חשמל זורם בכפות ידיך

מדעני המכון פיתחו מודל תיאורטי, שהראה כי זרמים חשמליים יכולים ליצור מערבולות, המתנהגות כמו מערבולות של נוזל. תגלית זו מצביעה על כיוונים חדשים בחקר הזרם החשמלי.

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 לטכנולוגיה של מסצ'וסטס (MIT), כי גילו שאכן, זרם חשמלי יכול, במקרים מסוימים, לזרום הפוך – ממתח נמוך לגבוה.

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 מאיטה את הזרימה. בגלל ההתנגדות, בהתאם לחוק אוהם, זרם חשמלי בחומר מוליך תמיד יזרום ממתח גבוה לנמוך. לעומת זאת, אילו 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.

פרופ' פלקוביץ, מומחה להידרודינמיקה במחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות, הציע לבצע מבחן קלאסי בנושא. אם זרם חשמלי יתנהג כמו נוזל, כי אז הוא אמור, בתנאים מסוימים, ליצור מערבולות – כפי שעושים כל הנוזלים. במערבולות אלה מסתובב הזרם סביב ציר, כך שחלק מהנוזל זורם בכיוון הפוך לזה שממנו התחילה הזרימה. מערבולות אלה נוצרות מפני שחלקיקי הנוזל מגיבים אחד עם השני. כאשר דוחפים אותם בכיוון מסוים, החלקיקים מעבירים חלק מהתנופה לשכניהם, ובזאת מסיטים את תנועת החלקיקים האחרים הצידה, וגורמים לכך שהם מסתובבים סביב עצמם. אלה המערבולות שמאפשרות, לדוגמה, לדגים לשחות: הדגים מפתלים את גופם בתנועות גליות, תנועות אלה יוצרות מערבולות בצדדיהם, והמערבולות דוחפות אותם קדימה.

פרופ' פלקוביץ ופרופ' לביטוב פיתחו מודל תיאורטי, שהראה כי זרם חשמלי אכן יוצר 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, אשר נע בשדה חשמלי בין הקוטב השלילי לזה החיובי, או ממתח גבוה למתח נמוך, מגיע לקצה המשטח, פונים האלקטרונים הצידה, ולאחר מכן לאחור, כך שהם זורמים בכיוון ההפוך – כמו במערבולות במים – מהקוטב החיובי אל הקוטב השלילי.

תגלית זו מצביעה כי תיתכנה זוויות חדשות לחלוטין בחקר הזרמים החשמליים, שייתכן כי לפעמים תצטלבנה עם תחום דינמיקת הנוזלים. בנוסף, מכיוון שחלקיקים בנוזל משפיעים זה על זה ממרחק, עשויים מחקרים אלה להוביל, בעתיד, לפיתוח דרכים חדשות לשליטה מרחוק בזרמים חשמליים בהתקנים אלקטרוניים.

הממצאים העולים ממחקר תיאורטי זה אוּששו באחרונה בניסוי שביצעו בבריטניה מדענים זוכי פרס נובל בפיסיקה לשנת 2010 על גילוי הגרפן. במחקר עצמאי, שלא היה קשור לעבודתו של פרופ' פלקוביץ, בנו מדענים אלה התקן הדומה להתקן התיאורטי המתואר במאמרם של פרופ' פלקוביץ ופרופ' לביטוב. כפי שדוּוח בכתב-העת המדעי Science, הצליחו המדענים לצפות בניסוי בזרם חשמלי שהתנהג כמו זרם נוזלי – ויצר מערבולות.