images/pdf/elektrostatika - Fakultet za metalurgiju i materijale
Download
Report
Transcript images/pdf/elektrostatika - Fakultet za metalurgiju i materijale
UNIVERZITET U ZENICI
FAKULTET ZA METALURGIJU I MATERIJALE
I godina (studij 4+1):
Naziv predmeta: OSNOVI ELEKTROTEHNIKE
Nastavnik: Doc. dr sc. Izet Džananović dipl.inž.el.
Asistent: Remzija Gušić dipl.inž.el
Literatura: ELEKTROTEHNIKA Ahmet Gavranović,
Mašinski fakultet Zenica
OSNOVE ELEKTROTEHNIKE, Narcis Behlilović
Elektrotehnički fakultet Sarajevo
Fond časova: Predavanja- 2 časa sedmično
Vježbe- 1 čas sedmično
Provjera znanja: dva kolokvija i završni ispit
ELEKTROSTATIKA
Oblast elektrotehnike u kojoj se proučava elektricitet u stanju mirovanja
zove se elektrostatika. Neke električne osobine naelektrisanih tijela već su
dosta davno zapažene. Stari Grci su zapazili da jantar natrljan vunom
poprima nove osobine, kao na primjer da privlači lake predmete. Ove
osobine natrljanog jantara nazivamo električnim osobinama, pa kažemo da
se jantar trljanjem naelektrizirao. Riječ elektricitet potječe od grčke riječi
o (elektron), koja na grčkom jeziku znači jantar.
Danas se zna da takva električna svojstva pripisujemo postojanju
električnog naboja (količini elektriciteta).
Svojstva električnog naboja su sljedeća:
• Postoje dvije vrste naboja, pozitivan i negativan. Tako npr. pozitivan
naboj nastaje na staklu kada se trlja kožom, a negativan na ebonitu kada
se trlja tkaninom;
• Istoimeni naboji se odbijaju, a raznoimeni privlače
U prirodi postoji najmanji – elementarni-naboj qo , pa se smatra da se
električni naboj q pojavljuje kao cjelobrojni višekratnik elementarnog naboja
tj. q = n qo . Nosioci elementarnog naboja su elementarne čestice, elektroni
i protoni, od kojih su građena sva tijela. Elektron posjeduje negativan, a
proton pozitivan električni elementarni naboj. Elementarni naboj iznosi
qo = 0,16010-18 C (kulona), gdje je
1C – jedinica za količinu naboja. Osim 1C kao jedinica za količinu naboja se
koristi 1As (ampersekunda). Pri tome treba imati u vidu da je
1C = 1As;
Ako neko tijelo ima više pozitivnog ili negativnog naboja, onda kažemo da
je takvo tijelo naelektrizirano pozitivno ili negativno.
Jedan od fundamentalnih zakona je zakon o konzervaciji naboja. Na
osnovu eksperimenta je utvrđeno da ukupni naboj sistema, ako se u njega
ne unosi naboj, ostaje konstantan. Pod ukupnim nabojem sistema Q se
podrazumijeva algebarska suma naboja sistema (n-pozitivnih i m-negativnih
elementarnih čestica) a data je izrazom:
n
m
Q qi q j .
i 1
j 1
MODELI ELEKTRIZIRANOG TIJELA
Za opis elektriziranog tijela koristićemo dva modela:
•
Model tačkastog naboja;
•
Model sa kontinuiranom raspodjelom po volumenu, površini i liniji
(duljini).
Pojam tačkastog naboja analogan je pojmu matematičke tačke u mehanici.
Tačkastim nabojem nazivati ćemo naelektrisano tijelo čije dimenzije u datim
uvjetima možemo zanemariti.
Češće se u praksi susrećemo sa kontinuiranom razdiobom naboja, koju
karakteriziramo sa gustoćom raspodjele naboja po volumenu, površini i
liniji. Za prostornu razdiobu naboja uvedimo pojam prostorne gustoće
q
lim
,
naboja koju definiramo izrazom:
V 0 V
gdje je: q – naboj u elementu volumena V.
Za razdiobu naboja po površini naelektriziranog tijela uvedimo pojam
površinske gustoće naboja koju definiramo izrazom: lim q ,
S 0 S
gdje je: q naboj na elementu površine S.
O linijskoj razdiobi naboja govorimo kod onih naelektriziranih tijela koja se
mogu promatrati kao geometrijska linija. Kao primjer te razdiobe naboja
navedimo dugu tanku žicu po kojoj je jednoliko raspoređen naboj. Za
linijsku razdiobu naboja uvedimo pojam linijske gustoće definiranu
izrazom: lim q , gdje je: q - naboj na dijelu linije dužine .
0
VODIČI I IZOLATORI
Prema svojim električnim osobinama razne materije i sredine dijele se na
dvije osnovne klase:
•
vodiče i
•
izolatore (dielektrike)
Vodljivi materijali ili vodiči su materijali koji brzo prenose električni naboj. To
im omogućuju slobodni (slabo vezani uz jezgru atoma) elektroni.
U vodljive materije spadaju prije svega svi metali, čija je vodljivost
uslovljena tzv. slobodnim elektronima koji su slabo vezani sa atomima i koji
se gibaju od atoma do atoma i obrazuju kod usklađenog kretanja električnu
struju i u metalu
Izolatori ili dielektrici su takve materije ili sredine u kojima nema slobodnih
elementarnih elektirčnih naboja, ili, pak, tih slobodnih naboja ima u praktički
zanemarljivim količinama. U takvoj materiji ili sredini ne može egzistirati
stalna električna struja pod uticajem stalnog električnog polja ili se, pak, ta
struja praktički može zanemariti.
Savršen izolator je takozvani vakuum, tj. prostor u kojem nema pozitivnih
elementarnih čestica materije. U izolatore spadaju osim vakuuma i
izolacione materije kao što su staklo, parafin, tinjac, transformatorsko ulje,
porculan, vazduh u nejoniziranom stanju itd.
Proučavajući elektrostatičko polje, pretpostavljat ćemo, da su naelektrisana
vodljiva tijela okružena idealnom izolacionom sredinom, čija je vodljivost
jednaka nuli.
ELEKTRIČNO POLJE I NJEGOVE MANIFESTACIJE
Električno polje je prostor u kojem se odigrava naročiti fizički proces, koji
se, posebno, manifestuje pojavom mehaničke sile na elementarni električni
naboj unesen u taj prostor. Za kvantitativnu karakteristiku električnog polja
koristit ćemo pomenutu njegovu osnovnu manifestaciju – pojavu mehaničke
sile koja djeluje na jedinični naboj unesen u polje
COULOMBOV ZAKON(KULONOV ZAKON)
Kulonov zakon glasi: mehanička sila F međusobnog djelovanja dva
tačkasta naboja q1 i q2 u bilo kojoj homogenoj sredini je proporcionalna
njihovom produktu a obruto proporcionalna kvadratu rastojanja r između
njih.
q1 q2
F
k
Matematski se taj zakon može prikazati u obliku:
r2
Ta sila F ima pravac duži koja spaja tačke u kojima zamišljamo
skoncentrisane količine elektriciteta q1 i q2 . Drugim riječima to znači da je
sila F vektorska veličina.
Koeficijent k zavisi od osobina sredine u kojoj se nalaze količine
elektriciteta (q1 i q2), koje djeluju jedna na drugu k 1
4
gdje je veličina koja karakteriše električna svojstva sredine, a dobila je
naziv apsolutna dielektrična konstanta ili apsolutna dielektrična vodljivost
sredine. Apsolutna dielektirčna konstanta se može prikazati u obliku
= o r
gdje je: o = 8.85410-12 As/Vm – apsolutna dielektrična konstanta
vakuuma; r – relativna dielektrična konstanta dielektrika (za zrak r = 1).
Ako se u izrazu za Kulonov zakon uvrsti k = 1/4 , Kulonov zakon će
1 q1 q2
1
q1 q2
dobiti oblik:
F
(N )
2
2
4 r
4 r o r
gdje je 1 njutn (1N) jedinica za mjerenje veličine sile F.
Ako je elektirčno polje složeno onda za rezultujuću silu vrijedi zakon
superpozicije. To znači da se nsile nastale od n naboja vektorski zbrajaju i
daju rezultujuću silu: F
F.
i 1
i
FA F1 F2
FB F3 F4
FC F5 F6
Vektorski prikaz određivanja sile F nastale djelovanjem više naboja (+Q i –Q)
Jačina električnog polja E je vektorska veličina, koja ima isti pravac i smjer
kao vektor mehaničke sile F, koja djeluje na pozitivnu probnu količinu
naboja. Jedinica za jakost električnog polja je:
E F 1N
q
1C
VAs
V
1 .
As m
m
Za električno polje kao i za silu vrijedi princip superpozicije. To znači da se
polja nastala od n naboja vektorski zbrajaju i daju rezultirajuće polje jakosti
n
E Ei .
i 1
Električno polje moguće je predstaviti silnicama električnog polja, koje su
zamišljene linije čija se tangenta u svakoj tački podudara sa smjerom
električnog polja. Smatramo da silnice izviru iz pozitivnog naboja, a poniru
na negativnom naboju. Silnice pretstavljaju i najkraću liniju gibanja
pozitivnog jediničnog naboja od +q1 do –q2
Predstavljanje polja između dvaju naboja +q1 i –q2 pomoću električnih silnica
Gustoća silnica je broj silnica koje na tom mjestu prolaze
okomito kroz jedinicu površine prostora. Veća gustoća silnica znači jače
električno polje. S obzirom na karakter toka silnica dijelimo električna
polja na homogena i nehomogena. Homogeno električno je polje
koje ima jednaku gustoću silnica na svim promatranim mjestima.
Predstavljanje električnog polja pomoću električnih silnica:
a)Pozitivnog tačkastog naboja i kugle, b) dvaju vodiča sa nabojima +q1 i –q ,
c) između vodiča i zemlje, -q,e) između pločaste elektrode i elektrode u obliku šiljka
f) polje između naelektrisanog oblaka i šiljka gromobrana
POTENCIJALNA ENERGIJA ELEKTRIČNOG POLJA I
ELEKTROMOTORNA SILA
Pojam potencijala poznat nam je još iz fizike u vezi sa pojmom energija
i to kao tzv. potencijalna energija. To je energija, koja se javlja, odnosno
koja je svojstvena tijelu uslijed njegova određenog položaja i koja
karakterizira njegovu sposobnost obavljanja određene radnje. Jedna
vrsta potencijalne energije sadržana je i u svakom električnom polju.
Naime, budući da električno polje djeluje na svaki električni naboj
unutar njega, želeći da ga iz njegova položaja premjesti u neku drugu
tačku polja, ono u svakoj svojoj tački posjeduje određenu potencijalnu
energiju. Ako je dotični naboj slobodan, on će pri tome izvršiti tačno
određenu mehaničku radnju.
ELEKTRIČNO POLJE U IZOLATORIMA
Postoji bitna razlika u ponašanju vodiča i izolatora (dijalektrikuma) kada
se nađu u električnom polju. Dok se kod vodiča djelovanjem električnog
polja slobodni naboj (elektroni) koncentrira u njegovoj vanjskoj površini,
od izolatora, koji ima vrlo malo slobodnih elektrona, dolaze atomi
djelovanjem električnog polja u napeto stanje. Ako je električno polje
konstantno, onda napeto stanje prati kratkotrajno gibanje naboja u
izolatoru
Tako možemo i u pobuđenim atomima izolatora smatrati atomsku jezgru
pozitivnim polom, a elektrone negativnim polom, pa atom ostavlja dojam
kao da se sastoji od dva naboja različitih znakova koji su koncentrirani na
njegovim krajevima. Kažemo da je pobuđeni atom polariziran i da tvori tzv.
dipol (dvopol). Pod djelovanjem električnog polja nastaju u izolatoru čitavi
nizovi polariziranih atoma, odnosno molekula (zavisi od sastava i izolatora
koji se protežu od poršine jednog vodiča (elektrode) do površine drugog,
tvoreći tzv. linije elektrostatske indukcije. Ukupan broj linija elektrostatske
indukcije čini elektrostatski tok . Elektrostatski tok je mjerilo
polarizacije
izolatora. Matematski se može definirati izrazom D dS
gdje je D gustoća elektrostatskog toka na elementu površine dS
POLJE NA GRANICI DVA DIELEKTRIKA
Posmatrajmo polje na granici dva homogena i izotropna dielektrika*
različitih dielektričnih konstanti 1 i 2. Neka linije sile u prvoj sredini
zatvaraju sa normalom na dodirnoj površini ugao 1 . Odredimo
odgovarajući ugao u drugoj sredini 2.
