Električni tok: Šta je to?

Electrical4u

Polje: Osnovna elektronika

China

Šta je električna struja?

Električna struja definisana je kao tok nabijenih čestica—poput elektrona ili jona—koji se kreće kroz električni vodilac ili prostor. To je stopa protoka električnog naboja kroz vodljiv sredstvo u odnosu na vreme. Električna struja se matematički (npr. u formulama) izražava simbolom „I“ ili „i“. Jedinična mera za struju je amper. Ovo se označava sa A.

Matematički, stopa protoka naboja u odnosu na vreme može se izraziti kao,

$\begin{align*} I = \frac {dQ} {dt} \end{align*}$

Drugim rečima, tok nabijenih čestica koji se kreće kroz električni vodilac ili prostor poznat je kao električna struja. Kretne nabijene čestice su nazvane nosiocima naboja, a mogu biti elektroni, defekti, joni, itd.

Protok struje zavisi od vodljiveg sredstva. Na primer:

U vodiču, protok struje je posledica elektrona.
U poluprovodnicima, protok struje je posledica elektrona ili defekata.
U elektrolitu, protok struje je posledica jonova i
U plazmi—jonizovanom gasu, protok struje je posledica jonova i elektrona.

Kada se električna potencijalna razlika primeni između dve tačke u vodljivom sredstvu, električna struja počinje da teče od više potencijale do niže potencijale. Što je veća napon ili potencijalna razlika, to je veći protok struje između dve tačke.

Ako su dve tačke u krugu na istom potencijalu, tada struja ne može da teče. Intenzitet struje zavisi od napona ili potencijalne razlike između dve tačke. Stoga možemo reći da je struja efekat napona.

Електрични ток може да произведе електромагнетна поља, која се користе у индукторима, трансформаторима, генераторима и моторима. У електричним проводницима, ток причињава резистивно загревање или Јоулов закон загревања, што ствара светлост у нажигачу.

Временски променљиви електрични ток производи електромагнетне таласе, који се користе у телекомуникацијама за емитовање података.

АЦ против ДЦ ток

На основу протока наелектрисаности, електрични ток се класификује на две врсте, односно алтернативни ток (АЦ) и једносмерни ток (ДЦ).

АЦ ток

Проток електричног наелектрисаности у периодички обратном смеру познат је као альтернативни ток (АЦ). АЦ такође се назива "АЦ ток". Иако ово технички значи исту ствар два пута "АЦ ток ток".

Алтернативни ток мења свој смер у периодичним интервалима.

Алтернативни ток почиње од нуле, порасте до максимума, спада до нуле, затим се окрене и достигне максимум у супротном смеру, затим се опет враћа на изворну вредност и бесконачно понавља овај циклус.

Тип волновог облика алтернативног тока може бити синусоидални, троугаони, квадратни, пилестопасти итд.

Посебности волновог облика нису важне - док год је то повезани волнови облик.

Ипак, у већини електричних кола, типични волнови облик алтернативног тока је синусоида. Типичан синусоидни волнови облик који можете видети као алтернативни ток приказан је на слици испод.

Alternatoralternator može generisati struju promenljive struje. Alternator je specijalni tip električnog generatora dizajniran za generisanje struje promenljive struje.

Električna energija promenljive struje se široko koristi u industrijskim i stambenim primenama.

Struja stalne struje

Tok električnog naboja u samo jednom smeru poznat je kao struja stalne struje (DC). DC se takođe naziva "strujom stalne struje". Iako ovo tehnički znači da se ista stvar kaže dva puta "Direct Current Current".

Pošto struja stalne struje teče samo u jednom smeru, ona se takođe naziva unidirekciona struja. Valna forma direktnog toka prikazana je na slici ispod.

DC može biti generisan od strane baterija, solarnih celija, gorivnih celija, termoparova, komutatorskih električnih generatora itd. Struja promenljive struje može biti pretvorena u struju stalne struje korišćenjem rektifikatora.

Električna energija stalne struje se opšte koristi u niskonaponskim aplikacijama. Većina elektronskih sklopova zahteva napajanje stalne struje.

