JEDNOSMERNAELEKTRINA STRUJA

JEDNOSMERNAJEDNOSMERNAELEKTRIELEKTRINA STRUJANA STRUJA

Vrste struja i njihovi uzrociVrste struja i njihovi uzrociVrste struja i njihovi uzroci Elektrina struja je svako ureeno kretanje elektrinih optereenja Moe nastati u: - vrstim, tenim i gasovitim sredinama , pa i u vakuumu Pokretljiva naelektrisanja koja mogu obrazovati elektrinu struju su:elektroni, pozitroni i negativni joni

U VRSTIM TELIMA slobodno pokretljiva naelektrisanja su elektroni(valentni elektroni, koji pripadaju spoljanjoj elektronskoj ljusci)

Vana kategorija: metalni provodnici - valentni elektroni su vrlolabavo vezani za matine atome i lako ih mogu napustiti

Usmereno kretanje elektrona u provodniku postoji kada je jedan njihovkraj na viem potencijalu od drugog

Od tenih sredina posebno suznaajni elektroliti

Gasovi su po pravilu dobri izolatori Pod odreenim uslovima i kod njih moe doi do pojave elektrinestruje (neonske cevi i fluoroscentne svetiljke)

Slobodno pokretljiva naelektrisanja u ovom sluaju su pozitivni inegativni joni i elektroni

Elektrina struja se moe obrazovati i u vakuumu, ako se napogodan nain obezbedi prisustvo slobodnih elektrona

U elektrolitima slobodnopokretljiva naelektrisanja supozitivni i negativni joni

Za uspostavljanje i odravanje kondukcione struje - dva uslova:1. da postoje pokretljiva elektrina optereenja2. da postoji elektrino polje

Elektrino polje u provodnoj sredini, u kojoj tee stacionarna strujanaziva se STACIONARNO ELEKTRINO POLJE

- za njegovo odravanje potrebno je stalno dovoditi energiju sistemu

Polje koje moe da egzistira samo u vakuumu i savrenimdielektricima naziva se ELEKTROSTATIKO POLJE

za odravanje postojeeg elektrostatikog polja nije potrebannikakav utroak energije

Dve metalne elektrode u vakuumu optereenekoliinama elektiiciteta +Q i Q

Ako izmeu elektroda nema provodne veze, sistem ostaje u stanjuELEKTROSTATIKE RAVNOTEE

U prostoru izmeu elektroda postoji statikoelektrino polje E, a potencijalna razlika je:

U = V1 V2

Pri optereivanju elektroda, izvren je rad koji se transformisao upotencijalnu energiju elektrostatikog polja

Polje, koje potie od rasporeenih elektrinih optereenja, ne moeodravati trajnu, stacionarnu struju u provodnoj sredini

Zakljuak

Da bi struja bila stacionarna, potrebno je da se u svim takama poljaodrava konstantan potencijal i stacionarna raspodela el. optereenja

Ako se izmeu elektroda ostvari provodan put sapokretljivim elektrinim optereenjima, poddejstvom postojeeg elektrostatikog poljauspostavlja se ELEKTRINA STRUJA

Pomeranje elektrinih optereenja menja strukturui jainu polja:- polje na kraju sasvim nestane- optereenja na elektrodama se neutraliu- potencijalna razlika izmeu elektroda postaje jednaka nuli

Analogija sa hidromehanikim sistemom:

Ako se posude spoje pomou cevi, poinje strujanje tenosti, razlikenivoa h se smanjuje, kad se nivoi izjednae prestaje strujanje tenosti

Uzrok proticanja tenosti je gravitaciono polje (analogno dejstvuelektrostatikog polja iz prethodnog primera)

Potencijalna razlika izmeu elektroda (elektrostatiki sistem) =Razlika nivoa h1 - h2 u posudi sa tenou (hidromehaniki sistem )

Hidromehaniki sistem: Gravitaciono polje, samo, ne moe odravati stacionarni tok tenosti Da bi se odralo stacionarno strujanje tenosti u spojnoj cevi, razlika

nivoa tenosti u sudovima mora se odravati konstantnom Potrebno je upotrebiti pumpu koja tenost iz suda sa niim nivoom

prebacuje u sud sa viim nivoom, odnosno, koja tera vodu da teeprotiv sile gravitacije i odrava strujanje konstantnom brzinom