Polje na granici dva dielektrika
Matematski je moguće pokazati da su električna naprezanja dvaju
graničnih izolatora obrnuto proporcionalna njihovim dielektričnim
konstantama. To znači da je veće električno naprezanje izolatora sa
manjom dielektričnom konstantom. Stoga kod električnih uređaja ne
smijemo upotrebljavati izolaciju izvedenu od kombinacije dielektrikuma sa
E1 2
velikim odnosom dielektričnih konstanti
E2
1
ELEKTRIČNI KAPACITET
Ako dva vodiča istog oblika, ali razne veličine, npr. dvije kugle raznih
poluprečnika, priključimo na isti pol izvora E M S oni će se nabiti istom
vrstom elektriciteta. Budući da kugla većeg poluprečnika ima veću površinu
na nju će stati proporcionalno veća množina elektriciteta. Da bi dobili isti
potencijal obe kugle, treba da na veću kuglu dovedemo toliko puta veći
naboj koliko puta je njena površina veća od površine manje kugle. To znači
da se naboj manje kugle q1 prema naboju veće kugle q2 odnosi
proporcionalno kvadratima njihovih poluprenika, dakle:
q1 : q2 4R12 : 4R22 R12 : R22
Vidimo da veća kugla prima veći naboj pa za nju možemo reći da ima veći
električni kapacitet. Pod električnim kapacitetom nekog tijela
podrazumjevamo njegovu sposobnost da u određenim električnim prilikama
primi na sebe određenu količinu elektriciteta q, a možemo ga matematski
q
1As
izraziti u obliku
C
(1F
)
U
V
gdje je: C – kapacitet tijela dat u faradima (F);
q – naboj tijela mjeren u As;
U – napon tijela mjeren u V.
Za praktične svrhe 1 F je suviše velika jedinica kapaciteta. Zbog toga se u
praksi obično upotrebljavaju manje jedinice od 1 F kao što su mikrofarad
(F), nanofarad (nF) i pikofarad (pF). Pri tome vrijede sljedeći odnosi:
1 F = 10-6 F
1 nF = 10-9 F
1 pF = 10-12 F .
Sa pojmom kapaciteta usko je vezan pojam električnog kondenzatora.
Općenito se pod pojmom kondenzatora podrazumjeva kombinacija bilo
kakva dva vodiča ma kakvog oblika, a raznih potencijala koji su međusobno
razdvojeni dielektrikom, a toliko su blizu jedan drugom da se između njih
može stvoriti električno polje.
PLOČASTI KONDENZATOR
Od umjetnih kondenzatora dosta se upotrebljava tzv. pločasti kondenzator
predstavljen na slici
Pločasti kondenzator
Zahvaljujući vrlo dobrim dielektricima, debljina d izolacionog sloja
između elektroda zanemarivo je mala u odnosu prema površini elektroda.
Posljedica toga je homogeno i jako električno polje E, koje na elektrodama
veže veliki naboj tako da se postižu veliki kapaciteti uz srazmjerno male
dimenzije kondenzatora. Kapacitet pločastog kondenzatora, uz gornje
pretpostavke, možemo prikazati izrazom
C
q D S o r E S
S
o r
U Ed
Ed
d
gdje je: o – dielektrična konstanta zraka;
r – relativna dielektrična konstanta izolatora koji se nalazi između
pločastih elektroda kondenzatora,
S – površina vodljivih elektroda kondenzatora,
d – razmak između elektroda kondenzatora
VIŠESLOJNI KONDENZATORI
Povećanje kapaciteta kondenzatora putem povećanja površine elektroda
možemo ostvariti ako kondenzatore izvedemo kao tzv. višeslojne, kod kojih
se svaka elektroda sastoji od nekoliko paralelnih ploča jednake površine.
Višeslojni kondenzatori: a)pločasti; b) izvedeni u obliku zavojnica
Kapacitet višeslojnog pločastog kondenzatora je dat izrazom
S
C N o r
d
gdje je: N = n – 1
n – broj ploča višeslojnog kondenzatora
S – površina jedne ploče
d – razmak između dvije ploče
VIŠESLOJNI PROMJENJLJIVI PLOČASTI
KONDENZATIRI
Vrlo često se u praksi javlja potreba za kondenzatorima čiji kapacitet
nije konstantan, nego se može mijenjati i to u velikom rasponu.
Kondenzatori čiji kapacitet se može mijenjati nazivamo promjenjljivi
kondenzatori, a naročito se mnogo koriste u radiotehnici.
Promjenjljivi višeslojni kondnzatori
ELEKTROLITSKI KONDENZATORI
Elektrolitski kondenzator sastoji se od aluminijske limene posudice
u kojoj se nalazi pozitivna elektroda (anoda) u obliku aluminijskog
šupljeg valjka i elektrolit. Kao elektrolit služi vodena otopina boraksa
Elektrolitski kondenzator
CILINDRIČNI KONDENZATOR
Pod pojmom cilindrični kondenzator se podrazumijeva kondenzator
sastavljen od dva koaksijalna valjka, razdvojena dielektrikom. Takav je
npr. slučaj kod jednožilnog kabla, kod kojeg se oko jednog okruglog
vodiča obloženog gumom, papirom, izoprenom i sl. nalazi olovni plašt
bez šava.
Princip cilindričnog kondenzatora
Ne upuštajući se u složeni izvod, kapacitet jednožilnog kabla može se
izračunati pomoću izraza
gdje je:
- duljina kabla u metrima
ln - prirodni logaritam (baza e = 2,718)
KAPACITET DVOŽIČNOG VODA
Neka imamo dvožični vod (prikazan na slici) čiji su vodići 1 i 2 istog poluprečnika r razmaknuti na dužinu d. Pri tome neka vrijedi da je dr
što odgovara odnosima kod realnih vodova.Kapacitet takvog dvožičnog
voda može se odrediti pomoću izraza:
Uobičajeno je da se daje kapacitet voda po jedinici dužine.
Podijeli li se ovaj izraz sa te uzme da je d-r = d dobije se
da je
Električno polje između ravnih, paralelnih vodiča
SPAJANJE KONDENZATORA
U praksi vrlo često nemamo na raspolaganju kondenzatore onoga
kapaciteta koji bi nam u određenom slučaju baš bio potreban. U tom
slučaju pomažemo sebi tako da određeni broj raspoloživih kondenzatora spojimo međusobno na takav način da rezultirajući (ekvivalentni)
kapacitet spoja odgovara po veličini kapaciteta našoj potrebi. Postoje u
principu dva osnovna načina za spajanje kondenzatora a to su serijski i
paralelni, te kombinacija ovih tzv. mješoviti spoj kondenzatora.
SERIJSKI SPOJ KONDENZATORA
Serijsko spajanje kondenzatora
Na osnovu poznatih zakonitosti elektrostatike lako je dokazati da vrijedi
realizacija
q1 = q 2 = q 3 = . . . . . . . . = q n = q .
Isto tako na osnovu prethodne slike možemo pisati da je
U = U 1 + U2 + U3 + . . . + U n
odnosno
U
q
q
q
q
, U1 , U 2
, Un
.
C
C1
C2
Cn
Sređivanjem izraza dobija se da je
1
1
1
1
1
C C1 C2 C3
Cn
PARALELNI SPOJ KONDENZATORA
Paralelni spoj kondenzatora dobijemo spajanjem kondenzatora prema slici1.17.
Naponi na paralelno spojenim kondenzatorima su jednaki naponu izvora U na
koji su priključeni.
Paralelni spoj kondenzatora
Za paralelni spoj kondenzatora vrijede ove relacije
U1 = U2 = = Un = U i q = q1 + q2 + + qn = q
Uvrštavanjem odgovarajućih vrijednosti
qn = Un Cn u prethodni izraz dobije se da je
C = C1 + C2 + + Cn
Iz izraza slijedi da je ekvivalentni kapacitet paralelno spojenih
kondenzatora jednak sumi kapaciteta pojedinih paralelno spojenih kondenzatora.
MJEŠOVITI SPOJ KONDENZATORA
Postupak izračunavanja ekvivalentnog kapaciteta mješovito spojenih
kondenzatora pokazat ćemo rješavanjem primjera datog na slici
Ilustracija postupka izračunavanja ekvivalentnog kapaciteta
mješovito spojenih kondenzatora:
a) mješoviti spoj, b) zamjena paralelnog spoja kondenzatora
C1 i C2 iz a), c) ekvivalentni kapacitet C
Postupak izračunavanja ekvivalentnog kapaciteta primjera sa slike je:
Izračuna se ekvivalentni kapacitet paralelno spojenih kondenzatora C1 i C2
C1,2 = C1 + C2
,
a zatim računa ekvivalentni kapacitet C serijskog broja kondenzatora C1,2 , C3
i C4
1
1
1
1
na osnovu izraza
C
C1, 2
C3
C4
dobije se da je ekvivalentni kapacitet C
C1 C2 C3 C4
C3C 4 C1 C 2 C3 C 4
ENERGIJA ELEKTRIČNOG POLJA
Sistem naelektrisanih tijela pretstavlja nosioce određene količine energije. Ovu
energiju daju sistemu spoljašnji izvori energije u procesu električnog
opterećenja nabojem q i ona se može opet vratiti izvorima ili biti, pri
smanjivanju opterećenja, pretvorena u druge oblike energije.
Kao primjer odredimo električnu energiju pločastog kondenzatora. Rad utrošen
za donošenje naboja iz izvora na ploče kondenzatora ide na račun povećanja
energije nabijenog kondenzatora, zapravo na uspostavljanje električnog polja u
kome se akumulira elektrostatska energija.
Energija električnog polja je potencijalnog karaktera.
Razmotrimo koliki je rad utrošen za donošenje naboja q na ploče pločastog
kondenzatora, ako pri tome poraste napon kondenzatora od 0 do vrijednosti
napona U. U nekom trenutku neka je napon kondenzatora U, a naboj na
pločama kondenzatora
q = C U.
Da bi napon kondenzatora porastao za vrijednost dU treba na ploče
kondenzatora dovesti naboj dq ili jednostavno možemo reći da sa negativne
elektrode treba prenijeti naboj dq = C dU na pozitivnu elektrodu
Za ovo prenošenje naboja potrebno je utrošiti rad dA = U dq = U C dU.
Da se kondenzator nabije na napon U, utroši se ukupni rad
CU2
A dA U dq C U dU
2
Ovaj rad se troši na povećanje energije električnog polja kondenzatora. Prema
tome, energija električnog polja nabijenog kondenzatora We jednaka je
C U2 q U
q2
VAs Ws
We
2
2
2C
S
Uvrštivši u gornji izraz za U = E · d i C
d
r o E2
r o E2
We
2
Sd
2
, slijedi da je
V
gdje je: E – jakost električnog polja,
S – površina elektrode pločastog kondenzatora,
d – razmak između elektroda pločastog kondenzatora,
V – volumen dielektrikuma kondenzatora
ISTOSMJERNE STRUJE I NAPONI
U praksi se vrlo često koriste izvori i potrošači istosmjerne i naizmjenične
struje. Pri tome se pod pojmom istosmjerne struje podrazumjeva struje koja
se ne mijenja s vremenom ili pulzira s vremenom ali ne mijenja smijer toka.
Pod naizmjeničnim strujama podrazumijevamo one struje koje se mijenjaju s
vremenom po sinusnom zakonu.Ista definicija vrijedi za istosmjerne i naizmjenične napone.
ZAKONITOSTI ISTOSMJERNE STRUJE U METALNIM VODIČIMA
Kretanje električnog naboja “q” naziva se električnom strujom. Pod smijerom
struje podrazumijeva se smjer kretanja pozitivnog elektriciteta.Općenito se
jačina struje i može u matematskom obliku prikazati u obliku izraza
i
dq
( A).
dt
Jedinica za jakost struje je amper (1A).
Ako kroz vodič presjeka S protiče istosmjerna struja jačine I onda se ona jednoliko raspodjeluje po jedinici površine presjeka vodiča, pa možemo govoriti i o
tzv. gustoći struje J. Gustoću struje možemo prikazati općenito izrazom
dI A
J
2.
dS m
Gustoća struje, za razliku od struje, je vektorska veličina, usmjerena u pravcu
srednje brzine pozitivnog naboja. Jedinica za gustoću struje, koja se u praksi
najviše koristi je A/mm²
Struja i koja teče kroz presjek S i poznate raspodjele gustoće struje J možemo prikazati izrazom
i J dS
s
Predznak struje ovisi o smijeru normale površine dS i vektora
J
ELEKTRIČNI STRUJNI KRUG
Ako želimo da kroz potrošač električne struje stalno teče struja treba ga
vodovima priključiti na izvor elektromotorne sile E. Izvor elektromotorne sile E,
spojni vodovi i potrošač čine tzv. zatvoreni električni strujni krug.
Zatvoreni električni strujni krug: a) Primjer jedne praktične
realizacije, b) opći prikaz jednostavnog strujnog kruga
Pod unutrašnjim dijelom strujnog kruga podrazumjevamo izvor električne energije
(generator, akumulatorska ćelija ili baterija itd.), dakle onaj dio u kojem se stvara
E.M S. kruga E. Pod vanjskim dijelom strujnog kruga podrazumijevamo onaj
njegov dio u kojem se troši, odnosno pretvara električna energija koju stavlja na
raspolaganje izvor struje
Poređenje jednog zatvorenog sistema protoka vode a)
sa tokom električne struje u strujnom krugu b)
Kod otvorenog strujnog kruga praktički smatramo da je jačina struje I=0
Elektromotorna sila E ima smjer porasta od minus – priključnice
Prema plus – priključnici baterija. Elektromotorna sila E ima jedi-nicu
napona, pa ćemo je i zvati napon izvora.Plus- priključnica baterije je na
većem potencijalu. Svi izvori električne energije posjeduju EMS.
