Jednosmjerna struja
Usmerena, istosmjerna ili jednosmjerna struja, je fizička pojava protoka električnog naboja od višeg ka nižem potencijalu i nepromjenjivog je smjera. Ovo se obično odvija u provodnicima, ali električni naboj također može teći i kroz poluprovodnike, izolatore i čak u vakuumu kao mlaz elektrona. Kod istosmjerne struje, naboj teče u istom pravcu, za razliku od izmjenične struje.
Prvu komercijalnu mrežu za prijenos električne energije je razvio Thomas Alva Edison krajem 19. vijeka koristeći istosmjernu struju. Zbog toga što je izmjenična struja mnogo pogodnija za prijenos i distribuciju od istosmjerne, danas skoro svi sistemi za prijenos električne energije koriste izmjeničnu struju, prema ideji i realizaciji Nikole Tesle.
U elektrotehnici, termin istosmjerna struja je obično sinonim za konstantnu struju. Npr. napon na krajevima istosmjernog naponskog izvora je konstantan bez obzira na promjenu otpornosti potrošača kojom se opterećuje izvor. Takva istosmjerna struja ima konstantan napon, ali struja može varirati u skladu s Ohmovim zakonom. Moguće je potrošač priključiti i na konstantan strujni izvor, kada će struja kroz otpornik biti nepromjenjiva bez obzira na moguću promjenu otpora potrošača, što sa druge strane izaziva promjenu napona. U idealnoj situaciji, kada se nepromjenjivi otpornik poveže na konstantni izvor (bilo naponski bilo strujni) struja koja teče kroz njega i napon na njegovim krajevima su vremenski nepromjenjivi.
Pojam istosmjerne struje se ponekad vezuje uz pojam nepromjenjivog polariteta. Uz ovu definiciju, napon istosmjerne struje može se mijenjati tokom vremena ali je čitavo vrijeme jedan kraj na pozitivnijem potencijalu od drugog i može pasti na nulu, ali ne smije promijeniti polaritet. Takav je neobrađen napon na izlazu ispravljača ili fluktuirajući zvučni signal u telefonskoj liniji.
Može se dokazati da se složeni periodični valni oblik struje i napona u linearnoj sredini Furijeovom transformacijom može rastaviti na sumu istosmjerne komponente i komponente koju čini sinusoidalna (prostoperiodična) vremenski promjenjiva struja. Srednja vrijednost vremenski promjenjive komponente je nula.
Neki oblici istosmjerne struje (kao oni koje proizvodi regulator napona) skoro da nemaju varijacije u naponu, ali možda još uvijek imaju varijacije u izlaznoj snazi i struji.
Hemijski izvori su bili prvi generatori koji su u dužem vremenskom intervalu mogli proizvesti električnu struju. Profesor anatomije Luigi Galvani iz Italije je primjetio da se noge mrtve žabe grče kada ih je spojio sa dva komada različitog metala. Alessandro Volta, profesor fizike, je bio uvjeren da uzrok grčenju treba tražiti u električnoj struji koju proizvode ti metali. Nakon mnogih eksperimenata, on je 1800. izumio Voltin stup. Volta je nagomilao pločice od bakra i željeza jedne na druge, a između njih je stavio papirne uloške prethodno umočene u slanu vodu. To je proizvelo struju i predstavljalo je prvu bateriju.
Postoje desetine vrsta kemijskih izvora koji se međusobno razlikuju po upotrebljenim metalnim elektrodama i elektrolitima, a time i svojim električnim osobinama. Kemijski izvori se dijele na primarne i sekundarne izvore. Primarni izvori se mogu koristiti samo jednom, dok se sekundarni izvori mogu puniti propuštanjem istosmjerne struje u suprotnom smjeru. Pošto su izvori ovakave vrste sposobni da akumuliraju energiju, oni su nazvani akumulatorima. Svi kemijski izvori imaju zajedničku osobinu da ako kroz njih postoji struja kao posljedica njihove elektromotorne sile (ili u slučaju sekundarnih izvora kao posljedica vanjskog priključenog napona koji djeluje suprotno od te EMS), obavezno dolazi do kemijskih promjena na elektrolitu ili na elektrodama. U mnogim slučajevima dolazi do izdvajanja nekog plina (npr. vodika) na jednoj od elektroda. Pored još nekih efekata mjehurići plina obrazuju oko elektrode izolacijski sloj, zbog čega struja kroz izvor postepeno slabi i na kraju sasvim nestaje.
