1
1.UVOD
1.1.
RAZVOJ I ZNAČAJ ELEKTROTEHNIKE
Kroz istoriju čovek je koristio različite izvore energije: snagu životinja, energiju vode, vjetar,
u 19. veku pronađena je parna mašina,na prelazu iz 19. u 20. vek počinje se koristiti
električna energija.
Prednosti zbog kojih je električna energija najprikladnija za primenu su:
Električna energija može se u aparatima, koje nazivamo prijemnici ili potrošači,
iskoristiti za obavljanje najrazličitijeg rada.
Električna energijadobiva se relativno lako iz električnih izvora, koji predstavljaju
sisteme u kojima se druge vrste energija prtevaraju u električnu. Npr. pretvaranje
mehaničke energije turbina u električnim generatorima pretvar u električnu energiju.
U baterijama I akumulatorima koristi se hemijska energija za dobivanje električne
energije. Zatim proizvodnja energije u termoelektranama, nuklearnim elektranama i
solarnim elektranama.
Relativno jednostavan prenos električne energije.
Prva saznanja o električnim i magnetnim pojavama potiču iz
antičkog doba
.
Još je pre dva i po rnilenijuma velikim grckim filozofima bilo poznato da se obe pojave
ispoljavaju delovanjem rnehaničkih sila, odbojnih ili privlačnih. Ali, tek u XVIII veku fizičari
čine prve ozbiljnije pokušaje da objasne ove pojave.
Engleski naučnik V. Džilbert je, u svojoj knjizi ,,O magnetu" 1600. godine, opisao sve do
tada poznate električne i magnetne pojave i prvi upotrebio reč ,,električni". Američki naučnik
B. Frenklin 1752.godine otkriva električnu prirodu munje i groma i pronalazi gromobran.
Francuski naučnik S. Kulon 1785.godine utvrđuje zakon elektrostatičke interakcije.
Vezu izmedu električnih i magnetnih pojava otkriva 1819.godine danski fizičar H. Ersted
(skretanje rnagnetne igle u blizini provodnika sa strujorn). Već 1820.godine francuski fizičar
A. Amper otk:riva slozene kvantitativne odnose električnih i magnetnih pojava, predvidevši
da je magnetno polje stalnih magneta posledica kretanja naelektrisanih čestica.
Osnovu modernih shvatanja elektrotehnike postavlja veliki engleski fizičar
M. Faradej.
On
otkriva zakon elektromagnetne indukcije (1831), uvodi pojam fizičkog elektromagnetnog
polja, otkriva zakone elektrolize, dijamagnetizam i paramagnetizam.
Engleski fizičar Dz. Maksvel 1864.
godine, na osnovu Faradejevih shvatanja, razrađuje
opštu
teoriju elektromagnetskih pojava, uvodeći pojam elektromagnetnih talasa i objašnjavajući
njime i samu prirodu svetlosti. Maksvelova teorija je potvrđena 1887.godine kada nemački
fizičar H. Herc, eksperimentišući saoscilatornim kolima, otkriva elektromagnetne talase.
Tokom XIX veka, nizom značajnih pronalazaka, postavljeni su temelji elektroenergetici i
telekomunikacijama. Ove oblasti elektrotehnike će u XX veku zajedno sa elektronikom biti
motorna snaga daljeg tehničkog progresa i bez njih bi život savremenog čoveka teško bio
zamisliv. U elektroenergetici to su: generator jednosmerne struje - dinamo (1866, Simens),
elektromotor jednosmerne struje (1873, Pačinoti), sijalica (1879, Edison), asinhroni motor
(1887, Tesla).
U telekomunikacijamatosu: telegraf (1837, Morse), telefon (1876, Bel), principi emitovanja
radio-signala (1897-1898, Tesla). Među najznačajnijirn na oba polja istraživanja su i
pronalasci našeg velikog pronalazača Nikole Tesle (1856-1943 ), a na polju telekomunikacija
i pronalasci Mihajla Pupina ( 1854-1935).
O samoj suštini elektriciteta više se saznalo tek po otkriću strukture atoma na osnovu radova
engleskog fizičara E. Radeforda 1911. i danskog fizicara N. Bora 1913. godine.
Doba elektronike
nastupa
početkom XX veka.Engleski naučnik Džo Fleming 1904.godine
pronalazi
elektronsku cev diodu
, upotrebivši je za prijem radio-talasa.
