001 Skripta Radionicke II

radioničke vježbe II

IZVORI ELEKTRIČNE ENERGIJE

ELEKTRIČNI NAPON

Električni napon definira se kao razlika potencijala između dvije točke. Napon se označuje s U, a osnovna mjerna jedinica je 1V (volt). Napon nastaje kao posljedica različite raspodjele naboja u nekom materijalu. Na jednoj strani se nalazi višak elektrona, a na drugoj strani manjak elektrona. Ta činjenica u kojoj imamo višak na jednoj, odnosno manjak elektrona na drugoj strani, predstavlja u stvari različite tlakove na jednoj i drugoj strani istog materijala. Znači, napon je nastao kao posljedica razdvajanja naboja, a težnja za izjednačavanjem tih naboja je praktično napon.

Električni napon se može proizvesti na više načina:

• trenjemTrenjem dviju umjetnih tvari (materijala) nastaje razdvajanje naboja, odnosno stvaranje napona.

• gibanjem magneta i zavojniceGibanjem vodiča u magnetskom polju stvaraju se na krajevima vodiča različiti naboji i tako nastaje napon.

• tlačenjem ili razvlačenjem kristalaDjelovanjem mehaničke sile na neke materijale koji imaju kristaličnu strukturu također nastaje napon i to na krajevima tog kristala /kvarc, kremen i slično/. Tako proizveden napon ovisi o veličine mehaničke sile s kojoj djelujemo na kristal.

• napon proizveden uz pomoć toplineNapon može nastati ako spojimo dva različita metala /kovine/ te ih zagrijavamo na spojnom mjestu. Veličina tako dobivenog napona na krajevima metala ovisi o veličini temperature.

• svjetlosni proizveden naponDjelovanjem svjetlosti na pojedine materijale dolazi do razdvajanja naboja u tim materijalima, odnosno stvaranja određenog napona.

• napon dobiven kemijskim procesomAko se u elektrolitsku otopinu urone dva vodiča koji su izrađeni od različitih metala, doći će stvaranja električnog napona na krajevima tih vodiča.Napon dobiven nekom od gore navedenih metoda se može izmjeriti koristeći instrument koji se naziva voltmetar. On se spaja na krajeve izvora, odnosno na točke između kojih želimo vidjeti kolika je razlika potencijala.

Po vremenskoj karakteristici napon može biti:

• istosmjerni

• izmjenični

• složeni

1


ELEKTRIČNA STRUJA

Ako na krajeve nekog naponskog izvora priključimo vodič i trošilo doći će do gibanja naboja /elektrona/ sa mjesta veće koncentracije naboja ka manjoj koncentraciji naboja. To gibanje elektrona nastaje kao posljedica težnje za izjednačavanjem naboja, a predstavlja električnu struju. Može se dakle reći da je struja usmjereno gibanje naboja.

Veličina protoka naboja naziva se jakost struje i izražava se osnovnom jedinicom 1A (amper), a oznaka za struju je I. Instrument s kojim možemo izmjeriti jakost struje naziva se ampermetar i priključuju se serijski sa trošilom kroz koji želimo provjeriti jakost struje.

Vrste električne struje zavise od svog uzroka nastanka, odnosno zavise od napona koji je proizveo struju te možemo također govoriti o istosmjernoj, izmjeničnoj ili pak o složenoj vremenski ovisnoj vrsti struje.

Gibanjem naboja, odnosno nastankom struje proizvode se različiti učinci na materijale i okolinu kroz kojih ta struja i teče. Neki od učinaka električne struje su:

• toplinski učinak

Svako protjecanje struje kroz određeni materijal ima za posljedicu zagrijavanje tog materijala. To svojstvo se koristi za izvedbu termičkih aparata /grijalice i slično/.

• kemijski učinak

Pri prolasku struje kroz električni vodljive, ali nemetalne materijale /tekućine/, one će se razgraditi, odnosno dijelovi tekućine će se odvajati na jednu i na drugu stranu naponskog izvora /primjena: elektroliza/.

• magnetski učinak

Prolaskom struje kroz vodič, oko vodiča nastaje magnetsko polje. Ova činjenica iskorištena je za izvedbu električnih strojeva /motori i sl./ i nekih električnih komponenti /releji, sklopke itd./.

• svjetlosni učinak

Foto osjetljivi materijali su takovi materijali koji pri prolasku struje kroz njih, daju određenu svjetlost.

• fiziološki učinak

Fiziološki učinak struje nastaje pri prolasku struje kroz tijelo čovjeka ili nekog drugog živog bića. Posljedice su uglavnom grčenje mišića, a mogu nastati i smrtne posljedice ovog djelovanja. Naravno u medici se dijelom i ovaj utjecaj koristi kao pozitivni efekt za određeno doziranje pri liječenju.

2


Električni strujni krug

Električni strujni krug sastoji se od:• izvora• vodiča• trošila

Izvor električne energije je naponski izvor koji je nastao pretvorbom neke energije u električnu. Trošilo tu električnu energiju pretvara opet u neku drugu energiju. S obzirom da je u trošilu došlo do pretvorbe energije možemo reći da je trošilo u stvari neki pretvarač energije. Vodiči prenose energiju iz izvora do trošila. Pri prolasku struje kroz vodiče i trošila dolazi do određene smetnje prolasku elektrona, a ta smetnja se naziva električni otpor. Električni otpor R mjeri se jedinicom Ω (ohm).

/Njemački fizičar Georg Simon Ohm 1787. –1854./Omski otpor određenog vodiča ili trošila definiran je odnosom napona i struje. Ta relacija naziva se Ohmov zakon.

I

UR =

Pogledajmo sada odnos struje i napona u jednostavnom strujnom krugu, ako postavimo otpor R na jednu vrijednost, odnosno R=konstantno i iznosi 10Ω.

Pogledajmo sada grafički strujno-naponsku karakteristiku sa vrijednostima iz tablice.

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50

U/V/

I/A/

R= konstantno

Zadatak: Nacrtati I-U karakteristiku uz R=100Ω

U /V/ I /A/10 120 230 340 450 5

3


Osim strujno-naponske karakteristike, kod koje je otpor stalan (konstanta), možemo prikazati i karakteristiku struje ovisnu o otporu pri kojoj napon ostaje isti. U našem slučaju napon je U=10V.

R /Ω/ I /A/10 120 0,530 0,33340 0,2550 0,2

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

10 20 30 40 50

R/ohm/

I/A

/

U= konstantno

Zadatak: Nacrtati I-R karakteristiku uz U=25V

4


Sklopovi električnih otpornika

Serijski spoj otpornika

U serijskom spoju otpornika spojeni su sastavni dijelovi otpornika u nizu jedan iza drugoga, odnosno na naponski izvor priključuje se početak prvog otpornika i kraj zadnjega otpornika.

R=R1+ R2+ R3

Ostale karakteristike ovakvog spoja su:

• ukupni otpor tako stvorene kombinacije jednak je zbroju svih vrijednosti pojedinačnih otpornika

• ukupni otpor veći od svakog pojedinačnog otpornika.

• kroz sve otpornike teče ista struja

• napon izvora se raspodjeljuje na sve pojedinačne otpornike

• vrijednost napona na svakom otporniku razmjeran je veličini otpornika

• ovakav električni krug naziva se petlja, a relacije i karakteristike te petlje opisane su Kirchoff-ovim zakonom.

II Kirchoffov zakon glasi:Ukupni napon u takvom strujnom krugu jednak je zbroju svih pojedinačnih napona

U=U1+ U2+ U3

/Njemački fizičar Gustav Kirchoff 1824. –1887./

Zadatak: Naći rješenje za serijski spoj otpornika istih vrijednosti ako ih ima ukupno n=20

5


Paralelni spoj otpornika

Kod ovog spoja otpornici /trošila/ se spajaju na izvor sa oba priključka, odnosne obe priključne točke svakog otpornika spojene su na izvor. Iz takvog načina spajanja možemo zaključiti slijedeće:

• ukupna recipročna vrijednost otpora takve paralelne kombinacije jednaka je zbroju svih recipročnih vrijednosti pojedinih otpora

• ukupni otpor manji je od svakog pojedinačnog otpornika

• na svim otpornicima se nalazi isti napon

• kroz svaki otpornik teče različita struja, a veličina te struje ovisi o veličini otpora

• točke spajanja pojedinih otpornika nazivaju se čvorišta

Ukupni otpor jednak je:

321 R

1

R

1

R

1

R

1 ++=

Zakon koji opisuje čvorišta i raspodjelu struja u tim čvorištima s obzirom na njihov smjer, naziva Kirchoff-ov zakon I:

I Kirchoffov zakon glasi:Struje koje ulaze u jedno čvorište jednake su strujama koje izlaze iz tog čvorišta.

I=I1+ I2+ I3

Zadatak: Naći rješenje za paralelni spoj, po vrijednosti istih otpornika, a za broj otpornika n=5

6


Kombinirani /složeni/ spoj otpornika

Spoj otpornika kod koga imamo kombinaciju paralelnog i serijskog spoja naziva se kombinirani ili složeni spoj. Kod ovog spoja koristimo se poznatim karakteristikama i znanjima paralelnog i serijskog spoja kako bi riješili ukupnu kombinaciju otpornika.

Postupak rada na pojednostavljenju kombiniranog spoja zavisi o vrsti spoja i broju otpornika u tom spoju.

• Otpor paralelne kombinacije iznosi:21

2112 RR

RRR

+⋅=

• Ukupni otpor računamo: 312 RRR +=

• Ukupnu struju računamo koristeći Ohmov zakon:R

UI =

• Napon na otpornicima R1 i R2 dobijemo: 1212 RIU ⋅=

• Struju kroz R1 i struju kroz R2 odredimo:1

121 R

UI = , odnosno

2

122 R

UI =

Zadatak: Riješiti kombinaciju otpornika /ukupni otpor, struje i padove napona/ za kombinaciju na slici ako su poznati:

U=40 V, R1=10Ω, R2=40Ω i R3=12Ω

7


Raspodjela potencijala unutar strujnog kruga

Kod spoja otpornika u seriju, odnosno u kod jedne petlje, broj otpornika može biti različit. Isto tako broj izvora može biti različit. Opis i karakteristike jedne petlje definirane su II. Kirchoff-ovim zakonom, koji naravno vrijedi bez obzira na broj izvora u nekoj petlji. Na slici ispod prikazana je petlja s četiri izvora i šest otpornika.

Za ovaj strujni krug vrijedi da je zbroj napona izvora po svom smjeru jednak zbroju padova napona na pojedinim otpornicima, odnosno vrijedi slijedeća relacija:

6R5R4R3R2R1R4321 UUUUUUUUUU +++++=−++

S obzirom da se radi o jednoj petlji, imat ćemo samo jednu struju I te vrijedi:

6543214321 RIRIRIRIRIRIUUUU ⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=−++

Ako su poznate vrijednosti napona izvora i otpornika možemo izračunati struju:

)RRRRRR(IUUUU 6543214321 +++++⋅=−++

654321

4321

RRRRRR

UUUUI

+++++−++=

Znači, u ovoj petlji teče jedna struja I kao posljedica razlike potencijala, a raspodjela potencijala se može analizirati ako promatramo točke na petlji postavljene na spojnim mjestima između pojedinih otpornika i izvora.

Točke smo označili od A do J i pri analizi raspodjele potencijala, odredi se po volji jedna točka od koje polazimo i za nju kažemo da je njezin potencijal jednak nuli. U našem slučaju je to točka A.

Ako je 4321 U)UUU( >++ , onda je smjer struje prikazan crvenom strelicom na shemi ispravan i u tom slučaju računamo potencijale:

8


A. 0UA =

B. 2AB RIUU ⋅+=

C. 2BC UUU −=

D. 1CD RIUU ⋅+=

E. 1DE UUU −=

F. 6EF RIUU ⋅+=

G. 5FG RIUU ⋅+=

H. 4GH RIUU ⋅+=

I. 4HI UUU +=

J. 3IJ RIUU ⋅+=

A. 3JA UUU −=

Zadatak: Odrediti razdiobu napona u strujnom krugu s obzirom na referentnu točku.

9

Documents

001 Skripta Radionicke II