Fizika 2 - 4.5 Strujni krug

Na početku...

Glavni su dijelovi strujnog kruga električni izvor, trošilo ili otpornik, sklopka ili prekidač i spojne žice. Strujni se krug zatvara i otvara s pomoću sklopke. Električna struja teče jedino u zatvorenome strujnom krugu.

Složeni strujni krug

O vrsti izvora ovisi hoće li struja u krugu imati točno određen smjer i jakost ili će ih neprestalno mijenjati. Zato razlikujemo istosmjerne i izmjenične električne strujne krugove.

U izmjeničnim električnim strujnim krugovima teče izmjenična struja i njezini smjer i jakost se periodički mijenjaju u vremenu. Takvu struju stvaraju izvori izmjenične struje o kojima ćemo učiti u jedinici 6.4. Izmjenična struja.

Postoji analogija između istosmjernoga električnoga strujnog kruga i toka vode kroz cijevi.

Prema toj analogiji u električnom krugu bateriji odgovara crpka u vodenom krugu, električni otpor zamišljamo kao suženje cijevi u vodenom toku, sklopka je ventil za vodu, a spojne žice električnog kruga u vodenom krugu su cijevi kojima teče voda.

Osnovni elemenati strujnog kruga

Strujni krug prikazuje se crtežima koji se još nazivaju i sheme spojeva. Riječ shema dolazi od grčke riječi skhema, što znači oblik. Postoji mnogo dogovorenih simbola kojima se prikazuju različiti elementi strujnog kruga. Neke od njih ste već upoznali u osmom razredu.

Simboli elemenata osnovnog strujnog kruga prikazani su na slici.

Izvori strujnog kruga

Kako bi potekla električna struja kroz vodiče strujnog kruga, nužno je postojanje vanjskoga električnog polja. Električno polje i uspostava razlike potencijala na krajevima vodiča pokreće slobodne elektrone u vodiču u određenom smjeru i time stvara električnu struju. Zadaća je izvora napona održavati stalnu razliku električnog potencijala u strujnom krugu. Oni pretvaraju druge vrste energije u električnu energiju potrebnu za razdvajanje naboja.

Izvori napona mogu biti:

kemijski izvori ili baterije, u kojima se kemijskim procesima nastala energija pretvara u električnu energiju

generatori, koriste se elektromagnetskom indukcijom za pretvorbu mehaničke energije u električnu

fotoelementi ili fotoćelije, svjetlosnu energiju pretvaraju u električnu energiju

termoelementi, pretvaraju toplinsku energiju u električnu

piezoelektrični izvori, pretvaraju mehanički rad pri deformaciji kristala u električnu energiju.

Zadatak 1.

Akumulator je sastavljen od niza paralelno spojenih ćelija. Svaka ćelija ima određeni kapacitet. Paralelnim spajanjem ćelija povećava se kapacitet akumulatora, a pri tom se napon ne mijenja.

Kapacitet jedne ćelije Ni – Cd akumulatora je $0,5 Ah$ , napon $1 V,$ unutarnji otpor $R_{u} = 0 Ω$ . Koliko takvih ćelija treba paralelno spojiti kako bi mogle davati struju kroz trošilo otpora $4 Ω$ u vremenu od $200$ sati?

Kako bismo dobili struju kroz trošilo otpora $4 Ω$ u vremenu od $200$ sati , potreban je kapacitet od:

$I t = \frac{U}{R} t = \frac{1 V}{4 Ω} \cdot 200 h = 50 Ah .$

Podijelimo li taj kapacitet s kapacitetom jedne ćelije, zaključujemo da nam je za takvu bateriju potrebno $100$ ćelija.

Napon izvora i unutarnji otpor

Svaki električni izvor opisuju dvije fizikalne veličine: unutarnji otpor $R_{u}$ i elektromotorni napon izvora $ε .$ Za elektromotorni napon korist se još i naziv unutarnji napon.

Izvor napona u strujnom krugu predstavlja dodatni otpor.

Unutarnji napon je napon na polovima izvora kad kroz izvor ne teče struja. Ovu veličinu još nazivamo napon praznog hoda ili napon otvorenog kruga.

U shematskom prikazu strujnog kruga na slici izvor napona unutar je crtkanog okvira. Ovdje su prikazani unutarnji otpornik i vanjski otpornik.

U strujnim krugovima se unutarnji otpornik obično ne crta. Ako unutarnji otpor nije zanemariv, navede se njegov iznos uz oznaku izvora napona.

Elektromotorni napon izvora definiramo kao energiju koja se iz neelektričnog oblika (npr. iz kemijske energije) pretvara u obavljeni rad po jediničnom naboju koji prolazi izvorom.

$Ɛ = \frac{W}{Q}$

Mjerna jedinica za elektromotorni napon izvora je volt, $V .$

Najveći napon koji daje izvor jest elektromotorni napon. Izvor osigurava energiju koju je stvorio pretvorbom iz nekoga drugog oblika energije i idealno bi bilo kad bi se sva tako nastala energija mogla predati trošilu. Međutim, mjerenjima je utvrđeno da to nije moguće ostvariti.

Jedan dio stvorene električne energije izvor ipak zadržava za sebe. Sa stajališta trošila, to su gubitci energije na izvoru.