Elektrostatiki sistem: Elektrostatike sile ne mogu formirati stalan tok elektrine struje Da bi se odravala stacionarna struja, mora postojati ureaj koji

pretvara neku neelektrinu energiju u elektrinu i koji odravarazliku potencijala stalnom

Ovakve pumpe elektrinih optereenja - izvori (generatori)elektrine struje - teraju naelektrisanja da se kreu suprotnoelektrinom polju

Metali su najbolji provodnici elektrine struje Imaju kristalnu strukturu, a elektroni spoljne ljuske vrlo su labavovezani za matine atome - pri normalnim temperaturama skoroslobodno se kreu u prostoru kristalne reetke

U odsustvu spoljnjeg polja - slobodni elektroni kreu se haotino,slino molekulima gasa

Kada u provodniku postoji elektrino polje - haotinom kretanjusuperponira se sreeno progresivno kretanje elektrona u pravcupolja, suprotno njegovom smeru

Elektroni se stalno sudaraju sa nepokretnim jonima kristalne reetke,predajui im steenu kinetiku energiju

Kinetika energija, koju elektron stekne u intervalu vremena izmeusudara, pretvara se u toplotu prilikom sudara sa jonima reetke

Kondukciona strujau metalnim provodnicima

Kondukciona strujaKondukciona strujau metalnim provodnicimau metalnim provodnicima

Makroskopski gledano, elektroni se kreu konstantnom brzinom Srednja brzina elektrona direktno je srazmerna jaini polja Jaina struje kroz I popreni presek provodnika: kolinik proteklekoliine elektriciteta Q kroz posmatranu povrinu i vremena t za kojeje ta koliina elektriciteta protekla:

Jaina struje je skalarna veliina

Andre Marie Ampere (1775-1936)

dtdqi

Jedinica joj je amper [A] u ast francuskog fiziara,zaetnika elektrodinamike

Ako su koliina elektriciteta q i jaina struje i promenjivi u vremenu:t

QI

Intenzitet gustine struje J jednak je koliniku jainestruje I i povrine u strujnom polju, upravne napravac kretanja elektrinih optereenja:

S

SdJi

SIJ

2mm

A

Ukoliko se gustina struje razlikuje u nekim delovima provodnika:

Elektrina struja iste jaine moe proticati kroz provodnike manjeg iliveeg prenika

Pravac i smer vektora odreen je pravcem i smerom kretanjapozitivnih elektrinih optereenja u posmatranoj taki strujnog polja

J

Preciznije opisivanje strujnog polja - vektor gustine struje J

Omov zakon glasi: Jaina elektrine struje u provodniku direktno jesrazmerna naponu na njegovim krajevima:

U = R IUU == RR II

Konstanta R naziva se otpornost provodnika - jedinica om []

Otkrio ga je i formulisao nemaki fiziar Om

Omov zakonOmov zakonOmov zakon

Podrazumeva se da struja ima smer odkraja na viem potencijalu ka kraju naniem potencijalu

Omov zakon definie vezu izmeu tri osnovne elektrotehnikeveliine: napona, struje i otpornosti

V

Georg Simon Ohm (1789-1854)

Elektrina otpornostElektriElektrina otpornostna otpornost Elektrina otpornost ianog provodnika duine l, konstantnogpreseka S i od homogenog materijala:

SlR []

- specifina otpornost, zavisi od prirode provodnog materijala

2mm

m

Jedinica simens [S] - po nemakom oficiru, fiziaru iosnivau koncerna Siemens

Elektrina provodnost definie se kao reciprona vrednost elektrineotpornosti i oznaava se sa G:

RG 1 [S]

Ernst Werner von Siemens (1816 - 1892)

1 - specifina otpornost na temperaturi 1 (uobiajeno 20C)

- temperaturni koeficijent otpornosti (za grafit i jo neke materijaleje negativan - otpornost opada sa porastom temperature)

)1(1

Kod nekih legura (manganin i konstantan) specifina otpornost jepraktino konstantna u opsegu temperatura od 0 - 100 C

Specifina otpornost metala zavisi od temperature (sa porastomtemperature poveava se brzina termikog kretanja i uestanostsudara, to dovodi do poveanja otpornosti)

a, b - konstante za dati provodnik, koje vrlo brzo opadaju, pa se zaumeren opseg promene temperature oko 1 moe uzeti samoprvi lan reda:

U optem sluaju specifina otpornost zavisi od temperature popolinomnoj funkciji:

...]1[ 2111 ba

Dele u tri osnovne grupe: otpornici stalne otponosti, promenjiveotpornosti (potenciometri) i nelinearne otpornike (NTC, PTC, VDR-varistori, LDR-fotootpornici, magnetootpornici i tenzootpornici)

Otpornici su komponente tano odreene vrednosti otpornosti, kojese koriste za regulaciju raspodele elektrine energije

Prema konstrukciji mogu biti:- slojni - sastoje se od otpornog sloja (ugljena, metalnih legura,oksida) nanetog na podlogu (od keramike)

- kompozicioni (od mase) - izrauju se od smese otpornih materijala(meavine ugljena i peska) i vezivnog sredstva

- iani - namotavanjem ice (od legure hromnikla, manganina, ...)na izolacionu podlogu

potenciometarregulacioni otpornik

(trimer)otpornici stalne

otpornosti varistor fotootpornik

Sistem obeleavanja sa 4 trake:otpornik otpornosti 1200 sa dozvoljenim odstupanjem otpornosti 5%

Obeleavanje otpornika pomou boja:

Sistem obeleavanja sa 5 traka:otpornik otpornosti 86,4 sa dozvoljenim odstupanjem otpornosti 1%

Napon UAB = VA VB je razlika potencijala izmeu taaka A i B

UAB je pozitivan ako je taka A naviem potencijalu od take B

Voltmetar se u kolo vezuje paralelno

Merenje napona voltmetrom:Merenje napona voltmetrom:Merenje napona voltmetrom:

Voltmetar mora imati to veu unutranju otpornost

Ampermetar mora imati to manju unutranju otpornost

Znak + oznaava prikljuak koji treba da je na viem potencijalu,da bi skretanje kazaljke bilo u predvienom smeru

Ampermetar se u kolo vezuje redno,da bi sva struja koja se meri proteklakroz njega

Merenje struje ampermetrom:Merenje struje ampermetrom:Merenje struje ampermetrom:

Merenje otpora ommetrom:Merenje otpora ommetrom:

Element, ija otpornost se meri, potrebno je elektrino odvojiti odostalih elemenata kola

Rx

Strujno kolo ommetra ini: redna veza baterije elektromotorne sile E,predotpora Rp (za zatitu od prevelike struje), otpornika zakalibrisanje Rk (za doterivanje struje u kolu na potrebnu vrednost) iinstrumenta sa kretnim kalemom unutranje otpornosti Ri

Kada kroz provodnik protie struja, sile elektrinog polja vre radpomerajui elementarna elektrina optereenja - ovaj rad se u celostitransformie u toplotu zbog sudara pokretljivih optereenja sa jonimanepokretne kristalne reetke

tIRQ 2

Dulov zakonDDulov zakonulov zakon

Dulov zakon: koliina toplote Q, koja se razvije zavreme t u otporniku otpornosti R, kada kroz njegaprotie struja I jednaka je:

Jedinica za rad, energiju i koliinu toplote nosi ime dul (J) Transformacija elektrinog rada u toplotu naziva se Dulovim efektom

Engleski fiziar Dul prouavao je toplotno dejstvoelektrine struje

dtIUtR

UtIRA

22

James Prescott Joule(1818 - 1889)

Elementarna razvijena toplota u provodniku otpornosti R, kroz kojiprotie struja I i na kome postoji napon U je:

Snaga Dulove toplote je brzina vrenja rada:

Snaga se meri jedinicom koja se zove vat [W], uast kotskog inenjera i naunika Vata

James Watt (1736-1819)

dtIUdtR

UdtIRdQ 2

2

dtdQP

IURUIRP

22odnosno:

Elektricna struja moe postojati i u nekim tenostima, koje senazivaju elektroliti

Italijanski fiziar Volta podelio je provodnike na:- provodnike I klase (metali, njihove legure i grafit)- provodnike II klase (elektroliti, odnosno rastvori kiselina, baza i soliu vodi - hemijski iste vode ne provode struju)

Osnovna razlika medu njima je u tome to usled proticanja strujekroz metale nastaje toplota, a kroz elektrolite hemijski procesi

