Izmjenična električna struja

Izvor: Wikipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Elektromagnetizam
VFPt Solenoid correct2.svg
Elektricitet · Magnetizam
Vrijednosti električnog napona kod sinusoidne izmjenične struje:
1 = Amplituda,
2 = Vršna vrijednost,
3 = Efektivna vrijednost,
4 = Period.
Kvadratna srednja vrijednost o kojoj ovise učinci sinusne izmjenične struje jednaka je 0,707 (prikazano crtkanom linijom).
Izmjenični sinkroni električni generator s četiri para polova na rotoru.

Izmjenična električna struja ili izmjenična struja je ona električna struja kojoj se smjer mijenja u vremenu. 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

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:

gdje je: Imax - 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:

i naziva se efektivnom vrijednosti. [1]

Pojam električne struje[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Električna struja

Električna struja je usmjereno protjecanje nosioca električnih naboja, pri čemu najčešće mislimo na protjecanje elektrona kroz metalne vodiče, ali to također može biti i protjecanje iona u disociranim otopinama (elektrolitska disocijacija), prelet nabijenih čestica (na primjer alfa-čestica i beta-čestica) kroz vakuum, pomicanje šupljina u poluvodičima i drugo. Ako to protjecanje vremenom mijenja smjer, tada je to izmjenična električna struja. Nije potrebno da iznos ili smjer te struje bude u vremenu pravilan niti simetričan u oba smjera.

Najčešće se pod izmjeničnom strujom ipak podrazumjeva simetričan oblik, kod kojega su oblici struje dok teče u svakom od smjerova jednaki po svemu osim po smjeru. Kako su i trajanja toka struje u svakom od smjerova jednake, onda se ta trajanja zovu poluperiode koje zajedno čine cjelinu koja se ponavlja - periodu. Takav oblik struje se može matematički prikazati i kao zbroj niza struja (zvanih harmonici) sinusnog oblika. Ta se činjenica koristi za olakšavanje izračuna, jer se gotovi izračuni za sinusni oblik odgovarajuće primjenjuju i na druge oblike struje.

Sinusoidna izmjenična struja[uredi VE | uredi]

Sinusoidna izmjenična struja može se upotrijebiti za stvaranje topline u elektrotermičkim aparatima, jer je za proizvodnju topline svejedno u kojem smjeru prolazi struja kroz otporni grijač, a računski se to vidi po tome što prema Jouleovu zakonu proizvedena toplina ovisi o kvadratu jakosti struje, pa je za to mjerodavna efektivna vrijednost. Jednako se tako može s pomoću sinusoidne izmjenične struje u elektromotorima proizvesti zakretna sila, jer i ona u motorima izmjenične struje ovisi o kvadratu jakosti struje. No, kako je kemijski učinak (na primjer pri galvanizaciji) ovisan o srednjoj vrijednosti, koja je za sinusoidu jednaka nuli, ne može se izmjeničnom strujom postići spomena vrijedan kemijski učinak. Ipak se energija izmjenične struje može upotrijebiti i za elektrolizu, pa i za ostale aparate koji traže istosmjernu struju, ako se izmjenična struja ispravi. Takva struja sastavljena je, dakle, od samih pozitivnih polovica sinusoide, pa je njezina srednja vrijednost prozvana elektrolitskom srednjom vrijednošću. Računski ona iznosi:

Pri računima s promjenljivim strujama uvedene su općenito ove prosječne vrijednosti:

aritmetička srednja vrijednost:

elektrolitska srednja vrijednost:

efektivna vrijednost:

Gustoća električne struje[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Gustoća električne struje

U mnogim elektrotehničkim problemima često se računa s još jednom veličinom, a to je gustoća električne struje J. Ona je pri linijskim električnim vodičima određena kao broj ampera na jedinicu površine poprečnoga presjeka vodiča (m² ili mm²):