U čemu se meri električna struja (jedinice struje)?

SI jedinica za struju je amper ili amp. Ovo se predstavlja sa A. Amper, ili amp, je osnovna SI jedinica električne struje. Jedinica amper je nazvana u čast velikom fizičaru Andreju Mariju Ampereu.

U SI sistemu, 1 amper je tok električnog naboja između dve tačke brzinom od jednog kulomba po sekundi. Dakle,

$\begin{align*} 1 \,\, Ampere = \frac {1\,\,Coulomb} {1\,\,Second} = \frac {C} {S} \end{align*}$

Stoga se struja takođe mjeri u kulonima po sekundi ili C/S.

Formula električne struje

Osnovne formule za struju su:

Veza između struje, napona i otpora (Ohmov zakon)
Veza između struje, snage i napona
Veza između struje, snage i otpora

Ove veze su sažete na slici ispod.

Formula struje 1 (Ohmov zakon)

Prema Ohmovom zakonu,

$\begin{align*} V = I*R \end{align*}$

Dakle,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R}\,\,A \end{align*}$

Пример

Как показано на следећем колу, напон извора од $24\,\,V$ је приложен на отпор од $12\,\,\Omega$ . Одређујте струју која протиче кроз отпорник.

Решење:

Дати подаци: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

Према Омовом закону,

$\begin{align*} & I = \frac{V}{R} \\ & = \frac{24}{12} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Tako, korišćenjem jednačine, dobijamo da je struja koja prođe kroz otpornik $2\,\,A$ .

Formula struje 2 (Snaga i napona)

Prenesena snaga jeste proizvod napajanja i električne struje.

$\begin{align*} P = V*I \end{align*}$

Dakle, dobijamo da je struja jednaka snazi podeljenoj sa naponom. Matematički,

$\begin{align*} I = \frac{P}{V}\,\,A \end{align*}$

Gde $A$ označava ampera ili ampere (jedinice za električnu struju).

Primer

Kao što je prikazano u strujnom krugu ispod, na lampu od $48\,\,W$ primijenjena je naponska razlika od $24\,\,V$ . Odredite struju koju uzima lampa od $48\,\,W$ .Rešenje:

Dati podaci: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

Prema formuli,

$\begin{align*} & I = \frac{P}{V} \\ & = \frac{48}{24} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Tako, koristeći gornju jednačinu, dobijamo da je struja koju uzima lampa od $48\,\,W$ jednaka $2\,\,A$ .

Formula za struju 3 (Snaga i otpor, ohmički gubitak, otporni zagrijavanje)

Знамо да је, $P = V * I$

Сада заменимо Охмов закон $V = I * R$ у горњу једначину добијамо,

$\begin{align*} P = I^2*R \end{align*}$

Тако, стрuja је квадратни корен од односа снаге и отпора. Математички, формула за ово је једнака:

$\begin{align*} I = \sqrt{\frac{P}{R}}\,\,A \end{align*}$

Пример

Како је приказано у наредном колу, одредите стрuju коју узима $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ лампа

Решење:

Дати подаци: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

Према вези између струје, снаге и отпорности приказаној горе:

$\begin{align*} & I = \sqrt{\frac{P}{R}} \\ & = \sqrt{\frac{100}{20}} \\ & = \sqrt{5} \\ & I = 2.24\,\,A \end{align*}$

Тако, коришћењем једначине, добијамо струју коју узима $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ лампа је $2.24\,\,A$ .

Димензије струје

Димензије струје у терминима масе (M), дужине (L), времена (T) и ампера (A) дате су као $M^0L^0T^-^1Q$ .

Струја (I) је представљање кулон по секунди. Дакле,

$\begin{align*} I = \frac{Q}{t} = \frac{[Q]}{[T]} = QT^-^1 = M^0L^0T^-^1Q \end{align*}$

Konvencionalni tok protiv toka elektrona

Postoji mala nesporazumica o konvencionalnom toku i toku elektrona. Pokušajmo razumeti razliku između ova dva pojma.

Čestice koje nose električnu nabavu kroz vodilice su mobilni ili slobodni elektroni. Smer električnog polja unutar kruga, prema definiciji, je pravilo da pozitivne testne nabave budu gurnute. Dakle, ove čestice negativne nabave, odnosno elektroni, teku u suprotnom smeru od električnog polja.

Prema teoriji elektrona, kada se napona ili potencijalna razlika primeni na vodilac, nabijene čestice teku kroz krug, što čini električni tok.

Ove nabijene čestice teku od veće do manje potencijalne razlike, odnosno od pozitivnog terminala baterije do njegovog negativnog terminala kroz spoljni krug.

Međutim, u metaličkom vodilu, pozitivno nabijene čestice su fiksirane, a negativno nabijene čestice, odnosno elektroni, su slobodni da se kreću. U poluprovodnicima, tok nabijenih čestica može biti pozitivan ili negativan.

Tok pozitivnih nosilaca naboja i negativnih nosilaca naboja u suprotnom smeru ima isti efekat u električnom krugu. Budući da tok struje zauzvraća pozitivnim ili negativnim nosiocima naboja, ili oba, potrebna je konvencija za smer struje koja je nezavisna od vrsta nosilaca naboja.

Smer konvencionalnog toka smatra se smerom u kom teku pozitivni nosilaci naboja, odnosno od veće do manje potencijalne razlike. Stoga, negativni nosilaci naboja, odnosno elektroni, teku u suprotnom smeru od konvencionalnog toka, odnosno od manje do veće potencijalne razlike. Stoga, konvencionalni tok i tok elektrona idu u suprotnim smerovima, što je prikazano na slici ispod.

smer konvencionalnog toka i toka elektrona — Smer Konvencionalnog Toka i Toka Elektrona

Konvencionalni tok struje: Tok pozitivnih nosioca naelektrisanja od pozitivnog do negativnog pola baterije poznat je kao konvencionalni tok struje.
Tok elektrona: Tok elektrona se naziva elektron tok. Tok negativnih nosioca naelektrisanja – tj. elektrona – od negativnog do pozitivnog pola baterije poznat je kao tok elektrona. Tok elektrona je suprotan konvencionalnom toku struje.

Smer konvencionalnog toka struje i toka elektrona prikazan je na slici ispod.

Konvencionalni tok struje i tok elektrona

Konvekcijski tok u usporedbi sa vodljivim tokom

Konvekcijski tok

Konvekcijski tok se odnosi na tok struje kroz izolaciono sredstvo, poput tečnosti, gasa ili vakua.

Konvekcijski tok ne zahteva vodilice da bi se proširio; stoga ne zadovoljava Ohmov zakon. Primer konvekcijskog toka je vakumski cev u kojoj elektroni emitirani od katode teknu ka anodi u vakumu.

Vodljivi tok

Tok koji teče kroz bilo koji vodilac poznat je kao vodljivi tok. Vodljivi tok zahteva vodilac da bi se proširio; stoga on zadovoljava Ohmov zakon.

Tok smicanja

Pretpostavimo da su otpornik i kapacitor povezani paralelno sa izvorom napona V, kao što je prikazano na slici ispod. Priroda toka struje kroz kapacitor razlikuje se od toka kroz otpornik.

Napon ili potencijalna razlika na otporniku proizvodi kontinuirani tok struje koji je dat jednačinom,

$\begin{align*} I_1 = \frac{V}{R} \end{align*}$

Ovaj struja se naziva “struja provodjenja.”

Sada struja kroz kondenzator tek kada se napon na kondenzatoru promeni, što je dat jednačinom,

$\begin{align*} I_2 = \frac{dQ}{dt} = C \frac{dV}{dt} \end{align*}$

Ova struja se naziva “struja pomaknutog položaja.”

Fizički, struja pomaknutog položaja nije struja jer nema protoka fizičke veličine, kao što je protok nabojki.

Kako meriti struju

U električnim i elektronskim krugovima, merenje struje je ključni parametar koji treba meriti.