Danas se od primarnih izvora najviše koristi cink-ugljične baterije i alkalne baterije. Olovni i čelični akumulatori primjenu nalaze u automobilima, a nikal-kadmijske i litij-ionske baterije se koriste u mobilnim telefonima.
Instalacije istosmjerne struje obično imaju drugačije tipove utičnica, sklopki i instalacijskog pribora od onih kojih se koriste za naizmjenične struje, najviše zahvljujući malom naponu za koji se koriste. Obično je kod istosmjerne struje važno da se ne obrne polaritet osim ako uređaj ima ispravljački most da ispravi ovo (najveći broj uređaja koji koriste baterije nemaju ovo).
Prijenos električne energije istosmjernom strujom visokog napona se koristi za prijenos energije na velike udaljenosti i za podmorske kablove, sa naponima od nekoliko kV do MV.
Istosmjerna struja se često sreće u uređajima koji koriste niske napone, naročito tamo gde se oni napajaju iz baterija ili sunčevih ćelija, pošto one mogu proizvoditi samo istosmjernu struju. Većina uređaja s vlastitim napajanjem koristi istosmjernu struju, iako su altenatori naizmjenični uređaji koji koriste ispravljače da proizvedu istosjmernu struju. Većina elektronskih kola zahteva istosmjerno napajanje. Uređaji koji koriste gorive ćelije (PEM ćelija od mešavine vodika i kisika uz pomoć katalizatora proizvodi elektricitet i vodu kao sporedan proizvod) također daju samo istosmjernu struju.
Većina telefona je povezana upredenim paricama i iznutra razdvaja naizmjeničnu komponentu napona (audio-signal) od istosmjerne komponente napona (koji se koristi da napaja telefon).
Računari se priključuju na standardne priključke (naizmjeničnog napona) 220 V, ali se u ispravljačkoj jedinici generiraju istosmjerni naponi od +3,3 V, +5 V, +12 V, -5 V, -12 V koji se razvode do potrošača u unutrašnjosti računara. Telekomunikacijska oprema koristi standard -48 V istosmjerne pobude. Negativan polaritet je postignut uzemljenjem pozitivnog kraja napojnog sistema i baterije.
Mjerenje je olakšano računom prema formuli poznatoj kao Ohmov zakon:
gdje je
- I je jakost struje (osnovna jedinica amper)
- U je razlika potencijala ili napon (osnovna jedinica je volt)
- R je električni otpor (osnovna jedinica je ohm)
Fundamentalno je jačina istosmjerne struje objašnjena matematičkim izrazom:
gdje je
- Q je količina naboja ili naboj (osnovna jedinica je kulon)
- t je vremenski period (osnovna jedinica je sekunda)
Koji govori da je jakost električne struje I zapravo količina naboja Q koja prođe presjekom nekog vodiča u nekom vremenu t.
Ako pozitivni priključak izvora preko nekog trošila (primjerice žarulje) povežemo na negativni priključak izvora, elektroni će nagrnuti sa negativnog pola gdje su nagužvani, prema pozitivnom polu gdje ih nedostaje tako snažno, da će se tanka otporna žica žarulje usijati, te će žarulja zasvijetliti. Drugim riječima, od negativnog pola baterije poteći će struja elektrona (tzv. električna struja) prema pozitivnom polu. Zagrijavanje vodiča zbog prolaska struje zovemo toplinskim učinkom električne struje.
