v6

Elektrina struja

1. Elektrina struja

KLJUNI POJMOVI izvor elektrine energije, troila, spojne ice vodi, izolator toplinski, svjetlosni, magnetski i kemijski uinci serijski i paralelni spoj, troila magnetski polovi, magnetska sila, elektromagnet elektriziranje trljanjem, elektrini naboj (Q), kulon (coulomb, C), elektrina sila nositelji naboja, elektroni, ioni elektrina struja (I), amper (A) elektrini napon (U), volt (V) inducirani elektrini napon, elektromagnetska indukcija rad elektrine struje, snaga elektrine struje, dul (J, vat) elektrini otpor, om (ohm, ), stalni otpor, osigura

7Osmai jedva ekaju da se oglasi elektrino zvonce za kraj sata. No ono nikako da zazvoni! Nema struje. Filip je naglas dobacio da e odmah

ii po domara da popravi struju jer to zaista nema

nikakva smisla: zato to sat nije zavrio na vrijeme,

morao je izraditi jo jedan zadatak vie s Ohmovim

zakonom. A on ba s amperima, kulonima, voltima

i omima ne stoji najbolje. Dora mu je dobacila

neka mu se upali lampica pa neka rijei jo neki

problem. I odjedanput je zazvonilo ali za poetak

novoga sata. Filip se opet ljutio. Pa zar je tako brzo

stigla struja?!

UVODNA PRIA

v8

Elektrina struja

Prisjetite se elektrinih ureaja kojima ste se sluili: elektrino suilo, glaalo, toster. Koju energiju troe?

Znate li upaliti aruljicu? Pokuajte to moete uiniti s jednom baterijom i jednom aruljicom (sl. 3).

Kako ste spojli bateriju i aruljicu da bi njome potekla struja? Koje ste dijelove prislonili jedan uz drugi?

Nainite pokus za koji vam treba baterija, aruljica i spojne ice. Izvedite strujni krug kao na slici 2.

Sl. 1. Nona rasvjeta

izvor elektrine energije

troila

spojne ice

Strujni krug sainjen je od izvora, troila, preklopnika i spojnih ica. To su elementi jednostavnoga strujnog kruga.

Spojite bateriju s preklopnikom i aruljicom tako da pojedine elemente poveete spojnim icama. aruljica je troilo.

Kad e aruljica zasvijetliti?

Kako aruljica ne bi stalno svijetlila, koristimo preklopnik (prekida ili sklopka). Da bi aruljica zasvijetlila, potrebno je ukljuiti preklopnik. Ukljuujemo ga prema potrebi. Baterija je izvor elektrine energije.

Kako biste najjednostavnijim crteom prikazali strujni krug? Od kojih je elemenata sainjen ovaj strujni krug?

POKUS

Moete li prepoznati oznake elemenata strujnoga kruga?

spojna ica arulja baterija preklopnik preklopnik otvoren zatvoren

Sl. 5.

Sl. 3.

Sl. 2. Strujni krug

baterija

aruljica

+ -

Sl. 4.

- +

1.1. Strujni krugi njegovi elementi

izvorenergije

spojne ice

preklopnik troilo

9Strujni krug i njegovi elementi

Sl. 6. Raunalo Sl. 7. Tramvaj Sl. 8. Baterija

Sl. 9.

Troila

U troilu elektrina energija prelazi u druge oblike. Struja prolazi kroz raunalo (sl. 6.) i raunalo se grije. Struja pokree tramvaj (sl. 7.). Kad troilo iskljuimo, strujni krug je otvoren. Kad struja tee kroz troilo, strujni krug je zatvoren.

Izvori elektrine energije

Koje sve izvore poznajete? Elektrinu struju potie izvor elektrine energije. Ba-terija je izvor za svjetiljku (sl. 8.), za mobitel, za daljinski televizijski upravlja. Jeste li vidjeli automobilski akumulator?

Ima li struja smjer?

U kojemu smjeru tee elektrina struja s koje strane ulazi struja u troilo? Na to morate paziti kad bateriju umeete u fotoaparat?

Ispitajmo to na bateriji.

Na svakoj su bateriji oznake + i . One oznauju pozitivni i negativ-ni pol baterije. Krugom tee struja od + pola prema polu (sl. 9.).

Izvori kao to je baterija potiu tok struje samo u jednomu smjeru; to je istosmjerna struja.

Ponovimo!

1. Jednostavni strujni krug je spoj baterije (izvora elektrine energije), preklopnika i arulje (troila), meusobno povezanih spojnim icama (elektrinim vodovima).

2. Elektrina troila su ureaji koji elektrinu energiju pretvaraju u

neki drugi oblik energije. arulja elektrinu energiju pretvara u unutarnju i svjetlosnu energiju.

3. Elektrina baterija izvor je elektrine energije. Baterija ima dva pola ili prikljuka. Jedan je pol pozitivan (+), a drugi je negativan ().

strujni krug

otvoren

zatvoren

+ pol

pol

- +

+

vElektrina struja

10

Elektrini strujni krugovi postoje u svakoj ivoj stanici. Bez elektrine struje na mozak ne bi mogao ra-diti. Uinak do kojega katkad do-vedu elektrini izvori u ivotinja mogu vas veoma iznenaditi. Po-stoje ribe koje strujnim udarom omamljuju plijen ili se brane.

ZANIMLJIVOST

Sl. 10. Elektrina jegulja Sl. 11. Elektrini som

Odgovorite!1. Prepoznajete li koji je od strujnih krugova zatvoreni, a koji otvoreni?

Sl. 12.

2. Navedite nekoliko troila elektrine energije (sl. 13.). 3. Koji od ureaja na slici ne koriste baterije, ve su prikljueni na

gradsku mreu?

IstraitePrikupite podatke o razliitim baterijama, po ob li ku, veliini, koje koristite u mo-bitelima, daljinskim upravljaima, digitalnim fo to aparatima, runim svjetilj kama... Uoite to na njima pie. Nainite poster o tome.

Stare baterije odlaite u kutije za oporabu baterija!Sl. 15.

Uinite kod kue

Rastavite baterijsku svjetiljku i upalite aruljicu tako da ju spojite izrav-no na baterijske izvode. Kako morate spojiti?

Sl. 13.

- +- +

11

POKUS 2

POKUS 1

Elektrini vodii i izolatori

1.2. Elektrini vodii i izolatori

vodi

izolator

vodljivost

elektrolit

Sl. 17. Pokus sa strujom kroz elektrolit

Ve ste uoili da su spojne ice razliitih boja. Razmislite zato sve spojne ice imaju plastini omota. Jeste li upotrebljavali neke alate koji imaju dijelove obloene gumom ili plastikom?

Zamislite pokus kojim biste istraili koja tvar bolje vodi elektrinu struju. Znate li provjeriti elektrine vodie i izolatore?

Sl. 15. Je li ljudsko tijelo vodi elektrine struje?

to zakljuujete? Neke tvari bolje vode struju, neke slabije. Prisjetite se, to ste u 7. razredu saznali o voenju topline.

Koja tvar dobro vodi i toplinu i struju, eljezo ili staklo? Toplinska vodljivost moe se kod tvari usporediti s njihovom elektrinom vodljivou. Najee tvari ko je bolje vode toplinu, bolje vode i elektrinu struju.

U jednostavnom strujnom krugu sa aruljicom jednu bakrenu spojnu icu zamijenite elinom icom, grafitnim tapiem, plastinim ravna-lom, drvetom, staklom, komadom krumpira (sl. 16.).

Promatrajte, svijetli li aruljica. to znai ako ne svijetli? Struja ne tee.

Pretpostavljate kada e aruljica jae svijetliti: kada je jaa struja.

Koja je tvar najbolje provodila struju? Sl. 16.

Moe li voda provoditi elektrinu struju?Provjerimo pokusom.

Nikada ne dirajmo elektrini vodi koji nije izoliran!

Istraimo tee li struja kroz istu, destiliranu vodu. Spojimo strujni krug prema slici 18. U au s vodom stavljamo dvije bakrene ploice i spojimo ih u strujni krug. Destilirana voda pokazuje se dobrim izolatorom.

Zatim u vodu uspimo licu kuhinjske soli. Odmah e aruljica zasvijetliti. Slana voda elektrini je vodi iako vodi slabije, nego bakrena ica. Otopina koja vodi elektrinu struju naziva se elektrolit.

Umjesto soli, iskuajmo kakav je vodi voda s dodanim octom ili limunovim sokom. Sl. 18.

11

elektrina vodljivostelektrolit

- +

- +

voda i sol

v12

Elektrina struja

Je li ljudsko tijelo vodi elektrine struje? Ima li vode i soli u ovjejemu organizmu? Naravno da ima. Zato golim rukama ne smijemo dirati elektrine vodove! Tijelo moe stradati i od munje .

Tvari koje dobro vode struju zovemo vodiima,a koje ne vode struju izolatorima.

Ponovimo!1. Vodii su tvari koje imaju dobru

elektrinu vodljivost.2. Elektrina vodljivost je svojstvo

tvari da provodi elektrinu struju.

3. Tvari koje ne provode elektrinu struju su izolatori.

4. Elektrini izolatori slue za zatitu od elektrine struje.

5. Vodena otopina soli je elektrini vodi.

6. Elektroliti su vodene otopine soli, kiselina ili luina, koje pro-vode elektrinu struju.

Odgovorite!1. Jesu li za uporabu jednako kori-

sni vodii i izolatori? Zato su elektrine ice presvuene plastinim omotaem (sl. 20.)?

2. Objasnite zato svi dijelovi elektrinih instalacija u kuan-stvima, uredima, poduzeima, tramvajim, trajektima, zrakoplo-vima moraju biti izolirani.

4. Navedite po tri tvari koje su elektrini vodii i one koje su izolatori.

5. Promislite kako ete destiliranu vodu uiniti vodiem. U bilje nicu dopunite crte (sl. 21.), zatvore-nim strujnim krugom.

7. Zato elektriari nose cipele s gumenim potplatom?

U svakodnevnomu ivotu elektrini vodii i izolatori imaju veliku primjenu.

Elektriari koriste metalna klijeta (sl. 19.), ije su ruice izolirane plastinom ovojnicom. Probni izvija ima plastini dra.

elektrini vodii

metali: srebro, bakar, zlato,aluminij, eljezo

grafit luine kiseline vodene otopine soli

Tablica 1.1.elektrini izolatori

guma plastika staklo keramiki materijali drvo ista, destilirana voda

Sl. 19. Izolirana klijeta

POZOR! Ne dirajte elektrine vodove koji nisu izolirani! Ne dodirujte utinice!Radio ukljuen u mreu, elektrina grijalica ili suilo za kosu, ne smiju u kupaonici biti u blizini vode.

Mnogo nesrea zbilo se zbog otvorenih elektrinih vodova u kuhinji i u kupaonici.

Sl. 20. Presjek vodia presvuenog plastinom ovojnicom

Sl. 21. Pokus

to usuti?

13

Spajanje troila u strujnome krugu

Pokuajte u jednostavnomu strujnom krugu spojiti tri aruljice da svijetle to jae. Na koje sve naine biste ih spojili? Nacrtajte u biljenicu i opiite to opaate. Ima vie naina kako se strujni krugovi sklapaju od pojedinih elemenata.

Serijski spojJeste li sve tri aruljice spojili u nizu? Ako ste ih tako spojili, uinili ste serijski spoj elemenata kruga. Spajali ste ih u niz zajedno s izvorom energije (sl. 25. i 26.).Kod serijskoga spajanja ista struja prolazi kroz sve elemente. Elektrina energija raspodjeljuje se na vie elemenata.

Ima li vie troila, svako troilo iskoristi manji dio energije. to opaate, kako svijetle aruljice u nizu? Uoili ste da arulje svijetle slabije kad ih je vie u nizu.

to e se dogoditi ako iskljuite samo jednu aruljicu?Iskljuenje jednoga troila, znai prekid (otvaranje) strujnoga kruga. Moda vam se to dogodilo kod aruljica na boinomu drvcu.Pokuajte izvesti takav spoj da sve aruljice svijetle jednako jako? To je paralelni spoj.

Paralelni spojSpojimo troila paralelno (usporedno). To su tri jednake aruljice. Svaka aruljica spojena je na krajeve istoga pola izvora energije. Sjaj aruljica se ne mijenja bez obzira na to koliko smo aruljica spojili paralelno (sl. 27. i 28.). to uoavate, kakvim sjajem svijetle sve aruljice? Svijetle jednakim sjajem.

to e se sada dogoditi ako iskljuite jednu aruljicu? Hoe li preostale aruljice prestati svijetliti? Provjerite! Naravno da nee. Svaka je aruljica povezana s pozitivnim i negativnim polom izvora, neovisno o drugim troilima. Procijenite koji je spoj serijski ili paralelani praktiniji za uporabu u svakodnevnomu okruenju.

Sl. 22. Serijski spoj arulja Sl. 23. Jedna arulja Sl. 24. Paralelni spoj aruljaserijski spojparalelni spoj

Sl. 25.

- +

-+

Sl. 26.

Sl. 27.

Sl. 28.

1.3. Spajanje troila u strujnome krugu

v14

Elektrina struja

Sl. 29. a) b) c) d)

Razmislite kako su arulje spojene u vaemu domu? Serijski ili paralelno?

Spojene su paralelno na polove utinica. Kad bi bile spojene serijski, prega-ranje jedne arulje u kui dovelo bi do gaenja svih vaih arulja. Iskljuila bi se i sva druga troila. U paralelnomu spoju iskljuuje se samo jedno troilo.

Ponovimo!

1. arulje i ostala troila spajamo u strujni krug serijski i paralelno.

2. Elektrina struja koja tee strujnim krugom manja je to je broj serijski spojenih troila na isti izvor vei.

3. U paralelnom spoju troila se dodaju jedno na drugo, kao preke na ljestvama.

Odgovorite!

1. Razmislite kako ete najbre provjeriti je li niz arulja spojen serijski ili paralelno?

2. U kakvomu su spoju rasvjetna tijela i druga troila u naim kuama i u koli?

3. Odaberite koji su spojevi serij-ski, a koji paralelni (sl. 29.)!

Sloite strujni krug prema shemi na slici 30. Koji od navedenih spojeva je prikazan:

a) serijski spoj

b) paralelan spoj

c) kombinirani serijski i paralelni?

Posjetite elektriara. Raspitajte se o razliitim strujnim krugovima.

Napravite plakat (ili raunalnu prezentaciju), o strujnim krugovima u raunalu, u automobilu, u svome stanu, u telefonu. Prikupite razliite prospekte.

Projekt

Sl. 30.

Istraivanje strujnoga kruga

- +

- + - +

- +

+-

15

to zagrijava zrak u elektrinim grijalima ili hladi zrak u klimatizacijskim ureajima? Ve ste upoznali neke uinke elektrine struje.

Toplinski i svjetlosni uinci

Koji uinak elektrine struje koristimo kad glaamo rublje?

Uinci elektrine struje

Sl. 31. Ureaj za klimatizaciju

U strujni krug spojite bateriju i aruljicu. Ostavite da aruljica svijetli neko vrijeme. Ugasite arulju i oprezno ju dotaknite.

Iskuajte dodirom je li se zagrijala i baterija?

to zakljuujete, je li arna nit hladna ili za grijana kad aruljica svijetli?

Kemijski uinak

O kemijskome uinku elektrine struje ve ste uili u kemiji. Prisjetite se da istosmjerna elektrina struja razlae sloene tvari na jednostavnije. Neke otop-ljene tvari provode struju i pritom se kemijski mijenjaju. To je elektroliza.

Uinimo pokus da potvrdimo kemijsko djelovanje elektrine struje.

toplinski uinci

svjetlosni uinci

kemijski uinci

Sl. 33.

POKUS 1

Sl. 35. Izluivanje bakra iz modre galice

Sl. 34.

POKUS 2Potrebna nam je vodena otopina modre galice (bakrov sulfat), dva ugljena tapia, spojne ice i baterija. U au s vodom stavimo razmrvljene kristale modre galice, uronimo dva ugljena tapia koje poveemo spojnim icama u elektrini krug. to bismo jo mogli ukljuiti u strujni krug da se uvjerimo kako je vodena otopina modre galice elektrolit?

Kad protekne struja i aruljica zasvijetli, promatrajte to se dogaa s jed nim tapiem. Nakon kraega vremena tapi je postao crveno-smei; na njemu se nataloio sloj bakra.

Na koji je pol spojen tapi koji se presvukao slojem istoga bakra? to zakljuujete? Je li u otopini dolo do kemijske promjene?

Bakar se izluio na tapiu koji je spojen na negativni pol.

Ako zamijenimo polove izvora, pa se smjer struje obrne, hoe li se bakar izluiti na onomu drugom tapiu?

15

- +

- +

Sl. 32. Usijana elektrina ploa tednjaka

1.4. Uinci elektrine struje

v16

Elektrina struja

Elektrinu struju moemo uoiti po njezinu toplinskom, svjetlosnom i kemijskomu uinku.

Pomou elektrine struje mogu se izdvajati kemijski isti elementi; ovakvim postupkom provodi se metaliziranje razliitih predmeta. Postupak nazivamo galvanizacijom. Zato se kemijski uinak struje koristi u industriji za dobivanje istih elemenata (bakra, aluminija i drugih metala), te za odvajanje rude od neistoa. Primjenjuje se i za pozlaivanje i kromiranje raznih ukrasnih pred-meta.

S magnetskim uinkom elektrine struje upoznat emo se kasnije.

Hoe li arulja drukije svijetliti ako zamijenimo izvode? Promijenite izvode baterije s oznakama polova plus (+) i minus () i provjerite! Bez obzira na smjer struje, svjetlosni i toplinski uinak ostaje isti!

Sl. 36. Glaalo

Sl. 38. Bakar nataloen na katodi

Ponovimo!

1. Kod arulje, elektrinu struju uoavamo po svjetlosnom i toplinskom uinku.

2. U tednjacima, glaalima, boj-lerima, grijalicama iskoritava se toplinski uinak elektrine struje (sl. 36.).

3. Pomou elektrine struje iz dva-jaju se kemijski isti metali.

4. Kemijski uinci osnova su djelovanja svih baterija i aku-mulatora.

5. Elektrina struja primjenjuje se i u medicinskoj terapiji.

Odgovorite!

1. to e se dogoditi kada na ba-te ri ju spojite vodi, a na njega sta vite komadi margarina (sl. 37.)?

2. Kako znate da aruljicom u strujnome krugu prolazi elektrina struja?

3. Razmislite emu slui mali ventilator u kutiji raunala koji se pokrene im ukljuite raunalo. Prisjetite se iskustva s informatike.

4. to se izluuje na jednoj elek-trodi ako je elektrolit vodena otopina modre galice (sl. 38.)?

arulju je godine 1879. izumio znameniti ameriki istraiva Th. A. Edison. Prve su arulje za nit imale pougljenenu bambusovu nit i nisu bile trajne. Suvremenome obliku arulje pridonio je poetkom XX. st. hrvatski znan-stvenik i izumitelj Franjo Hanaman (1878.1942.) sa suradnikom Aleksan-drom Justom (1972.1937.), slovenskim fiziarom. Oni su uspjeli proizve-sti nit od volframa. Hanaman je djelovao na Sveuilitu u Zagrebu.

ZANIMLJIVOST

Sl. 39. Franjo Hanaman

Sl. 37. Margarin na vodiu kojim tee struja

+-

17

Magneti i magnetsko djelovanje elektrine struje

POKUS 1

Uzmite nekoliko magneta. Jeste li ustanovili kada se privlae, a kada odbijaju? Dva se magneta odbijaju ako im pribliite istoimene magnetske polove, a privlae se ako jedan magnet obrnete; tada im se privlae raznoimeni mag-netski polovi.

Sl. 27. Spajalice u vodi

magnetski polovimagnetska silatrajni magnetelektromagnet

Ve ste upoznali magnetsko meudjelovanje. Znate da magneti imaju polove, sjeverni i juni.

Kako magnet djeluje na eljezne predmete, privlai li ih ili odbija? Djeluje li na sve metale? eljezne predmete magnet samo privlai. Na neke metale djeluje, na mnoge ne djeluje. Jako djeluje na eljezo i nikal. Istraite, na koje tvari magnet ne djeluje. Pokuajte s drvom, papirom, teksti-lom. Ne djeluje!

Istoimeni se magnetski polovi odbijaju, raznoimeni privlae.

Provjerite, djeluje li magnet jednako na svim svojim mjestima?

Pokus pokazuje da krajevi magneta najjae privlae pribadae ili eljeznu pilovinu. Tu su polovi magneta. U sredini magnet najslabije djeluje.

Uzmite prepreku daicu, tanku eljeznu plou i na nju stavite avlie (sl. 42). Djeluje li magnet kroz prepreku?

Djeluje kroz drvo ili papir i kroz ruku, ali kroz eljezo ne djeluje!

Zato magnetske polove nazivamo sjevernim i junim? Na otvorenomu pro-storu igla kompasa orijentira se u smjeru sjevera i juga. Na onomu kraju igle kompasa koji gleda prema sjeveru nalazi se sjeverni magnetski pol (oznaka N); njega privlai Zemljin magnetski pol koji je suprotan, dakle juni: taj se magnetski pol nalazi na sjevernoj polutki! Na suprotnomu kraju igle kompasa nalazi se juni magnetski pol (oznaka S).

POKUS 2

Uzmimo kompas i ustanovimo koji njegov kraj pokazuje smjer sjevera. Pomou njega moemo odreivati magnetske polove na svim naim magnetima!

Sl. 44.

17

Sl. 40. Magnet privlai eljezne pribadae

N

S N

S

N

S

Sl. 41. Magneti se privlae i odbijaju

Sl. 42.

Sl. 43. Zemlja kao magnet

N

S

1.5. Magneti i magnetsko djelovanje elektrine struje

v18

Elektrina struja

Djelovanje magneta na daljinuKako biste najlake pokupili eljezne spajalice koje su vam se rasule po podu? Is ko ristite iskustvo s magnetom. Magnet i spajalice uzajamno se privlae i kada su razmaknuti.

Magnetska sila djeluje na daljinu. Slika 45. dobivena je tako da je na ta pi-asti magnet posipana fina eljezna piljevina. Djelii eljeza orijentirali su se u smjeru u kojemu djeluje magnetska sila.

Pokus se moe izvesti i tako da se kompasom krui oko magneta. Smjer magnetske igle takoer e pokazivati smjer magnetske sile.

I struja djeluje magnetskiKako bismo djelovali magnetskom silom, ne moramo imati magnet. Dostatno je uporabiti struju. to treba imati da se ustanovi magnetski uinak struje?!

Sl. 45. Sile oko magneta Sl. 46. Ponaanje kompasa bez struje i sa strujom u vodiu

POKUS 3Na raspolaganju imate bateriju, spojne ice, preklopnik i kompas. Zatvorite strujni krug. aruljica pokazuje da krugom tee struja (sl. 45). Pribliite kompas jednom strujnom vodu. to zapaate? Magnetska igla se zakrenula. Preklopnikom iskljuite struju. Hoe li se igla vratiti u poetni poloaj? Ponovite vie puta i uvjerite se da se igla vraa u poetni poloaj.Nastavite pokus tako da zamijenite polove baterije. to e se tada dogoditi s magnetskom iglom? Magnetska igla se zakrene u razliitome smjeru u ovisnosti o smjeru struje. Pojaajmo struju. to ste zapazili?

Struja ima magnetsko djelovanje. Smjer magnetske sile ovisi o smjeru struje, a sila je jaa kada je struja jaa.

Magnetsko djelovanje struje otkrio je 1820. godine danski fiziar Hans Christian Oersted (1777.1851.). Oerstedovo otkrie jedno je od velikih otkria u fizici. Njegov pokus dokazuje kako struja ima svojstva magneta. Kako bi inae djelovala na magnet?!

U tom stoljeu otkria o elektricitetu i magnetizmu redala su se jedno za drugim.

IZ POVIJESTI

Sl. 48.

Sl. 47. Oerstedov pokus

+ -

+-

19

Magneti i magnetsko djelovanje elektrine struje

Napravite zavojnicu tako da namotate jednu izoliranu bakrenu icu na olovku, a drugu bakrenu icu na deblji avao (meko eljezo). Krajeve ice spojite s baterijskim izvodima. Pokupite rasute avle!

to ste uoili? Postavite kompas u blizinu zavojnica te promatrajte otklon magnetske igle u oba sluaja. Zavojni-ca ima jae magnetsko djelovanje od ravnoga vodia, dok jo jae djeluje zavojnica sa eljeznom jezgrom.

Sl. 50. Zavojnica sa eljeznom jezgrom i kompasSl. 49. Struja u zavojnici elektromagnet

Kako bi se pojaalo magnetsko djelovanje struje, dobro je elektrini vod izvesti u obliku zavojnice. Istraimo pokusom.

POKUS 4

Sl. 51. Izvedba elektromagneta

Elektromagneti se primjenjuju u dizalicama, za podizanje spremnika, loko-motiva i ostale teke robe, ali i u bolnicama. Raspitajte se! Prisjetite se gdje ste vidjeli uporabu elektromagneta.

Jeste li se ikada upitali to to u magnetu djeluje magnetski? Samo neke tvari jesu magnetske. Meu magnetske tvari, osim eljeza, svr-stavamo kobalt i nikal.

Provedimo nekoliko pokusa (vidi Radnu biljenicu).

Najprije nadoveimo nekoliko tapi-a stih magneta jedan na drugi (sl. 53. a). Hoe li svakomu magnetu

osta ti njegovi polovi (sl. 53. b), ili emo dobiti cjeloviti magnet (sl. 53. c)?

Dobivamo cjelovit magnet; dijelovi se dre zajedno i postoje kao i prije, ali samo s polovima na krajevima.

Pokuajmo magnet razrezati i pro-vjeriti je li na jednomu dijelu ostao samo sjeverni, a na drugomu dijelu samo juni pol.

Sl. 52. Dizalica s elektromagnetom

TKO ELI ZNATI VIE

Sl. 53.Koliko god puta razreemo dijelove mag-neta, svaki dio opet je magnet s oba po-la, junim i sjevernim. Razlog jest u grai tvari.

+ -

N S

+ -

Zavojnica kroz koju tee elektrina struja djeluje kao magnet. Ona se naziva elektromagnet.

N S N S N S

N S N S N S

a)

b)

c)

v20

Elektrina struja

ZANIMLJIVOST Zemlja i Sunce djeluju kao magneti

Magnetizirana tvar sastoji se od vrlo ma-lih magneta koji su orijentirani u istome smjeru (sl. 54. a).Kako nastaju ti magneti? Fizika je nala odgovor na to pitanje.U molekulama i atomima teku male stru-je, a struje kako dokazuje Oerstedov pokus djeluju magnetski.

Modelom malih molekulskih struja tu-mai se zato postoji razlika izmeu magnetskih i nemagnetskih tvari. Tvar je magnetska ako su molekule tako orijentirane da nji hovi magnetii djeluju u istome smjeru (sl. 54. a). Ako djeluju u svim smjerovima, tvar nije magnet (sl. 54. b). Tako dolazi do razlike izmeu magnetskih i nemagnetskih tvari.

Ponovimo!1. U blizini magneta eljezni pred-

meti postaju magnetini. 2. Slobodno ovjeeni magnet

ukazuje na smjer sjever-jug.3. Trajni magnet ima dva razliita

magnetska pola, sjeverni (N) i juni (S).

4. Razliiti (raznoimeni) magnetski polovi se privlae, a jednaki (istoimeni) odbijaju.

5. Magnetska sila djeluje na daljinu.6. Oko vodia kojim tee

elektrina struja uoava se mag-netski uinak.

7. Elektromagnet je zavojnica kojom prolazi elektrina struja. Moe imati i eljeznu jezgru.

Odgovorite!1. Navedite nekoliko primjena mag-

neta u vaemu okoliu. Na kojim se ureajima nalaze magneti?

2. Privlae li se magnet i eljezo uzajamno i kad su razmaknuti?

3. Djeluje li magnetska sila kroz papir, plastiku i drvo?

4. elite li se zatititi od mag-netske sile, kojim se metalom trebate oklopiti?

5. Kako biste pokusom pokazali postojanje magnetskih polova?

6. Tko je otkrio magnetsko djelo-vanje elektrine struje?

7. Znate li da se magnetski i geo-grafski polovi ne podudaraju?

Uzrok Zemljina magnetskoga djelovanja su struje rastaljenih tvari duboko u Zemljinu sreditu. Nekada se mislilo kako se u sreditu nalazi jedan vrlo veliki stalni magnet pravo magnetsko brdo.Sunce i zvijezde takoer djeluju magnetski. U Sunevoj atmosferi nalaze se pjege koje djeluju magnetskom silom. Pjege su obino vee od Zemlje.Kad se snime na poseban nain (sl. 55.), nastaje slika slina onoj koja se dobiva kad se na tapiasti magnet pospe eljezna piljevina. Usporedite sa slikom 45!

a)

b)

Projekt

Udruite se u skupine najvie od pet lanova. Nabavite dva jednaka magneta i dokaite da magnetska sila djeluje kroz

komad drveta, stakla, papira, aluminijske folije. Usporedite opaeno te upiite i nacrtajte u biljenicu.

Sl. 55. Dijelovi Suneve atmosfere usmjereni su u obliku magnetskih silnica

TKO ELI ZNATI VIE - nastavak

sl. 54.

Cilj je ispitati svojstva magneta

21

Izborna tema

Jeste li zamijetili kako pri magnetskomu djelovanju elektrine struje dolazi do gibanja? Pri ukljuivanju i iskljuivanje struje magnetska igla se pokrenula. Magnetsko djelovanje elektrine struje ima iroku primjenu u mnogim ureajima, u kuanstvu, prometu i industriji.

Magnetskim djelovanjem struje rastumaite djelovanje elektrinoga zvonca (sl. 56)! Vanu ulogu ima vijak koji je u kontaktu s elastinim tapiem koji udara po zvoncu. Kad se preklopnik zatvori, strujnim krugom potee struja. Elektromagnet privue tapi s kuglicom koja lupi po zvoncu.to se dogaa sa strujnim krugom kad je tapi privuen?Izgubljen je kontakt s vijkom, strujni krug se otvorio i elastini tapi se vraa u poetni poloaj u kojemu je strujni krug opet zatvoren.

Kako se pokree elektromotor? Koje se pretvorbe energije dogaaju u elekromo-toru?

U elektromotoru (sl. 57.) elektrina energija prelazi u kinetiku energiju vrtnje motora. Zavojnica je smjetena na pokretnomu dijelu, a magneti su mirni. Smjer kojim tee struja tako je posloen da svaki pol magneta privlai blii elektrini vod pa se zavojnica okree.

Magnetski uinak struje iskoriten je za mjerenje elektrine struje. Pri prolazu struje kroz zavojnicu ampermetra (na slici 58. prikazan je kolski model amper-metra), eljezni valjak uvlai se u zavojnicu. Promatrajte i oznaite poloaj ka-zaljke na mjernoj ljestvici! Magnetska sila je vea za veu struju, to pokazuje kazaljka. Ampermetar ete bolje upoznati pri elektrinim mjerenjima.

Elektromagneti se u najnovije vrijeme primjenjuju u prometu. Maglev ili vlak u levitaciji, vlak koji lebdi, u nekim dravama ve slui za putniki promet. Iznad tranica ga dri odbojna sila istoimenih magnetskih polova pa u vonji nema trenja. Postiu se putne brzine od 500 km/h. Pogon je takoer magnetski. Zamislite da je ispred vlaka suprotnoimeni magnetski pol, a iza vlaka istoimeni.

Sl. 56. Elektrino zvonce Sl. 57. Elektromotor

Sl. 58. Model ampermetra

ZANIMLJIVOST Maglev

Sl. 59. Maglev

-+

Primjena magnetskog djelovanja elektrine struje

+

v22

Elektrina struja

staklo

plastika

staklo

plastika

22

1.6. Elektrini naboji i njihovomeu djelovanje

Sl. 60. Naelektrizirani baloni se odbijaju Sl. 61. Elektrini naboji u kosi

elektriziranjeelektrini nabojkulon (coulomb, C)vrste nabojaelektrina sila

Na roendanima ste esto balone trljali o vunenu odjeu i prislanjali uza zid (sl. 60.). to se dogodilo? Baloni su se priljubili uza zid, ali su se me usobno odbili. Pokuajte natrljanim eljem privui papirie ili skretati tanak mlaz vode iz slavi-ne. Kako ete elektrinim meudjelovanjem objasniti sve to ste uoili?

POKUS 1Potrebna su nam dva plastina tapa i vunena krpa. Jedan plastini tap pro-trljamo su hom vunenom krpom i objesimo ga da visi vodoravno. to opaate, ako mu pribliite na isti nain natrljan drugi plastini tap (sl. 62. a)? Zato se tapovi odbijaju?

POKUS 2Ispitat emo meudjelovanje dvaju staklenih tapova natrljana ko om. to se dogaa sa tapovima (sl. 62. b)? Opaamo da se i oni odbijaju. Moete li zakljuiti kakve elektrine sile postoje izmeu dvaju jednako nabijenih tijela?

POKUS 3to e se dogoditi ako natrljanom plastinom tapu primaknemo natrljeni stak-leni tap? Izvedite pokus. to opaate (sl. 62. c)? tapovi se privlae. Jeste li uoili kada je sila meu njima bila odbojna, a kada privlana? Zakljuujemo da su naboji plas tinoga i staklenoga tapa razliiti.

Uoili smo da su stakleni i plastini predmeti pomou trljanja promijenili svojstva, tj. naelektrizirali se, pa mogu privlaiti ili odbijati druge predmete. Kako biste objasnili razliitu elektriziranost plastinoga i staklenoga tapa?

Provedeni pokusi pokazuju kako je rije o postojanju dviju vrsta elektrinih naboja. Dogovor je da se naboj koji se pojavljuje na plastici zove negativan () a onaj na staklu pozitivan (+).

Objasnite kako e se meusobno ponaati plastini trokut i stakleni tapi kada ih naelektrizirate!

Tijela naelektrizirana raznoimenim nabojem meusobno se privlae,a tijela naelektrizirana istoimenim nabojem se odbijaju.

Ta meudjelovanja opisujemo elektrinom silom.

Sl. 62.

a)

c)

b)

Plastika se ponaa kao jantar, tvar koja se na gr. jeziku zove elektron. Elektroni su, dakle, na elektriziranim plastinim tijelima i oni su negativni. Prisjetite se to ste saznali u 7. r. o grai tvari. Elektroni imaju negativan na-boj, a protoni pozitivan. Protoni su zarobljeni u atomskoj jezgri, dok se elek-troni mogu osloboditi iz atoma.

23

Elektrini naboji i njihovo meudjelovanje

to se postie dodirom i trljanjem predmeta od dviju tvari?

Trljanjem se postie dobar kontakt izmeu razliitih tvari, pa se izmeu njih izmjenjuju elektrini naboji. Na plastici se javlja suviak elektrona a na staklu manjak elektrona.

Posljedica toga je da su vunena krpa i koa nabijene protivno od plastinoga odnosno staklenoga tapa.

Kako zamiljate naboj neutralnoga tijela?

Neutralno tijelo ima jednak broj negativnih i pozitivnih naboja (sl. 63. a).

Prebrojite koliko ima pozitivnih i negativnih naboja!

Ispitajmo meudjelovanje naelektriziranoga i neutralnoga tijela. Stakleni tap je naelektriziran, a objeana kuglica od stiropora je neutralna.

Pozitivno elektrizirano staklo privlai negativne naboje koji se nalaze na kug-lici (sl. 63. b). Naboji na kuglici se razdvajaju, nega tiv ni pribliavaju stakleno-me tapu pa je na udaljenom kraju kuglice ostao viak pozitivnih naboja.

A zato se kuglica odbija nakon to je stakleni tap dotakne (sl. 63. c)?

Tumaimo, da je sa stakla preao dio naboja na kuglicu, na kojoj je tada viak onih istih naboja koji su bili na staklu. Prebroji te naboje na staklenome tapu i kuglici.

Izradite ureaj za pokazivanje naboja.

Sl. 64. Elektroskop

POKUS 4Potrebna vam je jedna metalna spajalica, staklena aa i traka aluminijske folije. Izrav-najte metalnu spajalicu i naslonite ju na staklenu au. Preko spajalice presavinite tanku traku aluminijske folije.

Ureaj se naziva: elektroskop. Kad se listii elektroskopa nabiju istoimenim nabojem, razdvajaju se i diu iako ih privlai sila tea. Jae se razdvoje kada je odbojna sila meu njima jaa.

Pretpostavite to bi se dogodilo s listiima da nose suprotni naboj? Je li to mogue kod elektroskopa?

Najprije nekoliko puta dotaknite elektroskop natrljanim plastinim tapom i promatrajte kako se listii sve jae ire. Zatim ga dotaknite natrljanim staklenim tapom.

23

Sl. 63. a)

+

++

+--+

+-

++

+- ++-

b) c)

Elektrina sila raste s nabojem tijela. Ovisi li i o udaljenosti meu nabije-nim tijelima?

v24

Elektrina struja

Sl. 66. Tijela bez naboja Sl. 67. Tijela istoimenih naboja se odbijaju

ZA ZNATIELJNE

Elektrino meudjelovanje ovisi o naboju na tijelima i o udaljenosti tijela. S veim nabojem tijela sila jaa, s udaljenou tijela sila slabi.

Naboj oznaavamo s Q. Mjerna jedinica za naboj jest kulon (coulomb), C.

Svi elektroni imaju jednak naboj. Svi protoni imaju jed-nak naboj.

Naboj jednoga elektrona iznosi jednako kao i naboj pro-tona, ali je suprotnoga znaka.

Atom je neutralan kada ima jednaki broj protona i elek-trona. Kada se neutralnom atomu doda jedan elektron,

ili oduzme jedan elektron, atom postaje negativan ili po-zitivan; takav se atom zove ion.

Nema manjih naboja od naboja elektrona. Zato se nje-gov naboj zove elementarnim nabojem.

Naboj elektrona vrlo je malen.

1 C = 6,25 1018 = 6 250 000 000 000 000 000 elektrona

Naboj jednoga elektrona je 1 6 250 000 000 000 000 000

C = 1,6 10-19 C

Ponovimo!

1. Postoje dvije vrste elektrinih naboja, pozitivni i negativni.

2. Tijela moemo trljanjem elektrizirati; naelektrizirana tijela djeluju elektrinom silom, koja je privlana ili odbojna.

3. Tijelo i tarivo se naelektriziraju suprotno.

4. Elektrina sila izmeu tijela s raznoimenim nabojem je pri vlana, izmeu tijela s isto imenim nabojem odbojna (sl. 65.).

5. Jedinica za naboj je kulon, C.

6. Tijelo s jednakim pozitivnim i negativnim nabojem je neutralno ni pozitivno ni negativno.Sl. 65.

kulon

25

Elektrini naboji i njihovo meudjelovanje

Odgovorite!

1. Zato se tijela trljanjem elektriziraju?

2. Zato je neutralno tijelo privueno naelektriziranim tijelom?

3. Razmislite, zato su papirne trake na slici 66. skupljene, a na slici 67. razmaknute?

4. Koji je znak za elektrini naboj i to je njegova mjerna jedinica?

5. to pretpostavljate, koja tvar u dodiru vune i plastike otputa elektrone, a koja ih prima? Koja tvar u dodiru koe i stakla otputa elektrone, a koja ih prima?

6. Poveite spoznaju da postoje pozitivni i negativni naboji s oznakama + i na bateriji.

Charles Augustin de Coulomb (1736.1806.), franc. fiziar, istraio je meudjelovanje elektrinih naboja i otkrio kako elektrina sila ovisi o udaljenosti. Prema njemu nazvan je kulon, mjerna jedinica za elektrini naboj.

Na slici 71. prikazan je ureaj kojim je ispitivao privlaenje i odbijanje naboja i mjerio silu.

IZ POVIJESTI

Sl. 71. Coulombov mjerni ureaj

Istraite

1. to opaate kada jedan elektro-skop (sl. 68.) nabijete, a zatim ga vodiem spojite s drugim elektro-skopom? Zato su kazaljke obaju elektroskopa jednako podignute?

2. Provjerite to e se dogoditi ako dva elektroskopa naelektrizirate razno imenim nabojima: na je dan prenesite negativni naboj s plasti-noga tapa, na drugi pozitivni na-boj sa staklenoga tapa (sl. 69. a). Zatim metalnom icom spojite elek-tro skope (sl. 69. b). Zakljuujete li da se pozitivni i negativni naboj ponitio pa su listii postali elek-trini neutralni?

a) b)Sl. 69.

Sl. 68. Razdvojeni, a zatim spojeni elektroskop

Sl. 70. Ch. A. de Coulomb

+ +

+ ++ +

v26

Elektrina struja

Od ega je sastavljena struja? to struji kroz elektrine vodove? Vo-deni tok ine molekule vode, a elek trinu struju prenose elektrini naboji. Koje estice vode struju? U razliitim tvarima nositelji struje su estice s elektrinim nabojem: negdje ioni, negdje elektroni.

to ini elektrinu struju u elektrolitima

Ve ste pokusima ustanovili da elek-tri nu struju ne provode sve tekuine, nego otopine soli, kiselina i luina. Da do ete do odgovora to ini elektrinu struju u elektrolitu, uinimo pokus s vo denom otopinom modre galice. Elektrode su ugljeni tapii.

Sl. 72. Akumulator

Iz kemije znamo da je modra galica bakrov sulfat (CuSO4) u kojemu se nalazi atom bakra. Kao ista tvar, bakar je crvenkast. Proputanjem struje, molekula modre galice rastavlja se na ion bakra i ostatak. Pretpostavite: zato su se estice bakra nataloile na negativnoj elektrodi? Ion bakra je pozitivan i privlai ga negativna elektroda na koju se taloi. Po emu to vidite? Izlueni isti bakar je crvenosmee boje.

Negativna elektroda naziva se katoda, a pozitivna elek-troda naziva se anoda.

POKUS

Pokuajte zakljuiti to uzroi elektrinu vodljivost elektrolita. Modra galica se rastavlja. Bakar se taloi na katodu, to znai da su njegovi ioni pozitivni. Kroz vanjski strujni krug pristiu elektroni koji pozitivni ion bakra neutraliziraju, tj. pretvaraju u neutralni atom:

Cu+ + e Cu.

Kako objasniti to ini struju u metalima

Koje su estice nositelji elektrine struje u metalnim vodiima? Odgovor nala zi-te u televizorima s katodnom cijevi. U njima elektrone isijava zagrijana metalna nit. Elektroni izlaze iz usijana metala.

1.7. Elektroni, pokretljivi ioni i elektrina struja

ionianodakatoda

Sl. 73.

Elektrinu struju u tekuini ine pozitivni ioni koji se gibaju premakatodi i negativni ioni koji se gibaju prema anodi.Ioni su atomi i molekule s elektrinim nabojem.

katoda

anoda

-+

--

+-++

Cu Cu

katoda katodaanoda anoda

27

Elektroni, pokretljivi ioni i elektrina struja

Metalni vodi je graen od pravilno razmjetenih iona uvrenih u kristalnoj reetki, a izmeu njih se nasumice gibaju slobodni elektroni koji su unutar metala vrlo pokretljivi. Atomi metala lako otputaju elektrone.

Zato se slobodni elektroni gibaju usmjereno kroz metal (sl. 74.)? to ih usmjerava? Sad ve moemo zakljuiti kako e slobodne elektrone privui poziti-vni pol elektrinog izvora, a odbiti negativni pol izvora.

Hoe li se pri gibanju elektroni sudarati s drugim esticama? to pretpostav-ljate? Naravno da hoe. U to prelazi njihova kinetika energija? Opipajte izoli-rani vodi kojim je prolazila struja. to ste osjetili? Osjetili ste njegovu povienu temperaturu.

Sl. 77. Gibanje iona i elektrona u plinu

Sl. 76. Neonska rasvjetaSl. 74. Usmjereno gibanje elektronau metalu

Sl. 75. tedna arulja

Elektrinu struju u metalnim vodiima ini usmjereno gibanje slobodnih elektrona.

to ini struju u plinovimaZato svijetle plinske svjetiljke (sl. 75, 76.)? U njima su razrijeeni plinovi kroz koje prolazi elektrina struja. U posudu s plinom utaknute su dvije metalne elek-trode. Plin ine slobodni atomi, ioni i elektroni.

Elektroni brzo prelaze put od katode do anode i pritom se sudaraju s atomi-ma plina (sl. 77.). Koja pretvorba energije se tu dogaa? Mnogi atomi poinju svijetliti.

U plinu elektrinu struju vode slobodni elektroni i pozitivni ioni plina.

Tee li struja u smjeru gibanja pozitivnih ili negativnih naboja?

Fiziari su se dogovorili da je smjer struje u vanjskome krugu od pozitivnoga pola izvora energije prema negativnome polu.

Odgovorite!1. Navedite nositelje elektrine

struje u metalima, u tekuinama, u plinovima.

2. to ete uiniti elite li po-kazati koja vodena otopina provodi elektrinu struju, otopina soli ili eera?

3. Od koje oznake na bateriji tee elektrina struja do a-rulje i do koje oznake natrag?

Ponovimo!1. Tijelo na koje su preli elektroni ima

viak elektrona u odnosu na broj pro-tona i postaje elektriki negativno.

2. Atom je elektriki neutralan jer ima jednaki broj protona i elektrona. Atom bez jednoga ili vie elektrona je pozitivni ion, a sa suvikom elektrona je negativni ion.

3. Kad se icom spoji pozitivno i negati-vno tijelo, protjee elektrina struja.

- +-

-- --

-

--

- --

-

--

---

-

-

--

v28

Elektrina struja

I struja

A amper

Sl. 78. Ampermetar zaistosmjernu struju

1.8. Mjerenje elektrine struje

elektrina struja

amper (A)

Sl. 79. Namjetanje podruja mjernog instrumenta

Elektrina struja je kolinik naboja i vremena u kojemu nabojprotee kroz neko mjesto elektrinoga voda:

Ve ste upoznali kemijski uinak elektrine struje. Moe li vam koliina iz lu e-nog istoga bakra na katodi ukazati na jo neto o elektrinoj struji? Povezat ete koliinu nataloenoga bakra s veom ili manjom strujom i s vremenom.

Kolika je struja

Razmislite, kada e struja biti vea?

Usporedimo elektrinu struju s tokom vode. Tok vode se mjeri koliinom vo-de koja proe u nekomu vremenu. Imate iskustvo da je tok vode vei ako vie vode u istomu vremenu protee cijevima. Je li struja vea ako za isto vrijeme kroz neko mjesto na vodiu protee vei naboj? Uzmite da za jednako vrijeme vodiem protee dvostruko vea koliina naboja. to oekujete da se dogodi sa strujom? I struja e se poveati dva puta. Elektrina struja razmjerna je proteklom naboju:

I ~ Q .

Raspravimo odnos izmeu struje i vremena protjecanja struje. Ako neki naboj protee istim vodiem u dvostruko duljemu vremenu, tada je struja dvostruko manja. Zakljuujemo kako su elektrina struja i vrijeme obrnuto razmjerni:

I ~ .1-t

Elektrinu struju oznaavamo slovom I. Mjerna jedinica za elektrinu struju je amper, A. Amper je kolinik mjerne jedinice za naboj i za vrijeme:

struja = naboj

-- vrijeme

I = Q

-- t

Mjerilo za elektrinu struju naziva se ampermetar (sl. 78. i 79.).

amper = kulon

--- sekunda

A = C

-- s

I = Q

-- t

A = C

-- s

29

Mjerenje elektrine struje

Kako morate u strujni krug ukljuiti ampermetar da izmjerite struju koja prolazi a ru ljom: serijski ili paralelno sa aruljom (sl. 87. a i b)?

Izmjerimo struju u serijskome i paralelnome spoju s jednakom baterijom i jednakim aruljicama!

Struju mjerimo ampermetrom u tokama 1, 2 i 3 tako da ga premjetamo. U svim poloajima oitali smo jednaku struju,

Is = 0,2 A.

to to znai? To znai da uzdu vodia i troila struja nije promijenila iznos. Po emu to jo vidimo?

Kolike su struje kroz arulje u paralelnome spoju? Koliko struja ovdje moete izmjeriti?

Ampermetar je ovdje izmjerio tri struje:

Ip = 0,8 A, I1 = 0,4 A, I2 = 0,4 A.

Vidi se kako je izmjerena struja u serijskome spoju Is manja nego u paralelnome Ip. Svijetle li aruljice jednakim sjajem? U kojemu spoju aruljice svijetle jae?

Jae su svijetlile u pararelnome spoju.

Na slici 80. b struja koja prolazi kroz ampermetar ne prolazi kroz arulju. Zato ampermetar treba ukljuiti u vodi kojim tee struja. Ampermetar se ukljuuje tako da kroz njega prolazi struja koju treba mjeriti.

Ampermetar je instrument za mjerenje struje i s troilom se spaja serijski (sl. 81.).

Pozitivni prikljuak ampermetra (oznaka +) uvijek se spaja prema pozitivno-me polu elektrinoga izvora, a negativni prikljuak ampermetra (oznaka ) prema negativnome polu izvora.

to se moe dogoditi ako ampermetar spojimo izravno na polove baterije, bez troila u strujnome krugu?

Struja koja kroza nj protee moe dovesti do izdvajanja velike topline zbog koje elektrini vodovi u ampermetru pregore. To bi bio kratki spoj.

Prolazi li sva struja kroz troila? Zaostaje li moda dio struje u prvoj aruljici, a dio u drugoj (sl. 82.a)? Hoe li se struja putem istroiti?

Podruja:

kA = 1 000 A

A mA = ----- = 0,001 A 1 000

A A = ----- = 0,000 001 A 1 000 000

b) Pogreno spojeni ampermetar

POKUS

Sl. 82.

I

-+

-+

AA

I

- +

Is

A

- +I1

I2

Ip

A

znak ampermetra

A

Sl. 81.

- +

I

A

Sl. 80. a) Ampermetar u serijskome spoju

a)

b)

29

1 2 3

v30

Elektrina struja

Primjer Izraunajte kolika je struja prolazila u elektrinome krugu ako je izvor u vre menu od 100 s obavio rad prenoenjem 200 C?

Struja je jednaka koliniku.

Ponovimo!

1. Elektrinu struju iskazujemo kolinikom naboja protekloga kroz vodi i vremena protjecanja.

2. Matematiki zapis za struju je I = Q / t.

3. Jedinica za elektrinu struju je amper, A.

4. Struja prenosi elektrinu energiju od elektrinoga izvora do troila, a troilo elektrinu energiju pretvara u druge oblike energije (unutarnju, svjetlosnu, kemijsku, potencijalnu...).

5. Prije uporabe ampermetra utvrdimo mjerno podruje.

Odgovorite!

1. Zato se ampermetar spaja serijski s troilom?

2. to struja prenosi od elektrinoga izvora do troila?

3. Pomou kojih se jedinica iskazuje amper?

4. to oekujete, pokazuje li ampermetar na bilo kojemu mjestu u jednostavnom krugu jednaku ili razliitu struju?

5. Kakva se pretvorba energije odvija u arulji?

6. Objasnite razmjernost izmeu struje, protekloga naboja i vremena?

7. Kada dolazi do kratkoga spoja?

Q 200 CI = -- , I = ---- = 2 A t 100 s

radioprijemnici . . . . . . . . . . . 1 mA 100 mA

rasvjetna tijela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 A

kuni aparati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 A

aparat za zavarivanje . . . . . . . . . . . . . 100 A

tramvaj . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5001 000 A

grom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 kA

dalekovodi, elektrine topionike pei, eksperimenti nuklearne fizike . . . . . . . . MA

Praktina tablica elektrine struje razliitih troila.

Zato su struje I1 i I2 slabije od struje Ip? Kako se struja Ip razdjeljuje u struje I1 i I2, njezin je iznos jednak zbroju iznosa struja I1 i I2:

Ip = I1 + I2.

Struja prije grananja jednaka je zbroju struja nakon grananja.

Zato je u paralelnome spoju s dvije aruljice struja Ip vea, nego u se-rijskome spoju s dvije aruljice Is?

U serijskome spoju izvor energije opskrbljuje dvije aruljice u nizu, a u pa-ralelnome spoju izvor energije opskrbljuje svaku aruljicu izravno.

31

1.9. Elektrini napon

elektrini napon (U)

volt (V)

voltmetar

Sl. 83. Voltina baterija Sl. 84. Suvremeni lanci

Najprije u krug stavimo jednu bateriju, a zatim vie njih. to e se dogoditi sa sjajem aruljice?

Dodavanjem izvora energije aruljica e svijetliti jae. Dotakne te li ju, ustanovit ete kako njezina temperatura raste. Poveavajui broj izvora energije, aruljica e konano pregorjeti.

Pokuajte objasniti o emu zavisi koliina elektrine energije koja se u troilima moe pretvoriti u druge oblike energije.

POKUS 1

Energiju elektrinoga izvora i obavljanje rada u strujnome krugu iskazujemo naponom. Izvor viega napona ima veu energiju.

Elektrini izvor pokree naboje i obavlja rad. Napon je jednak koliniku rada koji iz vor obavlja i naboja koji proe elektrinim krugom.

Koja je uloga elektrinoga izvora energije? Energija izvora pokree elektrinu struju. U to prelazi energija izvora? Energija izvora prelazi u unutarnju ener-giju, u svjetlost i druge oblike energije.

Zato je na bateriji oznaen pozitivni i negativni pol? Na pozitivnome polu nalazi se viak pozitivnih naboja, a na negativnome viak negativnih naboja. Kad se uspostavi strujni krug, elektroni se odbijaju od negativnoga pola ba-terije, a privlai ih pozitivni pol baterije. To se zbiva u tvari svih vodova i svih troila spojenih na polove izvora.

Kojom emo fizikom veliinom iskazati energiju elektrona i obavljeni rad? Provedimo istraivanje pomou strujnoga kruga za koji nam je potrebna arulja, vodii i tri baterije.

Sl. 85.

Napon oznaavamo slovom U:

Sl. 86. Voltmetar za istosmjernu struju

rad izvoranapon = ----- naboj

WU = -- Q

Elektrini napon

- + - +

v32

Elektrina struja

POKUS 2

Mjerna jedinica napona je volt, V. Iskaimo jedan volt pomou jedinica za rad i naboj:

Volt (V) je jednak koliniku dula (J) i kulona (C). Zacijelo ve znate kako je napon gradske elektrine mree 220 V, a depne baterije 4,5 V.

Primjer 1 Elektrini izvor s naponom 20 V obavi rad od 10 kJ u vremenu od 1 h.

Izraunajte preneseni naboj i elektrinu struju! Iz formule

slijedi kako je preneseni naboj ,

Elektrina struja: ,

Mjerenje napona

Mjerilo napona zove se voltmetar.

Kako se voltmetar ukljuuje u strujni krug?

Elektrini izvor na svakomu dijelu kruga obavlja rad. Zato napon treba mje-riti na krajevima svakoga elementa strujnoga kruga!

Opiite kako ete spajati voltmetar u krugu struje ako elite izmjeriti napon na polovima izvora u tomu krugu (sl. 84.).

Jednu prikljunicu voltmetra spojite na pozitivni pol izvora, a drugu na ne-gativni pol! Na voltmetru oitajte koliki je napon na polovima baterije!

Sl. 87. Napon na polovima baterije

oznaka za voltmetar

JV = -- C

WU = -- Q WQ = -- U

10 000 JQ = ----- = 500 C . 20 V QI = -- t

500 CI = ---- = 0,14 A = 140 mA . 3 600 s

V

-+

V

- +

V

- +

V

V1 V2

- +

V

V1

V2

U2

U1Ut

Voltmetar se spaja s troilima kruga paralelno.

a) b) c)

Sl. 88. Napon na elementima strujnog kruga

Napon na krajevima troila UT jednak je naponu izvora.Koliki e biti izmjereni napon na krajevima dvaju troila dviju aruljica spojenihserijski u strujni krug (sl. 88. b)? Ukupan napon, napon na krajevima baterije, sastoji se od doprinosa na pojedinimodsjecima kruga i jednak je zbroju napona na elementima strujnoga kruga: U = U1 + U2.

32

Izmjerite napon na krajevima troila kada je ono ukljueno u strujni krug (sl. 88. a).

UT

33

Energija kojom raspolae izvor raspodjeljuje se na energije pretvorene u troilima strujnoga kruga.

Da provjerite jeste li dobro shvatili znaenje napona, izmjerite napon na krajevima dviju aruljica spojenih paralelno u strujni krug (sl. 88. c).

Kolike ste napone izmjerili, U1 i U2, kakvi su oni meusobno i prema na-ponu izvora? to zakljuujete?

Meusobno su jednaki i jednaki su naponu izvora..

Ponovimo!1. Elektrini napon baterije jednak

je koliniku rada koji obavlja izvor energije i naboja prenesi-voga strujnim krugom,

U = W / Q .2. Rad izvora jednak je elektrinoj

energiji koju prenose elektroni.3. Volt je jednak koliniku jedinice

za energiju i jedinice za naboj.

4. Voltmetar prikljuujemo pa-ralelno s elementom na ijim krajevima mjerimo napon.

5. Moemo rei kako voltmetar prikljuen na krajevima arulje pokazuje kolika se energija po prenesenom jedininom na-boju pretvori u arulji u druge oblike.

Odgovorite!

1. to dovodi do elektrine struje u vodiu?

2. Oekujete li elektrini napon izmeu dva naelektrizirana tijela raznoimenih ili istoimenih naboja? Treba li uloiti rad da se izmeu takvih tijela prenese neki naboj?

3. Objasnite pomou rada i naboja to znai kada voltme-tar na aruljici pokazuje 4 V?

4. to voltmetar mjeri kada je prikljuen na krajeve izvora spojenoga u strujnome krugu?

IstraiteRaspitajte se koliki je napon automobilskoga akumulatora, elektrine baterije za mobitel, za digitalni fotoaparat, za daljinski upravlja, za laptop te napon izmeu tramvajskoga voda i tla. Napiite u biljenicu kratko izvjee.

Baterija daje energiju svim nabojima. Naboji se nalaze u vodiima i potrebno ih je samo pokrenuti. Njih pokree odbojna i privlana sila polova baterije.

Izvor potakne struju brzinom svjetlosti. Usmjereno giba-nje elektrona vrlo je sporo, nekoliko milimetara u se-kundi.

JESTE LI ZNALI Naboji koji teku krugom, ne izviru iz baterije

Elektrini napon

v34

Elektrina struja

Baterije (i akumulatori) kemij sku energiju pretvaraju u elektrinu. Elektrina struja ima kemijske uinke, ali i obrnuto, kemijski procesi dovode do elektrine energije.

Obian lanak s naponom od 1,5 V sastoji se od cinane aice kao ka-tode u kojoj je ispuna s elektrolitom te od gra fitnoga tapia u sredini aice, kao anode. Kad se elektrode spoje preko strujnoga kruga, atom cinka postaje pozitivan i otputa elektrone.

Elektroni prolaze kroz vodove i tro ila, obavljajui rad. Povratkom na anodu, opet sudjeluju u kemijskoj reakciji te se cinkova anoda nastavlja kemijski mi-jenjati. Takve baterije nisu obnovljive.

Obnovljive baterije, koje rabimo u mo bitelima i drugdje, takoer koriste ke mijske reakcije. Kad se isprazni, ba terija od nikla i metalnoga hidri-da (Ni-MH), podvrgne se vanjskom naponu koji obre smjer kemijskih procesa i obnavlja kemijske spojeve, vraajui ih u poetno stanje.

ZANIMLJIVOST Kako rade baterije

Alessandro Volta (1745.1827.), ta-lijanski fiziar, poznat je po istraivanju elektrine struje. Najvanije mu je ot-krie izvora elektrine energije. Izvor je izraen kao viestruki sendvi od dvaju metala i elektrolita. Naziva se Voltinom baterijom.

Volta je koristio bakar i cink. Izmeu njih je stavljao tkaninu natopljenu sla-nom vodom.

ZANIMLJIVOST

to znai mAh

Na akumulatorima pie: 50 Ah. Na obnovljivim baterijama pie: 1 200 mAh. Prva oznaka upuuje da akumulator moe davati struju od 50 A tijekom 1 h, a druga struju od 1200 mA tijekom jednoga sata. Ako smanjite struju, izvor e vam raditi dulje vrijeme.

Primjer 2 Koliko dugo moete snimati vaim digitalnim fotoaparatom, ako u pro-sjeku koristi struju od 200 mA, a na bateriji pie 1 600 mAh?

Trajanje snimanja: 1 600 mAht = ------ = 8 h . 200 mA

Sl. 89.Obian lanak

Sl. 90.Ni-MH lanak

Sl. 91. Alessandro Volta

Sl. 92. Dio Voltine baterije

-+

35

1.10. Elektro--magnetska indukcija

inducirani elektrini naponelektromagnetska indukcija izmjenina struja

Sl. 93. Hidroelektrana na jednome dijelu Niagarinih slapova

U baterijama i akumulatorima kemijska energija prelazi u elektrinu energiju. U hidroelektranama kinetika energija vrtnje turbina prelazi u elektrinu energiju.

Pokuajte i vi od kinetike energije dobiti elektrinu energiju!

Gibanje magneta u odnosu na zavojnicu proizvodi elektrinu struju. Pojavu nazivamo elektromagnetskom indukcijom.

Meusobnim gibanjem magneta i zavojnice na njezinim se krajevima pobuuje napon. Taj napon nazivamo inducirani napon.

to se dogodilo s elektrinim nabojima dok se magnet gibao u zavojnici? Na jednome kraju zavojnice skupilo se vie elektrona pa je na drugom kraju ostao suviak pozitivnoga naboja. Time je nastao napon izmeu krajeva zavojnice. Ponavljanjem gibanja magneta u jednomu i drugomu smjeru, u odnosu na za-vojnicu, izmijeni se smjer inducirane struje. Struja koja se javlja je izmjenina struja.

Generatori u elektranama proizvode elektrinu energiju iz energije gibanja pomou elektromagnetske indukcije.

Uzmite zavojnicu i magnet. Krajeve zavojnice spojite u strujni krug. zajedno s osjetlji-vim ampermetrom. Kroz otvor zavojnice brzim pokretom uvucite i izvucite magnet. Kazaljka instrumenta se pomaknula. Ampermetar pokazuje da je krugom potekla struja. Zbog ega je elektrina struja protjecala iako nema elektrinoga izvora?Oigledno je kako je gibanje magneta proizvelo napon na krajevima zavojnice. Na-pon je u zatvorenome strujnom krugu potaknuo struju.Razmislite, hoe li se struja pojaviti ako magnet miruje, a zavojnica se pokree? Nastavite s pokusom. to ste ustanovili? Svejedno je giba li se magnet ili zavojnica!Ima li elektrina struja uvijek isti smjer? Pozorno gledajte, u kojemu se smjeru otklanja kazaljka ampermetra. Pri uvlaenju magneta, kazaljka se otklanja u jed-nome smjeru, pri izvlaenju magneta u drugome smjeru. Smjer struje ovisi o smjeru gibanja magneta u odnosu na zavojnicu. Promjenu smjera i iznosa struje pokazuje otklon kazaljke ampermetra.

POKUS

Ponovili smo pokus koji je uinio M. Faraday godine 1831.

Sl. 94.

Elektromagnetska indukcija

N S

A

v36

Elektrina struja

Izmjenina struja

Znate li za primjenu izmjenine struje? Jeste li na zidnim utinicama kod kue vidjeli oznake + i za pozitivni i negativni pol?

Naravno da niste. Generatori u elektranama proizvode izmjeninu struju. Struja iz gradske mree je izmjenina. U svim vodovima smjer elektrine struje promijeni se sto puta u sekundi. Javna elektrina mrea koristi napon od 220 V.

Istraite

Razmislite kako se proizvodi zvuk kod elektrine gitare pomou elektromag-netske indukcije. to se nalazi ispod ica gitare? Posjetite muzikalije i podrob-no razgledajte elekrinu gitaru. Imate li poznanika u nekome bandu?

Ponovimo!

1. Gibanje magneta u odnosu na zavojnicu inducira elektrini napon u zavojnici.

2. Elektromagnetska indukcija je pobuivanje napona izmeu krajeva vodia na koju djeluje promjenljiva magnetska sila.

3. Elektrinu struju u elektranama proizvode generatori pomou elektromagnetske indukcije.

4. Promjenu smjera i iznosa struje pokazuje ampermetar s kazaljkom.

Odgovorite!

1. Ako nemate bateriju kao izvor elektrine energije, ime jo moete proizvesti elektrinu struju? to trebate imati?

2. to se dogaa kad vodi pokreemo u blizini magneta?

3. Kakva e struja potei zavojnicom zbog pobuenoga napona na krajevima zavojnice u zatvorenome krugu, istosmjerna ili izmjenina?

4. Prepriajte to se dogaa dok se magnet primie i odmie od zavojnice. U kojemu se smjeru otklanja kazaljka mjerila? to e se dogoditi ako se polovi magneta zamijene?

Elektromagnetska indukcija je veliko otkri-e fizike, bez kojega ne bi bilo suvremene proizvodnje elektrine energije. Energija gi banja pretvara se u elektrinu energiju.

Michael Faraday (1791.1867.), engleski fiziar i kemiar, od laboranta na sveuilitu postao je profesor. Otkrio je elektromag-netsku indukciju, istraivao elektrolizu, izradio prvi generator istosmjerne struje i mnoge druge elektrine naprave.

Nikola Tesla (1856.1943.) izveo je mnoge korisne ureaje na izmjeninu struju. Izmjenina struja ima mnoge pred-nosti. Na temelju njegovih pronala zaka izgraena je prva hidrocentrala na Nia-garinim slapovima. U svijetu je prevla-dao njegov sustav proizvodnje i prijenosa elektrine energije. Razvijao je i radioteh-niku.

IZ POVIJESTI Faraday i TeslaSl. 95. M. Faraday

Sl. 96. N. Tesla

37

Koliko ste novca danas potroili na telefoniranje mobitelom? Svakoga dana iskoritavamo elektrinu energiju. Ve znamo kako sva naa troila pretvaraju elektrinu energiju u druge oblike: u elektromotorima u kinetiku energiju, u rasvjetnim tijelima u svjetlost, u elektrotoplinskim ureajima u toplinu. U strujnome krugu izmjenjuje se energija. Izvor energije obavlja rad.

Koliki rad obavi izvor ne troilu?

Rad izvora obavljen prijenosom naboja povezan je s naponom. Napon smo odredili izrazom:

Rad stoga iskazujemo i pomou napona: W = U Q .

Elektrinu struju iskazali smo kolinikom naboja Q i vremena t:

Odatle naboj moemo iskazati umnokom: Q = I t .

Uvrstimo li taj umnoak u izraz za rad umjesto naboja, dobijemo:

W = U I t .

To je ujedno pretvorena energija. Rad koji obavi izvor energije razmjeran je naponu, struji i vremenu obavljanja rada.

to pie na elektrinim ureajima? Koliku snagu imaju builice (sl. 97.), motori, arulje? Kad upotrebljavamo neko troilo, na njemu proitamo za bi-ljeenu snagu.

Snaga je jednaka koliniku obavljenoga rada i vremena:

Snaga elektrinoga ureaja jednaka je umnoku napona na krajevima troila i struje koja njime protjee. Sada moete uoiti vanost poznavanja snage troila. to iskazuje snaga troila? Saznajemo koliko se elektrine energi je pre-tvori u druge oblike energije u jednoj sekundi. To moemo napisati i ovako:

1.11. Rad i snaga elektrine struje

rad elektrine struje

snaga elektrine struje

W = V A

J = V A s

kWh

Sl. 97. Builica od 1000 W Sl. 98. Elektrino brojilo

WU = -- , Q

QI = -- t

WP = -- , P = U I t

pretvorena energijasnaga = ---------- . vrijeme

rad W = U I t J = V A s

snaga P = U I W = V A

Rad i snaga elektrine struje

v38

Elektrina struja

Mjerna jedinica za rad ili energiju je dul, J, a za snagu vat, W.Iskaimo ih mjernim jedinicama za struju i napon: W = U I t J = V A s (dul = volt-amper-sekunda) P = U I W = V A (vat = volt-amper)

Primjer 1 Koliku snagu ima arulja koja troi elektrinu energiju od 500 Wh ako svijetli 5 h?

Primjer 2 Na arulji stolne svjetiljke koja koristi napon od 220 V oznaena je snaga od 60 W. Kolika struja prolazi kroz arulju?

Primjer 3 Na vaem kunom elektrinom brojilu (sl. 98) u mjesec dana pro-mijenile su se brojke od 8 678,9 kWh do 8 868,9 kWh. Koliki je raun za uporab ljenu energiju, ako 1 kWh stoji 70 lipa? Razlika energije jest 8 868,9 kWh - 8 678,9 kWh = 190 kWh a platiti treba 190 kWh 0,70 kn = 133 kn.

Ponovimo!1. Elektrina energija koju troe

troila ovisi o naponu na troilu, struji i proteklomu vremenu.

2. Rad to ga elektrina struja oba-vi tijekom vremena jednak je umnoku napona, struje i vremena.

3. esto energiju izkazujemo jedi-nicom kilovatsat, kWh.

4. Energija elektrinoga izvora sma-njuje se za iznos obavljenoga rada.

5. Snaga elektrine struje u strujnome krugu jednaka je umnoku napona i struje.

6. Jedinica za energiju je J = VAs = Ws,za snagu je vat W = VA.

Odgovorite!1. Kako snaga troila ovisi o napo-

nu i struji?2. Kojim jedinicama iskazujemo

rad elektrine struje? 3. to plaamo u kuanstvu

pretvorenu elektrinu energiju, elektrinu snagu ili elektrinu struju?

4. Pitajte roditelje koliko plate za 1 kWh utroene energije?

5. Kako se naziva ureaj na kojemu se oitava elektrina energija utroena u kuanstvu (sl. 105.)?

E 500 WhP = -- , P = ----- = 100 W t 5 h

P 60 WI = -- , I = ---- = 0,27 A U 220 V

Projekt

Od navedenih troila, a moete i sami odabrati neko, ispitajte rad jednog vaega kunog ureaja (perilica rublja, raunalo, hladnjak, glaalo, elektrini bojler, elektrini tednjak...), i odredite koliko elektrine energije utroi ako je ukljueno 2 h.

Koji podatak morate oitati na troilu? Izradite plakat!

Nauimo kako se odreuje utroena elektrina energija

troilo snaga Wprijenosno raunalo 400glaalo 500grijalica 1000suilo za kosu 1250klimatizacijski ureaj 3500

Snaga nekih troila

1 kWh =

= 1000 W 3600 s =

= 3 600 000 Ws =

= 3,6 MJ

39

1.12. Elektrini otpor

elektrini otpor

om (ohm, )

Sl. 99. Mjerenje otpora

Znamo kako dvije aruljice u serijskome spoju svijetle slabije, nego jedna aruljica.

Ako na bateriju spojimo aruljicu depne svjetiljke, a drugi put automobil sku aruljicu, hoe li strujnim krugom u oba sluaja protjecati jednaka struja?

Istraimo pokusom mijenja li se struja kad na jednaki napon spojimo razliita troila.

Strujni krug sastavimo od baterije, vodia, preklopnika, ampermetra, voltmet ra te svaki puta posebnoga troila. To su: grafitna mina olovke, aruljica depne svje-tiljke i automobilska arulja. Strujni krug sastavimo prema shemi na sl. 100.

U tablicu upiemo izmjerene vrijedno-sti napona i struje kada su u strujni krug pojedinano ukljuena razliita troila.

Analizom mjerenih podataka uoavamo kako su struje razliite. Zakljuujemo kako se razliita troila razliito opiru protjecanju struje. Kaemo kako imaju razliit elektrini otpor.Sada jo za svako troilo moemo izraunati kolinik napona i struje pa dobi-vene vrijednosti, takoer, upisati u tablicu.

POKUS

Mjerna jedinica za elektrini otpor je om, (ohm). Dobivamo ju kao kolinik jedinice za napon i jedinice za struju:

Elektrini otpor

- +

V

A

Sl. 100. Shema za mjerenje

troilo U / V I / A U/I /(V/A)

aruljica depne svjetiljke 4,5 0,3 15

grafitna mina olovke 4,5 0,5 9

automobilska arulja 4,5 1,0 4,5

Za koje je troilo najvea vrijednost toga kolinika?Elektrini otpor troila iskazujemo kao kolinik napona na krajevima troila i elektrine struje, a znak mu je R.

Elektrini otpor = napon--- struja

ili R = U- I

.

= V- A

(volt po amperu).

R elektrini otpor

U napon na krajevima troila

I struja koja prolazi troilom

om,

kiloom, k= 1000

megaom, M = 1000000

v40

Elektrina struja

Razliita troila imaju razliiti otpor. Pri planiranju elektrinih krugova neka se troila koriste samo radi toga to predstavljaju otpor prolasku struje. Takva troila nazivaju se otpornicima.

Osigurai

Do pregaranja elemenata u elektrinome krugu dolazi kad je struja prevelika. Biste li eljeli da tada pregori va televizor?!

Da se to ne dogodi, slui osigura otpornik koji pregori prije drugih, mno-go vrijednijih elemenata strujnoga kruga!

Sl. 101. Razliiti otpornici Sl. 102. Osigura

Primjer Odredi otpor troila kojemu napon na krajevima iznosi 1500 V, a struja koja njime prolazi iznosi 15 A.

Otpor je R = U

I, R =

1500 V

15 A = 100 .

znak za otpornik

Naboji se pokreu kroz vodi u kojemu se stal-no sudaraju s drugim esticama: u metalima s ionima koji ine kristalnu reetku, u tekuini i plinu s molekulama. O tvari vodia ovisi brzina usmjerenog gi-banja naboja. Zato struja trpi razliiti otpor.

ZANIMLJIVOST Zato postoji otpor

Ponovimo!1. Vodii pruaju otpor elektrinoj struji.

To je svojstvo svih vodia.2. Elektrini otpor odreuje se kao

kolinik elektrinoga napona i elektrine struje.

3. Elektrini otpor vodia ovisi o tvari od koje je nainjen i o dimenzijama vodia.

Odgovorite!1. Koji su elementi strujnoga kruga prika-

zani na slici 103?2. Ako na izvor jednakoga napona priklju-

ite vodie razliitih poznatih otpora, kako ete izraunati struju kroz vodie?

3. Koji od vodia ima vei otpor ako su oba spojena na isti napon, jednim pro-lazi vea struja, a drugim manja?

4. Zato arna nit u arulji nije od srebra?

Projekt

Udruite se u tri manje skupine, podijelite zadatke i rasporedite pribor. Na raspola-ganju imate nekoliko jednakih baterija i aruljica, dvije ice razliite duljine, dvije ice razliite debljine i dvije ice od razliite tvari (bakrena i eljezna).

U krug struje s jednakom baterijom uklju-ite posebno deblju, a posebno tanju icu.

U strujni krug spojite posebno duu i krau icu.

Ustanovite kakav otpor pruaju bakrena i eljezna ica.

Analizirajte istraivanja i kratko zapiite najinteresantnija zapaanja.

Predloite zakljuke te ih zapiite u biljenice.

Istraivanje elektrinoga otpora

Sl. 103.

41

Uoavamo kako struja raste s naponom. Dvostrukom naponu odgovara dvo-struka, trostrukom naponu odgovara trostruka struja.

Za obje ice, struja je razmjerna s naponom.

Iz podataka u tablicama uoavamo kako otpor ima stalnu vrijednost.

Podatke iz obje tablice prikaimo grafiki. Na vodoravnu os nanosimo podatke za napon u voltima, a na uspravnu os struju u amperima.

to su grafiki prikazi ovisnosti struje o naponu? Iz matematike ete prepozna-ti kako su to pravci koji prolaze ishoditem koordinatnoga sustava.

Pokuajte proitati kolika struja pripada naponu za neki podatak koji nije unijet u tablicu!

Ohmov zakon

1.13. Ohmov zakon

Ohmov zakonstalni otporomski vodii

Sl. 104. Provjera Ohmova zakona

Od prije znamo da elektrini otpor ograniava elektrinu struju. Znai li to kako struja u vodiu treba ovisiti o naponu i otporu? Izvedimo

pokus i istraimo kako se ponaa struja kroz troilo ako mijenjamo napon na njegovim krajevima.

Sl. 105. Shema za mjerenje

- +

V

A

Izvest emo nekoliko razliitih mjerenja struje i napona. Koristimo pribor:dvije baterije od 4,5 V, vodii, preklopnik, dvije ice od cekasa duljine 1 m i 2 m (dijelovi grijae zavojnice), ampermetar i voltmetar. Strujni krug sastavimo prema shemi na sl. 105. Rastavimo li jednu bateriju, moemo jo koristiti i napon od 1,5 V i 3 V.Mjerimo napon na krajevima ice i struju koja prolazi icom. Izmjerene vrijednosti unesemo u Tablicu A za icu duljine 1 m i Tablicu B za icu duljine 2 m.Za svako mjerenje izraunamo elektrini otpor.

Kakve su promjene napona i struje? Kakva je ovisnost struje i napona na ispitivanim icama?

POKUS U/V I/A (U/I )/1,5 0,17 93 0,33 9

4,5 0,5 99 1 9

U/V I/A (U/I )/1,5 0,083 183 0,17 18

4,5 0,25 189 0,50 18

Tablica A

Tablica B

VA

Sl. 106. I,U grafiki prikaz

ica duljine2 m

ica duljine1 m

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

I/A

U/V0 5 10

v42

Elektrina struja

IZ POVIJESTI

Razmatranjem tablinih podataka i grafikoga prikaza zakljuujemo:

Ponovimo!

1. Elektrina struja je razmjerna napo-nu na krajevima vodia, a obrnuto razmjerna njegovu otporu to je Oh-mov zakon.

2. Vodii kojima je elektrini otpor sta-lan, nazivaju se omski vodii.

3. Otpor spojnih ica je neznatan.

Odgovorite!

1. Koje veliine treba mjeriti da se ispita vrijedi li za neki vodi Ohmov zakon?

2. Nacrtajte grafikon ovisnosti elek trine struje o elektrinome naponu, uz uvjet da je otpor stalan.

3. Razmislite to e se dogoditi s elektrinom strujom ako poveavate napon, a u krugu struje je ukljuen otpornik poznatoga otpora?

Sl. 107. G. S. Ohm

Najbolji vodii imaju maleni otpor, najbolji izolatori imaju veliki otpor. Otpor elektrinoj struji ovisi o samoj tvari, razmjeran je duljini vodia, a obrnuto razmjeran plotini njegova presjeka. To je ustanovio njemaki

fiziar Georg Simon Ohm (1789. 1854.). On je prvi koji je strujni krug opisao matematiki. Zato je po njemu nazvana ovisnost otpora o naponu na troilu, a takoer i mjer-na jedinica otpora.

elektrina struja koja protjee metalnim vodiem razmjerna je naponu na krajevima ice uz stalan otpor:

I ~ U.

U

I = R ili I =

U

R.

Elektrina struja koja protjee metalnim vodiem razmjerna je elektrinome naponu na krajevima vodia, a obrnuto je razmjerna

elektrinom otporu. To je Ohmov zakon.

Budui da je kolinik U/I napona na krajevima ica i struje kroz ice stalan, to razmjernost struje i napona moemo prikazati kolinikom.

Ohmov zakon vrijedi za metalne vodie uz stalnu temperaturu. Otpornici iji otpor ne ovisi o naponu nazivaju se omskim vodiima. Poluvodii i izolatori imaju otpor koji je ovisan o struji; to nisu omski vodii.

Primjer Izraunaj struju kroz arulju prikljuenu na gradsku mreu od 220 V ako je otpor arulje 200 .

Elektrina struja je: I = U

R =

220 V

500 = 0,44 A.

43

Opasnost i zatita od elektrinog udara

Izborna teme

Sl. 108. Struja u zraku izmeu elektroda

Sl. 109. Znak opasnosti

Sl. 110. Utikai s tri voda

Sl. 111. Utinica s tri voda

Zasigurno ste ve uoili oznake (na zgradama i elektrinim ureajima, na tramvaju, trajektu ili lokomotivama), koje upozoravaju na opasnost od elektrinoga udara. Uvaite ta upozorenja!

Znate li to je uzemljenje? Zato je vano uzemljenje?

Prouite kakav je utika vaega raunala, suila za kosu, radioaparata, televizora i tostera. Je li kao na slici 110?

Ako jest, a usto je vezan s elektrinim vodovima zataljenom plastikom, slobodno ga koristite. U gradskoj elektrinoj mrei dva voda prenose napon od 220 V, a trei vod uzemljuje naprave.

Elektrine instalacije u svakoj kui moraju biti uzemljene. Uzemljenje se obavlja pomou debelih vodova koji se zakapaju duboko u tlo jer je u dubini tlo vlano i bolje provodi struju. Uoite da se uzemljenje zasniva na elektrinoj vodljivosti tla. U sluaju kvara na instalacijama, uzemljujuim vodom struja protjee u zemlju, dolazi do kratkoga spoja i osigurai se aktiviraju. Uzem-ljenje sprjeava prolazak elektrine struje kroz tijelo.

Dobra utinica takoer ima tri voda (sl. 111.). Pokuajte rastumaiti dje-lovanje utinice. Jednom icom dolazi faza, a drugom nula. Kad je elektrino tro ilo prikljueno na utinicu, strujni krug je zatvoren. Elektrina struja po-taknuta je od izvora preko faze kroz troilo pa preko nule natrag. Trea ica je zatitno uzemljenje.

Kad e struja protei ljudskim tijelom? Tada kada je tijelo ukljueno u struj-ni krug. Moramo uvaavati da je tlo elektrini vodi. Ako osoba stoji na tlu i dodirne vod elektrine mree, elektrina struja protei e kroz tijelo u tlo.

Razmislite u kojoj se situaciji najee dogaaju nesree. U javnim glasi lima objavljena je vijest kako su smrtno stradala dvojica radnika na kombajnu kad je kran kombajna zakvaio icu dalekovoda. Stradali su od strujnoga udara.

Voda iz slavine i ona koju pijemo nije dobar izolator jer je elektrolit; iako slab, i nae tijelo provodi struju kao elektrolit. Otpor ljudskoga tijela iznosi izmeu 1 k i 10 k. Opasna struja kroz tijelo vea je od 10 mA.

Je li opasan napon gradske mree, jesu li opasni dalekovodi iji je napon 5 kV ili vie? Naravno, vrlo su opasni.

faza

nula

uzemljenje

v44

Elektrina struja

Primjer to se dogodilo s ovjekom koji se unesreio pri dodiru nezatienoga izvora napona 220 V? Elektrini otpor ljudskoga tijela je 1 k. Izraunaj struju koja bi protekla tijelom. Je li ovjek u ivotnoj opasnosti.

Struja od 0,22 A opasna je po ivot. Lijenici su nam kazali kako ta struja izaziva smrtonosno grenje sranog miia.

U 220 VI = -- , I = ---- = 0,22 A R 1 000

Projekt

Upoznavanje s razliitim mjerama zatite od elektrinoga udara.

U Republici Hrvatskoj postoji zakon kako se svaki javni objekt mora uzemljiti, pa tako i kolske zgrade! Udruite se dragovoljno u skupine i podijelite zaduenja. Posjetite najbliu vatrogasnu postaju i raspitajte se o opasnosti od elektrinoga udara i zatiti. Raspitajte se koja vrsta zatite postoji za objekte razliite namjene: tvornice, nebodere, tornje-ve, stambene zgrade do etiri kata, mostove.

Svaki lan skupine neka u zgradi u kojoj ivi pogleda kako je uzemljena.

Podnesite pismeno izvjee i napravite plakat.

Pozovite u razred vatrogasca.

Zrak provodi struju kad je izvor elektrine energije visokoga napona (sl. 108.). Munje su velianstvene prirodne pojave (sl. 112.), ali su veoma opas ne za iva bia i uzroci mnogih poara. Uzemljenjem se zatiujemo i od uinka munje.

Znate li kako se treba ponaati kad vas nevrijeme zatekne na otvorenome ili u umi? U umi radije pokisnite, nego da se drite stabla. Drvo djeluje kao gromobran i munja ga oteti i spali. Na otvorenome odbacite metalne dijelove i zaklonite se u kakav jarak. Visoki napon opaa se po pucketanju u zraku.

Bilo je istraivaa munje koji su od nje stradali. Za vrijeme grmljavine nemoj-te u ruci drati djeji zmaj ni ribike tapove.

Pozor! Paljivo rukujte s elektrinim ureajima. Utika vadite iz uti ni ce ne povlaei ga za kabel! Jednom rukom pridravajte utinicu, a dru-gom povlaite utika. Posebno se uvajte neizoliranih vodova. Potraite pomo!

Vano je prekinuti vezu unesreenoga s izvorom struje.

Zatita od elektrinoga udara zasniva se na tome da nikada ne smijemo dotaknuti nezatienu icu pod naponom. Kad pomaemo unesreenome, obvezno koristimo gumenu obuu, gumenu ili plastinu podlogu,

plastine tapove ili suhe grane jer su to elektrini izolatori.

Sl. 112. Munja

45

Poluvodii osnova raunala

Sl. 113. Integrirani strujni krug ip Sl. 114. Poluvodike svjetlee diode (LED)

Imate li ipove? Koliko strujnih krugova ima u vaoj glazbenoj liniji, u mobitelu, u raunalu, digitalnome fotoaparatu? Jeste li razmiljali kakva je veza izmeu ipa i raunala?

Poluvodii omoguavaju minijaturizaciju elektronike.

to su nositelji struje u poluvodiima?

U kristalnoj grai vrstoga tijela atomi mogu otpustiti jedan elektron koji postaje slobodan. U atomu gdje nedostaje elektron, ostaje viak pozitivnoga naboja; to mjesto nazivamo pozitivnom upljinom. Poluvodii ne vode elektrinu struju jedino na apso-lutnoj nuli; s povienjem temperature, njihova vodljivost raste.

Silicij je najei poluvodi. Prisjetite se o siliciju iz kemije! Si-licij (Si) je etverovalentan, to znai da sa susjedna etiri atoma dijeli svoja etiri valentna elektrona (sl. 115.).

Kako poluvodi vodi struju? U strujnome krugu slobodni elektroni se gibaju prema pozitivnome polu, a pritom pozitivne upljine se premjetaju prema negativnome polu.

Nositelji struje su slobodni elektroni i pozitivne upljine.

U istim poluvodiima struja je vrlo slaba. Kako bi se pojaala, u njih se umeu atomi drugoga elementa. Ako se u poluvodi od silicija doda atom ko-jemu je valentnost vea od etiri, prekobrojni peti elektron postaje slobo dan; umetnuti atom je davatelj elektrona. Takav poluvodi nazivamo N-poluvodiem. U N-poluvodiu silicijeve kristalne reetke ugrauju se npr. atomi arsena (As). Ar sen je peterovalentan i njegova etiri elektrona veu se sa susjednim silicije-vim atomima, a peti ostaje slobodan. Upravo taj elektron prenosi elektrinu energiju kroz poluvodi.

Ako se doda atom kojemu je valentnost manja od etiri, on lako prima sili-cijeve elektrone i u kristalu se pojavljuje upljina; umetnuti atom je primatelj. Poluvodi nazivamo P-poluvodi.

Sl. 116. NP-dioda, NPN-tranzistor

Sl. 115. Struja u poluvodiu

Izborna teme

slobodni elektron upljina

+

NP

NPN

v46

Elektrina struja

Tako oneieni poluvodii znatno bolje provode struju i u razliitomu slaganju omoguavaju vrlo korisne uinke. Spoj NP proputa struju samo u jednom smjeru (sl. 116.) i slui kao ispravlja izmjenine struje, dioda.

Sigurno ste rabili svjetlei pokaziva. Znate li to je u njemu? Pretvorba elektrine energije u svjetlosnu moe se ostvariti i u poluvodiu premjetanjem elektrona i upljina. Korisitli ste svjetleu diodu, LED (Light Emitting Diode)? Svjetlee diode zrae samo jednu boju.

Ve znate i za tranzistore. Njihovom uporabom poela je informatika re-volucija. Tranzistori su spojevi poluvodia PNP i NPN. Oni slue kao pojaala signala i kao preklopnici.

Mala struja koja tee kroz sredinji poluvodi, bazu (b), upravlja mnogo veom strujom (sl. 117.), koja tee u krugu emitera (e) i kolektora (c).

Opiite gdje ste vidjeli uporabu tranzistora u neposrednoj okolini? Rabe se za ukljuivanje alarmnih ureaja, za automatsko paljenje i gaenje uline ra-svjete. Mnogo uklopljenih tranzistora ini sloene, integrirane strujne krugove vrlo malih dimenzija, tzv. ipove.

Sl. 118. Svjetlea dioda Sl. 119. Ugraeni ipoviSl. 117. Tranzistor i njegov simbol

Prvo elektroniko rau-nalo ENIAC izraeno 1946. godine, zauzi-malo je cijelu halu.

U dananje vrijeme raunala snanija od ENIAC-a stanu na dlan.

ZANIMLJIVOST Najvee i najmannje raunalo

Sl. 120. ENIAC, prvo programabilno raunalo, 1946. g. Sl. 121. Dlanovnik, 2006. g.

N-poluvodi: davatelj

P-poluvodi: primatelj

dioda

tranzistor

ip

Projekt

to je omoguilo informatiku revoluciju? to obuhvaa taj pojam? Predstavnici i pioniri informatike revolucije. Koje inovacije ulaze u informatiku revoluciju?

elimo saznati to je informatika revolucija

Koja je budunost informatike revolucije, u kojemu se smjeru kree razvoj?

Informacije moete nai na internetu ako upiete informa tika revo lucija. Raspitajte se kod uitelja i roditelja.

47

Umna mapa

ELEK

TRI

NI O

TPOR

, R

ELEK

TRI

NA

STR

UJA

ELEK

TRI

NA S

TRUJ

A, I=

Q t

C s

UINC

I

galv

aniz

acija

SVJ

ETLO

SN

I

MA

GN

ETS

KI

KEM

IJS

KI

TOPL

INS

KIgr

ijalic

a

aru

ljagen

erat

or

NABO

J, Q

kulo

n, C

ampe

r, A

=

V A

om,

=

U RI=

WQ

U=

J C

OH

MO

V ZA

KON

SERI

JSKI

SPO

JPA

RALE

LNI S

POJ

USM

JERE

NO G

IBAN

JE N

ABOJ

A

U TE

KUI

NAM

A - E

LEKT

ROLIT

IMA

U M

ETA

LIM

A

U PLIN

OVIM

A

ioni

ioni el

ektr

oni

elektroni

NAPON,

volt

, V=

=

A

jedi

nica

IZVO

R ST

RUJE

AKU

MUL

ATO

R

-+

baterija

ENER

GIJA

(RAD

) EL.S

TRUJ

E

dul

, J

vat,

W

SN

AG

A E

L. S

TRUJ

E

TROILO

Na slici je na prijedlog umne mape. U biljenicu pokuajte

od sljedeih pojmova oblikovati svoju mapu:

elektrini otpor, troila, glaalo, suilo za kosu, strujni krug, paralelni spoj, serijski spoj,

Tako e lake zapamtiti gradivo. Ukoliko se sjeti jo

koji pojam, dodaj ga.