Instrument koji može mjeriti električnu struju zove se ampermetar. Da bi se izmerila struja, ampermetar mora biti spojen serijalno sa krugom čija se struja mjeri.

Merenje struje kroz otpornik pomoću ampermetra prikazano je na sledećoj slici.

Električnu struju može se takođe mjeriti koristeći galvanometar. Galvanometar daje kako smer tako i intenzitet električne struje.

Struja se može mjeriti detektovanjem magnetnog polja povezanog sa strujom, bez prekidanja kruga. Postoji mnogo instrumenta koji se koriste za merenje struje bez prekidanja kruga.

Transduseri senzora efekta Hall-a
Trafotransformator (CT) (mera samo AC struju)
Šlajpsmetri
Shunt otpornici
Magneto rezistentni poljski senzori

Česta pitanja o strujama

Ispitajmo neka česta pitanja vezana za električnu struju.

Šta koristi elektromagnet da bi izmerio električnu struju?

Galvanometar je merni instrument koji koristi elektromagnet da bi izmerio električnu struju.

Galvanometar je apsolutan instrument; on meri električnu struju u terminima tangente ugla defleksije.

Galvanometar može direktno meriti električnu struju, ali to podrazumeva prekid kola; stoga, ponekad, to nije praktično.

Kako električna struja proizvodi magnetnu silu?

Vodilac sa strujom postavljen u magnetsko polje iskusit će silu jer struja ništa više nije nego tok naboja.

Razmotrimo vodilac sa strujom kroz njega, kao što je prikazano na sledećoj slici (a). Prema Flemingovom pravilu desne ruke; ova struja će proizvesti magnetsko polje u smeru kazaljke na satu.

企业微信截图_17098660781451.png 企业微信截图_17098660847078.png

Magnetska sila proizvedena električnom strujom

Rezultat magnetskog polja vodilca je taj što će prisiliti magnetsko polje iznad vodilca i oslabiti ga ispod.

Linije polja su poput naprženih gumenih traka; stoga će gurnuti vodilac u nadolazeći smer, odnosno sila je nadolazeća, kako je prikazano na slici (b).

Ovaj primer kaže da nosilac struje u magnetskom polju iskusi silu. Sledeća jednačina određuje intenzitet magnetskog sile na nosioca struje.

$\begin{align*} F_B = BIL\,\,Sin\theta \end{align*}$

Da bi se električna struja pokretala, potrebno je imati

Da bi se električna struja pokretala, potrebno je imati sledeće:

Potencijalnu razliku koja postoji između dve tačke. Ako su dve tačke u krugu na istom potencijalu, struja ne može teći.
Izvor napona ili struje, kao što su baterija ili čelik, koji prisiljava slobodne elektrone koje čine električnu struju.
Vodič ili žicu koja prenosi električne naboje.
Krug mora biti zatvoren ili kompletni. Ako su krugovi otvoreni, struja ne može teći.

Ovo su uslovi potrebni za pokretanje električne struje. Slika ispod pokazuje struju koja prolazi kroz zatvoreni krug.

Šta najbolje opisuje razliku između električne struje i statične električnosti

Glavna razlika između električne struje i statične električnosti je ta što elektroni ili naboji teku kroz vodilac u slučaju električne struje.

Dok, u slučaju statične električnosti, naboje su u mirovanju i akumulirani na površini materijala.

Električna struja je posledica toka elektrona, dok je statična električnost posledica negativnih nabojeva sa jednog objekta na drugi.

Električna struja generiše se samo u vodičima, dok se statična električnost generiše i u vodičima i izolatorima.

Kako električna struja utiče na magnetski pol?

Znamo da kada teče električna struja, tj. kada se električni naboj kreće, stvara se magnetsko polje. Ako magnet stavimo u magnetsko polje, iskusi silu.

Za električne naboje, odnosno električnu struju, slični magnetni polovi privlače, a suprotni odbijaju. Dakle, možemo reći da električna struja utiče na magnetni pol kroz magnetsko polje.