PROFILPELAJAR.COM

מכשירי חשמל

למעלה: לייזרים, במרכז: קומקום חשמלי למטה: רחפן

מכשיר חשמלי הוא כל כלי או מכונה המשתמש באנרגיה חשמלית כמקור האנרגיה העיקרי לפעולתו.

היסטוריה

השימוש האנושי בכלים הוא פרה-היסטורי. המין האנושי עשה שימוש בכלים שונים משחר התפתחותו. בתחילה, מקור הכוח ששימש להפעלת הכלים היו שרירי האדם עצמו. ככל שהתפתחה הציווילזציה, רתם האדם מקורות כוח חיצוניים לו להפעלת הכלים: בתחילה, היה זה כוחם של בעלי חיים. לאחר מכן הוחל בניצול האנרגיה הטמונה בכוחות הטבע של זרימת מים ורוח.

בסוף המאה ה-17 הומצא מנוע הקיטור, ובמהרה נוצל הקיטור להפעלת מגוון רחב של כלים ומכונות, ואף להמצאתם של חדשים. התפתחות זו הייתה אחד הגורמים למהפכה התעשייתית.

על אף שתופעות חשמליות היו ידועות לאדם זה מכבר, רק באמצע המאה ה-19 התגלו חוקי הפיזיקה העומדים מאחורי תופעות אלו, והוחל בפיתוח האמצעים שיאפשרו את השימוש באנרגיה חשמלית להפעלת מכשירים – מאמצעי ייצור החשמל, הפצתו, וכמובן הטמעתו כמקור אנרגיה במכשירים השונים. כמו עם המצאת מנוע הקיטור, המעבר לשימוש באנרגיה חשמלית איפשר התפתחות מהירה של מכשירים רבים נוספים ואף ענפי משק שלמים חדשים, התפתחות הממשיכה עד עצם היום הזה.

אבני דרך

המאה ה-19

העשור הראשון של המאה ה-19 – נורת קשת פחם (אנ').
העשור השלישי של המאה ה-19 – מנוע חשמלי הודגם לראשונה בשנת 1821 על ידי מייקל פאראדיי. בשנת 1832 הודגמה לראשונה מכונה הפועלת באמצעות מנוע חשמלי על ידי ויליאם סטרג'ן.
העשור הרביעי של המאה ה-19 – התחלת הפיתוח של הטלגרף ב-1834, וסיומו ב-1838. היישום המעשי הראשון של הטלגרף התרחש ב-1844.
העשור השביעי של המאה ה-19 – הדגמה של מכונה דמוית פקס.
העשורים השביעי והשמיני של המאה ה-19 – ממציאים שונים מפתחים סוגים של נורת להט.
העשור השמיני של המאה ה-19 – הטלפון.
1893 – מכשיר הרדיו הראשון נבנה על ידי ניקולה טסלה.

המאה ה-20

1924 – מוצג מכשיר הטלוויזיה הראשון.
שנות השלושים של המאה ה-20 – המחשב.
1941 – מעגל מודפס.
1947 – תנור מיקרוגל.
1958 – מעגל משולב ("צ'יפ").
1960 – לייזר.
1969 – מדפסת לייזר.
1984 – זיכרון הבזק.

המאה ה-21

2000 – דיסק און קי.

שימוש בחשמל במכשירים

אנרגיה חשמלית ניתנת לניצול במכשירים בשלושה אופנים:

תנועה – על ידי ניצול התכונות המגנטיות של החשמל ניתן לגרום לתנועה של רכיבים שונים. האמצעים העיקריים המשמשים להנעת מכשירים חשמליים הם מנועים וסולנואידים.
חום – למוליכות חשמלית תכונה של פליטת אנרגיה בצורת חום. חימום באמצעות חשמל מתבצע על ידי גופי חימום.
אור – האנרגיה החשמלית מנוצלת ליצירת שדות חשמליים הגורמים לפליטת פוטונים.

מכשירי חשמל רבים עושים שימוש בשניים או אף בכל שלושת האופנים הללו. לעיתים קרובות על אף שתפוקת המכשיר נראית כסוג מסוים מתוך השלושה, בפועל היא נעשית באופן אחר. לדוגמה, על אף שנורת להט משמשת להפקת אור, הרי שהאמצעי בו היא עושה שימוש הוא דווקא חום, כשהאור הוא תוצר לוואי של החום שהיא מייצרת. דוגמה נוספת היא חימום באמצעות מזגן – על אף שהתוצר הוא חום, האמצעי שמייצר את החום הוא תנועה של מנוע המזגן.

