Fizika 8 - 2.1 Mjerenje električne struje

Električna struja kao strujanje vode

Dosad smo naučili da električnu struju u metalima čine slobodni elektroni, u elektrolitima su to ioni, dok su u plinovima nositelji električne struje ioni i djelomično slobodni elektroni.

Isto tako, bilo je govora i o različitim modelima kojima se služe fizičari kako bismo složene fizičke procese pojednostavnili i bolje razumjeli. Kao jednostavni model električne struje može nam poslužiti i strujanje vode kroz vodovodne cijevi.

U ovome modelu, cijevi predstavljaju vodiče električne struje. Kroz cijevi protječe voda kao što se kroz vodiče gibaju naboji. Vodena crpka predstavlja izvor električne struje. Očita je analogija: sama crpka uzrok je protjecanja vode kroz cijevi. Što je crpka snažnija, veći je i pritisak vode u cijevima. Brzina strujanja vode izravno ovisi o jakosti crpke. Jednako tako, što je izvor električne energije „jači“, daje veću energiju elektronima u vodiču pa je u njima jača i električna struja.

Ventil koji regulira protok vode u cijevi odgovara u ovome modelu sklopki. Kad je ventil zatvoren, nema protoka vode u cijevima. Upravo tako prekidač u električnome strujnom krugu prekida gibanje naboja, zaustavlja električnu struju.

U kružni vodeni tok jednostavno se dodaje mala turbina koja transformira energiju gibanja vode u mehaničku energiju. U električnom strujnom krugu turbinu možemo usporediti s bilo kojim trošilom. Trošilo transformira električnu energiju koju nose elektroni u razne druge oblike energije, najčešće toplinsku, mehaničku i svjetlosnu.

Za kraj razmatranja ovoga modela dodajmo da je ovo ipak samo model. Koristimo se njime da bismo bolje razumjeli jednu fizičku pojavu uspoređujući je s drugom, koja joj je slična. No svaki model ima ograničenja. Iako su te dvije pojave u mnogim pogledima slične, u drugima mogu biti vrlo različite. Stoga moramo pripaziti da služeći se modelom ne odemo predaleko.

Mjerenje električne struje

Na kraju mjeseca, u svako kućanstvo na naplatu stižu mjesečni računi. Potrošnja vode izravno ovisi o količini vode koja je toga mjeseca prošla kroz cijevi. U našem modelu, ako imamo dvije jednake cijevi, a kroz jednu u istom vremenu proteče više vode nego kroz drugu cijev, kažemo da je jakost (protok) vodene struje u toj cijevi veća. Što je veća količina naboja koja u nekom vremenu proteče kroz poprečni presjek nekog vodiča, kažemo i da je električna struja u tome vodiču veća.

Naravno, u svakome kućanstvu bitna je štednja. Upozorite svoje bližnje na štednju, gasite nepotrebno uključene električne uređaje.

Potrošnja struje, dakle, izravno ovisi o količini elektrona koji su toga mjeseca prošli kroz žice.

Preciznije možemo reći:

Električna struja razmjerna je količini naboja koji prođe kroz neki poprečni presjek vodiča.

$I \sim Q$

No ako imamo dva vodiča, a kroz poprečni presjek jednoga od njih prođe ista količina naboja u upola kraćem vremenu, kažemo da kroz njega protječe dvostruko veći iznos električne struje. Preciznije:

Električna struja obrnuto je proporcionalna vremenu.

$I \sim \frac{1}{t}$

Električna struja je količnik naboja i vremena za koje taj naboj proteče kroz poprečni presjek vodiča.

I = \frac{Q}{t}

Električnu struju obilježavamo oznakom $I,$ a mjerna jedinica za električnu struju je amper (oznaka $A$ ).

Zanimljivost

Na slici je André-Marie Ampère, francuski fizičar u čiju je čast dobila ime jedinica za mjerenje jakosti električne struje — André-Marie Ampère

Mjerna jedinica nazvana je po francuskom fizičaru i matematičaru Andre-Marie Ampereu. Kako je njegov otac slijedio učenja francuskog prosvjetitelja Rousseaua, mladi Ampere proveo je djetinjstvo uglavnom u prirodi i unutar očeve knjižnice. Rousseau je smatrao prirodu mjestom stjecanja prvih znanja. Bio je uvjeren u to da se trebaju slijediti vlastiti interesi i sklonosti. Zanima li te trčanje - trči cijeli dan, zanima li te astronomija, uči o zvijezdama i nosi teleskop sa sobom. Ono što te zanima i što te čini sretnim neka te vodi u tvojem obrazovanju. Srećom je mladog Amperea zanimala matematika (već je kao dvanaestogodišnjak bio vrstan znalac više matematike) i eksperimentiranje, jer da nije, znanost bi ostala bez vrsnog matematičara i eksperimentatora. Andre-Marie Ampere istraživao je vezu elektriciteta i magnetizma te je postavio matematičku formulu za magnetsko polje koje stvara električna struja.

