1 UI.DOC Elektrina - električni naboj (Q) Elementarni delci snovi imajo lastnost, da so nabiti - nosijo električni naboj-elektrino. Protoni imajo pozitiven naboj, zato je jedro pozitivno nabito, elektroni pa nosijo negativen naboj. Atom je navzven nevtralen. Če pa izgubi katerega od elektronov, postane pozitivno nabit ion (kation), po sprejemu dodatnega elektrona pa negativno nabit ion (anion). Elektronom, ki so se iztrgali atomu, pravimo prosti elektroni in se gibljejo neurejeno v vseh smereh v medatomskem prostoru snovi. Teh prostih elektronov je zlasti veliko v kovinah. Električni naboj, ki mu pravimo tudi elektrina, označimo s črko Q, enota zanj pa je C (Coulomb-izgovorimo "kulon") ali As (1 C = 1 As). Prevodniki imajo veliko gibljivih nosilcev elektrine, zato dobro prevajajo električni tok (kovine, raztopine, plini, taline) Polprevodnikom pa se bistveno spreminja število nosilcev glede na pogoje, zato pod določenimi pogoji prevajajo el. tok, pod določenimi pa ne (npr. v električnem polju, če so osvetljeni,...) - silicij, germanij, selen,... Izolanti imajo malo prostih nosilcev elektrine Električna napetost (U) in električni potencial (V) Med telesi, ki imajo različen naboj se pojavi sila za vzpostavitev ravnotežja - izravnave naboja, ki jo imenujemo električna napetost U [V]. Električno napetost daje generator napetosti. Generator napetosti z energijo, ki jo prejema (mehansko, kemično, svetlobno,...), ločuje elektrine. Ločene elektrine se nabirajo na pozitivnem in negativnem polu generatorja.
2 UI.DOC Simboli izvorov električne napetosti: a) galvanski člen b) svetlobna celica c) akumulator, baterija več členov d) enosmerni generator v energetiki e) izmenični generator v energetiki f) generator v elektroniki Vsako nabito telo predstavlja električni pol, ki ima določen potencial V [V] proti nekemu izhodiščnemu (skupnemu, referenčnemu) polu. Če imata dva pola enak potencial, med njima ni napetosti. V splošnem pa je napetost določena kot razlika potencialov: UAB = VA - VB Ko med električnimi poli določamo izhodiščni pol, se odločimo za tistega, ki je ozemljen. Če nobeden od polov ni ozemljen, izberemo tistega, ki se nam zdi najbolj primeren. Izhodiščni pol izberemo zato, da potenciale vseh ostalih polov primerjamo glede nanj. Izhodiščnemu polu pripišemo električni potencial 0 V (npr. analogija z morjem, ki predstavlja izhodišče za nadmorske višine vrhov, gora,...), vsi ostali poli pa imajo potenciale, ki jih izrazimo kot napetosti relativno glede na izhodiščni pol. Enota za potencial in napetost je V.
3 UI.DOC Električni tok (I) Če postavimo nabite delce v električno polje, nanje deluje električna sila. Pozitivne delce privlači negativni pol, pozitivni pa jih odbija. Za negativne delce pa velja obratno. Če z vodniki (žicami) povežemo generator napetosti in porabnik, (ki pretvarja električno energijo v neko drugo obliko), dobimo električni krog. Tako je izpolnjen pogoj, da napetost kot električna sila lahko potisne nabite delce-elektrine po električnem krogu. Te elektrine, ki se gibljejo, predstavljajo električni tok. Električni tok je torej usmerjeno gibanje elektrin proti polu generatorja napetosti. Z električnim tokom se prenaša elektrina. V času t se prenese elektrina Q. Količina prenešene elektrine je večja, če je tok večji: Q = I * t t = čas [s] Generator ločuje elektrine, tako da se med poloma pojavi razlika v elektrinah, električni tok pa to razliko zmanjšuje, oz. razliko med poloma izravnava. Električni tok predstavljajo: elektroni, ki se premikajo v vodnikih - žicah v raztopinah, ioniziranih plinih in talinah pa tudi ioni Enota za merjenje toka je A. 1A je tok, ki ga dobimo, če 1C elektrine steče v 1 s. 1 C elektrine pa predstavlja 6,25 * 10 18 elektronov. Tehnična smer toka je od + proti - polu. Dejanska smer toka pa je odvisna od nosilcev elektrine (pozitivne potujejo proti - polu, negativni proti + polu). Električni tok merimo z A-metrom, ki ga priključimo zaporedno v tokokrog, da tok teče skozenj. Njegova upornost mora biti čim manjša. Tok, ki ima vedno isto smer in velikost, je enosmerni tok. Tok, ki spreminja smer, je izmenični tok.
