Elektricni tokovi

1. Ohranitev naboja

1.1. Elektricni tok

Fizikalna kolicina, ki jo imamo v mislih, ko go-vorimo o elektriki, je elektricni tok. Analogijas snovnim tokom, na primer tokom vode v ce-veh, se ponuja kar sama od sebe. Nekatere po-jave res lahko pojasnimo s takšno analogijo, pridrugih pa analogija odpove. V prvem modulusmo opisovali pretakanje snovi. Najpomemb-nejša zakona pri tem sta bila ohranitev mase in stem povezana kontinuitetna enacba ter energijskizakon.

Masni tok smo vpeljali kot maso, ki se pre-toci (na primer po cevi) v casovni enoti. Po-dobno vpeljemo elektricni tok I kot elektricni na-boj e, ki se pretoci (po vodniku) v enoti casa:

I =et

. (1)

Osnovna enota v elektriki je enota za tok –amper (A). Definicijo ampera si bomo ogledaliv nadaljevanju. Iz enacbe (1) razberemo, daje enota za naboj amper pomnožen s sekundo(As). Elektricni naboj je fizikalna kolicina, kiigra podobno vlogo kot masa telesa. Ali tudi zanaboj velja ohranitveni zakon? Predenj odgo-vorimo na zastavljeno vprašanje, moramo po-vedati, kako naboj sploh merimo. Maso najlažjemerimo preko teže, to je sile, s katero Zemljaprivlaci telesa, saj je ta sila premo sorazmerna zmaso telesa. Prav tako lahko preko sil zaznamoin merimo naboj in elektricni tok.

1.2. Elektricni naboj

Pri poskusu naelektrimo dve krogli, kot kažeslika 1. Palico podrgnemo z volneno krpo inna palici se pojavi naboj. Naboj stece na krogli,ko se ju dotaknemo s palico. Ugotovimo, da sekrogli odbijata.

Slika 1. Ko na krogli naelektrimo z enako pred-znacenima nabojema, je sila odbojna.

Slika 2. Ce sta naboja razlicna, je sila privlacna.

1

2 Elektricni tokovi

Ce eno od krogel mocneje naelektrimo, se silapoveca. Z merjenjem odbojne sile torej lahkomerimo naboj na krogli1. Takoj opazimo po-membno razliko s težo: sila Zemlje na telo jeprivlacna, elektricna sila pa odbojna. Napra-vimo drug poskus, tako da drugo kroglo na-elektrimo s pomocjo palice iz drugacne snovi.Ugotovimo, da se krogli sedaj privlacita. Izidpojasnimo tako, da je naboj na eni krogli dru-gacne vrste kot drugi. Krogli staknemo; ko juponovno razmaknemo, sila med njima (skoraj)izgine. Pojav pojasnimo tako, da je naboj z enekrogle stekel na drugo in se skoraj popolnomaiznicil z nabojem druge vrste na drugi krogli.Ce obe krogli naelektrimo z nabojem druge vr-ste, je sila zopet privlacna; ko krogli staknemo,naboja na kroglah ne izgineta. Na prvi pogledse zdi, da o ohranitvi naboja ne moremo govo-riti.

Problem razrešimo tako, da nabojem enevrste pripišemo pozitivni predznak, nabojemdruge vrste pa negativni predznak2. Skupni na-boj je torej vsota pozitivnega in negativnega na-boja. Ker slednjega štejemo z negativnim pred-znakom, pomeni, da je skupni naboj razlika ve-likosti pozitivnega in velikosti negativnega na-boja. Ce imamo enako kolicino pozitivnega innegativnega naboja, je skupni naboj enak 0; te-daj govorimo o elektricno nevtralnem telesu alisnovi.