Obrnuto je onda jakost struje kroz cijeli presjek S jednaka: I = JS. U vezi s tom novonavedenom veličinom J, može se općenito i pri prostornom strujanju odrediti jakost struje kroz neki presjek u prostoru. Ako je, naime, prostorno strujanje zadano time što je za svaku točku prostora zadana gustoća J, a to je vektorska veličina, jer osim veličine ima još i određen smjer u prostoru, onda je ukupna struja što prolazi kroz površinu S

Gospodarski značaj[uredi VE | uredi]

Značaj i prednosti izmjenične struje je isticao Nikola Tesla, iako se pri tome morao oduprijeti velikom pritisku američkog izumitelja Thomasa Alva Edisona. Članak War of Currents opisuje na engleskom tijek Tesline borbe da uvede u primjenu izmjeničnu struju i njene prednosti.

Prijenos energije[uredi VE | uredi]

Jedna gospodarska prednost izmjeničnih struja je ta da se izmjenične struje mogu učinkovito, uz vrlo male gubitke, prenositi na velike udaljenosti. Naime za prijenos snage nije važan ni samo iznos napona, ni samo iznos struje, već njihov umnožak. Gubitci prijenosnom vodiču ovise o neizbježnom otporu vodiča i kvadratu struje koja kroz njega protiče. Dakle, uz povećanje napona i odgovarajuće smanjenje struje moguće je prenositi istu snagu uz manje gubitke. Povećanje napona se za izmjenične struje može vrlo jednostavno može provesti u transformatorima.

U Republici Hrvatskoj je odlukom Ministra gospodarstva od 2. ožujka 2000. g. objavljenoj u Narodnim novinama,[2] propisano da se električna energija koja se isporučuje kućanstvima spojenima na niskonaponsku električnu mrežu isporučuje pri frekvenciji 50 Hz i naponu između faznih vodiča i zemlje od 230 V ±10%.

Višefazni sustav izmjeničnih struja[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Višefazni sustav
Istovremenom proizvodnjom nekoliko struja koje su međusobno fazno pomaknute postiže se veća učinkovitost električnih generatora i motora, tj. uz istu veličinu i masu stroja moguće je postići veću snagu.

Ova činjenica se koristi recimo u automobilima koji iako imaju instalaciju za istosmjernu struju koriste mali trofazni sinkroni generator (tzv. alternator) za proizvodnju električne energije koja se potom ispravlja ispravljačem u istosmjernu struju.

Indukcijski motori s okretnim magnetskim poljem[uredi VE | uredi]

Puno bitnija prednost višefaznog sustava izmjeničnih struja je da se tim sustavom jednostavno porizvodi okretno magnetsko polje koje omogućuje izgradnju električnih strojeva (generatora i motora) bez kolektora i četkica. Takvi strojevi odlikuju se velikom pouzdanošću, trajnošću i višom učinkovitošću od kolektorskih strojeva.

Bežični prijenos energije i informacija[uredi VE | uredi]

Posljedica protjecanja izmjenične struje je i odašiljanje elektromagnetskih valova, što je Nikola Tesla uočio i primijenio za prijenos energije bez žica. Ako se iznos tako prenesene energije mijenja, moguće je na bežični način prijemnoj strani slati dogovorene signale. Tako se može prenositi telegrafske kodove, glas, upravnjati udanjenim strojevima i automatima, prenositi sliku i druge oblike informacija. I to je Tesla uočio i uspješno pokazao izgradivši radioupravljani model broda. O tome kome pripada zasluga za izum radia (tj. kome pripadaju odgovarajući patenti) također se vodila bitka. Guglielmo Marconi je tvrdio da zasluga pripada njemu, no nakon duge pravne borbe Vrhovni sud Sjedinjenih američkih država je ipak presudio u korist Nikole Tesle. Raspravu o tome možete naći u članku na engleskom Invention of Radio.

Izvori[uredi VE | uredi]

  1. električna struja, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2017.
  2. http://www.nn.hr

Poveznice[uredi VE | uredi]