Električna struja

Električna struja

Ranije smo govorili o statičkom elektricitetu, koji se javlja prelaskom elektrona sa jednog atoma na drugi. Izveli smo izvjesne zaključke o prirodi naboja i vrstama naboja, kao i međudjelovanju naelektrisanih tijela upoznavanjem zakona po kojima se ponašaju naelektrisane čestice, govorili smo o kondenzatoru uređaju gdje se može prikupljati elektricitet. Treba znati da, kad kažemo statički elektricitet, nije riječ o naelektrisanim česticama koje se nalaze u stanju potpunog mirovanja. Naprotiv, čestice se nalaze u stanju stalnog haotičnog kretanja u svim pravcima i smjerovima, ali tako da mi ovakvo kretanje ne osjećamo kao neko strujanje elektriciteta.

                                

Uslov za protok struje u provodniku je postojanje stalnog električnog polja. 

Kada u provodniku postoji električno polje, na sve naelektrisane čestice u njemu djeluju električne sile u jednom pravcu, a smjer zavisi od vrste naboja. Svaka čestica na taj način stiče komponentu brzine u pravcu te sile, tako kretanje čestice postaje uređeno. Usmjereno (sređeno) kretanje naelektrisanih čestica (elektrona i jona) naziva se električna struja. Da bismo dobili električnu struju tj. kretanje čestica u jednom pravcu i smjeru, potrebno je djelovati nekom silom koja bi te čestice natjerala da se usmjereno kreću.

Efekat se može osjetiti samo kada se sve naelektrisane čestice kreću u jednom smjeru.

 

 

Primjer 1: Izvedimo ogled sa dvije provodne kugle, naelektrisane do različitih potencijala kao na sl. Ako kugle spojimo provodnikom, u njemu će se pojaviti električna struja. Ova struja će teći sve dok se izvjesna količina elektriciteta ne prenese na drugu kuglu, to jest do momenta dok im se potencijali ne izjednače. Kada se potencijali izjednače nestane električnog polja u provodniku, a time i električne struje.

 

Primjer 2:
– Vodena struja je kretanje čestica vode u jednom pravcu i smjeru.
– Saobraćajni tok je kretanja automobila.
– Električna struja je usmjereno kretanje naelektrisanih čestica.

 

Ako između tačaka provodnika postoji razlika potencijala, onda će u provodniku postojati i električno polje koje je uslov za usmjereno kretanje naelektrisanih čestica. Nosioci električne struje kroz metalne provodnike su slobodni elektroni.

 

Pritisak – napon

Slika prikazuje pun rezervoar za vodu. U rezvoaru  se čuva voda pod pritiskom. Što je veća količina vode u rezervoaru, veći je pritisak vode. Rezervoar za vodu na slici  može se porediti sa baterijom na istoj slici , gde baterija u električnom sklopu akumulira električni pritisak (napon). Prazan rezervoar vode bez pritiska je sličan praznoj bateriji bez električnog napona.

 

 

Protok – struje

Uključivanje slavine na slici omogućava protok vode  kroz cijev  iz rezervoara. To dovodi do okretanja rotora. Slično tome, na drugoj  slici , uključivanjem prekidača omogućen je trenutni protok struje kroz provodnik iz baterije, zbog  postojanja električnog električnog napona. Protok vode je sličan protoku struje.

 

 

Jačina električne struje

 

Jačinu struje, veličinu koja karekteriše usmjereno kretanje naelektrisanih čestica, možemo uporediti sa vodenim tokom. Kako jačina vodene struje zavisi od količine vode koja u sekundi prođe kroz poprečni presjek vodene cijevi, to i jačina struje zavisi od količine elektriciteta koji protekne za neko vrijeme kroz poprečni presjek provodnika, pa jačinu struje možemo definisati na sljedeći način:

Ako tokom vremena kroz neki poprečni presjek provodnika protekne u jednom smjeru količina naboja q, tada jačinu struje možemo iskazati odnosom

Jedinica za jačinu struje je jedan amper. Dobila je ime po francuskom naučniku Amperu,to je jedna od sedam osnovnih veličina. 1 A = 1 C/s

Struja ima jačinu od jednog ampera ako kroz poprečni presjek provodnika u jednoj sekundi protekne količina elektriciteta od jednog kulona.

 

U praksi se koriste manje i veće jedinice miliamper, mikroamper, kiloamper i megaamper.

 

 

Smjer struje je suprotan smjeru kojim se kreću elektroni kroz provodnik.

 

 

 

Smjer struje je uzet kao smjer električnog polja u provodniku od pozitivnog ka negativnom polu, dok se elektroni kreću od negativnog ka poztivnom polu.

Ovaj smjer uzet iz historijskih razloga i zadražan je zato što uređeno kretanje čestica u jendom smjeru ima iste posljedice kao uređeno kretanje čestica u suprotnom smjeru.

