1. Električna struja 1.1. Što su električni naboji i kako oni međudjeluju? Kada napuhanim balonom protrljamo kosu i zatim polako odmičemo balon od kose, naša ga kosa slijedi. Tada kažemo da se naša kosa naelektrizirala. Što to znači? To znači da su kosa i balon postali električki nabijeni tj. da pokazuju električna svojstva. Dalje se postavlja pitanje odakle balonu i kosi električna svojstva? Da bismo odgovorili na to pitanja prisjetimo se građe atoma. Građa atoma Atomi se različitim vezama spajaju u molekule i tvore svijet oko nas. Njihova građa je temelj za razumijevanje električnih svojstava. Atomi se sastoje od elementarnih čestica: 1. protoni – električki pozitivne elementarne čestice smještene u jezgru atoma 2. neutroni – električki neutralne elementarne čestice, također, smještene u jezgru atoma 3. elektroni – električki negativne elementarne čestice koje u tzv. elektronskom omotaču kruže oko jezgre. Električni naboj je svojstvo elementarnih čestica utvrđeno eksperimentima. Svaki atom ima jednaki broj protona i elektrona (taj se broj naziva atomski broj, Z i on je redni broj atoma u periodnom sustavu elemenata) pa zato kažemo da je električki neutralan. Sada kada smo ponovili građu tvari možemo odgovoriti na pitanje odakle balonu i kosi električna svojstva. Trljanjem smo odvojili elektrone koji kruže na većim udaljenostima od jezgara atoma koji grade kosu te su oni prešli na balon. Time je balon postao električki negativan (jer ima višak negativnih čestica, elektrona), a naša kosa električki pozitivna (jer ima manjak negativnog nabojaprimjetimo da se količina pozitivnog naboja tj. protona nije promjenila). Još nam je preostalo objasniti zašto elektrizirana kosa slijedi balon. Za to je potrebno naučiti kako nabijena tijela međudjeluju. Općenito se u fizici međudjelovanje dvaju tijela iskazuje silom. U slučaju elektriziranih tijela tj. tijela sa električnim nabojem to je električna sila, Fe. Električna sila ima slijedeća svojstva: • privlačna je za raznoimene naboje, što znači da se pozitivno i negativno nabijena tijela privlače • odbojna je za istoimene naboje, što znači da se dva pozitivno nabijena tijela, kao i dva negativno nabijena tijela, odbijaju • njezino se djelovanje smanjuje kako udaljenost tijela raste, a povećava kako se udaljenost smanjuje. Konačno dobivamo odgovor zašto elektrizirana kosa slijedi balon. Kosa i balon nose raznoimene naboje, što je posljedica trljanja, pa je sila među njima privlačna. Djelovanje električne sile može se opisati još jednom veličinom, a to je električno polje. Ono je svojstvo prostora oko nabijene čestice tj. područja djelovanja električne sile. Primjer 1. Na slikama su prikazane obješene kuglice različitih električnih svojstava. Skicirajte i objasnite djelovanje električne sile. a), b), c), d)-slike ručno i rješenje ručno. Najmanja količina naboja je upravo naboj jednog elektrona e -, odnosno jednog protona e+ (ponovimo da su naboji iste količine, ali suprotnog predznaka). Tu količinu nazivamo nazivamo elementarni (osnovni) naboj. Količinu naboja označavamo slovom Q, a mjerna jedinica naboja tijela je kulon, oznaka C. Ta je jedinica nazvana po francuskom fizičaru Charlesu Augustinu de Coulombu koji je proučavao međudjelovanje nabijenih tijela. 1.2. Što je električna struja? Na primjeru kose i balona vidjeli smo da se elektriziranje tijela svodi na oduzimanje i dodavanja elektrona. Negativno nabijeno tijelo ima višak elektrona, a pozitivno nabijeno tijelo ima manjak elektrona. Promotrimo kako međudjeluju negativno nabijena kuglica i neutralna kuglica. Negativno nabijena kuglica oko sebe stvara električno polje. To električno polje će djelovati na elektrone (negativni naboj) u neutralnoj kuglici tako da će ih odbiti na što je moguće veću udaljenost od negativnog naboja na nabijenoj kuglici (vidi sliku 1- ručno). Kažemo da se naboji raspoređuju tako da istoimeni naboji budu na najvećoj mogućoj udaljenosti. Iz do sada opisanih primjera zaključujemo: Elektroni su pokretni nosioci naboja. Promotrimo sada primjer