JEDNOSMERNAELEKTRIČNA STRUJA

JEDNOSMERNAJEDNOSMERNAELEKTRIELEKTRIČČNA STRUJANA STRUJA

Vrste struja i njihovi uzrociVrste struja i njihovi uzrociVrste struja i njihovi uzroci Električna struja je svako uređeno kretanje električnih opterećenja

Može nastati u: - čvrstim, tečnim i gasovitim sredinama , pa i u vakuumu

Pokretljiva naelektrisanja koja mogu obrazovati električnu struju su:

elektroni, pozitroni i negativni joni

U ČVRSTIM TELIMA slobodno pokretljiva naelektrisanja su elektroni(valentni elektroni, koji pripadaju spoljašnjoj elektronskoj ljusci)

Važna kategorija: metalni provodnici - valentni elektroni su vrlolabavo vezani za matične atome i lako ih mogu napustiti

Usmereno kretanje elektrona u provodniku postoji kada je jedan njihovkraj na višem potencijalu od drugog

Od tečnih sredina posebno suznačajni elektroliti

Gasovi su po pravilu dobri izolatori

Pod određenim uslovima i kod njih može doći do pojave električnestruje (neonske cevi i fluoroscentne svetiljke)

Slobodno pokretljiva naelektrisanja u ovom slučaju su pozitivni inegativni joni i elektroni

Električna struja se može obrazovati i u vakuumu, ako se napogodan način obezbedi prisustvo slobodnih elektrona

U elektrolitima slobodnopokretljiva naelektrisanja supozitivni i negativni joni

Za uspostavljanje i održavanje kondukcione struje - dva uslova:

1. da postoje pokretljiva električna opterećenja

2. da postoji električno polje

Električno polje u provodnoj sredini, u kojoj teče stacionarna strujanaziva se STACIONARNO ELEKTRIČNO POLJE

- za njegovo održavanje potrebno je stalno dovoditi energiju sistemu

Polje koje može da egzistira samo u vakuumu i savršenimdielektricima naziva se ELEKTROSTATIČKO POLJE

– za održavanje postojećeg elektrostatičkog polja nije potrebannikakav utrošak energije

Dve metalne elektrode u vakuumu opterećenekoličinama elektiiciteta +Q i –Q

Ako između elektroda nema provodne veze, sistem ostaje u stanjuELEKTROSTATIČKE RAVNOTEŽE

U prostoru između elektroda postoji statičkoelektrično polje E, a potencijalna razlika je:

U = V1 – V2

Pri opterećivanju elektroda, izvršen je rad koji se transformisao upotencijalnu energiju elektrostatičkog polja

Polje, koje potiče od raspoređenih električnih opterećenja, ne možeodržavati trajnu, stacionarnu struju u provodnoj sredini

Zaključak

Da bi struja bila stacionarna, potrebno je da se u svim tačkama poljaodržava konstantan potencijal i stacionarna raspodela el. opterećenja

Ako se između elektroda ostvari provodan put sapokretljivim električnim opterećenjima, poddejstvom postojećeg elektrostatičkog poljauspostavlja se ELEKTRIČNA STRUJA

Pomeranje električnih opterećenja menja strukturu

i jačinu polja:

- polje na kraju sasvim nestane

- opterećenja na elektrodama se neutrališu

- potencijalna razlika između elektroda postaje jednaka nuli

Analogija sa hidromehaničkim sistemom:

Ako se posude spoje pomoću cevi, počinje strujanje tečnosti, razlikenivoa h se smanjuje, kad se nivoi izjednače prestaje strujanje tečnosti

Uzrok proticanja tečnosti je gravitaciono polje (analogno dejstvuelektrostatičkog polja iz prethodnog primera)

Potencijalna razlika između elektroda (elektrostatički sistem) =

Razlika nivoa h1 - h2 u posudi sa tečnošću (hidromehanički sistem )

Hidromehanički sistem:

Gravitaciono polje, samo, ne može održavati stacionarni tok tečnosti

Da bi se održalo stacionarno strujanje tečnosti u spojnoj cevi, razlikanivoa tečnosti u sudovima mora se održavati konstantnom

