BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA ZABILJEŠKE S PREDAVANJA 7 Napomena: kompletno gradivo je u literaturi, ovo su samo bitne natuknice

PUNJENJE I PRAŽNJENJE KONDENZATORA U praksi se smatra da je prijelazna pojava završila već nakon isteka vremena od 5.

STATIČKI ELEKTRICITET Do električki nabijenih tijela dolazi se ako im se poremeti dotadašnja električna ravnoteža. Takva tijela se nazivaju naelektriziranim tijelima, odnosno kaže se da su nabijena statičkim elektricitetom. U prirodi do nabijanja tijela statičkim elektricitetom može doći električnom influencijom, trljanjem dviju različitih tvari, te njihovim odvajanjem, ili priključenjem izoliranih ploča na polove istosmjernog izvora. Drukčije rečeno, određeni materijali se privlače zbog suprotnih električnih polarizacija (+ i -). Na brodovima su opasne pojave statičkog elektriciteta do kojeg može doći strujanjem nevodljivih, zapaljivih tekućina. S tekućinom pri tom strujanju odlaze električni naboji jednog predznaka, dok se električni naboji suprotnog predznaka skupljaju po stijenkama tankova, po cijevima, itd.

STATIČKI ELEKTRICITET Vrlo je opasno što se i prah nekih materijala može nabiti statičkim elektricitetom - te može izazvati požar. Vrlo česta pojava je slabiji električni udar pri izlasku iz automobila. Automobil se pri vožnji nabija statičkim elektricitetom trenjem guma po podlozi, te udaranjem pijeska, kamenčića ili prašine. Može doći do velikog potencijala karoserije što može izazvati električni udar. Gume automobila su negativne, donji dio karoserije pozitivan, a gornji dio karoserije opet negativan. Na čovjeku se može stvoriti statički elektricitet češljanjem, nošenjem odjeće od sintetičkih materijala i vune, hodanjem u cipelama izrađenim od gume po plastičnom podu, itd. Statički elektricitet se može i korisno primijeniti, npr. pri nanošenju raznih prijemaza, odvajanju prašine, i sl. Ako se mrvi rukama stiropor, komadići će ostati zaljepljeni za ruku zbog statičkog elektriciteta. Pranjem ruku, stiropor se otklanja s ruku.

ATMOSFERSKI ELEKTRICITET Kako je Zemljin naboj negativan, električno polje će biti za lijepih vremenskih prilika usmjereno okomito ka površini Zemlje. Pri površini Zemlje jakost tog polja je u prosjeku 120 - 130 V/m. Jakost električnog polja je najveća oko 19 sati (Greenwich), a najmanja oko 5 sati. Jakost tog polja opada s porastom visine. Električki nabijene čestice nastaju u atmosferi djelovanjem kozmičkih zraka, kratkovalnih zračenja Sunca i djelovanjem radioaktivnih elemenata iz Zemljine kore i atmosfere. U prosjeku, u svim slojevima atmosfere postoji višak pozitivnih iona, te je prostorni naboj atmosfere pozitivnog karaktera. Zbog iona je atmosfera električki vodljiva. Tako se atmosfera i površina Zemlje mogu promatrati kao kuglasti kondenzator, s tim što je vanjski oblog sloj atmosfere na visini između 50 i 65 kilometara, a unutarnji oblog bi bila površina Zemlje. Važno je uočiti da gornji sloj leži ispod ionosfere iz čega se da zaključiti da ionosferski procesi ne utječu na električne odnose u srednjoj i donjoj atmosferi. Može se kazati da ionosfera kao veliki Faradayev kavez štiti atmosferu od ekstraterestričkog električnog djelovanja.

ATMOSFERSKI ELEKTRICITET U prirodi mora postojati generator koji obnavlja naboj i održava razliku u potencijalu između obloga spomenutog "kondenzatora". Smatra se da su grmljavine upravo taj generator koji održava razliku u potencijalu. Najbitniji su grmljavinski oblaci cumulonimbusi. Za vrijeme grmljavine električnog polja ima ekstremnu vrijednost. Atmosfersko pražnjenje između olujnih, elektricitetom nabijenih, oblaka i površine Zemlje naziva se gromom, a pražnjenja između oblaka i unutar oblaka nazivaju se munjama. Korona je vrst samostalnog pražnjenja između elektroda koje imaju veoma malen polumjer zakrivljenosti, te je u njihovoj blizini električno polje znatno jače nego u ostalom prostoru između elektroda. Iskazuje se tako da elektrodu okružuje tinjajuća svjetlost u obliku krune. Obično je to pražnjenje praćeno siktavim šuštanjem. Pojava korone može se uočiti u vrijeme oluja na vrhovima gromobrana, na jarbolima brodova, na dalekovodima, i sl. Polarna svjetlost može biti i pokretna za vrijeme magnetskih oluja. Uzrok je polarnoj svjetlosti aktivnost Sunčevih pjega.

PROLAZAK ELEKTRIČNE STRUJE KROZ PLINOVE Plinovi se pri atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi ponašaju kao izolatori, iako propuštaju struju malenog iznosa, koja se može zanemariti. Plin ima bolja izolacijska svojstva pri višem tlaku (manje razrjeđenje plina) i nižoj temperaturi. Da bi u plinu došlo do prolaska električne struje potrebno ga je podvrgnuti djelovanju električnog polja. Usljed djelovanja električnog polja nastaje gibanje slobodnih električnih naboja koji se već nalaze u plinu i stvaranje napetog stanja u atomima i molekulama plina. Ti slobodni električni naboji se, ako se plin nađe u električnom polju, počinju gibati: negativni naboji (anioni) prema pozitivnoj elektrodi - anodi, a pozitivni naboji (kationi) prema negativnoj elektrodi - katodi. To gibanje tvori električnu struju koja se vidno razlikuje od električne struje u metalnim vodičima gdje se gibaju samo slobodni elektroni. Pojava vodljivosti u plinovima sastoji se od više tipova tzv. izbijanja u plinovima. Na višim temperaturama termičko kaotično gibanje nadvladava uređeno gibanje od vođenja struje.

PROLAZAK EL. STRUJE KROZ PLINOVE Prvi dio izbijanja (Townsendovo izbijanje) je tamno (nevidljivo) izbijanje pri malenim strujama, a izazvano je djelovanjem kozmičkih zraka. U dijelu a-b ta je struja neovisna o naponu, jer je on još nedovoljan da bi mogao povećati ionizaciju. U području b-c napon je već toliko velik da izaziva veću ionizaciju i struju kroz plin. Kod točke c on je već toliki da izaziva jaku ionizaciju koja poprima oblik lavine, te dalje više nije ni potreban toliki napon koji je pokrenuo lavinu. Područje tinjavog izbijanja mnogo se primjenjuje kod cijevi zvanih tinjalice. Ako se napon i dalje povećava do točke d dolazi do proboja i paljenja luka, pa se tada naglo povećava električna struja, uz smanjenje napona. Nastaje lučno izbijanje. Izbijanje u plinu mnogo se koristi. Postoje različite izvedbe plinom punjenih cijevi.

PROLAZAK EL. STRUJE KROZ TEKUĆINE Osim kemijski čiste vode sve tekućine vode električnu struju. Kod tekućina, u usporedbi s metalnim vodičima, pri prolasku električne struje dolazi do kemijskih promjena tekućih vodiča. Moguća je podjela vodiča na vodiče prve i druge vrsti, gdje su metali vodiči prve, a otopine lužina, soli i kiselina vodiči druge vrsti. Spomenute otopine nazivaju se elektroliti, a elektrolizom se nazivaju kemijski procesi koji se zbivaju pri prolasku električne struje kroz elektrolite. I tu prolazak električne struje prati razvijanje Jouleove topline, ali i rastavljanje molekula elektrolita na ione. To rastavljanje molekula elektrolita zbiva se i prije nego se elektrolit nađe u električnom polju. Ta se pojava naziva elektrolitičkom disocijacijom. Ako se u elektrolit urone dva vodiča prve vrsti i priključe na suprotne polove izvora elektromotornog napona, između njih će postojati električno polje. Također riječ o gibanju električnih naboja u dva smjera, pa se uspostavlja dvojna struja. Međutim, osim gibanja električnih naboja tu dolazi i do prijenosa materije, jer su ioni nezanemarivih masa, posebice u odnosu na elektrone koji su nositelji električne struje u kovinskim vodičima. Vodiči 1. vrste – metal. Vodič 2. vrste – elektrolit.

MAGNETIZAM Magneti osobinu privlačenja iskazuju prema željezu i legurama, niklu, kobaltu i još nekim materijalima. To svojstvo privlačenja izraženije je na krajevima magneta. Krajevi magneta nazivaju se polovima. U sredini ravnog magneta nalazi se neutralna zona. Raznoimeni magnetski polovi se privlače, a istoimeni se odbijaju. Kut kojeg zatvaraju geografski meridijan i magnetska igla koja se može slobodno vrtjeti u vodoravnoj ravnini naziva se magnetskom deklinacijom, a u navigaciji varijacijom. Nije potpuno jasan mehanizam kojim se generira magnetsko polje Zemlje. Jezgra Zemlje je na temperaturi od 2500 K, na takvoj temperaturi gubi se magnetizacija (Curieva temperatura!). Objašnjenje je da je tvar u jezgri u stanju plazme. Zbog rotacije jezgre koja sadrži slobodne naboje (plazma!) stvara se magnetsko polje kružne strujne petlje, tj. magnetski dipol. Čestice iz svemira (npr. tzv. Sunčev vjetar) i zračenje (npr.kozmičko, pozadinsko, sunčevo) neprestano bombardira Zemlju. Magnetsko polje Zemlje zarobljava nabijene čestice. To područje se naziva Van Allenov pojas zračenja. Nabijene čestice spiralno padaju prema magnetskim polovima. Kad se čestice nalaze u blizini polova pri sudarima s atomima atmosfere emitira se svjetlo (polarna svjetlost, Aurelia Borealis i Aurelia Australis). Južni magnetski pol Zemlje nalazi se u blizini geografskom sjevernog pola, a magnetski sjeverni pol je u blizini geografskog južnog pola. To potvrđuje činjenicu da se zemaljsko polje mijenja tokom godina. Zemaljski magnetizam bi stoga bio elektromagnetizam?! Varijacija je istočna ili pozitivna kada se sjeverni pol magnetske igle otkloni istočno od geografskog meridijana.

MAGNETIZAM Bitan iskorak u proučavanju magnetskih pojava ostvario je Oersted otkrićem da magnetska igla mijenja položaj kada je u blizini vodiča kojim protječe električna struja. 1820. godine Ampėre je dokazao da između dva paralelna vodiča kojima protječu električne struje postoje mehaničke sile. Postigao je i vrlo značajno otkriće kojim je dokazao da se svitak kojim protječe električna struja ponaša jednako kao permanentni magnet (elektromagnet). Magnetskim poljem naziva se prostor u kojem se opažaju magnetski učinci. Dva su temeljna magnetska učinka: mehaničkih sila i elektromagnetska indukcija. Podatak o pravcu smjera magnetske sile daje tangenta na silnicu povučena u promatranoj točki prostora. Sam smjer, dogovorno, je smjer u koji se otklanja sjeverni pol malene magnetske igle. Gustoća magnetskih silnica na pojedinom mjestu je mjera veličine magnetske sile.