תכונות

הספק

ערך מורחב – הספק חשמלי

התכונה החשובה ביותר של מכשיר חשמלי היא ההספק שלו. מתכונה זו נגזרות כל יתר תכונותיו. ההספק של מכשיר נקבע על ידי העבודה אותה המכשיר מיועד לבצע. ההספק מאלץ תכונות של פיזור חום, בידוד חשמלי וחוזק חומרים במכשיר, ואלו בתורן מכתיבות את הגודל המינימלי של המכשיר. באופן הפוך, מגבלות על גודלו של מכשיר חשמלי מכתיבות הגבלה של ההספק שלו (למשל הצורך להחנות מכונית חשמלית בחניה בגודל סטנדרטי מכתיב את גודלה, וזה מציב גבול עליון להספק האפשרי שלה וכפועל יוצא גם לטווח הנסיעה שלה).

טווח ההספק של מכשירי חשמל נע ממכשירים הצורכים מילי-ואטים בודדים (למשל להפעלת שעון יד) ועד למכשירים הצורכים עשרות מגה-ואטים (למשל משאבות של באר נפט).^[1]

מקור מתח

ערך מורחב – ייצור חשמל

מקור המתח של מכשיר חשמלי מספק למכשיר את האנרגיה הדרושה להפעלתו. מקור המתח נבחר בהתאם להספק של המכשיר – ככל שהספק המכשיר גבוה יותר, נדרשת רמת מתח גבוהה יותר להפעלתו. מקורות המתח העיקריים הקיימים הם:

רשת חשמל – החשמל מיוצר בתחנת כוח או על ידי גנרטורים, ומגיע אל המכשיר באמצעות מערכת חלוקה. שיטה זו מאפשרת הזנה של סוגי מכשירים רבים, כל עוד הם נמצאים בקרבה לרשת החשמל. רשתות חשמל מוגבלות ביכולתן לספק חשמל כפונקציה של כושר הייצור שלהן מחד, וכמות הצרכנים המוזנת מהן מאידך. בדרך כלל רשתות חשמל מסוגלות לספק חשמל למכשירים שהספקם אינו עולה על מאות קילו-ואט – מכשירים גדולים יותר עלולים לגרום לתקלות ברשת. ברוב העולם שיטת האספקה של מתח מהרשת היא מתח חילופין (AC) 220 וולט (חד פאזי) או 400 וולט (תלת פאזי) ובתדר 50 הרץ. רוב מכשירי החשמל המוזנים מרשתות חשמל פועלים במתחים הללו. עם זאת, ניתן לקבל חיבורי רשת גם במתחים גבוהים יותר, המאפשרים הפעלת מכשירים הדורשים מתח גבוה יותר.
גנרציה עצמאית – עבור מכשירי חשמל בהספקים גדולים במיוחד, או כאלה שאין אפשרות – פיזית או כלכלית – לחברם לרשת החשמל, מותקנים גנרטורים (אחד או יותר) המשמשים להפעלתם.
מצברים וסוללות – מצברים וסוללות יכולים לספק את האנרגיה החשמלית הנדרשת למכשיר. השימוש בסוללות יעיל ביותר כאשר מדובר במכשיר שאינו יכול להיות מחובר לרשת החשמל או לגנרטור, למשל עקב ניידות המכשיר שמאלצת אותו לשאת את מקור האנרגיה עימו, אך קיימים גם מכשירים המוזנים מסוללות מסיבות אחרות, למשל בגלל גודל פיזי קטן שאינו מאפשר חיבורם לרשת חשמל (ראו להלן).

כאמור, מקורות המתח מספקים את החשמל למכשירים בשיטות שונות. מכשירי חשמל שונים צורכים מתחים שונים – הן מתחי DC ברמות שונות (הנפוצות הן 12, 24 ו-50 וולט) והן מתחי AC מ-12 ועד אלפי וולט. לעיתים המתח הדרוש להפעלתו של מכשיר חשמלי אינו זהה למתח המסופק לו או שהמכשיר כולל רכיבים הפועלים במתחים שונים – במקרים אלה יכלול המכשיר ממירי זרם ושנאים שהופכים את המתח אותו הוא מקבל מהמקור למתח הדרוש להפעלתו.

