Н А С Т А В Н О О Д Е Љ Е Њ Е У В Р Ш Ц У

СЕМИНАРСКИ РАД

ПРЕДМЕТ: УВОД У ПРИРОДНЕ НАУКЕ

ТЕМА:

“Електрична струја и коло”

Студент

Милош Синише Тадић 619/2015

Београд/Вршац, 2016.год.

1. Уводне напомене

У почетку енергија је коришћена на самом месту на коме је произведена. Сваку

воденицу покретала је посебно водно коло, свака фабрика имала је своју парну машину,

сваки воѕ своју парну локомотиву и слично. Из чега проистиче да је било неопходно да

извор енергије или гориво или гориво буду у непосредној близини сваке машине која је

вршила неки рад.

Ниједан корак напред у техници није више допринео да енергија буде чиста, лака за

употребу и увек спремна и при руци, као што је допринео напредак на подручју

електричне струје. Електрична струја је невидљиви облик енергије који се састоји од

млаза електрона који протичу кроз проводник: нпр. Бакарну жицу. Ми не морамо да

производимо да производимо електроне и да њима напајамо жицу, електрони су већ тамо

као део атомске структуре метала. Можемо их натерати да раде за нас ако их нагнамо да

скачу од једног до другог атома, али ово можемо да урадимо само ако крајеве жице

саставимо тако да образују „коло“. Зато су за сваки електрични уређај потребне две жице:

једна да доводи електроне и једна да их враћа.

Алесандро Волта први је 1800. године пронашао извор непрекидне електричне струје.

Он је произвео струју електрона помоћу хемијског дејства између плоче од бакра и плоче

од цинка у раствору соли и воде. Ова дилонска батерија је претеча данашње џепне

батерије. Као све такве батерије, она се брзо трошила и морала се обнављати. Међутим,

њен је значај био изванредно велики, јер је она постала средство помоћу којег су Ханс

Ерстед у Данској и Андре Ампер у Француској открили и измерили невидљиви

магнетизам којим је окруженасвака струја.

Схвативши каква је веза између електрицитета и магнетизма, Енглез Мајкл Фарадеј је

успео да допуни два проналаска на којима се заснива данашња примена електричне

енергије.

1.

2. Електрична струја и коло

Фарадеј је 1831. године, окрећући магнет око жице, постигао да струја тече кроз жицу.

То је била прва динамо-мађина, генератор. Већ је је било познато да је протицање

електричне струје кроз жицу у стању да покрене магнет. То је био први електрични мотор.

Основни принциципи које су пронашли Ерстед, Ампер и Фарадеј важе и данас за

сваки генератор и електричне моторе. Сваки генератор, и сваки електро-мотор, и данас се

састоје од два главна дела, ротора и статора, од којих се први обрће у другом. Да би се

добило више електричне струје из генератора и више снаге из мотора, Фарадејеви кратки

комади жице продужени су на више километара.

Данас велика потројења постављена близу извора енергије (угља, нафте и воде)

претварају природну енергију у механичку енергију. Ова енергија опет, обрће генераторе,

претварајући мехеаничку енергију у електричну. Енергије једног од тих генератора

довољна је да покреће хиљаде електричних мотора свих величина.

2.1. Електрично коло

Електрично коло је мрежа коју има затворен електрични круг, дозвољавајући

повратну путању струји.

Једноставно електрично коло направљено од напонског извора и отпорника

2.

Постоји неколико електричних закона за решавање електричних кола:

Кирхови закони за електрично коло : Сума свих струја које улазе у један

чвор, мора бити једнака суми струја које излазе из чвора.

Кирхови закони за електрично коло : Укупан збир свих електричних

потенцијала по затвореној електричној контури мора бити једнак нули.

Омов закон : Каже да, уколико се на отпорнику отпорности један ом појави пад

напона један волт, јачина струје нје један ампер.

Нортонова теорема : У колима се напонски и струјни извори замењују

идеалним струјним извором напајања и отпорником у паралели

Тевененова теорема : У колима се напонски и струјни извори замењују

идеалним напонским извором и отпорником везаним за ред.

Други, доста тежи закони се користе за решавање електричних кола која у себи

садрже не линеарне елементе.

Електрична струја је усмерено кретање наелектрисања под утицајем електричног или

разлике електричних потенцијала. СИ јединица за електричну струју је ампер (А), што

је једнако протоку једног кулона наелектрисања у секунди.

Интезитет електричне струје се дефинише као количник протекле количине

наелектрисања у јединици времена, односно математички формализовано као извод

по времену наелектрисања

Строже, струја се посматра као величина зависна од времена, јер током времена

може протицати променљива количина наелектрисања

Омов закон, једнак од основних закона у области електричне струје, предвиђа да

електрична струја у идеалном отпорнику или неком другом резистивном (отпорном)

елементу буде једнака количнику електричног напона на елементу и електричног

отпора где је:

3.

I електрична струја, мерена у амперимаU електрични напон, мерен у волтимаR је електрични отпор у омима.

3. Струја у класичним чврстим проводницима

У већини чврстих проводника, када на њих не делују спољне електричне силе,

постоји насумично кретање слободних електрона које настаје услед термалне енергије

коју електрони добијају из околног простора. Када атом изгуби слободни електрон,

постаје позитивно наелектрисан. Слободан електрон може да се креће међу овим

позитивним јонима, док они могу само да осцилују око њихових сталних места у

решетки проводника. Слободни електрони су стога носиоци наелектрисања у чврстим

проводницима. Ако се замисли раван која пресеца проводник на пола, укупан број

слободних наелектрисања (електрона) који пролазе са једне стране на другу једнак је

броју који пролази у супротном смеру. Када се крајеви чврстог проводника споје са

4.

половима извора напона, на пример једносмерне струје као што је батерија, тај извор

успоставља електрично поље кроз проводник. У тренутку спајања контакта, слободни

електрони у проводнику ће почети да се крећу ка позитивном крају извора под утицајем

електричног поља. За сваки ампер струје, 1 кулон наелектрисања (који се састоји од око

6.242 * 1018 елементарних наелектрисања – наелектрисање једног електрона или протона)

пролази сваке секунде кроз попречни пресек проводника. Струја I у амперима се може

израчунати у из следеће једначине где је:

Q електрична струја, мерена у амперима

t је време у секундама

Покретна наелектрисања унутар проводника стално се крећу у случајним правцима.

Електрони су носиоци наелектрисања у металима, непрестано се сударају са непокретним

атомима и мењају свој смер и правац кретања. Ако се у обзир узме брзина кретања

електрона у облику вектора, просечна брзина свих електрона заједно у проводнику је

једнака нули. Ово је зато што се крећу у свим правцима и смеровима, који се међусобно

поништавају. Иако се у сваком проводнику електрони непрестано крећу, не може се увек

говорити о постојању електричне струје. Када се проводник нађе у електричном пољу,

електрони у њему почињу да се крећу усмерено под утицајем поља. И даље се крећу

неправилно, сударају се са атомима и мењају свој смер и правац кретања, али просечна

брзина је сада различита од нуле, и крећу се у правцу електричног поља. Ова просечна

брзина се у литератури још назива и „брзина друфта“. Брзина којом се крећу може се

израчунати из израза:

Где је:

I електрична струја n број носиоца наелектрисања

S површина попречног пресека проводника

v просечна брзина наелектрисања Q количина наелектрисања једног носиоца.

5.

Брзина електричне струје у чврстом проводнику је обично веома мала. На пример у

бакарној жици, попречног пресека 0,5 mm2 , са струјом од 5 A, просечна брзина електрона

је реда милиметра у секунди. Насупрот томе, на пример, у катодној цеви, електрони се

крећу у приближно правој линији са брзином од десетог дела брзине светлости.

Иначе, зна се да је сигнал електричне струје талас, који пропагира дуж проводника

великом брзином. Као што је то са таласима, брзина таласа у некој материји има мало везе

са брзином те материје, док се креће кроз њу. На пример, у преносним мрежама

наизменичне струје, талас струје се креће веома брзо од извора до удаљеног потрошача,

док се наелектрисања у проводнику само померају напред-назад у малим растојањима.

Брзина наелектрисања може бити веома мала. А опет, било које наелектрисање у струји се

може кретати брзином светлости, мада у неким материјалима може бити спорије.

4. Конвенционални и референтни смер струје

Конвенционални смер струје је дефинисан још на почетку развоја електротехнике као

једнак току позитивног наелектрисања. Односно, усвојено је да струја увек тече од

позитивног пола изцора напона, ка негативном пољу. У чврстим металима, као што су

жице, позитивна наелектрисања су непокретна, а само негативна наелектрисања теку у

смеру супротном конвенционалној струји, мада то није случај у неким не-металним

6.

