Kolektivno, usmereno kretanje naelektrisanja se naziva električna struja.
Protok naelektrisanja kroz provodnik
Video čas
Električna struja se opisuje fizičkom veličinom: jačina električne struje, koja se obeležava latiničnim slovom: I dok je merna jedinica Amper (A).
Jačina električne struje se definiše kao količina naelektrisanja koja prođe kroz poprečni presek provodnika u jedinici vremena.
Kako se pozitivna naelektrisanja uvek kreću ka nižem potencijalu, raspodela potencijala u električnom kolu određuje smer električne struje u svakom delu električnog kola.
$$\ I=\frac{\Delta q}{\Delta t} $$
Da bi se naelektrisanja kretala u istom smeru, između tačaka između kojih se obavlja kretanje mora postojati stalna razlika potencijala – napon. Kako su pozitivna i negativna naelektrisanja u svakom telu manje – više ravnomerno raspoređena, da bi se ostvarila potencijalna razlika neophodno je prethodno izvršiti razdvajanje naelektrisanja.
Izvori električne struje
Do XVIII veka jedini način razdvajanja naelektrisanja je bilo trenje, bez ikakve upotrebne vrednosti. Kada skidate vuneni džemper preko glave čujete puckanje, električno pražnjenje između delova garderobe jer je trenjem došlo do razdvajanja naelektrisanja, koja se električnim pražnjenjem ponovo neutrališu.
1800. godine Alesandro Volta, italijanski fizičar je osmislio “Voltin elektrostatički stub” koji predstavlja preteču prve baterije. Volta je ploče bakra i cinka potopio u sumpornu kiselinu, gde je putem hemijske reakcije došlo do razdvajanja pozitivnih i negativnih naelektrisanja. Između pomenutih ploča je postojao napon od oko 1V i mogla je da protiče električna struja.
Rad izvršen na razdvajanju naelektrisanja naziva se elektromotorna sila i određuje se kao:
$$ \varepsilon =\frac{A}{q}$$
Jedinica elektromotorne sile je Volt [V], ista kao i jedinica za napon. Iako se u nazivu ove veličine krije reč “sila” uopšte se ne radi o sili i naziv veličine je dosta nesrećno odabran. U pitanju je rad koji neka spoljašnja sila izvrši da bi se određena količina naelektrisanja unutar baterije razdvojila na pozitivno i negativno naelektrisanje. Ukoliko su naelektrisanja trajno razdvojena, jedini način da se pozitivna i negativna naelektrisanja uravnoteže je da pokretna naelektrisanja (elektroni) prođu kroz spoljašnji deo električnog kola i stignu do pozitivnog pola baterije. Njihov prolazak kroz spoljašnji deo električnog kola čini električnu struju.
Danas je poznato nekoliko osnovnih principa za razdvajanje naelektrisanja i stvaranje uslova za protok električne struje. Hemijski principi su daleko unapređeni i koriste se za proizvodnju baterija i akumulatora. Osim hemijskog principa, u komercijalne svrhe se danas najviše koristi princip elektromagnetne indukcije za proizvodnju električne energije u električnim centralama (hidro, termo, nuklearna). Noviji postupci za razdvajanje naelektrisanja se baziraju na fotonaponskim ćelijama koje se koriste za proizvodnju solarnih panela – pretvaraju svetlosnu energiju sunca u električnu energiju.
Ukoliko izvor naelektrisanja obezbeđuje napon koji tokom vremena ne menja polaritet (“+” i “-” ne menjaju mesta), kroz električno kolo protiče jednosmerna struja. U tom slučaju se jačina električne struje obeležava velikim slovom I. Jednosmerna struja protiče kroz celokupnu zapreminu provodnika. Hemijski izvori (baterije) i fotonaponske ćelije daju isključivo jednosmernu struju, koja predstavlja stabilne izvore napajanja za mnoge elektronske aparate, ali je sa druge strane nepraktična za transport na veće udaljenosti.
Naizmenična struja
Naizmenična struja nastaje kada tokom vremena dolazi do promene polariteta na izvoru napajanja. Ovakvu vrstu struje proizvode generatori naizmenične struje, koji rade na principu elektromagnetne indukcije. Naizmenična struja ne prolazi kroz celokupnu zapreminu provodnika ravnomerno, već se uglavnom prenosi preko površine (skin efekat). Da bi se koristila kao izvor napajanja mnogih električnih i elektronskih aparata, naizmenična struja se mora “ispraviti” i transformisati u jednosmernu struju. Ovaj postupak komplikuje upotrebu naizmenične struje. Sa druge strane, naizmenična struje se može prenositi na veliku daljinu uz daleko manje gubitke, nego jednosmerna struja.
Broj promena smera struje u toku jedne sekunde se naziva frekvencija. Naizmenična struja koja se koristi u domaćinstvu i industriji u Evropi (i kod nas) ima frekvenciju 50 Hz (herca), dok se u SAD koristi naizmenična struja frekvencije 60 Hz.
Trenutna vrednost naizmenične struje se obeležava malim latiničnim slovom i a jedinica je takođe Amper A. Upotreba termina “trenutna vrednost” sugeriše da se vrednost električne struje tokom vremena menja. Jačina naizmenične struje menja se po sinusnom zakonu i za svaki trenutak njena vrednost se može izračunati korišćnjem izraza:
$$i=I_{0} \sin\left(\omega t\right)$$
Io je maksimalna vrednost koju naizmenična struja dostiže tokom vremena, dok je $\omega$ kružna učestanost naizmenične struje, koja se lako može izračunati ako se zna frekvencija naizmenične struje: $\omega =2\pi \nu$. Zamenom t u formulu za trenutnu vrednost struje, uz poznavanje njene maksimalne vrednosti i učestanosti, lako možemo izračunati vrednost jačine električne struje za dati trenutak.
Efektivne vrednosti naizmenične struje
U mnogim situacijama nam je od veće važnosti podatak koliki rad će izvršiti naizmenična struja od, na primer, njene trenutne vrednosti. Zbog toga se definiše efektivna vrednost električne struje, odnosno vrednost koja je jednaka jednosmernoj struji koja bi pod istim uslovima ostvarili isti rad.
$$\ I_{ef} =\frac{I_{0}}{\sqrt{2} } \approx 0,707\cdot I_{0}$$
Naizmenična struja jačine i=1A oslobodiće na nekom grejaču istu količinu toplote kao i jednosmerna struja jačine I=0,707A, te kažemo da je efektivna vrednost ove naizmenične struje Ief=0,707A
Na isti način se definiše i efektivna vrednost napona naizmenične struje.
$$\ U_{ef} =\frac{U_{0}}{\sqrt{2} } \approx 0,707\cdot U_{0}$$
Vrednost gradskog mrežnog napona od 230V je ustvari efektivna vrednost, dok se maksimalna vrednost može izračunati korišćenjem prethodne formule.
U0 je maksimalna vrednosti koju doseže naizmenični napon