suprotno nabijenih kuglica, no ovaj put ih spojimo žicom (vidi sliku 2). Da bi razumjeli što se događa u opisanoj situaciji moramo naučiti što je električna potencijalna energija. To je energija električno nabijenog tijela te stoga ovisi o količini i predznaku naboja tog tijela. Kuglice sa slike 2 nabijene su raznoimenim nabojima pa će se i njihove električne potencijalne energije razlikovati. Kada kuglice spojimo žicom, njome višak elektrona prijeđe s jedne kuglice na drugu kako bi se njihove električne potencijalne energije izjednačile1. Drugim rječima žicom je potekla struja. Struja će teči žicom sve dok se naboji na kuglicama ne izjednače ili neutraliziraju. Sada možemo definirati električnu struju: Električna struja je usmjereno gibanje naboja (u našem slučaju elektrona). 1.3. Električni napon U prošlom smo odjeljku naučili što je električna potencijalna energija, ali ništa nismo rekli odakle ona dolazi. Sjetimo se opet primjera sa početka – elektriziranja kose i balona trljanjem. Trljanjem obavljamo rad kojim razdvajamo električne naboje. Već smo naučili da tijela s različitim količinama naboja imaju različite električne potencijalne energije. Između takva dva tijela postoji električni napon. Napon možemo definirati i pomoću rada (energije) uloženog u razdvajanje naboja: Napon je obavljeni rad (uložena energija) po jediničnom naboju. Ili izraženo formulom: U= W , Q gdje je U oznaka za napon, W znamo iz 7. razreda i to je obavljeni rad, a Q, kao što smo ranije naučili, količina naboja. Sve što smo do sada naučili možemo sažeti u slijedeći zaključak: Kada se između dva tijela pojavi napon, vodičem koji ih spaja poteći će električna struja. Jedinica za napona je volt, V, u čast talijanskom fizičaru Alessandru Volti koji je otkrio da se kemijskim putem može dobiti napon. Za mjerenje napona koristi se uređaj koji nazivamo voltmetar. Primjer 2. Za elektriziranje dvaju tijela izvršen je rad od 15 J pri čemu je stvorena razlika naboja od 5 C. Koliki je napon među njima? Rješenje: Zadano je: W = 15 J Q=5C U=? 1 Priroda i njezini zakoni uvijek nastoje izjednačiti veličine koje opisuju neki sustav. Npr. Vjetar nastaje zbog razlike tlakova zraka na različitim mjestima U= W 15 J = =3 V Q 5 C Napon ćemo izračunati po formuli koju smo naučili u ovom odjeljku, a kao što vidimo svi potrebni podaci su nam zadani. Rezultat dobivamo direktnim uvrštavanjem. Primjer 3. Koliki je rad potrebno uložiti da bismo elektrizirali dva tijela između kojih je napon 10V, a razlika naboja 3 C. Rješenje Zadano je: U = 10V Q=3C W=? U= W Q U⋅Q=W → W =U⋅Q W = 10 V · 3 C = 30 J Koristimo formulu za napon (U), no nama je potreban uloženi rad (W). Formulu a napon pomnožimo sa Q pa dobivamo formulu za rad (W) Sada možemo uvrstiti zadane podatke i izračunati traženi uloženi rad. Primjer 4. Napon između dvije lektrizirane kugle je 7 V, a za postizanje tog napona uloženo je 21 J. Kolika je razlika naboja tih dviju kugli? Rješenje: Zadano je: U=7V W = 21 J Q=? U= W Q U⋅Q=W Q= W U Koristimo formulu kao iz prethodna dva primjera, no sad nam je potrebna količina naboja. Kako bi iz ove formule izrazili Q, pomnožimo je najprije s Q Sada vidimo da nam uz Q stoji U, pa da bi izrazili samo Q podjelimo dobivenu formulu s U Q= 21 J =3C 7 V Uvrštavanjem slijedi tražena količina naboja. 1.4. Strujni krug Za spajanje najjednostavnijeg strujnog kruga potrebni su nam slijedeći elementi: 1. Izvor električne struje – to su uređaju koji nam održavaju električni napon, odnosno osiguravaju neprestano razdvajanje naboja. Budući da su na izvoru naboji stalno razdvijeni on ima pozitivan (+) i negativan (-) pol. Spajanjem polova izvora vodičem će poteći struja. Dogovorom je određeno da je smjer struje od pozitivnog prema negativnom polu izvora. Primjer izvora su baterije, akumulatori i sl. 2. Trošilo – to su svi uređaji koji koriste električnu energiju i pretvaraju je u neki drugi oblik. Trošila jsu npr. žaruljica, štednjak, grijalica i sl. 3. Spojne žice – one nam služe kako bismo povezali elemente strujnog kruga 4. Prekidač – kojim možemo odlučivati hoće li žaruljica svjetliti ili ne. Na slici 3 možemo vidjeti simbole za grafičko prikazivanje dijelova strujnog kruga, a na slici 4 dva primjera strujnog kruga, sa otvorenim i zatvorenim prekidačem. U strujnom krugu razlikujemo napon izvora i napon na krajevima trošila (pad napona). Napon izvora je energija po jediničnom naboju koja se iz izvora prenosi strujnim krugom tj. energija koju izvor daje elektronima koju trošilo pretvara u druge oblike energije. Što znači da su baterije od 1.5 V? To znači da takav izvor naboju od 1 C u strujnome krugu može predati 1.5 J energije. Napon na krajevima trošila (pad napona) je električna energija po jediničnom naboju koja prođe trošilom. Formula za napon koju smo naučili u odjeljku 1.3. i dalje vrijedi. Neka vas ne zbuni što smo tada govorili o radu (W) uloženom u stvaranje napona. Rad je oblik energije, dakle ono što je važno zapamtiti da je napon uvijek energija po jediničnom naboju: U= W Δ E = Q Q Primjer 5. Koliki je napon izvora koji naboju od 3 C preda 36 J energije? Rješenje: Zadano je: Q=3C ΔE = 36 J U=? Δ E U= Q U= Koristimo formulu za napon i budući da su nam sve potrebne veličine zadane, direktnim uvrštavanjem u formulu slijedi rješenje. 36 J =12 V 3 C Primjer 6 Žaruljom na džepnoj svjetiljci prolazi naboj od 2 C. U džepnu svjetiljku stavljena je baterija od 4.5 V Kolika se količina električne energije pretvori u druge oblike energije (svjetlosnu, toplinsku – znamo da se svjetiljka zagrije, i dr.)? Zadano je Q=2C U = 4.5 V ΔE = ? Δ E U= Q U⋅Q=ΔE → ΔE=U⋅Q ΔE = 4.5 V ·2 C = 9 J Kako bismo mogli izrčunati kolika se količina električne energije pretvorila u druge oblike enegrije, formulu za napon pomnožimo sa Q. Dobili smo izraz za energiju u koji uvrštavamo zadane vrijednosti i dobivamo rezultat. Napon u strujnom krugu Trošila se u strujnom krugu mogu spajati serijski i paralelno što je prikazano na slici 5. Pogledajmo kako se raspodjeljuje napon u strujnom krugu ovisno o načinu spajanja trošila. Serijski spoj trošila Na slikama 6 a) , b), c) prikazan je jedan strujni krug sa tri trošila spojena u seriju. Simbolima voltmetra označena su mjesta na kojima se mjeri napon. Slika 6a)-ručno Slika 6b) Slika 6c) ispod nje : U1 + U2 = U Ispod nje: U1 + U2 + U3 = U Ispod nje: U1 + U2 = U Zbroj napona na krajevima žaruljica u sva tri slučaja jednak je naponu izvora. Ovaj je rezultat jedan oblik zakona očuvanja energije o kojemu smo učili u 7. razredu. Koliko energije izvor može dati trošilima putem elektrona, toliko ona mogu pretvarati u druge oblike energije. Energija ne može nastati niti nestati. Paralelni spoj trošila Slika 7 prikazuje paralelan spoj trošila u strujnom krugu. Slika 7 – ručno U1 = U2 = U Naponi na krajevima paralelno spojenih trošila jednaki su naponu izvora. Primjer 7 Za strujni krug na slici odredite napona na trošilu 2. Električna struja u strujnom krugu Naučili smo opisno definirati struju kao usmjereno gibanje naboja (u slučaju strujnog kruga to su elektroni). Sada ćemo naučiti kako struju možemo izračunati i mjeriti te kako se ona raspoređuje u strujnom krugu ovisno o načinu spajanja trošila. Jakost struje označavamo sa I i dana je formulom: I= Q t Dakle struja je veličina koja opisuje kolika količina naboja Q prijeđe presjekom vodića u vremenu t. Mjerna jedinica za električnu struju (jakost struje) je amper, A prema francuskom fizičaru Andrè Marie Ampèreu. Mjerni uređaj za mjerenja struje je ampermetar. Simbol za ampermetar je slika 8 tu ubaciti. Primjer 8 Vodičem u 5 s prođe količina naboja od 15 C. Kolika je jakost struje u tom vodiču? Rješenje: Zadano je: Q = 15 C t=5s I=? Sve su veličine izražene u osnovnim jedinicama pa ne moramo ništa pretvarati. Q t 15 C I= =3 A 5 s I= Koristimo formulu za jakost struje i vidimo da možemo direktno uvrstiti zadane veličine u formulu. Primjer 9 Tijekom 4 minute u vodiču se uspostavlja struja od 5 A. Koliki je naboj prošao kroz presjek vodiča? Rješenje Zadano je: t = 4 min = 4 ·60 s = 240 s I=5A Q=? I= Q t I⋅t =Q Vrijeme je izraženo u