Električna struja

Električna struja
Jednostavno električno kolo, u kome je struja prikazana oznakom i. Odnos između napona (V), otpora (R), i jačine struje (I) je V = IR; to je poznato kao Omov zakon.
Uobičajeni simboli	I
SI jedinica	amper
SI dimenzija	${\mathsf {I}}$
Derivacije iz drugih kvantiteta	$I={V \over R},I={Q \over t}$

Električna struja je usmereno kretanje naelektrisanja pod uticajem električnog polja ili razlike električnih potencijala. SI jedinica za električnu struju je amper (A), što je jednako protoku jednog kulona naelektrisanja u sekundi.

Električna struja može biti jednosmerna ili naizmenična. Struja teče kroz metale, elektrolite, gasove i poluprovodnike. Nosioci naboja u metalima su slobodni elektroni, u elektrolitima negativni i pozitivni joni (anjoni i katjoni), u gasovima joni i elektroni, a u poluprovodnicima elektroni i šupljine.

Metali koji obiluju slobodnim elektronima su dobri provodnici struje, npr. srebro, bakar i zlato. Slobodni elektroni su oni elektroni koji nisu u atomu, npr. odnos slobodnih i neslobodnih elektrona u bakru je 1:1, a to znači da na svaki kubni centimetar bakra dolazi 1×10²² slobodnih elektrona, pa se bakar odlikuje dobrom provodnošću.

Dogovorom je određen tehnički smer struje kao smer kretanja pozitivnog naboja (od pozitivnog prema negativnom polu). Kako se elektroni kreću u suprotnom smeru, to znači da je njihov naboj negativan.

Elektroni se u provodniku usmereno kreću pod uticajem električnog polja, pa zbog toga na krajevima provodnika mora postojati razlika potencijala, tj. napon. Kad nema električnog polja, kretanje elektrona je haotično, što znači da je svaki smer jednako moguć i to brzinom od oko 1000 km/s (srednja termička brzina). Delovanjem električnog polja elektroni dobijaju dodatnu zajedničku komponentu brzine kretanja prema pozitivnom polu (klizanje) od svega nekoliko mm/s (driftna brzina).

Količina naboja Q u nekom provodniku jednaka je umnošku naboja elektrona e i broja tih elektrona N: $Q=e\cdot N$

Simbol

Konvencionalni simbol za struju je I, što potiče od francuske fraze intensité de courant, (jačina struje). Jačina struje se obično naziva jednostavno strujom. Simbol I je koristio Andre-Mari Amper, po kome je nazvana jedinica električne struje, u formulaciji zakona Amperove sile (1820). Ta notacija je prihvaćena u Velikoj Britaniji, gde je postala standard, mada postoji bar jedan časopis u kome je korišteno C umesto I do 1896.

Definicija

Intenzitet električne struje se definiše kao količnik protekle količine naelektrisanja u jedinici vremena, odnosno matematički formalizovano kao izvod po vremenu naelektrisanja:

$I={dQ \over dt}$

Strože, struja se posmatra kao veličina zavisna od vremena, jer tokom vremena može proticati promenljiva količina naelektrisanja:

$i(t)={dq(t) \over dt}$ ili inverzno kao

$q(t_{0})=\int _{-\infty }^{t_{0}}i(t)\,dt$

što se tumači da je količina naelektrisanja zatečena u jednom trenutku jednaka zbiru svih dotoka struje do tog trenutka.

Količina naelektrisanja Q koja protekne u jedinici vremena t je I, što potiče od francuske reči za struju intensité.

Struja u klasičnim čvrstim provodnicima

U većini čvrstih provodnika, kada na njih ne deluju spoljne električne sile, postoji nasumično kretanje slobodnih elektrona koje nastaje usled termalne energije koju elektroni dobijaju iz okolnog prostora. Kada atom izgubi slobodni elektron, postaje pozitivno naelektrisan. Slobodan elektron može da se kreće među ovim pozitivnim jonima, dok oni mogu samo da osciluju oko njihovih stalnih mesta u rešetki provodnika. Slobodni elektroni su stoga nosioci naelektrisanja u čvrstim provodnicima. Ako se zamisli ravan koja preseca provodnik na pola, ukupan broj slobodnih naelektrisanja (elektrona) koji prolaze sa jedne strane na drugu jednak je broju koji prolazi u suprotnom smeru.

Kada se krajevi čvrstog provodnika spoje sa polovima izvora napona, na primer jednosmerne struje kao što je baterija, taj izvor uspostavlja električno polje kroz provodnik. U trenutku spajanja kontakata, slobodni elektroni u provodniku će početi da se kreću ka pozitivnom kraju izvora pod uticajem električnog polja. Za svaki amper struje, 1 kulon naelektrisanja (koji se sastoji od oko 6.242 × $10^{18}$ elementarnih naelektrisanja - naelektrisanje jednog elektrona ili protona) prolazi svake sekunde kroz poprečni presek provodnika.

Struja $I\;$ u amperima se može izračunati iz sledeće jednačine:

$I={Q \over t}$

gde je

$Q\!\$ naelektrisanje u kulonima

$t\!\$ je vreme u sekundama

Sledi da je:

$Q=It\!\$ i $t={Q \over I}$

Električna otpornost provodnika

Električna otpornost otpornika zavisi od specifične otpornosti provodnika, srazmerna je njegovoj dužini i obrnuto srazmerna njegovoj površini poprečnog preseka R je srazmerno l

$R=R_{o}{\frac {l}{s}}$

Gde je R je električna otpornost, R_o je specifična otpornost provodnika, l je dužina provodnika, S je površina poprečnog preseka.

Prosečna brzina naelektrisanja

Pokretna naelektrisanja unutar provodnika stalno se kreću u nasumičnim pravcima. Elektroni su nosioci naelektrisanja u metalima. Neprestano se sudaraju sa nepokretnim atomima i menjaju svoj smer i pravac kretanja. Ako se u obzir uzme brzina kretanja elektrona u obliku vektora, prosečna brzina svih elektrona zajedno u provodniku je jednaka nuli. Ovo je zato što se kreću u svim pravcima i smerovima, koji se međusobno poništavaju. Iako se u svakom provodniku elektroni neprestano kreću, ne može se uvek govoriti o postojanju električne struje. Kada se provodnik nađe u električnom polju, elektroni u njemu počinju da se kreću usmereno pod uticajem polja. I dalje se kreću nepravilno, sudaraju se sa atomima i menjaju svoj smer i pravac kretanja, ali prosečna brzina je sada različita od nule, i kreću se u pravcu električnog polja. Ova prosečna brzina se u literaturi još naziva i „brzina drifta“. Brzina kojom se kreću može se izračunati iz izraza:

$I=nSvQ\!\$

gde je:

$I\!\$ električna struja

$n\!\$ broj nosilaca naelektrisanja po jedinici zapremine

$S\!\$ površina poprečnog preseka provodnika

$v\!\$ prosečna brzina naelektrisanja

$Q\!\$ količina naelektrisanja jednog nosioca.

Brzina električne struje u čvrstom provodniku je obično veoma mala. Na primer, u bakarnoj žici, poprečnog preseka 0.5 mm², sa strujom od 5 A, prosečna brzina elektrona je reda milimetra u sekundi. Nasuprot tome, na primer, u katodnoj cevi, elektroni se kreću u približno pravoj liniji brzinom od desetog dela brzine svetlosti.

Inače, zna se da je signal električne struje talas, koji propagira duž provodnika velikom brzinom. Kao što je to sa talasima, brzina talasa u nekoj materiji ima malo veze sa brzinom te materije, dok se kreće kroz nju. Na primer, u prenosnim mrežama naizmenične struje, talas struje se kreće veoma brzo od izvora do udaljenog potrošača, dok se naelektrisanja u provodniku samo pomeraju napred-nazad u malim rastojanjima. Brzina naelektrisanja može biti veoma mala, a opet, bilo koje naelektrisanje u struji se može kretati brzinom svetlosti, mada u nekim materijalima može biti i sporije.

Omov zakon

Omov zakon, jedan od osnovnih zakona u oblasti električne struje, predviđa da električna struja u idealnom otporniku ili nekom drugom rezistivnom (otpornom) elementu bude jednaka količniku električnog napona na elementu i električnog otpora:

$I={\frac {U}{R}}$

gde je:

I električna struja, merena u amperima (A)

U električni napon, meren u voltima (V)

R je električni otpor u omima. (Ω)

Specifičnije, iz Omovog zakona definisanog ovom relacijom sledi da je otpor konstantan i nezavisan od struje.

