OE1-07#14

1TEHNIKO VELEUILITE U ZAGREBU, Elektrotehniki odjel ak. god. 06/07Osnove elektrotehnike I, predavanje 07/14 nastavnik: Ivan Mandi

7/14

OSNOVE ELEKTROTEHNIKE I2. DIO

ISTOSMJERNA ELEKTRINA

STRUJA2

3

GIBANJE NABOJA U VODIU

Elektrina struja

4

vodi

arulja


Elektrina struja

2112 =U+

++

++

++++

1

--

------- 2

Elektrina struja

5

Ako dva nabijena vodljiva tijela na razliitom potencijalu spojimo vodiem, potencijali tijela e se izjednaiti.

Pri tom izjednaavanju naboji s tijela na viem potencijalu potei e kroz spojni vodi na tijelo na niem potencijalu.

Takvo usmjereno gibanje naboja nazivamo elektrina struja.

U primjeru smo u seriju sa spojnim vodiem postavili elektrinu arulju.


Elektrina struja

6

Ako bi ukupna koliina naboja bila dovoljno velika, arulja bi nakratko zasvijetlila, i potom se ugasila.

Elektrina struja bi tekla vodiem samo kratko vrijeme, dok se potencijali tijela ne bi izjednaili.

Elektrostatska energija elektrinog polja se pri tome pretvori u toplinsku energiju, koja usija arnu nit u elektrinoj arulji.

Kad je sva elektrostatska energija utroena, strujanje naboja prestane, i elektrina struja prestane tei.


Elektrina struja


7

Trajnu elektrinu struju moemo dobiti tako da naboje na tijelu s viim potencijalom, koji struje prema tijelu s niim potencijalom, stalno nadomjetamo.

To moemo postii ureajem koji openito nazivamo izvorom elektrine energije.

U metalima elektrina struja se realizira kretanjem elektrona.

U elektrolitskim vodiima (kiseline, luine ili otopine soli) elektrina struja predstavlja kretanje pozitivno ili negativno nabijenih dijelova molekula iona.


Elektrina struja

8

Plinovi pri normalnom pritisku i temperaturi predstavljanju izolatore. Ako se pritisak jako smanji, ili temperatura povea, oni se ioniziraju.

Pojedine molekule plina izgube pri tome neke elektrone, i postanu pozitivno nabijene estice, a slobodni elektroni predstavljaju negativno nabijene estice. Takvo stanje plina nazivamo plazma.

Plazma je vodljiva, i takvo stanje imamo npr. u fluorescentnim sijalicama.

Dakle elektrina struja moe pod odreenim uvjetima tei i u plinovima.


Elektrina struja

9

Elektrina struja moe tei i u vakuumu.

U vakuumu nema nosilaca elektrinih naboja, pa bi prema definiciji struje kao kretanju elektrinih naboja struja bila nemogua.

Ako izmeu dvije vodljive elektrode ostvarimo u vakuumu dovoljno jako elektrino polje da pojedine elektrone otrgne od negativno polarizirane elektrode, tada emo imati elektrinu struju.

Pri tome je nuno da ostvarimo uvjete da elektroni trajno naputaju negativnu elektrodu -katodu-


Elektrina struja

10

Takav sluaj imamo npr. u katodnoj cijevi (ekranu) televizora.

Openito, bilo kakvo usmjereno gibanje elektrinih naboja nazivamo elektrinom strujom.

U naim razmatranjima ograniit emo se iskljuivo na takvu vrstu struje tzv. provodnu struju

Uz provodnu struju postoji i tzv. pomana struja, pri emu nema gibanja nabijenih estica. Takva se struja pojavljuje u dielektriku kondenzatora pri njegovom nabijanu ili izbijanju.


Elektrina struja

11

Uinci elektrine struje


12


Elektrina struja stvara vie uinaka.

Najee se govori o etiri osnovna uinka elektrine struje:

toplinski uinak

kemijski uinak

svjetlosni uinak

magnetski uinak.



