Elektricitet

Elektricitet ili električnost (od gr. ηλεκτρον elektron - ćilibar/jantar) je skup fizičkih pojava povezanih sa prisustvom i kretanjem materije koja ima svojstvo naelektrisanja, odnosno viška električki nabijenih čestica. Količina elektriciteta naziva se električni naboj.

Naelektrisanje je jedno od osnovnih svojstava elementarnih čestica. Naelektrisanje u mirovanju naziva se statičko naelektrisanje, a vezane pojave opisuje grana fizike koja se naziva elektrostatika. Naelektrisanje u kretanju naziva se električnom strujom, a vezane pojave opisuje elektrodinamika. Prisustvo elektriciteta zapaža se posredstvom elektromagnetskog polja koje nastaje oko naelektrisanja. Ako naelektrisanje miruje postoji samo električno polje. Naelektrisanje u pokretu stvara i magnetsku komponentu elektromagnetskog polja.

U atomu je pozitivno naelektrisanje jezgra jednako negativnomu naelektrisanju elektrona, pa se dejstvo tih naelektrisanja prema vani međusobno neutrališe. Tek kada se u nekom telu odvoji deo elektrona od atoma, dolaze do izražaja privlačne sile koje nastoje da vrate elektrone na ona mesta u atomu na kojima su se nalazili. Usled delovanja tih sila dolazi do kretanja naelektrisanih čestica ili električne struje. Odvajanje elektrona od pripadajućih atomskih jezgara čini osnov proizvodnje električne energije. U galvanskim elementima i akumulatorima razdvajanje elektriciteta izvode hemijske sile. Za proizvodnju velike količine električne energije služe električni generatori.

Elektricitet se s jednoga tela može prenositi na drugo. Elektroni lako prolaze kroz dobre provodnike (na primer metale), a teško kroz izolatore (na primer plastika i porcelan). Ako se provodnik stavi blizu naelektrisanog tela, ono će, prema vrsti svog naelektrisanja, elektrone provodnika ili privući ili odbiti. Taj način razdvajanja elektriciteta u provodniku naziva se influencija.

Električni fenomeni su izučavani od antičkih vremena, bez većeg teoretskog razumevanja do 18. veka. Čak i tad, bilo je veoma malo praktičnih primena elektriciteta, i tek u 19. veku je struja primenjena u industriji i svakodnevnom životu. Brza ekspanzija elektrotehnike je transformisala industriju i društvo. Izuzetna svestranost električne energije značila je da se mogao stvoriti gotovo neograničeno veliki skup primena koje obuhvataju transport, grejanje, rasvetu, komunikacije i računanje. Električna energija je danas osnova modernog industrijskog društva.

Istorija

Antika 

Dugo pre nego što je bilo kakvo poznavanje elektriciteta postojalo, ljudi su bili svesni šoka od električne ribe. Stari Egipatski tekstovi iz 2.750 p. n. e. navode te ribe kao „Nilske gromovnike“, i opisuju ih kao „zaštitnike“ drugih riba. Električne ribe su opisane i nakon jednog milenijum u zapisima drevnih Grka, Rimljana i arapskih prirodnjaka i lekara. Nekoliko antičkih pisaca, kao što su Plinije Stariji i Skribonije Larg, potvrdili su utrnjujuće dejstvo električnih šokova koje mogu da proizvedu električni som i električna raža, i bilo je poznato da takvi šokovi mogu da putuju duž provodećeg objekta. Pacijentima obolelim od bolesti kao što su giht ili glavobolja se savetovalo da dodirnu električnu ribu u nadi da će ih možda moćni udarac izlečiti. Verovatno najraniji pristup otkrivanju identiteta munje i elektriciteta dolazi iz jednog izvora, koji se pripisuje Arapima, koji su imali Arapsku reč za munju ra‘ad () koja označava električnu ražu.

Još u antičko vreme zapažena je pojava da ćilibar, kada se trlja krznom, dobiva svojstvo privlačenja lakih predmeta (perje, dlake, papirići). To je bilo poznato starim mediteranskim narodima. Filozof Tales iz Mileta je, oko 600 god. p. n. e. izveo niz eksperimenata u kojima je dolazilo do pojave statičkog elektriciteta, i na osnovu njih je zaključio da trenje daje ćilibaru magnetska svojstva, što je bilo u suprotnosti sa mineralima, npr. magnetitom, kojima nije bilo potrebno trenje da bi privlačili predmete. Tales je pogrešio u pretpostavci da protrljan ćilibar ima magnetska svojstva, ali će kasnija nauka dokazati vezu između magnetizma i elektriciteta.

Postoje tvrdnje da su još Persijanci znali za galvanizaciju (prevlačenje materijala metalom električnim putem). Naime, 1936. godine u blizini Bagdada pronađena je Bagdadska baterija, koja liči na galvansku ćeliju. Pretpostavka još uvek nije dokazana, ni opovrgnuta, da je ova ćelija imala električna svojstva i da je korišćena za prevlačenje srebrnih objekata zlatom.

Novi vek 

Engleski lekar i fizičar Vilijam Gilbert je 1600. godine u svom delu De Magnete prvi izložio razliku između elektriciteta i magnetizma. On je koristio ćilibarsku šipku (gr. ηλεκτρον elektron – ćilibar) protrljanu krznom, i iskovao pridev electricus da označi svojstvo nekih predmeta da privlače druge, nakon trljanja krznom. Tela s opisanim svojstvima nazvao je električna tela (lat. corpora electrica). Moderna istraživanja elektriciteta nastavili su Oto fon Gerike, Robert Bojl, Stiven Graj i C. F. du Fej. U tadašnjoj terminologiji, električnim telima su nazivani izolatori, poput stakla i voska, dok su neelektričnim telima nazivani provodnici, poput metala, vode i vlažnih tela, jer na njima se "slabo ili nimalo elektriciteta ne poznaje".

Bendžamin Frenklin je dosta intenzivno izučavao elektricitet. Najpoznatiji je po svom ogledu sa letećim zmajem iz 1752. godine, kada je dokazao da munja ima električnu prirodu. On je zakačio zmaja za ovlažen kanap, na čijem je drugom kraju bio zavezan metalan ključ. Pustio je zmaja da leti visoko, baš u vreme kada je bila grmljavina. Iz ključa su počele da iskaču varnice, što je bio dokaz se zmaj naelektrisao pod uticajem oblaka. On je takođe zaslužan za otkriće gromobrana, jer je otkrio da visoke šipke sa oštrim vrhovima mogu da sprovedu struju iz groma u zemlju.

Pojedini naučnici iz 18. veka su slutili da električna sila, poput gravitacione, se smanjuje sa distancom (tj., da je obrnuto srazmerna kvadratu rastojanja) uključujući Danijela Bernulija i Alesandra Volta. Obojica su merila silu između ploče kondenzatora, a Franc Epinus koji je objavio inverzno-kvadratni zakon u 1758. godini. Na osnovu eksperimenata na naelektrisanim sferama, Džozef Pristli u Engleskoj bio je među prvima koji predlaže da električna snaga prati inverzno-kvadratni zakon, sličan Njutnovom zakonu univerzalne gravitacije. Međutim, on nije generalizovao ili razradio ovo. U 1767. godini, on je pretpostavio da sila između dva naboja varira kao obrnutom kvadratu rastojanja. U 1769, škotski fizičar Džon Robison je objavio da, prema njegovim merenjima, sila odbijanja između dve sfere sa istim znakom varira kao x -2.06. Početkom 1770-ih godina, zavisnost sile između naelektrisanih tela na obe distance i punjenja već je bilo otkriveno, ali nije objavljeno, po Henriju Kevendišu iz Engleske.

Konačno, 1785. godine, francuski fizičar Šarl-Ogisten de Kulon je objavio svoja prva tri izveštaja o elektricitetu i magnetizmu, gde je izneo svoj zakon. Ova publikacija je od suštinskog značaja za razvoj teorije elektromagnetizma. On je koristio torzionu vagu za proučavanje odbojne i privlačne sile naelektrisanih čestica, i utvrdio da je veličina električne sile između dve ključne tačke punjenja direktno proporcionalna proizvodu naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu rastojanja između njih.

1791. godine Luiđi Galvani otkrio pojavu bioelektriciteta, pokazujući da je elektricitet medijum kojim neuroni prenose signale do mišića, odnosno način kako nervi izazivaju grčenje mišića. Alesandro Volta je 1800. godine izumeo bateriju, Voltin stup, koja je postala najpouzdaniji izvor energije. Voltina baterija, napravljena od naizmeničnih slojeva cinka i bakra, je pružila naučnicima pouzdaniji izvor električne energije od elektrostatičkih mašina koje su ranije korištene. Vezu između električnog i magnetskog polja, odnosno preponavanje elektromagnetizma kao jedinstvenog električnog i magnetnog fenomena, otkrili su Hans Kristijan Ersted i Andre-Mari Amper tokom 1819–1820. 1821. godine Majkl Faradej je otkrio elektromagnetnu indukciju i izumeo električni motor. Georg Om je matematički analirao električno kolo 1827. godine. Sredinom 19. veka, elektricitet je upotrebljavan kao lek različitih bolesti, npr. kostobolje, reumatičnih bolova, itd.

Elektricitet i magnetizam (i svetlost) su definitivno povezani doprinosom Džejmsa Klerka Maksvela, a posebno njegovim radom „On Physical Lines of Force“ iz 1861. i 1862. Pred kraj 19. veka elektricitet je ušao u industrijsku i kućnu upotrebu. Tokom ovog perioda se desila velika ekspanzija industrije i mnogih tehnologija koje su se zasnivale na elektricitetu. Raznovrsna svojstva elektriciteta kao oblika energije omogućavaju veoma široku upotrebu u saobraćaju, fabrikama, grejanju, osvetljavanju, komunikacijama i računarstvu.

U 20. veku je ostvaren ogroman napredak i u elektroinženjerstvu, za šta su zaslužni, pre svih Nikola Tesla, ali i Tomas Edison, Džordž Vestinghaus, Aleksandar Grejem Bel, Ernst fon Simens, Lord Kelvin. Elektricitet je prešao put od male naučne zanimljivosti do esencijalne alatke moderne industrije, i prouzrokovao je drugu industrijsku revoluciju.

Koncepti

Naelektrisanje 

Naelektrisanje ili električni naboj je osnovno svojstvo subatomskih čestica, kojim se odlikuju elektromagnetne interakcije. Naelektrisana tvar stvara elektromagnetno polje. Naelektrisanje je uzrok, a takođe podleže dejstvu elektromagnetnih polja. Međudejstvo naelektrisanja i polja je uzrok elektromagnetne sile koja predstavlja jednu od četiri osnovne sile u prirodi.

Postoje dve vrste naelektrisanja, pozitivno i negativno, a obeležavaju se znacima plus (+) i minus (-). Različita naelektrisanja se privlače, a ista odbijaju.

Naelektrisanje se nekada smatralo neprekidnom i beskonačno deljivom osobinom. Danas je poznato da postoji najmanja količina naelektrisanja. Ona se vezuje za elementarno naelektrisanje elektrona. Svako naelektrisano telo u prirodi ima višak ili manjak elektrona. Stoga se kaže da je količina naelektrisanja konačan skup elementarnih količina elektriciteta.

Statički elektricitet 

Statički elektricitet je vrsta elektriciteta koji, za razliku od električne struje, miruje. Statičko naelektrisanje se u većini slučajeva stvara dodirom i odvajanjem dva materijala. Razlog nastanka nalazi se u nejednakoj razmeri, odnosno neravnoteži elektrona među materijalima koji se dodiruju. Skoro svaki predmet može biti neka vrsta sakupljača statičkog elektriciteta. U svakodnevnom životu to su najčešće sintetička odeća, tepisi, zavese, nameštaj obložen plastikom, kućni aparati i drugi električni uređaji. Nekad je reč o struji koja ostaje zarobljena u nekom izolacionom telu, čak i kada se ukloni izvor napajanja.

Statički elektricitet se najčešće prazni sporo tokom vremena, ali se u nekim slučajevima prazni odjednom. Na primer, dok hodamo, stopala se taru o tepih i telo sakuplja statički elektricitet. Kad dodirnemo metalni predmet, npr. kvaku ili slavinu, statički elektricitet će se brzo isprazniti iz tela, pri čemu ćemo osetiti slab udar struje. Munja je najpoznati oblika naglog pražnjenja statičkog elektriciteta u prirodi. Pri elektrostatičkom pražnjenju javljaju se vrlo visoki naponi, uz ekstremno slabe struje. Češljajući kosu po veoma suvom vremenu, stvaramo nekoliko desetina hiljada volti statičkog elektriciteta, ali je jačina struje praktično zanemarljiva. Slaba struja sprečava da nas statičko pražnjenje povredi, pa osećamo samo neprijatno peckanje.

Električna struja 

Električna struja (strujanje elektriciteta) je usmereno kretanje naelektrisanih čestica, najčešće elektrona, usled napona. Struja može biti: 
 jednosmerna (DC): elektroni se kroz žicu ili električno kolo kreću u jednom smeru.
 naizmenična (AC): elektroni se kreću u jednom pa u drugom smeru, u ciklusu koji se neprestano ponavlja.

Električna struja se može obrazovati u čvrstim, tečnim i gasovitim sredinama, ali i vakuumu. Nosioci naelektrisanja u metalima su slobodni elektroni, u elektrolitima negativni i pozitivni joni, u gasovima joni i elektroni, a u poluprovodnicima elektroni i šupljine. Bez napona, gibanje elektrona je haotično, odnosno svaki smer je jednako moguć. Ako u kolu postoji razlika potencijala, tj. napon, elektroni dobijaju zajedničku komponentu brzine kretanja prema pozitivnom polu (driftna brzina). Kad god se elektroni kreću kroz neku sredinu, proizvode toplotu. Električna struja može proizvoditi rad, tj. električna energija se može pretvoriti u drugu energiju, na primjer, toplotnu, svjetlosnu ili mehaničku. Svako strujanje elektriciteta stvara magnetsko polje, što je predmet proučavanja elektromagnetizma.

Jačina električne struje je količina naelektrisanja koja teče kroz provodnik u jedinici vremena. Merna jedinica je amper, zbog toga se jačina struje naziva i amperaža.

Električno polje 

Električno polje je prostor u kojem električni naboj djeluje na drugo električno tijelo. Električki nabijena tijela okružena su električnim poljem. Teorijski se to polje prostire u beskonačnost, a praktički je ono vrlo maleno. Smjer u kojem djeluje električna sila pokazuju električne silnice. Veličina koja opisuje jakost djelovanja električnoga polja na električne naboje naziva se jačina električnoga polja. To je vektorska veličina kojoj je iznos jednak sili F proizvedenoj na pozitivni jedinični naboj Q, a njezin se smjer podudara sa smjerom sile.

Nasuprot teoriji međusobnoga djelovanja električnih naboja na udaljenosti (Coulombov zakon), M. Faraday je uvođenjem pojma električnoga polja postavio novu teoriju djelovanja u blizini. Električno polje može se predočiti električnim silnicama: krivuljama kojima tangente u svakoj točki krivulje pokazuju smjer jakosti polja; gustoća je silnica na svakome mjestu razmjerna iznosu jakosti polja. Električne silnice u elektrostatskome polju izlaze iz pozitivno nabijenih tijela, a poniru na negativno nabijena tijela. U elektrostatskim prilikama unutar vodljivoga (na primjer metalnog) tijela nema električnoga polja, a naboji se zadržavaju samo na njegovoj površini, gdje miruju. Kada električni naboji miruju ili se gibaju jednolikom brzinom, električno se polje promatra zasebno i neovisno o magnetnom polju. No ako se električno i magnetsko polje mijenjaju, onda se moraju promatrati zajedno kao elektromagnetsko polje. Klasičnu teoriju elektromagnetskih polja postavio je J. C. Maxwell.

Električni potencijal 

Električni potencijal je sposobnost električnog polja da izvrši neki rad, odnosno fizička veličina koja opisuje potencijalnu energiju električki nabijene čestice u statičkom električnom polju. Električni se potencijal ne može neposredno mjeriti, već se mjeri razlika potencijala između dviju točaka nekog sustava, koja je u statičkom slučaju jednaka električnom naponu.

Potencijalna energija električki nabijenog tijela u električnom polju naziva se elektrostatska energija. Za svako tijelo koje se nalazi u nekom električnom stanju svojstven je njegov potencijal. Električni potencijal je stupanj električnog stanja nekog tijela. Odnosno, električni potencijal u nekoj točki električnog polja jednak je radu koji je potreban da se pozitivna jedinica količine elektriciteta dovede iz beskonačnosti u tu točku polja.

Elektromagnet 

Elektromagnet je magnet kod koga je potrebno napajanje električnom strujom da bi se održalo sopstveno magnetno polje. To je jednostavna naprava koja se sastoji od namotaja električki provodne žice oko feromagnetskog jezgra. Obično se koristi kao dio releja, solenoida, elektromotora i drugih naprava. Za razliku od trajnoga magneta, elektromagnet je privremeni magnet jer prestankom toka struje nestaje i magnetsko polje. Kao i trajni magnet, elektromagnet privlači željezne predmete koji se nalaze u njegovoj blizini, a jednako tako ima najmanje dva magnetska pola.

Najjednostavniji je elektromagnet električna zavojnica kroz koju može teći električna struja. Što je u zavojnici više zavoja, to je jače magnetsko polje uz jednaku električnu struju, a ono se silno poveća ako se u unutrašnjost zavojnice umetne jezgra od željeza ili čelika velike permeabilnosti. Najčešća primjena elektromagneta je u sklopnim aparatima, elektromagnetskim slušalicama i mikrofonima, mjernim električnim instrumentima i drugo. Vrlo je važna primjena elektromagneta za stvaranje jakih magnetskih polja potrebnih za elektromehaničku pretvorbu energije u električnim generatorima i električnim motorima. Vrlo jaka magnetska polja, potrebna za rad sa složenim instrumentima u laboratorijskim uvjetima (maseni spektrometar, akcelerator čestica i drugo), mogu se ostvariti samo primjenom snažnih elektromagneta.

Elektrokemija 

Elektrohemija je jedna od grana kemije. Proučava kemijske reakcije koje se događaju između električnog vodiča (metalne, poluprovodničke ili grafitne elektrode) i ionskog vodiča (elektrolita) prilikom kojih dolazi do prijenosa elektrona između elektrode i elektrolita. Ako je neka kemijska reakcija izazvana vanjskim naponom, kao u slučaju elektrolize ili ako napon nastaje kao posljedica kemijske reakcije, kao u baterijama, ta reakcija naziva se elektrokemijskom reakcijom. Elektrokemijske reakcije krutih i tekućih tvari odvijaju se prostorno odvojene jedna od druge.

Elektrokemija je od 19. stoljeća na dalje, dobila veliku praktičnu primjenu u mnogim područjima poput prijevoza, telekomunikacija, astronautike i dr. Kemijske reakcije u kojima dolazi do prijenosa elektrona između atoma zovu se oksidacijsko-redukcijske ili redoks reakcije. Elektrokemija proučava situacije u kojima su reakcije oksidacije i redukcije prostorno odvojene, pri čemu se protok elektrona ostvaruje kroz vanjski strujni krug.

Piezoelektricitet 

Piezoelektrični efekt (grč. piezo - gurati) je pojava stvaranja električnog naboja na površini posebno odrezanog kristala (čvrsti dielektrik - izolator) koji je elastično deformiran spoljnom silom. Jedna strana (površina) tog kristala nabiće se negativno, a druga pozitivno. Dakle, kristal postaje električni polarizovan. Polarizacija kristala je najveća kada je naprezanje usmereno u pravcu piezoelektrične ose kristala. Promenom smera deformacije (pritisak - istezanje) dolazi do polarizacije obrnutog smera. Piezoelektrični efekt otkrili su 1890. Žak i Pjer Kiri. Koristi se u senzorima pritiska. Najznačajniji piezoelektrični materijali su kvarc ( SiO2), Segnetova so, turmalin, topaz, kost, svila, drvo, te veštački materijali poput raznih vrsta keramike, plastike i kristala, a u novije vreme PZT keramike. Iako je dugo nakon otkrića bio samo zanimljiv laboratorijski efekt, s vremenom je pronašao primenu u brojnim uređajima. Prisutan je i obrnuti efekt: mehanička deformacija materijala kada je na njega primenjen električni napon.

Električno kolo 

Električno kolo je skup predmeta i sredina koji obrazuju zatvoren put električne struje. Sastoji se od izvora struje, provodnika, potrošača i ostalih delova koji su međusobno spojeni i kroz koje teče struja. Izvori električne energije u kolu su takozvani aktivni elementi kola, a ostali su elementi pasivni.

Ukoliko kroz sve elemente nekog kola protiče ista struja takvo kolo se naziva prosto kolo. Za razliku od prostog, kroz složeno kolo protiče više različitih struja. Svaki deo složenog kola, kroz koji protiče jedna struja naziva se grana. Proticanje električne struje električnim strujnim kolom uvek je praćeno pojavom magnetnog i električnog polja oko provodnika. Elektromagnetna energija u električnom strujnom krugu pretvara se u toplotu. Koliko će se toplote stvoriti u nekom provodniku zavisi od njegovog električnog otpora, koji utiče na jačinu električne struje u kolu.

U električnom krugu kojim teče naizmenična struja, uticaj magnetskog i električnog polja na vrednosti napona i struje izražava se induktivnošću i kapacitetom, koji su parametri električnog strujnog kola. Električno strujno kolo prikazuje se pomoću električne sheme.

Električna snaga 

Električna snaga je brzina promjene električne energije s vremenom, odnosno stopa po kojoj se električna energija prenosi kroz električno kolo. Snaga odgovara uloženom radu elektri­čne struje koja protiče kroz neku električnu komponentu. Na primer, kada se na sijalicu primeni napon a struja poteče kroz vlakno sija­lice, uloženi rad se pretvara u zagrevanje vlakna. U tom primeru, snaga se može izračunati množenjem vrednosti napona s jačinom električne struje koja protiče kroz vlakno. Što veći napon i struja, veća i snaga.

Mjerna jedinica električne snage je vat (W), umnožak volta (V) i ampera (A). Termin vataža se koristi kolokvijalno za električnu snagu u vatima.

Elektromagnetsko zračenje 

Elektromagnetno zračenje označava valove (ili fotone) elektromagnetnog polja, koji se šire prostorom noseći elektromagnetnu energiju zračenja. Elektromagnetni val je sinhronizovano titranje električnog i magnetnog polja, koje se kroz prazan prostor širi brzinom svetlosti.

Na osnovu valne dužine u spektru zračenja razlikujemo radio-talase, infracrvene zrake, vidljivu svetlost, rendgentske zrake i gama zrake. Elektromagnetno zračenje može se interpretirati dvojako, kao val ili čestica. Čestice koje kvantifikuju elektromagnetno zračenje su fotoni. Elektromagnetno polje nastaje usled promene brzine kretanja naelektrisanja. Nastanak električnog i magnetnog polja i njihovu povezanost objašnjavaju Maxwellove jednačine. Elektromagnetno zračenje nosilac je elektromagnetne sile.

Literatura 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Benjamin, P. (1898). A history of electricity (The intellectual rise in electricity) from antiquity to the days of Benjamin Franklin. New York: J. Wiley & Sons.

Izvori

Vidi još 
 Naelektrisanje
 Atmosferski elektricitet
 Statički elektricitet
 Električna struja

Spoljašnje veze 

 Basic Concepts of Electricity chapter from Lessons In Electric Circuits Vol 1 DC book and series.
 "One-Hundred Years of Electricity", May 1931, Popular Mechanics
 Illustrated view of how an American home's electrical system works

 
Energija
Elektrotehnika
Klimatologija
Atmosfera