Ako za neki izvor električne energije kažemo da ima 12V, onda njegova
EMS iznosi 12V.
OMHOV ZAKON I ELEKTRIČNI OTPOR
Ohm je eksperimentalno utvrdio, mjereći napon na krajevima vodljive žice i
struju kroz tu žicu, da je odnos toga napona i te struje konstantan
U
R konst .
I
Ova konstanta proporcionalnosti R naziva se električnim otporom vodiča odnosno potrošača. Jedinica električnog otpora je jedan om ().Na osnovu izraza
može se pisati da je 1=1V/A.
Ohmov zakon ilustriran na primjeru potrošača sa R = 6 a)
i odgovarajućom linearnom U-I karakteristikom b
Recipročna vrijednost otpora naziva se elktrična vodljivost G, a data je izrazom
G
I
1
.
U R
Jedinica za vodljivost je jedan Simens (S) koji se može prikazati i A/V.Koristeći
raniji izraz i električnu vodljivost Omhov zakon se može prikazati u oblicima
U=IR i I=UG
ELEKTRIČNI OTPOR VODIČA
Ako između krajeva vodljive žice konstantnog presjeka S i duljine
vlada
U
razlika potencijala U, tada se u žici uspostavi električno polje E
i gustoća
I
struje J .
S
Otpor vodiča R se može sada izraziti sa E i J u obliku R
gdje je
E
J
U
E E
I
J S J S
S
-specifični otpor vodiča, koji ovisi o vrsti vodiča.(Kod metala
specifični otpor je konstantan).
Recipročna vrijednost specifičnog otpora zove se specifična vodljivost
a možemo je prikazati izrazom J 1 .
E
Otpor i vodljivost žice možemo izračunati ako poznajemo specifični otpor materijala žice i dimenzije žice koristeći sljedeće izraze:
S
G
(S ) .
R
S
Obično se zadaje presjek žice S u mm², dužina u m, a specifični otpor
u
m m2
m i specifična vodljivost vodiča () u
Sm
mm 2
Električni otpor se mijenja također i sa temperaturom. Zakonitost promjene
otpora sa temperaturom je data izrazom Rt R20 1 t 200
gdje je: R20 – električni otpor kod 20 0C;
- temperaturni koeficijent ;
t – temperatura u ºC kod koje želimo odrediti električni otpor Rt.
Koristeći prethodni izraz moguće je dobiti izraz za temperaturu
t0
1 Rt
1
20
.
R20
JOULEOV (DŽULOV) ZAKON
Prolaskom struje kroz vodič, vodič se zagrijava. Elektroni se, pod djelovanjem
električnog polja E u vodiču, ubrzavaju i sudaraju sa drugim relativno mirnim
česticama. Pri sudarima oni gube brzinu i predaju postignutu kinetičku energiju
drugim česticama. Ta energija se pojavljuje u vidu toplinske energije.
Utrošena energija električnih sila za prenošenje količine naboja dq = i dt kroz
vodič protjecan strujom i, na čijim krajevima vlada napon U = iR, iznosi
dA = U d q = U i dt
Toplinska energija električne struje koja bi se razvila u vodiču otpora R u
vremenskom intervalu t iznosi
t
t
A U i dt i 2 R dt
0
0
1VAs Ws .
U slučaju toka istosmjerne struje kroz vodič prethodni izraz poprima oblik
A = I² R T (Ws)
Do izraza je Joule došao eksperimentalno i u praksi je poznat pod imenom
Jouleov-a zakona.Jedinica za energiju je vatsekunda (1Ws) ili 1 Joule (Džul).
Jouleov zakon dat izrazom vrijedi i za zatvoreni električni strujni krug ako u
njemu teče struja I i ako je njegov ukupni otpor jednak R.
Snagu P, potrebnu za održavanje struje u strujnom krugu, možemo
izraziti u obliku P dA U dq U I 1VA 1W 1J / s
dt
dt
Jedinica za mjerenje je snage je 1W (vat).
Iz jednadžbe U = I R i G 1 ,
R
gdje je R otpor a G vodljivost
potrošača, dobijemo i druge oblike izraza za snagu potrošača
U2
P
U2 G I2 R
R
Na osnovu prethodnih izraza možemo računati snagu potrošača
ukoliko kroz njih teče istosmjerna struja tj. ako su oni potrošači
istosmjerne struje. Snaga istosmjernog potrošača može se i mjeriti
pomoću instrumenta koji se naziva vatmetar.
JEDNADŽBE STRUJNOG KRUGA
Realni izvori elektromotorne sile E0 imaju svoj tzv.unutrašnji otpor R0,
koji do sada nismo uzimali u obzir.
Realni strujni krug
Struja teče u smjeru EMS. Rad koji izvrši električne energije kod toka struje I za
vrijeme dt je dat izrazom
dA = Eo dq
dok je snaga izvora data izrazom
P
,
dA
dq
Eo
Eo I
dt
dt
Tokom struje I kroz potrošač otpora R ne zagrijava se samo potrošač
već i sam izvor električne enrgije jer posjeduje unutrašnji otpor R0 .
To znači da se snaga izvora električne energije troši na džulove gubitke
Na otporu potrošača R i unutrašnjem otporu R0 .To matematski
Možemo prikazati u obliku izraza
Eo I I 2 R I 2 Ro
Ako se podijeli ova jednadžba sa I dobije se tzv. naponska jednadžba
kruga
Eo = IRo + IR
Članovi IRo i IR u jednadžbi predstavljaju padove napona na
unutarnjem otporu izvora električne energije i potrošača R.
U jednom zatvorenom strujnom krugu može biti priključeno više izvora
električne energije i potrošača kao što je to prikazano na slici. I za
taj slučaj se može primijeniti zakonitost data prethodnim zrazom pa se
dobije da je:
n
m
E IR
i 1
j 1
odnosno
n
m
i 1
j 1
E IR 0.
Strujni krug sa više izvora E i potrošača R
Izrazi predstavljaju tzv. II Kirchhoffov zakon. Prema drugom Kirchhoffovom
zakonu je u jednom zatvorenom jednostavnom krugu suma elektromotornih
sila jednaka sumi padova napona.
SLOŽENI STRUJNI KRUGOVI
Ako se na jedan ili više izvora električne energije priključi više potrošača onda
više nemamo jednostavni nego složeni strujni krug.
