Električna struja

Izvori električne struje

Kolektivno, usmereno kretanje naelektrisanja se naziva električna struja. Da bi se naelektrisanja kretala u istom smeru, između tačaka između kojih se obavlja kretanje mora postojati stalna razlika potencijala - napon. Kako su pozitivna i negativna naelektrisanja u svakom telu manje - više ravnomerno raspoređena, da bi se ostvarila potencijalna razlika neophodno je prethodno izvršiti razdvajanje naelektrisanja. Do XVIII veka jedini način razdvajanja naelektrisanja je bilo trenje, bez ikakve upotrebne vrednosti. Kada skidate vuneni džemper preko glave čujete puckanje, električno pražnjenje između delova garderobe jer je trenjem došlo do razdvajanja naelektrisanja, koja se električnim pražnjenjem ponovo neutrališu.
1800. godine Alesandro Volta, italijanski fizičar je osmislio "Voltin elektrostatički stub" koji predstavlja preteču prve baterije. Volta je ploče bakra i cinka potopio u sumpornu kiselinu, gde je putem hemijske reakcije došlo do razdvajanja pozitivnih i negativnih naelektrisanja. Između pomenutih ploča je postojao napon od oko 1V i mogla je da protiče električna struja.

Rad izvršen na razdvajanju naelektrisanja naziva se elektromotorna sila i određuje se kao:

$$ \varepsilon =\frac{A}{q}$$

Jedinica elektromotorne sile je Volt [V], ista kao i jedinica za napon.

Danas je poznato nekoliko osnovnih principa za razdvajanje naelektrisanja i stvaranje uslova za protok električne struje. Hemijski principi su daleko unapređeni i koriste se za proizvodnju baterija i akumulatora. Osim hemijskog principa, u komercijalne svrhe se danas najviše koristi princip elektromagnetne indukcije za proizvodnju električne energije u električnim centralama (hidro, termo, nuklearna). Noviji postupci za razdvajanje naelektrisanja se baziraju na fotonaponskim ćelijama koje se koriste za proizvodnju solarnih panela - pretvaraju svetlosnu energiju sunca u električnu energiju.

Elementi električnog kola

Električna struja se opisuje fizičkom veličinom: jačina električne struje, koja se obeležava latiničnim slovom: I dok je merna jedinica Amper (A). Jačina električne struje se definiše kao količina naelektrisanja koja prođe kroz poprečni presek provodnika u jedinici vremena. Kako se pozitivna naelektrisanja uvek kreću ka nižem potencijalu, raspodela potencijala u električnom kolu određuje smer električne struje u svakom delu električnog kola.

$$\ I=\frac{\Delta q}{\Delta t} $$

Izvori električne struje (baterije) snabdevaju električno kolo slobodnim nosiocima naelektrisanja i u električnom kolu se obeležavaju kao dve paralelne linije različite dužine. Kraća linija predstavlja negativni pol baterije, dok je duža linija pozitivni pol baterije.

Baterija

Provodnik je deo električnog kola kroz koji se slobodna naelektrisanja kreću bez ikakvog otpora (idealizovan slučaj). Provodnik je najlakše zamisliti kao bakarnu žicu koja spaja različite elemente električnog kola. Sve tačke istog provodnika, u električnom kolu se nalaze na istom potencijalu.

Termogeni otpornik je deo električnog kola koji jedan deo električne energije, pri protoku električne struje, pretvara u toplotu. Oznaka termogene otpornosti je R, dok je merna jedinica [Ω] (Om). Pri prolasku električne struje kroz provodnik dolazi do "pada napona" na samom provodniku, te na strani na kojoj ulazi električna struja vlada veći potencijal nego na strani na kojoj struja iz otpornika izlazi.

Termogeni otpornik

Potrošač je deo električnog kola koji pretvara električnu energiju u neki drugi vid energije (mehanički rad, svetlost, toplota ...). Kao primer potrošača koristićemo sijalicu, koja pretvara električnu energiju u svetlost. Šematska oznaka za sijalicu je kružić sa krstićem.

Potrošač - sijalica

Električno kolo je niz električnih elemenata koji omogućuju naelektrisanjima da se kreću po diktatu električnog polja. Da bi električna struja tekla kroz električno kolo, naelektrisanjima se mora obezbediti put kojim bi stigla od "+" elektrode baterije (anoda) do "-" elektrode baterije (katoda). Prekidač je deo električnog kola (P) koji zatvara električno kolo i omogućuje protok električne struje ili ga prekida, kada kroz kolo električna struja više ne teče. Električna struja uvek bira liniju manjeg otpora, te će prilikom grananja veća struja proticati kroz "granu" koja ima manju otpornost.

Primer električnog kola

Smatra se da električna struja teče od "+" ka "-", takozvani tehnički smer električne struje. U stvarnosti se kroz provodnike kreću negativno naelektrisani elektroni, od "-" ka "+" (fizički smer struje). Tehnički smer struje je matematički lakši za upotrebu jer bi praćenje kretanja negativno naelektrisanih elektrona zahtevalo da se u matematičkim izrazima uvek koristi znak "-" ispred naelektrisanja.