minutama, a osnovan jedinica SI sustava za vrijem je sekunda. Da bismo pretvorili minute u sekunde zadano vrijeme množimo sa 60 sekundi Koristimo formulu za jakost struje, no ovaj put želimo izračunati količinu naboja Q. Zato ovu formulu množimo sa vremenom t. U dobovenu formulu za Q uvrštavamo zadanu struju i vrijeme u sekundama. Q = 5 A ·240 s = 1200 C Serijski spoj trošila Na slikama 9 a), b), c) prikazani su strujni krugovi sa serijskim spojevima trošila u kojima se struja mjeri na različitim mjestima. Pogledajmo kako se raspoređuje struja u ovakvom strujnom krugu. a)Slike -ručno b)Slika-ručno c)Slika ručno ispod slike ispod slike Ispod slike: I1 = I2 = I3 I1 = I2 = I3 = I 4 I1 = I 2 Slika 9 Vidimo da je u serijskom spoju trošila struja u cijelom strujnom krugu jednaka. Tu nas može zbuniti naziv trošilo, jer ako je struja jednaka i prije i nakon što je prošla kroz trošilo, što onda trošilo troši? Kada smo govorili o električnom naponu rekli smo da trošilo pretvara električnu energiju u neke druge oblike energije, dakle trošila su pretvarači. Sjetimo se da je struja zaparavo tok naboja, tj. elektrona, a elektroni ne mogu nastati ni nestati tj. potrošiti se. To je također jedan od temeljnih zakona očuvanja, zakon očuvanja električnog naboja. Paralelni spoj trošila Paralelni spoj trošila prikazan je na slici 10-ručno. Vidimo da se struja drugačije raspoređuje u slučaju paralelnog spoja trošila. Točka B predstavlja mjesto grananja struja koje nazivamo čvor. Za svaki čvor u strujnom krugu vrijedi jednostavno pravilo: Zbroj struja koje ulaze u čvor jednak je zbroju struja koje iz njega izlaze. Na slici 10 vidimo da u čvor B ulazi samo struja I pa je ona jednaka zbroju struja I 1 i I2 koje iz njega izlaze: I = I1 + I2 Primjer 10 Za strujni krug prikazan na donjoj slici izračunajte nepoznate struje I2, I3, i I4. Slika-ručno Rješenje Čvorovi u strujnom krugu: Slika 10.1. Ispod slike 10.1. Na slici primjećujemo dva mjesta grananja struja, to su čvor B i čvor C. Promotrimo najprije čvor B: U njega ulazi struja I = 4 A, a izlaze dvije struje: I1 = 1.5 A i nepoznata struja I2. Znamo da je ukupna struja koja ulazi u čvor jednaka ukupnoj struji koja iz njega izlazi. Izrazimo nepoznatu struju tako da struju I1 prebacimo na lijevu stranu i uvrstimo zadane struje . I = I1 + I2 I – I 1 = I 2 → I2 = I – I 1 I2 = 4 A – 1.5 A I2 = 2.5 A I1 = I 3 Struje I1 i I3 su jednake jer se struja I1 nigdje ne grana. Slika 10.2.- ručno U čvor C ulaze struje I2 i I3, vidjeli smo da je I1 = I3. Nepoznata je struja koja izlazi iz tog čvora I4 I4= I2 + I3 = I2 + I1 I4 = 2.5 A +1.5 A I4 = 4 A Opet primjenjujemo pravilo za grananje struja i uvrštavamo poznate vrijednosti Rad i snaga električne struje O radu električne struje govorili smo u odjeljcima 1.3. i 1.4. kada smo govorili o radu potrebnom za razdvajanje naboja, odnosno energiji koju izvor napona prenosi na elektrone. Sada ćemo pomoću formula koje smo naučili u ta dva odjeljka izvesti formulu za rad električne struje. Napon smo definirali kao rad potreban za razdvajanje naboja: U= W Δ E = Q Q ·Q Množenjem s Q dobivamo: U⋅Q=W Rad smo naučili označavati sa W pa ćemo ga nadalje označavati tako, no treba imati na pameti da je rad promjene energije (prenesena energija ΔE). Oznake fizikalnih veličina su proizvoljne dok se god razumije što predstavljaju. Prisjetimo se sada formule za jakost struje: I= Q t ·t Množenjem izraza za struju s t slijedi: I⋅t=Q Sada ovaj izraz za količinu naboja uvrštavamo u gore dobiveni izraz za rad električne struje: I⋅t=Q → U⋅Q=W Konačno slijedi formula za rad električne struje izražena pomoću napona, struje i vremena: W =U⋅I⋅t To je rad koji može obaviti električna struja I u strujnom krugu napona U za vrijeme t, odnosno maksimalna energija koju trošilo ima na raspolaganju za pretvorbu u neki drugi oblik. Kada bi trošila (električni uređaji) bili idealni (bez gubitaka energije) cijeli rad električne struje pretvorio bi se u neki drugi oblik energije. No u stvarnosti svi električni uređaji rade uz gubitke kroz neke