JEDNOSMERNA ELEKTRI ČNA STRUJA ELEKTRIČNA

Transcript

1 JEDNOSMERNA ELEKTRI ČNA STRUJA ELEKTRIČNA

2 Vrste 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 vrlo labavo vezani za matične atome i lako ih mogu napustiti Usmereno kretanje elektrona u provodniku postoji kada je jedan njihov kraj na višem potencijalu od drugog

3 Od tečnih sredina posebno su značajni elektroliti U elektrolitima slobodno pokretljiva naelektrisanja su pozitivni i negativni joni Gasovi su po pravilu dobri izolatori Pod određenim uslovima i kod njih može doći do pojave električne struje (neonske cevi i fluoroscentne svetiljke) 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 obezbedi prisustvo slobodnih elektrona

4 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 struja naziva se STACIONARNO ELEKTRIČNO POLJE - za njegovo održavanje potrebno je stalno dovoditi energiju sistemu Polje koje može da egzistira samo u vakuumu i savršenim dielektricima naziva se ELEKTROSTATIČKO POLJE za održavanje postojećeg nikakav utrošak energije elektrostatičkog polja nije potreban

5 Dve metalne elektrode u vakuumu opterećene količinama elektiiciteta +Q i Q U prostoru između elektroda postoji statičko električno polje E, a potencijalna razlika je: U = V1 V2 Pri opterećivanju elektroda, izvršen je rad koji se transformisao u potencijalnu energiju elektrostatičkog polja Ako između elektroda nema provodne veze, sistem ostaje u stanju ELEKTROSTATIČKE RAVNOTEŽE

6 Ako se između elektroda ostvari provodan put sa pokretljivim električnim opterećenjima, dejstvom postojećeg elektrostatičkog uspostavlja se ELEKTRIČNA STRUJA pod polja 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 Zaključak Polje, koje potiče od raspoređenih električnih opterećenja, ne može održavati trajnu, stacionarnu struju u provodnoj sredini Da bi struja bila stacionarna, potrebno je da se u svim tačkama polja održava konstantan potencijal i stacionarna raspodela el. opterećenja

7 Analogija sa hidromehaničkim sistemom: Ako se posude spoje pomoću cevi, počinje strujanje tečnosti, razlike nivoa h se smanjuje, kad se nivoi izjednače prestaje strujanje tečnosti Uzrok proticanja tečnosti je gravitaciono polje (analogno dejstvu elektrostatičkog polja iz prethodnog primera) Potencijalna razlika između elektroda (elektrostatički sistem) = Razlika nivoa h1 - h2 u posudi sa tečnošću (hidromehanički sistem )

8 Hidromehanički sistem: Gravitaciono polje, samo, ne može održavati stacionarni tok tečnosti Da bi se održalo stacionarno strujanje tečnosti u spojnoj cevi, razlika nivoa tečnosti u sudovima mora se održavati konstantnom Potrebno je upotrebiti pumpu koja tečnost iz suda sa nižim nivoom prebacuje u sud sa višim nivoom, odnosno, koja tera vodu da teče protiv 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 koji pretvara neku neelektričnu energiju u električnu i koji održava razliku potencijala stalnom Ovakve pumpe električnih opterećenja - izvori (generatori) električne struje - teraju naelektrisanja da se kreću suprotno električnom polju

9 Kondukciona struja u metalnim provodnicima Metali su najbolji provodnici električne struje Imaju kristalnu strukturu, a elektroni spoljne ljuske vrlo su labavo vezani za matične atome - pri normalnim temperaturama skoro slobodno 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 kretanju superponira se sređeno progresivno kretanje elektrona u pravcu polja, 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 između sudara, pretvara se u toplotu prilikom sudara sa jonima rešetke

10 Makroskopski gledano, elektroni se kreću konstantnom brzinom Srednja brzina elektrona direktno je srazmerna jačini polja Jačina struje kroz I poprečni presek provodnika: količnik protekle količine elektriciteta Q kroz posmatranu površinu i vremena t za koje je ta količina elektriciteta protekla: Q I t Ako su količina elektriciteta q i jačina struje i promenjivi u vremenu: i dq dt Jačina struje je skalarna veličina Jedinica joj je amper [A] u čast francuskog fizičara, začetnika elektrodinamike Andre Marie Ampere ( )

