Elektrotehnika

Uvod

Pronalaskom električne energije, pokrenulo je čitavu zemlju na jedan od najvećih naglih razvijanja. Tako npr. veliki napredak u industriji, uvelike povećana kvaliteta ljudi u domaćinstvima. Za mene je danas nezamislivo biti bez osobnog računala, a pogotovoonda i bez električne energije.

Povijesni razvoj elektrotehnike:
-1831. g. Michael Faraday dokazuje da se pomoću magneta može proizvesti električna struja.
-1879. g. Thomas Alva Edison – elektrana istosmjerne struje
-1888. g. Nikola Tesla – dvofazni sustav
-1890. g. Petrograd ima uličnu rasvjetu sa 66000 žarulja koje su se napajale iz 10 centrala istosmjerne struje.
Povijesni razvoj u hrvatskoj:
-1616. g. Faust Vrančić – opisao preteču vodene turbine
-1800. g. Franjo Domin – bavio se pitanjem elektriciteta u medicini i tehnici
-1882. g. Nikola Tesla – okretno magnetsko polje, više od 100 patentiranih izuma.
-1941. g. Franjo Hanaman sa Alexanderom Justom pronalazači žarulje s wolframovom niti.
-Bogoslav Šulek, Ante Šupuk, Ivan Šah, Oton Kučera, Stanko Plivelić, Ivan Paspa – graditelji izmjeničkog dvofaznog sustava Krka – Šibenik.ž

Važni pojmovi:

•Električna energija se u aparatima odnosno trošilima, koristi za obavljanje rada.
•Električna energija proizvodi se u izvorima.
•Električna energija se prenosi na velike udaljenosti.
•Vodiči - materijali koji omogućuju prolaz električne struje.
•Izolatori - ne provode električnu struju.
•U trošilima se pretvara u druge oblike energije vršeći korisne učinke.




Učinci električne struje:
•Toplinski
•Kemijski
•Magnetski

•Toplinski
–zagrijavanje vodiča;
–prolazak struje kroz otpor;
–prolaskom struje kroz bilo koji vodič stvara se toplina.
•Kemijski
–rastvaranje vodiča na sastavne dijelove;
–elektroliza;
–Elektroliti;
–vodiči druge vrste.
•Magnetski
–prolaskom struje kroz bilo koji vodič oko njega se stvaraju magnetske sile;
–magnetsko polje;
–nedjeljivo od električne struje.

Jakost električne struje:

•Uvjetuje učinak u električnim trošilima
••Matematički izraz:
I …jakost električne struje (A)
Q...količina elektriciteta koja je kroz vodič
prošla u vremenu t (As)
t ...vrijeme (s)
Jedinica za mjerenje jakosti električne struje je 1A (amper). To je ona količina elektriciteta,koja iz vodene otopine AgNO3 izluči u jednoj sekundi 1,1180 mg srebra.

1. Elektriziranje materije
Pri tumačenju najrazličitijih elektičnih pojava polazi se od modela atoma prema kojem postoji (pozitivna) jezgra oko koje se nalazi veći ili manji broj (negativnih) elektrona. U normalnim okolnostima atom je električki neutralan. Isto tako je neutralna i materija koja je sastavljena od velikog broja atoma (udruženih u molekule itd.). Ako se na neki način poremeti električna neutralnost, a to znači da se materiji oduzme dio elektrona dobivamo tzv. nabijena tijela. Onaj dio materije kojem su oduzeti elektroni postaje POZITIVAN, a onaj dio koji je preuzeo te elektrone postaje NEGATIVAN. Ustanovljeni su naboj i masa elektrona qe= -1,6•10-19 As; me=9,11•10-31 kg. Naboji se prilikom elektriziranja odnosno nabijanja materije samo RAZDVAJAJU. Od davnih vremena poznat je način nabijanja TRENJEM. Ako se naime dvije različite tvari taru, jedna postaje pozitivna (manjak elektrona), a druga negativna (višak elektrona u jednakom iznosu!). Npr. ako staklo taremo kožom (pogledajte ovdje) postati će pozitivno dok će plastika (PVC) ako je trljamo vunenom tkaninom postati negativno nabijena. Pokusima su dobiveni polariteti raznih parova tvari prilikom trenja. Važno je uočiti da se za razdvajanje naboja mora utrošiti energija. Sustav razdvojenih naboja sijelo je posebnog oblika energije. Osim trenjem, razdvajanje naboja može se ostvariti i na druge načine u izvorima električne energije ..
NABIJANJE DODIROM
Naboj dobiven trenjem može se "prenijeti" na metalni predmet koji je izoliran u prostoru. Npr. ako naelektriziranim PVC štapom dotaknemo (postružemo") po metalnoj kugli koja se nalazi na stalku od izolatora, kugla će postati negativno nabijena. Višak elektrona sa štapa "prelazi" na kuglu. Naboji na metalnim predmetima-elektrodama se rasporede po površini u vrlo tankom sloju. Površinska gustoća naboja ovisi o obliku površine elektrode. Općenito je veća tamo gdje je veća zakrivljenost (na šiljcima). Kod usamljene kugle naboj se rasporedi jednoliko.
Ako nabijeno metalno tijelo dovedemo u kontakt (dodirnemo) nenabijeno metalno tijelo dolazi do "podjele" naboja između ta dva tijela. Ako su jednaka, podjela će biti pola/pola. Inače manje tijelo dobiva naravno manju količinu naboja.
Dapače dio naboja sa nabijenog metalnog tijela možemo "uzeti" i prenijeti na drugo tijelo pomoću male kuglice koja se naziva kušalica. Kušalicom pri tom dotaknemo najprije nabijeno , a zatim ono drugo tijelo.
IZBIJANJE
Metalni predmet koji je nabijen tj. ima višak odnosno manjak elektrona možemo izbiti (učiniti ga električki neutralnim) spajanjem sa Zemljom . Ako se radi o manjoj količini naboja dovoljno je (i bezopasno) elektrodu dotaknuti rukom. Zemlja je u tom smislu veliko "skladište" naboja u koje ulaze odnosno izlaze elektroni.
ELEKTRIČNE SILE
Između nabijenih tijela dolazi do pojave sila. Raznoimeni naboji se privlače , a istoimeni odbijaju. Npr. dvije metalne pozitivno nabijene kuglice obješene na svilenim nitima (izolator) će se razmaknuti. Prostor u okolini nabijenih tijela može se smatrati poljem sila. Posebno je zanimljivo da se radi o silama koje djeluju na daljinu bez doticanja (slično kao gravitacijske sile). Treba voditi računa da je sila vektorska veličina tj. ima smjer i iznos. Električne sile nazivamo još i Coulombove sile.
INFLUENCIJA I POLARIZACIJA
Nabijena tijela djeluju silama i na električki neutralna tijela odnosno na naboje u tim tijelima. Taj utjecaj (influencija) ovisi o vrsti materije, koju u električnom smislu dijelimo na vodiče i izolatore. U vodljivoj materiji se naboji pod djelovanjem električnih sila pomiču tj. premještaju u novi raspored, dok se u izolatorima odigrava proces tzv. polarizacije u kojem se pomaci naboja odigravaju unutar atoma odnosno molekula. Pomakom naboja iz središta nastaje tzv. električki dipol. Jednostavno, dipol zamišljamo kao dva sitna naboja različita polariteta postavljena na razmak d. Električne sila nastoje dipol zakretati (ne premještajući ga). Os rotacije je na polovici razmaka d.
Jedna i druga pojava imaju utjecaj na ranije spomenuto polje sila. Nakupine (slojevi) naboja na vodljivom tijelu koji nastaju kada ga postavimo u blizinu nabijenog tijela nazivamo: influencirani naboji , dok u izolatoru nastaju nakupine: polariziranog naboja.
NABIJANJE INFLUENCIJIOM
Zanimljiva pojava nastaje kada nabijeni predmet približimo metalnom predmetu. Npr. trenjem nabijeni PVC štap približimo metalnoj kugli. Negativni naboji sa štapa odbijaju elektrone koji se mogu kretati po kugli. Elektroni tj. negativni naboji se sakupe na mjestu "što dalje od štapa". Bliže štapu ostaje pozitivan naboj. Dakle naboj na kugli se raspodjeli u dvije nakupine, ali je ukupan naboj na kugli nula. Kažemo kugla je električki neutralna. Ako sada uzemljimo kuglu negativan naboj ima "kuda otići" dok je pozitivan i dalje privučen negativnim štapom. Rezultat je taj da kugla ima manjak elektrona. Ako spoj sa Zemljom prekinemo a PVC štap odmaknemo, pozitivan naboj će se "raširiti" po površini kugle. Kugla ostaje pozitivno nabijena. Pažlivi čitatelj će primjetiti razliku od nabijanja dodirom. Naboj sa PVC štapa se u ovom slučaju NIJE "potrošio" , a to znači da sa istim štapom bez ponovnog trljanja možemo nabiti na jednaki način neki drugi metalni predmet. Sve što je rečeno možete zorno vidjeti na animaciji.

2. Coulombov zakon

Za elektrotehniku je bitna činjenica pojava sila među nabijenim tijelima. Tu činjenicu eksperimentalno je ispitao francuski istraživač Charles Augustin Coulomb (1785. godine) pa se često električne sile nazivaju Coulombove sile. Posebno konstruiranom napravom (torzionom vagom) Coulomb je uspio eksperimentalno dokazati da električke sile opadaju sa kvadratom udaljenosti naboja. Ovdje se uvodi pojam točkastog naboja. To je naboj koncentriran u nematerijalnu točku (slično je u fiziku uveden i pojam točkaste mase). Pri izvođenju pokusa točkaste naboje zamjenjuju metalne kuglice. Prostor u okolini nabijenog tijela može se smatrati poljem sila. Treba voditi računa da je sila vektorska veličina tj. ima smjer i iznos. Matematički se pojava električnih sila opisuje formulom poznatom pod nazivom: COULOMBOV ZAKON.



Ako su naboji u zraku (ili vakumu) konstanta proporcionalnosti u gornjoj formuli je k=1/4peo gdje je eo=8,854 •10-12 As/Vm (apsolutna dielektrička konstanta) . U praktičkoj primjeni formule uzima se da je k≈9 •109 Vm/As (lako se pamti !). Ne zaboravimo: sila je vektorska veličina tj. ima iznos i smjer... Iznos sile je jednak na svaki od naboja. Pod djelovanjem sila istoimeni naboji se razmiču (u nedogled) , a raznoimeni se približavaju....(nalete jedan na drugoga) .
U nastavku pogledajte simulaciju pokusa u kojoj dobivate graf ovisnosti Coulombove sile o međusobnom razmaku naboja. Desni naboj je pomičan. Ako su naboji jako blizu sila raste u nedogled. Ako se razmak smanji dvaput sila se poveća četiri puta. (tzv. zakon recipročnog kvadrata).
Naboji i na udaljenosti r u sredstvu dielektričnosti međusobno djeluju silom:
,
, - naboj izražen u jedinicama coulomb, a oznaka jedinice je C
– udaljenost
- relativna dielektričnost sredstva, bezdimenzionalna veličina. U vakuumu je .
- dielektričnost vakuuma
3. Elektroskop i elektrometar

To su instrumenti za različita mjerenja u pokusima iz elektrostatike. Postoje dvije izvedbe 1. sa listićima i 2. sa kazaljkom (elektrometri). Dijelove i konstrukciju jednog elektrometra pogledajte na slici desno. Promjer metalnog kučišta je oko 20 cm. Sa strane je kučište zatvoreno staklom kako bi se spriječio ulaz prašine.
Kazaljka se zakreće zbog djelovanja elektrostatskih odbojnih sila među nabojima koji su raspoređeni na kazaljci i nosaču kazaljke. Ovisno o količini naboja mijenja se otklon (maksimalni otklon je sa oko 20 nAs-elektroskop sa listićima je osjetljiviji tj. reagira na manje iznose naboja). Skala je nelinearna. Instrument treba umjeriti-baždariti.. Može se umjeriti za mjerenje naboja ili napona. Maksimalni otklon je za oko 4 kV. Na skali se upisuju vrijednosti naboja ili napona. Ustvari je ovaj instrument kondenzator za koji vrijedi relacija Q=C•U. (kapacitet elektrometra je oko 5 pF).
Dva su načina nabijanja:direktnim prenošenjem naboja i influencijom.
Najjednostavniji postupak elektriziranja materije je trenje. Ako npr. kožom natrljamo stakleni štap taj štap postaje pozitivno nabijen, a to znači da na povrsini štapa postoje mjesta na kojima "nedostaju" elektroni koji su "otišli na kožu. Sa tako naelektriziranim štapom možemo nabiti elektrometar odnosno metalnu elektrodu.
Proces nabijanja prikazan je na ovoj animaciji. Razmatramo tri slučaja: 1. elektrodi elektrometra samo približimo nabijeni štap, 2. elektodu dotaknemo, 3. po elektrodi povučemo nabijeni štap. U prvom slučaju dolazi do razdvajanja naboja na elektrodi (influencija), ali nakon udaljavanja štapa elektroda nije nabijena. U drugom i trećem slučaju elektroda se nabije (jače u slučaju 3). . Pozitivni naboji su crveni, a negativni plavi. Odaberite način nabijanja,a zatim kliknite na tipku kreni. Promatrajte što se događa s nabojima na štapu odnosno elektroskopu.




4. Električni kapacitet vodiča:

Q – naboj koji se nalazi na vodiču
U - potencijal
Jedinica za kapacitet je farad, a oznaka jedinice je F. .
Kapacitet pločastog kondenzatora površine ploča S i razmaka među pločama d je
, .
Električno polje unutar pločastog kondenzatora je homogeno, jakosti:

Energija električnog polja kondenzatora jednaka je:
.

5. Električno polje i potencijal
Električni potencijal φ na udaljenosti r od točkastog naboja Q iznosi:

Napon U je razlika električnog potencijala u dvjema točkama. Napon također možemo definirati kao rad W potreban za prenošenje naboja q iz jedne točke u drugu, podijeljen s iznosom naboja.

Potencijalna energiji naboja u elektrostatskom polju iznosi:

Jakost električnog polja na udaljenosti r od točkastog naboja Q iznosi

Naboj q u električnom polju jakosti E osjeća silu

Jedinica za potencijal i napon je volt, a oznaka jedinice je V. .
Jedinica za električno polje je .