Kutak za znatiželjne

Do sada ste naučili četiri od sedam osnovnih jedinica SI sustava kojima se koristimo u fizici: jedinicu za duljinu (metar), za masu (kilogram), za vrijeme (sekunda) te za temperaturu (kelvin). Mjerna jedinica za električnu struju, amper, također je osnovna SI jedinica.

Znate li preostale dvije?

Preostale dvije osnovne jedinice SI sustava:

Mol - jedinica kojom mjerimo količinu tvari.
Kandela - jedinica kojom mjerimo svjetlosnu jakost.

Uređaj za mjerenje električne struje

Uređaj kojim mjerimo električnu struju naziva se ampermetar.

Njegov simbol u električnom strujnom krugu je:

Ampermetrom mjerimo električnu struju koja prolazi kroz neko trošilo. Sva struja koja prolazi kroz trošilo mora proći i kroz ampermetar. Zato ampermetar spajamo serijski. Prilikom uključivanja ampermetra u strujni krug, a kako se mjerni uređaj ne bi oštetio, bitno je voditi računa o odabiru mjernog područja. Treba pripaziti i na to je li mjerni uređaj predviđen za mjerenje izmjenične ili istosmjerne struje.

Poprečnim presjekom vodiča u jednoj sekundi proteče naboj od $5 C .$ Kolika je električna struja u tom vodiču?

5 A

Bravo!

0.2 A

Pokušaj ponovo.

Pomoć:

Električna struja jednaka je količniku naboja i vremena

Postupak:

Podijeli naboj s vremenom!

Zadatak 1.

Jednostavnim električnim strujnim krugom koji ima jednu žaruljicu teče električna struja. Ako je električna struja $0,4 A,$ koliki naboj proteče kroz presjek žarne niti žaruljice u dvije sekunde?

$I = 0,4 A$

$t = 2 s$

$I = \frac{Q}{t}$

$0,4 A = \frac{Q}{2 s}$

$Q = 0,4 A \cdot 2 s$

$Q = 0,8 C$

Kutak za znatiželjne

Koliko elektrona prođe presjekom žarne niti žaruljice za to vrijeme?

$n = 0,8 \cdot 6,24 \cdot 10^{18} e$ jer je $C = 6,24 \cdot 10^{18} e$

$n = 4,992 \cdot 10^{18} e$

Kolekcija zadataka 1

Zadatak 2.

Spojite električni strujni krug koji ima jednu žarulju, izvor električne struje, sklopku, vodiče i jedan ampermetar. Postavite ampermetar u različite položaje u odnosu na žarulju - lijevo i desno u odnosu na žarulju. Zabilježite na papiru električnu struju koju pokazuje ampermetar.

Što primjećujete?

Jednostavni strujni krug

Bez obzira na to gdje se postavi ampermetar, električna struja svugdje je jednaka.

Zadatak 3.

U isti strujni krug dodajte više žaruljica istih karakteristika, pa ponovite isti postupak s ampermetrom. Postavite ampermetar na nekoliko različitih položaja u električnom strujnom krugu.

Zabilježite na papiru podatke mjerenja.

Što se sad može primijetiti?

Ponovno je u svakom dijelu strujnog kruga električna struja jednaka, ali kako dodajemo žaruljicu po žaruljicu, električna struja u strujnom krugu je sve slabija.

Zadatak 4.

Za kraj napravite prekid u električnom strujnom krugu.

Koju vrijednost pokazuje ampermetar?

Kad se prekine strujni krug, električna struja jednaka je nuli.

Zatvori

Zadatak 5.

U jednostavni strujni krug dodajemo žaruljicu po žaruljicu, u seriju. Žaruljice trebaju biti istih karakteristika. Promotrite kako se mijenja električna struja.

Zabilježite na papiru podatke. Koju će vrijednost pokazivati ampermetar ako u električni strujni krug dodamo još jednu jednaku žaruljuljicu, jednakih karakteristika kao i prethodne? Žaruljicu spojimo u seriju.

Ampermetar pokazuje električnu struju od $0,3 A .$

Za serijski spoj vrijedi:

Električna struja jednaka je u svim dijelovima električnog strujnog kruga.

Električna se struja smanjuje dodavanjem žarulja u strujni krug.

Ako odspojimo jednu žarulju, električna struja jednaka je nuli.

Što je više žarulja u električnom strujnom krugu, to one svijetle slabijim sjajem.

Promotrimo sada električni strujni krug u kojemu su žarulje jednakih karakteristika spojene paralelno.

Zadatak 6.

Shematski prikaz paralelnog spoja dvaju žaruljica u električnome strujnome krugu. Svaka grana električnoga strujnoga kruga ima po jedan ampermetar.

Spojite električni strujni krug koji ima jednu žaruljicu, izvor električne struje, sklopku, vodiče i jedan ampermetar. Zabilježite na papiru električnu struju.

Potom priključite paralelno još jednu žaruljicu jednakih karakteristika , te u strujni krug dodajte još dva ampermetra, kao što je naznačeno na shemi.

Što primjećujete?

Ampermetar pokazuje $0,9 A .$

Električna struja u glavnom vodu je $1,8 A .$ Električne struje u svakoj grani su po $0,9 A .$ Ukupna struja u strujnome krugu jednaka je zbroju električnih struja u granama paralelno spojenog električnog strujnog kruga.

$I = I_{1} + I_{2}$

Zadatak 7.

Shematski prikaz strujnog kruga, 3 žaruljice spojene su u seriju

U isti strujni krug dodajte paralelno i treću žarulju, jednakih karakteristika , kao na shemi.

Što sad pokazuju ampermetri?

Kakav je sjaj žaruljica?

Mijenja li se intenzitet sjaja žarulja dodavanjem novih žarulja jednakih karakteristika paralelno u električni strujni krug?

Električna struja, koju pokazuje ampermetar u glavnoj grani, iznosi $2,7 A.$

Svaka žaruljica sjaji punim intenzitetom, a dodavanjem novih žarulja sjaj ne slabi.

Kako dodajemo žarulju po žarulju (koje su jednakih karakteristika ) u paralelni električni strujni krug, njihov sjaj ne slabi, a ukupna struja u električnom strujnom krugu jednaka je zbroju električnih struja u granama paralelnog električnog strujnog kruga.

Što ako jednu žarulju isključimo iz takvoga paralelnog spoja? Prestaju li svijetliti i ostale? Pojačava li se ili slabi njihov sjaj?

Nakon što jednu žaruljicu isključimo iz strujnoga kruga, ostale i dalje svijetle nepromijenjenim sjajem. Iznos električne struje u granama ostaje isti, ali se ukupna struja u glavnom vodu smanji.

Zadatak 8.

Promotrite slike.

Nakon što uključimo sklopku, električna struja poteče strujnim krugovima. Koja tvrdnja je točna?

Električna struja bit će ista na oba ampermetra.
Ampermetar na slici lijevo pokazivat će veću električnu struju.
Veću električnu struju pokazivat će ampermetar na slici desno.

Na slici se vide dva jednostavna strujna kruga s jednom žaruljicom, izvorom i sklopkom. Na obje slike vide se ampermetri, postavljeni desno, odnosno lijevo u odnosu na žaruljicu.

Točan odgovor je a., električna struja jednaka je prije i nakon prolaska kroz trošilo, pa će oba ampermetra pokazivati istu električnu struju.

Zadatak 9.

Koji će ampermetar sa slike, nakon uključivanja strujnog kruga, pokazati najveću električnu struju? Žaruljice su jednakih karakteristika .

Na slici se vide tri žaruljice spojene serijski, četiri ampermetra postavljena su na različite pozicije u ovom električnome strujnome krugu.

Električna struja jednaka je u cijelom električnom strujnom krugu, svaki ampermetar pokazivat će jednaku vrijednost.

Za paralelni spoj vrijedi:

Električna struja u glavnom vodu jednaka je zbroju električnih struja u pojedinim granama.

$I = I_{1} + I_{2} + I_{3} + . . .$

Električna struja povećava se dodavanjem žaruljica u strujni krug.

Isključivanje jedne žaruljice ne utječe na ostale žaruljice. Nastavljaju svijetliti istim sjajem.

Svaka žaruljica svijetli najjačim sjajem.

Treba napomenuti da jedan izvor električne struje ima svoja ograničenja, zato na njega ne možemo paralelno spajati beskonačan broj žarulja. Broj paralelno spojenih žarulja je ograničen.

Kratki spoj u električnom strujnom krugu

Kratki spoj u strujnome krugu

Što ako direktno spojimo dva pola izvora? Nastaje kratki spoj, električni strujni krug bez trošila koje bi pretvaralo energiju iz jednog oblika u drugi. Kad direktno spojimo polove izvora električne struje, poteći će izuzetno velika struja, maksimalnog iznosa.

Kad spojimo polove izvora električne energije, elektroni s negativnog pola bez ikakvih poteškoća pojure k pozitivnom polu električnog izvora. Pri tome dolazi do brojnih sudara unutar kristalne rešetke metala, što opažamo kao naglo povećanje temperature vodiča. Električna struja koja nastaje u kratkom spoju u stanju je rastaliti izolaciju, pa i vodiče, te oštetiti trošilo i izvor električne struje.

Riječ je o nepoželjnoj pojavi koja se sprječava ugradnjom osigurača u strujni krug.

Često su neispravne električne instalacije uzrok požara u stanovima i kućama, posebno ugradnja "osigurača iz kućne radinosti". Opasno je tanku metalnu nit u starim osiguračima zamijeniti debljim komadima žice ili još gore - čavlima.

...i na kraju

Oznaka za ampermetar u električnome strujnome krugu

Ponovimo:

Električnu struju obilježavamo oznakom $I,$ a mjerna jedinica za električnu struju je amper ( $A$ ). Uređaj kojim mjerimo električnu struju zovemo ampermetar. U električnom strujnom krugu za ampermetar upotrebljavamo oznaku na slici.

Za serijski spoj vrijedi:

Električna struja jednaka je u svim dijelovima električnog strujnog kruga.
Električna struja smanjuje se dodavanjem žaruljica u strujni krug.
Ako isključimo jednu žaruljicu, električna struja jednaka je nuli.
Što je više žaruljica u električnom strujnom krugu, to one svijetle slabijim sjajem.

Za paralelni spoj vrijedi:

Struja u glavnom vodu jednaka je zbroju struja u pojedinim granama.
Električna struja povećava se dodavanjem žaruljica u strujni krug.
Isključivanje jedne žaruljice ne utječe na ostale žaruljice. Nastavljaju svijetliti istim sjajem.
Svaka žaruljica svijetli najjačim sjajem.

U trenutku kad direktno spojimo polove izvora električne struje, poteći će izuzetno velika struja, maksimalnog iznosa. Tu pojavu nazivamo kratki spoj. Električna struja u kratkom spoju može rastaliti izolaciju i vodiče, oštetiti trošilo i sam izvor električne struje.

Projekt

Istražite djelovanje električne struje na ljudsko tijelo, odnosno na koji način djelovanje električne struje na ljudsko tijelo ovisi o njezinu intenzitetu. Koju električnu struju možemo osjetiti, koja je bezopasna, a koja ostavlja posljedice. Naravno, vaše istraživanje mora biti isključivo teorijsko, istražite različite izvore informacija, literaturu, internet i slično.

Poprečnim presjekom vodiča u

10

sekundi proteče naboj od

50 C

. Kolika je električna struja u tom vodiču?

Razmislite još jedanput.

A

null

Izrazite električnu struju u zadanoj mjernoj jedinici:

$300 mA =$
Pokušajte ponovo.
$A$
$2,3 A =$
Pokušajte ponovo.
$mA$

Pomoć:

$1 A= 1 000 mA$

null

Na slici je jednostavni strujni krug.

Što možete reći o električnoj struji koja prolazi točkama $a i b ?$

Električna struja veća je u točki

a .

Razmislite još malo.

Električna struja veća je u točki

b .

Razmislite još malo.

Električna struja jednaka je u točkama

a i b .

Bravo.

null

U spoju električna struja jednaka je u svim dijelovima strujnog kruga.
U paralelnom spoju električna struja u glavnoj grani jednaka je električnih struja u pojedinim granama.

null

Tri jednake žaruljice spojene su paralelno u električni strujni krug. Isključivanje jedne žaruljice

utječe na rad drugih žaruljica.

Razmislite još jedanput.

ne utječe na rad drugih žaruljica.

null

Tri jednake žaruljice spojene su serijski u električni strujni krug. Isključivanje jedne žaruljice

utječe na rad drugih žaruljica.

ne utječe na rad drugih žaruljica.

null

Spoji parove

$0,09 A$	$5 000 000 A$
$0,5 mA$	$0,002 A$
$2 000 A$	$2 kA$
$2 mA$	$90 mA$
$5 MA$	$500 mA$

null

Ako žaruljicu po žaruljicu spojimo paralelno, na isti izvor električne struje, iz izvora će teći sve

manja električna struja

veća električna struja

null

ZAVRŠITE PROCJENU

2.1 Mjerenje električne struje

Na početku...

Električna struja kao strujanje vode

Mjerenje električne struje

Zanimljivost

Kutak za znatiželjne

Uređaj za mjerenje električne struje

Zadatak 1.

Kutak za znatiželjne

Kolekcija zadataka 1

Zadatak 2.

Zadatak 3.

Zadatak 4.

Zadatak 5.

Zadatak 6.

Zadatak 7.

Zadatak 8.

Zadatak 9.

Kratki spoj u električnom strujnom krugu

...i na kraju

Projekt

MOJE ZNANJE

Uspješno ste usvojili sve odgojno-obrazovne ishode:

Potrudite se još malo kako biste bolje usvojili sljedeće odgojno-obrazovne ishode:

Trebali biste ponovno proći sljedeće jedinice:

2.2 Električni napon