Potrebno je upotrebiti pumpu koja tečnost iz suda sa nižim nivoomprebacuje u sud sa višim nivoom, odnosno, koja tera vodu da tečeprotiv sile gravitacije i održava strujanje konstantnom brzinom

Elektrostatički sistem:

Elektrostatičke sile ne mogu formirati stalan tok električne struje

Da bi se održavala stacionarna struja, mora postojati uređaj kojipretvara neku neelektričnu energiju u električnu i koji održavarazliku potencijala stalnom

Ovakve „pumpe električnih opterećenja“ - izvori (generatori)električne struje - teraju naelektrisanja da se kreću suprotnoelektričnom polju

Metali su najbolji provodnici električne struje

Imaju kristalnu strukturu, a elektroni spoljne ljuske vrlo su labavovezani za matične atome - pri normalnim temperaturama skoroslobodno se kreću u prostoru kristalne rešetke

U odsustvu spoljnjeg polja - slobodni elektroni kreću se haotično,slično molekulima gasa

Kada u provodniku postoji električno polje - haotičnom kretanjusuperponira se sređeno progresivno kretanje elektrona u pravcupolja, suprotno njegovom smeru

Elektroni se stalno sudaraju sa nepokretnim jonima kristalne rešetke,predajući im stečenu kinetičku energiju

Kinetička energija, koju elektron stekne u intervalu vremena izmeđusudara, pretvara se u toplotu prilikom sudara sa jonima rešetke

Kondukciona strujau metalnim provodnicima

Kondukciona strujaKondukciona strujau metalnim provodnicimau metalnim provodnicima

Makroskopski gledano, elektroni se kreću konstantnom brzinom

Srednja brzina elektrona direktno je srazmerna jačini polja

Jačina struje kroz I poprečni presek provodnika: količnik proteklekoličine elektriciteta Q kroz posmatranu površinu i vremena t za kojeje ta količina elektriciteta protekla:

Jačina struje je skalarna veličina

Andre Marie Ampere (1775-1936)

dt

dqi

Jedinica joj je amper [A] u čast francuskog fizičara,začetnika elektrodinamike

Ako su količina elektriciteta q i jačina struje i promenjivi u vremenu:

t

QI

Intenzitet gustine struje J jednak je količniku jačinestruje I i površine u strujnom polju, upravne napravac kretanja električnih opterećenja:

S

SdJi

S

IJ

2mm

A

Ukoliko se gustina struje razlikuje u nekim delovima provodnika:

Električna struja iste jačine može proticati kroz provodnike manjeg ilivećeg prečnika

Pravac i smer vektora određen je pravcem i smerom kretanjapozitivnih električnih opterećenja u posmatranoj tački strujnog polja

J

Preciznije opisivanje strujnog polja - vektor gustine struje J

Omov zakon glasi: Jačina električne struje u provodniku direktno jesrazmerna naponu na njegovim krajevima:

U = R ∙ IUU == RR ∙∙ II

Konstanta R naziva se otpornost provodnika - jedinica om [Ω]

Otkrio ga je i formulisao nemački fizičar Om

Omov zakonOmov zakonOmov zakon

Podrazumeva se da struja ima smer odkraja na višem potencijalu ka kraju nanižem potencijalu

Omov zakon definiše vezu između tri osnovne elektrotehničkeveličine: napona, struje i otpornosti

V

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Električna otpornostElektriElektriččna otpornostna otpornost Električna otpornost žičanog provodnika dužine l, konstantnog

preseka S i od homogenog materijala:

S

lR [Ω]

ρ - specifična otpornost, zavisi od prirode provodnog materijala

2mm

m

Jedinica simens [S] - po nemačkom oficiru, fizičaru iosnivaču koncerna Siemens

Električna provodnost definiše se kao recipročna vrednost električneotpornosti i označava se sa G:

RG

1 [S]

Ernst Werner von Siemens (1816 - 1892)

1 - specifična otpornost na temperaturi 1 (uobičajeno 20°C)

- temperaturni koeficijent otpornosti (za grafit i još neke materijaleje negativan - otpornost opada sa porastom temperature)

)1(1

Kod nekih legura (manganin i konstantan) specifična otpornost jepraktično konstantna u opsegu temperatura od 0 - 100 °C