11 Električna struja iste jačine može proticati kroz provodnike manjeg ili većeg prečnika Preciznije opisivanje strujnog polja - vektor gustine struje J Intenzitet gustine struje J jednak je količniku jačine struje I i površine u strujnom polju, upravne na pravac kretanja električnih opterećenja: I J S A mm2 Pravac i smer vektora J određen je pravcem i smerom kretanja pozitivnih električnih opterećenja u posmatranoj tački strujnog polja Ukoliko se gustina struje razlikuje u nekim delovima provodnika: i J ds S

12 Omov zakon Omov zakon glasi: Jačina električne struje u provodniku direktno je srazmerna naponu na njegovim krajevima: U=R I V Otkrio ga je i formulisao nemački fizičar Om Georg Simon Ohm ( ) Konstanta R naziva se otpornost provodnika - jedinica om [Ω] Omov zakon definiše vezu između tri osnovne elektrotehničke veličine: napona, struje i otpornosti Podrazumeva se da struja ima smer od kraja na višem potencijalu ka kraju na nižem potencijalu

13 Elektri čna otpornost Električna Električna otpornost žičanog provodnika dužine l, konstantnog preseka S i od homogenog materijala: l R S [Ω] m ρ - specifična otpornost, zavisi od prirode provodnog materijala mm2 Električna provodnost definiše se kao recipročna vrednost električne otpornosti i označava se sa G: 1 G R [S] Jedinica simens [S] - po nemačkom oficiru, fizičaru i osnivaču koncerna Siemens Ernst Werner von Siemens ( )

14 Specifična otpornost metala ρ zavisi od temperature (sa porastom temperature povećava se brzina termičkog kretanja i učestanost sudara, što dovodi do povećanja otpornosti) U opštem slučaju specifična otpornost ρ zavisi od temperature po polinomnoj funkciji: 1[1 a 1 b ] 1 - specifična otpornost na temperaturi 1 (uobičajeno 20 C) a, b - konstante za dati provodnik, koje vrlo brzo opadaju, pa se za umeren opseg promene temperature oko 1 može uzeti samo prvi član reda: 1 (1 ) - temperaturni koeficijent otpornosti (za grafit i još neke materijale je negativan - otpornost opada sa porastom temperature) Kod nekih legura (manganin i konstantan) specifična otpornost je praktično konstantna u opsegu temperatura od C

15 Otpornici su komponente tačno određene vrednosti otpornosti, koje se koriste za regulaciju raspodele električne energije Dele u tri osnovne grupe: otpornici stalne otponosti, promenjive otpornosti (potenciometri) i nelinearne otpornike (NTC, PTC, VDRvaristori, LDR-fotootpornici, magnetootpornici i tenzootpornici) otpornici stalne otpornosti regulacioni otpornik (trimer) potenciometar varistor fotootpornik 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

16 Obeležavanje otpornika pomoću boja: Sistem obeležavanja sa 4 trake: otpornik otpornosti 1200 Ω sa dozvoljenim odstupanjem otpornosti ± 5% Sistem obeležavanja sa 5 traka: otpornik otpornosti 86,4 Ω sa dozvoljenim odstupanjem otpornosti ± 1%

17 Merenje napona voltmetrom: Napon UAB = VA VB je razlika potencijala između tačaka A i B Voltmetar se u kolo vezuje paralelno UAB je pozitivan ako je tačka A na višem potencijalu od tačke B Voltmetar mora imati što veću unutrašnju otpornost

18 Merenje struje ampermetrom: Ampermetar se u kolo vezuje redno, da bi sva struja koja se meri protekla kroz njega Znak + označava priključak koji treba da je na višem potencijalu, da bi skretanje kazaljke bilo u predviđenom smeru Ampermetar mora imati što manju unutrašnju otpornost

19 Merenje otpora ommetrom: Element, čija otpornost se meri, potrebno je električno odvojiti od ostalih elemenata kola Strujno kolo ommetra čini: redna veza baterije elektromotorne sile E, predotpora Rp (za zaštitu od prevelike struje), otpornika za kalibrisanje Rk (za doterivanje struje u kolu na potrebnu vrednost) i instrumenta sa kretnim kalemom unutrašnje otpornosti Ri Rx

