Električna struja

Izvor: Wikipedia

Električna struja je usmereno kretanje naelektrisanja pod uticajem električnog polja ili razlike električnih potencijala. SI jedinica za električnu struju je amper (A), što je jednako protoku jednog kulona naelektrisanja u sekundi.

Definicija[uredi - уреди]

Intenzitet električne struje se definiše kao izvod po vremenu naelektrisanja

I = {dQ \over dt}

Strožije, ovo se zapisuje:

i(t) = {dq(t) \over dt} ili inverzno kao q(t_0) = \int_{-\infty}^{t_0} i(t)\, dt

Količina naelektrisanja Q koja protekne u jedinici vremena t je I, što potiče od francuske reči za struju intensité.

Struja u klasičnim čvrstim provodnicima[uredi - уреди]

U većini čvrstih provodnika, kada na njih ne deluju spoljne električne sile sile, postoji nasumično kretanje slobodnih elektrona koje nastaje usled termalne energije koju elektroni dobijaju iz okolnog prostora. Kada atom izgubi slobodni elektron, postaje pozitivno naelektrisan. Slobodan elektron može da se kreće među ovim pozitivnim jonima, dok oni mogu samo da osciluju oko njihovih stalnih mesta u rešetki provodnika. Slobodni elektroni su stoga nosioci naelektrisanja u čvrstim provodnicima. Ako se zamisli ravan koja preseca provodnik na pola, ukupan broj slobodnih naelektrisanja (elektrona) koji prolaze sa jedne strane na drugu jednak je broju koji prolazi u suprotnom smeru.

Kada se krajevi čvrstog provodnika spoje sa polovima izvora napona, na primer jednosmerne struje kao što je baterija, taj izvor uspostavlja električno polje kroz provodnik. U trenutku spajanja kontakata, slobodni elektroni u provodniku će početi da se kreću ka pozitivnom kraju izvora pod uticajem električnog polja. Za svaki amper struje, 1 kulon naelektrisanja (koji se sastoji od oko 6.242 × 10^{18} elementarnih naelektrisanja - naelektrisanje jednog elektrona ili protona) prolazi svake sekunde kroz poprečni presek provodnika. Struja I\; u amperima se može izračunati iz sledeće jednačine:

I = {Q \over t}

gde je

Q \!\ naelektrisanje u kulonima
t \!\ je vreme u sekundama

Sledi da je:

Q=It \!\ i t = {Q \over I}

Prosečna brzina naelektrisanja[uredi - уреди]

Pokretna naelektrisanja unutar provodnika stalno se kreću u slučajnim pravcima. Elektroni su nosioci naelektrisanja u metalima. Neprestano se sudaraju sa nepokretnim atomima i menjaju svoj smer i pravac kretanja. Ako se u obzir uzme brzina kretanja elektrona u obliku vektora, prosečna brzina svih elektrona zajedno u provodniku je jednaka nuli. Zato što se kreću u svim pravcima i smerovima, koji se međusobno poništavaju. Iako se u svakom provodniku elektroni neprestano kreću, ne može se uvek govoriti o postojanju električne struje. Kada se provodnik nađe u električnom polju, elektroni u njemu počinju da se kreću usmereno pod uticajem polja. I dalje se kreću nepravilno, sudaraju se sa atomima i menjaju svoj smer i pravac kretanja, ali prosečna brzina je sada različita od nule, i kreću se u pravcu električnog polja. Ova prosečna brzina se u literaturi još naziva i „brzina drifta“. Brzina kojom se kreću može se izračunati iz izraza:

I=nSvQ \!\

gde je:

I \!\ električna struja
n \!\ broj nosioca naelektrisanja po jedinici zapremine
S \!\ površina poprečnog preseka provodnika
v \!\ prosečna brzina naelektrisanja
Q \!\ količina naelektrisanja jednog nosioca.

Brzina električne struje u čvrstom provodniku je obično veoma mala. Na primer u bakarnoj žici, poprečnog preseka 0.5 mm², sa strujom od 5 A, prosečna brzina elektrona je reda milimetra u sekundi. Nasuprot tome, na primer, u katodnoj cevi, elektroni se kreću u približno pravoj liniji sa brzinom od desetog dela brzine svetlosti.

Inače, zna se da je signal električne struje talas, koji propagira duž provodnika velikom brzinom. Kao što je to sa talasima, brzina talasa u nekoj materiji ima malo veze sa brzinom te materije, dok se kreće kroz nju. Na primer, u prenosnim mrežama naizmenične struje, talas struje se kreće veoma brzo od izvora do udaljenog potrošača, dok se naelektrisanja u provodniku samo pomeraju napred-nazad u malim rastojanjima. Brzina naelektrisanja može biti veoma mala. A opet, bilo koje naelektrisanje u struji se može kretati brzinom svetlosti, mada u nekim materijalima može biti sporije.

Omov zakon[uredi - уреди]

Omov zakon predviđa da električna struja u idealnom otporniku ili nekom drugom rezistivnom (otpornom) elementu bude jednaka količniku električnog napona na elementu i električnog otpora:


I = \frac {U}{R}

gde je:

I električna struja, merena u amperima
U električni napon, meren u voltima
R je električni otpor u omima.

Konvencionalni smer struje[uredi - уреди]

Konvencionalni smer struje je definisan još na početku razvoja elektrotehnike kao jednak toku pozitivnog naelektrisanja. Odnosno, usvojeno je da struja uvek teče od pozitivnog pola izvora napona, ka negativnom polu. U čvrstim metalima, kao što su žice, pozitivna naelektrisanja su nepokretna, a samo negativna naelektrisanja teku u smeru suprotnom konvencionalnoj struji. Mada to nije slučaj u nekim ne-metalnim provodnicima. Električna struja u elektrolitima je tok naelektrisanih atoma (jona), koji mogu biti i pozitivno i negativno naelektrisani. Takav je slučaj prolaska struje kroz vodeni rastvor kuhinjske soli ili vode za piće koja prirodno sadrži u sebi rastvore različitih minerala, dok čista ili destilovana voda ne provodi struju jer ne sadrži u sebi jone. Takođe, zanimljiv je i primer, elektrohemijske ćelije koja može biti napravljena uz pomoć slane vode (rastvor natrijum hlorida) sa jedne strane membrane i sveže vode sa druge. Membrana dozvoljava prolaz pozitivnim jonima natrijuma, ali ne i negativnim jonima hlorida, tako da postoji električna struja kroz membranu. Električna struja u plazmi je tok elektrona kao i pozitivnih i negativnih jona. U ledu, i nekim čvrstim elektrolitima, tok protona stvara električnu struju. Pošto je očigledno da u različitim materijalima, struju čine različiti nosioci nealektrisanja, pa čak i u nekim materijalima postoji nekoliko različitih nosilaca naelektrisanja, koji mogu teći u različitim smerovima. Da bi se pojednostavila ova situacija zadržana je originalna definicija konvencionalnog smera struje.

Postoje i primeri gde su elektroni ti koji se pokreću, ali ima više smisla da se ta struja posmatra kao tok pozitivnih „elektronskih šupljina“ (nedostatak jednog elektrona u omotaču da bi atom bio neutralno naelektrisan). Ovo je slučaj kod poluprovodnika P-tipa.

Izvori[uredi - уреди]

Prilikom analize električnih kola, moguće je da pravi smer struje u nekom elementu kola nije poznat. Stoga, za struje sa nepoznatim smerom, usvaja se, proizvoljno, referentan smer. Nakon što se nađu stvarne vrednosti struja u kolu, pojedine struje mogu imati i negativne intenzitete. Dakle, za negativno dobijene struje, njihov pravi smer je suprotan od referentnog koji je usvojen pre rešavanja kola.

Elektromagnetizam[uredi - уреди]

Svaka električna struja stvara magnetno polje. Magnetno polje se može predstaviti zatvorenim kružnim linijama koji okružuju provodnik ili provodnike.

Električna struja se neposredno može meriti galvanometrom, ali ta metoda zahteva prethodno prekidanje kola, što je nepraktično u nekim slučajevima. Električna struja se ponekada može izmeriti i bez prekidanja kola, detektovanjem i merenjem magnetnog polja oko provodnika. Neki od takvih uređaja su senzori Halovog efekta, strujni transformatori i kalemi Rogovskog.

„Tečenje“ struje[uredi - уреди]

Struja zapravo ne teče, već samo naelektrisanja od kojih je električna struja sastavljena teku. Iako se u literaturi često sreće termin kako „kroz element kola teče struja intenziteta...“ to nije ispravna terminologija. Ispravnije je izraziti se: „struja kroz element kola' je intenziteta...“.

Povezano[uredi - уреди]

Vanjske veze[uredi - уреди]