Ti nastali gubici događaju se zbog unutarnjeg otpora izvora $R_{u}$ .

Neka se na izvor napona s unutarnjim otporom $R_{u}$ priključi vanjski otpornik otpora $R .$

Ukupni otpor u tom strujnom krugu jednak je zbroju unutarnjeg otpora $R_{u}$ i otpora $R .$

Jakost struje u strujnom krugu može se odrediti preko Ohmovog zakona.

Ohmov zakon za strujni krug može se definirati kao

$I = \frac{Ɛ}{R + R_{u}},$

gdje je $R$ otpor trošila, $R_{u}$ unutarnji otpor izvora, a $ε$ elektromotorni napon izvora .

Kolekcija zadataka 1

Zadatak 2.

Izvor napona - jakost struje u strujnom krugu

U strujnom krugu prikazanom na slici, odredite što pokazuje ampermetar, a što voltmetar.

Ampermetar pokazuje jakost struje koja prolazi kroz vanjski otpornik otpora $R :$

$I = \frac{Ɛ}{R + R_{u.}}$

Iz prethodne formule slijedi da je

$ε = R I + R_{u} I .$

Pad napona na vanjskom otporniku jednaka je

$U = R I.$

Unutarnji napon izvora jednak je zbroju pada napona na vanjskom otporniku i pada napona između stezaljki izvora:

$ε = U + R_{u} I .$

Voltmetar će pokazivati pad napona na vanjskom otporniku:

$U = ε - R_{u} I .$

Zadatak 3.

Što će pokazivati voltmetar i ampermetar ako otvorimo sklopku u strujnom krugu na slici?

Kada je prekidač otvoren, strujnim krugom ne teče struja, $I = 0 A$ . Kažemo da je izvor neopterećen.

Kad kroz izvor ne teče struja, tada nema ni pada napona na unutarnjem otporniku i stoga je napon na priključnicama izvora jednak unutarnjem naponu.

Ovaj napon se još naziva naponom praznog hoda ili naponom otvorenog kruga.

$U = ε .$

Zadatak 4.

Odredite jakost struje ako u strujnom krugu isključite vanjski otporik i izravno spojite stezaljke izvora.

Ako je vanjski otpor zanemariv ili ne postoji, $R = 0,$ jakost struje će biti jednaka:

$I^{K S} = \frac{ε}{R_{u}} .$

Ovo je struja kratkog spoja.

Uz jako mali ili zanemariv unutarnji otpor, jakost struje u strujnom krugu se jako povećava.

Zadatak 5.

Kada je vanjski otpor u strujnom krugu $2 Ω,$ napon na bateriji je $3 V .$ Ako udvostručimo vanjski otpor, napon baterije bit će $4 V .$ Koliki su unutarnji otpor i elektromotorna sila baterije?

U prvom slučaju, kada je vanjski otpor u strujnom krugu $2 Ω,$ napon na bateriji je $3 V,$ jakost struje koja teče strujnim krugom je:

$I_{1} = \frac{U_{1}}{R_{1}} = \frac{3 V}{2 Ω} = 1,5 A,$

a kada se vanjski otpor udvostruči, vrijedi:

$I_{2} = \frac{U_{2}}{R_{2}} = \frac{4 V}{4 Ω} = 1 A .$

Za oba slučaja vrijedi:

$U_{1} = ε - I_{1} R_{u},$

$U_{2} = ε - I_{2} R_{u} .$

Rješavanjem tog sustava dviju jednadžbi s dvjema nepoznanicama dolazimo do rješenja:

$R_{u} = 2 Ω$

$ε = 6 V .$

Zatvori

Kutak za znatiželjne

Odredite jakost struje koju daje izvor na prikazanoj shemi i pad napona na otporniku čiji otpor iznosi $4 Ω .$

$I = 9 A,$ $U = 9 V$

Tri osnovna elementa bez kojih se ne može složiti strujni krug su:

trošilo

prekidač

dioda

izvor napona

spojne žice

reostat

transformator

null

Na sliku povucite nazive elemenata strujnog kruga.

baterija

prekidač

ampermetar

otpornik

null

Najveći napon na koji možemo priključiti otpornik snage

16 W

i radnog otpora

10 000 Ω

V .

null

Struja koja prolazi kroz otpornik snage

8 W

i radnog otpora

200 Ω

ima jakost

A .

null

Čelična žica otpora

4 Ω,

poprečnog presjeka

0,6 {mm}^{2}

i otpornosti

2 \cdot 10^{- 7} Ωm

ima duljinu

m

. Snaga razvijena na toj žici kad ju priključimo na napon od

12 V

iznosi

W .

null

Struja jakosti

3 A,

trošilom otpora

30 Ω,

pri utrošku energije od

200 J

prođe tijekom vremena od

s .

null

ZAVRŠITE PROCJENU

4.5 Strujni krug

Na početku...

Osnovni elemenati strujnog kruga

Izvori strujnog kruga

Zadatak 1.

Napon izvora i unutarnji otpor

Kolekcija zadataka 1

Zadatak 2.

Zadatak 3.

Zadatak 4.

Zadatak 5.

Kutak za znatiželjne

...i na kraju

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:

4.6 Kirchhoffova pravila