02 Mala teorija s dugorocnim posljedicama

Struja koja tece strujnim krugom je proporcionalna naponu i obrnuto proporcionalna otporu

Georg Simon Ohm, 1827.

Jedva da postoji predmet koji se ne moie matematicki obraditi i posljedica koja se ne moie predvidjeti te rezultat koji se ne moie prethodno izracunati iz dostupnih teoretskih i praktickih podataka

Nikola Tesla, 1919.

Teslin matematicki pogled na elektricitet bio je puno napredniji od pogleda vecine znanstvenika kasnoga 19. stoljeca. Pristupom i nacinom razmisljanja bio je uistinu toliko ispred svoga vremena, da mu danasnji nacini analize elektriciteta, koje poucavaju na modernim katedrama elektrotehnike, ne bi izgledali neobicno.

Dvije najkorisnije stvari koje mladi inzenjer elektrotehnike ikad nauci je jednostavna formula: V = TR (napon = struja x otpor) - poznata kao Ohmov zakon i kako izbjeci fatalne posljedice strujnog udara. Neko vrijeme su sve elektrotehnicare upucivali da drze jednu ruku u dzepu kad rade s elektricnom opremom pod naponom. Razlog je jednostavan; strujni udar putuje preko prsa, iz jedne ruke prema drugoj i uzrokuje zastoj rada srca. Struja istog intenziteta koja putuje jednom stranom tijela rezultirat ce samo jakim sokom. Odatle savjet da se jedna ruka drzi po strani da bi se izbjegao udar preko prsa. Ako vam je ruka u dzepu ne mozete se prevariti pa s njom dotaknuti aparat pod naponom.

Vrijednost Ohmovog zakona nije nikad za Ohmova zivota bila dovoljno cijenjena.  On   je proveo    godine  praveci  testove  kojima   bi  potvrdio valjanost   svoje   teorije    i    visestruko     provjeravao            njihove                     rezultate. Znanstvenici njegova vremena nisu ni slutili kakvo im je prekrasno orude stavio u ruke, pa mu tako i nisu odali nikakvo sluzbeno priznanje.    Proveo je vecinu zivota radeci slabo placene poslove. Tek je dvije godine prije smrti unaprijeden na mjesto profesora fizike na sveucilistu u Mtinchenu.                   Nikola     Tesla bio      je   prvi   znanstvenik koji     je  uspjesno iskoristio   Ohmov   zakon  da    sirem   krugu   ljudi   omoguci   koristenje elektricne struje.

Ohmov zakon najava je buducnosti. Elektroinzenjeru on pruza izvanredan uvid i precizno predvida kako ce se zadani strujni krug ponasati i prije nego je realiziran. Struja koja tece vodicem i pritisak napona koji tu struju potiskuje naprijed neprekidno se mijenjaju. Ako strujni krug funkcionira onako kako je predvideno, njegov tvorac treba znati zasto i kada se te promjene dogadaju. U ranoj fazi izucavanja elektriciteta, vecina inzenjera nije znala zasto se napon i struja mijenjaju. Ohmov zakon objasnjava kako se ponasa elektricitet kad je u formi elektricne struje, a vecina ranih znanstvenika izucavala je samo staticki elektricitet. Nisu bili zainteresirani za tok struje, pa nisu vidjeli svrhu u Ohmovom zakonu.

Izucavanje     statickog      elektriciteta       izgledalo       je     poput      naivnih madionicarskih trikova. Slicili su onima kojima se bave djeca kada trljaju balon o rukav da bi se on zalijepio za zid. Taj opsjenarski trik je izvediv zbog statickog elektriciteta i bio je poznat jos u doba engleske kraljice Elizabete  T.  Uocio  ga  je William Gilbert,  kraljicin  dvorski lijecnik  i covjek   s   mnogo   razlicitih   interesa.   Kad   se   nije   bavio   kraljicinim zdravljem, provodio je slobodno vrijeme izucavajuci skrivene tajne nauke i  prirode.  Promatrao  je  cudne  stvari  koje  se  dogadaju  sa  sitnim komadicima papira i drugim laganim predmetima.

