Električna struja
| Elektromagnetizam |
|
| Ključne stavke |
| Elektricitet • Magnetizam |
| Elektrostatika |
| Magnetostatika |
| Elektrodinamika |
| Električna mreža |
| Kovarijantna formulacija |
Naučnici
|
Električna struja (strujanje elektriciteta) je usmereno kretanje naelektrisanih čestica, najčešće elektrona, usled napona.[1] Struja može biti:
- jednosmerna (DC): elektroni se kroz žicu ili električno kolo kreću u jednom smeru.
- naizmenična (AC): elektroni se kreću u jednom pa u drugom smeru, u ciklusu koji se neprestano ponavlja.[2]
Električna struja se može obrazovati u čvrstim, tečnim i gasovitim sredinama, ali i vakuumu.[1] Nosioci naelektrisanja u metalima su slobodni elektroni, u elektrolitima negativni i pozitivni joni, u gasovima joni i elektroni, a u poluprovodnicima elektroni i šupljine.[3] Metali koji obiluju slobodnim elektronima su dobri provodnici struje (srebro, bakar i zlato). Osim elektriciteta koji struji, postoji i statički elektricitet koji miruje.[4]
Električna struja teče sve dok postoji razlika električnih potencijala, odnosno napon. Smer električne struje je uvek od mesta višeg ka mestu nižeg potencijala. Bez napona, gibanje elektrona je haotično, odnosno svaki smer je jednako moguć. Ako u kolu postoji razlika potencijala, tj. napon, elektroni dobijaju zajedničku komponentu brzine kretanja prema pozitivnom polu, od svega nekoliko mm/s (brzina nošenja). Kad god se elektroni kreću kroz neku sredinu, proizvode toplotu. Što je više elektrona, toplota je veća.[5] Električna struja može proizvoditi rad, tj. električna energija se može pretvoriti u drugu energiju, na primjer, toplotnu, svjetlosnu ili mehaničku.[6] Svako strujanje elektriciteta stvara magnetsko polje, što je predmet proučavanja elektromagnetizma.
Jačina električne struje je količina naelektrisanja koja teče kroz provodnik u jedinici vremena.[1] Oznaka za intenzitet (jačinu) električne struje je I, a merna jedinica amper.[7] Zbog toga se jačina struje naziva i amperaža.
Za objašnjenje električne struje često se vrši poređenje sa vodom, odnosno hidraulična analogija.
Jačina električne struje () predstavlja količinu elektriciteta () koja se u jedinici vremena () prenese kroz poprečni presek provodnika:
Prosto rečeno, što se više elektrona kreće, to je struja jača.[8] Ukoliko je struja promenljiva, onda se koristi sledeća formula:[9]
Oznaka za struju je I, od francuskog izraza intensité de courant (jačina struje).[10] Jačina električne struje obično se naziva samo strujom.[9]
U atomu je pozitivno naelektrisanje jednako negativnom (broj protona jednak je broju elektrona), pa se naelektrisanje međusobno neutrališe. Tek kada se u telu odvoji deo elektrona od atoma, dolaze do izražaja privlačne sile koje nastoje da vrate elektrone na njihovo mesto. Zbog delovanja tih sila dolazi do kretanja naelektrisanih čestica, odnosno električne struje. Odvajanje elektrona od pripadajućih atomskih jezgara čini osnov proizvodnje električne energije. Odvajanje se može postići elektromehanički, termoelektrički, fotoelektrički, te direktnim pretvaranjem hemijske u električnu energiju gorivnom ćelijom.[11][12]
Za proizvodnju velike količine električne energije služe električni generatori. Glavni izvori električne struje u svakodnevnom životu su:
- mehanički - električni generatori jednosmerne i nazmenične struje u kojima se mehanički rad pretvara u električnu energiju (elektromagnetska indukcija),
- hemijski - galvanski članci i akumulatori koji proizvode električnu energiju na račun hemijskih procesa koji se u njima zbivaju (goriva ćelija),
- svetlosni - solarne ćelije koje energiju svetlosti pretvaraju u električnu energiju (fotoelektrični efekt),
- toplotni - termoelementi u kojima se toplotna energija pretvara u električnu (termoelektrični efekt).