Iz atomskega sveta vemo, da so nosilci pozi-tivnega naboja atomska jedra (pravzaprav pro-toni v jedrih), negativnega pa elektroni. Povelikosti je naboj elektrona enak naboju pro-tona; govorimo o osnovnem elektricnem naboju,e0 = 1,6 · 10−19 As. Nevtralni atomi vsebujejoenako število protonov in elektronov; pozitivniioni imajo primanjkljaj elektronov, negativni papresežek. Ko pri poskusu s krpo podrgnemopo palici, odstranimo iz palice nekaj elektronovin palica postane pozitivno nabita; pri drugacnisnovi elektrone odstranimo iz krpe, ti preidejona palico, na kateri se tako pojavi presežek ne-gativnega naboja.

1.3. Kontinuitetna enacba

Na podlagi poskusov se prepricamo, da se po-zitivni in negativni naboj vsak zase ne ohra-njata, ohranja se le skupni naboj, tj. razlikapozitivnega in negativnega naboja. Za takodefinirani naboj lahko zapišemo kontinuitetnoenacbo v enaki obliki kot pri masnih tokovih:

∆e∆t

= I − I′ . (2)

Pri tem smo z ∆e oznacili kolicino naboja, ki sev casu ∆t nabere na telesu, z I prihajajoci elek-tricni tok in z I′ odhajajoci tok. Ce v vezje pri-hajajo tokovi po vec vodnikih, pomeni I vsotovseh prihajajocih tokov, I′ pa vsoto vseh odha-jajocih.

Podobno kot pri masnih tokovih lahko zapi-šemo še enacbo za stacionarno pretakanje v pri-meru, ko se naboj nikjer v vezju ne kopici. Zaen sam vodnik enacba pove, da se tok vzdolžvodnika ohranja, tudi ce se precni presek spre-meni. V primeru razvejišca, v katerem se stikavec vodnikov, enacba zahteva, da je vsota pri-hajajocih tokov enaka vsoti odhajajocih tokov3:

∑ I = ∑ I′ . (3)

V vsakdanjem življenju pogosto naletimona zmotno predstavo, da elektricne naprave po-rabljajo tok, torej da tok v napravo le tece in vnjej ponikne. To seveda ni res; kontinuitetnaenacba pove, da toliko toka, kolikor ga pritecev žarnico ali kakšno drugo elektricno napravo,iz nje tudi odtece.

1.4. Tok v snovi

V raztopino s pozitivnimi in negativnimi ionipostavimo elektrodi; na prvi naj bo pozitivninaboj, na drugi negativni. Pozitivna elektrodaprivlaci negativne ione in odbija pozitivne, ne-gativna pa privlaci pozitivne in odbija nega-tivne. Pozitivni ioni se pricnejo gibati proti ne-gativni elektrodi in na njej se pricne nabirati po-zitivni naboj (glej sliko 3).

1Poskus bi lahko uporabili za definicijo enote naboja, vendar iz prakticnih razlogov raje izberemo za osnovno enotoenoto za elektricni tok. (Glej nadaljevanje.)

2Po veljavnem dogovoru je negativno nabito tisto telo (snov), v kateri je presežek elektronov. Izbira je stvar dogovora,lahko bi se dogovorili tudi obratno.

3V tej obliki je enacba znana kot 1. Kirchhoffov zakon.

1. Ohranitev naboja 3

Slika 3. Pozitivni ioni v raztopini potujejo protinegativno nabiti plošci, negativni ioni k pozi-tivni.

Tok tece proti negativni elektrodi. Gibanje po-zitivni ionov torej predstavlja elektricni tok, kitece od pozitivne k negativni elektrodi. Nega-tivni ioni se gibljejo proti pozitivni elektrodi inse na njej nabirajo. Zato se na njej pozitivni na-boj zmanjšuje. Iz kontinuitetne enacbe potemzakljucimo, da tok z elektrode odteka. Tok ne-gativnih ionov torej ustreza elektricnemu toku,ki tece v nasprotno smer, kot tecejo ioni. Tudi vtem primeru tece tok od pozitivne proti nega-tivni elektrodi. Skupni tok je vsota obeh tokov.