Gilbert je otkrio da ce, trljajuci komad jantara krznom, postici da jantar privlaci  sitne  predmete.  Vecina  skolaraca  otada  ponavlja  ovaj  poznati pokus koji je prvi ukazao na postojanje statickog elektriciteta.

Iskidaju papir u sitne komadice i stave ih na stol. Zatim, uzmu obicnu kemijsku olovku, protrljaju je o rukav jakne i priblize olovku papiricima. Olovka ce potom privuci papirice.

Dr. Gilbert nije imao kemijsku olovku, ali zato je imao komad jantara kad je prvi put izveo ovaj eksperiment. Tada nije postojalo ime za ovu cudnu silu koja je privlacila lagane predmete, pa ju je doktor  Gilbert nazvao elektricnom, izvodeci naziv iz grcke rijeci za jantar, elektron. Gilbert  je  studirao  na  koledzu  St.  John, u  Cambridgeu, prije  nego  je postao osobni lijecnik kraljice Elizabete. Poznat je kao prvi elektricar jer je pronasao ime za tu pojavu.

Proucavao  je  elektricitet  i  magnetizam,  otkrio  da  je  Zemlja  veliki magnet i objasnio zasto se igla kompasa okrece prema Sjevernom polu. Svoja otkrica objavio je u prvoj knjizi sa znanstvenom tematikom napisanoj u Engleskoj pod nazivom O magnetima i magnetskim tijelima, i velikom magnetu Zemlji. U cast njegovog otkrica jedna od jedinica kojekoriste danasnji znanstvenici zove se gilbert.

Premda je Gilbert napisao knjigu o elektricitetu, godinama nitko nije znao kako upotrijebiti tu cudnu silu. Ono sto znanstvenici nisu znali je cinjenica da staticki elektricitet uzrokuju male elektricno nabijene cestice, nazvane elektroni. Njih mozemo dodati ili oduzeti materijalima koje zovemo izolatorima. (Tzolator je nesto sto sprjecava strujni protok. Tipicni primjeri izolatora su staklo, krpa i plastika) Ovi odvojeni elektroni nazivaju se nabojem. Elektroni koji se krecu po vodicu uzrokuju elektricnu struju. (Vodic je nesto sto provodi struju. Tipicni vodici su bakar, zlato i srebro). Naboj u pokretu stvara struju.

Kad se plasticna olovka trlja o vuneni rukav dzempera, vuna izvlaci elektrone iz olovke. To znaci da povrsina olovke gubi elektrone, a na vunu prelazi taj visak. Elektroni se zatim pokusavaju vratiti u praznine na olovci. Ako se papiric drzi blizu olovke, elektroni u papiru nastoje popuniti praznine                  koje          su      otpusteni          elektroni   napravili   na   olovci. Pokusavajuci se premjestiti na olovku elektroni vuku papir za sobom.   Dok je sve vise znanstvenika proucavalo ovu cudnu privlacnost, Francuz Charles Dufay otkrio je da se staticki elektricitet javlja u dva oblika. Uocio je da trljajuci dva komada jantara, jednog o drugi, pritom ih priblizivsi, dobiva za posljedicu njihovo odbijanje. Tako je saznao da se dva predmeta s manjkom elektrona odbijaju, na isti nacin kao i izolatori s viskom elektrona. Predmeti se privlace jedino onda ako jednog s viskom elektrona priblizite drugom s premalo elektrona.

Benjamin Franklin, americki znanstvenik i politicar, nazvao je ta dva tipa polariteta pozitivnim i negativnim. Tzrekao je i pravilo: "Dva se istoimena pola odbijaju, dok se raznoimeni privlace." Danas znamo da su predmeti s dodatnim elektronima negativnog naboja, a oni s premalo elektrona pozitivnog. Kad trljamo izolator da bismo pokrenuli elektrone, mi    predmet    elektriziramo.    Jednom    kad    se    predmet    elektrizira (dodavanjem ili oduzimanjem elektrona) on zauvijek moze zadrzati taj naboj. Zato sto elektricni naboj samo sjedi na predmetu bez premjestanja, zovemo ga staticki elektricitet. Elektroni koji su se nakupili pokusavaju prijeci tamo gdje ima manjak elektrona. To mogu jedino onda kad postoji vodic kojim ce poteci. Elektroni u pokretu tvore struju, a upravo nam njeno ponasanje objasnjava Ohmov zakon.

Mnogi ljudi su iskusili iznenadno kretanje elektrona. Svatko tko nosi najlonsku odjecu, na primjer, i trlja se o tepihe ili sjedalice, osjetit ce elektricni  udar  kad  sljedeci  put  dotakne  metal.  Trljanjem  skidamo elektrone  s  najlonskog  materijala.  Kad  dotaknemo  bilo  kakav  vodic, elektroni iz tog vodice nahrupe prema najlonu uzrokujuci elektricni udar. Kad se to dogodi, ljudi krive staticki elektricitet.

Do 1746. nisu poznavali nacin skladistenja elektricnog naboja. Tada su znanstvenici  Pieter   van   Musschenbroek  i   Ewald   Georg   von   Kleist napravili posudu u kojoj ce drzati elektricitet. Radili su na sveucilistu u Levdenu pa je njihova inovacija nazvana Levdenskom bocom. Levdenska boca je nalikovala tegli za kiselo povrce u kakvoj se drzi lucica, ali u nju su se stavljali elektroni u metalu, a ne lucica u vinskom octu. Ova dva znanstvenika uspjeli su uskladistiti elektrone. To je bilo jako zgodno u danima prije izuma baterije. Danasnji inzenjeri zovu ove male Levdenske posude kondenzatorima i jos uvijek ih koriste da zastite naboj na svim vrstama strujnih krugova.

Levdenska boca i kondenzator rade na principu dvije odvojene metalne ploce koje mogu zadrzati visak naboja i odrzati njihov manjak. Ako zamislite teglicu pokrivenu iznutra i izvana metalnom folijom, sa staklom koje odvaja dva metalna sloja, moci cete imati predodzbu kako ona izgleda. Kad postoji neravnoteza u broju elektrona izmedu dva sloja, teglica postaje naelektrizirana. Spojite li dvije folije vodicem, struja tece dok god visak elektrona ne prijede tamo odakle su oduzeti. Kad obje ploce postignu istu gustocu elektrona, ili stupanj naboja, struja prestane teci. Sto je veci broj elektrona koji su bili odvojeni i kasnije razmijenjeni medu plocama, to ih se veci broj skladisti. A sto ih se veci broj skladisti, stvorena iskra bit ce dugotrajnija onda kad elektroni pocnu teci. Mozete ovo bolje zamisliti ako si predocite branu. Sabrani elektroni su poput nakupljene vode iza brane. Kad se digne zasun brane voda nahrupi. Sto je visa razina vode iza brane, to je brze i snaznije otjecanje vode. Tsto tako, iskrenje je duze ako se izmedu dva sloja nalazi puno odvojenih elektrona. Kad govorimo o snazi toka vode, mislimo na glavu vode. Sto je veca glava, to vise pritiska stvara njen tok. Ta ideja se primijenila na elektricni naboj i znanstvenici su poceli govoriti o pritisku naboja. Taj pritisak su nazvali pokretnom silom naboja.

Mjerne jedinice su dobivale imena po znanstvenicima koji su se bavili elektricitetom. Za dvojicu ste sigurno vec culi - Andre Marie Ampera i grofa Allessandra Voltu. Amper, francuski matematicar i fizicar, izumio je instrument za mjerenje protoka struje i dobio jedinicu za jakost struje po njemu nazvanu Amper. Grof Alessandro Volta, talijanski fizicar, osmislio je prvu bateriju, galvanski clanak, i u cast ovoga otkrica jedinica mjere pokretne sile naboja (napona) nazvana je volt. Tesla, ciji je motor koristio okretna magnetska polja, dao je ime jedinici magnetske sile.

Staticki elektricitet je najspektakularniji oblik elektriciteta. On stvara dramaticne bljeskove, od njega se zablji bataci trzaju kao u kazalistu lutaka, on uzrokuje grmljavinske oluje. Unatoc tome, on nikada nije imao izravnu prakticnu primjenu. Korisni elektricitet izlazi iz baterija grofa Volte.

20. ozujka 1800., Volta je napisao predsjedniku Kraljevskog drustva za razvoj  znanosti  u  Londonu  sljedece  retke:  "Cast  mi  je  poslati  Vam zapanjujuce rezultate koje sam dobio provodeci pokuse s elektricitetom koji je stvoren obicnim dodirom dvaju razlicitih metala. Glavni ishod je ova naprava ciji se naboj automatski obnavlja nakon svakog prainjenja."

Tako je Volta opisao prvu bateriju na svijetu. Medutim, baterije se prazne, a prazne baterije ne stvaraju napon. Dok se nije pronasao postojaniji izvor elektricne struje, elektromotori i osvjetljenje bili su preskupi jer su brzo crpili svoje baterije. Ono sto je bilo potrebno bio je generator koji neprekidno proizvodi struju.

Michael Faradav izumio je prvi elektricni generator 1831. Struja koju je Edison dobivao iz generatora pokretanih parom bila je istog tipa kao i struja koja je izlazila iz Voltinih baterija. Brzo je shvatio da treba smanjiti potrosnju struje njegovih svjetiljki upotrebom tanjih bakrenih zica u distribucijskom sustavu. Znao je da ce smanjenje napona ograniciti mogucnost slanja struje na vece udaljenosti ukoliko ne smanji jakost struje koju je koristio. On je, ustvari, primijenio Ohmov zakon a da toga uopce nije bio svjestan.

Edison je poceo karijeru kao telegrafist i zato je krivo procijenio daljinu prijenosa  struje.  Njegovu  kompaniju  financirali  su  ljudi  koji  su  se obogatili telegrafom i koji su smatrali da struja moze putovati jednako daleko kao telegrafska poruka. Ali tada se to nije moglo ostvariti. Nitko od ljudi povezanih s telegrafom nije razumio Ohmov zakon, pa nisu predvidjeli prakticne probleme upotrebe istosmjerne jake struje. Uvidom u povijest telegrafa lako cemo shvatiti sto ih je zbunilo.

Tste godine, 1831., kad je Faradav izumio elektricni generator, Amerikanac Findlay Breeze Morse posjetio je Britaniju. Morse nije bio pravi inzenjer, nego poznati slikar, kipar i dobitnik zlatne medalje Drustva umjetnika u Londonu 1812. godine. Putovao je prekooceanskim brodom SS Sully preko Atlantika, posto je primio nagradu, kad je od jednog suputnika cuo za Faradayeve nove izume u elektrotehnici. Takoder je znao da zeljeznicke kompanije u Engleskoj trebaju bolji oblik slanja telegrafskih poruka i to mu je dalo novu ideju. Odlucio je osmisliti nacin slanja poruka strujom.

Morse je bio profesor Likovne umjetnosti na sveucilistu u New Yorku. Po povratku u Ameriku trosio je svaku slobodnu sekundu na smisljanje sustava slanja poruka zicom. To je postigao upotrebom kratkih i dugih impulsa struje. Na drugom kraju zice struja je ili trzala iglu ili aktivirala zvono. Poruka se sastojala od izmjene jednostavnog koda sastavljenog od kratkih impulsa (tocke) i dugih impulsa (nazvanih crtice). To je bio zgodan izum jer je poruka stizala naizgled istodobno kad je poslana. Ovaj telegrafski sustav imao je jedan nedostatak; ako su zice koje spajaju pocetnu i prijemnu stanicu dugacke vise od 20 milja (32 km) signal postaje slabo cujan. Ako se htio ukloniti ovaj problem, morali su stanice postaviti na razmak manji od 20 milja (32 km). Kad bi stigla poruka, telegrafist bi je biljezio i prosljedivao iducoj stanici. Kongres SAD-a dao je Morseu predujam od 30.000 dolara da postavi javni sustav prijenosa poruka i 24. svibnja 1844. Morse je poslao prvi javni telegram od drzave Washington do Baltimorea u Marylandu. Poruka je glasila: "Eto sto je Boije djelo."