Provodljivost opisuje utjecaj materijala na prijenos električnoga naboja, topline ili magnetskoga polja.[13] Električna vodljivost (G) je fizička veličina definirana kao omjer električne struje i napona, ukoliko su oni nepromjenljivi s vremenom (istosmjerna struja), a obrnuto je proporcionalna električnom otporu:
pri čemu su:
- I jakost električne struje
- U električni napon
- R električni otpor
Električni provodnik (konduktor) je električki vodljiva tvar, to jest tvar kroz koju struja može kontinuirano teći. Provodnikom se smatra tvar kojoj je električna provodnost veća od približno 107 S/m. Električna provodnost metala temelji se na građi njihovih atoma, odnosno na lakoj pokretljivosti elektrona, koji se pod djelovanjem neke sile mogu usmjereno gibati. Bakar i aluminij koriste se najčešće kao materijali električnih vodiča, dok su srebro i zlato za to preskupi, ali se upotrebljavaju za električne kontakte. Elektroliti (otopine soli, kiseline, lužine), koji vode električnu struju zahvaljujući pokretljivosti svojih iona, se u užem smislu ne ubrajaju u električne vodiče.[14]
U praksi, provodnikom se naziva i proizvod od električki vodljive tvari, ponajprije žica.[14]
Električni otpor (R) je fizička veličina kojom se izražava omjer napona i struje, što je za mnoge materijale stalna vrijednost (Omov zakon). Mjerna jedinica otpora je om. Suština otpora leži u činjenici da se elektroni u svom pokretu sudaraju sa česticama provodnika i greju ga. Što duži i tanji provodnik, to je veći njegov otpor.[6]
Električni otpor, suprotan je pojam od električne vodljivosti.
Izolator je dielektrični materijal koji pruža vrlo veliki električni otpor prolazu slobodnih elektrona. Materijali koji su dobri električni izolatori su vakuum, vazduh, staklo, keramika, plastika, guma i drugi. Zbog toga se izolacija električnih žica i kablova najčešće pravi od gume ili plastike, a visokonaponski vodovi nemaju nikakvu izolaciju osim vazduha.
Prema Omovom zakonu, jačina struje (I) u provodniku određuje se kao odnos napona (U) i otpora (R):[15]
gde je:
- I električna struja, merena u amperima (A)
- U električni napon, meren u voltima (V)
- R je električni otpor u omima. (Ω)
Omov zakon, jedan od osnovnih zakona u oblasti električne struje, je opisao Georg Ohm u svom spisu iz 1827. godine.
Električni napon označava razliku električnog potencijala između dve tačke kola. Izražava se u voltima, zbog čega se naziva i voltaža.[16] Može nastati usled naelektrisanja, električne struje u magnetnom polju, promjenljivog magnetnog polja, ili kombinacijom navedenog.[17][18]
Napon je osobina električnog polja, ne pojedinačnih elektrona. Elektron koji se kreće duž razlike potencijala doživljava promenu energije, predstavljenu elektron-voltima, slično kao kada tijelo pada u gravitacijskom polju. Bez napona nema električne struje. Na primer, dvije točke u električnom kolu spojene idealnim provodnikom (bez otpora) imaju razliku potencijala nula, te nikakva struje neće teći.
Napon je aditivan: napon između točaka A i C je jednak zbiru napona između točaka A i B i točaka B i C. Razni naponi u električnom kolu se mogu izračunati upotrebom Kirchhoffovih zakona. Električna snaga je umnožak napona i struje koja protiče kroz kolo. Što veći napon i struja, to veća snaga.[6]
Uobičajeni je napon baterije 1,5 V, automobilskoga akumulatora 12 V, gradske električne mreže 220 V, tramvajske mreže 600 V, a željezničke mreže 25 000 V.[19] Napon može predstavljati ili izvor energije (elektromotorna sila) ili gubitak, utrošak i skladištenje energije (pad napona).