13

Vodie ponekad dijelimo na dvije grupe:

vodii prve vrste (metali, grafit)

vodii druge vrste (elektrolitski vodii).

Prilikom prolaska elektrine struje kroz vodie prve i druge vrste, oni se zagrijavaju.

Prolazak elektrine struje kroz plazmu - koja se ponekad naziva etvrtim agregatnim stanjem -takoer zagrijava plazmu.

Toplinski uinak elektrine strujeUinci elektrine struje


14

Tu pojavu moemo razumjeti ako shvatimo da povienje temperature tijela predstavlja ustvari poveanje amplitude titranja elementarnih estica materije od kojeg je tijelo sazdano.

Prolaz elektrine struje kroz vodie poveeva amplitudu titranja molekula materije vodia, i time podie njenu temperaturu.

Openito, toplinski uinak elektrine struje je pojava da se neki vodii prilikom prolaska elektrine struje zagrijavaju.

Pojava ima veliku primjenu u praksi, iako je esto nepoeljna.

Uinci elektrine strujeGIBANJE NABOJA U VODIU

15

Kemijski uinak elektrine struje je pojava da se elektrolitski vodii prilikom prolaska elektrine struje kemijski mijenjaju.

Ta se pojava naziva elektroliza i ima iroku primjenu u metalurgiji.

Veina metala se u istom stanju dobiva upravo elektrolizom (bakar, aluminij i mnogi drugi).

Kemijski uinak elektrine strujeUinci elektrine struje


16

Ovim se postupkom moe takoer nanijeti tanak sloj plemenitog metala na vodljivu povrinu nekog predmeta.

Taj postupak galvanizacije ima iroku primjenu u industriji.

Primjer je izrada nakita, ali i predmeta svakodnevne upotrebe, npr. kromiranje dijelova vodovodnih instalacija.

Mogue je galvanizirati i predmete iz plastike (izolatore), ako se na njih najprije nanese sloj vodljivog grafita.



17

Svjetlosni uinak elektrine struje je pojava da u nekim sluajevima elektrina struja izaziva pojavu svjetlosti.

Pri tome pojava svjetlosti nije posljedica zagrijavanja arne niti (kao u elektrinoj arulji), nego je posljedica promjene energetske razine pojedinih elektrona u samim atomima materije.

Takva se pojava deava pri prolasku struje kroz plazmu, ili kroz neke poluvodie.

I ova pojava se esto koristi u praksi.

Svjetlosni uinak elektrine strujeUinci elektrine struje


18

Magnetski uinak elektrine struje je pojava da se u okoliu elektrine struje pojavljuje magnetsko polje.

Ova pojava je neraskidivo povezana s elektrinom strujom, ak i spomenutom pomanom strujom.

Dok se kemijski, toplinski i svjetlosni uinak pojavljuju samo uz neke dodatne uvjete, elektrina struja uvijek izaziva magnetsko polje.

Kao i tri ranije navedena uinka, i ova se pojava esto koristi u praksi.

Magnetski uinak elektrine strujeUinci elektrine struje



19

Jakost i smjer elektrine struje


20

Jakost i smjer elektrine struje

vodi

QtQI =

Jakost elektrine struje

Jakost elektrine struje


21

U metalnim vodiima, kakvim se najee sluimo, elektrina struja predstavlja usmjereno gibanje slobodnih elektrona.

Pri tome pojedini elektroni naine vrlo kratak put prije nego to se sudare s nekim drugim elektronom i prenesu mu svoju kinetiku energiju, a sami se zaustave.

Gledajui cijeli presjek vodia, u njemu kontinuirano prolazi neki broj elektrona, odnosno nekakav iznos naboja.

Jakost i smjer elektrine strujeGIBANJE NABOJA U VODIU

22

Jakost elektrine struje predstavlja iznos naboja koji proe presjekom vodia u jedininom vremenskom intervalu.

Budui da se naboji ponaaju kao nestlaiva tekuina, u bilo kojem presjeku vodia proe u nekom vremenskom intervalu jednak iznos naboja.

