Mnogi zapisi o elektricitetu i osnovama elektrotehnike počinju dvema pričama iz antičke Grčke. Prva je o pastiru iz Magnezije koji je primetio da gvozdeni vrh njegovog štapa privlači male komade jedne vrste kamena, a druga o osobini ćilibara (na grčkom elektron) da, kada se protrlja komadom krzna, privlači komadiće drveta, tkanine i slično. Mnogo vekova kasnije iz reči magnezijski kamen i elektron iskovane su reči magnet, magnetizam, elektricitet, elektrotehnika, elektronika…
Iz antičkih vremena potiču i priče o gromu kao oružju u rukama bogova, Zevsa kod Grka, Jupitera kod Rimljana, Peruna kod Slovena… I kasnije, u doba hrišćanstva, grom je ostao u rukama stanovnika neba kojim su oni kažnjavali grešnike na zemlji. Kod nas Srba, to je bio Sv. Ilija Gromovnik. I tako je bilo sve do polovine osamnaestog veka kada je Bendžamin Frenklin dokazao da je grom obična, ali vrlo velika električna varnica koja skače između različito naelektrisanih oblaka ili oblaka i zemlje.
Istorija savremene elektrotehnike i njenih najvažnijih grana, energetike, elektronike, telekomunikacija i računarske tehnike, počela je 1800. godine, kada je napravljen prvi elektrohemijski izvor jednosmerne struje. Iz eksperimenata i teorijskih radova sa električnom strujom, u početku samo jednosmernom, a kasnije i naizmeničnom, nastali su telegraf, električno osvetljenje, telefon, radio, televizija, računari, internet, mobilni telefoni itd. Sve ove stvari su u svoje vreme predstavljale senzaciju i teško je reći koja je od njih imala najveći značaj i uticaj na ljude i svet oko njih. Ipak, izdvajaju se električno osvetljenje, koje je ljudima produžilo dan, i telekomunikacije, naročito Internet, koje su ih povezale sa drugim ljudima širom Zemlje.
Pogledajte dve slike Evrope osvetljene milijardama sijalica i prekrivene milionima kilometara Mreže.
Kada uključimo sijalicu ili neki drugi prijemnik, trošimo električnu energiju. Ona je proizvedena u termoelektrani koja koristi ugalj, ili u hidroelektrani na nekoj reci ili u nuklearnoj elektrani. U tim slučajevima, ugalj, voda u pokretu i nuklearno gorivo su izvori električne energije. Pored ovih, postoje i drugi izvori energije kao što su: nafta, gas, etanol, biodizel itd.
IZVORI ELEKTRIČE ENERGIJE
Izvori energije mogu da se svrstaju u dve grupe:
· neobnovljivi izvori
· obnovljivi izvori
Neobnovljivi izvori energije ne mogu da se obnove kada se potroše. To su: ugalj, nafta, prirodni gas, uranijum i sl.
Obnovljivi izvori se obnavljaju i u njih se ubrajaju vodotokovi, vetar, biomasa i geotermalni izvori.
Za savremenog čoveka, najznačajnija vrsta energije je električna energija. Početak njene masovne proizvodnje, prenosa i primene omogućili su pronalasci Nikole Tesle u poslednjih desetak godina devetnaestog veka. Pre toga, za osvetljenje su korišćene sveće i petrolejske lampe, hrana je pripremana na štednjacima loženim drvetom i ugljem, jedina sredstva izveštavanja su bile novine, vesti iz sveta stizale su brodovima, nije bilo telefona, radija, televizije, računara…
Prvi korak u razvaju elektroenergetike učinio je 1771. godine Bendžamin Franklin dokazom da je munja električna pojava.
HEMIJSKI IZVORI
Koristeći Galvanijev eksperiment sa žabljim kracima okačenim o bakarnu žicu, Aleksandro Volta konstruisao je prvi izvor jednosmerne električne struje.
Voltina baterija se sastoji od osam ćelija. Ćelija ima dve metalne elektrode. Jedna je od cinka i druga od bakra. Između njih je karton natopljen slanom vodom, koja ima ulogu elektrolita. Napon Voltine ćelije je 1,5 V, pa je napon baterije (stuba od osam ćelija) U = 8 x 1,5 V = 12 V.
Kasnije su konstruisane drugačije, znatno efikasnije baterije, ali je princip rada ostao isti: sve se one sastoje od dve elektrode između kojih se nalazi elektrolit.
Najpoznatija i najduže u upotrebi je Leklanšeova baterija koja je konstruisana još 1860. godine. Napon Leklanšeove ćelije je oko 1,5 V.
