חשמל סטטי
שערותיכם יסמרו בלי שתיבהלו
כיצד יכול עצם אחד למשוך או לדחות עצם אחר דרך חלל ריק?
רעיון ה"פעולה מרחוק" היה אחד הרעיונות שמדענים, פילוסופים ואנשים מן השורה התקשו ביותר לקבל במהלך ההיסטוריה. אפילו היום, ילדים מופתעים לראות שמגנט אחד מושך מגנט אחר בלי לנגוע בו.
מדענים "פתרו" את הבעיה על ידי הגדרת מושג שבעזרתו הם מסבירים את התופעה ובמקרה שלנו הגדירו את המושג השדה; שדות נוצרים על ידי מקורות, ממלאים את המרחב, ופועלים על עצמים. אבל את השדות הללו אי אפשר לראות, ואפשר לגלות אותם רק באמצעות פעולתם על עצמים, כך שהקושי נותר בעינו.
כוחות חשמליים
כל תלמיד לומד אודות מטענים חשמליים כי "מטענים דומיםדוחים זה את זה ומטענים מנוגדים מושכים זה את זה", אבל לעולם אין אומרים להם מדוע כך הדבר. האם ייתכן עולם שבו מטענים דומים מושכים זה את זה ומטענים מנוגדים דוחים זה את זה? עולם כזה יהיה בוודאי שונה מאוד מעולמנו שלנו! התשובה טמונה עמוק בתוך הפיסיקה התיאורטית וקשה מאד להבנה, אבל את השאלה קל להבין והיא מדגימה את גישת המדע אל העולם.
הראשונים שגילו, בתחילת המאה ה-18, כי למעשה קיימים שני סוגים של מטענים חשמליים, חיוביים ושליליים, היו שרל פראנסואה דה סיסטרני דיפיי בצרפת ובנג'מין פראנקלין באמריקה. (פראנקלין מפורסם גם בעפיפונים שהיה מעיף במהלך סופות רעמים במטרה לחקור את טבע הברק, מעשה שניצל ממנו רק בנס, וכן בהשתתפותו בניסוח הצהרת העצמאות של ארה"ב.) למעשה, דיפיי היה הראשון שהבחין כי מטענים חשמליים יכולים למשוך זה את זה או לדחות זה את זה - והדבר תלוי ב"סימן" שלהם. פראנקלין גילה כי מטענים יכולים לזרום, ופיתח תיאוריה של "נוזל חשמלי", בלי שהיה לו כמובן מושג כלשהו מהו זה שנושא את המטענים החשמליים.
מכונות ליצירת חשמל סטטי ולמדידתו
כבר בעת העתיקה היה ידוע כי כאשר משפשפים חתיכת זכוכית, למשל, בפיסת פרווה, הזכוכית בעלת תכונות מוזרות, כגון היכולת למשוך ולהרים פיסות נייר קטנות. חיכוך אינו דרך יעילה ביותר ליצירת חשמל סטטי, אבל עד שלהי המאה ה-18 זו היתה הדרך המוכרת היחידה, ונבנו מכונות חיכוך מתוחכמות שבעזרתן הצליחו לייצר מתחים גבוהים למדי.
כדי למדוד מתחים אלה, נבנה מכשיר הקרוי אלקטרוסקופ, שהיה מבוסס על העיקרון של דחייה בין מטענים דומים. עלה מתכת דק היה תלוי בצמוד למוט מאונך. כאשר הפעילו מתח על המוט, העלה נטען גם הוא במטען חשמלי, וכתוצאה מכך העלה נדחה מן המוט. המרחק שאליו נדחה העלה הצביע על גודל המתח.