U poređenju sa vodom, kao što brzina potoka ovisi o razlici između početne i konačne visine, tako jačina struje ovisi o razlici potencijala, odnosno o naponu. Ako voda teče kroz cijev pokretana pumpama, tada je razlika potencijala analogna razlici u pritisku između dve tačke.
Elektroni, negativno naelektrisane čestice, se uvek kreću od mjesta gdje su u izobilju (minus), do mjesta gdje ih nedostaje (plus). No, u šemama se obeležava da struja ide od plusa k minusu, što je proizvoljno uspostavljeno pre otkrivanja elektrona.[6] Konvencionalni smer struje je definisan još na početku razvoja nauke o elektricitetu kao tok pozitivnog naelektrisanja, od pozitivnog ka negativnom polu.
U čvrstim metalima, kao što su žice, pozitivna naelektrisanja su nepokretna, a samo negativna teku. U elektrolitima, naelektrisane čestice koje struje (joni), koje mogu biti i pozitivno i negativno naelektrisane. Takav je slučaj prolaska struje kroz vodeni rastvor kuhinjske soli ili vode koja prirodno sadrži u sebi rastvore različitih minerala, dok destilovana voda ne provodi struju jer ne sadrži u sebi jone. Takođe, zanimljiv je i primer, elektrohemijske ćelije koja može biti napravljena uz pomoć slane vode (rastvor natrijum hlorida) sa jedne strane membrane i sveže vode sa druge. Membrana dozvoljava prolaz pozitivnim jonima natrijuma, ali ne i negativnim jonima hlorida, tako da postoji električna struja kroz membranu. U plazmi struje i elektroni i pozitivni i negativni joni. U ledu, i nekim čvrstim elektrolitima, tok protona stvara električnu struju. Postoje i primeri gde je struja tok pozitivnih „elektronskih šupljina“ (nedostatak elektrona u omotaču da bi atom bio neutralno naelektrisan). Ovo je slučaj kod poluprovodnika P-tipa.[20]
Pošto u različitim materijalima struje različiti nosioci nealektrisanja, a u nekima i više njih (i u različitim smerovima), da bi se pojednostavila ova situacija zadržan je konvencionalni smer struje.
Prilikom analize električnih kola, moguće je da pravi smer struje u nekom elementu nije poznat. Stoga, za struje sa nepoznatim smerom, usvaja se, proizvoljno, referentan smer. Nakon što se nađu stvarne vrednosti u kolu, neke struje mogu imati negativni intenzitet, što znači da je njihov pravi smer suprotan od referentnog koji je usvojen.[21]
U poređenju sa vodom, jačina struje je obujamni protok, odnosno zapremina vode koja protiče po jedinici vremena. Što više elektrona u sekundi protiče poprečnim presekom provodnika, jača je struja. Kretanje struje u provodniku takođe podseća na kretanje vode u cevi. Ako se pumpa voda u cev, pritisak se vrlo brzo prenosi duž cevi, od jedne čestice do druge, i voda će izlaziti iz otvorenog kraja. Međutim, ta voda koju dodaje pumpa stiže do drugog kraja cevi znatno sporije.[6]
U ovoj analogiji, napon (voltaža) se izjednačava sa nagibom reke, dok se struja (amperaža) izjednačava sa obujmom vode u reci. Električna struja visokog napona ali vrlo male amperaže, može se posmatrati kao uska, mala rečica koja teče gotovo okomito, poput veoma tankog vodopada. Takav potočić ima malo potencijala da vas povredi. Ali velika reka sa puno vode (amperaže) može udaviti čoveka čak i ako je brzina toka (voltaža) relativno spora.[22]
Visok napon opasan je za ljude i životinje, jer može kroz organizam protjerati struju opasnu po život. Međutim, najopasniji aspekt strujnog udara je amperaža, a ne voltaža.[22] Nije opasan napon sam po sebi već struja koju tera kroz tijelo.[23][24] Posledice strujnog udara su:[22][25]
- Struja jačine 10 mA izaziva bol bez gubitka kontrole mišića.
- Struja jačine 20 mA može izazvati grčenje mišića.
- Struja jačine 30 mA može se izdržati samo par sekundi, uz grčenje mišića ruke i nemogućnost otpuštanja obuhvaćenoga provodnika.
