Vremenski konstantne električne struje

Uvod
Električnom strujom, u širem smislu, naziva se svako sređeno kretanje električnih opterećenja, bez obzira na uzroke ovog kretanja i na vrstu električnih opterećenja koja učestvuju u ovom kretanju. Električna struja može se obrazovati u čvrstim, gasovitim sredinama, pa čak i u vakuumu. Pokretljiva naelektrisanja koja mogu obrazovati električnu struju su elektroni i pozitroni i negativni joni.
U čvrstim telima, a posebno u veoma važnoj kategoriji koju čine metalni provodnici, slobodno pokretljiva naelektrisanja su elektroni, odnosno negativna elementarna naelektrisanja. To su tzv. elektroni provodljivosti, koji pripadaju spoljašnjoj elektronskoj ljusci i koji su kod provodnika vrlo labavo vezani za matične atome i molekule.
Od tečnih sredina u kojima se može obrazovati elektrilna struja posebno su značajni elektroliti. Slobodno pokretljiva naelektrisanja u elektrolitima su joni, pozitivni i negativni.
Pod određenim uslovima i u gasovima, koji su po pravilu dobri izolatori, može doći do pojave električne struje. Primer za ovo su neonske cevi i fluoroscentne svetiljke. Slobodno pokretljiva naelektrisanja u ovom slučaju su pozitivni i negativni joni i elektroni.
Električna struja se može obrazovati i u vakuumu, ako se na pogodan način obezbedi prisustvo slobodnih elektrona.
S obzirom na vrstu pokretljivih opterećenja koja učestvuju u pojavi električne struje, struje se mogu podeliti na elektronske i jonske.
Imajući u vidu praktičan značaj i potrebe, mi ćemo se isključivo baviti strujama koje su nastale pod dejstvom električnog polja, i to najviše onima u čvrstim provodnicima. Ova vrsta struje naziva se kondukcionim strujama.
Potreban, ali ne i dovoljan, uslov za nastanak i održavanje električne struje je postojanje slobodno pokretljivih opterećenja. Iako nije jedini, daleko najvažniji i najčešći agens ove vrste je električno polje. Pod dejstvom sila toga polja, pokretljiva elementarna naelektrisanja sređeno se kreću i obrazuju električnu struju.
Da bi struja ima stacionarni karakter (veličine koje karakterišu strujno polje nepromenjive su u vremenu) i električno polje mora biti stacionarno. Između elektrostatičkog i stacionarnog električnog polja postoje bitne razlike:
- Stacionarno električno polje egzistira i u unutrašnjosti provodnika (elektrostatičko polje ne postoji u unutrašnjosti provodnika);
- Za održavanje stacionarnog polja neophodan je stalan utrošak, odnosno dovođenje energije sistemu - jer stacionarno polje neprestano vrši rad pomerajući pokretna električna opterećenja. posredstvom strujnih izvora ili generatora, koji druge vidove energije ili rada transformišu u električni rad)
Sličnosti i razlike između stacionarnog i statičkog električnog polja mogu se ustanoviti na sledećem primeru:


slika 1
Neka se elektrode ravnog kondenzatora nalaze u vakuumu. U prostoru između elektroda postoji statičko električno polje, a između elektroda potencijalna razlika U=V1–V2, gde su V1 I V2 potencijali elektroda u odnosu na proizvoljnu referentnu tačku. Rad koji je izvršen prilikom naelektrisavanja elektroda, transformisao se u energiju elektrostatičkog polja.

Dok između elektroda nema provodne veze, sistem ostaje u stanju elektrostatičke ravnoteže. Ako se, unošenjem neke provodne materije između elektroda formira provodan put (šrafirana kolona na slici) pod dejstvom električnog polja uspostaviće se električna struja. Kao rezultat ovih pomeranja dolazi do neutralizacije opterećenja na elektrodama i do iščezavanja električnog polja. U procesu rasterećivanja elektroda potencijalna energija elektrostatičkog polja prvo se transformiše u rad sila polja (koji su ovo izvršile pomerajući pokretna opterećenja), a zatim u toplotnu energiju (zbog sudara pokretnih opterećenja sa nepokretnim česticama provodne supstance).
Dakle, samo elektrostatičko polje, koje potiče od proizvoljno raspodeljenih naelektrisanja, ne može održavati trajnu, stacionarnu struju u provodnoj sredini.
Može se posmatrati i analogni hidromehanički sistem, prikazanom na slici. Prikazana su dva suda u kojima se nalazi tečnost na različitim nivoima H1 i H2 u odnosu na neki referentni nivo. Razlika nivoa H=H1-H2 je mera potencijalne energije tečnosti u levoj posudi u odnosu na nivo u desnoj posudi. Ova razlika odgovara potencijalnoj razlici između elektroda, u električnom primeru. Ako se dve posude spoje pomoću cevi, i sistem prepusti sam sebi, u cevi će početi da struji tečnost promenjivom brzinom uz istovremeno smanjivanje razlike nivoa H sve dok se nivoi u dvema posudama ne izjednače. Tada prestaje strujanje tečnosti. Dakle, kao i u slučaju elektrostatičkog polja samo gravitaciono polje ne može održavati stacionarni tok tečnosti. Da bi se u spojnoj cevi održalo stacionarno strujanje, konstantnom brzinom v, neophodno je razliku nivoa tečnosti u sudovima održavati konstantnom.
Potpuno analogno za električni sistem važi da struja u provodnoj vezi između elektroda može biti stacionarna samo ako su ispunjena sledeća dva uslova:
a) Sistem mora biti deo zatvorenog strujnog kola formiranog od provodnika;
b) U kolu mora biti uključen električni uređaj, koji kontinualno potiskuje prispele elektrone provodnosti sa pozitivne na negativnu elektrodu, održavajući stalnu potencijalnu raziku na svojim priključcima (ovakvi uređaji se nazivaju strujni izvori ili generatori).
Prateći efekti električne struje.
Zagrevanje provodnika je jedan osnovnih i odavno poznatih efekata električne struje. Ova pojava je poznata pod imenom Džulovog efekta, po imenu engleskog istraživača iz 19. veka, koji je ustanovio osnovni zakon održanja energije - prvi zakon termodinamike (James Prescott Joule, 1818-1889). Elementarna pokretljiva naelektrisanja, krečući se kroz provodnu sredinu, predaju svoju stečenu kinetičku energiju česticama provodnika i tako povećavaju njegovu termičku energiju. Makroskopski gledano, kretanje elektriciteta kroz provodnik povezano je sa nekom vrstom “električnog trenja”. Osobina provodnika i uopšte drugih materijala da se silama trenja suprotstavljaju prelasku elektriciteta naziva se otpornošću provodnika.
Hemijski efekat je drugi prateći efekt električne struje. Za razliku od toplotnog efekta, koji je manje ili više uvek prisutan i povezan sa pojvaom električne struje, henijski efekt dolazi do izražaja samo u posebnoj vrsti provodnika koji se nazivaju elektroliti ili provodnici druge klase. U elektrolite spadaju vodeni (i neki drugi) rastvori kiselina, baza i soli, kao i rastopine nekih soli. Po uspostavljanju struje, pozitivni joni kreću se kroz elektrolit u smeru električnog polja, a negativni u suprotnom smeru. Po pristizanju jona na elektrode vrši se neutralizacija jona i izdvajanje supstance, koje je često praćeno sekundarnim hemijskim reakcijama. Ovaj proces naziva se elektroliza, i on ima veoma značajne primene u elektrohemiji.
Magnetni efekti su najznačajniji efekti električne struje. U okolini provodnika u kojima ima električne struje opažaju se sledeće pojave:
- feromagnetni predmeti i stalni magneti podvrgnuti su dejstvu mehaničkih sila (magnetna igla ima tendenciju da se postavi u određeni položaj);
- provodnik sa strujom, kada se nalazi u blizini drugog provodnika, podvrgnut je dejstvu mehaničkih sila (koje se nazivaju elektromagnetne sile);
- u provodniku koji se kreće u blizini drugog provodnika sa strujom indukuje se elektromotorna sila;
- ako je električna struja promenjiva u vremenu, u bliskim nepokretnim i pokretnim zatvorenim konturama indukuju se vremenski promenjive elektromotorne sile i struje.

Sadržaj:
Uvod 3
Šematsko predstavljanje električnih kola i njegovih elemenata 6
Omov zakon 8
Džulov zakon 10
Elektricni generator I eloktromotorna sila 11
Idealni naponski generator 12
Realni naponski generator 12
Prosto električno kolo sa idealnim generatorom 13
Prosto električno kolo sa realnim generatorom 14
Realni i idealni strujni generatori 14
Vezivanje otpornika I ekvivalentna otpornost 17
Literatura 20