druge oblike energije (koji su nam u tom trenutku nekorisni) kao npr. kroz toplinsku energiju (svi se električni uređaju dok rade zagrijavaju). Kao što smo naučili u 7. razredu jedinica za rad i energiju je džul (J). Što je snaga naučili smo također u 7. razredu. Snaga, P, je rad obavljen u jedinici vremena, ili matematički zapisano u obliku formule: P= W t Ako na mjesto W uvrstimo izraz za rad električne struje koji smo ranije izveli dobivamo: P= W U⋅I⋅t = =U⋅I t t Osnovna jedinica za snagu je vat, W, u čast škotskom izumitelju Jamesu Wattu. Često se koristi i krupnija jedinica kilovat (kW) Primjer 11 do 14 - ručno Otpor u strujnome krugu Postojanje električnog otpora možemo uočiti ako sastavimo dva strujna kruga sa istim naponom izvora, a različitim trošilima. Struje koje prolaze kroz trošila su različite. Ta se razlika pripisuje postojanju električnog otpora. Što je električni otpor? Za razumjevanje električnog otpora opet moramo promotriti struju kao usmjereno gibanje elektrona. Elektroni putuju kroz žice strujnoga kruga, no u žici se ne nalaze samo elektroni koji vode čine struju. Žica se sastoji od atoma koji ju izgrađuju (npr. bakrena žica). Isto tako materijali od kojih se žice rade nisu uvijek savršenog sastava pa se u njima javljaju nečistoće (kao što npr. u riži ponekad nađemo kamenčić, tako se u vodiču (žici) od bakra ponekad može naći atom nekog dugog elementa). Sve to predstavlja "gužvu" kroz koju se elektroni moraju probiti, odnosno njihovo gibanje kroz vodiče nije nesmetano. Oni se pri tome sudaraju sa atomima, odnosno vodič se opire prolasku struje i to je razlog postojanja električnog otpora. On se razlikuje od materijala do materijala, a ovisi i o obliku vodiča ( debljini i dužini). Električni otpor označavamo sa R i iskazujemo slijedećom formulom: R= U I Mjerna jedinica za otpor je om, Ω, nazvana po njemačkom fizičaru Georgu Ohmu. Sada vidimo zašto su struje kroz različita trošila uz isti napon iz našeg primjera sa početka bile različite. Zato što različita trošila imaju različite otpore. Električni se otpor očituje kao zagrijavanje vodiča kroz koji teče struja. Zagrijavanje smo spominjali kad smo govorili o radu električne struje; već tada smo spomenuli da električni uređaju nisu idealni i da zato dolazi do gubitka energije. Sada znamo da su ti gubitci posljedica električnog otpora. Iako električni otpor smanjuje efikasnost uređaja, neki uređaji rade na principu velikog otpora. Npr. Pegla – pegla mora biti vruća, a to postižemo ugradnjom vodiča sa velikim električnim otporom. Ohmov zakon Električna struja razmjerna je naponu na krajevima vodiča, a obrnuto je razmjerna njegovom otporu: I= U R Vidimo da su Ohmov zakon i gornji izraz za otpor zapravo iste formule, samo je izražena druga veličina. Primjer 15 Grijačem štednjaka teče struja od 4 A, a spojen je na napon od 220 V. Koliki je otpor grijača? Primjer 16 Struja od 50 mA može ubiti čovjeka ako prođe blizu njegovog srca. Ako je otpor ljudskog tijela 2000 Ω, koji bi napon mogao biti pogubni za električara koji u svakoj ruci drži po jedan kraj vodiča kojim teče struja? Rješenja-ručno. U strujni se krug mogu kao trošila spajati otpornici. Simbol za otpornik u strujnom krugu je (umetnuti sliku 11-ručno). Kao i trošila, i otpornici se mogu spajati serijski i paralelno (slika 12a) i b)). Serijsko spajanje otpornika Odredimo sada ukupan otpor Ru, serijski spojenih otpornika koristeći Ohmov zakon (Slika 13-ručno) Zatvorenim strujnim krugom kroz sve otpornike teče ista struja I. Ukupan napon U jednak je zbroju vrijednosti napona na svim otpornicima: U = U 1 + U 2 + U3 Iz Ohmovog zakona slijedi: I= U R → U=I·R I · Ru = I · R 1 + I · R2 +I · R3 Struja je stalna pa gornju jednadžbu možemo podijeliti s I pa dobivamo: Ru = R 1 + R2 + R3 Ukupan zbroj serijski spojenih otpornika jednak je zbroju pojedinačnih otpornika koji čine seriju. Ako su otpornici u serijskom spoju jednakog iznosa, onda vrijedi: Ru = n · R Paralelno spojeni otpornici Na slici 14 prikazan je strujni krug sa paralelno spojenim