ניידות

באופן כללי, ניתן לחלק את מכשירי החשמל לשלושה סוגים בהתאם לניידות שלהם:

מכשירים נייחים – אלו הם מכשירים המקובעים למקומם, כגון מזגן, רמזור או משאבה. מכשירים אלו יחוברו בדרך כלל לרשת החשמל והם יכולים להגיע להספקים גבוהים מאוד, שכן אינם מוגבלים במשקלם – ניתן להציב אותם ישירות על הקרקע או לבנות עבורם קונסטרוקציה קבועה שתישא את משקלם.

במידה והם מרוחקים מרשת החשמל יותקן עבורם גנרטור. במקרים נדירים יותר, פועלים מכשירים אלו באמצעות סוללות – בדרך כלל כאשר הם מותקנים במקומות שאינם מאפשרים הזנתם באף אחת מהדרכים הללו. הזנת מכשיר בסוללות מחייבת שיטה להחלפתן על מנת להבטיח פעולה רצופה של המכשיר.

פתרון נוסף, חדשני, הוא הזנת מכשירים כאלה באמצעות פאנלים סולאריים, אולם פתרון זה חלקי בלבד כיוון שאינו יעיל כאשר אין קרינת שמש ישירה – בשעות הלילה ובעננות רבה.

מכשירים ניידים – מכשירי חשמל ניידים הם מכשירים הנושאים את עצמם ממקום למקום באמצעות מנוע חשמלי המותקן בהם. מכשירים אלו יכולים לכלול בתוכם את מקור המתח (כדוגמת רחפן) או להיות מחוברים בכל מהלך תנועתם למקור מתח חיצוני (כדוגמת חשמלית). כאשר מכשיר נייד נושא את מקור המתח עליו, טווח הפעולה שלו בהכרח מוגבל ומקור המתח חייב להיטען או להיות מוחלף על מנת שהמכשיר ימשיך בפעולתו.
מכשירים מיטלטלים – מכשיר מיטלטל הוא מכשיר אשר אינו מקובע למקומו, אך אינו מניע את עצמו כי אם מועבר ממקום למקום על ידי אמצעי אחר – במקרים רבים נישא על ידי אדם, אולם קיימים גם מכשירים מיטלטלים כבדים הדורשים אמצעים להעברתם. מכשירים מיטלטלים עשויים להיות מוזנים מרשת החשמל באמצעות פתיל זינה, או ממקור הנמצא בתוכם כסוללות. מכשירי חשמל ביתיים וכלי עבודה חשמליים רבים הם מכשירים מיטלטלים.

בקרה

מכשירי חשמל מאפשרים רמות שונות של בקרה על פעולתם, וניתנים לתכנון ובניה כך שניתן לשלוט על פעולתם עד לרמת דיוק גבוהה ביותר. השליטה על פעולות המכשירים יכולה להיות באופן ידני, באופן אוטומטי, או שילוב של השניים. מכשירים רבים כוללים לוח בקרה הכולל ממתג בודד ועד מאות מתגים מסוגים שונים המאפשרים את הפעלת המכשיר באופן מיטבי.

תנאי סביבה

למכשירי חשמל רגישות גבוהה מאוד לתנאי סביבה – הם מכילים רכיבים העלולים להיפגע כתוצאה מתנאי סביבה וכן מצורת ההפעלה. הפעלת מכשיר חשמלי בטמפרטורה חמה מזו לה הוא תוכנן פוגעת בבידוד החיווט הקיים בו וכתוצאה מכך לקצר חשמלי ולשריפתו. פעולה בתנאי לחות או רטיבות עלולה להוביל לקצר כתוצאה מפריצות מתח – ברכיבים קטני ממדים (דוגמת מעגל מודפס) תוצאה כזו יכולה להיגרם אף מאבק שנכנס למערכת. טילטול של מכשיר חשמלי, גם במהלך פעולתו הרגילה, עלול להוביל להתרופפות של חיבורים חשמליים, לניצוצות להתחממות ולשריפה.

עם זאת, ניתן להתאים כמעט כל מכשיר חשמלי לעבודה בכל תנאי סביבה.

בטיחות

במכשירי חשמל רבים טמונים סיכונים בטיחותיים. הסיכון הבולט הוא התחשמלות, ועל מנת למנעה מכשירי חשמל הפועלים במתח מסוכן כוללים בידוד המונע מגע בחלקיהם המחושמלים. עם זאת, כאמור לעיל, בידוד זה עלול להיפגע ולחשוף אנשים ובעלי חיים לסכנת התחשמלות.