Američki naučnik
L.
de Forest, dodavanjem upravljačke elektrode, dobija 1907.Godine
triodu
.Ovaj pronalazak omogućuje brz razvoj radio-tehnike, radio-telefonije i radio-
2
telegrafije (1915-1920. godine), televizije (1939. godine) i radara (1935. godine), kao i drugih
grana informacione elektrotehnike.
Pravu revoluciju u elektronici izaziva otkriće tranzistora 1948.godine,
što
je omogućilo
prelaz na minijaturizaciju i tehniku izrade integrisanih kola. Time je otvoren put
spektakularnim ostvarenjima u oblasti kosmičkih istraživanja, kao što je lansiranje
telekomunikacionih satelita (,Telstar", 1962.godine), kao i u oblasti računarske tehnike
(primena mikroprocesora).
Značaj elektrotehnike
u savremenom svetu je ogroman.Ovladavanje atomskorn energijom,
upoznavanje svemira i kosmička putovanja predstavljaju dostignuća koja označavaju značajne
datume u istoriji čovečanstva.Međutirn, sva ova ostvarenja ne bi bila moguća bez
mnogobrojnih mernih, računarskih i upravljačkih elektronskih uređaja. Pošto je čovečanstvu
već dala radio, radar i televiziju, a telegrafiji i telefoniji pružila nove mogućnosti, elektronika
je prodrla u sve oblasti ljudske delatnosti, fizičke i intelektualne- počev od upravljanja
mašinama-alatkama, preko rešavanja najsloženijih matematičkih, logičkih i jezičkih
problema, do registrovanja moždanih talasa.
Istovrerneno,
električna energija
neprekidno povećava relativno učešće u primarnoj energiji,
jer se jedina može preneti na ogromne udaljenosti i tamo upotrebiti. Ona će i dalje pokretati
rnašine u fabrikama, električne lokomotive, tramvaje i trolejbuse, osvetljavati trgove, ulice,
stanove i radne prostorije i koristiti na razne načine u električnim aparatima i uređajima u
svakom domaćinstvu.
Pomenimo, na kraju, da se u elektrotehnici afirmisao
MKSA
(metar, kilogram, sekunda,
amper) sistem kao deo internacionalnog sistema jedinica (označava se sa
SI).
2. ELEKTROSTATIKA
Elektrostatika je deo nauke o elektricetu koja proučava nelektrisana tijela u mirovanju,
njihova uzajamna delovanja i fizičke procese u okolnom prostoru.
2.1. NAELEKTRISANJE. KULONOV ZAKON.
Svojstvo ćilibara i vunene tkanine da, nakon uzajarnnog trenja privlače lake deliće materije,
bilo je poznato još u antičkom dobu.Tek su brojna otkrića u XVII i XVIII veku omogućila brz
razvoj nauke o elektricitetu.Ogledi su pokazali da se uzajamnodejstvo naelektrisanih tela uvek
ispoljava pojavom mehaničkih sila, koje mogu biti privlačne i odbojne.Ovo se tumači
postojanjem dve vrste elektriciteta,
pozitivnog
i
negativnog
.Električki neutralna tela sadže
obe vrste naelektrisanja u jednakim količinama, pa se njihova dejstva poništavaju.
Isto kao ćilibar, vunena tkanina,kao i drugi materijali, koji se nazivaju izolatori ilidielektrici,
mogu se naelektrisati trenjem i dodirom. Ovde je bitan dodir, a trenjemse samo ostvaruje bolji
kontakt i veće naelektrisanje. Dodirom sa naelektrisanim telimamogu se, osirn dielektrika,
naelektrisati i drugi materijali koji se nazivaju provodnicii poluprovodnici.
Tela se mogu naelektrisati i bez neposrednog dodira, putem
elektrostatičkeindukcije
.
4
Sl. 2.2. Kulonova sila između dva naelektrisana tijela.
a) suprotnog i b)istog znaka.
Intenzitet sile zavisi i od sredine u kojoj se tela nalaze. Ovako definisana sila uzajamnog
dejstva dva naelektrisana tela predstavlja
Kulonov zakon
i matematički se označava
jednačinom:
F
=
F
=
k
⋅
Q
1
⋅
Q
2
=
F
(2.3)
12
21
r
2
gde su
Q
1
i
Q
2
količine
naelektrisanja tačkastih tela,
r
njihovo međusobno rastojanje.