Specifična otpornost metala ρ zavisi od temperature (sa porastomtemperature povećava se brzina termičkog kretanja i učestanostsudara, što dovodi do povećanja otpornosti)

a, b - konstante za dati provodnik, koje vrlo brzo opadaju, pa se za

umeren opseg promene temperature oko 1 može uzeti samoprvi član reda:

U opštem slučaju specifična otpornost ρ zavisi od temperature popolinomnoj funkciji:

...]1[ 2111 ba

Dele u tri osnovne grupe: otpornici stalne otponosti, promenjiveotpornosti (potenciometri) i nelinearne otpornike (NTC, PTC, VDR-varistori, LDR-fotootpornici, magnetootpornici i tenzootpornici)

Otpornici su komponente tačno određene vrednosti otpornosti, kojese koriste za regulaciju raspodele električne energije

Prema konstrukciji mogu biti:- slojni - sastoje se od otpornog sloja (ugljena, metalnih legura,

oksida) nanetog na podlogu (od keramike)- kompozicioni (od mase) - izrađuju se od smese otpornih materijala

(mešavine ugljena i peska) i vezivnog sredstva- žičani - namotavanjem žice (od legure hromnikla, manganina, ...)

na izolacionu podlogu

potenciometarregulacioni otpornik

(trimer)otpornici stalne

otpornosti varistor fotootpornik

Sistem obeležavanja sa 4 trake:otpornik otpornosti 1200 Ωsa dozvoljenim odstupanjem otpornosti ± 5%

Obeležavanje otpornika pomoću boja:

Sistem obeležavanja sa 5 traka:otpornik otpornosti 86,4 Ωsa dozvoljenim odstupanjem otpornosti ± 1%

Napon UAB = VA – VB je razlika potencijala između tačaka A i B

UAB je pozitivan ako je tačka A navišem potencijalu od tačke B

Voltmetar se u kolo vezuje paralelno

Merenje napona voltmetrom:Merenje napona voltmetrom:Merenje napona voltmetrom:

Voltmetar mora imati što veću unutrašnju otpornost

Ampermetar mora imati što manju unutrašnju otpornost

Znak + označava priključak koji treba da je na višem potencijalu,da bi skretanje kazaljke bilo u predviđenom smeru

Ampermetar se u kolo vezuje redno,da bi sva struja koja se meri proteklakroz njega

Merenje struje ampermetrom:Merenje struje ampermetrom:Merenje struje ampermetrom:

Merenje otpora ommetrom:Merenje otpora ommetrom:

Element, čija otpornost se meri, potrebno je električno odvojiti odostalih elemenata kola

Rx

Strujno kolo ommetra čini: redna veza baterije elektromotorne sile E,predotpora Rp (za zaštitu od prevelike struje), otpornika zakalibrisanje Rk (za doterivanje struje u kolu na potrebnu vrednost) iinstrumenta sa kretnim kalemom unutrašnje otpornosti Ri

Kada kroz provodnik protiče struja, sile električnog polja vrše radpomerajući elementarna električna opterećenja - ovaj rad se u celostitransformiše u toplotu zbog sudara pokretljivih opterećenja sa jonimanepokretne kristalne rešetke

tIRQ 2

Džulov zakonDDžžulov zakonulov zakon

Džulov zakon: količina toplote Q, koja se razvije zavreme t u otporniku otpornosti R, kada kroz njegaprotiče struja I jednaka je:

Jedinica za rad, energiju i količinu toplote nosi ime džul (J)

Transformacija električnog rada u toplotu naziva se Džulovim efektom

Engleski fizičar Džul proučavao je toplotno dejstvoelektrične struje

dtIUtR

UtIRA

22

James Prescott Joule(1818 - 1889)

Elementarna razvijena toplota u provodniku otpornosti R, kroz kojiprotiče struja I i na kome postoji napon U je:

Snaga Džulove toplote je brzina vršenja rada:

Snaga se meri jedinicom koja se zove vat [W], učast škotskog inženjera i naučnika Vata

James Watt (1736-1819)

dtIUdtR

UdtIRdQ

22

dt

dQP

IUR

UIRP

22

odnosno:

Elektricna struja može postojati i u nekim tečnostima, koje senazivaju elektroliti

Italijanski fizičar Volta podelio je provodnike na:

- provodnike I klase (metali, njihove legure i grafit)