 

 

                

 

Električna struja  može nastati u čvrstim, tečnim i gasovitim sredinama , pa i u vakuumu. Pokretljiva naelektrisanja koja mogu proizvesti električnu struju su: elektroni, pozitivni i negativni joni.

– U čvrstim tijelima slobodno pokretljiva naelektrisanja su elektroni (valentni elektroni, koji pripadaju spoljašnjoj elektronskoj ljusci). Važna kategorija: metalni provodnici – valentni elektroni su vrlo labavo vezani za matične atome i lako ih mogu napustiti.

 Od tečnih sredina posebno su značajni elektroliti

– Gasovi su po pravilu dobri izolatori

– Pod određenim uslovima i kod njih može doći do pojave električne struje (neonske cijevi i fluoroscentne svjetiljke)

– Slobodno pokretljiva naelektrisanja u ovom slučaju su pozitivni i negativni joni i elektroni

-Električna struja se može obrazovati i u vakuumu, ako se na pogodan način obezbjedi prisustvo slobodnih elektorna.

 

Elektromotorna sila (EMS)  Razlika potencijala ili napon može se dboiti u nilo kojim izvorima električne energije, kao što su voltinw ćelija, akumulator, električni generator, solarna ćelija, termoelement, piezoelektrična ćelija itd. Dakle, da bismo imali stalnu struju, treba održavati stalnu razliku potencijala između krajeva provodnika, mora se neprekidno nadoknađivati elektricitet koji se prenese sa jedne kugle na drugu. Elektricitet mora nadoknađivati neka vanjska sila koja će vršiti rad na razdvajanju elektriciteta. Ta vanjska sila zove se elektromotorna sila. Uređaji kojima se postiže održavanje trajnog električnog polja zovu se električni izvori. U svakom izvoru vrši se rad na razdvajanju pozitivnih od negativno naelektrisanih čestica na račun neke druge energije (hemijske, toplotne ili svjetlosne energije).

 

 

 

Neki od izvora električne struje su baterije.

 

Kada se prvodnik priključi na izvor struje, među polovima, zbog rada koji vrši izvor na razdvajanju elektriciteta, stvara se razlika potencijala ili napon, koji se naziva elektromotorna sila. Elektromotorna sila je energetska veličina i ona je uzrok protoka struje kroz kolo.  Elektromotorna sila izvora jednaka je količniku rada koji izvrše vanjske sile na pomjeranju elektriciteta od jednog kulona sa jednog pola električnog izvora na drugi pol.

 

Elektromotorna sila je povezana sa naponom. Ona se izražava istim jedinicama. Jedinica za elektromotornu silu je jedan volt (V), odnosno ona toliko iznosi, ako vanjske sile izvrše rad od jednog džula na premještanju elektriciteta od jednog kulona.

Sprava za mjerenje električnog napona zove se voltmetar 

 

 

Ako polovi izvora ne mijenjaju predznak, radi se o izvoru jednosmjerne struje, a ako mijenjaju predznak onda se takva struja zove naizmjenična struja. Izvori za jednosmjernu struju su galvanski elementi, akumulatori i ispravljači. Izvori za naizmjeničnu struju su generatori. Kada polove izvora spajamo provodnikom, nikada ih ne smijemo spojiti direktno bez potrošača jer tako dobijamo kratki spoj.

 

 

Primarni električni izvori

Princip rada Voltinog galvanskog elementa

Prvi uređaj koji proizvodi stalnu, trajnu električnu struju je voltaična ćelija koju je izmislio italijanski fizičar Alessandro Volta 1800 godine. Potapao je  naizmjenične diskove bakra i cinka razdvojene diskovima od kartona natopljenim u slanoj vodi. Kada je provodnik povezana na gornji i donji disk, mjerač pokazuje da u provodniku  ima električne struje. Razlika potencijala u ovoj bateriji iznosi  oko 1,5 volt. Struja (elektroni) će  se kretati od negativnog cink-terminala do pozitivnog bakrenog priključka ako su ono spojeni provodnikom.

 

 

U bateriji se odvija nekoliko hemijskih reakcija zbog kojih dolazi do razdvajanu naboja. Rastvor se zove elektrolit, a pločice elektrode.  Najmanje jedna reakcija se javlja u ili oko anode i jedna ili više reakcija se javlja na ili oko katode. Svaka baterija radi na ovom principu elektrode od različitih metala potope u elektrolit, gdje dolazi do hemijske reakcije.

 

 

Leklanšeov galvanski elemenat

1866 godine, Georges Leclanche, francuski inženjer, patentirao je novu bateriju koja je postala vrlo popularna. U periodu od dvije godine, dvadeset hiljada njegovih ćelija se koristilo u telegrafskom sistemu.  Originalna ćelija Leclanchea sastavljena je u poroznom metalnom posudu. Pozitivna elektroda se sastojala od zdrobljenog manganovog dioksida sa malo miješanog ugljenika. Negativni stup je bio od cinka. Ugljeni štapić  je ubačen da deluje kao kolektor. U rastvor amonijumhlorida (NH4Cl) u cinčanu posudu stavimo amonijum hlorid, dok se u sredini baterije nalazi ugljeni štapić. Ovdje cink služi kao negativna elektroda, a ugljeni štapić kao pozitivna elektroda. Razlika potencijala između polova ove baterije iznosi 1,5V. Od cinčanog pola i bakarnog dijela izvode se dvije pločice koje predstavljaju polove baterije. Pri radu Leklanšeovog elementa troši se elektrolit i cinkana elektroda. vokmen ili džepnu bateriju u praksi se najčešće primjenjuje Leklanšeov elemenat.

