Električna struja

Jakost električne struje ili intenzitet električne struje (oznaka I) mjeri se kao brzina toka električnog naboja vodičem. Za stalne struje ona se određuje kao količina naboja Q koji prođe kroz poprečni presjek električnog vodiča u vremenskom intervalu t,

${\displaystyle I={\frac {Q}{t}}}$ 

Ako je struja nestalna pa u različitim intervalima vodičem prolaze različite količine naboja, za njenu trenutnu jakost se uzima derivacija količine proteklog naboja po vremenu,

${\displaystyle I(t)={\frac {\mathrm {d} Q(t)}{\mathrm {d} t}}}$ 

Mjerna jedinica za jakost električne struje je 1 amper (A) prema francuskom fizičaru Ampèreu:

${\displaystyle {\mbox{1}}\,{\mbox{A}}={\frac {{\mbox{1}}\,{\mbox{C}}}{{\mbox{1}}\,{\mbox{s}}}}}$ 

Električna struja ima jakost od 1 amper (A), ako u 1 s (sekundi) kroz neki presjek (električnog vodiča) proteče količina elektriciteta od 1 C (kulona). Iz navedenog izraza proizlazi da je:

${\displaystyle Q=I\cdot t}$ 

pa se kulon može također izraziti kao:

${\displaystyle {\mbox{C}}={\mbox{A}}\cdot {\mbox{s}}}$ 

Osim ampera upotrebljava se još 1 kA (kiloamper) = 10³ A; 1 mA (miliamper) = 10^-3 A; 1 μA (mikroamper) = 10^-3 mA = 10^-6 A. Mjerni instrument za mjerenje jakosti električne struje naziva se ampermetar, a za mjerenje električnog napona voltmetar.

Uzrokom električnog strujanja smatra se električno polje stvoreno električnim naponom što ga imaju električni izvori na svojim stezaljkama, a kao smjer djelovanja električnog 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 magnetskog 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 (to jest proizvodnja topline u električnom otporu kroz koji prolazi struja ili Jouleova toplina) i kemijski (to jest razdvajanje elektrolita pri prolazu struje ili elektrolitska disocijacija).

Ohmov zakon (nazvan po njemačkom fizičaru Georgu Simonu Ohmu) je zakon prema kojemu je jakost električne struje I u električnom vodiču, pri konstantnoj temperaturi, određena kao omjer električnoga napona U koji električnu struju prouzročuje i električnoga otpora R:

${\displaystyle I={\frac {U}{R}}}$ 

I ostali oblici tog oblika zakona također se nazivaju po Ohmu:

${\displaystyle U=I\cdot R}$ 

${\displaystyle R={\frac {U}{I}}}$ 

${\displaystyle I=U\cdot G}$ 

gdje je:

• I - jakost električne struje kroz strujni krug u amperima (A);
• U - električni napon izvora u voltima (V);
• R - ukupan električni otpor strujnog kruga (otpor trošila + otpor električnih vodova + unutarnji otpor izvora struje) u omima (Ω). Om se može napisati i kao volt/amper (V/A).
• G - električna vodljivost, pa i neki izvedeni oblici, na primjer za vodiče pri različitim temperaturama.^[4]

Ohmov zakon je jedan od temeljnih zakona elektrotehnike. Ohmov zakon vrijedi za metale i vodljive otopine. Takvi se vodiči zovu omski vodiči. Za neke materijale Ohmov zakon ne vrijedi a takvi se vodiči zovu neomski.

S obzirom na prolazak električnih naboja u tijeku vremena razlikuje se vrsta električne struje. Istosmjernom strujom naziva se električna struja koja ima u tijeku vremena stalnu ili 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, Faradayevi zakoni elektrolize, Hopkinsonov zakon magnetskog toka).

Pri promjenljivom strujanju električnog 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 razmacima ili intervalima. Trajanje jedne potpune promjene zove se period 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: 

${\displaystyle f={\frac {1}{T}}}$ 

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:

${\displaystyle i=I_{\mathrm {max} }\cdot \sin(\omega t)}$ 

gdje je: I_max - amplituda struje; ω = 2∙π∙f - kružna frekvencija. Aritmetička srednja vrijednost sinusoidne struje jednaka je nuli, ali kvadratna srednja vrijednost o kojoj ovise učinci izmjenične struje jednaka je:

${\displaystyle I={\frac {I_{\mathrm {max} }}{\sqrt {2}}}=0,707\cdot I_{\mathrm {max} }}$ 

i naziva se efektivnom vrijednosti.

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 električnom generatoru zajednički proizvode, dalekovodom zajednički prenose i predaju potrošačima.

Za čovjeka je opasna električna struja jača od 20 mA, pri čemu se u dodiru električne struje i čovjekovog tijela javlja toplinsko (opekotine), mehaničko (na mjestima ulaska i izlaska struje dolazi do razaranja tkiva), kemijsko (rastavlja krvnu plazmu), biološko djelovanje (stezanje mišića, paraliza srca i pluća). Električna struja najviše djeluje na ulazu i izlazu struje iz tijela gdje dolazi do najvećih opekotina i razaranja tkiva, dok je najopasnije po život čovjeka ako se strujni krug zatvori kroz srce.

• Snaga struje i električna energija