Masni tok v cevi smo izrazili z gostoto inhitrostjo tekocine ter presekom cevi; podobnozvezo lahko zapišemo za elektricni tok, le damoramo sedaj loceno zapisati prispevek pozi-tivnih in prispevek negativnih ionov:

I = Sρ+v+ + Sρ−v− . (4)

Z ρ+ smo oznacili gostoto naboja4 pozitivnihionov, z v+ njihovo hitrost, ρ− je gostota ne-gativnih ionov in je negativna kolicina, v− jenjihova hitrost in ima nasprotni predznak kot

v+. Zaradi dveh negativnih predznakov imaprispevek negativnih ionov enak predznak kotprispevek pozitivnih.

Najpomembnejše snovi, po katerih se pre-taka elektrika, so kovine. V kovinah zunanji(valencni) elektroni zapustijo svoje atome v kri-stalni rešetki in se (skoraj) prosto gibljejo po ko-vini. Zato k toku v enacbi (4) prakticno prispe-vajo le elektroni. Ker imajo elektroni negativninaboj, je smer toka v kovini nasprotna smeri nji-hovega gibanja. Hitrost gibanja elektronov jemajhna; meri komaj nekaj desetin milimetra nasekundo.

Ko govorimo o analogiji med snovnim inelektricnim tokom, moramo biti previdni. Cena primer odpremo ventil na cevi, ki vodi izvodnega zbiralnika, voda potrebuje nekaj casa,da pritece na drugi konec cevi; ce pa prižgemoluc, žarnica takoj zasveti. V kovini so namrecves cas prisotni nosilci elektricnega toka. Cežica ni prikljucena na napetost, se gibljejo neu-rejeno v vse smeri; ko prikljucimo napetost, pase pricnejo vsi hkrati gibati proti pozitivnemuprikljucku. Informacija o napetosti se namrecpo žici razširi prakticno v trenutku. Analogenpojav pri pretakanju vode bi napravili tako, dabi nagnili cev, napolnjeno z vodo, in voda bi za-cela v vsej cevi hkrati teci proti nižjemu krajišcucevi.

Vodni tok po cevi in elektricni tok po žicise locita tudi po tem, da je v cevi vedno priso-tna dolocena masa vode, v žici pa je skupni na-boj enak nic, saj je naboj, ki ga nosijo elektroni,po velikosti enaka naboju pozitivno ioniziranihkovinskih atomov.

4Vpeljemo jo kot naboj v volumnu, ρe = e/V.

4 Elektricni tokovi

2. Elektricna energija in napetost

2.1. Elektricna napetost

Podobno kot pri pretakanju tekocine po cevise pri pretakanju naboja po vodnikih, raztopi-nah . . . pojavi upor. Zato naboji ne tecejo samiod sebe, temvec moramo dovajati delo. Deloje premo sorazmerno z nabojem, ki ga premi-kamo, torej lahko zapišemo

Ael = Ue . (5)

Sorazmernostni faktor imenujemo elektricna na-petost. Enoto za napetost, volt, izpeljemo izenote za delo in enote za naboj (V = J/As).

Mehanska analogija napetosti je kar višin-ska razlika; pri dvigovanju telesa opravljamodelo, ki je sorazmerno z maso (težo) telesa invišinsko razliko. Sami višini v elektriki ustrezapotencial. Napetost je torej enaka razliki poten-cialov med dvema tockama. Ker je odvisna leod potenciala v zacetni in potenciala v koncnitocki, je vseeno, kako so prikljucne žice spe-ljane.

In kaj pri potencialu ustreza pojmu višjein nižje? Ce pozitivni naboj približamo po-zitivnemu naboju (npr. pozitivni elektrodi),premagujemo odbojno silo in delo opravljamopodobno kot pri dvigovanju teles. Ce pozi-tivni naboj približamo negativnemu naboju (ne-gativni elektrodi), pa delo dobimo, saj je silamed telesoma privlacna. Pozitivna elektroda jetorej na višjem potencialu, kot negativna. Pozi-tivni naboji – torej elektricni tok – tecejo od po-zitivne elektrode k negativni sami od sebe, delopri tem dobimo. Nasprotno pa moramo deloopraviti, ce želimo naboje „precrpati“ z nega-tivne na pozitivno elektrodo.

