električna struja

ilustracija
ELEKTRIČNA STRUJA, složena struja
ilustracija1ilustracija2ilustracija3

električna struja, naziv kojim se općenito označuje gibanje elektriciteta. U metalnim vodičima to je gibanje elektrona, u poluvodičima gibanje elektrona i šupljina, dok se npr. u elektrolitskim otopinama gibaju pozitivni i negativni ioni. No i svako gibanje električki nabijenih materijalnih čestica većih dimenzija nego što su ioni, kao npr. gibanje nabijenih čestica prašine, jednako je tako električna struja. Strujanje u električnim strujnim krugovima sastavljenima od el. vodiča naziva se provodnom strujom, a gibanje nabijenih materijalnih čestica u slobodnom prostoru naziva se konvekcijskom strujom.

Uzrokom el. strujanja smatra se električno polje stvoreno naponom što ga imaju električni izvori na svojim stezaljkama, a kao smjer djelovanja el. polja odabran je onaj smjer u kojem polje djeluje silom na pozitivni električni naboj. Zato se kao smjer električne struje uzima onaj smjer u kojem se gibaju pozitivni električni naboji. Budući da je električna struja u metalnim vodičima ostvarena gibanjem elektrona, to se ovdje elektroni doista gibaju u suprotnome smjeru od dogovorenog smjera struje. Međutim, u pogledu magn. učinka električne struje, koji je među svim njezinim učincima najvažniji, svejedno je da li se pozitivni naboji gibaju u jednome smjeru ili negativni u suprotnome. Ostali su osnovni učinci električne struje: toplinski (tj. proizvodnja topline u otporu kroz koji prolazi struja) i kemijski (tj. razdvajanje elektrolita pri prolazu struje). Intenzitet el. strujanja ili jakost električne struje (I) izražava se količinom elektriciteta koja prostruji u jedinici vremena na promatranome mjestu vodiča. Dakle, I = Q/t, gdje je Q količina elektriciteta koja je u vrijeme t prošla kroz poprečni presjek vodiča. Jedinica jakosti električne struje naziva se amper (A), a definira se prema veličini magnetske sile koja nastaje među vodičima kojima protječe električna struja. Pri određivanju jakosti struje u elektrolitskim otopinama, gdje struju tvori gibanje i pozitivnih i negativnih iona u suprotnim smjerovima, treba uzeti u obzir količine elektriciteta obaju polariteta. Ako je strujanje elektriciteta nejednolično, jakost struje bit će vremenski promjenljiva i u svakome će trenutku imati drukčiju trenutačnu vrijednost, koja se izražava jednadžbom: i = dQ/dt.

S obzirom na prolazak el. naboja u tijeku vremena razlikuje se vrsta električne struje. Istosmjernom strujom naziva se struja koja ima u tijeku vremena konstantnu jakost i trajno jedan te isti smjer. Za istosmjernu struju u strujnim krugovima vrijede osnovni zakoni: Ohmov zakon, oba Kirchhoffova zakona i zakoni osnovnih učinaka (Jouleov zakon za toplinski učinak, Faradeyevi zakoni za elektrolizu, Hopkinsonov zakon magn. toka). – Pri promjenljivom strujanju el. naboja struja je promjenljiva, a njezine vrijednosti mogu se za svaki trenutak vremena saznati ako je poznat grafički prikaz tih promjena u koordinatnome sustavu (i, t) ili ako je zadan analitički izraz i = f (t) promjene struje s vremenom. Od svih promjenljivih struja najveću važnost za elektrotehniku imaju periodično promjenljive struje, a to su one kod kojih se promjene stalno ponavljaju u određenim vremenskim intervalima. Trajanje jedne potpune promjene zove se perioda i označuje se slovom T. Ako periodično promjenljiva struja mijenja osim jakosti još i smjer, naziva se izmjeničnom strujom. Osim periodom T može se promjenljivost izmjeničnih struja označiti i brojem titraja u jednoj sekundi i taj se broj naziva frekvencijom izmjenične struje (f): f = 1/T.

