Електрична струја – систематизација

Шта је то електрична струја? По дефиницији: електрична струја је усмерено кретање наелектрисаних честица. Која је суштина ове дефиниције? Посматрамо две спојене посуде са водом. У једној посуди има више воде него у другој, односно постоји разлика у висини течности као што видимо на слици. Знамо да ће течност из леве посуде тећи кроз цев у десну посуду где има мање течности све док се нивои течности не изједначе. Замислимо да у посуди уместо течности имамо електроне. Означићемо електроне са словом е. Видимо да у левој посуди имамо више електрона него у десној. Кажемо да постоји разлика потенцијала U (разлика у потенцијалној енергији као и код течности) између ове две посуде. Шта ће се десити ако су посуде спојене. Електрони ће кроз проводник кренути ка посуди у којој има мање електрона све док се број електрона у обе посуде не изједначи? Посматрајмо сада проводник. Како дефинишемо јачину струје кроз проводник? Ако се ради о течности јачину протока можемо дефинисати као количину воде (запремину) воде која протекне у јединици времена. Јачину струје дефинишемо на сличан начин. Јачина струје (I) једнака је броју електрона(ne) који протекне у јединици времена(s), односно количини наелектрисања која протекне кроз попречни пресек проводника у јединици времена. Јединица за јачину струје је кулон у секунди, што скраћено пишемо ампер. Приметимо да су смер струје (I (технички смер струје) и смер кретања електрона различити.

Извори електричне струје одржавају сталну разлику потенцијала на крајевима проводника.

У изворима електричне струје долази до раздвајања позитивних и негативних наелектрисања и усмеравања њиховог кретања.

Раздвајање наелектрисања врши се под дејством спољашње стране силе. Ова сила врши рад који омогућава кретање наелектрисаних честица.

Спољашње стране силе могу бити различите природе: механичке, хемијске топлотне, електромагнетне… На првој слици имамо пример Теслиног генератора, извора електричне струје који претвара механичко кретање у електричну струју. На другој слици видимо соларне панеле који претварају светлосну енергију Сунца у електричну струју.

Који су то елементи електричног кола? Посматрајмо поново један систем протока воде. Имамо пумпу која покреће воду кроз систем, имамо сужење које успорава ток воде и имамо вентил који зауставља ток воде. У електричном колу, имамо извор ε који има исту улого као пумпа. Покреће наелектрисања кроз електрично коло. 

Прекидач има исту улогу као и вентил. Прекид протока наелектрисања односно воде у првом примеру. 

Отпорник R има исту улогу као и сужење цеви.  Успорава проток наелектрисања. Исти ефекат као и отпорник има неки потрошач као што је сијалица.

Како меримо параметре као што су јачина струје или напон у електричном колу? Посматрамо електрично коло са извором ε и јединим потрошачем који у колу обележавамо као на слици. Знамо да се јачина струје мери са амперметром који у колу означавамо са кругом и великим словом А унутар круга. Амперметар се увек везује редно са потрошачем као што је приказано на слици.

Електрични напон мери се волтметром и обележава се у колу кругом са латиничним словом V као на слици. Волтметар мери разлику потенцијала на крајевима потрошача и поставља се паралелно са потрошачем. Потрошач, као што име каже, троши електричну енергију што се огледа у паду напона при проласку електричне струје кроз потрошач. 

Шта је то електрична отпорност проводника? Електрична отпорност је физичка величина која представља меру отпора усмереном кретању наелектрисаних честица кроз проводник.

До електричног отпора у металима долази услед судара електрона са јонима кристалне решетке. Видимо на слици како електрони ударају у јоне кристалне решетке метала и губе енергију. Ова енергија претвара се у топлоту и зато се проводници загревају приликом протицања струје. Што је већи отпор проводника, више топлоте се ослобађа.

Електрични отпор обележавамо великим латиничним словом R.