- provodnike II klase (elektroliti, odnosno rastvori kiselina, baza i soliu vodi - hemijski čiste vode ne provode struju)

Osnovna razlika medu njima je u tome što usled proticanja strujekroz metale nastaje toplota, a kroz elektrolite hemijski procesi

Pojava razlaganja složenih materija elektricnom strujom naziva seelektroliza

Pojavu elektrolize izucavao je engleski fizicar Faradej i po njegovom“Prvom zakonu elektrolize”: kolicina materije izdvojena elektrolizom(u kg) direktno je proporcionalna jacini elektricne struje i vremenunjenog proticanja kroz elektrolit, ili:

Struja u elektrolitimaStruja u elektrolitimaStruja u elektrolitima

tIam a - elektrohemijski ekvivalent date materije

Ako se dve metalne ploče, elektrode, potope u elektrolit dobija setzv. galvanski element, koji može biti izvor vremenski konstantnestruje

Hemijski izvori električne strujeHemijski izvori elektriHemijski izvori električčne strujene struje

Najprostiji galvanski element je Voltin: dve metalne ploče (od bakrai cinka) potopljene u elektrolit od razređene sumporne kiseline

Ploča od bakra naelektriše se pozitivno u odnosu na ploču od cinka

Ako se između ploca veže potrošač - napon između njih opadne

Ako se strujno kolo prekine - nakon izvesnog vremena napon sevraća na prvobitnu vrednost

U elektrolitu se nalaze elektrode od istog materijala, prekidač je upoložaju 1-1, galvanometar ne pokazuje otklon (u kolu nema struje)

Ako se galvanski element veže na izvorjednosmernog napona U (prekidač u položaju2-2) i ako se pusti da se neko vreme vršielektroliza, posle uklanjanja izvora još nekovreme če postojati struja čiji je smersuprotan u odnosu na smer struje koja jetekla dok je bio priključen naponski izvor

Pojava da se elektrode u elektrolitu nakon izvršene elektrolizeponašaju kao polovi nekog izvora struje - elektrolitička polarizacija

Struja je nastala je usled naponske razlikekoja se pojavila između elektroda

Galvanski elementi - primarni izvori - mogu se upotrijebiti samojednokratno, jer u njima nastaju nepovratni elektrohemijski procesi

Izvori koji mogu da aukumuliraju električnu energiju, nazivaju sesekundarni izvori ili akumulatori

Jedan od najčešće korišćenih - olovni akumualtor - sastoji se od dveolovne ploče potopljene u razblaženi rastvor sumporne kiseline

Kada se akumulator puni, proizvodi elektrolize (H2 iO2) hemijski deluju na elektrode i na anodi nastajeolovni superoksid PbO2, a na katodi olovo Pb

Olovni akumulatoriOlovni akumulatoriOlovni akumulatori

Pre punjenja akumulatora olovne elektrode presvučene su olovnimsulfatom PbSO4, jer se nalaze u sumpornoj kiselini

Ukoliko se akumulator sastoji od 6 ovakvih ćelija, vezanih redno,ukupni napon takvog, napunjenog akumulatora je oko 13,2 V

Akumulator je pun kada se na katodi počnu dizatimehurići vodonika - dostiže napon od 2,2 – 2,6 Vpo ćeliji

Pri pražnjenju akumulatora dolazi do obrnutogprocesa, električna struja teče kroz elektrolit usmeru od katode ka anodi

Količina elektriciteta koju akumulator može dati pri pražnjenju (prieksploataciji) naziva se kapacitet akumulatora i on se izražava uamper - časovima (Ah)

Olovni akumulatori imaju nisku cenu i malu unutrašnju otpornost,koja omogucava postizanje velikih struja u kratkim vremenskimintervalima (pokretanje motora)

Medutim, karakteristike ovih akumulatora dosta zavise odtemperature okoline (tako da sposobnost brzo opada pri niskimtemperaturama

Pri kratkom spoju dolazi do oštećenja akumulatora, pa se njegovopražnjenje ne sme vršiti pri naponu manjem od 1,8 V po ćeliji

Negativna strana im je i velika težina

Pri pražnjenju akumulatora, napon ćelije brzoopadne na 2 V, taj napon se održava neko vrieme, akada opadne na 1,8 V akumulator se mora ponovnopuniti (11 V, u slučaju redne veze šest ćelija)