Za svaki čvor složenog strujnog kruga vrijedi I Kirchhoffov zakon koji se može
matematski prikazati u ovom obliku I I ' ili
I I' 0
n
m
n
m
i 1
j 1
i 1
j 1
gdje su : I - struje koje ulaze u čvor složenog strujnog kola
I‘ - struje koje izlaze iz čvora složenog strujnog kola
I Kirchhoffov zakon može se definirati na ovaj način:”Suma struja koje ulaze u 1
čvor strujnog kruga jednaka je sumi struja koje izlaze iz istog čvora”. Primjenom I
Kirchhoffovog zakona na čvor B strujnog kruga sa slike dobije se I = I1 + I2 . Pri
tome je struja I jedina ulazna struja čvora B, a struje I1 i I2 su izlazne iz tog čvora
PRORAČUN LINEARNIH STRUJNIH KRUGOVA METODOM PRVOG I
DRUGOG KIRCHHOFFOVA ZAKONA
Rješiti složeni strujni krug, odnosno mrežu, znači odrediti sve nepoznanice u
njemu. Najčešće se traže struje u svim granama mreže. Koristeći Kirchhoffove
zakone treba napisati toliko linearnih jednadžbi koliko ima grana (g) električna
mreža, koje se onda rješavaju poznatim metodama.
Prije pisanja jednadžbi neophodno je na zadanom složenom strujnom
krugu uraditi sljedeće:
• Proizvoljno izabrati smjerove struja grana i označiti ih na shemi mreže;
• Označiti smjerove porasta elektromotornih sila i padova napona;
• Izabrati nezavisne petlje mreže n = g-č+1, gdje je g – broj grana i č – broj
čvorova zadane mreže, i nacrtati prozvoljno odabrane pozitivne smjerove
obilaska petlje (obično je to smjer vrtnje kazaljke na satu) za pisanje
jednadžbi po II Kirchhoffovu zakonu
• Po I Kirchhoffovom zakonu može se napisati č-1 nezavisnih jednadžbi.
• Po II Kirchhofovu zakonu za mrežu sa g grana može se napisati n = gč+1 nezavisnih linearnih jednadžbi.
PRIMJER 1.
Neka je zadana mreža prema slici 2.8. Kod zadanih vrijednosti E1 , E2 , R1 ,
R2 i R3 treba izračunati struje I1 , I2 i I3 .
Broj grana zadane mreže je g = 3, a broj čvorova č = 2.
Primjenom I Kirchhoffova zakona na čvor 3 dobije se jednadžba
I1 + I2 = I3
Primjenom II Kirchhoffova zakona na petlju 1 (koju čine + E1 , 1,3,4,2-E1)
dobije se jednadžba
E1 – I1 R1 – I3R3 = 0
Primjenom II Kirchhoffova zakona na petlju 2 (koju čine – E2 , 6,4,3,5 + E2)
dobije se jednadžba
+ I3R3 + I2R2 – E2 = 0
Dakle, dobili smo tri jednadžbe sa tri nepoznate (I1 , I2 i I3) čija rješenja su
sljedeća:
R2 R3
R3
I1 E1
E2
R1R2 R1R3 R2 R3
R1R2 R1R3 R2 R3
R1 R3
R3
I 2 E2
E1
R1R2 R1R3 R2 R3
R1R2 R1R3 R2 R3
I 3 I1 I 2
Uz pretpostavku da je E1 = E2 = E te R1 = R2= R3 = R dobijemo da je
E
I1
;
3R
E
I2
;
3R
2E
I3
.
3R
RAČUN EKVIVALENTNIH OTPORA SERIJSKI I PARALELNO
SPOJENIH OTPORA
• Primjenom Kirchhoffovih zakona mogu se računati ekvivalentni
otpori serijski i paralelno spojenih otpora.
• Otpore kao i kondenzatore možemo spajati serijski, paralelno i
mješovito. Za sva tri navedena načina spajanja otpora pokažimo
mogućnost računanja ekvivalentnog otpora Re primjenom
Kirchhoffovih zakona
EKVIVALENTNI OTPORI SERIJSKI SPOJENIH OTPORA
Kroz sve otpore na slici 2.10 teče ista struja I i na njima stvara
padove napona:
U1 = I R1
U2 = I R2
U3 = I R3
Un = I Rn .
Primjenom II Kirchhoffovog zakona na strujni krug sa
serijskim spojem otpora slike dobijemo da je
U = U1+U2+U3 + . . . + Un = I (R1+R2+R3 + . . . + Rn).
Napon U stvara na ekvivalentnom otporu Re pad napona I Re , pa
možemo pisati da je
U = I Re .
Izraz (2-29) možemo prikazati u obliku
I Re = I (R1+R2+R3 + . . . + Rn)
odakle slijedi da je
Re = R1+R2+R3 +...+ Rn . (2-30)
Na osnovu izraza (2-30) možemo zaključiti da je ekvivalentni otpor
serijskog spoja otpora Re jednak sumi otpora koji su spojeni u
seriju.
EKVIVALENTNI OTPOR PARALELNOG SPOJA OTPORA
Otpore spajamo paralelno tako što početke svih otpora kratko spojimo (tačka
A), a isto tako i krajeve svih otpora kratko spajamo (tačka B) kao što je to
prikazano na slici . Vidimo da između krajeva svih paralelno spojenih
otpora vlada napon
Primjenom I Kirchhoffova zakona na čvor A dobijemo da je
I = I1 + I2 + I3 + . . . + In
Prednji izraz možemo prikazati u obliku
U Ge = UG1 + UG2 + UG3 + . . . + UGn .
Odatle slijedi da je
Ge = G1 + G2 + G3 + . . . + Gn .
Izrazimo li vodljivost preko otpora dobije se da je
1
1
1
1
1
.
Re R1 R2 R3
Rn
Iz izraza slijedi da je recipročna vrijednost ekvivalentnog otpora Re
jednaka sumi recipročnih vrijednosti otpora koji su spojeni paralelno.
Mješoviti spoj otpora čine različite kombinacije serijskih i paralelnih
otpora pa vrijednsot ekvivalentnog otpora mješovitog spoja otpora
možemo izračunati primjenjujući zakonitosti računa ekvivaleltnih otpora
serijskog i paralelnog spoja otpora, kao što je to rađeno kod mješovitog
spoja kondenzatora
NEKI PRIMJERI ELEKTRIČNIH NAPRAVA ČIJI SE PRINCIP RADA
ZASNIVANIH NA PRIMJENI KIRCHHOFFOVIH ZAKONA
DJELITELJ NAPONA
Shodno II Kirchhoffovom zakonu napon izvora napajanja priključen na
serijsku kombinaciju otpora se porazdijeli na sve otpore u kombinaciji.
