1. ממטען חשמלי למעגל הראשון

מן האטום אל טכנולוגיה חשמלית

במודל האטומי הבסיסי הגרעין מכיל פרוטונים חיוביים וניטרונים חסרי מטען; סביבו אלקטרונים שליליים. אטום ניטרלי מכיל אותו מספר פרוטונים ואלקטרונים. העברת אלקטרונים מגוף לגוף משנה את מטענם, אך המטען הכולל במערכת מבודדת נשמר. רמות האנרגיה של האלקטרונים בדידות; במוצק נוצרים תחומי אנרגיה המאפשרים להסביר הולכה.

שדה חשמלי מתאר כיצד מטען חשמלי היה מרגיש כוח בכל נקודה במרחב: כיוונו הוא כיוון הכוח על מטען בדיקה חיובי. פוטנציאל מתאר אנרגיה ליחידת מטען; מתח הוא הפרש פוטנציאלים. שדה יכול להתקיים גם בלי זרם הולכה, למשל בין שני לוחות מבודדים טעונים.

במוליך קיימים נושאי מטען המסוגלים לנוע בקלות יחסית. במבודד יש מעט מאוד נושאים ניידים בתנאי העבודה הרגילים. במוליך־למחצה המוליכות רגישה לטמפרטורה, לאור ולתוספת מבוקרת של זיהומים. אלה קטגוריות חומריות; גם מבודד עלול לאבד את בידודו כאשר השדה גבוה מדי.

חשמל יכול להמיר אנרגיה לחום בנגד, לתנועה במנוע, לתהליך כימי בתא נטען ולאור במנורה. חום יכול לעבור בהולכה דרך חומר או בקרינה אלקטרומגנטית גם בריק. זרם הולכה מחייב נושאי מטען בחומר, אך העברת אנרגיה בקרינה אינה מחייבת חוט. מהירות תנועתם המסודרת של האלקטרונים אינה מהירות התפשטות השינוי בשדה החשמלי לאורך המעגל.

מצב מתמיד הוא מצב שבו הגדלים כבר אינם משתנים בזמן. מצב מעבר הוא התקופה שבה הם משתנים לאחר חיבור, ניתוק או שינוי מקור. מדרגה בגרף הזרם היא מודל מתמטי של שינוי מהיר; ביישום פיזיקלי קיימים זמני מעבר. בכרך זה עיקר החישובים הם מצבי DC מתמידים; בכרך המעברים נלמד את התפתחותם בזמן.

מה זורם, ומה מניע אותו?

מטען חשמלי הוא תכונה של חומר. יש מטען חיובי ומטען שלילי; מטענים שווי סימן דוחים זה את זה ומטענים מנוגדי סימן מושכים זה את זה. יחידת המטען היא קולון, שסימנה C. במתכת האלקטרונים ניידים. גודל מטענו של אלקטרון הוא בקירוב 1.602×10⁻¹⁹ קולון, וסימנו שלילי.

זרם מתאר קצב מעבר מטען דרך חתך דמיוני של מוליך. תחילה בוחרים חץ ייחוס. זרם חיובי פירושו מעבר מטען חיובי בכיוון החץ, או מעבר אלקטרונים נגד החץ. הזרם המקובל והאלקטרונים אינם נעים באותו כיוון במתכת. אמפר אחד הוא קולון אחד לשנייה.

בזרם קבוע, כמות המטען היא מכפלת הזרם במשך הזמן. בזרם משתנה יש לסכום את המטענים בכל מקטע; הגרף של זרם כנגד זמן נותן שטח בעל סימן. זרם ממוצע אינו בהכרח ממוצע פשוט של גובה המדרגות, משום שמשך כל מדרגה עשוי להיות שונה.