4 UI.DOC Ohmov zakon Snovi, skozi katero teče električni tok, se upira električnemu toku. Električni tok v električnem krogu je odvisen od pritisnjene napetosti in od upornosti tokokroga. Napetost generatorja, tok v tokokrogu in upornost tokokroga povezuje Ohmov zakon, ki ga povemo takole: Tok v tokokrogu določata napetost generatorja in upornost, skozi katero teče ta tok. I = U / R Ohmov zakon lahko obrnemo tudi malce drugače in rečemo: Na upornosti R, skozi katero teče električni tok I, se pojavi padec napetosti: U = I * R Upornost snovi R Snovi se upirajo prehodu električnega toka, ki ga skozi snov potiska električna napetost - snovi imajo električno upornost R. Električna upornost snovi je povezana s prevodnostjo snovi. Čim večja je upornost R, tem manjša je prevodnost G. Enota za upornost Ohm [ ], za prevodnost pa je enota Siemens [S]. G = 1 R = 1 R G R1 Simbol za upornost je prazen pravokotnik. Upornost je snovno - geometrijska lastnost snovi. l R = ρ A [Ωm]... specifična upornost snovi l [m]... dolžina vodnika A [m 2 ]... prerez vodnika Ko rečemo, da je to snovna lastnost, pomeni, da je odvisna od vrste snovi. Podatek za vrsto snovi je zajet v specifični upornosti snovi [Ωm] (baker ima 0,018*10-6 Ωm).
5 UI.DOC Ko pa omenjamo geometrijsko lastnost snovi, to pomeni, da je odvisna od dolžine l [m] in prereza vodnika A [m 2 ]. S spreminjanjem temperature se upornost snovi spreminja. Kovinam se upornost pri segrevanju povečuje (pozitiven temperaturni koeficient), nekaterim snovem, kot npr. oglju, iz katerega so izdelani ogleni plastni upori, pa se zmanjšuje (negativen temperaturni koeficient). Prevodniki imajo majhno upornost (veliko prostih nosilcev elektrin), izolatorji pa zelo veliko (malo prostih nosilcev elektrin). Najboljši prevodniki električnega toka so: srebro, baker, zlato in aluminij. Upornost je lahko koristna ali škodljiva: koristno jo uporabljamo npr. v grelcih, kjer grelec oddaja toploto, ker se na njem sprošča moč, ko skozenj teče električni tok. Z upori tudi omejujemo tok v elektronskih vezjih, delimo napetost, itd. vsak vodnik, vez na tiskanem vezju, generator, itd. ima svojo ohmsko upornost R, zato je tudi na vseh teh mestih tok oviran in prihaja do padcev napetosti: U = I R Na vseh naštetih mestih se tudi porablja in sprošča moč, kar je škodljiv pojav. Upori so lahko linearni (npr. ogleni) ali pa nelinearni (npr. žarnica). To določa njihova U - I karakteristika, ki prikazuje odvisnost toka od napetosti. Linearna U - I karakteristika oglenih uporov. Ogleni upor je linearen element.