שערות סומרות
זהו בדיוק העיקרון שעל פיו פועל המוצג שלנו. במכונת "ווימסהרסט" נטענים זוג כדורי מתכת גדולים במטענים חיוביים ושליליים (כל כדור במטען אחר). השערות המודבקות לכדורי המתכת נטענות באותו המטען כמו הכדור אליו הן מודבקות. כתוצאה מכך השערות נדחות מן הכדור ("מטענים דומים דוחים זה את זה") וגם נדחות זו מזו - ולכן הן סומרות! ניסוי כזה אפשר לעשות גם עם בן אדם. להצלחת הניסוי חשוב להקפיד ששום זרם לא יזרום דרך גופו של האדם, אבל יש להזהר מאד. כלומר מרחיקים את הבן אדם מן האדמה ומעצמים סמוכים. אם תנהגו בזהירות המתח הגבוה המופעל על גופו של האדם לא יזיק ולא יורגש כלל, בעוד ששערותיו יסומרו.
בחיי היומיום אנו נתקלים לפעמים בחשמל סטטי כאשר אנו יוצאים ממכונית או פושטים אפודה מעל לראש. החיכוך בין המכונית לבין אוויר הדרך או בין האפודה לחולצה טוען אותנו במטענים חשמליים. (הדבר קורה במיוחד בירושלים, שם האוויר היבש מהוה מבודד טוב ומונע זרימה של המטענים הללו מגופנו.) אנו עשויים לחוש כי השערות הדקות שעל זרועותינו סומרות, אבל כאשר אנו נוגעים במשהו, המטען מתפרק מגופנו, והזרם יכול להיות מכאיב למדי ויכול אפילו ליצור ניצוצות קטנים, הנראים בחשכה.
דיו ועשן
החשמל הסטטי אינו יכול לפגוע בעסקיהם של יצרני מסרקים או מיישרי שערות. אך לחשמל הסטטי יש שימוש טכנולוגי מענין אחר: במכונות צילום, במדפסות לייזר, ובמכשירי פאקס חדישים המשתמשים בנייר רגיל. כיצד ניתן לתרגם צורות תמונות ומראות לתבנית של צבע או דיו על דף נייר?
הצילום במצלמה פתר את הבעיה בתחילת המאה ה-19, אבל עד היום כרוך תהליך הצילום בתגובות כימיות איטיות ובנייר מיוחד.
מכונות צילום מסמכים מבוססות על עיקרון אחר: שימוש בחומר מיוחד המתנהג בצורות שונות בהיותו בחשכה ובאור. כאשר הוא נמצא בחושך הוא מבודד מבחינה חשמלית, וכשטוענים אזור מסוים בו במטען חשמלי, המטען אינו מתפזר לסביבתו הקרובה, אבל בחשיפה לאור מתרחשת פריקה חשמלית מקומית. משטח העשוי מחומר זה שמצופה במטענים חשמליים ונחשף לתמונה. התוצאה: בכל מקום שיש בו אור, מתרחשת פריקה חשמלית מהמשטח. למשל, תמונה של דף מודפס שיש בו אותיות שחורות על רקע לבן, רק המקום שהאותיות כיסו את הנייר נותרות טעונות. לאחר מכן מקרבים את המשטח לאבקת דיו, הנמשכת רק אל האזורים הטעונים, המשיכה היא משיכה אלקטרוסטטית של המטענים לבין המקום שבו לא פגע האור בחומר, כלומר, אל תבניות האותיות. לאחר מכן מהדקים את המשטח אל נייר האבקה הנמשכת אליו, וכך מודפסים התמונה או התמליל.
תהליך זה הוא מהיר מאוד, עושה שימוש בנייר רגיל, ומייצר תמונות שאיכותן יכולה להתחרות באיכותם של תצלומים. מאז שניתן לבצע תהליך דומה גם לצילום צבעוני, זייפני שטרות כסף כבר החלו להשתמש בתהליך זה...
שימוש אחר, בחשמל סטטי נפוץ פחות אך יעיל מאד, נעשה במסנני בארובות בתחנות כח ובמפעלים אחרים המייצרים זיהום אויר בצורת חלקיקים. אם מעבירים את העשן בארובות בין שני משטחים הטעונים במתח גבוה, החלקיקים נמשכים אל האלקטרודות והעשן "מתנקה". אם מישהו היה ממציא מסנן אלקטרוסטטי שניתן להרכיבו בתוך סיגריות, הוא היה יכול להציל את חייהם של מיליוני אנשים והיה מרוויח כסף רב!