MAGNETSKE SILNICE, TOK, INDUKCIJA Skup silnica (linija) magnetskog polja kroz neku plohu naziva se magnetskim tokom Φ. Magnetski tok je skalarna veličina. Jedinica magnetskog toka je veber Wb = Vs. Iznimno važna fizikalna veličina koja karakterizira magnetsko polje je gustoća magnetskog toka (mag. indukcija) B. Magnetska sila, koja je vektor, nastaje zbog djelovanja magnetskog polja, a kako gustoća magnetskog toka u biti predstavlja jakost tog polja i ona je vektor.

MAGNETSKI TOK

Magnetsko polje ravnog vodiča

PRAVILO DESNE RUKE Ako se palac desne ruke postavi u smjer protjecanja električne struje, savijeni ostali prsti desne ruke pokazuju smjer polja. Smjer vektora B (H) u nekoj točki određen je tangentom u toj točki na silnicu magnetskog polja koja prolazi tom točkom.

ZAKONI MAGNETSKIH KRUGOVA Prikaz magnetskog polja zavoja protjecanog električnom strujom

ZAKONI MAGNETSKIH KRUGOVA Ohmov zakon za magnetske krugove: je permeabilnost, odnosno magnetska provodljivost, sredstva u kojem se zatvara magnetski tok. Jedinica permeabilnosti je henri po metru. o predstavlja permeabilnost vakuuma (magnetska ili indukcijska konstanta), a r je relativna permeabilnost. Relativna permeabilnost pokazuje koliko se permeabilnost nekog sredstva razlikuje od permeabilnosti vakuuma. Ona je bezdimenzionalan broj.  se naziva protjecanjem, odnosno magnetomotornom silom, a predstavlja uzrok stvaranja magnetskog toka.

ZAKONI MAGNETSKIH KRUGOVA Rm predstavlja magnetski otpor. magnetska uzbuda ili jakost magnetskog polja Magnetski napon cijele silnice (zatvorene konture) jednak je protjecanju (zakon protjecanja): To je analogija drugom Kirchhoffovom zakonu. Ako se H izrazi preko B naziva se i Ampereovim zakonom. Prvi KZ se odnosi za analognu veličinu električnoj struji, a to je magnetski tok i kaže da je algebarski zbroj magnetskih tokova u jednom čvoru jednak nuli.

Jednostavni magnetski krug

Jednostavni magnetski krug

Jednostavni magnetski krug

Napomena o rasipanju

ZAKONI MAGNETSKIH KRUGOVA Analogija magnetskog i električnog polja koja vodi na njihovu povezanost. Govori se o elektromagnetskoj sili ili polju, odnosno elektromagnetizmu. O njihovoj povezanosti će se govoriti kod elektromagnetske indukcije. Za razliku od električnog polja, magnetsko polje egzistira i unutar vodiča.

Proračun magnetskog polja izvan ravnog vodiča Zakon protjecanja Integrirat će se po magnetskoj silnici koja prolazi kroz točku A. Ta silnica, u ravnini, je kružnica polumjera r. Na cijeloj magnetskoj silnici polumjera r jakost magnetskog polja H je po iznosu konstantna, ali je različitog smjera (tangenta na radijus u promatranoj točki). Stoga se H može izlučiti ispred integrala. Unutar površine koju omeđuje magnetska silnica polumjera r nalazi se samo jedan vodič s električnom strujom jakosti I. Stoga sljedi: Primjena zakona protjecanja!!!!!!!!!!!!

Određivanje jakosti magnetskog polja unutar ravnog vodiča Ukupna struja koja protječe ravnim vodičem polumjera R je I. Problem je odrediti dio te ukupne struje, i, koji protječe unutar magnetske silnice polumjera r na kojoj je točka A. To se određuje s pomoću gustoće električne struje J. Ona je unutar cijelog vodiča određena izrazom: Unutar površine S = r2·, koju omeđuje magnetska silnica polumjera r, je dio ukupne električne struje i određen izrazom:

Određivanje jakosti magnetskog polja unutar ravnog vodiča

Polje ravnog vodiča Stoga je polje ravnog vodiča u svim točkama prostora: Unutar Izvan