Transcript Document
101 deka 2 10 hekta 3 10 kilo 6 10 mega 9 10 gigo 1012 tera 1015 peta 1018 eksa 1021 zeta 1024 jota da k k M G T P E Z Y 10-1 deci -2 10 centi -3 10 mili -6 10 mikro -9 10 nano 10-12 piko 10-15 femto 10-18 ato 10-21 zepto 10-24 joto d c m n p f a z y Zadatak za početak! • Prema konvenciji, protonu se pripisuje pozitivni naboj, a elektronu negativni naboj koji su istog iznosa e = 1,610 - 19 C (elementarni naboj). • Koliko elementarnih naboja n ima u količini naboja Q od 1C? Q = ne n = Q/e = 1C/1,610-19C = 6,251018 Pročitaj taj broj? Naboj od 1C sadrži oko 6,25 trilijuna elementarnih naboja! 3 Da pojasnimo! • Čitav je atom, tj promjer elektronskih putanja reda veličina 2-310-10m. Jezgru atoma čine teške čestice, protoni i neutroni. Masa protona i neutrona su jednake, iznose 1,6710-27kg, dok je masa elektrona oko 1840 puta manja i iznosi 9,1110-31kg. • Između protona i elektrona djeluje privlačna sila, a između dva protona, odnosno dva elektrona djeluje odbojna sila. Postojanje tih sila objašnjava se time da postoje dvije vrste električnog naboja pridruženog elementarnim atomskim česticama, protonima i elektronima, pri čemu se jednaki naboji odbijaju, a različiti naboji privlače. •Prema konvenciji, protonu se pripisuje pozitivni naboj, a elektronu negativni naboj koji su istog iznosa: e = 1,610 - 19 C (elementarni naboj). 4 • Atomska jezgra helija sastoji se od 2 neutrona i 2 protona.. Kolika je odbojna sila između dvije jezgre helija koje se nalaze na udaljenosti od 10-13m? Q1Q2 F k r122 Q1Q2 F 2 N 4 0 r12 1 0 8,854 10 12 N C2 12 C 8 , 854 10 2 Vm Nm k = 8,987109 9109 Nm 2 2 C Q1Q2 2 1,6 1019 2 1,6 1019 F 2 2 12 13 4 0 r12 4 8,85410 10 F 92m N 1 5 1. Kroz poprečni presjek provodnika tokom jedne minute prostruji količina naboja Q = 30 C. Uzevši brzinu kretanja naboja stalnom, odredite jačinu struje kroz provodnik u tom vremenu? Q 30 I 0,5 A t 1 60 2. Kroz poprečni presjek provodnika tokom jedne minute prostruji količina naboja Q = 30 C. Kolika je gustoća struje ako je presjek provodnika 2,5 mm2? I 0,5 J 0,2 A / mm2 s 2,5 6 3. Električni naboj Q=100 As, dok miruje u tački A, ima energiju W=5 mWs. Koliki je potencijal tačke A ? W 5 103 50V 6 Q 100 10 A 5V j e , a potencijal tačke B 4. Potencijal tačke A B 5V je . Koliki je napon U AB a koliki je napon U BA? U AB A B 5 ( 5) 5 5 10V U BA B A ( 5) 5 10V 7 5. Koliki je otpor bakrenog provodnika dužine 700mm a presjeka provodnika 1,5 mm2? l 1 l 1 7 R 0,0178571 4,6666666 0,0833331 s s 56 1,5 6. Otpor bakrenog namotaja pri 200C iznosi 30 . Za koliko se taj otpor poveća na temperaturi od 800C? R R20 (1 ) 30 (1 0,0039 60) 37,02 8 7. U nekom sklopu treba biti ugrađen otpornik od 360. Koliko metara žice treba za taj otpornik ako se uzme otporna žica od nikelina = 0,4 m m2 promjera d = 0,3 mm? m d 0,3 2 s 0,07065m m 4 4 2 2 l Rs 360 0,07065 R l 63,6m s 0,4 9 SNAGA, RAD, ENERGIJA Pretvaranje električne energije Energija se ne može ni iz čega stvoriti, a niti uništiti – zakon održanja energije. Prilikom pretvaranja energije iz jednog oblika u drugi vrijedi W = Wk + Wg Wk - korisni (željeni) oblik energije, Wg - gubitak energije. Primjeri pretvaranja električne energije Kada je strujni krug priključen na napon U, u krugu poteče električna struja I. Količina elektriciteta Q = I t koja učestvuje u tom kretanju obavlja rad: A = Q U=U I t [VAs = Ws = J ] Za električnu energiju, odnosno električni rad, u svakodnevnom životu često se koristi jedinica kilovatsat. Energija od 1 KWh odgovara radu koji je nužan da se teret mase 100 kg podigne na visinu 3670 metara. [1 KWh=3,6 MJ] 10 Električna snaga je brzina kojom se neka radnja može izvršiti, a određuje se radnjom koja se izvrši u jedinici vremena (p = dA/dt): Jedinicu za rad, energiju i količinu toplote sada možemo pisati kao: 1J =1VAs =1Ws Nazivna ili nominalna snaga - najveći dopušteni iznos snage s kojom potrošač može u pogonu trajno raditi, a da se pri tome ne ošteti. Stepen iskorišćenja Šta znači stepe iskorišćenja = 90% prikazuje slika! 11 12 8. Izračunaj napon U na složenom otporu, snagu otpora R3 te snagu složenog spoja otpora. R1 =2 R3 =3 R2 = 12 R4 =10 P2 = 3W 13 U 22 P2 R2 U 22 P2 R2 3 12 36 U2 36 6V U2 I2 0,5 A R2 U 34 U 2 6V U 3 I 34 R3 4,5V I I 2 I 34 2 A I 34 U 34 6 1,5 A R3 R4 4 P3 U 3 I 3 6,75V U I R1 U 2 2 2 6 10V P U I 20W 14 9. Imamo sijalice snage 25W, 25W i 50W, predviđene za napon od 110V. a) Kako ih treba priključiti na izvor napona 220V da rade nazivnom snagom? b) Odredi tada jaćinu struje u svakoj sijalici. 15 a. Ako žarulje od 25W spojimo paralelno dobit ćemo kao rezultat otpor dvostruko manji. b. Iz toga dolazimo do prvog mogućeg odgovora da će paralelno spojene žarulje od 25W imati isti otpor kao i jedna žarulja od 50W, a naponi će im se jednako dijeliti. c. Na istom naponu žarulje snage 25W ima dva puta veći otpor od žarulja snage 50W. d. Dvije žarulje od 25W paralelno spojimo i te žarulje imaju jednak otpor kao žarulja od 50W koja se s njima treba spojiti u seriju. Stoga će se napon izvora podijeliti na dva jednaka dijela 2x110V. 16 I1 , U12 = 110V , 25W I , U3 = 110V , 50W I2 , U12 = 110V , 25W U=220V P3 = U3 I 50 = 110 I 50 I 0,45 A 110 I = I1 + I2 I 0,45 0,225 A I1 = I2 = 2 2 17 10. Izvor u kratkom spoju daje struju I1 = 6A. Ako na izvor spojimo potrošač otpora R = 2, jačina struje u krugu I2 = 4A. Izračunaj elektromotornu silu E i unutrašnji otpor izvora Ri. Kolika je najveća korisna snaga koju može dati ovaj izvor? Nacrtaj U – I karakteristiku ovor naponskog izvora. Ri E Ri E I1 = Iks = 6A I2 = 4A R=2 18 Ri = 4 E = 24V R=4 I = 3A I 1 I ks 6 R Ri 4 E Ri 24 I 3A 44 Pk max I 2 R 32 4 36W E Ri E 6 Ri U 24V E I 2 ( R Ri ) , E 4 2 4 Ri 6 Ri 8 4 Ri , 2 Ri 8 8 4 2 E 8 4 4 24V Ri 6A I 19 PODJELA ELEKTRIČNIH MATERIJALA Provodnici, izolatori i poluprovodnici Provodnici - materijali čija atomska struktura omogućuje slobodno kretanje elektrona iz vanjskog prstena pri sobnoj temperaturi (20 °C) - imaju vrlo veliki broj slobodnih elektrona - dobri provodnici - metali (kovine) / srebro, bakar, aluminij - elektroliti (otopine soli i sl.) - vodljive tekućine (kiseline i sl.) - ionizirani gasovi Izolatori (dielektrici) - nemaju slobodnih elektrona pri sobnoj temperaturi (20 °C) - materijali čija atomska struktura nastoji održati elektrone u svojim prstenovima - ne dopuštaju protok električne struje, a mogu skladištiti električni naboj (elektricitet) u kondenzatorima - izolatori – staklo, plastika, guma, papir, vazduh, vještački materijali Poluprovodnici - materijali koji propuštaju struju slabije od metalnih (kovinskih) provodnika a bolje od izolatora - Poluprovodnici – selen (Se), germanij (Ge), silicij (Si) - materijali za izradu poluprovodničkih elektronskih komponenata (dioda, tranzistor i sl.) 20 Električno nabijena tijela mogu se dobiti odvajanjem elektrona iz atoma utroškom neke druge vrsti energije, npr. mehaničke, svjetlosne ili hemijske. Takvo odvajanje postoji u električnom izvoru. Zbog djelovanja energije u izvoru nastaje elektromotorna napon (sila) E koja uzrokuje da jedna stezaljka izvora ima višak negativnog naboja (negativni pol), a druga manjak negativnog naboja (pozitivni pol) – između stezaljki nastaje razlika potencijala. Krug istosmjerne struje Elektromotorni napon ili sila Radnja dW u izvoru pomiče naboj dQ u izvoru i stvara napon E na stezaljkama Svaki izvor ima definisan električni napon E koji se mjeri u voltima (V). Napon je “sila” koja “gura” struju kroz potrošač i provodnike. Struja protiče kada se zatvori strujni krug 21 Električni potencijal Svaka stezaljka izvora ima određeni potencijal. Elektrićni potencijal označava se s φ, i on je skalarna veličina, mjeri se u voltima (V). Razlika u potencijalu između bilo koje dvije tačke strujnog kruga naziva se naponom, Napon između tačaka strujnog kruga može se odrediti kao razlika potencijala između promatranih tačaka 22 Električni otpor i vodljivost Provodnik pruža otpor prolasku struje – efekt sudaranja elektrona sa česticama materije Otpor ovisi o vrsti materijala, dužini provodnika i površini poprečnog presjeka provodnika. Supravodljivost Pojava iščezavanja električne otpornosti koja nastaje kao rezultat podhlađivanja provodnika do kritične temperature , naziva se supravodljivošću. Sredstvo za hlađenje je za te temperature tekući helij. Tehnologija tekućeg helija je vrlo složena i skupa. Visokotemperaturni supraprovodnici Tc =100 Kº – te temperature moguće postići tekućim azotom. Moguća područja primjene su: prenos energije, izgradnja jakih magneta, transport, električni uređaji, računarska tehnika, medicina i sl. Otpornici su elementi kruga koji regulišu jačinu struje ili ostvaruju pad napona u 23 strujnom krugu. ELEKTRIČNI OTPORNICI Nosioci električnog naboja pri djelovanju ismjerenog električnog polja sudaraju se sa česticama materijala koje se nalaze u haotičnom gibanju. Suprotstavljanje materijala prolasku električne struje naziva se električnim otporom. Otpor ograničava tok struje u krugu. Njegova uloga je transformacija električnog rada u toplotu (elektrotermički uređaji, sijalice sa žarnom niti, topivi osigurača) ili dobijanje određenog pada napona na krajevima elementa, kao što je to slučaj u raznim električnim krugovima u elektronici, gdje su oni najčešće uporabljivana pasivna komponenta. Elementi projektovani s ciljem da u krug unesu određeni otpor, koji je velik u odnosu na otpor spojnih vodova i spojeva, nazivaju se električnim otpornicima. Jedinica otpora je Ohm (Ω), a veličina otpora prema Ohmovom zakonu je: Vrijednosti koje definiše pojedini otpornik su njegova nazivna vrijednost, tolerancija te vrijednosti u % i opteretivost (maksimalno dozvoljena snaga). Opteretivost je ona snaga koju dati otpornik može primiti, a da se ne oštete njegove vitalne funkcije. Snaga se može odrediti iz relacija: a jedinica je vat (W). Otpornici imaju različita temperaturna svojstva ovisno o upotrijebljenom materijalu. Ona se opisuju sa: 24 SERIJSKI SPOJ OTPORNIKA (potrošača) Kako u krugu nema grananja struje očigledno je da kroz sve otpore teče ista struja: Na krajevima pojedinih otpornika naponi su prema Ohmovu zakonu: Zaključak: Ukupni otpor serijskog kruga jednak je zbiru pojedinačnih otpora. Serijskim spajanjem ukupni otpor raste, pa je nadomjesni otpor uvijek veći od najvećeg pojedinačnog otpora. Ako je serijski krug sastavljen od n jednakih otpora R tada je: 25 PARALELNI SPOJ OTPORNIKA (potrošača) U paralelnom spoju ukupna struja se grana na n grana. Svaki je otpornik spojen između dvije zajedničke tačke (čvora) A i B, pa je razlika potencijala (električni napon) na bilo kojem otporniku jednaka razlici potencijala između zajedničkih tačaka. Prema tomu za paralelni spoj vrijedi da su naponi na svim otpornicima jednaki. Ako je paralelni spoj vezan neposredno na izvor EMS, napon na svakome otporniku jednak je naponu na terminalima izvora: Pojedinačne struje dobiju se iz Ohmovog zakona: Zaključak: Recipročna vrijednost nadomjesnog otpora paralelnog kruga jednaka je zbiru recipročnih vrijednosti pojedinačnih otpora. Paralelnim spajanjem ukupni se otpor smanjuje, pa je nadomjesni otpor uvijek manji od najmanjeg pojedinačnog otpora. 26 Budući da je recipročna vrijednost otpora R jednaka vodljivosti G (G=1/R), nadomjesni otpor može se lakše odrediti računajući s odgovarajućim vodljivostima mreže . Zamjenom otpora vodljivostima dobije se nadomjesna vodljivost paralelnog spoja: Zaključak: Nadomjesna vodljivost jednaka je zbiru vodljivosti paralelno spojenih otpora. Paralelnim vezivanjem povećava se ukupna vodljivost. MJEŠOVITI (SERIJSKO-PARALELNI) SPOJEVI OTPORNIKA 27 NEOPTEREĆENI NAPONSKI DJELILAC To su karakteristične relacije naponskog djelioca, a potvrđuju ranije iznesenu tvrdnju o proporcionalnom odnosu napona i odgovarajućih otpora. OPTEREĆENI NAPONSKI DJELILAC 28 Georg Simon Ohm nje dao jednu važnu vezu, i to da je struja kroz jednu metalnu žicu srazmjerna postavljenom naponu kao i obrnuto srazmjerna unutrašnjem otporu žice. Ova spomenuta relacija publicirana je 1826. godine i od tada ostaje poznata kao "Omov Zakon". Ohm je jedinica električnog otpora. Jedan ohm (Ώ) je otpor kojeg ima bakarna žica otprilike 60 metara dužine sa prečnikom od 1mm2. e godine Ohm bilježi: I = E/R Ovo postaje poznato kao Omov zakon: I=E/R, gdje I predstavlja struju, E elektromotornu sagu (voltažu), i R je otpor. Što je kasnije preinačeno u I=U/R U jednom otporniku su: količnik napona preko otpornika i struje kroz otpornik konstantni. Ova konstanta ima omski otpor u formuli: R=U/A R=U/I . Napon od 1 volta (V) prouzrokuje otpor od 1 oma (Ώ) i jačinu struje od 1 ampera (A). Ovaj zakon predstavlja bazu nauke o elektricitetu. Nikada ne može samo jedna od ovih veličina, između kojih postoji čvrsta veza, da se individualno promijeni. Uz nju se uvijek promijene i druge dvije veličine. Volt - jedinica za mjerenje električnog napona, dobila ime po italijanskom fizičaru i pronalazaču: Alesandru Volti. Ova jedinica u međunarodnom sistemu jedinica; predstavlja onaj napon na homogenom žičanom provodniku kroz koji prolazi struja od 1 Ampera, a utrošena snaga između te dvije tačke iznosi 1 Watt. Pošto neki često upotrebljavaju naziv "Galvanijeva baterija", moramo reći i to da Galvani nikad nije napravio bateriju. On je eksperimentisao sa mišićima životinja, pritom tvrdeći da oni proizvode struju. 29 Na ovoj slici je prikazan Omov Trokut koji nam prikazuje Omov zakon. Iz Omovog zakona je vidljivo slijedeće: - povećanjem napona povečava se jačna struje u kolu - povečanjem otpora smanjuje se jačina struje u kolu - smanjenjem napona smanjuje se jačina struje u kolu - smanjenjem otpora povečava se jacčna struje u kolu Na narednoj slici je prikazan Omov Krug koji nam takođe prikazuje Omov Zakon, ali nam Omov Krug za razliku od Omovog Trtokuta prikazuje Omov Zakon za: - snagu - otpor - napon - jačinu struje 30 Serijski spoj otpora U krugu teče struja I, koja je proporcionalna naponu izvora Vs. Struju mjeri ampermetar koji spojen serijski sa otporima R1 i R2. Paralelni spoj otpora Voltmetar, koji je spojen paralelno strujnom izvoru (a time i otpornicima R1 i R2 ) mjeri napon na strujnom izvoru i na otpornicima. 31 32