Napetost lahko ponazorimo tudi s tlacnorazliko: tekocina tece z mesta z višjim tlakomna mesto z nižjim tlakom.

Ko govorimo o napetosti, moramo vednonavesti tocki, med katerima je napetost defini-rana; pri bateriji sta to na primer negativni inpozitivni prikljucek baterije. Pri obravnavi ele-ktricnih napeljav ali elektronskih vezij pogostogovorijo o napetosti v izbrani tocki; v tem pri-meru velja, da je druga tocka nicla (zemlja).

Napetosti seštevamo. To sledi iz aditivnostiza delo: ce premaknemo naboj od zacetne vi-šine do neke vmesne višine in nato od vmesnevišine do koncne, je delo na celotni poti enakovsoti dela na odsekih. Torej je tudi napetostod zacetne do koncne tocke enaka vsoti nape-tosti od zacetne do vmesne tocke in napetostiod vmesne do koncne tocke.

Ce zacetno in koncno tocko med seboj za-menjamo, napetost spremeni predznak.

2.2. Upor

V prejšnjem razdelku smo ugotovili, da je zapretakanje nabojev v snovi potrebna napetost.Ce na vodnik prikljucimo višjo napetost, bo povodniku tekel vecji tok, podobno kot stece ve-cji masni tok pri vecji višinski razliki gladin vposodah, povezanih s cevjo. Pri vecini kovin jetok premo sorazmeren z napetostjo:

I = GU . (6)

Sorazmernostni koeficient imenujemo prevo-dnost. Namesto prevodnosti bolj pogosto upo-rabljamo njeno reciprocno vrednost, ki jo ime-nujemo (elektricni) upor (R):

I =UR

, (7)

z enoto ohm, Ω = V/A. Enacba (7) je Ohmovzakon. Ker skozi vodnik (ali drug porabnik) tecetok z mesta z višjim potencialom na mesto znižjim potencialom, govorimo o padcu napetostina porabniku.

2.3. Generatorji napetosti

Pri opisu toka v raztopini in pri razpravi o na-petosti smo povedali, da tok stece med dvemarazlicno nabitima elektrodama od pozitivne knegativni. Seveda takšen nacin generiranjatoka ni prakticen, saj naboja na elektrodah hitrozmanjka, napetost med elektrodama pa pade,podobno kot se pri pretakanju tekocine meddvema menzurama gladini hitro izenacita. Za

2. Elektricna energija in napetost 5

ustvarjanje uporabnih tokov potrebujem dru-gacne vire, takšne, ki bodo ustvarjali stalno na-petost dovolj dolgo casa. Primeri takšnih vi-rov so baterije, akumulatorji in generatorji. Pri-merjamo jih lahko s crpalko, ki v cevi ustvarjastalno tlacno razliko.

V najpreprostejšem vezju imamo genera-tor prikljucen na porabnik, na primer na žar-nico. Skozi žarnico tece tok od pozitivnegaprikljucka generatorja k negativnemu. Zaradikontinuitetne enacbe (3) tece skozi generatorenak elektricni tok in sicer od negativnega kpozitivnemu prikljucku. Generator torej precr-pava naboje in tako ustvarja napetost.

Elektricno vezje lahko ponazorimo z vlec-nico, ki vlece smucarje na vrh hriba in predsta-vlja generator (slika 4). Smucarji pridobijo (po-tencialno) energijo na racun višinske razlike, kijo porabijo pri smucanju navzdol.

Slika 4. Napetostni vir (generator) primerjamo zvlecnico, ki smucarje dvigne za doloceno višino.