Gustina struje i Omov zakon

Glavni članak: Gustina struje

Gustina struje je mera gustine električne struje. Ona se definiše kao vektor čija magnituda je električna struja po poprečnom preseku. U SI jedinicama, gustina struje se izražava u amperima po kvadratnom metru.

$I=\int {\vec {J}}\cdot d{\vec {A}}$

gde je $I$ struja u provodniku, ${\vec {J}}$ je gustina struje, i $d{\vec {A}}$ je diferencijalni vektor oblasti poprečnog preseka.

Gustina struje (struja po jedinici površine) ${\vec {J}}$ kod materijala sa konačnim otporom je direktno proporcionalna električnom polju ${\vec {E}}$ medijuma. Konstanta proporcionalnosti se naziva provodljivost $\sigma$ materijala, i njena vrednost je zavisna od prirode datog materijala, i najčešće od temperature materijala:

${\vec {J}}=\sigma {\vec {E}}\,$

Recipročna vrednost provodljivosti $\sigma$ materijala je otpornost $\rho$ materijala i gornja jednačina napisana u pogledu otpora postaje:

${\vec {J}}={\frac {\vec {E}}{\rho }}$ ili

${\vec {E}}=\rho {\vec {J}}$

Provodnost kod poluprovodničkih uređaja se može javiti kao kombinacija drifta i difuzije, koja je proporcionalna sa konstantom difuzije $D$ i gustinom električnog naboja $\alpha _{q}$. Gustina struje je onda:

$J=\sigma E+Dq\nabla n,$

gde je $q$ elementarno naelektrisanje a $n$ gustina elektrona. Prenosioci se kreću u smeru opadajuće koncentracije, tako da za elektrone pozitivna struja proizvodi pozitivni gradijent gustine. Ako su prenosnici šupljine, gustina elektrona $n$ se zamenjuje negativnom gustinom šupljina $p$.

Kod linearnih anizotropnih materijala, σ, ρ i D su tenzori.

Kod linearnih materijala kao što su metali, pri niskim frekvencijama, gustina struje kroz površinu provodnika je uniformna. U takvim uslovima, Omov zakon navodi da je struja direktno proporcionalna razlici potencijala između dva kraja tog metalnog (idealnog) provodnika (ili drugog omskog uređaja): $I={V \over R}\,$. Kod naizmeničnih struja, posebno pri visokim frekvencijama, skin efekat uzrokuje neravnomerno prostiranje struje duž poprečnog preseka provodnika, pri čem se veća gustina javlja uz površinu, čime se povećava pojavna otpornost.

Konvencionalni smer struje

Konvencionalni smer struje je definisan još na početku razvoja elektrotehnike kao jednak toku pozitivnog naelektrisanja. Odnosno, usvojeno je da struja uvek teče od pozitivnog pola izvora napona, ka negativnom polu. U čvrstim metalima, kao što su žice, pozitivna naelektrisanja su nepokretna, a samo negativna naelektrisanja teku u smeru suprotnom konvencionalnoj struji, mada to nije slučaj u nekim ne-metalnim provodnicima. Električna struja u elektrolitima je tok naelektrisanih atoma (jona), koji mogu biti i pozitivno i negativno naelektrisani. Takav je slučaj prolaska struje kroz vodeni rastvor kuhinjske soli ili vode za piće koja prirodno sadrži u sebi rastvore različitih minerala, dok čista ili destilovana voda ne provodi struju jer ne sadrži u sebi jone. Takođe, zanimljiv je i primer, elektrohemijske ćelije koja može biti napravljena uz pomoć slane vode (rastvor natrijum hlorida) sa jedne strane membrane i sveže vode sa druge. Membrana dozvoljava prolaz pozitivnim jonima natrijuma, ali ne i negativnim jonima hlorida, tako da postoji električna struja kroz membranu. Električna struja u plazmi je tok elektrona kao i pozitivnih i negativnih jona. U ledu, i nekim čvrstim elektrolitima, tok protona stvara električnu struju. Očigledno je da u različitim materijalima, struju čine različiti nosioci naelektrisanja, pa čak i u nekim materijalima postoji nekoliko različitih nosilaca naelektrisanja, koji mogu teći u različitim smerovima. Da bi se pojednostavila ova situacija zadržana je originalna definicija konvencionalnog smera struje.