Који параметри проводника утичу на његову електричну отпорност? Посматрамо проводник на слици, ширине попречног пресека d, дужине l. Електрична отпорност зависи од пречника проводника, што је простор кроз који могу да прођу електрони већи, електрони ће лакше да прођу па је отпор мањи. Слично као публика на стадионима. Што је улаз у стадион шири, више публике може одједном да уђе. Према томе можемо да тврдимо да је електрична отпорност обрнуто пропорционална ширини попречног пресека проводника, R је пропорционално са један кроз d.

Што је проводник дужи, електрони прелазе дужи пут, више се сударају са јонима кристалне решетке па је отпор већи. Отпор је директно пропорционалан дужини проводника.

И на крају, тип материјала од ког је начињен проводник. Различити метали имају различите отпорности, односно имају сопствену специфичну отпорност коју обележавамо са грчким словом ро. На крају долазимо до комплетног израза за електричну отпорност проводника R једнако ро пута l кроз d.

Омов закон: Омов закон за просто струјно коло дефинише везу између јачине струје, електромоторне силе извора и отпора. Знамо да је електромоторна сила једнака напону на крајевима извора. Посматрајмо опет систем протока воде. Јачина протока воде је директно сразмерна јачини пумпе, а обрнуто је сразмерна отпору, односно сужењу цеви. Што је цев ужа проток воде је слабији. Аналогно томе, имамо струно коло у коме је јачина струје сразмерна електромоторној сили извора, односно напону на крајевима извора а обрнуто сразмерна величини отпора, односно јачини отпорника. 

Наведени однос пишемо као I једнако  ε кроз R, што представља Омов закон за просто струјно коло.

Омов закон можемо применити и на део струјног кола где имамо везу између јачине струје, напона на делу кола и отпора. Рецимо, проводник кроз који протиче струја и један отпорник. У овом случају јачина струје сразмерна је разлици напона на крајевима отпора а обрнуто сразмерна величини отпора. I једнако U кроз R. Овај израз представља Омов закон за део струјног кола.

На које начине можемо везати отпорнике? Отпорнике везујемо редно и серијски.

Поновимо прво серијску везу. Два отпорника R_1 и R_2 везани су редом (серијски). Ако се та веза замени еквивалентним отпорником R_e, колика је његова еквивалентна отпорност? Посматрајмо коло на слици које се састоји од два редно (серијски) везана отпорника и извора ЕМС ε. Ова два отпорника можемо заменити еквивалентним отпором као на другој слици али морамо израчунати вредност тог еквивалентног отпора. Електрична струја долази до првог отпорника R_1 и губи енергију што се огледа у паду напона U_1, затим наилази на отпор R_2 и губи енергију у виду пада напона U_2. Еквиваленти напон, који је и на еквивалентом отпорнику, јесте збир ова два пада напона, па пишемо U_e=U_1+U_2. Уз помоћ Омовог закона U=IR можемо написати следећи израз: IR_e=IR_1+IR_2. Можемо поделити са јачином струје пошто је иста кроз оба отпорника и добијамо коначан израз за серијску везу два отпорника: R_e=R_1+R_2   

Да видимо како изгледа паралелна веза. Два отпорника R_1 и R_2 везани су паралелно. Ако се та веза замени еквивалентним отпорником R_e, колика је његова еквивалентна отпорност? Прво да нацртамо како изгледа паралелна веза два отпорника. Шема за еквивалентни отпор је иста као у прошлом примеру али је еквивалентни отпор значајно другачији. Лако уочавамо да се у овом случају јачина струје дели на два проводника. Јачина струје која улази у чвор једнака је струји која излази из чвора као што видимо на анимацији, струје обележавамо на шеми са I_1 и I_2 па пишемо: I=I_1+I_2. Опет примењујемо Омов закон у облику I=U/R_e , и добијамо израз U/R_e =U/R_1 +U/R_2    , где видимо да је напон на оба отпорника исти, па делимо целу једначину са тим напоном и коначно добијамо израз за серијску везу отпорника: 1/R_e =1/R_1 +1/R_2 .

