Електрична струја – настанак
Метали имају кристалну грађу – у чворовима кристалне решетке су + јони, а између њих слободни електрони. Метали од свих супстанци имају највећу концентрацију слободних електрона и зато су најбољи проводници. Они су проводници у сва три агрегатна стања.
Неке супстанце (соли, базе и киселине) нису проводници, али њихови водени раствори проводе електричну струју. Њихова проводљивост је условљена кретањем јона.
Гасови су проводници под условом да су врло разређени и да је висок напон између електрода на крајевима цеви у којима се налазе.
Слаби проводници или изолатори – скоро сви електрони су чврсто везани и мала је концентрација слободних електрона.
Граница између проводника и изолатора није оштра, јер спољни услови могу да промене електропроводљивост.
Полупроводници нагло повећавају своју електропроводљивост под утицајем промене спољних фактора. То су елементи IV, V и VI групе периодног система, а најпознатији су силицијум и германијум.
Слободни електрони се хаотично крећу све док се у проводнику не успостави електрично поље и не почне усмерено кретање наелектрисања.
Усмерено кретање наелектрисаних честица кроз проводник назива се електрична струја.
Извори електричне струје
Оглед:
Наелектрисани и ненаелектрисани електрометар се повежу проводником. Успоставља се електрично поље у самом проводнику – краткотрајна струја, јер се изједначавају њихови електрични потенцијали и нестаје електрично поље. Мора се стално надокнађивати наелектрисање на првом електрометру што је непрактично.
У пракси се електрично поље успоставља у проводницима и може дуже време да се одржава помоћу извора електричне струје.
У изворима електричне струjе настаjе раздваjање позитивних и негативних наелектрисања и усмеравање њиховог кретања. Раздвоjене наелектрисане честице долазе на одређене делове извора коjи се називаjу полови извора струjе. Код сваког извора електричне струjе постоjе два пола: позитивни (+) и негативни (-). Постоjе различити процеси чиjи jе резултат раздваjање и уређено кретање слободних наелектрисаних честица у изворима струjе, нпр. механички рад, хемиjска реакциjа и др. У свим тим процесима долази до претварања неког облика енергиjе (механичка, хемиjска, унутрашња, светлосна или нека друга) у електричну енергиjу.
Кроз проводник, коjим су повезани полови извора струjе, крећу се слободни електрони, а кроз извор струjе – слободне наелектрисане честице (електрони, jони). Ово кретање ће траjати све док траjу поменути процеси у извору.
Механичка енергија
- електростатичка инфлуентна машина
Хемијска енергија
- Лекланшеов елемент
- Оловни акумулатори
Лекланшеови елементи и акумулатори спадаjу у изворе jедносмерне струjе. На цртежима се jедноставно представљаjу као на слици. Дужа и тања црта представља позитиван, а краћа и дебља црта негативан пол извора струjе.
Електромоторна сила
Раздваjање наелектрисања унутар електричног извора врши се на рачун претварања механичке, хемиjске, унутрашње или неке друге енергиjе у електричну енергиjу.
Рад потребан за преношење jединичног позитивног наелектрисања са негативног на позитиван пол унутар извора назива се електромоторна сила (ЕМС) и обележава се са ε (грчко слово епсилон). Jединица за електромоторну силу jе волт (V), исто као и за разлику електричних потенциjала (напон).
Електрично коло
За смер електричне струjе у проводнику узет jе смер у коме би се могло кретати позитивно наелектрисање (од позитивног ка негативном полу електричног извора – технички смер струје). Такав смер струjе и данас се користи. Он jе супротан кретању електрона у електричном пољу. Као што знамо, електрони се крећу од негативног ка позитивном полу извора електричне струjе кроз спољашњи део кола (проводници и потрошач) – физички смер струје. У унутрашњем делу кола (електрични извор), електрони се крећу од позитивног ка негативном полу. Цртежи на коjима се jедноставним ознакама представља електрични прибор називаjу се електричне шеме.
Jачина електричне струjе
Кроз електричне потрошаче (електрични штедњак, пеглу, сиjалицу) коjи су укључени у електричну мрежу протећи ће за исто време различита количина електрицитета, односно кроз њих ће протећи различита електрична струjа.
Да би се електрична струjа у разним електричним потрошачима могла квантитативно упоређивати, уведена jе физичка величина коjа се назива jачина електричне струjе. То jе jедна од основних величина SI система.
Jачина електричне струjе у проводнику броjно jе jеднака количини електрицитета коjи протекне кроз попречни пресек проводника за jедну секунду.
I=q/t
Jединица за jачину електричне струjе jе ампер (1А).
Ако jе jачина електричне струjе у проводнику 1 ампер, кроз његов попречни пресек протиче количина електрицитета од 1 кулона за 1 секунду. У пракси се, осим ампера, користе мање и веће jединице.
Деловање електричне струjе
- Топлотно – Са успостављањем електричне струjе проводник се загрева.
- Хемијско – Електролиза и галванизација
- Магнетно – Електромагнет
- Механичко – Два паралелна проводника.
Jединица за jачину електричне струjе – ампер (А) – дефинише се управо помоћу међусобног деловања два паралелна проводника кроз коjе протичу сталне електричне струjе.
Ампер jе стална електрична струjа коjа би, када би се одржавала у два права паралелна проводника неограничене дужине и занемарљив; малог кружног пресека, коjи се налазе у вакууму на међусобном растоjању од jедног метра, проузроковала међу тим проводницима силу jеднаку 2 ·10-7 њутна по метру дужине.
Мерење jачине и напона електричне струjе
Jачина електричне струjе мери се амперметром (везује се редно).
За мерење напона на половима извора електричне струjе или на неком другом делу кола користи се уређаj коjи се назива волтметар (везује се паралелно).
Електрична отпорност
Електрична отпорност jе физичка величина коjа представља меру отпора усмереном кретању наелектрисаних честица кроз проводник. Он се обележава са R. Од два проводника, већу електричну отпорност има проводник кроз коjи протиче слабиjа струjа при истим условима (jеднаке димензиjе проводника и jеднаки електрични напони на њиховим краjевима).
Знамо да електрична струjа у металима представља усмерено кретање слободних електрона. Крећући се под утицаjем електричног поља, електрони се узаjамно судараjу, а судараjу се и са jонима кристалне решетке метала. Ово узаjамно деловање може се упоредити са неком силом отпора (трења) коjа успорава кретање самих електрона. Услед тог деловања смањуjе се брзина усмереног кретања електрона. а то значи и jачина електричне струjе у проводнику.
Jединица електричне отпорности jе ом (Ω), а назван jе тако у част немачког физичара Георга Ома. У пракси се чешће користе веће jединице од ома: килоом и мегаом
Експериментално показано:
- Отпорност проводника је сразмерна његовоj дужини l.
- Отпорност проводника је обрнуто сразмерна површини његовог попречног пресека S
- Отпорност проводника зависи и од врсте материjала од кога jе он направљен и исказана је преко величине коjа се назива специфична отпорност - ρ. Специфична отпорност неке супстанце jе електрична отпорност проводника дужине 1m и површине попречног пресека 1m2на температури од 0°С. Jединица – омметар (Ωm).
Електрична отпорност проводника дате супстанце сразмерна jе његовоj дужини, обрнуто сразмерна површини попречног пресека проводника, а константа сразмерности jе специфична отпорност.
R = ρl/S
Вредности специфичног отпора појединих супстанци
сребро 1,6∙10-8Ωm, бакар 1,7∙10-8Ωm, алуминијум 2,8∙10-8Ωm,
волфрам 5,5∙10-8Ωm, гвожђе 1,0∙10-7Ωm, константан 5,0∙10-7Ωm
Омов закон
Када повећавамо напон на потрошачу (укључујемо већи број извора) повећава се јачина струје у колу.
Закључак:
Јачина струје је директно сразмерна напону.
Када повећавамо отпор у колу (повећавамо дужину проводника) јачина струје у колу се смањује.
Закључак:
Јачина струје у колу обрнуто је сразмерна отпору.
Оба ова закључка обједињена су у jедан од основних закона електричне струjе за део кола – Омов закон за део струјног кола.
Jачина електричне струjе у проводнику сразмерна jе електричном напону на његовим краjевима, а обрнуто сразмерна електричноj отпорности проводника
I=U/R
На основу Омовог закона се израчунава напон на делу кола или отпорност дела кола.
Из обрасца се дефинише и jединица отпорности:
електричну отпорност од једног ома има онаj проводник у коме при електричном напону од 1 V електрична струjа има jачину од 1 А.
Кад се затвори електрично коло, носиоци наелектрисања се крећу и наилазе у спољашњем делу кола на отпорност R, а кроз извор на отпорност r коjи се назива унутрашња отпорност електричног извора. Jачина електричне струjе I jе иста у свим деловима кола jер се носиоци наелектрисања не могу нагомилавати ни у jедноj његовоj тачки (Закон одржања наелектрисања). У овом електричном колу укупан електрични напон jе управо ЕМС извора ε, а укупна отпорност jе збир спољашње и унутрашње отпорности. На основу Омовог закона jе онда
I= ε/(R+r)
Ово jе облик Омовог закона коjи се односи на цело струjно коло.
I= ε/(R+r) => IR+Ir=ε => (IR=U) => U= ε-Ir => U < ε (када у колу тече струја)
U = ε (када у колу нема струје I=0)
Везивање отпорника
У електрично коло често се укључуjе више потрошача. Пошто кроз њих тече електрична струjа – они су проводници, а како пружаjу извесну електричну отпорност – они су и отпорници. Отуда се уместо израза везивање потрошача користи израз везивање проводника или везивање отпорника. Могу бити реднои паралелно везани.
Редна (серијска) веза отпорника
U = φA – φC , U1 = φA – φB ,U2 = φB – φC => U = U1 + U2
I = U1/R1 = U2/R2 U = IRe IRe= IR1 + IR2 =>
Еквивалентни отпор у колу (отпор којим замењујемо отпор) два редно везана отпорника је
Re= R1 + R2
Паралелна веза отпорника
У чвору В струjа I грана се у две струjе I1, и I2, што потврђуjу амперметри у том колу.
Према закону одржавања наелектрисања, количина електрицитета коjа доспева у тачку гранања В за време t jеднака jе количини електрицитета коjи напушта ту тачку за исто време, тj. q=q1+q2 односно It=I1t+I2t. Дељењем jедначине са tдобиjа се:
I=I1+I2
Према томе, jачина електричне струjе коjа утиче у чвор (тачку гранања) jеднака jе збиру jачина електричних струjа коjе из њега истичу. Исти закључак важи и за чвор у коjи утиче и из кога истиче више струjа.
У општем случају важи I Кирхофово правило
Збир свих jачина електричних струjа коjе улазе у чвор електричног кола jеднак jе збиру електричних струjа коjе из њега излазе.
Из I=I1+I2 => U/Re = U1/R1 + U2/R2 =>
Еквивалентни отпор у колу два паралелно везана отпорника је
1/Re = 1/R1 + 1/R2
Рад и снага електричне струје
У стpуjнoм кoлу непpекиднo се вpше paзличите тpaнсфopмaциjе енеpгиjе. У извopу електpичне стpуjе се унутpaшњa, мехaничкa, светлoснa или некa дpугa вpстa енеpгиjе (штo зaвиси oд вpсте извopa) кopисти зa oдpжaвaње електpичнoг пoљa између пoлoвa. Услед тoгa се електpoни кpећу кpoз електpичнo кoлo, тј. у кoлу имa електpичне стpуjе. Пpoтичући кpoз пoтpoшaч oвa стpуja вpши paд.
Paд електpичне стpуjе jе пoследицa пpетвapaњa електpичне енеpгиjе у дpуге вpсте енеpгиja.
Рaд електpичних силa пpи пpенoшењу кoличине нaелектpисaњa из jедне у дpугу тaчку електpичнoг пoљa oдpеђен је пpoизвoдoм те кoличине нaелектpисaњa и нaпoнa између oвих тaчaкa: A=qU
Одакле је А=UIt
Paд електpичне стpуjе у некoм делу кoлa jеднaк jе пpoизвoду електpичнoг нaпoнa нa кpajевимa тoгa делa кoлa, jaчине стaлне електpичне стpуjе кoja пpoтиче кpoз тaj деo кoлa и вpеменa пpoтицaњa oве стpуjе.
Oвa фopмулa oмoгућaвa изpaчунaвaње укупнoг paдa кojи вpши електpичнa стpуja у дaтoм електpичнoм кoлу незaвиснo oд тoгa у кojу се вpсту енеpгиjе пpетвapa електpичнa енеpгиja.
Електpичнa сгpуja у пpoвoднику извpши paд oд jеднoг џулa aкo jе нa његoвим кpajевимa нaпoн oд jеднoг вoлтa a кpoз његa пpoтиче стpуja oд jеднoг aмпеpa у тoку jеднoг секундa.
Снaгa је jеднaкa paду у jединици вpеменa. Дaкле, снaгa електpичне стpуjе jе
P=A/t=UI
јединица за снагу је [1W=1V·1A]
Пpетвapaње електpичне енеpгиjе у унутpaшњу енеpгиjу (Џулoв зaкoн)
Кaдa кpoз пpoвoднике тече електpичнa стpуja, oни се зaгpевajу што је последица повећања унутрашње енргије проводника. У једном тренутку он престаје да се загрева иако и даље прима енергију на рачун рада електричне струје. То се објашњава тиме што проводник ослобађа одређену количину топлоте која је на основу закона одржања енергије једнака раду који изврши електрична струја у њему: Q=A
Q=UIt= I2Rt =U2t/R
Џулoв зaкoн гласи:
Кoличинa тoплoте oслoбoђенa у пpoвoднику сa електpичнoм стpуjoм jеднaкa jе пpoизвoду квaдpaтa jaчине те електpичне стpуjе, електpичне oтпopнoсти пpoвoдникa и вpемену пpoтицaњa електpичне стpуjе.
Пoштo се пpoизвoдoм UI oдpеђуjе снaгa, тo се кoличинa тoплoте oслoбoђенa у некoм пoтpoшaчу пoзнaте снaге мoже oдpедити фopмулoм: Q=Pt
Нема коментара:
Постави коментар