סכנה נפוצה נוספת היא חימום וניצוצות – מכשירי חשמל (למשל תנורי חימום) עשויים לפעול בטמפרטורות גבוהות מאוד, שבקרבה לחומרים דליקים עשויה להצית אותם. בנוסף, מכשירים רבים יוצרים בעצם פעולתם ניצוצות, אשר עלולים לגרום להתלקחות ולפיצוץ בסביבה של חומרים דליקים (למשל אדי דלק) או נפיצים.

הפעלה ותחזוקה

צורת ההפעלה של מכשירי חשמל נעשית בהתאם לתפקידם. קיימים מכשירים אשר מופעלים או מופסקים באמצעות מפסק ידני או אוטומטי או שילוב של השניים, מכשירים הפועלים כל הזמן (למשל מקרר), מכשירים שדורשים מפעיל בכל מהלך הפעלתם (למשל מלגזה) ועוד.

ההפעלה הפשוטה ביותר היא הדלקה וכיבוי, אולם כאמור לעיל היכולת לבצע בקרה מדויקת במכשירי חשמל הובילה לכך שלרבים מהם אמצעי הפעלה, שליטה, כוונון וקלט ברמות תחכום גבוהות (למשל מחשב).

תחזוקה של מכשירי חשמל מורכבת ממגוון רחב של פעולות, התלויות גם בסוג המכשיר. ככל שמדובר במכשיר שנועד לשימוש ממושך יותר כן עולה הכדאיות של תחזוקתו, ובדרך כלל גם מתרבים האמצעים לכך. מכשירים רבים כוללים בתוכם גם מנגנוני התראה בפני תקלות. עם זאת, בשל הסיכונים הטמונים במכשירי חשמל, פעולות תחזוקה רבות מומלצות לביצוע רק על ידי אנשי מקצוע. ישנן מספר פעולות תחזוקה נפוצות:

הגנה מפני נזקים – ניתוק ממקור הזינה של מכשירים שאינם מופעלים לאורך זמן.
טיפול במקור ההזנה – החלפה של סוללות וניקוי החיבורים אליהן, חיזוק של פתילי הזנה והחלפה של פתילים פגומים, החלפה של ספקי מתח פגומים.
טיפול ברכיבים פנימיים – ניקוי פנימי מאבק ולכלוך אחר, בדיקה בראיה של תקינות רכיבים, מדידה של תקינות הבידוד, החלפה של רכיבים עם סימני נזק.
מכשירים רבים כוללים רכיבים שאינם דווקא חשמליים, אך תחזוקתם משפיעה על התפקוד התקין של המכשיר. כך למשל ניקוי מסנני אבק של מזגנים עשוי להפחית את צריכת החשמל ואף להאריך את חיי המנוע, ניקוי מסנני מכונת כביסה מגן על המשאבות מעומס יתר, שמירה על איטום תקין במקרר מגינה על המנוע מפעולה רצופה והתחממות יתר, וכדומה.

תקלות

תקלות נפוצות ברכיבים החשמליים של מכשירי חשמל:

פגיעה בבידוד היוצרת קצר. הקצר יכול לגרום לפגיעה פיזית במכשיר (עקב היווצרות חום רב) או שריפה. קצר המוביל לחישמול של גוף המכשיר עלול לגרום התחשמלות.
תקלות עקב עומס יתר – העמסה של המכשיר מעבר ליכולתו עלולה לגרום להתחממות, לפגיעה בבידוד, לפגיעה בהלחמות, ולהתכת מוליכים. גם פגיעה מכנית עשויה להוביל לעומס יתר ולקצר – למשל עיוות (אפילו קל) של הציר במנוע חשמלי.
חדירת מים למכשיר חשמלי עלולה לגרום לקצר.
נחשולי מתח הנובעים ממקורות חיצוניים – ברקים ואף רשת החשמל עצמה – עלולים לגרום לפריצת הבידוד ולהרס המכשיר, במיוחד ברכיבי בקרה.
פגמים בייצור של רכיבים במכשיר המקצרים את אורך החיים שלהם.

השפעה בריאותית

מכשירי חשמל, והמערכות המזינות אותם, יוצרים שדה מגנטי בקרבתם. מחקרים שונים שנעשו לא מצאו ראיות חד משמעיות להשפעה של שדות אלו על בריאות אדם ובעלי חיים, ונכון לעשור השני של המאה ה-21 אין מידע מבוסס מספיק כדי לקבוע חד-משמעית אם בשדה המגנטי שיוצרים מכשירים חשמליים קיימת סכנה ממשית לבריאות. עם זאת, גופי איכות סביבה שונים ממליצים על נקיטת זהירות מונעת.^[2]