חשמל זורם בכפות ידיך

מחקר חדש בוחן את השאלה האם חשמל הוא זרם אלקטרונים או סוג של נוזל

מאז ומתמיד תיארו ספרי הלימוד בפיסיקה את החשמל כזרם אלקטרונים. כאשר זרם זה עובר דרך חומר מוליך, כמו חוט נחושת, מתנגשים האלקטרונים באטומים של החומר – והדבר גורם להתנגדות אשר מאטה את הזרימה. מעבר לכך, בהתאם לחוק אוהם, זרם חשמלי בחומר מוליך תמיד יזרום ממתח גבוה לנמוך. לעומת זאת, לו התנהג זרם האלקטרונים כמו זרם נוזלי, היו רוב ההתנגשויות מתרחשות לא בין האלקטרונים לבין חלקיקים אחרים אלא בין האלקטרונים עצמם – כפי שקורה במים ובנוזלים אחרים, שם מתנגשות המולקולות של הנוזל בינן לבין עצמן. לו היה אפשר להוכיח כי אלקטרונים מסוגלים להתנהג בדומה לנוזלים, הייתה הוכחה זו פותחת כיוון חדש לגמרי בחקר תכונותיו של הזרם החשמלי ובשינוי תכונות אלה.

האם זרם חשמלי מסוגל לסגל לעצמו תכונות נוזליות? התשובה לשאלה זו עשויה להוביל לכתיבתו של פרק חדש בספרי הלימוד בפיסיקה בסיסית. במחקר חדש, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics, גילו פרופ’ גריגורי פלקוביץ ממכון ויצמן למדע ופרופ’ לאוניד לביטוב מהמכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס כי, למרבה הפלא, יכול הזרם, במקרים מסוימים, לזרום הפוך – ממתח נמוך לגבוה.

פרופ’ פלקוביץ, מומחה להידרודינמיקה במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, הציע לערוך מבחן קלאסי לנושא. אם זרם חשמלי יתנהג כמו נוזל, אז הוא אמור ליצור מערבולות בתנאים מסוימים – כפי שעושים כל הנוזלים. במערבולות אלה מסתובב הזרם סביב ציר, כך שחלק מהנוזל זורם לכיוון הפוך ממנו התחילה הזרימה. מערבולות אלה נוצרות מפני שחלקיקי הנוזל מגיבים אחד עם השני. כאשר דוחפים אותם לכיוון מסוים, החלקיקים מעבירים חלק מהתנופה לשכניהם, ובזאת מסיטים את תנועת החלקיקים האחרים הצידה וגורמים להם להסתובב סביב עצמם. אלה המערבולות שמאפשרות, לדוגמה, לדגים לשחות: הדגים מפתלים את גופם בתנועות גליות, אשר יוצרות מערבולות לצדדיהם, שדוחפות אותם קדימה.

פרופ’ פלקוביץ ופרופ’ לביטוב פיתחו מודל תיאורטי שהראה כי זרם חשמלי אכן מייצר מערבולות. המדענים ערכו חישובים המתארים את זרימת האלקטרונים במערכת פשוטה ביותר – משטח צר ודו-ממדי המורכב מאטומי פחמן, הקרוי “גרפן”. חישובים אלה הראו כי כאשר זרם החשמל – הנע בשדה חשמלי בין המינוס לפלוס, או ממתח גבוה לנמוך – מגיע לקצה המשטח, האלקטרונים פונים הצידה ולאחר מכן אחורה, כך שהם זורמים לכיוון ההפוך – כמו במערבולות במים – מהפלוס למינוס.

תגלית זו מצביעה על האפשרות לזוויות חדשות לחלוטין בחקר הזרמים החשמליים, שייתכן ולפעמים מצטלבות בתחום דינמיקת הנוזלים. בנוסף, מכיוון שחלקיקים בנוזל משפיעים אחד על השני ממרחק, עשויים מחקרים אלה להוביל, בעתיד, לדרכים חדשות לשלוט מרחוק בזרמים חשמליים בהתקנים אלקטרוניים.

ממצאיו של מחקר תיאורטי זה אוששו באחרונה בניסוי שביצעו בבריטניה מדענים זוכי פרס נובל בפיסיקה לשנת 2010 על גילוי הגרפן. במחקר בלתי תלוי שלא היה קשור לעבודתו של פרופ’ פלקוביץ, בנו מדענים אלה התקן הדומה להתקן התיאורטי המתואר במאמרם של פרופ’ פלקוביץ ופרופ’ לביטוב. כפי שדווח בכתב-העת המדעי Science, הצליחו המדענים לצפות בניסוי בזרם חשמלי שהתנהג כמו זרם נוזלי ויצר מערבולות.