Struja

Struja je kretanje slobodnih elektrona u vodiču od jednog atoma do sljedećeg atoma u istom općem smjeru, (oznaka I). Elektroni se kreću kroz provodnik različitim brzinama, i električna struja ima različite vrijednosti; određena je brojem elektrona koji prođu kroz poprečni presjek vodiča u jednoj sekundi. Napomenimo ovdje da su atomi vrlo maleni, potrebno je oko 1,000,000,000,000,000,000,000,000 atoma da popuni 1 cm³ bakrenog provodnika. Ovaj broj se može pojednostaviti korištenjem matematičkih eksponenata. Dakle, to je 10²⁴ u eksponencijalnom zapisu. Pokušaj mjerenja čak i malih vrijednosti struje rezultirao bi nezamislivo velikim brojevima. Iz tog razloga struja se mjeri u amperima (oznaka A) - struja od jednog ampera znači da u jednoj sekundi oko 6.24x10¹⁸ elektrona prođe kroz poprečni presjek vodiča. Ovi brojevi su informativnog karaktera, međutim bitno je da se pomoću njih razumije koncept električne struje. Pri određivanju smjera struje, susrećemo se sa:
1. konvencionalni smjer (smjer suprotan kretanju elektrona, zapravo to je "smjer kretanja praznina", od + ka -)
2. elektronski smjer (smjer kretanja elektrona, od - ka +)
Rezultat je identičan, bilo na jedan ili na drugi način, ali se trebamo opredijeliti u proračunima koji smjer izabrati, kako bismo pratili isti smjer struje od početka do kraja...

Električni strujni krug dobivamo kada električni izvor spojimo provodnikom na potrošač; tada će poteći struja, odnosno elektroni će se kretati od negativnog prema pozitivnom polu izvora, dok je tehnički smjer struje suprotan, tj. od pozitivnog prema negativnom polu izvora. Jačina električne struje I je množina elektrona koja za vrijeme od jedne sekunde prođe kroz dio strujnog kruga. Jedinica za mjerenje jačine struje je amper [A].
Količina elektriciteta Q je proizvod jačine struje I kroz vodič i određenog vremena t, i izražava se jedinicom kulon [C], Q = I x t.

Gustoća struje J je odnos jačine struje I i površine presjeka vodiča S, J = I/S [A/m²].

Jačinu električne struje mjerimo ampermetrom. Ampermetar se u strujnom krugu uvijek spaja serijski, jer ima mali unutarnji otpor.

Elektromotorna sila EMS izvora je količina energije koju električni izvor može dati jedinici naboja.
Električni napon U je dio elektromotorne sile koji djeluje u strujnom krugu.
Struja se može uporediti s vodom koja teče kroz cijev. Potrebna je sila da voda teče kroz cijev. Ova sila dolazi ili od vodene pumpe ili od gravitacije. Napon je sila koja se primjenjuje na vodič koji uzrokuje pojavu struje. Upravo se sila potrebna da struja teče kroz provodnik naziva razlika potencijala, elektromotorna sila (emf) ili napon. Označavamo je sa E ili V, a jedinica je volt (oznaka V).
Napon mjerimo voltmetrom; po svojoj konstrukciji je jednak ampermetru, ali se uvijek u strujnom krugu spaja paralelno, zbog toga što ima veliki unutarnji otpor.

Električni napon se može generisati na različite načine.
Baterija/akumulator koristi elektrohemijski proces. Alternator automobila i generator elektrane koriste proces magnetske indukcije. Svi naponski izvori imaju karakteristiku viška elektrona na jednom terminalu i manjka na drugom terminalu što rezultira razlikom potencijala između dva terminala.

Otpornost

Svaki materijal u određenoj mjeri ometa protok električne struje. Električni otpor R je otpor kojim se materijal opire prolazu elektrona. Količina otpora ovisi o sastavu, dužini, poprečnom presjeku i temperaturi materijala. U pravilu, otpor vodiča raste s povećanjem dužine ili smanjenjem poprečnog presjeka. Jedinica za mjerenje otpora je ohm (oznaka Ω). Otpor može biti u formi različitih komponenti. U strujnom krugu može se postaviti otpornik ili se u krugu mogu naći drugi uređaji koji imaju otpor.

Specifični otpor materijala ρ je otpor materijala koji pruža materijal dužine l=1m, presjeka S=1mm² pri 20⁰C.

Proračun otpora vodiča R dat je jednačinom: R = (ρ·l)/S

Električna vodljivost G je recipročna vrijednost električnog otpora R; jedinica za mjerenje vodljivosti je simens (oznaka S), G = 1/R.

Specifična vodljivost k je recipročna vrijednost specifičnog otpora, k = 1/ρ.

Porast temperature od 1⁰C uzrokuje porast svakog oma otpora za α Ω, pri čemu α zovemo temperaturnim koeficijentom električnog otpora, ovisnim o vrsti materijala od koga je izrađen otpornik. Dakle, temperaturni koeficijent α je broj koji pokazuje za koliko se promjenio 1 Ω otpora nekog materijala pri promjeni temperature za 1⁰C.
R_T = R₀[1+α(T-T₀)]

· α - temperaturni koeficijent električnog otpora
· T₀ - početna temperatura (20⁰C)
· R₀ - električni otpor na temperaturi T₀

Između struje, napona i otpora postoji fundamentalni odnos. Jednostavno električno kolo sastoji se od izvora napona, neke vrste opterećenja i provodnika koji omogućava strujanje elektrona između izvora napona i opterećenja. Na sljedećoj slici baterija je izvor napona, električna žica se koristi kao provodnik, a sijalica predstavlja otpor. Da bi struja potekla kroz kolo, mora postojati zatvorena putanja od izvora prema potrošaču i natrag do izvora. Ukoliko je kolo prekinuto, struja neće poteći. Elektroni će u zatvorenom kolu poteći od negativnog pola izvora, kroz sijalicu i natrag do pozitivnog pola izvora.

Ohm-ov zakon

Odnos između struje, napona i otpora proučavao je njemački matematičar u 19. stoljeću, George Simon Ohm. Ohm je formulisao zakon koji kaže da je struja srazmjerna direktno sa naponom i obrnuto sa otporom. Iz ovog zakona izvedena je sljedeća formula:
I = E/R, STRUJA = NAPON/OTPOR.
Ohmov zakon je osnovna formula koja se koristi u svim električnim krugovima. Svi električni projekti i analize počinju Ohmovim zakonom. Projektanti inženjeri moraju odlučiti koliki je napon potreban za dato opterećenje, kao što su računari, satovi, lampe, motori itd. Odluke se moraju donijeti uzimajući u obzir odnos struje, napona i otpora.

Pad napona U je dio napona potrošen u pojedinom otporu; srazmjeran je jačini struje i veličini otpora, tj. prema Ohmovom zakonu: U = IxR.

Gubitak napona je pad napona u vodovima kao beskoristan gubitak energije, U = IxR = Ix(ρ·l)/S.

Unutarnji pad napona U_u je pad napona na unutarnjem otporu izvora, U_u = IxR_u.

Napon na stezaljkama izvora jednak je elektromotornoj sili izvora umanjenoj za pad napona u izvoru, U = E - IxR_u.

Iz ove jednačine možemo pronaći unutarnji otpor izvora: R_u = (E - U)/I.