- Struja jačine 50 mA može dovesti do gubitka svijesti.
- Struja jačine 100 mA često ima smrtonosne posljedice.
I struja niskog napona ali velike jačine može biti smrtonosna.[2] Za više napone struja se povećava, pa je i opasnost veća.[26]
- Jugoslav Karamarković, Fizika, Univerzitet u Nišu, 2005.
- Gordon McComb i Earl Boysen, Elektronika za neupućene, Beograd, 2007.
- ↑ 1,0 1,1 1,2 Jugoslav Karamarković, Fizika (str. 170), Univerzitet u Nišu, 2005.
- ↑ 2,0 2,1 Gordon McComb i Earl Boysen, Elektronika za neupućene (str. 26), Beograd, 2007.
- ↑ Anthony C. Fischer-Cripps (2004). The electronics companion. CRC Press. str. 13. ISBN 978-0-7503-1012-3.
- ↑ Oxlade, Chris. Electricity & magnetism. Des Plaines, IL, Heinemann Library, c.2000. p. 32
- ↑ Gordon McComb i Earl Boysen, Elektronika za neupućene (str. 61), Beograd, 2007.
- ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 Osnove elektrotehnike za početnike
- ↑ Lakatos, John; Oenoki, Keiji; Judez, Hector; Oenoki, Kazushi; Hyun Kyu Cho (1998). „Learn Physics Today!”. Lima, Peru: Colegio Dr. Franklin D. Roosevelt. Arhivirano iz originala na datum 27. 2. 2009. Pristupljeno 10. 3. 2009.
- ↑ Gordon McComb i Earl Boysen, Elektronika za neupućene (str. 57), Beograd, 2007.
- ↑ 9,0 9,1 Popović, Branko (1989). „Vremenski konstante električne struje”. Osnovi elektrotehnike I (8 izd.). Beograd: Građevinska knjiga. str. 182-183. ISBN 86-395-0176.
- ↑ Howard M. Berlin; Frank C. Getz (1988). Principles of Electronic Instrumentation and Measurement. Merrill Pub. Co.. str. 37. ISBN 978-0-675-20449-1.
- ↑ Croft, Terrell; Summers, Wilford I. (1987). American Electricians' Handbook (Eleventh izd.). New York: McGraw Hill. ISBN 978-0-07-013932-9.
- ↑ Fink, Donald G.; Beaty, H. Wayne (1978). Standard Handbook for Electrical Engineers (Eleventh izd.). New York: McGraw Hill. ISBN 978-0-07-020974-9.
- ↑ vodljivost, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
- ↑ 14,0 14,1 vodič, [2] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2017.
- ↑ Ohmov zakon, [3] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
- ↑ https://sh.wiktionary.org/wiki/volta%C5%BEa
- ↑ Demetrius T. Paris; F. Kenneth Hurd (1969). Basic Electromagnetic Theory. New York: McGraw-Hill. str. 512, 546. . ISBN 978-0-07-048470-2. pp..
- ↑ {{cite book|author=P. Hammond|title=Electromagnetism for Engineers|publisher=Pergamon Press|year=1969|id=OCLC 854336
- ↑ električni napon, [4] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2017.
- ↑ Ashcroft & Mermin 1976: str. 299–302
- ↑ Robinson & Snyder-Mackler 2007: str. 10
- ↑ 22,0 22,1 22,2 Amperage vs. Voltage: The Dangers of Electrical Shock
- ↑ „Fatalna struja”. Pristupljeno 16. 5. 2016.
- ↑ „Fiziološki efekti električne struje” (en). Pristupljeno 16. 5. 2016.
- ↑ „Opasnosti od električne energije”. Pristupljeno 16. 5. 2016.
- ↑ „Electric Current Needed to Kill a Human” (en). Pristupljeno 16. 5. 2016.
- Interaktivna konverzija jedinica Arhivirano 2008-12-05 na Wayback Machine-u - konverzija jedne jedinice u druge jedinice struje
- U kom smeru naelektrisanje zaista teče?
- Sve o električnim kolima - koristan sajt za upoznavanje sa elektricitetom i elektronikom.