Da je Edison mogao prenositi elektricnu struju na slicne udaljenosti, njegov sustav trebao bi puno manje elektrana i bio bi bolji. On, naime, nije shvatio da je struja koju hoce upotrijebiti previsoka da bi putovala tako daleko. Zica bas i ne voli da struja ide kroz nju, i pokusava zaustaviti elektrone koji njome prolaze. Prvo se zagrije, i ako pokusate povisiti struju ona se istopi. Ne mozete ju prisiliti da prenese vise struje nego joj je volja. Debela zica je tolerantnija i nosit ce vise struje, ali debele zice su skupe jer trebaju vise bakra. Svaki vodic ima najvisu, apsolutnu granicu opterecenja strujom koju prenosi.

Ohm je rekao da je "jakost struje koja putuje vodicem obrnuto proporcionalna otporu". To znaci da pritisak napona vise pada ako pustite jacu struju. Ako, pak, povecate struju mozete dobiti vecu voltazu na kraju zice, ali ce je ona istopiti i unistiti. Tu je "kvaka" kod slabe struje, kod koje se javlja manji pad napona na odredenom vodicu nego sto se to dogada kod jake struje. Medutim, za pokretanje aparata potrebno vam je nesto drugo - jaka struja. Kolicina svjetla koje dobijete od zarulje, ili kolicina rada koju obavi elektromotor, ovisi o kolicini struje koja ih napaja.

Zarulja treba dostatno napajanje ako hocemo da jako svijetli. Snaga je stvarna sposobnost obavljanja rada. Kod elektriciteta se mjere dvije stvari -    napon i jakost. Da se stvori elektricna energija potrebno je da se napon i struja pojave istodobno. Elektricno svjetlo bit ce sjajno jedino kada napon i struja djeluju uskladeno.

Sto je jaca struja, to ce zarulja sjajnije svijetliti, ali postoje razliciti nacini da jaku struju dovedemo do rasvjetnog tijela. Mozete kombinirati jak napon i slabu struju ili obrnuto. Snagu izvora elektricne struje ili njegov radni kapacitet izracunate tako da pomnozite napon i struju. Napon je sposobnost elektriciteta da putuje vodicem. Sto je veci napon to struja moze dalje putovati. Struja je broj pojedinih cestica elektriciteta (ove male stvari zovu se elektroni) koje ustvari obave posao na izlazu iz vodica.

Zato sto snaga struje jednako ovisi i o naponu i struji, ovo znaci da elektricitet  mora  imati  sposobnost  da  prolazi  vodicem  i  dovoljno elektrona da obavi posao kad dode  do svjetiljke. Sto je  dulja  zica, to je manje napona koji cemo moci upotrijebiti.  T  to  nije  cijela  prica.  Kad  bi bila,  onda  bismo   jednostavno  mogli  upotrijebiti  bilo   koju   duljinu   zice.

Visoki napon omogucit ce da struja prolazi vodicem, ali isto tako ljudskim tijelom. Ako covjek slucajno dode u dodir s visokim naponom, napon ce potjerati dovoljno struje da ga ubije. Zbog opasnosti po zivot odreduje se gornja granica visine napona za kucnu upotrebu. Vrlo je tesko zastititi ljude od previsokog napona (tj. tesko je dostatno izolirati vodice) Elektroni putuju zicom, sudaraju se s atomima zice i zagrijavaju je. Ova pojava usporava tok elektrona i smanjuje napon. U slucaju da je vodic koji ide od elektrane do vase kuce predug, on dovodi manje napona i vasa svjetla nece biti bas previse sjajna.