2.4. Elektricna moc

Pri porabnikih nas pogosto zanima moc, ki jotrošijo. Razišcimo, kako je odvisna od toka innapetosti. Pri premikanju nabojev opravi gene-rator delo A = Ue, ce je U napetost generatorja,e pa pretoceni naboj. Naboj izrazimo s tokom incasom e = It (glej (1)) in delo lahko zapišemokot A = UIt. Moc je delo, opravljeno v casovnienoti, torej velja

P =At= UI . (8)

Ker je tok skozi porabnik odvisen od upora(glej (7)), lahko zapišemo še

P = I2R =U2

R. (9)

Ce dva porabnika prikljucimo na enako nape-tost, iz zgornje enacbe razberemo, da porabnikz manjšim uporom troši vecjo moc.

Da lahko generator opravlja elektricno delo,mu moramo delo dovajati, obicajno v oblikimehanskega dela (dinamo, generatorji v elek-trarnah...). Generator za delovanje lahko pora-blja tudi notranjo energijo (baterija, akumula-tor).

2.5. Zlaganje generatorjev

Ce vec baterij povežemo zaporedno (pozitivniprikljucek prve baterije vežemo na negativniprikljucek druge, pozitivni prikljucek druge nanegativni tretje, . . .) je napetost tako sestavlje-nega vira enaka vsoti napetosti baterij.

Slika 5. Žarnico prikljucimo na dve zaporednovezani bateriji; napetost vira je dvakrat vecja odnapetosti ene baterije.

6 Elektricni tokovi

Slika 6. Žarnico prikljucimo na tri zaporedno ve-zane baterije; vir ima trikrat vecjo napetost kotena sama baterija.

Slika 7. Žarnico prikljucimo na štiri zaporednovezane baterije. Žarnica vse mocneje sveti.

2.6. Zlaganje porabnikov

Ce imamo v vezju dva porabnika, vezanadrugega za drugim, se napetosti razdeli mednjiju. Takšni vezavi pravimo zaporedna vezava(slike 8–10).

Na zaporedno vezanih porabnikih se nape-tost razdeli v razmerju uporov, tako da je na po-rabniku z vecjim uporom vecja napetost. Kerskozi oba porabnika tece enak tok, iz zvezeP = UI sledi, da porabnik z vecjim uporomtroši vecjo moc.

Slika 8. Pri zaporedni vezavi se napetost raz-deli med obe žarnici tako, da je skupna napetostvsota obeh napetosti. Ker je vsaki žarnici pribli-žno polovica celotne napetosti, svetita tako, kotsveti ena žarnica na sliki 5 pri vezavi dveh bate-rij.

Slika 9. Seštevanje napetosti preverimo z voltme-trom. Na prvi žarnici voltmeter pokaže 1,9 V.(V levem zgornjem kotu slike je povecana slikaskale voltmetra. Celoten odklon na skali, ki jerazdeljena na sto razdelkov, je 10 V.)

2. Elektricna energija in napetost 7

Slika 10. Napetost na drugi žarnici je 2,0 V; sku-pna napetost je torej 3,9 V, toliko kot kaže volt-meter na sliki 8.

Pri vzporedni vezavi se tok, ki tece skozi ge-nerator, razdeli med oba porabnika, napetostna vsakem od porabnikov pa je enaka (slika 11–13).5

Slika 11. Vzporedna vezava dveh žarnic na na-petost 6 V. Na vsaki žarnici je celotna napetostvira; skupni tok pa se razdeli med obe žarnici. (Vdesnem spodnjem kotu je prikazana povecanaskala ampermetra.) Svetita približno tako, kotsveti ena žarnica na sliki 7 pri enaki napetostivira.

Slika 12. Merjenje toka skozi drugo žarnico.

Slika 13. Skupni tok je vsota obeh tokov.

Tok, ki tece skozi posameznega porabnika,je odvisen od njegovega upora; ker so vsi po-rabniki prikljuceni na isto napetost, iz Ohmo-vega zakona sledi, da tece vecji tok skozi porab-nik z manjšim uporom. Iz zveze P = UI se-daj ugotovimo, da porabnik z manjšim uporomtroši vecjo moc. Situacija je torej obratna kot prizaporedni vezavi; do razlike pride zato, ker je

5Zaradi notranjega upora (glej naslednji razdelek) se napetost izvira zmanjša, zato žarnici svetita nekoliko šibkeje, kotena sama. Ce vzeli boljši napetostni vir (na primer akumulator), pa bi vse žarnice svetile enako.