20 D žulov zakon Džulov Engleski fizičar Džul proučavao je toplotno dejstvo električne struje Džulov zakon: količina toplote Q, koja se razvije za vreme t u otporniku otpornosti R, kada kroz njega protiče struja I jednaka je: James Prescott Joule ( ) Q R I 2 t Kada kroz provodnik protiče struja, sile električnog polja vrše rad pomerajući elementarna električna opterećenja - ovaj rad se u celosti transformiše u toplotu zbog sudara pokretljivih opterećenja sa jonima nepokretne kristalne rešetke 2 U 2 A R I t R t U I dt Transformacija električnog rada u toplotu naziva se Džulovim efektom Jedinica za rad, energiju i količinu toplote nosi ime džul (J)

21 Elementarna razvijena toplota u provodniku otpornosti R, kroz koji protiče struja I i na kome postoji napon U je: 2 U 2 dq R I dt R dt U I dt Snaga Džulove toplote je brzina vršenja rada: odnosno: P 2 U P R I2 U I R Snaga se meri jedinicom koja se zove vat [W], u čast škotskog inženjera i naučnika Vata James Watt ( ) dq dt

22 Struja u elektrolitima Elektricna struja može postojati i u nekim tečnostima, koje se nazivaju 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 soli u vodi - hemijski čiste vode ne provode struju) Osnovna razlika medu njima je u tome što usled proticanja struje kroz metale nastaje toplota, a kroz elektrolite hemijski procesi Pojava razlaganja složenih materija elektricnom strujom naziva se elektroliza 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 vremenu njenog proticanja kroz elektrolit, ili: m a I t a - elektrohemijski ekvivalent date materije

23 Hemijski izvori elektri čne struje električne Ako se dve metalne ploče, elektrode, potope u elektrolit dobija se tzv. galvanski element, koji može biti izvor vremenski konstantne struje Najprostiji galvanski element je Voltin: dve metalne ploče (od bakra i 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 se vraća na prvobitnu vrednost

24 U elektrolitu se nalaze elektrode od istog materijala, prekidač je u položaju 1-1, galvanometar ne pokazuje otklon (u kolu nema struje) Ako se galvanski element veže na izvor jednosmernog napona U (prekidač u položaju 2-2) i ako se pusti da se neko vreme vrši elektroliza, posle uklanjanja izvora još neko vreme če postojati struja čiji je smer suprotan u odnosu na smer struje koja je tekla dok je bio priključen naponski izvor Struja je nastala je usled naponske razlike koja se pojavila između elektroda Pojava da se elektrode u elektrolitu nakon izvršene elektrolize ponašaju kao polovi nekog izvora struje - elektrolitička polarizacija Galvanski elementi - primarni izvori - mogu se upotrijebiti samo jednokratno, jer u njima nastaju nepovratni elektrohemijski procesi

25 Olovni akumulatori Izvori koji mogu da aukumuliraju električnu energiju, nazivaju se sekundarni izvori ili akumulatori Jedan od najčešće korišćenih - olovni akumualtor - sastoji se od dve olovne ploče potopljene u razblaženi rastvor sumporne kiseline Pre punjenja akumulatora olovne elektrode presvučene su olovnim sulfatom PbSO4, jer se nalaze u sumpornoj kiselini Kada se akumulator puni, proizvodi elektrolize (H2 i O2) hemijski deluju na elektrode i na anodi nastaje olovni superoksid PbO2, a na katodi olovo Pb Akumulator je pun kada se na katodi počnu dizati mehurići vodonika - dostiže napon od 2,2 2,6 V po ćeliji Ukoliko se akumulator sastoji od 6 ovakvih ćelija, vezanih redno, ukupni napon takvog, napunjenog akumulatora je oko 13,2 V