Razmotrimo kako se ti naponi odnose na jednom serijskom spoju dva
otpora. Napon izvora U potjera u strujnom krugu struju I U .
R1 R2
Djelitelj napona
Ta struja I izazove padove napona U1 i U2 na otporima R1 i R2 čije se
veličine mogu izračunati pomoću izraza:
R1
U1 I R1 U
R1 R2
U 2 I R2 U
R2
.
R1 R2
Ako napravimo odnose U1/U2 dobijemo da je njihov odnos jednak
odnosu otpora, odnosno U1 R1 .
U2
R2
Iz izraza vidimo da se padovi napona odnose kao otpori. To znači da
izborom veličine otpora možemo uticati na razdiobu ukupnog napona
izvora na pojedine serijske spojene otpore. Na taj način smo dobili
uređaj, koji se zove djelitelj napona
U slučaju da imamo n otpora spojenih u seriju, dobili bi sljedeće izraze:
U
R1 R2 Rn
R1
U1 U
R1 R2 Rn
R2
U2 U
R1 R2 Rn
I
Un U
Rn
.
R1 R2 Rn
POTENCIOMETAR
Ako je otpor R1 izveden tako da mu je sastav svagdje isti i homogen a
presjek konstantan po čitavoj duljini, onda se pad napona na otporu
raspodjeljuje jednoliko po čitavoj njegovoj duljini. To znači da gledano
od čvora A pad napona raste proporcionalno s udaljenošću od tog
čvora. Ako je otpor R1 opremljen sa klizačem B, onda veličinu napon
UAB možemo kontinuirano mijenjati u granicama od 0 do U
postavljanjem klizača u odgovarajući položaj. Vidimo da se na ovaj
način može dobiti vrlo jednostavno željeni izvor napona za potrošač
R2. Ovakva potreba se vrlo često javlja u mjernoj tehnici, i to u
krugovima istosmjerne struje, gdje je to jedan od najednostavnijih
načina regulacije napona.
Otpor koji ima svojstva otpora R1 nazivamo potenciometrom
Potenciometarski spoj promjenljivog otpora
Od položaja klizača potenciometra B prema čvoru A teče struja I1 koja
na tom dijelu izaziva pad napona UAB . Budući da taj isti napon vlada
U
ujedno i na krajevima potrošača R2, kroz potrošač će teći struja I 2 AB .
R2
Postepenim pomicanjem klizača prema drugom kraju potenciometra, tj.
prema tački C, raste napon na krajevima potrošača R2 a time i struja
I2.
DJELITELJ STRUJE
Paralelnom kombincijom spoja otpora postižemo da se struja I u čvoru
A dijeli na dvije struje I1 i I2. Struja I je data izrazom I = U (G1 + G2).
Shema djelitelja struje sa dva otpora
Struje I1 i I2 mogu se prikazati izrazima: I1 = U G1 ,I2 = U G2
Ako se U u jednadžbama izrazi pomoću I, dobije se da je
G1
I1 I
,
G1 G2
G2
I2 I
.
G1 G2
Odnos struja u granama sa otporima R1 i R2 je tada
I1 G1 R2
.
I 2 G2 R1
Vidimo da se struje I1 i I2 po granama mogu po želji ostvarivati izborom
odgovarajućih odnosa otpora R1 i R2. Postupak izvođenja djelitelja
struje sa dva otpora se može poopćiti za slučaj kada imamo djelitelj
struje sa n paralelno spojenih otpora.
PROŠIRENJE MJERNOG PODRUČJA AMPERMETRA
Ako želimo mjeriti veće struje I od maksimalno dozvoljene struje
ampermetra I0 , tada moramo tom ampermetru dodati paralelno
odgovarajući otpor Rp. Otpor Rp se zove shynt. Otpor Rp treba tako
odabrati da kod ukupne struje I kroz ampermetar, vlastitog otpora RA ,
ne poteče veća struja od I0 . Pretpostavimo da želimo mjeriti struju
I = nA I0, koja je nA puta veća od dozvoljene struje Io koja smije
proticati kroz ampermetar
Proširenje mjernog podurčja ampermetra
I
Sa slike je vidljivo da je pad napona na ampermetru jednak padu
napona na otporu Rp, pa se može pisati da je I0 RA = (nA – 1) I0 Rp .
Odakle slijedi da je otpor shynta R p RA .
nA 1
ZAKONITOSTI TOKA ISTOSMJERNE STRUJE KROZ
ELEKTROLITE
Tekućine, osim metala u tekućem stanju, su relativno slabi vodiči
električne struje, odnosno one su dobri izolatori kao što je to npr.
transformatorsko ulje ili destilirana voda. Međutim, ako dodamo
destiliranoj vodi kuhinjske soli ili sode, ona postaje dobar vodič
električne struje. Može se općenito reći da su otopine kiselina, baza i
soli dobri vodiči električne struje. Otopine kiselina, baza i soli nazivamo
elektrolitima, a hemijske procese, koji se u njima zbivanju za vrijeme
prolaza struje nazivamo elektrolizom.
Pojavu elektrolize objasnimo na primjeru prikazanom na slici
U posudu sa otopinom sumporne kiseline (H2SO4+H2O) postavimo
elektrode A i K. Elektrodu A, koju nazivamo anodom, spojimo na
pozitivan pol izvora istosmjernog napona U, a njegov negativan pol na
elektrodu K, koju nazivamo katodom.
Elektrolit se pod djelovanjem istosmjerne električne struje razlaže
(disocira) na sljedeći način
H2SO4 2H+ + SO4-- .
Da se taj proces odvija u elektrolitu možemo vidjeti po tome, što se na
elektrodama intenzivno razvijaju plinovi i to na anodi kisik, a na katodi
vodik.
Ako je anoda A izvedena od bakra, na njoj dospjeli ion stvara bakreni
sulfat prema izrazu
+ Cu++ CuSO4 ,
koji se otapa i disocira na Cu++ i SO4-- . Tako otopljeni bakar privlači
katoda K, a ion na anodi stvara bakreni sulfat. Na taj način na katodi K
dobijemo tzv. čisti elektrolitski bakar koji se mnogo koristi u
elektrotehnici.
Ako je anoda A izvedena od platine Pt ili od uglja, ostatak kiseline se
ne može spajati s njom nego se spaja sa vodom na ovaj način
2SO4 + 2H2O 2H2 SO4 + 2O .
