת פנימה.
נסו: פתחו את הצגת מטענים ושדה והסתכלו על ה־+ וה־− של פיסה ליד קצה הלוח. אחר כך הזיזו את מטען מהשפשוף אל 0 nC, וראו אותם מתערבבים שוב.
כיוון שהמטען של הבלון גם יוצר את התזוזה וגם מושך אותה, הכפלת המטען מגדילה את המשיכה פי ארבעה. וכיוון שגם התזוזה וגם ההפרש במרחקים קטנים ככל שהבלון מתרחק, המשיכה דועכת מהר מאוד: במודל הזה, הכפלת המרחק מהמטען מקטינה אותה בערך פי שלושים.
נסו: הזיזו את מטען מהשפשוף אל 400 nC, ואז גררו את מרווח מעל הנייר מ־3 cm אל 10 cm. הפיסות נופלות בחזרה ככל שהמרווח גדל, ואף אחת לא מתרוממת כשהבלון במרחק כף יד.
למה נייר טישו קופץ ראשון
פיסה מתרוממת כשהרכיב כלפי מעלה של המשיכה גובר על המשקל שלה. נייר טישו שוקל בערך רבע מנייר מדפסת באותו גודל, ולכן הוא מתרומם מוקדם יותר, ממרחק גדול יותר ומבלון ששופשף פחות. לפני שפיסה מתרוממת, היא מזדקפת לעיתים קרובות על אחת משפותיה: כך היא מסתובבת ומתיישרת עם השדה, ואז המטענים שלה יכולים לזוז רחוק יותר והמשיכה מתחזקת עוד יותר.
קווי השדה בסצנה מספרים את אותו סיפור. הם מסתיימים על המטענים השליליים של הבלון, וליד פיסה הם מתעקלים ויוצאים מהצד החיובי שלה, שבו נמצאים המטענים שזזו.
ניצוצות ומכות חשמל
מטען יכול להצטבר רק עד גבול מסוים. כשהשדה ליד גוף טעון נעשה חזק מספיק, הוא תולש אלקטרונים ממולקולות האוויר, והאוויר מוליך לרגע: ניצוץ. לכו על שטיח ניילון במזג אוויר יבש, ותוכלו לצבור מספיק מטען כדי שניצוץ יקפוץ מקצה האצבע שלכם אל ידית של דלת. ענן סערה עושה את אותו הדבר בקנה מידה עצום, והברק הוא הניצוץ שלו.
אוויר לח מקשה על כל זה. שכבה דקה של מים על משטחים מאפשרת למטען לדלוף, ולכן תעלולי חשמל סטטי מצליחים הכי טוב בימים קרים ויבשים.
מה המודל הזה משמיט
הסצנה מתייחסת לאזור המשופשף כאל מטען נקודתי יחיד ממש בתוך הבלון, ולכל פיסה כאל חרוז מוליך קטן ברוחב הפיסה עצמה. כך המשיכה מקבלת את הצורה הנכונה, עולה בחדות עם המטען ויורדת בחדות עם המרחק, והכוחות יוצאים בגודל הנכון לנייר אמיתי; זו לא מדידה. גם הלוח מגיב לשדה ומוסיף מעט למשיכה, ופיסות אמיתיות שונות זו מזו יותר מאלה.
ברגע שפיסה נוגעת בבלון, חלק מהאלקטרונים של הבלון יכולים לעבור אליה. אז היא טעונה כמו הבלון ועלולה להיזרק ממנו שוב, ולכן פיסות קופצות לפעמים למעלה ולמטה. הסצנה משאירה כל פיסה ניטרלית, כך שהדבר היחיד שמחזיק אותה הוא התזוזה של המטענים שלה עצמה.