Drukije reeno, struja ima jednaku jakost cijelom duljinom vodia kojim tee, bez obzira na njegov presjek.


23

Jedinicu mjere za jakost elektrine struje dobijemo iz definicije jakosti struje:

[ ] [ ][ ]tQI = s

C= AsAs == (Amper)

Pokazalo se prikladnijim da se umjesto jedinice C/skao jedinice za jakost struje, amper definira kao jedna od osnovnih jedinica meunarodnog sustava jedinica.

Naime realizacija ureaja za mjerenje jakosti struje je jednostavnija nego za mjerenje naboja.


24

Ureaj za mjerenje jakosti elektrine struje nazivamo ampermetar.

AShematska oznaka ampermetra

U elektrinim shemema ampermetar najee oznaavamo s krugom i upisanim slovom A.

Ampermetar se ukljuuje u seriju s vodiem u kojem mjerimo jakost elektrine struje.



25

Q

tQI =

Smjer elektrine struje

Smjer elektrine struje

pozitivna struja

negativna strujaQ


referent

ni smjer refe

rentni sm

jer

26

Prema definiciji jakosti struje, ona predstavlja skalarnu veliinu.

Pri tome smatramo da naboj ima pozitivan predznak.

Kretanje naboja u suprotnom smjeru predstavlja negativan iznos elektrine struje.

Da bismo definirali pozitivnu ili negativnu vrijednost struje, moramo definirati referentni smjer u vodiu.

Referentni smjer moemo proizvoljno odabrati, ali ga se nakon toga moramo pridravati.


27

Promjena smjera kretanja pozitivnog naboja ekvivalentna je zadravanju smjera i promjeni predznaka naboja.

U metalnim vodiima kreu se slobodni elektroni, koji imaju negativan naboj.

To znai da je smjer struje u vodiu suprotan smjeru kretanja elektrona.

Naravno, ako bismo struju realizirali kretanjem pozitivnih naboja (npr. pozitivnih iona), onda bi smjer struje odgovarao smjeru kretanja naboja.


28

Gustoa elektrine struje


29

vodi

I

S



SIJ =


30

Gustoa elektrine struje je jakost struje na jedinicu povrine presjeka vodia:

Jedinica mjere za gustou struje je:SIJ =

[ ] [ ][ ] 2mA

SIJ ==

Ova jedinica nije jako praktina, pa se esto koristi jedinica A/mm2 .

Gustoa elektrine strujeGIBANJE NABOJA U VODIU


31

Vodi openito nema isti presjek cijelom duljinom, pa gustoa struje openito varira du vodia.

Takoer je mogue da gustoa nije po cijeloj povrini presjeka vodia svagdje jednaka.

Gustoa elektrine strujeGIBANJE NABOJA U VODIU

32

ELEKTRINI OTPOR

Ohmov zakon

33

ELEKTRINI OTPOROhmov zakon

Pri protjecanju elektronskog plina kroz vodi pojavljuje se otpor.

Ovisnost razlike potencijala U na krajevima metalnog vodia konstantnog presjeka pri protjecanju elektrine struje jakosti I ustanovio je Georg Simon Ohm i ona glasi:

konst== RIU

Ohm je ustanovio da je ta ovisnost konstantna, i ovaj se izraz naziva Ohmov zakon. 34

Jednostavnom algebarskom operacijom dobijemo izraz:

Na krajevima vodia kroz koji tee elektrina struja pojavljuje se razlika potencijala. Cijeli vodi nije na istom iznosu potencijala.

Ovo je bitna razlika u odnosu na pojave u elektrostatici, gdje je cijeli vodi uvijek bio na istom potencijalu.