проводницима. Електрична струја у електролитима је ток наелектрисаних атома (јона),

који могу бити и позитивно и негативно наелектрисани. Такав је случај проласка струје

кроз водени раствор кухињске соли или воде за пиће која природно садржи у себи

растворе различитих минерала, док чиста или дестилована вода не проводи струју јер не

садржи у себи јоне. Такође, занимљив је и пример, електрохемијске ћелије која може бити

направљена уз помоћ слане воде (раствор натријумхлорида) са једне стране мембране и

свеже воде са друге. Мембрана дозвољава пролаз позитивним јонима натријума, али не и

негативним јонима хлорида, тако да постоји електрична струја кроз мембрану. Електрична

струја у плазми је ток електрона као и позитивних и негативних јона. У леду, и неким

чврстим електролитима, ток протона ствара електричну струју. Очигледно је да у

различитим материјалима постоји неколико различитих носилаца наелектрисања, који

могу тећи у различитим смеровима. Да би се поједноставила ова ситуација задржана је

оригинална дефиниција конвенционалног смера струје.

Постоје и примери где су електрони ти који се покрећу, али има више смисла да се та

струја посматра као ток позитивних „електронских шупљина“ (недостатак једног

електрона у омотачу да би атом био неутрално наелектрисан). Ово је случај код

полупроводника П типа.

Приликом анализе електричних кола, могуће је да прави смер струје у неком елементу

кола није познат. Стога, за струје са непознатим смером, усваја се, произвољно,

референтан смер. Након што се нађу стварне вредности струја у колу, поједине струје

могу имати и негативне интезитете. Дакле, за негативно добијене струје, њихов прави

смер је супротан од референтог који је усвојен пре решавања кола.

7.

5. Електромагнетизам

Свака електрична струја ствара магнетско поље. Магнетско поље се може

прадставити затвореним кружним линијама који окружују проводник.

Електрична струја се непосредно може мерити галванометром, али та метода

захтева претходно прекидање кола, што је непрактично у неким случајевима.

Електрична струја се понекад може измерити и без прекидања кола, детектовањем и

мерењем магнтеског поља око проводника. Неки од таквих уређаја су сензори

Халовог ефекта, струјни трансформатори и калеми Руговског.

Једносмерна струја је физичка појава протока електричног наелектрисања од вишег

ка нижем потенцијалу и непроменљивог је смера. Ово се обично дешава у

проводницима, али наелектрисање такође може да тече и кроз полупроводнике,

изолаторе и чак у вакууму као електрични млаз. Код једносмерне струје,

наелектрисање тече у истом правцу, за разлику од наизменичне струје.

Типови једносмерне струје

Прву комерционалну мрежу за пренос електричне струје је развио Томас Едисон

крајем XIX века користећи једносмерну струју. Због тога што је наизменична

струјамного погоднија за пренос и дистрибуцију од једносмерне, данас скоро сви

8.

Системи за пренос електричне енергије користе наизменичну струју, према идеји и

реализацији Николе Тесле.

У електротехници, термин једносмерна струја је обично синоним за константну

струју. На пример, напон на крајевима једносмерног напонског извора је константан без

обзира на промену отпорности потрошача којом се оптерећује извор. Таква једносмерна

струја има константан напон, али струја може варирати у складу са Омовим законом.

Могуће је потрошач прикључити и на константан струјни извор, када ће струја кроз

отпорник бити непроменљива без обзира на могућу промену отпора потрошача, што са

друге стране изазива промену напона. У идеалној ситуацији, када се непроменљиви

отпорник повеже на константан извор (било напонски било струјни) струја која тече кроз

њега и напони на његовим крајевима временски непроменљиви.

Појамн једносмерне струје се понекад везује уз појам непроменљивог поларитета. Уз

ову дефиницију, напон једносмерне струје може да се мења током времена али је све

време један крај на позитивнијем потенцијалу од другог и може пасти на нулу, али не сме

променити поларитет. Такав је необрађен напон на излазу исправљача или флуктуирајући

звучни сигнал у телефонској линији.

Може се доказати да се сложени периодични таласни облик струје и напона у

линеарној средини Фуријевом трансформацијом може раставити на суму једносмерне

компоненте и компоненте коју чини синусоидална (простопериодична) временски

променљива струја. Средња вредност временски променљиве компоненте је нула. Неки

облици једносмерне струје (као они које производи регулатор напона) скоро да немају

варијације у напону, али можда још увек имају варијације у излазној снази и струји.

6. Извори струје

9.

Када су у питању извори, постоје: хемијски, електромагнтески и електростатички

извори струје.

Хемијски извори су били први генератори који су у дужем временском интервалу

могли да произведу електричну струју. Италијан Луиши Галвани, професор анатомије, је

приметио да се ноге мртве жабе грче када их је спојио са два комада различитих метала.

Алесандро Волта, професор фиѕике, је био убеђен да узрок грчењу треба тражити у

електричној струји коју производе ти метали. После многих експеримената, он је 1800.

изумео Волтин Стуб. Волта је нагомилао плочице од бакра и гвожђа једне на друге, а

између њих је ставио папирне улошке претходно умочене у слану воду. То је произвело

струју и представљало је прву батерију.

Постоје десетина врста хемијских извора који се међусобно разликују по

употребљеним металним електродама и електролитима, а тиме и својим електричним

особинама. Хемијски извори се деле на примарне и секундарне изворе. Примарни извори

се могу употребити само једном, док се секундарни извори могу пунити пропуштањем

једносмерне струје у супротном смеру. Пошто су извори овакве врсте способни да

акумулирају енергију, они су добили име акумулатори. Сви хемијски извори имају

заједничку особину да ако кроз њих постоји струја као последица њихове електромоторне

силе (или у случају секунддарних извора као последица спољашњег прикљученог напона

који делује супротно од те ЕМС), обавезно долази до хемијских промена на електролиту

или на електродама. У многим случајевима долази до издвајања неког гаса (на пример,

водоника) на једној од електрода. Поред још неких ефеката мехурићи гаса образују око

електроде изолациони слој, због чега струја кроз извор постепено слаби и на крају сасвим

нестаје.

Данас се од примарних извора највише користи цинк-угљеничне батерије и алкалне

батерије. Оловни и челични акумулатори примену налазе у аутомобилима, а никл-

кадмијумске и литијум-јонске батерије се користе у мобилним телефонима.

У електромагнетске изворе спадају електрични генератори једносмерне струје. Путем

електромагнетске индукције, изменични напон је произведен у ротору и преко комутатора

претворен у истосмерни напон за даљу употребу.

У електростатичке изворе спадају кондензатори разних облика у којима је похрањена

10.

енергија, а они могу послужити као краткотрајни извори истосмерне струје. Код већих

капацитета и напона, енергија пражњења може бити неугодно-ризична па чак и

смртоносна.

7. Коришћење и примена електричне струје

Инсталације једносмерне струје обично имају другачије типове утичница, склопки и

инсталационог прибора од оних који се користе за наизменичне струје, највише

захваљујући малом напону за који се користе. Обично је код једносмерне струје важно да

се обрне поларитет осим ако уређај има исправљачки мост да исправи ово (највећи број

уређаја користе батерије немају ово).

Пренос електричне енергије једносмерном струјом високог напона се користи за

пренос енергије на велике раздаљине и за подморске каблове, са напонима од неколико kV

до MV.

Једносмерна струја се често среће у уређајима који користе ниске напоне, нарочито

тамо где се они напајају из батерија или сунчевих ћелија, пошто оне могу да произведу

само једносмерну струју. Већина уређаја са сопственим напајањем користи једносмерну

струју, иако су алтернатори наизменични уређаји који користе исправљаче да произведу

једносмерну струју. Већина електронских кола захтева једносмерно напајање. Уређаји

који користе гориве ћелије (ПЕМ ћелија од мешавине водоника и кисеоника уз помоћ

катализатора производи електрицитет и воду као споредан производ) такође дају само

једносмерну струју.

Већина телефона је повезана упреденим парицама и изнутра раздваја наизменичну

11.

компоненту напона (аудио сигнал) од једносмерне компоненте напона (који се користи да

напаја телефон).

Рачунари се прикључују на стандардне прикључке (наизменичног напона) 220V, али

се у исправљачкој јединици генеришу једносмерни напони од +3.3V, +5V, +12V, -5V, -12V

који се разводе до потрошача у унутрашњости рачунара. Телекомуникациона опрема

користи стандард -48V једносмерне побуде. Негативан поларитет је постигнут уземљењем

позитивног краја напојног система и батерије.