Jednosmerna i naizmenična struja

Ukoliko izvor naelektrisanja obezbeđuje napon koji tokom vremena ne menja polaritet ("+" i "-" ne menjaju mesta), kroz električno kolo protiče jednosmerna struja. U tom slučaju se jačina električne struje obeležava velikim slovom I. Jednosmerna struja protiče kroz celokupnu zapreminu provodnika. Hemijski izvori (baterije) i fotonaponske ćelije daju isključivo jednosmernu struju, koja predstavlja stabilne izvore napajanja za mnoge elektronske aparate, ali je sa druge strane nepraktična za transport na veće udaljenosti.

Naizmenična struja nastaje kada tokom vremena dolazi do promene polariteta na izvoru napajanja. Ovakvu vrstu struje proizvode generatori naizmenične struje, koji rade na principu elektromagnetne indukcije. Naizmenična struja ne prolazi kroz celokupnu zapreminu provodnika ravnomerno, već se uglavnom prenosi preko površine (skin efekat). Da bi se koristila kao izvor napajanja mnogih električnih i elektronskih aparata, naizmenična struja se mora "ispraviti" i transformisati u jednosmernu struju. Ovaj postupak komplikuje upotrebu naizmenične struje. Sa druge strane, naizmenična struje se može prenositi na veliku daljinu uz daleko manje gubitke, nego jednosmerna struja. Broj promena smera struje u toku jedne sekunde se naziva frekvencija. Naizmenična struja koja se koristi u domaćinstvu i industriji u Evropi (i kod nas) ima frekvenciju 50 Hz (herca), dok se u SAD koristi naizmenična struja frekvencije 60 Hz. Trenutna vrednost naizmenične struje se obeležava malim latiničnim slovom i a jedinica je takođe Amper A.

Efektivne vrednosti naizmenične struje i napona

Pošto naizmenična struja u električnom kolu stalno menja vrednost (koja se obeležava malim latiničnim slovom i ) definiše se efektivna vrednost električne struje, odnosno vrednost koja je jednaka jednosmernoj struji koja bi pod istim uslovima ostvarili isti efekat.

$$\ I_{ef} =\frac{I_{0}}{\sqrt{2} } \approx 0,707\cdot I_{0}$$

Naizmenična struja jačine i=1A oslobodiće na nekom grejaču istu količinu toplote kao i jednosmerna struja jačine I=0,707A, te kažemo da je efektivna vrednost ove naizmenične struje Ief=0,707A.

Na isti način se definiše i efektivna vrednost napona naizmenične struje.

$$\ U_{ef} =\frac{U_{0}}{\sqrt{2} } \approx 0,707\cdot U_{0}$$

Vrednost gradskog mrežnog napona od 220V je ustvari efektivna vrednost, dok se maksimalna vrednost može izračunati korišćenjem prethodne formule.

U0 i I0 su maksimalne vrednosti koje dosežu naizmenični napon i struja

Omov zakon

U električnom kolu koje sadrži samo termogene otpornosti važi Omov zakon, koji utvrđuje odnos jačine struje, napona i otpornosti:

$$\ I=\frac{U}{R} $$

Ukoliko se smanji otpornost R, u delu električnog kola koje se nalazi na naponu U - jačina električne struje I će biti veća (i obrnuto). Povećanje napona U, pri istoj vrednosti otpornosti R u posmatranom delu kola, dovešće do porasta jačine struje I (i obrnuto).

Džul-Lencov zakon

Prilikom proticanja električne struje kroz termogeni otpornik ili kroz provodnik koji ima neku konačnu otpornost R (što je realan slučaj) vrši se rad na premeštanje naelektrisanja:

$$\ A=q\cdot U$$

Kako se iz izraza za jačinu električne struje može izraziti količina naelektrisanja kao:

$$\ q=I\cdot t$$

a iz Omovog zakona može se izraziti napon kao:

$$\ U=I\cdot R$$

sledi da se izvršeni rad na premeštanju naelektrisanja može iskazati kao:

$$\ A=R\cdot I\cdot I\cdot t=R\cdot I^{2}\cdot t $$

Kako se u slučaju prisustva samo termogene otpornosti sav rad pretvara u toplotu Q, možemo pisati da je:

$$\ Q=R\cdot I^{2}\cdot t $$

Količina toplote koja se generiše prilikom prolaska električne struje kroz provodnik (otpornik) direktno je srazmerna otpornosti provodnika (otpornika) i kvadratu jačine električne struje. Ova činjenica učinila je prenos jednosmerne električne struje na veće udaljenosti ili do velikih potrošača ekonomski neopravdanim, jer su gubici na toplotu bili enormni. U slučaju naizmenične struje moguće je menjati odnos napona i struje, te na velike udaljenosti prenositi električnu energiju koju karakteriše visok napon ali izuzetno mala jačina električne struje.

Racionalno korišćenje električne energije

Električna energija predstavlja osnov industrijske proizvodnje, tehnološkog razvoja i svakodnevnog života, na celoj planeti. Današnji način proizvodnje električne energije podrazumeva obilato korišćenje fosilnih goriva (nafte, gasa, uglja ...) koji dastično utiču na globalno zagrevanje planete Zemlje, koje uzrokuje vidne klimatske promene. Racionalno korišćenje električne energije direktno utiče na smanjenje negativnih efekata po planetu Zemlju, ali je korišćenje alternativnih izvora energije (energija sunca i vetra) jedino trajno rešenje. Upotreba fotonaponskih solarnih panela, nalazi se u ekspanziji i predstavlja najbolju alternativu korišćenu fosilnih goriva.