Pojava razlaganja sloenih materija elektricnom strujom naziva seelektroliza

Pojavu elektrolize izucavao je engleski fizicar Faradej i po njegovomPrvom zakonu elektrolize: kolicina materije izdvojena elektrolizom(u kg) direktno je proporcionalna jacini elektricne struje i vremenunjenog proticanja kroz elektrolit, ili:

Struja u elektrolitimaStruja u elektrolitimaStruja u elektrolitima

tIam a - elektrohemijski ekvivalent date materije

Ako se dve metalne ploe, elektrode, potope u elektrolit dobija setzv. galvanski element, koji moe biti izvor vremenski konstantnestruje

Hemijski izvori elektrine strujeHemijski izvori elektriHemijski izvori elektrine strujene struje

Najprostiji galvanski element je Voltin: dve metalne ploe (od bakrai cinka) potopljene u elektrolit od razreene sumporne kiseline

Ploa od bakra naelektrie se pozitivno u odnosu na plou od cinka Ako se izmeu ploca vee potroa - napon izmeu njih opadne Ako se strujno kolo prekine - nakon izvesnog vremena napon sevraa na prvobitnu vrednost

U elektrolitu se nalaze elektrode od istog materijala, prekida je upoloaju 1-1, galvanometar ne pokazuje otklon (u kolu nema struje)

Ako se galvanski element vee na izvorjednosmernog napona U (prekida u poloaju2-2) i ako se pusti da se neko vreme vrielektroliza, posle uklanjanja izvora jo nekovreme e postojati struja iji je smersuprotan u odnosu na smer struje koja jetekla dok je bio prikljuen naponski izvor

Pojava da se elektrode u elektrolitu nakon izvrene elektrolizeponaaju kao polovi nekog izvora struje - elektrolitika polarizacija

Struja je nastala je usled naponske razlikekoja se pojavila izmeu elektroda

Galvanski elementi - primarni izvori - mogu se upotrijebiti samojednokratno, jer u njima nastaju nepovratni elektrohemijski procesi

Izvori koji mogu da aukumuliraju elektrinu energiju, nazivaju sesekundarni izvori ili akumulatori

Jedan od najee korienih - olovni akumualtor - sastoji se od dveolovne ploe potopljene u razblaeni rastvor sumporne kiseline

Kada se akumulator puni, proizvodi elektrolize (H2 iO2) hemijski deluju na elektrode i na anodi nastajeolovni superoksid PbO2, a na katodi olovo Pb

Olovni akumulatoriOlovni akumulatoriOlovni akumulatori

Pre punjenja akumulatora olovne elektrode presvuene su olovnimsulfatom PbSO4, jer se nalaze u sumpornoj kiselini

Ukoliko se akumulator sastoji od 6 ovakvih elija, vezanih redno,ukupni napon takvog, napunjenog akumulatora je oko 13,2 V

Akumulator je pun kada se na katodi ponu dizatimehurii vodonika - dostie napon od 2,2 2,6 Vpo eliji

Pri pranjenju akumulatora dolazi do obrnutogprocesa, elektrina struja tee kroz elektrolit usmeru od katode ka anodi

Koliina elektriciteta koju akumulator moe dati pri pranjenju (prieksploataciji) naziva se kapacitet akumulatora i on se izraava uamper - asovima (Ah)

Olovni akumulatori imaju nisku cenu i malu unutranju otpornost,koja omogucava postizanje velikih struja u kratkim vremenskimintervalima (pokretanje motora)

Medutim, karakteristike ovih akumulatora dosta zavise odtemperature okoline (tako da sposobnost brzo opada pri niskimtemperaturama

Pri kratkom spoju dolazi do oteenja akumulatora, pa se njegovopranjenje ne sme vriti pri naponu manjem od 1,8 V po eliji

Negativna strana im je i velika teina

Pri pranjenju akumulatora, napon elije brzoopadne na 2 V, taj napon se odrava neko vrieme, akada opadne na 1,8 V akumulator se mora ponovnopuniti (11 V, u sluaju redne veze est elija)

Isti princip rada, samo su otporniji i imaju elektrode od lakih metalaAlkalni akumulatoriAlkalni akumulatoriAlkalni akumulatori