8 Elektricni tokovi

pri zaporedni vezavi porabnikom skupen tok,pri vzporedni pa napetost.

Ker so porabniki v gospodinjstvih vezanivzporedno, to pomeni, da ima 1000 W grelnikdeset krat manjši upor kot 100 W žarnica.

2.7. Gonilna napetost in notranji uporgeneratorja

Ce natancneje izmerimo napetosti pri vezavah,ki smo jih obravnavali v prejšnjem razdelku,opazimo, da je napetost vira odvisna od vezaveporabnikov. Najvecja je pri zaporedni vezavidveh žarnic, pri eni žarnici se zmanjša in je naj-manjša pri vzporedni vezavi žarnic. Razlog je vnotranji upornosti generatorja: ko tok tece skozigenerator, se pojavi upor pri gibanju elektro-nov tudi v samem generatorju. Del napetosti,ki jo generator ustvarja, se zato porabi za po-ganjanje toka skozi generator, in za tolikšen delse zmanjša napetost generatorja, ki je na razpo-lago porabniku. Zmanjšanje napetosti je soraz-merno s tokom. Sorazmernostni koeficient ime-nujemo notranji upor generatorja, napetost ge-neratorja pri toku 0 (torej neobremenjenem ge-neratorju) pa gonilna napetost generatorja.

Slika 14. Ko na izvir namesto ene žarnice (levaslika) prikljucimo sedem vzporedno vezanihžarnic (desna slika), zaradi notranjega upora ba-terij napetost izvira pade in žarnice komaj še sve-tijo.

V notranji upornosti tici razlog, zakaj ni smi-selno vzporedno vezati prevec žarnic na bate-rijo (slika 14). Tedaj tece skozi baterijo zelo ve-lik tok, zato pade napetost na prikljuckih bate-rije prakticno na nic.

2.8. Zbiralniki naboja in elektricne ener-gije

Najpreprostejši zbiralnik naboja je kondenzator,ki ga sestavljata dve izolirani kovinski plošci.Ce med plošci prikljucimo napetost, se na eniplošci nabere pozitivni, na drugi pa negativninaboj. Ko plošci povežemo preko porabnika, splošc stece tok. Pojav na primer izkorišca bli-skavka v fotografskem aparatu. Ce želimo zbi-ralnike naboja primerjati z zbiralniki snovi, mo-ramo biti previdni: skupni naboj na kondenza-torju je nic, saj je na pozitivni plošci po velikostenak naboj kot na negativni. Ko govorimo onaboju, shranjenem na kondenzatorju, imamozato v mislih naboj na eni plošci.

Slika 15. Kondenzator prikljucimo na napetostnivir. Nanj stece enaka kolicina pozitivnega in ne-gativnega naboja.

Slika 16. Kondenzator izpraznimo prek žarnice.Na zacetku je napetost kondenzatorja prakticnoenaka napetosti vira, s katerim smo napolnilikondenzator.

3. Magnetizem 9

Slika 17. Naboj na kondenzatorju se zmanjšujein z njim tudi napetost. Žarnica sveti vse manj inmanj.

Tudi akumulatorji in baterije so zbiralniki na-boja. Ti zbiralniki imajo vecjo prakticno vre-dnost, saj se napetost med pozitivnim in ne-gativnim prikljuckom s casom skoraj ne spre-minja, medtem ko se pri kondenzatorju manjšaz manjšajocim se nabojem. V akumulatorjulahko shranimo sorazmerno veliko kolicino na-boja. Vendar naboj ni shranjen v obliki velike

kolicine elektronov in pozitivnih ionov, pac pase prosti elektroni, ki predstavljajo elektricnitok, sprošcajo pri kemijskih reakcijah na plo-šcah akumulatorja.

