Električna energija je temeljni dio našeg svakodnevnog života, napaja sve, od malih uređaja poput pametnih telefona do velikih sustava poput gradskih električnih mreža. Kada govorimo o trenutnom elektricitetu , mislimo na protok električnog naboja kroz vodič, kao što je metalna žica, zbog razlike potencijala ili napona na njemu. Ovaj protok je ono što pokreće naše električne uređaje.
Da bismo razumjeli trenutni elektricitet, počinjemo s osnovnom jedinicom naboja, koja se zove elektron . Električna struja nastaje kada se elektroni kreću kroz materijal. Smjer koji se uobičajeno smatra za protok električne struje suprotan je smjeru kretanja elektrona, od pozitivnog do negativnog terminala izvora energije.
Količina električnog naboja koja prolazi kroz dio vodiča u određenom vremenu poznata je kao električna struja i mjeri se u amperima (A). Matematički se izražava kao:
\(I = \frac{Q}{t}\)gdje je \(I\) struja u amperima, \(Q\) je naboj u kulonima, a \(t\) je vrijeme u sekundama tijekom kojeg naboj teče.
Napon ili razlika električnog potencijala je pokretačka sila koja gura električni naboj kroz vodič. Mjeri se u voltima (V) i može se smatrati električnim tlakom koji uzrokuje kretanje električnih naboja.
Otpor je otpor koji materijal nudi protoku električne struje. Ovisi o svojstvima materijala, kao io njegovoj duljini i površini poprečnog presjeka. Otpor se mjeri u ohmima ( \(\Omega\) ). Odnos između napona (V), struje (I) i otpora (R) dan je Ohmovim zakonom:
\(V = I \times R\)Ova jednadžba pokazuje da je struja koja teče kroz vodič između dviju točaka izravno proporcionalna naponu na dvije točke, a obrnuto proporcionalna otporu između njih.
U serijskom krugu , komponente su spojene s kraja na kraj, tako da postoji samo jedan put za protok struje. Ako je bilo koji dio kruga prekinut, cijeli krug prestaje raditi. Ukupni otpor serijskog kruga je zbroj pojedinačnih otpora:
\(R_{total} = R_1 + R_2 + R_3 + \ ... \)U paralelnom strujnom krugu , komponente su povezane preko zajedničkih točaka ili spojeva, pružajući višestruke staze za protok struje. Napon na svakoj komponenti u paralelnom krugu je isti. Recipročna vrijednost ukupnog otpora u paralelnom krugu jednaka je zbroju recipročnih vrijednosti svakog otpora:
\(\frac{1}{R_{total}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} + \ ... \)Snaga električnog kruga je brzina kojom se električna energija prenosi električnim krugom. SI jedinica za snagu je vat (W). Snaga se može izračunati pomoću formule:
\(P = V \times I\)Ova formula pokazuje da je snaga (u vatima) umnožak napona (u voltima) i struje (u amperima).
Materijali koji omogućuju lagani protok električnog naboja nazivaju se vodiči . Većina metala, poput bakra i aluminija, dobri su vodiči i obično se koriste u električnim ožičenjima. S druge strane, izolatori su materijali koji ne dopuštaju slobodno strujanje električnog naboja. Primjeri uključuju gumu, staklo i plastiku. Ovi se materijali koriste za premazivanje ili okruživanje vodiča kako bi se spriječio neželjeni protok električne energije, čime se osigurava sigurnost.
Jednostavan električni krug može demonstrirati principe električne struje. Razmotrimo strujni krug koji se sastoji od baterije, otpornika i žarulje spojenih u seriju. Kada je krug zatvoren, baterija stvara napon koji gura elektrone kroz krug. Otpornik ograničava protok elektrona, kontrolirajući tako struju. Žarulja pretvara električnu energiju u svjetlost, što ilustrira korištenje električne energije.
Kako bi se eksperimentalno potvrdio Ohmov zakon, može se postaviti strujni krug s promjenjivim napajanjem, ampermetrom za mjerenje struje i voltmetrom za mjerenje napona na otporniku. Variranjem napona i bilježenjem odgovarajuće struje, otkriva se da je napon na otporniku izravno proporcionalan struji koja teče kroz njega, u skladu s Ohmovim zakonom.
Sadašnja električna energija golemo je polje koje obuhvaća mnoge temeljne pojmove, uključujući električnu struju, napon, otpor, strujne krugove i električnu snagu. Razumijevanje ovih koncepata ključno je za razumijevanje funkcioniranja električnih uređaja i za sigurnu i učinkovitu upotrebu električne energije. Primjenom principa kao što je Ohmov zakon i razumijevanjem ponašanja serijskih i paralelnih krugova, može se predvidjeti i kontrolirati protok električne energije u različitim postavkama.