6 UI.DOC Neinearna U - I karakteristika žarnice. Žarnica je nelinearen element. Elementu, ki ga izdelamo z namenom, da izkoriščamo njegovo upornost, rečemo upor. Upor je izdelan za nazivno moč, ki je odvisna od dimenzij upora in tehnologije izdelave upora (učinek hlajenja!). To pomeni, da se pri normalnih pogojih (okoliški temperaturi 20 C) na njem lahko sprošča največ taka moč. Če to moč presežemo, upor pregori. Za upore podajamo nazivno vrednost upornosti (to je vrednost, ki naj bi jo upor imel, če bi bil brez odstopanja - upornost za katero je izdelan), toleranco upornosti (največje možno odstopanje od nazivne vrednosti), temperaturno odvisnost v obliki temperaturnega koeficienta Upori so na osnovi IEC 63 standarda razvrščeni v tolerančne vrste - E vrste. Za vsako vrsto je značilno, da podaja toleranco vsakega upora v tej vrsti in razmerje med vrednostima sosednjih uporov v tej vrsti. Primer: V 10%-ni tolerančni vrsti imajo vsi upori toleranco +-10%. Sosednje vrednosti uporov se razlikujejo med seboj za približno 20%. Sosednje vrednosti uporov so tako: 1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 10 Tolerance uporov so +-10%, +-5%, +-2%, +-1%, +-0,5%, +-0,25%,+-0,1%, +-0,05%
7 UI.DOC Vrednosti uporov, tolerance in temperaturno odvisnost označujemo z barvnimi krogi, ki so štirje za večje tolerance in pet ali šest za manjše tolerance. številka množitelj toleranca temperaturni koeficient PPM/ o C barva številka množitelj toleranca % temp. koficient PPM/ o C črna 0 10 0 +-250 rjava 1 10 1 +-1 +-100 rdeča 2 10 2 +-2 +-50 oranžna 3 10 3 +-15 rumena 4 10 4 +-25 zelena 5 10 5 +-0,5 +-20 modra 6 10 6 +-0,25 +-10 vijolična 7 10 7 +-0,1 +-5 siva 8 10 8 +-1 bela 9 10 9 zlata 10-1 +-5 srebrna 10-2 +-10 nobena +-20 primer: modra rdeča oranžna srebrna = (62) * 10 3 Ω +-10% = 62 KΩ +-10% oranžna oranžna zlata rdeča = (33) * 10-1 Ω +-2% = 3,3 Ω +-2%
8 UI.DOC Učinki električnega toka Učinki električnega toka so: toplotni (npr. grelci, grejejo pa se tudi vse naprave) svetlobni (npr. žarnica) magnetni (npr. rele, elektromotor, elektromagnet) kemijski (npr. elektroliza) Učinki električnega toka na živa bitja Električni tok vpliva na telo živega bitja s: fiziološkim učinkom (na živčni sistem) kemijskim učinkom (razkroj telesnih tekočin) toplotnim učinkom (segrevanje telesa). Smrtno nevarna je: enosmerna napetost dotika 120 V izmenična napetost 50 V tok 50 ma, ki steče skozi telo Varovanje: z enojno in dvojno izolacijo pred neposrednim dotikom pred posrednim dotikom (ko je kovinska naprava pod električno napetostjo) pa: o s pravočasnim samodejnim odklopom izvora napetosti o z omejevanjem napetosti dotika o z izenačevanjem električnih potencialov kovinskih ohišij električnih naprav, vodovodnih in toplotnih inštalacij
9 UI.DOC Električno delo Za delovanje električnih porabnikov, ki opravljajo električno delo, je potreben električni tok: W = U * I * t [Ws] W = I 2 * R * t [Ws] W = U 2 * R / t [Ws] t = čas, v katerem se je opravljalo delo W = električno delo W = P * t [Ws] P = električna moč [W] Električno delo je premo sorazmerno z močjo električnega porabnika in časom opravljanja dela. Enota za delo: Ws = J (joul) Večja enota: kwh Električni tok opravi delo 1 kwh, če porabnik z močjo 1 kw deluje 1 h. Električno delo izmeri števec električne energije. Toplotno delo električnega toka izkoriščamo tudi pri talilnih varovalkah. Lahko pa se preveč segrejejo tudi električni vodniki in se poškodujejo. Električna moč Električna moč je merilo zmogljivosti električnih porabnikov in izvorov. P = U * I [W] P = I 2 * R [W] P = U 2 * R [W] P = W / t [W] Električno moč merimo z W - metrom. Lahko pa jo tudi izračunamo tako, da izmerimo tok in napetost.
10 UI.DOC Vzporedni (paralelni) električni krog V vzporednem električnem krogu so vsi porabniki (upori) priključeni na isto napetost. Skozi vsak porabnik je tok določen z Ohmovim zakonom kot: I = U/Rp Večji tok teče v veji, ki ima manjšo upornost (glej enačbo!). Ker so vsi porabniki priključeni direktno na vir napetosti, ne vplivajo drug na drugega, torej so medsebojno neodvisni. Vsako vejo lahko obravnavamo, kot da bi bila ločeno priključena na generator. S tako vezavo se srečamo doma v gospodinjstvu, kjer so hladilnik, radio, likalnik, itd. priključeni paralelno na izvor napetosti. Za vsako vozlišče velja zakon tokovega vozlišča ali Kirchhoffov zakon tokovega vozlišča, ki pravi: Vsota pritekajočih tokov v vozlišče je enaka vsoti odtekajočih tokov: I p = I o. Za vozlišče A imamo: 24 ma = 12 ma + 12 ma Če dodamo k zgornji obstoječi vezavi še en porabnik R 4, bo tudi ta priključen na isto napetost in praktično neposredno na izvor napetosti. Ostali porabniki zato ne bodo zaznali spremembe. Z drugimi porabniki ga družijo le skupne priključne sponke. Skozi posamezne porabnike bo še vedno tekel enak tok kot pred spremembo, napetost na porabnikih pa tako ali tako določa generator. Generator pa občuti spremembo, ker mora napajati še eno dodatno vejo in zato se poveča tok, ki teče iz generatorja. Povečanje je posledica toka I 4 skozi dodani porabnik, tako da je celoten tok po novem: I = I 1 + I 2 + I 3 + I 4. Ker smo dodali še eno vzporedno vejo, ima tok, ki teče iz generatorja, na razpolago še eno dodatno pot. Tok je zato večji. Iz tega lahko sklepamo, da se je celotna upornost vezja zmanjšala.