Naboj obicajno merimo v amperskih urah(Ah); 1Ah ustreza 3600 As. Ce poznamo še na-petost, lahko izracunamo energijo, ki je shra-njena v zbiralniku (akumulatorju ali bateriji).12 V akumulator, v katerem je shranjen naboj48 Ah, ima energijo

W = eU = 48 A · 3600 s · 12 V= 2,07 · 106 J = 2,07 MJ .

Na bateriji vrste Li-ion, namenjeni uporabi v elek-tronskih napravah, je zapisano 3,6 V in 4,1 Wh. Nakateri kolicini se podatka nanašata? Koliko nabojaje lahko shranjeno v takšni bateriji? Koliko casa ba-terija poganja napravo, ki porablja 300 mA toka?

3. Magnetizem

3.1. Magnetna sila

Vseh pojavov ne moremo razložiti le z elek-tricno silo med naboji. Naredimo poskus: podveh vzporednih vodnikih naj teceta tokova visto smer. Ugotovimo, da se vodnika privlacita.

Slika 18. Vodnika prosto visita; tok še ni priklju-cen

Vodnika sta elektricno nevtralna, saj vsebujetaenako število pozitivnih in negativnih nabojev,zato sila ne more biti elektricna. Torej smo nasledi novi sili. Imenujemo jo magnetna sila. Sila

je premo sorazmerna z dolžino vodnikov, s to-kom v prvem vodniku in tokom v drugem vo-dniku, in obratno sorazmerna z razdaljo medvodnikoma. Ce zamenjamo smer toka v enemvodniku, postane sila odbojna (slika 20).

Slika 19. Ko po vodnikih steceta tokova v istihsmereh, se vodnika približata. Sila je privlacna.

10 Elektricni tokovi

Slika 20. Ko po vodnikih steceta tokova v razlic-nih smereh, se vodnika razmakneta.

Pojav izkoristimo za definicijo enote za ele-ktricni tok. Ce po dve vodnikih z dolžino 1 m vrazdalji 1 m teceta tokova po 1 A v isti smeri, sevodnika privlacita s silo 0,2 µN.

Magnetno silo na vodnik lahko ustvarimotudi s trajnim magnetom (glej sliko 22).

Slika 21. Vodnik prosto visi med poloma trajnegamagneta; po njem tok ne tece.

Slika 22. Ko po vodniku v trajnem magnetu stecetok I, se vodnik odkloni.

Slika 23. Ce spremenimo smer toka, se smer sileobrne.

3.2. Elektromotorji

Opisani pojav izkorišcamo pri elektromotorjih.Ce postavimo kvadratno zanko, po kateri tecetok, med pola magneta (glej sliko 24), deluje naravni del žice magnetna sila v eno smer, na na-sprotni del žice pa v drugo. Zanka se zavrti.

Slika 24. V levi stranici zanke tece tok v drugosmer kot v desni, zato se pojavi dvojica magne-tnih sil, ki zavrti zanko.

3.3. Indukcija

Ce vodnik premikamo med poloma magneta,se na krajišcih vodnika pojavi napetost. Krajišciz žicami povežemo v elektricni krog. Po krogustece tok. Pojav imenujemo indukcija; napetost,ki se pojavi, inducirana napetost, in tok induciranitok (slika 25).

3. Magnetizem 11

Slika 25. Inducirani tok I, ki stece v vodniku, iz-merimo z ampermetrom. Tok je sorazmeren s hi-trostjo v, s katero se giblje vodnik. Ce se smer gi-banja vodnika spremeni, se spremeni tudi smertoka v vodniku.

Pojav izkorišcamo za ustvarjanje napetosti vgeneratorjih.

3.4. Izmenicni tok

Ce vodnik, opisan v prejšnjem razdelku, v ma-gnetu niha, se spreminja smer hitrosti in zatotudi smer inducirane napetosti in toka. Na-stane izmenicni tok. Tok, ki tece ves cas v istosmer, pa imenujemo enosmerni tok. Generatorjinapetosti, ki delujejo na principu indukcije, obi-cajno ustvarjajo izmenicno napetost.