Електричну струју користимо да би вршила неки рад. Како израчунавамо тај рад? Посматрајмо две коцке напуњене електронима. Црвена коцка има много више електрона него плава. Кажемо да је црвена коцка негативно наелектрисана, јер има више електрона него плава која је позитивно наелектрисана и између њих постоји разлика потенцијала U. Између коцки формира се електрично поље чије су линије силе као на слици. Коцке се налазе на удаљености r. Уочимо један електрон у плавој коцки. Шта се дешава ако хоћемо да овај електрон пребацимо у црвену коцку? На електрон делује Кулонова сила која је одбојна јер негативно наелектрисање пребацујемо у коцку која је негативно наелектрисана. Знамо да је та сила једнака производу наелектрисања електрона и јачине електричног поља: F_c=eE. Сећамо се да је рад сразмеран сили која делује на тело и пређеном путу тога тела, у овом случају A=〖rF〗_c. Заменом израза за Кулонову силу у израз за рад добијамо: A=reE. Даље, уврштавањем израза за јачину електричног поља добијамо A=rek q/r^2 , где се р крати па добијамо A=ek q/r . k q/r је у ствари напон U, па коначно добијамо израз за рад над једним електроном у електричном пољу: A=eU. Ако уместо електрона имамо неку количину наелектрисања q израз за рад у електричном пољу је: A=qU

Ако искористимо израз који повезује протеклу количину наелектрисања и јачину струје: q=It, и заменимо у израз за рад у електричном пољу добијамо израз за рад електричне струје: A=UIt.

Како израчунавамо снагу електричне струје? Знамо од пре да је снага извршени рад у јединици времена и да је јединица за снагу џул у секунд што скраћено записујемо као ват. Знајући израз за рад електричне струје лако долазимо до снаге, само заменимо A=UIt у P=A/t. Време се крати и добијамо да је P=UI.

Приликом протицања струје кроз проводник или рада неког електричног уређаја примећујемо да се они загревају, односно део електричне енергије претвара се у топлоту.

Ослобођена топлота у проводнику једнака је извршеном раду и то записујемо: Q=A, односно  Q=UIt. У зависности који израз употребимо, количину топлоте можемо изразити на неколико начина: ако користимо израз: P=UI добијамо да је џулова топлота: Q=Pt ; из: U=IR  добијамо: Q=I^2 Rt; и на крају из I=U/R добијамо Q=(U^2 t)/R

Чисте течности не проводе струје јер немају слободне носиоце налекстрисања. Да би течности проводиле струју њима се додају соли, базе и киселине. Овакве течности називамо растворима. Додавањем соли (рецимо NaCl) у воду, со се раствара на 〖Cl〗^- јоне и 〖Na〗^+јоне који су окружени молекулима воде. Jони, настали растварањем соли у води, представљају слободне носиоце наелектрисања у води. Слично је и са другим растворима база и киселина. Посматрајмо ову посуду са водом у којој је растворена со. Љубичастом бојом означени су позитивни јони натријума, а наранџастом негативни јони хлора.  Ако уронимо две електроде у овај раствор и електроде спојимо на извор електричне струје, између електрода успоставља се електрично поље које привлачи јоне и затвара се електрично коло. 

У којим условима гасови проводе струју. При нормалним условима гасови су изолатори и не проводе струју. Да би гасови проводили струју морају се додати јони у гас или извршити јонизација гаса (зрачењем, загревањем. На слици видимо један од начина како се то постиже. Ако озрачимо цилиндар испуњен гасом, зрачење јонизује (откида електроне из атома гаса) и ствара носиоце налектрисања па струја протиче кроз коло и сијалица светли. Уклањањем извора зрачења престаје стварање јона, настали јони у гасу бивају рекомбиновани и струја престаје.

Електрична варница је једна врста пражњења кроз гас при нормалном или повишеном притиску и изузетно јаком електричном пољу између електрода. У овом случају јако електрично поље доводи до краткотрајног електричног пражњења када гас постаје проводан.

При притисцима гаса који су знатно мањи од атмосферског јавља се тињајуће пражњење приликом протицања електричне струје кроз гас. Тињајуће пражњење праћено је уједначеном емисијом светлости као што видимо на слици. У зависности од врсте гаса имамо различите боје.

Овим је завршено понављање и систематизација градива из наставне области електрична струја. Срдачан поздрав свима…