04 - Strujni krugovi
Elektroni, kao negativni naboj, koje privlače pozitivno nabijeni atomi, ne mogu samo jednostavno "preskočiti" kroz zrak do njih. Da bi se pozitivni i negativni naboji približili potrebna je veza ili most između područja gdje se oni nalaze. Uobičajeno je taj "most" ili "vezu" nazivati strujnim krugom. Kada se uspostavi veza svi se elektroni počinju istodobno kretati. Nastoje na najbrži mogući način prijeći put do pozitivnih atoma. Prijelaz, a to je električna struja, ovisi o otporu kojeg pruža materijal veze. Kretanje velikog broj elektrona vezom u jedinici vremena čak može uništiti vezu.U trećem poglavlju naučili ste o elektronima i privlačenju između pozitivnih i negativnih naboja, a u ovom smo poglavlju dosad naučili da je moguće uspostaviti vezu ili strujni krug između tih naboja. Nadalje, važno je znati da je moguće ograničiti broj elektrona koji u jedinici vremena prolaze strujnim krugom, kao i «zaposliti» te elektrone da tijekom svog putovanja naprave nešto korisno za nas. Na primjer, ako se strujni krug sastoji od žarulje onda će elektroni svojim prolaskom zagrijati njezinu žarnu nit zbog čega će ona svijetliti, proizvoditi svjetlosnu energiju. Kada ograničavamo broj elektrona koji u jedinici vremena prolazi strujnim krugom kažemo da pružamo otpor njihovu kretanju - slično kao što to čine naplatne kućice motornim vozilima na autocestama. Bakrena žica samo je jedan od mogućih načina da se povežu komponente u strujnom krugom. U tom su slučaju elektroni (nositelji negativnog naboja) "nositelji" struje. No pri vođenju struje, kroz tekućine na primjer, nositelji struje mogu biti i pozitivno nabijene čestice. Tako su u ljudskom tijelu nositelji električne struje pozitivni i negativni ioni u staničnoj i izvanstaničnoj tekućini. Radi li se o gibanju pozitivnih iona (na primjer iona natrija, Na+, definirani se smjer struje podudara sa smjerom gibanja pozitivnih iona). Prije no što elektroni stignu do svog odredišta može se dogoditi da se sudare i povežu s atomima koje susreću na svom putu. Na taj način nastaju novi nosioci naboja koji su veći i tromiji budući su nastali povezivanjem atoma i elektrona. Osim toga oni mogu čak promijeniti i smjer kretanja. Za ovu je pojavu karakteristično pretvaranje električne energije u unutrašnju kaloričku energiju koja se zatim pretvara u toplinu i prelazi u okolicu. Znači naučili smo da elektroni svojim kretanjem kroz strujni krug mogu stvarati svjetlosnu i unutrašnju kaloričku (toplinsku) energiju. Zamislite strujni krug kao crijevo za zalijevanje vrta. Tada tok naboja odgovara toku vode kroz crijevo. Napon strujnog kruga odgovara tlaku u crijevu, a promjer crijeva ključan je parametar za određivanje otpora koji to crijevo pruža toku vode.Kretanje naboja u strujnom krugom predstavlja struju. U električnom strujnom krugu elektroni se kreću od negativnog prema pozitivnom polu. Ako negativan i pozitivan pol odgovaraju nekom izvoru električne struje dobili smo struji krug (zamislite to kao da se radi o negativnom i pozitivno polu električne baterije). Dodajmo sada još u taj strujni krug žarulju i sklopku. U žarulji se uslijed prolaska električne struje transformira električna energija u unutrašnju kaloričku energiju i svjetlosnu energiju.
Pokus sa strujnim krugom
Kada je Thomas Edison bio maleni dječak imao je na tavanu svoje kuće laboratorij. Upravo su ga pokusi u tom laboratoriju učinili genijalcem "žednim" spoznaja o tome kako funkcioniraju prirodne pojave i kako to može iskoristiti u svojim izumima. Žarulja i projektor filmova samo su neki od njegovih otkrića. Možete (ako želite) i vi sami poput Edisona vrlo jednostavno izraditi svoj prvi strujni krug i otkriti što će se dogoditi kada je krug otvoren odnosno kada je zatvoren.