Najvie se upotrebljava Edisonov, koji je po konstrukciji isti kao iolovni, samo su mu elektrode od nikla i gvoa, a za elektrolit sekoristi razblaeni kalijum hidroksid

Prednosti alkalnih akumulatora:- manja teina- dui vek trajanja- jednostavnije odravanje- otporniji su na mehanike udare i udarne struje, koje se javljaju priradu (pokretanje motora)

- mogu due stajati ispranjeni od olovnih Mane:- visoka cena- naglo gubljenje kapaciteta na temperaturama manjim od 0C

Napon punog alkalnog akumulatora iznosi oko 1,5 V po eliji i menjase pri punjenju i pranjenju slino kao kod olovnih akumulatora

Gasovi su pri normalnom pritisku i temperaturi izolatori, jer nemajuslobodne nosioce naelektrisanja (elektrone ili jone)

Struja u gasovimaStruja u gasovimaStruja u gasovima

Za jonizaciju se mora uloiti odreena energija- spoljanje delovanje: toplota, ultraljubiasto,rendegnsko, radioaktivno zraenje, ...

Pod uticajem jonizatora, jedan broj elektrona naputa neutralni atomgasa, elektroni postaju slobodni, a atom postaje pozitivan jon

Proticanje struje kroz gas u prisustvu spoljanjeg jonizatora naziva senesamostalno pranjenje, a elektrina provodnost izazvanadelovanjem jonizatora naziva se nesamostalna provodnost

U odreenim uslovima gasovi postajuprovodnici, jer dolazi do jonizacije - procesaodvajanja elektrona od atoma

Drugi atomi gasa apsorbuju deo slobodnih elektrona, da bi popunilienergetske orbite, i tako postaju negativni joni

Zavisnost jaine struje nesamostalnog pranjenja od napona izmeuelektroda:

Pri malim naponima (< U1) jainastruje je linearna funkcija napona i zagasove priblino vai Omov zakon(usled poveanja napona sve veibroj jona uestvuje u jonizaciji)

Za neke vrednosti napona (U1 do U2)struja raste sporije od napona (javljase i rekombinacija, suprotan procesod jonizacije)

Za vee vrednosti napona (U2 - U3) jaina struje je konstantna iakose napon poveava (svi joni nastali u jonizaciji uestvuju uprovoenju i ne stiu da se rekombinuju - zasienje)

Za napon vei od neke vrednosti (U3) jaina struje raste naglo i breod napona (primarni elektroni imaju toliku kinetiku energiju damogu jonizovati molekul pri sudaru - udarna jonizacija)

Ovako dobijeni (sekundarni) elektroni ubrzavaju se u istom polju imogu i sami da jonizuju molekule, poveava se provodljivost gasa(ako se ukine jonizator, struja prestaje - nesamostalno pranjenje)

Kada je napon na elektrodama dovoljno veliki (taka 1 na grafiku)dolazi do pojave varnice i nesamostalno pranjenje prelazi usamostalno pranjenje (prelaz se deava pri struji od oko 10 A)

Dalji porast struje moe nastati samosekundarnom jonizacijom, odnosno emisijomelektrona iz katode (deo krive 2-3) pri emu jenapon prvo kosntantan, da bi zatim ponovopoeo da raste

Poveanje struje do odreene vrednosti (reda10-1 A) nastaje proboj gasa, javlja se elektriniluk i napon opada sa poveanjem struje (4-5)

Za odravanje struje luka potreban je znatnonii napon od onog koji je luk izazvao

Mehanizam provoenja struje kroz gasove primenjuje se najvie kodelektronskih cevi

Elektrini luk moe biti vrlo tetan ako se pojavi nepoeljno, ali seizaziva i namerno (za elektoluno zavarivanje metala, za topljenjeruda i metala u elektrolunim peima i za lune lampe

Elektrini luk, koji se koristi u navedene svrhe, ostvaruje se prinaponima od nekoliko desetina do nekoliko stotina volti

JEDNOSMERNA ELEKTRINA STRUJASlide5Slide46Slide6Slide7Slide8Slide62Slide10Slide11Slide12Slide14Slide17Slide18Slide48Slide20Slide52Slide66Slide67Slide65Slide23Slide24Slide53Slide54Slide55Slide57Slide56Slide58Slide59Slide60Slide61