Budući da se svaka periodično promjenljiva struja može, prema Fourierovu pravilu, rastaviti u niz komponenata, to je za proučavanje izmjeničnih struja vrlo bitno poznavanje zakona kojima podliježe sinusoidna izmjenična struja. Analitički je izraz za sinusoidnu izmjeničnu struju i = Imax sin ωt, gdje je Imax = amplituda struje; ω = 2πf kružna frekvencija. Aritmetička srednja vrijednost sinusoidne struje jednaka je nuli, ali kvadratna srednja vrijednost o kojoj ovise učinci izmjenične struje jednaka je

I = Imax/ 2  = 0,707 Imax i naziva se efektivnom vrijednosti.

Sinusoidna izmjenična struja može se upotrijebiti za stvaranje topline u elektrotermičkim aparatima, jer je za proizvodnju topline svejedno u kojem smjeru prolazi struja kroz otporni grijač, a računski se to vidi po tome što prema Jouleovu zakonu proizvedena toplina ovisi o kvadratu jakosti struje, pa je za to mjerodavna efektivna vrijednost. Jednako se tako može s pomoću sinusoidne izmjenične struje u elektromotorima proizvesti zakretna sila, jer i ona u motorima izmjenične struje ovisi o kvadratu jakosti struje. No, kako je kemijski učinak (npr. pri galvanizaciji) ovisan o srednjoj vrijednosti, koja je za sinusoidu jednaka nuli, ne može se izmjeničnom strujom postići spomena vrijedan kemijski učinak. Ipak se energija izmjenične struje može upotrijebiti i za elektrolizu, pa i za ostale aparate koji traže istosmjernu struju, ako se izmjenična struja ispravi. Takva struja sastavljena je, dakle, od samih pozitivnih polovica sinusoide, pa je njezina srednja vrijednost prozvana elektrolitskom srednjom vrijednošću. Računski ona iznosi:

Iel sr = 2/π Imax = 0,637 Imax .

Pri računima s promjenljivim strujama uvedene su općenito ove prosječne vrijednosti:

aritmetička srednja vrijednost: električna struja 3.jpg,

elektrolitska srednja vrijednost: električna struja 4.jpg,

efektivna vrijednost: električna struja 5.jpg.

U mnogim elektrotehničkim problemima često se računa s još jednom veličinom, a to je gustoća el. struje. Ona je pri linijskim vodičima definirana kao broj ampera na jedinicu površine poprečnoga presjeka vodiča (m² ili mm²): J = I/S. Obrnuto je onda jakost struje kroz cijeli presjek S jednaka: I = JS. U vezi s tom novonavedenom veličinom J, može se općenito i pri prostornom strujanju odrediti jakost struje kroz neki presjek u prostoru. Ako je, naime, prostorno strujanje zadano time što je za svaku točku prostora zadana gustoća J, a to je vektorska veličina, jer osim veličine ima još i određen smjer u prostoru, onda je ukupna struja što prolazi kroz površinu S

električna struja 6.jpg.

Izmjenična struja koja teče jednim zatvorenim strujnim krugom često se naziva jednofaznom, kako bi se istaknula razlika prema višefaznim strujama. Od svih višefaznih struja najveću važnost ima u općoj elektrifikaciji trofazna struja. Trofazna je struja sustav triju sinusoidno promjenljivih struja koje su vremenski jedna prema drugoj fazno pomaknute za 1/3 periode, što u grafičkom prikazu odgovara faznomu kutu od 120°. Prema tome to nije jedna, nego su to tri struje koje se u generatoru zajednički proizvode, dalekovodom zajednički prenose i predaju potrošačima. (→ trofazna struja)

Energija i snaga izmjenične struje ovise bitno o tome u kakvu je faznom odnosu jakost izmjenične struje prema svojem izmjeničnom naponu. Ako je fazni pomak φ = 0, struja u punom iznosu sudjeluje s naponom u iznosu snage, a ako je φ ≠ 0, djelotvorna je samo komponenta struje I cos φ, pa se ona i naziva djelatna komponenta, a I sin φ jalova komponenta. (→ električna snaga)

električna struja. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 15.12.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=17572>.