Postoje i primeri gde su elektroni ti koji se pokreću, ali ima više smisla da se ta struja posmatra kao tok pozitivnih „elektronskih šupljina“ (nedostatak jednog elektrona u omotaču da bi atom bio neutralno naelektrisan). Ovo je slučaj kod poluprovodnika P-tipa.

Referentan smer

Prilikom analize električnih kola, moguće je da pravi smer struje u nekom elementu kola nije poznat. Stoga, za struje sa nepoznatim smerom, usvaja se, proizvoljno, referentan smer. Nakon što se nađu stvarne vrednosti struja u kolu, pojedine struje mogu imati i negativne intenzitete. Dakle, za negativno dobijene struje, njihov pravi smer je suprotan od referentnog koji je usvojen pre rešavanja kola.

Elektromagnetizam

Prema Amperovom zakonu, električna struja proizvodi magnetno polje.

Svaka električna struja stvara magnetsko polje. Magnetsko polje se može predstaviti zatvorenim kružnim linijama koji okružuju provodnika.

Električna struja se neposredno može meriti galvanometrom, ali ta metoda zahteva prethodno prekidanje kola, što je nepraktično u nekim slučajevima. Električna struja se ponekada može izmeriti i bez prekidanja kola, detektovanjem i merenjem magnetskog polja oko provodnika. Neki od takvih uređaja su senzori Halovog efekta, strujni transformatori i kalemi Rogovskog.

Elektromagnet

Glavni članak: Elektromagnet

Elektromagnetni kalem, sa velikim brojem kružnih namotaja izolovane žice omotanih oko cilindrične osnove, ponaša se kao magnet kad električna struja protiče kroz njega. Kad se struja isključi, kalem momentalno gubi svoj magnetizam. Takav uređaj se naziva elektromagnetom. Električna struja proizvodi magnetno polje. Ono se može prikazati u vidu kružnih linija polja koje okružuju žice, i koje postoji dokle god ima protoka struje.

Magnetizam isto tako može da proizvede električnu struju. Kad se promenljivo magnetno polje primeni na provodnik, nastaje elektromotorna sila (ЕМФ) i kad postoji podesan put to uzrokuje nastanak struje.

Radio talasi

Glavni članak: Radio-talasi

Kad električna struja protiče kroz podesno oblikovani provodnik na radio frekvencijama može da dođe do formiranja radio talasa. Oni putuju brzinom svetlosti i mogu da uzrokuju pojavu električne struje u udaljenim provodnicima.

Vidi još

• Naizmenična struja
• Jednosmerna struja
• Gustina struje
• Magnetsko polje
• Strujni udar