Slika 26. Casovni potek omrežne izmenicne na-petosti

Spreminjanje izmenicne napetosti vomrežju opišemo s sinusno funkcijo

U(t) = U0 sin(2πνt) ,

pri cemer je U0 amplituda napetosti in ν njenafrekvenca (glej sliko 26). Pri gospodinjskem od-

jemu je U0 = 310 V in ν = 50 Hz. Moc na po-rabniku z uporom R zapišemo kot

P(t) =U(t)2

R=

U20

Rsin2(2πνt) = P0 sin2(2πνt).

Moc se spreminja od 0 do najvecje moci P0 =U2

0 . Povprecna moc je ravno polovica najvecjemoci:

P = 12 P0 =

U20

2R.

Na sliki 27 je prikazan casovni potek moci na100 W žarnici; povprecna moc, ki ustreza na-zivni moci 100 W, je prikazana z rdeco crto.

Slika 27. Casovni potek moci na 100 W žarnici

Efektivna napetost, Uef, je enosmerna napetost,ki bi na porabniku dala enako povprecno mockot izmenicna napetost:

P =U2

efR

=U2

02R

.

Od tod slediUef =

U0√2

.

Pri gospodinjskem odjemu velja

Uef =310 V√

2= 220 V .

Na sliki 26 je efektivna napetost prikazana zrdeco crto.

Nekatere naprave delujejo le, ce so priklju-cene na izmenicno napetost (na primer elektro-motorji), druge (sem spada vecina elektronskihnaprav) za delovanje potrebujejo enosmernonapetost; številne naprave (žarnice, grelniki,. . .) pa delujejo tako na enosmerno kot na izme-nicno napetost. V vecini elektronskih napravje usmernik, ki pretvori izmenicni tok v eno-smerni.

12 Elektricni tokovi

4. Prenos podatkov z elektricnim tokom

Z mikrofonom lahko spremenimo govor aliglasbo v elektricni signal, pri katerem elek-tricna napetost niha s frekvenco zvocnega si-gnala, njena amplituda pa je sorazmerna z ja-kostjo zvoka. Dobljeni signal lahko vodimo vzvocnik, hranimo na nosilcih zvoka, ali pre-našamo preko žicnih ali brezžicnih zvez. Po-dobno lahko pretvorimo v elektricni signal tudislike in iz elektricnega signala znova ustvarimosliko (televizor). Takšen zapis imenujemo ana-logni (glej sliko 28).

Slika 28. Analogni zapis glasu „a“.

V zadnjem casu se vse bolj uveljavlja digi-talni nacin prenosa in zapisa podatkov (kamoruvršcamo tudi zvok in slike). Pri tem upora-bljamo binarni zapis informacije, ki je sestavljeniz niza znakov 0 in 1. Ce gre za prenos števil-skih podatkov, je kodiranje preprosto: številko

pretvorimo v dvojiški številski sestav. Nicla jekar 0, enka 1, dvojka 10, trojka 11, štirica 100,. . .. Osnovnemu gradniku zapisa 0 ali 1 pra-vimo bit.

Pri prenosu crk in drugih znakov je znakobicajno predstavljen z osmimi biti; zaporedjuosmih bitov pravimo Byte („bajt“). Tako na pri-mer crko A zapišemo kot zaporedje 00100001, Bkot 00100010, . . .. Binarni zapis zelo preprostopretvorimo v elektricni signal: nicli priredimonapetost 0, enki pa najvecjo napetost, na pri-mer 5 V. Elektricni signal, ki ustreza crki A, jepotem videti takole: __u____u , B-ju __u___u_. . ., sporocilu „IDEJA“ pa ustreza elektricni si-gnal oblike:

__u_u__u__u__u__ __u__u_u__u_u_u_ __u____u

Na takšen nacin lahko zelo hitro prenašamoinformacije in shranjujemo ogromne kolicinepodatkov na izjemno majhnih medijih. V se-kundi lahko prenesemo po eni žici 100 mili-jonov bitov, na trdem disku novejšega doma-cega racunalnika pa spravimo informacijo, kiustreza 100 000 knjigam.