S obzirom da bi bilo teško često crtati bateriju, žaruljicu i druge električne elemente i naprave, dogovoreni su simboli za razne vrste električnih elemenata, pa opisani sklop šematski možemo prikazati donjom slikom. Takav sklop zovemo strujnim krugom.
Strujni krug dakle sadrži neki izvor ili točnije izvor napona U na stezaljkama (iako greškom često zvan izvor struje), neko trošilo i električne vodove. U prikazanom primjeru ucrtan je i prekidač (sklopka) S, za uključenje / isključenje strujnog toka.
Na slikama je vidljivo da je smjer struje označen od + prema - , dakle obrnuto od smjera kretanja elektrona. Smjer struje je naime određen dogovorno, zbog definiranja zakonitosti prema kojima se odvijaju električni procesi, još u vrijeme kada nije bio detaljnije poznat mehanizam nastajanja električnih pojava.
Dakle, kao pozitivan, smjer struje je definiran od + prema - polu, iako se ustvari slobodni elektroni kroz strujni krug izvan izvora kreću u obrnutom smjeru. Ako se polaritet izvora ne mijenja kao kod baterijskog izvora, ne mijenja se ni smjer struje kroz strujni krug, pa se ta struja zove istosmjernom.
Struja kroz vodič putuje velikom brzinom, međutim treba imati u vidu da je to ustvari brzina putovanja pojave premještanja elektrona s atoma na atom. Elektroni naime ne prelaze čitav strujni krug jureći kroz njega, nego samo preskaču sa ljuskaste putanje jednog atoma na ljuskastu putanju susjednog, prelazeći samo kratak put kroz vodič. To sliči putovanju vala po morskoj površini. Morem ne putuju čestice vode, nego samo pojava njihovog izdizanja i spuštanja.
Iz unutrašnjosti izvora pruža se otpor prolasku struje. Taj se otpor zove unutrašnji otpor izvora Ri. Izvor stvara tzv. elektromotornu silu (E), tj. proizvodi razliku električnog potencijala na svojim stezaljkama, gomilajući elektrone na negativnom polu. Kad je izvor neopterećen, tj. kada nije na njega priključeno nikakvo trošilo, razlika potecijala (napon) na njegovim stezaljkama jednaka je elektromotornoj sili. Kad se međutim na izvor priključi trošilo, tj. kad je izvor opterećen, može se shvatiti da je u strujni krug uključen otpor trošila R, a s njim u seriju uključen je i unutrašnji otpor izvora Ri. Ukupna elektromotorna sila raspodjeljuje se na savladavanje oba otpora. Kod toga, na oba otpora nastaje pad napona proporcionalan otporima.
Rezultat je toga, da na stezajkama izvora više nećemo moći dobiti puni iznos elektromotorne sile koju stvara izvor, nego će ona biti umanjena za vrijednost pada napona na unutrašnjem otporu I x Ri. Napon na stezaljkama bit će dakle:
U = E - I x Ri
U ovom primjeru, zanemaren je pad napona na vodovima strujnog kruga.
Opterećenom izvoru napon na stezaljkama bit će manji nego neopterećenom. Zavisnost napona na stezaljkama izvora od jakosti struje koju ostvaruje izvor prikazuje dijagram koji se zove karakteristika izvora.
Smanjenje napona izvora nakon opterećenja razlogom je, što mjerenje napona baterijskih članaka kad su izvađeni iz uređaja i neopterećeni, ne daje pravu sliku stanja baterije. Neopterećena, ona može pokazivati puni napon, no, kad se optereti, može se pokazati da je ipak poluprazna i da nema dovoljan napon za ispravan rad uređaja s većom potrošnjom.
Uz već navedeni toplinski učinak, električna struja može proizvesti i druge vrste učinaka:
- toplinski učinak
- magnetski učinak
- kemijski učinak
- mehanički učinak (u magnetskom polju)
- (en) PBS: AC/DC: What's the Difference?