IRU =

ELEKTRINI OTPOROhmov zakon

35

Elektrini otpor i elektrina vodljivost

ELEKTRINI OTPOR

36

Elektrini otpor i elektrina vodljivost

Prema Ohmovom zakonu elektrini otpor vodia moemo ustanoviti mjerenjem jakosti struje i napona na krajevima vodia:

Jedinica mjere za elektrini otpor iznosi:

[ ] [ ][ ] === AV

IUR

IUR =

(Ohm)

ELEKTRINI OTPOR


37

Uz elektrini otpor esto se koristi i reciprona vrijednost otpora, koja se naziva elektrina vodljivost:

Jedinica mjere za elektrinu vodljivost je:

[ ] [ ][ ] SVA

UIG ====

1

UI

RG ==1

(Siemens)

Elektrini otpor i elektrina vodljivostELEKTRINI OTPOR

38

Koristei izraze za otpor i vodljivost Ohmov zakon se moe napisati na nekoliko jednako vrijednih naina:

U primjenama koristimo one izraze koji su za poznate podatke najprikladniji.

IUR = R

UI = IRU =

UIG = GUI = G

IU =

Elektrini otpor i elektrina vodljivostELEKTRINI OTPOR

39

Elektrini otpor vodljive ice

ELEKTRINI OTPOR

40

ELEKTRINI OTPORElektrini otpor vodljive ice

U svojim pokusima Ohm je mjerio raspodjelu potencijala du metalnog vodia (ice).

Tako je ustanovio i osnovnu zakonitost za odreivanje otpora metalnog vodia konstantnog presjeka:

SlR =

gdje su:

- specifini otpor materijala vodial - duljina vodia

S - popreni presjek vodia.

41

Specifini elektrini otpor (otpornost) je elektrini otpor vodia jedininog presjeka i jedinine duljine.

Jedinica mjere za specifini elektrini otpor je:

Specifini elektrini otpor

[ ] [ ][ ][ ] mmm

lSR ===

2

Ova je jedinica nepraktina, pa se esto koristi:

[ ] mmmm == 6

210


42

Za proraun vodljivosti zgodno je koristiti specifinu elektrinu vodljivost umjesto specifinog otpora:

Specifina elektrina vodljivost

Specifina elektrina vodljivost je vodljivost vodia jedininog presjeka i jedinine duljine, pa vrijedi da je vodljivost reciprona vrijednost otpornosti:

lSG =

1=



43

Jedinica mjere za specifinu elektrinu vodljivost je:

I ovdje je esto praktinije koristiti jedinicu Sm/mm2umjesto S/m.

[ ] [ ] [ ][ ]22

6

2

10 mmSm

mmmSmS

mmSS

lG

==

====


44

Jouleov zakon

ELEKTRINI OTPOR

45

ELEKTRINI OTPORJouleov zakon

tekuina

termos-boca

termometar

AR I

Kalorimetrijski postupak odreivanja koliine topline

t

46

Jedan od uinaka elektrine struje je toplinski uinak.

Kvantifikacija tog uinka moe se provesti kalorimetrijom.

Uz poznatu (mjerenu) jakost elektrine struje u koliina toplinske energije jednaka je:

tRIW 2=gdje je R elektrini otpor kroz koji tee struja, I je jakost struje, a t je vrijeme.


47

Koristei se izrazima za Ohmov zakon moemo izraz za koliinu toplinske energije transformirati:

tRIW 2= UIt= tRU 2= tGU 2=

Pri ovom ispitivanju elektrina struja je imala konstantnu vrijednost.

Za prikazani pokus to je nuno, jer inae ne bi bilo mogue ustanoviti navedenu ovisnost iznosa utroene elektrine energije.


tGI 2=

48

Rad i snaga elektrine struje

ELEKTRINI OTPOR


49

ELEKTRINI OTPOR

Koliina rada (energije) u jedinici vremena predstavlja snagu P, pa vrijedi:

Svi ovi izrazi vrijede za pretvorbu elektrine energije u toplinsku.

Meutim izraz P=UI vrijedi za pretvorbu elektrine energije u bilo koji drugi oblik energije.

2RItWP == UI=

Rad i snaga elektrine struje

RU 2= 2GU= G

I 2=

OE1-07#14

Documents

Transcript of OE1-07#14