11 UI.DOC Pri vsaki vzporedni vezavi porabnikov je celotna upornost (nadomestna upornost) vedno manjša od upornosti posameznega porabnika, torej tudi od tistega z najmanjšo upornostjo! Nadomestno upornost, ki bi nadomestila vse porabnike, lahko izračunamo tudi po enačbi: 1 1 1 1 = + + R R1 R2 R3 Zaporedni (serijski) električni krog Porabniki so vezani drug za drugim. Tok, ki teče iz generatorja, teče tudi skozi vse porabnike. Na kateremkoli mestu v tokokrogu pomerimo tok, povsod je enak - na eni strani porabnika, na drugi srani, na sponki generatorja, itd. Če pride do okvare na enem od porabnikov, se tokokrog prekine za vse porabnike. To pomeni, da porabniki vplivajo drug na drugega in so medsebojno odvisni. Porabniki so odvisni drug od drugega, zato vsaka sprememba v tokokrogu vpliva na vse porabnike. Tok v tokokrogu določa napetost generatorja in vsi porabniki, torej celotna (nadomestna) upornost tokokroga R: I = U/R. Pri tem pa moramo povedati, da je nadomestna upornost tokokroga R enaka vsoti upornosti vseh porabnikov: R = R 1 + R 2 Če v zgornjem tokokrogu dodamo še en porabnik R 3, bo oviranje toka v tokokrogu še večje. Nadomestna upornost kroga se bo povečala, zato se bo tok v tokokrogu zmanjšal. Tok se bo torej spremenil. Še vedno pa bo skozi vse porabnike tekel isti tok. Seveda pa ta tok ne bo več enak toku, ki je tekel skozi porabnike pred spremembo razmer. Ko teče tok skozi porabnik, se na njem pojavi padec napetosti. Ta je določen s tokom, ki teče skozenj, in njegovo ohmsko upornostjo (U=I R). Večji padec napetosti se pojavi na porabniku, ki ima večjo upornost. V vsakem primeru je vsota vseh padcev napetosti na posameznih porabnikih enaka napetosti generatorja: U = U 1 + U 2 + U 3
12 UI.DOC V zaporednem električnem krogu določa razmere Kirchhoffov zakon napetostne zanke, ki pravi: Vsota izvorov napetostne zanke je enaka vsoti padcev napetosti: U i = U p. Čim več je porabnikov v tokokrogu, tem manjši tok teče v njem. Napetost generatorja se razdeli med več porabnikov, zato je na posameznem porabniku manjši padec napetosti. Če torej dodamo porabnik, se padci napetosti na ostalih porabnikih zmanjšajo, saj se zmanjša tudi tok skozi vezje: Up = I Rp Napetost generatorja se mora razdeliti med več porabnikov, zato na posameznega odpade manjši del kot v primeru, ko jih je manj. Praktičen primer zaporedne vezave porabnikov predstavlja niz lučk na novoletni jelki. Vsaka lučka je sicer izdelana le za napetost 6V, vse skupaj pa lahko priključimo na napetost 220V. Napetost izvora se enakomerno porazdeli med posamezne lučke. Električno napetost merimo z V-metrom, ki ga moramo priključiti vzporedno s porabnikom. V-meter mora imeti veliko upornost. Za poljuben električni krog pa velja, da je moč, ki se troši v električnem krogu enaka moči, ki jo daje izvor oz. vsoti moči posameznih porabnikov: Pi = P = P p Realni napetostni izvor Vsak realni napetostni izvor ima notranjo upornost, na kateri prihaja do padca napetosti in porabe moči. Napetost na sponkah generatorja oz. na bremenu tako ni enaka U 0 ampak se zniža za padec napetosti na notranji upornosti: U b = U 0 - U n