Konstanta proporcinalnosti
k
je fizička veličina, zavisi
od
sredine i najveća je u
vakumu,
k
=
9
⋅
10
10
⋅
N
⋅
m
2
, a određuje se iz jednačine 2.3:
C
2
k
=
F
⋅
r
2
Q
⋅
Q
2
1
Na osnovu ove jednačine može se zaključiti da jedinica konstante
k
:
k
=
F
⋅
r
2
⇒
k
=
F
⋅
r
2
⋅
Q
−
2
=
N
⋅
m
2
⋅
C
−
2
Q
⋅
Q
2
1
Merenjima je utvrđeno da je konstanta za vazduh i vakum
k
=
9
⋅
10
9
⋅
N
⋅
m
2
C
2
Obično se konstata
k
piše u obliku
k
=
1
4
πε
ε
=
ε
0
⋅
ε
r
ε
0
- dielektrična konstanta vakuma,
ε
r
-relativnadielektrična konstanta materijala.
(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.6.a)
Na osnovu jednačina
(2.5) i (2.6)
za
dielektričnu konstantu
vakuma
ε
0
dobijemo:
ε
0
=
1
⋅
10
−
9
C
2
=
8,854
⋅
10
−
12
C
2
(2.7)
36
π
N
⋅
m
2
N
⋅
m
2
5
2.2. ELEKTRIČNO POLJE. ELEKTRIČNI POTENCIJAL
2.2.ELEKTRIČNO POLJE
Naelektrisano telo menja kvalitativno prostor oko sebe. To naročito fizičko stanje u okolini
naelektrisanog tela koje se vidno manifestuje pojavom sile između električnih opterećenja
(naboja) naziva se
električno polje
. Električno polje deluje silom na druga naelektrisana tela i
pripada onom vidu materije koja ne deluje neposredno na naša čula.
Ako električno polje potiče od naelektrisanja u stanju mirovanja naziva se
elektrostatičko
polje.
Za ispitivanje i proveru delovanja električnog polja jednog naelektrisanog tela koristi se
pozitivno probno tačkasto naelekrisano telo malih dimenzija i sa zanemarljivom količinom
naelektrisanja
Q
p
, koje svojim poljem ne utiče na ispitivano. Kao probno naelektrisanje može
poslužiti mala kuglica od zove. Ako se takva kulica pozitivno naelektrisana donese u polje
naelektrisanog tela, na njega će delovati mehanička sila čiji je intenzitet, pravac i smer
određen u svakoj tački prostora. Ako seprobno naelektrisanje menja po količini, pravac i smer
u jednoj tački ostaje nepromenjen, a menja se samo
intenzitet srazmerno
Q
p
, tad možemo
pisati:
F
1
:
F
2
:
F
3
=
Q
p
1
:
Q
p
2
:
Q
p
3
(2.8)
Za posmatranu tačku ispitivanog polja , može se napisati da je:
→
→
=
→
F
1
=
F
2
F
3
=
E
→
Q
p
1
Q
p
2
Q
p
3
→
E
-
vektor jačine električnog polja u posmatranoj tački
. Predstavlja kvantitativnu
posmatranog polja i zavisi od
Q
p
.
→
Vektor jačine električnog polja
E
definiše se kao količnik mehaničke
dejstvuje na pozitivno probno naelektrisanje i samog tog naelektrisanja:
→
→
F
E
=
Q
p
(2.9)
karakteristiku tačke
sile kojom polje
(2.10)
→
Vektor jačine električnog polja
E
ima
pravac i smersile
koja deluje na
Q
p
. Npr. odredimo
jačinu polja usamljenog tačkastog opterećenja
+
Q
u tački A (Sl. 2.2).
Intenzitet polja
E
A
u tački A je:
E
A
=
F
A
=
1
⋅
Q
1
Q
p
⇒
Q
P
=
1
⋅
Q
Q
p
4
πεε
r
r
2
4
πεε
r
r
2
0
A
0
A
Gde je
r
A
rastojanje tačke od izvora polja Q. Pravac i smer
Dimenzija vektora jačine polja je:
[
E
]
=
[
[
Q
F
]
]
=
[
[
C
N
]
]
=
kulon
njutn
(2.11)
→
električnog polja
E
dati su na Sl. 2.2.
(2.12)
U praksi se upotrebljava ekvivalentna jedinica voplt po metru, koju ćemo kasnije izvesti:
