1 Energija, električna energija, strujni krug
Pojava svjetlosti, topline, raznih zračenja i sl. nazivamo energijom.
Uz energiju uvjek postoji i izvor energije. Naprimjer, izvor svjetlosti može biti sijalica ili sunce, topline radijator, peć, pegla, bojler itd. Večina stvari u životu prima ili odašilje neku vrstu energije.
Čovjek oduvjek koristi razne izvore energije. Još u davna vremena čovjek je ukrotio životinje i koristio ih za prevoz, oranje zemlje i druge radove koji su za čovjeka mnogo teži. Mnogo kasnije čovjek je iskoristio energiju toka rijeke i vjetar. Nakon toga otkriven je parni stroj i počele su se graditi prve tvornice koje su za prve pojmove koristile ogromne energije. Krajem 19. st i početkom 20. st. u upotrebu dolazi električna energija. Počela je gradnja termo i hidroelektrana, a kasnije i nuklearnih elektrana ogromnih kapaciteta. U današnje vrijeme nemoguće je zamisliti ikakav pogon koji radi bez prisustva električne energije. Ova energija je svakako najrasprostranjenija vrsta energije koja postoji. Pokreće sve, od malog ručnog sata, lampi, računala, pa sve do ogromnih tvornica.
Za nas je najvažnija električna energija. Pitate se zašto? Zamislite svijet bez električne energije, bez sijalica, telefona, hladnjaka, televizora, radio uređaja, električnih grijalica...
Drugi razlog je, kako na primjer pretvoriti svjetlost u toplinu, ili kako pretvoriti gibanje rijeke u toplinu ili svjetlost, ili naprimjer opet u gibanje.
Iako se oboje na prvi pogled čini nemogućim, moguće je, ali samo uz prisustvo električne energije.
Električna energija je jedina(dosad poznata) energija koja se vrlo lako dobiva iz drugih oblika energije, te se isto tako lako pretvara u skoro bilo koji drugi oblik. Tako možemo iz prirodnih oblika energije dobiti električnu energiju, a iz električne energije oblik koji nam treba. Električna energija nije ništa novo u prirodi, munja je jedan oblik prirodne električne energije. Prirodna električna energija je odgovorna čak i za koroziju spoja različitih metala.
Rješimo problem od prije. Svjetlost pomoću solarnih čelija pretvorimo u električnu energiju, te je u električnoj grijalici pretvorimo u toplinu. Solarne čelije su uređaji koji mogu svjetlost pretvoriti u električnu energiju. Bilo koji uređaj koji pretvara neki oblik energije u električnu energiju zove se izvorom električne energije(struje).
U prirodi vrijedi zakon o očuvanju energije koji kaže da se energija ne može ni iz čega stvoriti niti uništiti, može se samo pretvarati iz jednog oblika u drugi. Dakle izvori električne energije ne stvaraju energiju, nego je samo pretvaraju iz drugih oblika. Po tome iz koje energije se dobiva električna, izvore dijelimo u dvije glavne skupine:
- Mehanički izvori el. energije – pretvaraju mehaničku energiju (energiju gibanja) u električnu.
To su npr:
o Elektrane (generatori)
§ Hidroelektrane
· koriste energiju toka vode i pretvaraju je u el. energiju.
§ Termoelektrane
· koriste toplinu dobivenu izgaranjem plina, nafte ili ugljena za dobivanje el. energije
§ Nuklearne elektrane
· koriste atomsku energiju za zagrijavanje vodene pare čiji tok pokreće generator i pretvara to gibanje u el. energiju.
o Agregati
- Kemijski izvori el. energije – pretvaraju pohranjenu kemijsku energiju u električnu.
o Baterije, članci, akumulatori (koriste elektrolite)
- Postoje još solarne čelije, termočlanci, te još mnogi drugi izvori.
Glavni izvori električne energije danas su elektrane, i iz njih se dobivaju ogromne količine el. energije koji se razvode po kućanstvima. Hrvatska ima napon el. mreže 220 Volti, dok je u zapadnim zemljama on 110 Volti.
Princip rada termoelektrane:
Kotao zagrijava
vodenu paru na visoku temperaturu, i ona velikom brzinom prolazi kroz cijevi i
okreće turbinu generatora koji pretvara energiju u električnu. Zatim se u
kondenzatoru para hladi i vrača u kotao. Isti osnovni princip ima i nuklearna
elektrana, samo ona vodu zagrijava nuklearnim procesom zvanim fisija, odnosno
razbijanjem atomskih jezgara. Nuklearne elektrane ne zagađuju atmosferu i imaju
vrlo veliki kapacitet, ali stvaraju nuklerani otpad koji je vrlo opasan zbog
radioaktivnosti. Također postoji opasnost od kvara unutar takvih elektrana koje
tada mogu postati velike ekološke katastrofe(Černobil, Rusija). No nuklearne
lektrane su najsigurnije od svih, i havarije nastaju samo ljudskom pogreškom što
je bilo slučaj u Černobilu.
Princip rada hidroelektrane:
Hidroelektrana koristi vodu koja pada kroz cijevi iz akumulacijskog jezera. U cijevima voda ubrzava i okreće turbinu generatora. Za ovu elektranu potreban je vrlo velik protok vode, i vrlo su velike, a ne daju toliko mnogo energije, ali su zato vrlo jeftine, i uopće ne zagađuju okoliš, što se ne može reći za termo i nuklearne elektrane.
Postoje još i manje elektrane na vjetar, te polja solarnih čelija, no te vrste elektrana nisu u široj upotrebi.
