Електрична струја

Из Википедије, слободне енциклопедије

Електрична струја је усмерено кретање наелектрисања под утицајем електричног поља или разлике електричних потенцијала. СИ јединица за електричну струју је ампер (А), што је једнако протоку једног кулона наелектрисања у секунди.

Дефиниција[уреди]

Интензитет електричне струје се дефинише као количник протекле количине наелектрисања у јединици времена, односно математички формализовано као извод по времену наелектрисања:

I = {dQ \over dt}

Строже, струја се посматра као величина зависна од времена, јер током времена може протицати променљива количина наелектрисања:

i(t) = {dq(t) \over dt} или инверзно као
q(t_0) = \int_{-\infty}^{t_0} i(t)\, dt

што се тумачи да је количина наелектрисања затечена у једном тренутку једнака збиру свих дотока струје до тог тренутка.

Количина наелектрисања Q која протекне у јединици времена t је I, што потиче од француске речи за струју intensité.

Струја у класичним чврстим проводницима[уреди]

У већини чврстих проводника, када на њих не делују спољне електричне силе, постоји насумично кретање слободних електрона које настаје услед термалне енергије коју електрони добијају из околног простора. Када атом изгуби слободни електрон, постаје позитивно наелектрисан. Слободан електрон може да се креће међу овим позитивним јонима, док они могу само да осцилују око њихових сталних места у решетки проводника. Слободни електрони су стога носиоци наелектрисања у чврстим проводницима. Ако се замисли раван која пресеца проводник на пола, укупан број слободних наелектрисања (електрона) који пролазе са једне стране на другу једнак је броју који пролази у супротном смеру.

Када се крајеви чврстог проводника споје са половима извора напона, на пример једносмерне струје као што је батерија, тај извор успоставља електрично поље кроз проводник. У тренутку спајања контаката, слободни електрони у проводнику ће почети да се крећу ка позитивном крају извора под утицајем електричног поља. За сваки ампер струје, 1 кулон наелектрисања (који се састоји од око 6.242 × 10^{18} елементарних наелектрисања - наелектрисање једног електрона или протона) пролази сваке секунде кроз попречни пресек проводника. Струја I\; у амперима се може израчунати из следеће једначине:

I = {Q \over t}

где је

Q \!\ наелектрисање у кулонима
t \!\ је време у секундама

Следи да је:

Q=It \!\ и t = {Q \over I}

Просечна брзина наелектрисања[уреди]

Покретна наелектрисања унутар проводника стално се крећу у случајним правцима. Електрони су носиоци наелектрисања у металима. Непрестано се сударају са непокретним атомима и мењају свој смер и правац кретања. Ако се у обзир узме брзина кретања електрона у облику вектора, просечна брзина свих електрона заједно у проводнику је једнака нули. Ово је зато што се крећу у свим правцима и смеровима, који се међусобно поништавају. Иако се у сваком проводнику електрони непрестано крећу, не може се увек говорити о постојању електричне струје. Када се проводник нађе у електричном пољу, електрони у њему почињу да се крећу усмерено под утицајем поља. И даље се крећу неправилно, сударају се са атомима и мењају свој смер и правац кретања, али просечна брзина је сада различита од нуле, и крећу се у правцу електричног поља. Ова просечна брзина се у литератури још назива и „брзина дрифта“. Брзина којом се крећу може се израчунати из израза:

I=nSvQ \!\

где је:

I \!\ електрична струја
n \!\ број носиоца наелектрисања по јединици запремине
S \!\ поврчина попречног пресека проводника
v \!\ просечна брзина наелектрисања
Q \!\ количина наелектрисања једног носиоца.

Брзина електричне струје у чврстом проводнику је обично веома мала. На пример у бакарној жици, попречног пресека 0.5 mm², са струјом од 5 A, просечна брзина електрона је реда милиметра у секунди. Насупрот томе, на пример, у катодној цеви, електрони се крећу у приближно правој линији са брзином од десетог дела брзине светлости.

Иначе, зна се да је сигнал електричне струје талас, који пропагира дуж проводника великом брзином. Као што је то са таласима, брзина таласа у некој материји има мало везе са брзином те материје, док се креће кроз њу. На пример, у преносним мрежама наизменичне струје, талас струје се креће веома брзо од извора до удаљеног потрошача, док се наелектрисања у проводнику само померају напред-назад у малим растојањима. Брзина наелектрисања може бити веома мала. А опет, било које наелектрисање у струји се може кретати брзином светлости, мада у неким материјалима може бити спорије.

Омов закон[уреди]

Омов закон предвиђа да електрична струја у идеалном отпорнику или неком другом резистивном (отпорном) елементу буде једнака количнику електричног напона на елементу и електричног отпора:


I = \frac {U}{R}

где је:

I електрична струја, мерена у амперима
U електрични напон, мерен у волтима
R је електрични отпор у омима.

Конвенционални смер струје[уреди]

Конвенционални смер струје је дефинисан још на почетку развоја електротехнике као једнак току позитивног наелектрисања. Односно, усвојено је да струја увек тече од позитивног пола извора напона, ка негативном полу. У чврстим металима, као што су жице, позитивна наелектрисања су непокретна, а само негативна наелектрисања теку у смеру супротном конвенционалној струји, мада то није случај у неким не-металним проводницима. Електрична струја у електролитима је ток наелектрисаних атома (јона), који могу бити и позитивно и негативно наелектрисани. Такав је случај проласка струје кроз водени раствор кухињске соли или воде за пиће која природно садржи у себи растворе различитих минерала, док чиста или дестилована вода не проводи струју јер не садржи у себи јоне. Такође, занимљив је и пример, електрохемијске ћелије која може бити направљена уз помоћ слане воде (раствор натријум хлорида) са једне стране мембране и свеже воде са друге. Мембрана дозвољава пролаз позитивним јонима натријума, али не и негативним јонима хлорида, тако да постоји електрична струја кроз мембрану. Електрична струја у плазми је ток електрона као и позитивних и негативних јона. У леду, и неким чврстим електролитима, ток протона ствара електричну струју. Очигледно је да у различитим материјалима, струју чине различити носиоци неалектрисања, па чак и у неким материјалима постоји неколико различитих носилаца наелектрисања, који могу тећи у различитим смеровима. Да би се поједноставила ова ситуација задржана је оригинална дефиниција конвенционалног смера струје.

Постоје и примери где су електрони ти који се покрећу, али има више смисла да се та струја посматра као ток позитивних „електронских шупљина“ (недостатак једног електрона у омотачу да би атом био неутрално наелектрисан). Ово је случај код полупроводника П-типа.

Референтан смер[уреди]

Приликом анализе електричних кола, могуће је да прави смер струје у неком елементу кола није познат. Стога, за струје са непознатим смером, усваја се, произвољно, референтан смер. Након што се нађу стварне вредности струја у колу, поједине струје могу имати и негативне интензитете. Дакле, за негативно добијене струје, њихов прави смер је супротан од референтног који је усвојен пре решавања кола.

Електромагнетизам[уреди]

Свака електрична струја ствара магнетско поље. Магнетско поље се може представити затвореним кружним линијама који окружују проводника.

Електрична струја се непосредно може мерити галванометром, али та метода захтева претходно прекидање кола, што је непрактично у неким случајевима. Електрична струја се понекада може измерити и без прекидања кола, детектовањем и мерењем магнетског поља око проводника. Неки од таквих уређаја су сензори Халовог ефекта, струјни трансформатори и калеми Роговског.

Види још[уреди]

Спољашње везе[уреди]