26 Pri pražnjenju akumulatora dolazi do obrnutog procesa, električna struja teče kroz elektrolit u smeru od katode ka anodi Pri pražnjenju akumulatora, napon ćelije brzo opadne na 2 V, taj napon se održava neko vrieme, a kada opadne na 1,8 V akumulator se mora ponovno puniti (11 V, u slučaju redne veze šest ćelija) Količina elektriciteta koju akumulator može dati pri pražnjenju (pri eksploataciji) naziva se kapacitet akumulatora i on se izražava u amper - časovima (Ah) Olovni akumulatori imaju nisku cenu i malu unutrašnju otpornost, koja omogucava postizanje velikih struja u kratkim vremenskim intervalima (pokretanje motora) Medutim, karakteristike ovih akumulatora dosta zavise od temperature okoline (tako da sposobnost brzo opada pri niskim temperaturama Pri kratkom spoju dolazi do oštećenja akumulatora, pa se njegovo pražnjenje ne sme vršiti pri naponu manjem od 1,8 V po ćeliji Negativna strana im je i velika težina

27 Alkalni akumulatori Isti princip rada, samo su otporniji i imaju elektrode od lakših metala Najviše se upotrebljava Edisonov, koji je po konstrukciji isti kao i olovni, samo su mu elektrode od nikla i gvožđa, a za elektrolit se koristi 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 0 C Napon punog alkalnog akumulatora iznosi oko 1,5 V po ćeliji i menja se pri punjenju i pražnjenju slično kao kod olovnih akumulatora

28 Struja u gasovima Gasovi su pri normalnom pritisku i temperaturi izolatori, jer nemaju slobodne nosioce naelektrisanja (elektrone ili jone) U određenim uslovima gasovi postaju provodnici, jer dolazi do jonizacije - procesa odvajanja elektrona od atoma Za jonizaciju se mora uložiti određena energija - spoljašnje delovanje: toplota, ultraljubičasto, rendegnsko, radioaktivno zračenje,... Pod uticajem jonizatora, jedan broj elektrona napušta neutralni atom gasa, elektroni postaju slobodni, a atom postaje pozitivan jon Drugi atomi gasa apsorbuju deo slobodnih elektrona, da bi popunili energetske orbite, i tako postaju negativni joni Proticanje struje kroz gas u prisustvu spoljašnjeg jonizatora naziva se nesamostalno pražnjenje, a električna provodnost izazvana delovanjem jonizatora naziva se nesamostalna provodnost

29 Zavisnost jačine struje nesamostalnog pražnjenja od napona između elektroda: Pri malim naponima (< U1) jačina struje je linearna funkcija napona i za gasove približno važi Omov zakon (usled povećanja napona sve veći broj jona učestvuje u jonizaciji) Za neke vrednosti napona (U1 do U2) struja raste sporije od napona (javlja se i rekombinacija, suprotan proces od jonizacije) Za veće vrednosti napona (U2 - U3) jačina struje je konstantna iako se napon povećava (svi joni nastali u jonizaciji učestvuju u provođenju i ne stižu da se rekombinuju - zasićenje) Za napon veći od neke vrednosti (U3) jačina struje raste naglo i brže od napona (primarni elektroni imaju toliku kinetičku energiju da mogu jonizovati molekul pri sudaru - udarna jonizacija) Ovako dobijeni (sekundarni) elektroni ubrzavaju se u istom polju i mogu i sami da jonizuju molekule, povećava se provodljivost gasa (ako se ukine jonizator, struja prestaje - nesamostalno pražnjenje)

30 Kada je napon na elektrodama dovoljno veliki (tačka 1 na grafiku) dolazi do pojave varnice i nesamostalno pražnjenje prelazi u samostalno pražnjenje (prelaz se dešava pri struji od oko 10 A) Dalji porast struje može nastati samo sekundarnom jonizacijom, odnosno emisijom elektrona iz katode (deo krive 2-3) pri čemu je napon prvo kosntantan, da bi zatim ponovo počeo da raste Povećanje struje do određene vrednosti (reda 10-1 A) nastaje proboj gasa, javlja se električni luk i napon opada sa povećanjem struje (4-5) Za održavanje struje luka potreban je znatno niži napon od onog koji je luk izazvao Mehanizam provođenja struje kroz gasove primenjuje se najviše kod elektronskih cevi Električni luk može biti vrlo štetan ako se pojavi nepoželjno, ali se izaziva i namerno (za elektolučno zavarivanje metala, za topljenje ruda i metala u elektrolučnim pećima i za lučne lampe Električni luk, koji se koristi u navedene svrhe, ostvaruje se pri naponima od nekoliko desetina do nekoliko stotina volti