Literatura

• Schon, Klaus (2013). High Impulse Voltage and Current Measurement Techniques: Fundamentals – Measuring Instruments – Measuring Methods. Springer Science & Business Media. str. 193. ISBN 978-3-319-00378-8. 
• K. S. Suresh Kumar (2013). 'Electric Circuit Analysis. Pearson Education India. ISBN 978-9332514102. 
• Berlin, Howard M.; Frank C. Getz (1988). Principles of Electronic Instrumentation and Measurement. Merrill Pub. Co. str. 37. ISBN 978-0-675-20449-1. 
• Lowe, T. L.; Rounce, John (2002). Calculations for A-level Physics. Nelson Thornes. str. 2. ISBN 978-0-7487-6748-9. 
• Consoliver, Earl L.; Mitchell, Grover I. (1920). Automotive ignition systems. McGraw-Hill. str. 4. 
• John G. Webster, Halit Eren, ur. (2014). Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook, Second Edition: Electromagnetic, Optical, Radiation, Chemical, and Biomedical Measurement. CRC Press. str. 16—6 to 16—7. ISBN 978-1-4398-4891-3. 
• Griffiths, David J. (1999). Introduction to electrodynamics (3rd izd.). Prentice Hall. str. 289. ISBN 978-0-13-805326-0. 
• Purcell, Edward M. (1985). Electricity and magnetism. Berkeley Physics Course. 2 (2nd izd.). McGraw-Hill. str. 129. ISBN 978-0-07-004908-6. 
• Millikan, Robert A. (1917). Elements of Electricity. American Technical Society. str. 54. 
• Heaviside, Oliver (1894). Electrical papers. 1. Macmillan and Co. str. 283. ISBN 978-0-8218-2840-3. 
• Banerjee, Chandana (2015). We And Our World (First izd.). Bharati Bhawan. ISBN 978-81-7709-720-7. 
• Graf, Rudolf F. (1999). Modern Dictionary of Electronics. Newnes. str. 29. ISBN 978-0-7506-9866-5. 
• Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012). Antenna Theory and Design, 3rd Ed. John Wiley & Sons. str. 560—564. ISBN 978-0-470-57664-9. 
• Tipler, Paul A. (1976). Physics. New York, NY: Worth Publishers, Inc. str. 803. ISBN 978-0-87901-041-6. 
• Feynman, Richard Phillips; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew (1964). The Feynman Lectures on Physics. 2. California Institute of Technology. ISBN 978-0-465-07998-8. Arhivirano iz originala 02. 12. 2016. g. Pristupljeno 07. 06. 2017. 
• Jiles, David C. (1998). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (2 izd.). CRC. str. 3. ISBN 978-0-412-79860-3. 
• Robinson, Andrew J.; Snyder-Mackler, Lynn (2007). Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing (3rd izd.). Lippincott Williams & Wilkins. str. 10. ISBN 978-0-7817-4484-3. 
• Ashcroft, Neil W.; Mermin, N. David (1976). Solid State Physics (1st izd.). Holt, Reinhart, and Winston. str. 299-302. ISBN 978-0-03-083993-1. Pristupljeno 17. 1. 2017. 
• Fink, Donald G.; Beaty, H. Wayne (2000). Standard Handbook for Electrical Engineers (14th izd.). McGraw-Hill. str. 2–50. ISBN 978-0-07-022005-8. 
• Hayt, William H. (1989). Engineering Electromagnetics (5th izd.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-027406-8. 
• Monk, Paul S. M. (2004). Physical chemistry: understanding our chemical world. New York: Chichester: Wiley. str. 16. ISBN 978-0-471-49181-1. 
• Serway, Raymond A.; Jewett, J. W. (2006). Serway's principles of physics: a calculus based text (Fourth izd.). Belmont, California: Thompson Brooks/Cole. str. 746. ISBN 978-0-534-49143-7. 
• Bhargava, N. N.; Kulshreshtha, D. C. (1983). Basic Electronics & Linear Circuits. Tata McGraw-Hill Education. str. 90. ISBN 978-0-07-451965-3. 
• National Electric Light Association (1915). Electrical meterman's handbook. Trow Press. str. 81. 
• Bhargava, N. N.; Kulshreshtha, D. C. (1983). Basic Electronics & Linear Circuits. Tata McGraw-Hill Education. str. 90. ISBN 978-0-07-451965-3. 
• Millikan, Robert A.; Bishop, E. S. (1917). Elements of Electricity. American Technical Society. str. 54. 
• Consoliver, Earl L.; Mitchell, Grover I. (1920). Automotive ignition systems. McGraw-Hill. str. 4. 
• Shedd, John C.; Hershey, Mayo D. (1913). „Popular Science”. Bonnier Corporation. str. 599. ISBN 01617370. 
• Schagrin, Morton L. (1963). „Resistance to Ohm's Law”. American Journal of Physics. 31 (7): 536—47. Bibcode:1963AmJPh..31..536S. doi:10.1119/1.1969620. 
• Muller, Richard S.; Kamins, Theodore I. (1986). Device Electronics for Integrated Circuits. John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-88758-4. 

Spoljašnje veze

• Interaktivna konverzija jedinica Arhivirano na sajtu Wayback Machine (5. decembar 2008) - konverzija jedne jedinice u druge jedinice struje
• U kom smeru naelektrisanje zaista teče?
• Sve o električnim kolima - koristan sajt za upoznavanje sa elektricitetom i elektronikom.