Baterija pretvara hemijsku energiju u električnu energiju. Baterija je bila prvi uređaj razvijen za napajanje električnih uređaja, tek kasnije sredinom 1800-ih je dinamo i generator postao kao primarni izvor energije. Baterije i dalje zauzimaju nepogrešivu ulogu svuda u našim životima. Oni dolaze u svim oblicima i veličinama. Današnji inženjeri rade na uzbudljivom napretku, uglavnom poboljšavajući gustinu energije i brzinu punjenja. Poboljšanja baterija rezultiraju veoma vidljivim promjenama u društvu jer često često ima veličina baterije, težinu i cijenu koji predstavljaju ograničavajuće faktore u napretku tehnologije.

 

Sekundarni izvori električne struje

 

Najčešći tip sekundarne ćelije je akumulator “olovo-kiselina” vrsta koja se koristi za pokretanje motornih automobila. Akumulatori imaju primjenu, u savremenoj elektrotehnici. Koriste se u automobilima za pokretanje motora, za osvjetlenje, sirenu i signalna svjetla.Olovni akumulator sastoji se od dvije olovne ploče potopljene u vodeni rastvor sumporne kiseline (H2SO4). Da bi akumulator mogao da bude električni izvor mora se prethodno napuniti, to možemo uraditi ako polove spojimo sa nekim izvorom istosmjerne struje. Ploča koja je bila spojena na pozitivni pol izvora struje pokriva se slojem olovo oksida. Prilikom upotrebe akumulatora unutrašnja energija se pretvara u električnu. Napon između ploča akumulatora je 2 V. Ako se veže više napunjenih ćelija u akumulatorsku bateriju dobiće se viši električni napon. Pored olovnih postoje i čelični akumulatori.

 

 

 

 

 

 

Vrste baterija

Postoji mnogo načina za pravljenje baterije, neki modeli stariji od 200 godina, a drugi (poput onih koji koriste ugljene nanocevi) u ovom trenutku brzo napreduju!

  

Elektrohemijske ćelije. Elektrohemijske ćelije proizvode električnu energiju kroz hemijske reakcije. O njima smo već govrili.

 

 

 

Fotoelementi-Pri osvjetljenju nekih elemenata kao što je selen, silicijum i svjetlosna energija se pretvara u električnu, pa se ovaj metal koristi u fotoelementima. Elementi koji mogu svjetlosnu energiju pretvoriti u električnu zovu se fotoelemnti. Ovi elementi se primjenjuju kod satelitskihantena i svemirskih brodova.

 

Termoelementi- Osim baterija koje rade na principu hemijskih reakcija imamo i izvore struje koje koriste toplotnu energiju takve izvore nazivamo termoelementi, ove elemente čine spoj dva različita metala koja se zagrijavaju do različite temperature. Između krajeva ovog elementa javlja se električni napon.

 

Spajanje električnih izvora

Kad nam je potrebna jača električna struja ili viši napon, pojedini izvori povezuju se u baterije. Izvore možemo vezati serijski (redno) i paralelno. Ako bi vezali izvore tako da pozitivan pol jedne baterije vežemo za pozitivan pol druge (redno između istih polova vežemo potrošač), u slučaju serijske veze  spojimo dvije baterije tako što pozitivan pol jedne baterije vežemo sa negativnim polom druge baterije.

        

 

Serijska veza:

Kod serijske veze elementi se vezuju tako što se pozitivan pol jednog elementa vezuje za negativan pol drugog elementa, na jednom kraju baterije ostaje slobodan jedan negativni pol, dok na drugom kraju ostaje slobodan jedan pozitivni pol baterije.

Kod serijskog spajanja elemenata u bateriju, elektromotorna sila baterije jednaka je zbiru elektromotornih sila svakog elementa.

 

 

Primjer 1: Slika pokazuje serijsku vezu 4 baterije napona od po 1,5 V. Ukupan napon ove baterije je:

 

 

 

 

Paralelna veza:

Kod paralelne veze napon na krajevima svake ba-terije je isti

 

 

Elektromotorna sila veze jednak je elektromotornoj sili jedne baterije.

 

                               

Ako baterije nisu istog napona, tada je napon veze jednak naponu baterije koja ima najveću vrijednost napona. U baterije se spajaju samo izvori iste vrste.

 

 

Primjer 2: Slika pokazuje paralelnu vezu 4 baterije napona od po 1,5 V. Ukupan napon ove baterije je: