Električni strujni krug

Električni strujni krug sastoji se od trošila i električnog izvora međusobno spojenih električnim vodovima. U električni strujni krug mogu se dodati prekidač i mjerni instrumenti.

Kao izvor električne energije može se koristiti baterija koja ima dva pola: + i -. Uloga baterije je da pokreće električnu struju. Električna struja prenosi električnu energiju iz baterije do trošila, gdje se električna energija pretvara u druge oblike energije. Kao trošilo može služiti žarulja u kojoj se električna energija pretvara u svjetlosnu i toplinsku energiju. Električna struja vraća se nazad u bateriju - teče u krug.

Prekidač u strujnom krugu služi za otvaranje i zatvaranje strujnoga kruga. Električna struja može teći samo zatvorenim strujnim krugom. Smjer električne struje je od + prema – polu električnog izvora i naziva se dogovoreni ili tehnički smjer struje. Električni strujni krug možemo usporediti sa vodenim krugom. Električnoj struji odgovara vodena struja, električnom izvoru vodena crpka koja tjera vodu, a trošilu odgovara vodeni kotač kojeg pokreće energija vode.

Zapamtiti

strujni krug - sastoji se od električnog izvora i trošila međusobno povezanih električnim vodovima

električna struja - prenosi električnu energiju od izvora do trošila

električna struja - teče samo zatvorenim strujnim krugom

dogovoreni ili tehnički smjer električne struje je od + prema – polu električnog izvora

Doznaj više

Često srećemo razne strujne krugove, kao na primjer, strujni krug na biciklu kod kojega kao

1

izvor služi dinamo uređaj, a kao trošilo prednje svjetlo. Strujni krug nalazi se i u našem srcu u kojem je izvor sinus čvor smješten u desnoj pretklijetki.

Električni vodiči i izolatori

Tvari se s obzirom na svojstvo da li provode električnu struju ili ne, dijele na električne vodiče i izolatore.

Tvari koje provode električnu struju nazivaju se električni vodiči, a tvari koje ne provode električnu struju nazivaju se električni izolatori.

Da bismo utvrdili da li je neka tvar električni vodič ili izolator, spojimo ju u strujni krug. Ako žaruljica svijetli, znači da ta tvar provodi električnu struju, a ako žaruljica ne svijetli znači da tvar ne provodi električnu struju.

Električni vodiči (POKUS 1) su metali, grafit, vodene otopine soli, kiselina i lužina koje nazivamo elektroliti. Tjelesne tekućine u ljudskom tijelu su elektroliti pa je i ljudsko tijelo vodič.

Električni izolatori (POKUS 2) su plastika, staklo, guma, suho drvo, suhi papir, keramika, destilirana voda, zrak.

U praktičnoj uporabi važni su i vodiči i izolatori. Oko žice električnih vodova je plastika ili guma, koja je izolator i ne dozvoljava prijelaz električne struje na druga tijela s kojima je vod u dodiru. Također se i drške električarskih alata izrađuju od izolatora.

Zapamti:

Električni vodiči - tvari koje provode električnu struju:o metali

o grafit

o elektroliti

Električni izolatori - tvari koje ne provode električnu struju:

o plastika

o guma

o porculan

o drvo

o papir2

o zrak

o destilirana voda

Ljudsko tijelo je električni vodič.

Trošila u strujnom krugu

Trošilo je uređaj u kojem se električna energija pretvara u druge oblike energije. U žaruljici, na primjer, dolazi do pretvorbe električne energije u svjetlosnu i toplinsku. U strujnome krugu trošila se mogu spajati serijski i paralelno.

Spajanje trošila jedno za drugim u nizu naziva se serijski spoj.

Kod serijskog spoja žaruljica, dodavanjem nove žaruljice, sve žaruljice svijetle slabije (POKUS 1), a kada jedna od žaruljica pregori strujni krug je otvoren i njime ne teče električna struja i niti jedna žaruljica ne svijetli. Žaruljice su ovisne jedna o drugoj.

Izravno spajanje trošila jedno na drugo naziva se paralelni spoj.

Kod paralelnog spoja sve žaruljice svijetle punim sjajem (POKUS 2), a kada jedna žaruljica pregori ostale žaruljice svijetle jer je otvoren samo jedan dio strujnoga kruga. Žaruljice nisu ovisne jedna o drugoj.

U različitim spojevima žaruljice različito svijetle iz čega možemo zaključiti da kroz njih ne teče jednaka električna struja, odnosno nisu dobile jednake količine električne energije iz izvora. U njima se ne pretvara jednaka količina električne energije u svjetlosnu i toplinsku energiju.

U kućanstvu su sva trošila spojena paralelno i kada jedno trošilo isključimo - ostala trošila rade.

Zapamtiti

serijski spoj - trošila zavise jedno o drugomu, a struja koja teče kroz njih je slabija paralelni spoj - trošila ne zavise jedno o drugom, a struja koja kroz njih teče je jača

3

Toplinsko, svjetlosno i kemijsko djelovanje električne st r uje

Električnim strujnim krugom teče električna struja i prenosi električnu energiju od izvora do trošila. Električnu struju koja teče električnim vodovima ne možemo vidjeti, ali možemo ju prepoznati po njezinom djelovanju.

Kada kroz tanku metalnu žicu teče električna struja, žica se zagrije. To je toplinsko djelovanje električne struje. Metali koji se jako zagrijavaju kada kroz njih teče električna struja nazivaju se električni otpornici. U njima se velika količina električne energije pretvara u toplinsku energiju.

Toplinsko djelovanje je opasno ako kroz vodove poteče jaka struja, pri čemu se oni zagriju i užare, što može izazvati požar. Kao zaštita od pregrijavanja vodova koristi se osigurač kroz koji prolazi tanka metalna nit (POKUS 1) koja se prolaskom jake struje zagrije i pukne te prekine strujni krug.

Ako se prolaskom električne struje kroz tanku žicu, žica toliko zagrije da se užari (POKUS 2) dolazi do isijavanja svijetlosti. To je svjetlosno djelovanje električne struje koje se koristi u žaruljama. Žica kojom u balonu žarulje prolazi električna struja naziva se žarna nit i izrađena je od volframa koji ima visoko talište, te se ne rastali. Prvu električnu žarulju izradio je Edison, a žarna nit te žarulje bila je od bambusa. Zasluge za žarulje sa volframovom žarnom niti pripadaju našem znanstveniku Franji Hanamanu. Žarulje sa žarnom niti nisu ekonomične jer se veliki dio električne energije pretvara u toplinsku energiju. Puno su ekonomičnije fluorescentne žarulje kod kojih električna struja prolazi kroz neki plin, koji zbog toga svijetli. U njima je toplinsko djelovanje električne struje manje izraženo.

Pri prolasku električne struje kroz elektrolite dolazi do kemijskih procesa. To je kemijsko djelovanje električne struje.

Zapamtiti

el.struju ne vidimo, ali ju prepoznajemo po njenom djelovanju

4

pri prolasku el.struje kroz tanku žicu, žica se zagrijava i isijava svijetlost

prolaskom električne struje kroz elektrolite dolazi do kemijskih procesa

Magnetno djelovanje električne struje

Magnetne pojave izazivale su veliko zanimanje još u antičko doba. Naziv magnet dolazi od imena pokrajine Magnezije u Maloj Aziji, gdje je pronađena ruda koja privlači željezne predmete.

Danas su magneti obično izrađeni u obliku (POKUS 1) štapa, potkove ili pločice. Svaki magnet ima dva magnetna pola - sjeverni označen slovom N i južni označen slovom S. Magnet djeluje na drugi magnet magnetnom silom (POKUS 2), koja može biti privlačna i odbojna. Istoimeni se magnetni polovi odbijaju, a raznoimeni privlače. Prostor u kome djeluje magnetna sila naziva se magnetno polje, a prikazuje se magnetnim silnicama koje izlaze iz sjevernog magnetnog pola a ulaze u južni magnetni pol (POKUS 3). Magnetno polje možemo zorno predočiti pomoću željezne piljevine koja se posloži u magnetne silnice. Magnetno polje najjače je u blizini magnetnih polova.

Zemlja je također jedan veliki magnet čiji se sjeverni magnetni pol nalazi u blizini južnog geografskog pola, a južni magnetni pol u blizini sjevernog geografskog pola.

Prva primjena magneta bio je kompas.

Danski fizičar Oersted, još u 18. stoljeću otkrio je vezu između magnetnih i električkih pojava.

Magnetna igla postavljena u blizini vodiča kojim teče električna struja zakreće se i tako ostaje sve dok vodičem teče struja (POKUS 4). Promjenom smjera električne struje kroz vodič, magnetna igla zakreće se u suprotnom smjeru. To je magnetno djelovanje električne struje. Oko vodiča kojim teče električna struja stvara se magnetno polje čiji smjer ovisi o smjeru električne struje. Ako umjesto ravnog vodiča koristimo zavojnicu dobit ćemo jače magnetno polje (POKUS 5) slično magnetnom polju ravnog magneta. Kada zavojnicom teče struja ona djeluje kao magnet, a kada njome ne teče struja ona ne djeluje kao magnet. Magnetno polje

5

zavojnice jače je, ako je broj namotaja veći, a struja koja njome prolazi jača. Magnetno polje zavojnice može se pojačati tako da se u nju uloži željezni predmet (POKUS 6). Takvu zavojnicu nazivamo elektromagnet – djeluje kao magnet dok njome teče struja.

Kada se isključi struja, prestaje magnetno djelovanje.

Elektromagneti se koriste kod modernih brzih vlakova koji lebde na tračnicama zbog odbojne sile između elektromagneta u tračnicama i u podnožju vlaka.

Zapamti

svaki magnet ima sjeverni (N) i južni (S) magnetni pol istoimeni se polovi odbijaju a raznoimeni se privlače

magnetno polje - prostor u kome djeluje magnetna sila

magnetno polje prikazuje se silnicama

silnice izlaze iz N a ulaze u S magnetni pol

Zemlja je magnet

Oersted je otkrio vezu između magnetnih i električnih pojava

oko vodiča kojim teče struja javlja se magnetno polje

smjer magnetnog polja oko vodiča kojim teče električna struja ovisi o smjeru struje

magnetno polje zavojnice - jače je od magnetnog polja ravnog vodiča

elektromagnet - zavojnica sa željeznom jezgrom

6

Primjena magnetskog djelovanja električne struje - elektromotor

Oko vodiča kojim teče struja stvara se magnetno polje čiji smjer ovisi o smjeru struje kroz vodič. Ako vodič kojim teče struja (POKUS 1) postavimo u magnetno polje između polova nekog magneta, dolazi do međudjelovanja dva magnetna polja, što rezultira pomicanjem vodiča. Ako se promjeni smjer struje kroz vodič, on se pomiče na drugu stranu. Do iste pojave dolazi i ako zamijenimo magnetne polove magneta. Na međudjelovanju magnetnog polja vodiča kojim teče struja i magnetnog polja magneta zasniva se rad elektromotora.

Elektromotor je uređaj u kojem dolazi do pretvorbe električne energije u mehaničku energiju. Sastoji se od dijela koji miruje - statora i dijela koji se giba - rotora. Stator je magnet, a rotor zavojnica kroz koju teče struja i koja se zbog međudjelovanja magnetskih polja okreće. Na taj način električna energija iz izvora pretvara se u mehaničku energiju.

Zapamtiti

rad elektromotora - zasniva se na međudjelovanju magnetnog polja vodiča kojim teče struja i magnetnog polja stalnog magneta

elektromotor - pretvara električnu energiju u mehaničku energiju

Doznaj više

1882. godine Nikola Tesla je otkrio načelo okretnog magnetskog polja i time omogućio izradu elektromotora izmjenične struje. Danas 90% svih elektromotora u svijetu koristi za svoj rad Teslino okretno magnetsko polje.

7

Električni naboj i električna sila

Riječ elektricitet dolazi od grčke riječi elektron što znači jantar. Jantar je skrutnuta biljna smola. Prije 2 500 godina grčki filozof Tales Milećanin otkrio da komad jantara natrljan suhom krpom privlači lagane predmete koji su mu u blizini, kao suho lišće i perje. U 16. st Wiliam Gilbert te je otkrio da ista svojstva pokazuju i druge tvari kada se natrljaju (POKUS 1), kao na primjer, staklo i dijamant. Takve se tvari, prema jantaru, nazivaju električnim. Pokusima je ustanovljeno da postoje dvije vrste električnog naboja koji se nazivaju pozitivni i negativni naboj.

Nositelj negativnog naboja je elektron koji se giba u elektronskom omotaču, a nositelj pozitivnog naboja je proton koji se nalazi u atomskoj jezgri. U atomu, broj protona jednak je broju elektrona, pa je atom električki neutralan.

Pri trljanju tijela dolazi do prelaska elektrona s jednog tijela na drugo. Kada tijelo ima višak elektrona u odnosu na broj protona ono je negativno naelektrizirano. Kada ima manjak elektrona u odnosu na broj protona, onda je pozitivno naelektrizirano. Ako plastični štap trljamo vunenom krpom on postaje negativan, a krpa pozitivna, a kada stakleni štap trljamo vunenom krpom on postaje pozitivan a krpa negativna.

Da li je tijelo naelektrizirano (POKUS 2) možemo utvrditi pomoću elektroskopa.

Između naelektriziranih tijela djeluje električna sila koja može biti privlačna i odbojna. Istoimeni naboji se odbijaju a raznoimeni se privlače.

(POKUS 3) Kada neutralnoj kuglici približimo negativno naelektrizirani plastični štap , on ju 8

privuče i pri dodiru dođe do prelaska elektrona sa štapa na kuglicu te i ona postaje negativno naelektrizirana pa ju štap odbija.

Električni naboj označava se sa Q, a mjerna jedinica je kulon - oznaka C. Najmanja količina naboja u prirodi je naboj jednog elektrona, odnosno protona i iznosi 1,6×10-19 C. Taj naboj naziva se elementarni naboj i označava sa e.

Zapamtiti:

dvije su vrste električnog naboja pozitivni negativni

nositelj pozitivnog naboja je proton nositelj negativnog naboj je elektron broj protona u atomu jednak je broju elektrona pozitivno tijelo ima više protona nego elektrona, a negativno tijelo ima više elektrona nego protona elektriziranost se utvrđuje elektroskopom istoimeni se naboji se odbijaju a raznoimeni privlače e = 1,6×10-19 C

9

Električna struja u metalima i elektrolitima

Znamo da atomi sadrže jednak broj protona i elektrona, te su električki neutralni. Elektroni su pokretljivi i mogu prelaziti sa tijela na tijelo ili se kretati unutar tijela. Kada atom izgubi jedan ili više elektrona postaje pozitivan i naziva se pozitivni ion, a ako primi jedan ili više elektrona postaje negativan i naziva se negativni ion.

Metali su dobri vodiči električne struje. Razlog tome je njihova kristalna građa. Pozitivni ioni pravilno su raspoređeni, a slobodni pokretljivi elektroni gibaju se između njih u svim smjerovima. Kada metal priključimo na električni izvor, pozitivni pol izvora privlači negativne elektrone i oni se svi počinju gibati od negativnog prema pozitivnom polu električnog izvora. Tada kažemo da teče električna struja. Električna struja u metalima je usmjereno gibanje slobodnih elektrona.

Pojam električne struje uveden je u prvoj polovici 19. stoljeća. Tada se još nije znalo o elektronima kao nositeljima negativnog naboja pa je dogovoreno da se za smjer električne struje uzima smjer u kome bi se gibao pozitivni naboj. Smjer električne struje upravo je suprotan. No, dogovor o smjeru električne struje i danas se poštuje i on je od pozitivnog prema negativnom polu izvora.

Električnu struju provode i elektroliti - vodene otopine soli, kiselina i lužina. Otapanjem u vodi, te se tvari razlažu na pozitivne i negativne ione. Kada se u elektrolit urone dva metalna štapića spojena na električni izvor, pozitivni ioni počinju se gibati prema negativnom štapiću, a negativni ioni prema pozitivnom štapiću. Svojim usmjerenim gibanjem pozitivni i negativni ioni čine električnu struju. Električna struja u elektrolitima je usmjereno gibanje iona.

10

Neki su plinovi također električni vodiči, a električna struja u plinovima je usmjereno gibanje iona i elektrona. Primjer struje iona i elektrona kroz zrak je munja. Kratkotrajna struja poteče između oblaka i tla ili oblaka međusobno, pri čemu se javlja bljesak i čuje grmljavina.

Zapamtiti:

atomi s manjkom elektrona – pozitivni ioni atomi sa viškom elektrona – negativni ioni

električna struja u metalima – usmjereno gibanje slobodnih elektrona

Jakost električne struje

Električna struja je usmjereno gibanje električnog naboja. Ako presjekom vodiča u određenom vremenu prođe više naboja, električna struja je jača.

Kvocijent električnog naboja koji prođe presjekom vodiča u nekom vremenu i toga vremena, naziva se jakost električne struje. Označava se velikim slovom I:

Mjerna jedinica za jakost električne struje je amper i označava se velikim slovom A, a nazvana je u čast francuskom fizičaru Andre-Marie Amperu. Amper je jednak kvocijentu kulona i sekunde,

Struja koja teče vodičem ima jakost jednog ampera ako u jednoj sekundi presjekom vodiča prođe naboj od jednog kulona, odnosno šest trilijuna elektrona.

Jakost električne struje u strujnom krugu mjeri se pomoću ampermetra (POKUS 1) koji se u strujni krug uključuje serijski. Ako su trošila u strujni krug spojena serijski (POKUS 2) jakost struje svuda je jednaka. Kod paralelnog spoja trošila, struja se grana, pri čemu (POKUS 3) je jakost struje prije grananja jednaka zbroju jakosti struja u pojedinim granama:

11

Zapamtiti:

I - jakost električne struje Q - naboj koji prođe vodičem

t - vrijeme

u serijskom spoju jakost struje svuda je jednaka

u paralelnom spoju struja se grana

Izvori električne energije

Svaki električni izvor ima dva pola- pozitivni i negativni. Pozitivni pol ima manjak elektrona a negativni pol ima višak elektrona. Priključivanjem izvora u strujni krug, negativni pol izvora djeluje na slobodne elektrone u električnom vodu odbojnom, a pozitivni pol privlačnom silom i strujnim krugom teče električna struja. Električni izvor obavlja rad na električnom naboju koji prenosi električnu energiju od izvora do trošila, gdje se ona pretvara u druge oblike energije. Kvocijent obavljenog rada izvora i naboja koji prenosi energiju naziva se električni napon i označava slovom U:

Napon izvora pokreće naboj u strujnom krugu i tako stvara električnu struju. Na isti način visinska razlika izvora i ušća rijeke pokreće vodu i stvara vodenu struju. Mjerna jedinica za napon je volt, nazvana u čast talijanskom fizičaru Volti, poznatom po otkriću elektroskopa i voltinog članka. Naprava za mjerenje napona je voltmetar (POKUS 1) koji se u strujni krug uključuje paralelno na izvor ili trošilo.

Kada je potreban veći napon u strujnom krugu izvori se spajaju serijski (POKUS 1) i ukupan napon jednak je zbroju napona pojedinih izvora.

U strujnom krugu trošila se mogu spajati serijski i paralelno. Pri serijskom spoju trošila (POKUS 2) napon izvora jednak je zbroju napona na pojedinim trošilima:

12

a pri paralelnom spoju (POKUS 3) napon na svakom trošilu jednak je naponu izvora.

Napon na svakom trošilu pokazuje koliko se u njemu džula električne energije pretvorilo u druge oblike energije, prolaskom naboja od jednog kulona.

Zapamtiti:

električni napon - kvocijent rada izvora i naboja

U - naponW - radQ - naboj

napon se mjeri voltmetrom koji se spaja paralelno na izvor ili trošilo mjerna jedinica za napon je volt - V

serijskim spajanjem izvora napon se u strujnom krugu povećava

serijski spoj trošila - napon izvora jednak je zbroju napona na svim trošilima

paralelni spoj trošila - napon na svakom trošilu jednak je naponu izvora

13

Elektromagnetna indukcija

1820.godine Oersted je otkrio da se oko vodiča kojim teče struja javlja magnetno polje. Odmah se postavilo pitanje da li postoji suprotan učinak- da li magnetno polje može stvoriti električnu struju? Odgovor na to pitanje dao je engleski fizičar Michael Faraday, 1831. godine. Otkrio je (POKUS 1) da se gibanjem magneta unutar zavojnice u njoj javlja električna struja.

Spojimo li zavojnicu na osjetljivi ampermetar i u nju naglo gurnemo magnet dolazi do otklona kazaljke - tj. poteče struja kroz zavojnicu. Kada magnet umirimo u zavojnici, kazaljka se vraća na nulu, a pri izvlačenju magneta iz zavojnice, ponovo se otklanja ali na drugu stranu. Struja u zavojnici teče samo pri gibanju magneta unutar zavojnice. Što je gibanje brže, struja je jača. Umjesto magneta može se pomicati zavojnica - učinak je isti. U zavojnici se pri međusobnom gibanju magneta i zavojnice javlja napon koji pokreće električnu struju. Pojava stvaranja napona međusobnim gibanjem magneta i zavojnice naziva se elektromagnetna indukcija a tako dobiveni napon naziva se inducirani napon. Zbog induciranog napona krugom teče struja koja mijenja smjer i naziva se izmjenična struja.

Inducirani napon i struja (POKUS 2) mogu se dobiti i gibanjem ravnog vodiča u magnetnom polju.

Na principu elektromagnetne indukcije radi generator (POKUS 3) u kojem se mehanička energija gibanja zavojnice u magnetnom polju pretvara u električnu energiju.

14

Ovo otkriće u praksi je primijenio hrvatski znanstvenik Nikola Tesla, rodom iz Smiljana kod Gospića. Izumio je niz uređaja na izmjeničnu struju od kojih su mnogi našli široku primjenu. Po Tesli je nazvano jedno brdo na Mjesecu, kao i mjerna jedinica za magnetnu indukciju.

Zapamtiti:

elektromagnetna indukcija - dobivanje električnog napona međusobnim gibanjem magneta i zavojnice

elektromagnetnom indukcijom dobiva se struja koja mijenja smjer - izmjenična struja

Rad i snaga električne struje

Električna struja prenosi u strujnom krugu električnu energiju iz izvora do trošila, gdje se ona pretvara u druge oblike energije. U električnom grijaču (POKUS 28), električna se energija pretvara u toplinsku. Kažemo da struja obavlja rad na račun električne energije izvora, koja se pri tome smanji za iznos obavljenog rada. Rad električne struje u nekom trošilu jednak je umnošku napona na njemu, jakosti struje koja njime prolazi i proteklog vremena:

Mjerna jedinica za rad električne struje je džul. Veća mjerna jedinica je kilovatsat.

Rad se označava sa W.

Snaga električne struje u nekom trošilu jednaka je umnošku napona na tom trošilu i jakosti struje koja njime prolazi,

Ako je snaga veća, znači da se u tom trošilu pretvori veća količina električne energije u druge oblike energije u kraćem vremenu. Oznaka za snagu je P, a mjerna jedinica vat - oznaka W.

Zapamtiti:15

Rad električne struje = pretvorba električne energije izvora u druge oblike energije

Jedinice za rad električne struje su džul i kilovatsat

1 kWh = 3 600 000 J P - snaga

Jedinica za snagu je vat a veće jedinice su:

1 kW=1 000 W1 MW=1 000 000 W1 GW= 1 000 000 000 W

Električni otpor

U strujnom krugu napon električnog izvora tjera električnu struju kroz vodiče. Što je napon izvora veći to je i struja kroz vodič jača. Ako uz isti napon izvora u strujni krug spojimo različite vodiče, jakost struje kroz njih neće biti jednaka.

Svojstvo vodiča o kojem ovisi jakost struje koja njime prolazi, naziva se električni otpor i označava se slovom R. Neki se vodiči više a neki manje opiru prolasku struje kroz njih. Električni otpor vodiča može se izračunati kao kvocijent napona na njegovim krajevima i jakosti struje koja prolazi njime:

Mjerna jedinica za električni otpor je om (Ω) nazvana u čast njemačkom fizičaru Ohmu koji je pokusima utvrdio da različiti materijali imaju različite električne otpore.

Znamo da je električna struja u metalu usmjereno gibanje slobodnih elektrona. Električni otpor posljedica je sudara elektrona sa pozitivnim ionima kristalne rešetke (POKUS 1). Pozitivne ione možemo usporediti sa pravilno raspoređenim čavlićima na drvenoj kosini, a slobodne elektrone sa kuglicama koje se spuštaju niz kosinu. Pri tim sudarima elektroni dio energije predaju ionima i zbog toga usporavaju. Dok ioni jače titraju oko ravnotežnih položaja povećava se unutarnja energija vodiča, te se on zagrijava. To saznanje primijenio je Edison i izradio žarulju sa žarnom niti koja se prolaskom struje zagrije i svijetli.

Osim o materijalu, električni otpor ovisi i o duljini i površini presjeka vodiča.

16

Početkom 20. stoljeća otkriveno je da neki materijali na temperaturama blizu 0 K (-273° C) provode električnu struju bez otpora. Takvi se materijali nazivaju supravodiči. Zanimljivo je da supravodiči djeluju odbojnom silom na magnet pa on lebdi iznad njih. Ta pojava se naziva magnetna levitacija.Danas se istražuju materijali koji bi imali svojstva supravodljivosti na sobnoj temperaturi.

Zapamtiti:

svaki vodič ima električni otpor koji se opire prolasku struje kroz njega

R - električni otporU - naponI - jakost struje

Mjerna jedinica za električni otpor je om - oznaka Ω

1 kΩ = 1 000 Ω1 MΩ = 1 000 000 Ω1 GΩ = 1 000 000 000 Ω

električni otpor - posljedica je sudara elektrona sa ionima kristalne rešetke metala supravodiči - provode struju bez otpora

17

Ohmov zakon

Električni otpor je svojstvo vodiča da se opire prolasku struje kroz njega.

Mjereći jakosti struje kroz vodič, kada se na njegovim krajevima mijenja napon, dolazimo do spoznaje da je električni otpor vodiča stalan i ne ovisi o naponu na njegovim krajevima. To pravilo naziva se Ohmov zakon i vrijedi za sve metalne vodiče. Otpor vodiča iskazuje se kao kvocijent napona i jakosti struje:

Vodiči za koje vrijedi Ohmov zakon nazivaju se omski vodiči. Postoje i vodiči čiji otpor ovisi o naponu, a nazivaju se neomski vodiči.

Mijenjajući napon izvora (POKUS 1) mijenja se jakost struje kroz vodič, uz stalan otpor. Povećanjem napona, povećava se jakost struje, a graf koji pokazuje ovisnost jakosti struje o naponu naziva se U-I karakteristika vodiča.

Jakost struje kroz neki vodič razmjerna je naponu na njegovim krajevima a obrnuto razmjerna otporu vodiča. Jakost struje jednaka je kvocijentu napona i otpora:

Vodiči u kojima se velik dio električne energije pretvara u druge oblike energije, nazivaju se otpornici.

Otpornici se u strujni krug mogu spajati serijski i paralelno.

18

Pri serijskom spajanju otpornika, ukupan otpor spoja povećava se dodavanjem otpornika i jednak je zbroju otpora pojedinih otpornika:

Pri paralelnom spajanju otpornika, ukupan otpor spoja se smanjuje dodavanjem otpornika i recipročna vrijednost ukupnog otpora jednaka je zbroju recipročnih vrijednosti pojedinih otpornika:

Zapamti:

električni otpor vodiča - ne ovisi o naponu na njegovim krajevima- iskazuje se kao kvocijent napona i struje

U-I karakteristika - graf ovisnosti jakosti struje o naponu

otpornici - vodiči u kojima se velik dio električne energije pretvara u druge oblike energije

ukupni otpor serijski spojenih otpornika jednak je zbroju otpora pojedinih otpornika:

kod paralelnog spoja otpornika recipročna vrijednost ukupnog otpora jednaka je zbroju recipročnih vrijednosti otpora pojedinih otpornika:

19

Opasnosti i zaštita od strujnog udara

Električna je energija odmah nakon otkrića našla široku primjenu i danas bez nje ne možemo zamisliti suvremeni život. Pored svih prednosti u odnosu na druge oblike energije, električna energija predstavlja i potencijalnu opasnost za ljudski život. Stanice ljudskog tijela većim su dijelom građene od vodene otopine koja provodi struju - elektrolita. Postane li tijelo dio strujnog kruga, kroz njega će poteći struja o čijoj jakosti ovise posljedice njezinog djelovanja. Prolazak struje kroz ljudsko tijelo naziva se strujni udar. Strujni udar izaziva grčenje mišića pa tako i srčanog mišića koji se stegne i ne može obavljati svoju funkciju. Pored grčenja mišića, struja može izazvati i druge posljedice kao što su opekotine i razaranje tkiva. Kontrolirani strujni udar koristi se pri elektrošokovima čime se ponovo potiče rad srca.

Najvažnija zaštita od strujnog udara su izolatori i uzemljenje.

Kako se zaštititi od strujnog udara?

električne sklopke i uređaje nikada ne smijemo dirati vlažnim rukama i dok stojimo na vlažnom podu

ako osjetimo da neki aparat pri dodiru trese, moramo ga odnijeti na popravak

električne aparate prilikom popravka isključiti iz struje

izbjegavati duge kablove po podu prostorije

na ulici ne dirati nikakve žice jer ne znamo da li su pod naponom

za vrijeme oluje ne sklanjati se pod osamljena stabla, ne nositi sa sobom metalne predmete i ne kretati se na mjestima gdje nema predmeta viših od nas

pri pružanju pomoći osobi koja je izložena strujnom udaru, prvo treba prekinuti dovod struje kako ne bismo i mi postali dio strujnog kruga

20

Zapamti:

strujni udar - prolazak električne struje kroz tijelo posljedice prolaska struje kroz tijelo ovise o njenoj jakosti:

o 0,5 mA – čovjek osjeti kao peckanje

o 5 mA - osjeća se bol

o 10 mA - dolazi do grčenja mišića i otežanog disanja

o 100 mA - dolazi do grčenja srčanog mišića što izaziva smrt

Poluvodiči

Tvari koje provode električnu struju nazivaju se vodiči, a tvari koje ne provode električnu struju nazivaju se izolatori. Posebnu vrstu tvari predstavljaju poluvodiči koji su u normalnim uvjetima izolatori, a u posebnim uvjetima postaju vodiči. Silicij je kemijski element koji je našao široku primjenu u proizvodnji poluvodiča.