Zelimo li iskoristiti prednosti Ohmova zakona, struja koju proizvedemo mora biti jaka i niskonaponska (da izbjegnemo iskrenje i rastapanje vodica u mehanickom generatoru). Ona se dalje prenosi u obliku slabe struje s vrlo visokim naponom (da ne bi bilo toplinskih gubitaka u zicama i da mozemo upotrijebiti tanje vodice). Na kraju, mi koristimo niskonaponsku struju u kucama (da izbjegnemo pogibiju). U vrijeme kad je struja otkrivena, nije bilo moguce postici sve ovo.

Postoje dva tipa struje; istosmjerna (DC)* i izmjenicna struja (AC)*. Tstosmjerna struja je kontinuirani tip elektriciteta koji nikad ne mijenja smjer; izmjenicni se tip struje, koja stalno tece naprijed-nazad, uvijek mijenja i obrce svoj tok. Tzmjenicna struja koja ide iz uticnice mijenja smjer najmanje sto puta u sekundi. Napon izmjenicne struje moze se povecati ili smanjiti prolaskom kroz dvije zavojnice naprave koju zovemo transformator. Tstosmjernoj struji mozemo smanjiti napon, ali ga onda vise   ne   mozemo   povecati.   Prvi   elektromotori   koristili   su   samo * AC/DC - engleski akronim za alternating current/direct current istosmjernu struju zato sto su u 19. stoljecu razmisljali jednako kao Teslin karlovacki profesor. Mislili su da izmjenicna struja ne moze imati nikakvu uporabnu vrijednost - zato su je naprosto zaobilazili.

Naponi  koje  je  Edison  dobivao  kad  je  poceo  proizvoditi  struju  za kucanstvo bili su toliko niski da su svjetla bila previse slabasna da bi ista mogla osvjetljavati, ukoliko ste zivjeli vise od pola milje udaljenosti od elektrane. To je bila osnovna slabost istosmjerne struje za javnu upotrebu. Da bismo ovo bolje razumjeli, trebamo se sjetiti brane napunjene vodom, i ovog puta zamislimo njen zasun. Napon je poput sile koja tjera tok, a struja je protok vode kroz zasun. Ako iza brane nema vode, nista nece otjecati kroz otvoreni zasun. Ako je voda dosegla do vrha brane, cak ce i djelomicno otvaranje zasuna omoguciti snazno otjecanje.

Nakon sto otvorimo slavinu da mlaz vode dode u crijevo s kojim cemo oprati auto, tada trebamo dobar pritisak da mlaz snazno spere prljavstinu.

Ako su pritisak i mlaz preslabi, iz cijevi ne dobivamo dovoljno vode pa auto ne mozemo oprati kako treba. Preklopi li se cijev protok vode usporava se ili prestaje. U slucaju da se pritisak smanji jer voda curi kod slavine, necemo dobiti dovoljno jak mlaz da operemo auto.

Stvarna snaga pranja dolazi od    jacine  mlaza  i  pritiska. Elektricna energija se slicno ponasa. Kod visokog napona i puno struje imamo velike gubitke. Ako se napon gubi u prijenosnom vodicu, onda nema dovoljno pritiska na kraju zice koji bi osigurao radni kapacitet. Povecanjem napona mozemo smanjiti gubitke u vodicu i jos uvijek ga imati dovoljno na izlaznom kraju. Kada prenosite elektricnu energiju visokog napona i slabe struje postizete prijenos iste kolicine snage, ali s mnogo manjim gubicima pritiska na vodicu. Morate jedino znati kako smanjiti previsok napon prije nego struju pustite u kucu, da biste izbjegli da nekog ubije. Danas zice nacionalnog dalekovoda kojima putuje struja izmedu dvaju masivnih pilona, imaju napon od priblizno 11.000 volti. On se snizava na 240 volti prije nego stigne u nase domove.

Danasnjem je covjeku normalno da javni izvori struje osvjetljavaju nase kuce gdje god zivjeli, dok je prije to bilo pravo cudo.