Na taj način stvorena sumporna kiselina prelazi u elektrolit, a kisik se
diže i izlazi iz elektrolita. Na osnovu do sada iznesenog vidimo da u
elektrolitu nastaju, pod djelovanjem struje, pozitivni i negativni ioni. Tu
pojavu nazivamo električnom disocijacijom. Elektrolite sada možemo
nazvati tekućinama koje lako disociraju. Ta disocijacija elektrolita
nastupi kada elektrolitsku ćeliju priključimo na napon U
Ioni elektrolita su nosioci pozitivnog ili negativnog naboja. Negativne
ione, koje nazivamo anionima, privlači anoda, dok pozitivne ione, koje
nazivamo kationima, privlači katoda K.
Kationi su metali, vodik i radikali, a anioni su nemetali, npr. ostaci
kiselina. Pri tome svaki ion prenosi toliko električnog elementarnog
naboja qo , kolika je hemijska valencija tog istog iona. Ako u sekundi
dospije na svaku elektrodu N iona, tada je jačina struje kroz elektrolit
data izrazom
I = N Z qo
gdje je: qo – naboj koji odgovara naboju jednog elektrona;
Z – valencija iona;
N – broj iona koji dospiju na svaku elektrodu u jednoj sekundi
Iz izraza slijedi da je
I
.
Z qo
Ako sa G označimo masu metala izlučenog na elektrodi u vremenu t,
možemo je prikazati u obliku izraza
G=Nmt
gdje je m – masa svakog izlučenog iona
Slijedi da je:
N
I
m
G
mt
I t kI t k Q
Z qo
Z qo
m
gdje je k
tzv. elektrohemijski ekvivalent. Izraz pretstavlja tzv. I
Z qo
Faradeyov zakon elektrolize. Prema I Faradayevom zakonu
elektrolize proizilazi da je masa iona izlučenih na elektrodama
proporcionalna jakosti struje i vremenu trajanja procesa elektrolize.
I Faradyev zakon elektrolize može se formulirati i na način da je
masa izlučenog elektrolita G proporcionalna množini elektrociteta
Q, koja je u tom vremenu t došla iz izvora struje u voltametar. Pod
voltametrom se podrazumijeva naprava koja se sastoji od neke otopine
i u nju uronjenih elektroda.
Koristeći I Faradeyev zakon dobije se da u izlučne mase G1 i G2
različitih metala, kod iste struje I i u istom vremenu t, date izrazom
G1 k1 I t k1
.
G2 k2 I t k2
Izraz pretstavlja tzv. II Faradayev zakon elektrolize.
Primjena Faradayevih zakona u praksi je velika.
Neke od tih primjena u galvanizaciji i obojenoj metalurgiji ćemo ukratko
opis
Galvanostegija je elektrohemijski proces za vrijeme kojeg se metali,
koji u dodiru sa zrakom lako i brzo oksidiraju, elektrolitskim putem
presvuku tankim slojem nekog plemenitog metala koji je mnogo
otporniji na atmosferske i hemijske uticaje. To su postupci pozlačivanja,
posrebrivanja, niklovanja, kromiranja itd.
Galvanoplastika je elektrohemijski proces kod kojeg se elektrolitskim
putem nanosi tanak sloj metala, najčešće bakra, na unutrašnju
površinu kalupa, koji služi za izradu znački, medalja i slično, načinjenog
od izolacionog materijala
U obojenoj metalurgiji se upotrebljavaju elektrohemijski procesi za
dobijanje hemijskih čistih metala kao što su elektrolitički čisti bakar i
aluminij. U slučaju dobijanja elektrolitskog čistog bakra za katodu se
odabire komad hemijskih čistog bakra, a za anodu nečisti bakar koji
želimo rafinirati. Kao elektrolit se upotrebljava vodena otopina modre
galice CuSO4. Takav rafinirani bakar sa čistoćom preko 99 %
upotrebljava se za izradu električnih vodiča namota elektromotora,
generatora, transformatora itd.
HEMIJSKI IZVORI ELEKTRIČNE ENERGIJE
Rad hemijskih izvora električne energije zasniva se na činjenici da je
elektrohemijsko razlaganje elektrolita (trošenje električne energije za
stvaranje hemijske) reverzibilan proces. To znači da se utroškom
hemijske energije može proizvesti električna energija. Za tu svrhu je u
principu dovoljno da u elektrolit uronimo dvije elektrode napravljene od
dobrih vodiča električne struje. Radi hemijske reakcije između
elektrolita i elektroda dolazi do ionizcije otopine, pri čemu se nastali
pozitivni ioni metala i vodika kreću prema anodi, dok se nastali
negativni ioni nemetalnih ostataka (baze ili kiseline) kreću prema
katodi. Izlučivanjem spomenutih iona dobiva anoda pozitivan a katoda
negativan potencijal. Čim na takav uređaj priključimo vanjski otpor
konačne vrijednost, poteći će krugom struja, koja izvan strujnog izvora
ima smjer od anode prema katodi, a unutar elektrolita ima smjer od
katode prema anodi. Hemijske izvore električne energije dijelimo na
galvanske elemente i akumulatore.
AKUMULATORI
U praksi se najčešće koriste tzv. olovni, čelični i srebreni akumulatori.
Karakteristika akumulatora je da se mogu regenerirati, tj. ponovo
osposobiti za rad nakon što im se istroši prvobitno akumulirana
energija. To se vrši tako da ga priključimo na izvor istosmjerne struje i
kroz akumulator ostvarimo tok struje suprotnog smjera od onog kojom
smo ga prije opteretili
Nakon nekog vremena akumulator je opet nabijen i možemo ga koristiti
kao izvor istosmjerne električne energije.
Akumulatori imaju još jednu karakteristiku a to je da nakon izrade ne
mogu služiti kao izvor električne energije prije nego se formiraju. Pod
formiranjem akumulatora se podrazumijeva proces višestrukog
naizmjeničnog punjenja i pražnjenja električnom strujom dok se u
njemu ne akumulira dovoljno hemijske energije. To je dokaz
reverzibilnosti elektrohemijskih procesa.
Proces za vrijeme kojeg teče struja iz izvora u akumulator, sa svrhom
da u njemu nagomila određenu količinu hemijske energije, zove se
nabijanje ili punjenje akumulatora. Proces za vrijeme kojeg akumulator
služi kao izvor istosmjerne struje, kada se u njemu nagomilana
hemijska energija pretvara natrag u električnu, zove se izbijanje ili
pražnjenje akumulatora.
Pod kapacitetom akumulatora podrazumijevamo njegovu sposobnost
da uz određenu struju opterećenja daje potrošaču u toku izvjesnog
vremena određenu količinu električne energije. Kapacitet akumulatora
se daje u amper-satima (Ah).