Tri su vrste poluvodiča:

čisti poluvodiči N - poluvodiči

P - poluvodiči

Pri niskim temperaturama u silicijevoj kristalnoj rešetki nema slobodnih elektrona i on je izolator. Povećanjem temperature, kovalentni elektroni napuštaju vezu sa susjednim atomima i gibaju se kristalnom rešetkom kao slobodni, te silicij postaje vodič. To je čisti poluvodič.

N - tip poluvodiča nastaje ugradnjom peterovalentnog arsena u kristalnu rešetku četverovalentnog silicija. Pri tome se četiri valentna arsenova elektrona vežu sa susjednim atomima silicija a jedan ostaje slobodan. Slobodni elektroni nositelji su struje u N - poluvodiču.

P - poluvodič nastaje ugradnjom trovalentnog indija u kristalnu rešetku četverovalentnog

21

silicija. Pri tome se tri valentna elektrona indija vežu sa susjednim atomima silicija a jedan elektron nedostaje. Manjak elektrona u kristalnoj rešetki ponaša se kao pozitivni naboj koji se premješta kristalom i naziva se šupljina. Pokretljive šupljine nositelji su struje u P - poluvodiču.

Spajanjem N i P poluvodiča nastaje PN spoj koji propušta struju samo u jednom smjeru i naziva se poluvodička dioda. Takav spoj koristi se za ispravljanje izmjenične struje.

Spoj tri poluvodiča gdje je u sredini poluvodič drugog tipa, naziva se tranzistor. Tranzistor može biti sastavljen kao PNP ili NPN spoj. U strujnom krugu služi za pojačavanje signala ili kao brza sklopka. Tranzistori se koriste u računalima čiji se rad zasniva na brzom otvaranju i zatvaranju ogromnog broja strujnih krugova. Deset godina nakon otkrića tranzistora napravljen je prvi čip koji se sastoji od silicijeve pločice na koju je ugrađen velik broj tranzistora, dioda i drugih elektroničkih elemenata.

Zapamtiti:

poluvodiči - tvari koje su u normalnim uvjetima izolatori, a u posebnim uvjetima postaju vodiči

vrste poluvodiča:

o čisti poluvodiči

o N - poluvodiči

o P - poluvodiči

silicij - postaje čisti poluvodič povećanjem temperature

N - poluvodič nastaje ugradnjom arsena u kristalnu rešetku silicija - nositelji struje su slobodni elektroni

P - poluvodič - nastaje ugradnjom indija u kristalnu rešetku silicija - nositelji struje su pokretljive šupljine

poluvodička dioda - PN spoj - propušta struju samo u jednom smjeru

tranzistor - PNP ili NPN spoj - strujnom krugu služi za pojačavanje signala ili kao sklopka

22

Transformator

Transformator je uređaj koji služi za promjenu izmjeničnog napona pa samim tim i izmjenične struje. Sastoji se od dvije zavojnice - primara i sekundara koje su namotane na željeznu jezgru napravljenu od tankih listića lima (POKUS 1). Transformator radi na principu međusobne elektromagnetne indukcije primara i sekundara.

Izmjenična struja koja se dovodi na primar stvara promjenjivo magnetno polje u željeznoj jezgri što dovodi do pojave induciranog napona u sekundarnoj zavojnici. Omjer napona na primaru i sekundaru odnosi se kao omjer broja namotaja primara i sekundara:

S obzirom na broj namotaja na sekundaru može se dobiti veći ili manji napon od napona na primaru. Koliko je puta broj namotaja na sekundaru veći nego na primaru toliko će puta i napon na sekundaru biti veći od broja namotaja na primaru, toliko će puta i napon na sekundaru biti veći od napona na primaru.

Transformator se koristi za promjenu napona pri prijenosu električne energije iz elektrane do potrošača. Da bi se smanjili gubici, električna se energija prenosi visokonaponskim dalekovodom pri nekoliko stotina tisuća volti. Dovođenjem električne energije u naselja,

23

napon se smanjuje na nekoliko tisuća volti, a na stambenim objektima na 220 V. Transformatori imaju veliku ulogu u tehnici veza. Transformator je konstruirao Nikola Tesla i zahvaljujući njemu, izmjenična struja je došla u naše domove i omogućila nam suvremeni način života.

Zapamti:

transformator - služi za promjenu izmjeničnog napona i izmjenične struje omjer napona na primaru i sekundaru odnosi se kao omjer broja namotaja na

primara i sekundara:

Up - napon na primaru Us - napon na sekundaru Np - broj namotaja primara Ns - broj namotaja sekundara

24