Najjednostavniji izvori su baterije, i danas se korise uglavnom u prijenosnim uređajima koji nemaju pristup el. mreži za cijelo vrijeme rada.
Električna energija se može pretvarati u druge oblike jedino unutar strujnog kruga. Strujni krug je bilo koji vodljivi spoj koji u sebi sadrži izvor, vodove i trošilo.
Jednostavan strujni krug:
Izvor električne struje preko vodova(vodića) daje struju trošilu koje ju pretvara u neki drugi oblik energije.
Vodićima nazivamo bilo koje tvari koje vode el. struju.
vodići su npr: bakar, aluminij, zlato, srebro, željezo itd.
Izolatori su tvari koje ne vode el. struju. ( plastika, porculan).
Elektrolitima zovemo tekućine koje dobro vode struju.
Izvore i trošila, te druge elemente strujnih krugova prikazujemo pomoću simbola:
-
Izvori (generator i baterija)
-
Trošila (sijalica i otpornik)
- Cvorovi i vodovi
Ako struja u strujnom krugu ne tece, kazemo da je strujni krug otvoren.
Elektricnu energiju moguce je koristiti uglavnom u zatvorenim strujnim krugovima, tj u krugovima kroz koje tece struja.
Otvoreni strujni krug:
U ovakvom strujnom krugu sijalica nece svjetliti!!!
Zatvoreni strujni krug :
Strujni krug je zatvore, kroz njega može teći struja i sijalica će svijetliti.
Električnu struju teško je zamisliti, no najlakše je pomoću predodžbe sa protokom vode :
Struja doduse nije protok vode, nego gibanje malih čestica zvanih elektroni.
Kroz vodić se moze gibati vrlo mnogo elektrona, a svaki je oko tisuću puta manji od atoma.
Moguće je zamisliti da se elektroni gibaju najprije napred, pa nakon nekog vremena nazad.
Prema toku elektrona, odnosno smjeru struje možemo je podijeliti na istosmjernu i izmjeničnu. Tako isto postoje izvori istosmjerne i izmjenične struje. Izvori istosmjerne struje su baterije, akumulatori, solarne čelije, ispravljači itd. a izmjenične generatori(elektrane), dinamo na biciklu, itd.
Izmjenična struja
Struja ima dva smjera: Unutarnji i vanjski (tehnički):
Struja u strujnom
krugu uvjek teče od + pola prema - polu baterije, a unutar samog izvora od -
prema + polu.
Elektroni putuju u smjeru suprtnom struji. Elektroni su negativno nabijeni i privlači ih + pol baterije.
Struju općenito opisujmo sa dvije najvažnije vveličine, iako ih ima i više. Prva od njih je jakost struje (označava se sa I ) i to je veličina koja predstavlja količinu elektrona koji proteku kroz vodić u sekundi. Mjeri se u amperima (A). Najlakše je predočiti jakost struje kao protok vode koja prođe kroz neku cijev. Jakost struje mjeri se uređajem zvanim ampermetar.
Naprimjer ako kroz prvi vodić proteče 5 elektrona u sekundi, a kroz drugi 10, očito je da je jakost druge struje duplo veća od prve. Ako kroz sijalicu teće mala struja, ona će slabo ili uopće neće svijetliti, ako je struja jača, sijalica će svijetliti jaće, a ako još povećemo struju sijalica će pregoriti.
Da bi spriječili pregaranje (kvar) uređaja, moramo ih zaštititi od prevelike struje. Zato ispred njih u strujni krug spajamo osigurače. Osigurač je uređaj koji pri određenoj jakosti struje prekida strujni krug i tako štiti uređaj od prevelike jakosti struje.
Simbol osigurača
prikazan je na slici:
Druga važna veličina u strujnom krugu je napon. Napon je osobina izvora el. energije i mjeri se u Voltima (V) uređajem zvanim voltmetar. Napon izvora se u strujnom krugu može se usporediti sa snagom pumpe u krugu sa vodom. Izvor sa većim naponom kroz isto trošilo potjerat će jaču struju.
U izmjeničnom strujnom krugu smjer struje i napona se stalno mijenja, a brzinu tog mjenjanja opisujemo frekvencijom el. struje. Frekvencija prikazuje broj izmjena smjera u sekundi i mjeri se u Hertzima (Hz).
Za čovjeka opasna jakost struje je oko 100 mA, a opasnim naponom smatra se napon veći od 50 V.
Mrežni napon od 220V vrlo je opasan i sa njime treba vrlo pažljivo raditi.
Da bi onemogućili protjecanje struje kroz tijelo (i općenito tamo gdje je ne treba) koristimo izolatore.
Znači, ako nosimo gumene tenesice napon od 220V kroz tijelo protjera manju struju nego ako stojimo u lokvi vode (voda vodi struju). No bez obzira na to što nosimo na nogama, kontakt sa visokim naponom je vrlo opasan, no prvi slucaj je znatno manje opasan od drugog. Ako ikada budete radili sa naponima većim od 50V obavezno se što bolje izolirajte od poda, zida, radijatora ili ičega vodljivog što ima kontakt sa zemljom, i budite oprezni da nipošto ne dotičete gole žice. Zemlja se uvjek ponaša tako da struja teće prema njoj. Ne dopustite da struja teće kroz vas!!!
Na sekciji uglavnom ćemo raditi sa naponima nižim od 50V, te sa istosmjernom strujom.
Što se tiče izvora el. energije postoje još razni ispravljači i adapteri, no oni samo pretvaraju jedan napon i struju u drugi. O ovim uređajima biti će govora u kasnijim lekcijama.