Наизменична струја (зелена линија). Хоризонтална оса мери време, док вертикална, струју

или напон.

Наизменична струја је физичка појава протока наелектрисања кроз проводник тако да

оно повремено мења смер кретања. Специјалну врсту наизменичне струје чини

периодична наизменична струја. Код периодичне наизменичне струје се све промене

напона и јачине струје током времена мењају периодично. При томе је укупна пренета

количина наелектрисања у посматраном периоду времена једнака нули. У пракси се

користи тзв. Синусна периодична наизменична струја. Код синусне периодичне

наизменичне струје промена напона и јачине струје током времена се одвија по синусном

закону. График промене напона и јачине струје у зависности од времена синусних

наизменичних струја иннтентичан је графику синусне тригонометријске функције.

Једносмерна струја (DC, такође dc) је проток наелектрисања кроз проводник само у

једном смеру. Постоје две врсте једносмерне струје струје: она код које се јачина и напон

током времена мењају и она код које је јачина струје током времена константна.

Једносмерна струја код које се јачина струје током времена не мења назива се

промењивом

12.

Једносмерном струјом, а она код које се јачина струје током времена не мења називамо

непромењивом или константом једносмерном струјом.

Скраћенице AC и DC се користе да означе наизменичну и једносмерну струју,

односно струја или напон. Ознака AC/DC на неком електричном урећају нам означава да

тај уређај може користити и наизменичну и једносмерну струју за свој рад. AC је

уобичајена форма у којој се електрична енергија доставља корисницима. Уобичајени

облик AC струје (напона) је синусоидни. Осим синусоидног, користе се различити облици

електричне струје (напона), познати у електротехници као тесерасти напон или

правоугаони импулси. Аудио сигнали и радио сигнали који се преносе електричним

проводницима су такође примери наизменичне струје. При овоме је циљ, често

преношење кодираних информација на AC сигналу.

13.

8. Закључак

Из напред наведеног може се закључити да ниједан корак напред у техници није више

допринео да енергија буде чиста, лака за употребу и увек спремна и при руци, као што је

допринео напредак на подручју електричне струје. Имајући у виду чињеницу да је

електрична струја невидљиви облик енергије која се састоји од млаза електрона који

протичу кроз проводник, човек не може да производи електроне и да њима напаја

проводник-жицу. Они су тамо као део атомске структуре молекула

Од свог настанка до данас развоју овој области се стално усавршавао и имао је успон.

Ако се само сетимо првог генратора (око 1880. године), када се производила само

једносмерна струја. Што значи да су електрони кроз шицу текли у јендом правцу од

генератора до потрошача и опет натраг. Овакав систем једносмерне струје имао је велики

недостатак, који се огледао у томе што се струја производила са истим напоном под којим

је и употребљавана.

Развоју овој области учинио је напредак тако што се данас скоро у свим електричним

централама производи искључиво наизменична струја, која се зове наизменична зато што

мења смер више пута у секунди на путу од потрошача до произвођача енергије и

обринуто.

Велики допринос у примени електричне струје дао је Мајкл фарадеј, који је својим

проналаском и применом индукционог калема (трансформатора) омогућио промену

напона електричне струје, а тиме учинио применљивом и безбеднијом исте у потрошњи.

14.

Садржај:

1. Уводне напомене.......................................................................................................1

2. Електрична струја и коло.......................................................................................2

2.1. Електрично

коло................................................................................................2

3. Струја у класичним чврстим проводницима......................................................4

4. Конвенционални и референтни смер

струје.........................................................6

5. Електромагнетизам..................................................................................................8

6. Ивори струје...............................................................................................................9

7. Коришћење и примена електричне

струје..........................................................11

8. Закључак..................................................................................................................14

9. Литература...............................................................................................................15

9. ЛитератураI. Савремена илустрована енциклопедија ТЕХНИКА, од точка до ракете,

младинска књига, Љубљана-1968. г

II. Уџбеник за трећи и четврти разред гимназије, Завод за уџбенике

III. https://sh.wikipedia.org/wiki/Elektri%C4%8Dno_kolo

IV. https://sr.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%BB%D0%B5%D0%BA

%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B0_

%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D1%98%D0%B0

15.