otpornicima. Analizirajmo ga pomoću Ohmovog zakona i pravilu o grananju struja. Slika 14 – ručno. Električna struja prije grananja u čvoru B je I. Ona je jednaka zbroju struja nakon grananja: I = I1 + I2 + I3 Od prije nam je poznato da je napon na krajevima paralelnih grana jednak. Primjenimo sada Ohmov zakon: I= U U U U = R R1 R2 R 3 Jednadžbu skratimo s U pa dobivamo: 1 1 1 1 = R R 1 R2 R 3 Recipročna vrijednost ukupnog otpora paralelno spojenih otpornika jednaka je zbroju recipročnih vrijednosti svakog otpora u paralelnom spoju. Ako su otpornici u paralelnom spoju jednakog iznosa, onda vrijedi: 1 1 =n⋅ Ru R1 Problem 17 Koliki je ukupni otpor 4 žaruljice spojenih u seriju ako je a) otpor svake 5 Ω i b) ako dvije žaruljice imaju otpor 2 Ω,, a druge dvije 3Ω,. Problem 18 Tri otpornika, otpora 2 Ω,, 5 Ω, i 7 Ω, spojeni su paralelno. Koliki je ukupni otpor tog paralelnog spoja. Rješenja - ručno 1.5. Učinci električne struje Svjetlosni i toplinski učinci električne struje Kroz priču o strujnom krugu i električnom otporu već smo naveli dva učinka električne struje: svjetlosni i toplinskin tj. naučili smo da se električna energija koju prenose elektroni pretvara u toplinsku i svjetslosnu energiju. Dok su upaljene žarulje su jako vruće. Objasnimo to. U žaruljama sa žarnom niti (klasična žarulja u kućanstvima) svjetlost nastaje uslijed zagrijavanja metala (žarne niti) do vrlo visokih temepratura. Dalje se nameće pitanje zašto se tj. kako se žarna nit grije? Odgovor već znamo – zbog električnog otpora, ali pojasnimo malo vezu električnog otpora i zagrijavanja. Elektroni se gibaju žarnom niti i pri tome imaju kinetičku energiju (kao i sva tijela koja se gibaju). Znamo da gibanje elektrona nije nesmetano te da se oni sudaraju sa atomima tvari kroz koju prolaze. U sudarima elektroni predaju dio svoje kinetičke energije atomima i time povećavaju unutarnju energiju cijelog vodiča (žarne niti). Porast unutarnje enerije očituje se porastom temeprature vodiča. Kemijski učinak električne struje Električna struja u kemiji se koristi za razlaganje molekula na ione (atomi koji imaju višak ili manjak elektrona pa stoga imaju električni naboj). Taj se postupak naziva elektroliza. Taj se postupak koristi u industriji za dobivanje aluminija, bakra, magnezija i drugih metala. Magnetski učinci električne struje Objasnimo najprije djelovanje magneta. Svatko od nas bar je jednom držao magnet u rukama. Prema tome, svi smo iskusili da magnet ima privlačno djelovanje na željezo (kao i na nikal, kobalt i čelik). To privlačno djelovanje nazivamo magnetska sila. Ako ste držali dva magneta jedan blizu drugoga primjetili ste da se u nekim položajima privlače, a u drugima odbijaju. To je posljedica postojanja magnetskih polova na kojima je magnetska sila najveća. Razlikujemo sjeverni i južni magnetski pol pri čemu se istoimeni polovi odbijaju, a raznoimeni privlače. Uočavamo slično ponašanje kao i kod električne sile i naboja. Nadalje, sjetimo se da oko električnog naboja postoji električno polje. Isto tako oko magneta se stvara magnetsko polje, odnosno područje na kojem djeluje magneska sila. Smjer djelovanja magnetske sile pokazuju nam magnetske silnice koje možemo vidjeti na donjoj slici. Željezna piljevina prosuta je po podlozi, a kada se na sredinu stavi magnet ona se formira u smjeru magneske sile. Na gornjoj slici opažamo i kompase. Sjetimo se iz geografije da i Zemlja ima magnetske polove te da se oko Zemlje nalazi magnesko polje (slika dolje). Zato se magnetska igla kompasa uvijek postavlja u smjeru sjever – jug što nam omogućuje orjentaciju. Vezu između magnetskog polja i električne struje prvi je opazio Hans Oersted. On je zaključio da se oko vodiča kojim teče struja stvara magnetsko polje. Ta se pobuda magnestkih svojstava oko vodiča kojim teče struja naziva magnetska inukcija, a označava sa B. Mjerna jedinica za magnetsku indukciju je tesla, T, u čast našem velikom fizičaru Nikoli Tesli. Smjer struje u vodiču određuje djelovanje magneskog polja. Slika dolje prikazuje tzv. Pravilo desne ruke: ako palac desne ruke usmjerimo u smjeru kojim teče struja (s lijeva na desno), onda ostali prsti pokazuju smjer magnetskog polja, a ako struja teče u suprotnom smjeru (s desna na lijevo) i palac usmjerimo tako, ostali prsti će pokazivati suprotan smjer od onog na slici. .) Iznos ili jakost magnetskog polja određuje jakost struje koja ga stvra – što je jača struja koja teče vodičem to je jače magnetsko polje oko njega. Promotrimo sada slučaj kada vodič kojim teče struja smotamo u zavojnicu kao na donjoj slici. Zavojnica se tada ponaša kao magnet čiji su polovi na njezinom vrhu i dnu (N, S). Umetanjem komada željeza u zavojnicu povećava se njezino magnetsko djelovanje . Tako dobivamo elektromagnete koji se koriste npr. kao elektromagnetske dizalice. To su dizalice kojima se podižu teški željezni kontejneri u lukama. Kada dizalica podiže predmet uključi se struja i zavojnica sa željeznom jezgrom postaje jaki magnet koji privlači kontejner. Kada dizalica prebaci teret na željeno mjesto struja se isključuje, željezna jezgra gubi magnetska svojstva i kontejner se odvaja od dizalice. Elektromagneti se koriste i za stabilizianje brzih vlakova koji ne dodiruju tračnice nego lebde iznad njih. Naučili smo da električna struja stvara magnetsko polje i to nazivamo magnetska indukcija. Zapitajmo se može li magnetsko polje stvoriti struju? Odgovor je da! Ako zavojnicom ne teče struja, a u njezino središte umetnemo magnet, neće se dogoditi ništa, no ako magnet primičemo i odmičemo od zavojnice, njome će poteći struja. Primicanje i odmicanje magneta stvara promjenjivo magnetsko polje, pa zaključujemo da promjenjivo magnetsko polje inducira električnu struju.Tu pojavu nazivamo elektromagnetska indukcija. Princip elektromagnetske indukcije koriste elektromotori, transformatori (trafostanica, punjači za napajanje mobitela ili prijenosnih računala) i električni generatori. 1.6. Električna vodljivost Do sada smo govorili o vodičima i o protjecanju električne struje, ali nismo objasnili zašto neke tvari vode električnu struju, a druge (kao npr. Plastika, drvo...) ne vode. Vodljivost je svojstvo materijala i ono ovisi o kemiskim vezama u njemu. Prema tome provode li električnu struju ili ne, tvari se svrstavaju u tri skupine: 1) Vodiči Nosioci naboja, tj. oni čije usmjerno gibanje daje struju kod vodiča su slobodni elektroni. Atomi metala i drugih vodiča povezani su kemijskim vezama koje omogućuju postojanje slobodnih elektroma, koji se uključivanjem na izvor napona počinju gibati usmjereno. Primjeri vodiča su metali, grafit, vodene otopine soli, kiselina i lužina. 2) Poluvodiči To su kristali poput silicija ili germanija. Mehanizam kojim oni vode struju sastoji se u postojanju dviju vrsta nosioca naboja- elektrona i šupljina (kod vodiča su to samo elektroni). Poluvodički elementi kao što su diode i tranzistori sastavni su djelovi računala. 3) Izolatori Primjeri izolatora su plastika, drvo, guma, ulje, staklo, keramika, suhi papir, drvo, destilirana voda. To su tvari koje uopće ne vode električnu struju jer njihove kemisjeke veze ne dopuštaju postojanje slobodnih elektrona. Suvremena istraživanja u fizici vodiča usmjerena su na tzv. supravodljivost tj. vodljivost bez električnog otpora. Za sada je supravodljivost opažena samo na vrlo niskim temperaturama, a njezino otkrivanje na sobnoj temperaturi izazvalo bi novu industrijsku revoluciju. Ponovimo što smo naučili o električnoj struji Pregled naučenih fizikalnih veličina: Fizikalna veličina Oznaka Mjerna jedinica Električni naboj Q Kulon, C Električni napon U Volt, V Električna struja I Amper, A Snaga električne struje P Vat, W Električni otpor R Om, Ω Sažetak: • Nabijena tijela međudjeluju električnom silom • Raznoimeni naboji se privlače, a istoimeni odbijaju • Električni napon je energija, odnosno obavljeni rad po jediničnom naboju: U= W Q • Zbroj napona na krajevima serijski spojenih trošila jednak je naponu izvora • Naponi na krajevima paralelno spojenih trošila jednaki su naponu izvora • Struja je usmjereno gibanje naboja odnosno veličina koja opisuje kolika količina naboja Q prijeđe presjekom vodića u vremenu t: I= Q t • Zbroj struja koje ulaze u čvor (mjesto granjanja) jednak je zbroju struja koje iz njega izlaze • Rad električne struje je rad koji može obaviti električna struja I u strujnom krugu napona U za vrijeme t, odnosno maksimalna energija koju trošilo ima na raspolaganju za pretvorbu u neki drugi oblik: W =U⋅I⋅t • Snaga je rad obavljen u jedinici vremena: P= • W t Električni otpor je posljedica sudaranja elektrona sa atomina vodiča, a očituje se kao gubitak električne energije kroz toplinu U I • Izraz za električni otpor je: R= • Ohmov zakon: Električna struja razmjerna je naponu na krajevima vodiča, a obrnuto je razmjerna njegovom otporu I= U R • Ukupan zbroj serijski spojenih otpornika jednak je zbroju pojedinačnih otpornika koji čine seriju: Ru = R 1 + R2 + R3 • Recipročna vrijednost ukupnog otpora paralelno spojenih otpornika jednaka je zbroju recipročnih vrijednosti svakog otpora u paralelnom spoju: 1 1 1 1 = R R 1 R2 R 3 • Učinci električne struje su svjetlosni, toplinski, kemijski i magnetski • prema električnoj vodljivosti tvari dijelimo na vodiče, poluvodiče i izolatore Zadaci za ponavljanje (vježbu) – rješenja ručno 1. Ako dva suprotna naboja stavimo na udaljenost od 2m, a potom na udaljenost od 4 m kakva je sila među njima u kojem je slučaju ona većeg iznosa? Obrazložite svoj odgovor Rješenje Skice- ručno Naboji su raznoimeni pa je sila među njima privlačna. F1 > F2 Djelovanje sile opadasa udaljenošću naboja pa je sila F1 veća od sile F2 jer je udaljenost naboja manja. 2. Ako atomu natrija oduzmemo jedan elektron, koliki će biti naboj tako nastalog iona natrija? Ako atomu klora dodamo jedan elektron koliki je naboj njegovog iona? Rješenje Svi atomi su neutralni jer imajuju jednak broj pozitivnih protona u jezgri i negativnih elektrona u omotaču. Ako natriju oduzmemo jedan elektron, on će imati manjak negativnog naboja tj. ion natrija imat će pozitivni naboj. Ako kloru dodamo jedan elektron onn će imati višak negativnog naboja i njegov će ion biti negativno nabijen. 3. Na trljanje plastičnog štapa krpicom uloženo je 50 J. Kao rezultat trljanja štap je nabijen nabojem od -5 C. Koliki je naboj krpice? Koliki je napon između krpice i štapa? 4. Kroz žarulju priključenu na gradsku mrežu prolazi naboj od 50 C. Koliko je električne energije na raspolaganju žarulji za pretvorbu druge oblike? 5. U kuhinj se peče kolač, gori svjetlo i radi hladnjak. Kroz žarlju teče struja od 0.5 A, kroz hladnjak 2 A, a kroz pečnicu 10 A. Izračunajte otpore tih trošila. 6. Za strujni krug na slici (ručno) odredite napone između točaka A i B. 7. Za strujni krug na slici (ručno) odredite nepoznate struje. 8. Pomoću voltmetra i ampermetra možemo odrediti nepoznati otpor na donjoj slici. Koji zakon pri tome koristimo? Koliki je iznos nepoznatog otpora? 9. Koliki rad može obaviti struja jakosti 5 A, koja pola minute prolazi vodičem koji je spojen na izvor napona od 20 V? 10. Žarulja na stolnoj svjetiljci ima oznaku 60 W. Ako je priključena na gradsku mrežu, kolika struja njome prolazi? 11. Kolika je snaga žarulje u gradskoj mreži ako je njezin otpor 80 Ω? 12. Otpor električne grijalice iznosi 44 Ω. Kada je uključena u gradsku mrežu kroz nju prolazi struja od 5 A. Kolika je snaga grijalice? Koliko ćemo platiti 4 h grijanja takvom grijalicom ako je cijena 1 kWh 92 lipe. 13. Kroz grijač glačala uključenog u gradsku mrežu u 2 minute prođe naboj od 240 C. Kolika je jakost struje kroz glačalo, a koliki otpor grijača? 14. Glavnim električnim vodom (žicom) u kućanstvu teče struja od 30 A. Naučili smo da vodiči nisu idealni i da se dio energije gubi (na zagrijavanje vodiča) . Ako se izgubi 1.4 W snage, koliki je otpor žice? 15. Koliki otpor (otpornik) treba staviti u paralelni spoj s otporom od 12 Ω da bismo dobili ukupni otpor od 4 Ω? 16. Odredite struju koja teče strujnim krugom na slici. 17. Odredite struju kroz svaki otpornik i ukupnu struju koju daje izvor na donjoj slici.
© Copyright 2024 Paperzz