Popis stvari koje su Vam potrebne:
- Žaruljica
- Džepna baterija
- Tri izolirane žice (vodiči)
- Ljepljiva vrpca (kako biste povezali polove džepne baterije sa krajevima žice)
- Tanki komad metala (kontakt sklopke)
- Komad drva
Pokus sa strujim krugom
Napomena: Koristite žaruljicu iz džepne svjetiljke a ne klasičnu žarulju Izrada strujnog kruga:
- Utisnite jedan metalni čavlić u drvo
- Utisnite drugi metalni čavlić kroz tanki komad metala i onda u drvo ali tako da taj metal ne dodiruje drugi čavlić
- Povežite prvu izoliranu žicu (vodič) s jednim od čavlića, a drugi kraj s žaruljicom
- Povežite drugu izoliranu žicu (vodič) s žaruljicom a na njenom drugom kraju je pomoću ljepljive vrpce pričvrstite za jedna od polova baterije
- Preostali slobodni pol baterije povežite s trećom žicom koja završava na drugom slobodnom čavliću sklopke.
Strujni krug je sada spreman za eksperimente. Kada pritisnete metalni kontakt koji povezuje dva čavlića strujni krug je zatvoren i njime teče električna struja - žaruljica će svijetliti. Kada metalni kontakt pomaknete strujni krug je otvoren i struja više njime ne teče - žaruljica više ne svijetli. Broj elektrona koji u jedinici vremena putuju strujnim krugom čini električnu struju. Mjerna jedinica za električnu struju je Amper (A). Jedan Amper odgovara 6 250 000 000 000 000 000 elektrona koji prođu strujnim krugom u jednoj sekundi. Inače, taj se veliki broj naziva još i "coulomb" prema znanstveniku Charlesu A. Coulombu koji je doprinio otkriću električne struje. Ako se sjećate, u prvom smo poglavlju definirali energiju kao sposobnost obavljanja rada. Da bismo odvojili elektrone od atoma (to se događa u izvoru električne energije, generatoru i/ili bateriji primjerice) moramo obaviti rad. Rad je energija, ne može biti izgubljen, ta energija ostaje sačuvana u položajima (odvojenih) elektrona i atoma. Oni se međusobno privlače, posjeduju električnu potencijalnu energiju. Omogućimo li njihovo spajanje, električnim krugom, elektroni na putu do atoma, kao što smo se uvjerili, mogu obaviti rad. Taj se rad može izraziti na poseban, posredan način kao omjer obavljenog rada i naboja (ukupnog broja elektrona koji su sudjelovali u obavljanju rada). Tako određeni omjer naziva se naponom. Jedinica napona jednaka je omjeru jedinice energije (rada) i jedinice naboja, dakle džul po kulonu. Naziova se volt, prema znanstveniku Aleksandru Volti koji je osmislio prvu bateriju, i ima znak V. 1 V (jedan volt) odgovara naponu koji je potreban da bi 1 C (kulon, 6,25x1018 elektrona) obavio rad jednak 1 J (džul).Napon, struja i otpor važne su veličine kojima se opisuju strujni krugovi. Ukoliko su napon ili struja preveliki može doći do kvara u strujnom krugu. No ako je neki od njih premali strujni krug ne će funkcionirati na zadovoljavajući način. Na isti način, ako je otpor strujnog kruga prevelik, elektroni neće moći stići do svojeg odredišta. Ako je pak otpor mali velik broj elektrona će pojuriti krugom i pritom ga razoriti. Paralelni strujni krugovi - ako postoji samo jedan mogući put elektrona između polova izvora električne energije onda govorimo o serijskom strujnom krugu. Ako postoji više mogućih putova onda govorimo o paralelnim strujim krugovima. Nazivamo ih paralelnim jer oni realno rade paralelno između istoga para polova izvora električne energije. Sasvim općenito moguć je neograničen broj takvih paralelnih strujnih krugova kojima pripada isti napon na njihovim krajevima. No kako smo ugradnjom paralelnih krugova povećali broj putova kojima može teći struja to znači da će broj elektrona a time i ukupna struja u strujnom krugu narasti. Pri tome ne će doći do razaranja strujnog kruga jer se ta struja dijeli na paralelne krugove (grane).
Električni motori
Električni motori pretvaraju električnu energiju u mehaničku. Pretvorba se temelji na pojavi koja se naziva elektromagnetizam. Motor se sastoji od zavojnice (strujnog kruga koji ima puno zavoja) i koji je smješten između sjevernog i južnog pola permanentnog (trajnog) magneta. Kada struja teče zavojnicom ona proizvodi drugo magnetsko polje. Južni pol permanentnog (fiksnog) magneta privlači sjeverni pol zavojnice i obrnuto, dok se istoimeni polovi odbijaju. Uslijed opisanih odbijanja i privlačenja polova zavojnice i permanentnog magneta dolazi do okretanja zavojnice u polju permanentnog magneta.