Isti princip rada, samo su otporniji i imaju elektrode od lakših metala

Alkalni akumulatoriAlkalni akumulatoriAlkalni akumulatori

Najviše se upotrebljava Edisonov, koji je po konstrukciji isti kao iolovni, samo su mu elektrode od nikla i gvožđa, a za elektrolit sekoristi razblaženi kalijum – hidroksid

Prednosti alkalnih akumulatora:- manja težina- duži vek trajanja- jednostavnije održavanje- otporniji su na mehaničke udare i udarne struje, koje se javljaju pri

radu (pokretanje motora)- mogu duže stajati ispražnjeni od olovnih

Mane:- visoka cena- naglo gubljenje kapaciteta na temperaturama manjim od 0C

Napon punog alkalnog akumulatora iznosi oko 1,5 V po ćeliji i menjase pri punjenju i pražnjenju slično kao kod olovnih akumulatora

Gasovi su pri normalnom pritisku i temperaturi izolatori, jer nemajuslobodne nosioce naelektrisanja (elektrone ili jone)

Struja u gasovimaStruja u gasovimaStruja u gasovima

Za jonizaciju se mora uložiti određena energija- spoljašnje delovanje: toplota, ultraljubičasto,rendegnsko, radioaktivno zračenje, ...

Pod uticajem jonizatora, jedan broj elektrona napušta neutralni atomgasa, elektroni postaju slobodni, a atom postaje pozitivan jon

Proticanje struje kroz gas u prisustvu spoljašnjeg jonizatora naziva senesamostalno pražnjenje, a električna provodnost izazvanadelovanjem jonizatora naziva se nesamostalna provodnost

U određenim uslovima gasovi postajuprovodnici, jer dolazi do jonizacije - procesaodvajanja elektrona od atoma

Drugi atomi gasa apsorbuju deo slobodnih elektrona, da bi popunilienergetske orbite, i tako postaju negativni joni

Zavisnost jačine struje nesamostalnog pražnjenja od napona izmeđuelektroda:

Pri malim naponima (< U1) jačinastruje je linearna funkcija napona i zagasove približno važi Omov zakon(usled povećanja napona sve većibroj jona učestvuje u jonizaciji)

Za neke vrednosti napona (U1 do U2)struja raste sporije od napona (javljase i rekombinacija, suprotan procesod jonizacije)

Za veće vrednosti napona (U2 - U3) jačina struje je konstantna iakose napon povećava (svi joni nastali u jonizaciji učestvuju uprovođenju i ne stižu da se rekombinuju - zasićenje)

Za napon veći od neke vrednosti (U3) jačina struje raste naglo i bržeod napona (primarni elektroni imaju toliku kinetičku energiju damogu jonizovati molekul pri sudaru - udarna jonizacija)

Ovako dobijeni (sekundarni) elektroni ubrzavaju se u istom polju imogu i sami da jonizuju molekule, povećava se provodljivost gasa(ako se ukine jonizator, struja prestaje - nesamostalno pražnjenje)

Kada je napon na elektrodama dovoljno veliki (tačka 1 na grafiku)dolazi do pojave varnice i nesamostalno pražnjenje prelazi usamostalno pražnjenje (prelaz se dešava pri struji od oko 10 A)

Dalji porast struje može nastati samosekundarnom jonizacijom, odnosno emisijomelektrona iz katode (deo krive 2-3) pri čemu jenapon prvo kosntantan, da bi zatim ponovopočeo da raste

Povećanje struje do određene vrednosti (reda10-1 A) nastaje proboj gasa, javlja se električniluk i napon opada sa povećanjem struje (4-5)

Za održavanje struje luka potreban je znatnoniži napon od onog koji je luk izazvao

Mehanizam provođenja struje kroz gasove primenjuje se najviše kodelektronskih cevi

Električni luk može biti vrlo štetan ako se pojavi nepoželjno, ali seizaziva i namerno (za elektolučno zavarivanje metala, za topljenjeruda i metala u elektrolučnim pećima i za lučne lampe

Električni luk, koji se koristi u navedene svrhe, ostvaruje se prinaponima od nekoliko desetina do nekoliko stotina volti