Potražnja baterija je veoma porasla sredinom prošlog veka sa pojavom tranzistorskih prenosnih uređaja. Mobilni telefoni, prenosni MR3 plejeri, prenosni računari-laptopovi i drugi uređaji sa baterijskim napajanjem zahtevali su nove vrste baterija koje mogu da se pune.
Najznačajnije od tih novih baterija su Li-Ion, litijum-jonske, baterije. Njihove najvažnije prednosti u odnosu na druge vrste baterija su mala težina i kratko vreme punjenja, što je od izuzetne važnosti za uređaje koji ih koriste.
Olovni akumulator1, je izrađen skoro u isto vreme kada i Leklanšeova baterija. I on predstavlja prvu bateriju koja, kada se isprazni, može ponovo da se napuni. Ime je dobio po tome što je negativna elektroda izrađena od olova, a pozitivna od olovnog oksida. Elektrolit je vodeni rastvor sumporne kiseline. Bitna razlika između akumulatora i obične baterije je u tome što on ima mnogo veći kapacitet i može da proizvede struju veće jačine-više stotina ampera. Koristi se za startovanje SUS motora automobila i drugih vozila. U poslednje vreme koristi se za pokretanje elektromotora elektromobila. Tokom rada motora, akumulator se dopunjava strujom koju stvara alternator. Napon jedne ćelije olovnog akumulatora je oko 2 V, pa se potrebnih 12 V, ostvaruje rednim vezivanjem šest ćelija.
MEHANIČKI IZVORI
Pored baterije i akumulatora kao hemijskih izvora električne energije, postoje mehaniki izvori-generatori. Princip rada generatora zasniva se na pojavi elektromagnetske indukcije koju je oko 1830. godine otkrio engleski fizičar Majkl Faradej. Faradej je tragao za rešenjem proizvodnje električne energije koristeći stalni (permanentni) magnet.
Permanentni magnet obrazuje stalno magnetsko polje između severnog (N) i južnog (S) pola. Svojstvo permanetnog magneta je da trajno privlači feromagnetne predmete. Raznoimeni polovi međusobno se privlače, dok se istoimeni odbijaju.
Čuveni francuski fizičar Andre Amper 1822. godine otkrio je da se oko provodnika kroz koji teče struja obrazuje magnetsko polje. Tu pojavu iskoristio je za izradu elektromagneta. Jačina magnetskog polja elektromagneta zavisi od jačine struje i broja navojaka elektromagneta.
Elektromagnet je kasnije iskorišćen kod izrade velikog broja mašina, aparata i uređaja. Na primeru električnog zvona, objasnićemo princip rada elektromagneta.
Pritiskom na taster prekidač,zatvara se strujno kolo elektromagneta. Struja koja teče kroz namotaje elektromagneta izaziva magnetsko polje. Elektromagnet privlači kotvu koja batom udara u zvono. Privučena kotva prekida strujno kolo na kontaktu usled čega dolazi do prestanka dejstva magnetskog polja. Otpuštena kotva vraća se u prvobitan položaj, zatvara strujno kolo, elektromagnet je privlači i bat ponovo udara u zvono.
Na slici ispod prikazan je model diska koji je Faradej koristio pri izvođenju svojih eksperimenata. Okretanjem diska u delu koji se nalazi između polova magneta, obeleženo isprekidanom linijom-indukuje se napon. On postoji između centra diska i tačke u kojoj elastična bakarna traka (četkica) dodiruje disk.
Ako umesto diska u magnetnom polju pomeramo provodnik, na njegovim krajevima indukovaće se napon. Od smera kretanja provodnika zavisi i smer napona, što se lako uočava na skali voltmetra, priključenog za krajeve provodnika.
GENERATORI
Do indukcije napona doći će i pri obrtanju pravougaono savijenog provodnika u magnetnom polju.
Kada je provodnik pod pravim uglom u odnosu na magnetsko polje-napon je nula. Maksimalan napon nastaje kade se provodnik približi polovima magneta, što se vidi na grafikonu.
Promena položaja provodnika u odnosu na polove magneta izaziva promenu smera napona. Krajevi provodnika vezani su za dva međusobno izolovana prstenova na koje naležu dirke (četkice). Preko dirki se zatvara strujno kolo sijalice. Pri potrebnom broju obrtaja provodnika-sijalica će da zasvetli, zbog protoka struje kroz nju. Model na levo predstavlja principijelno rešenje za konstrukciju generatora naizmeničnog napona, odnosno naizmenične struje.
Za ispravljanje naizmenične struje u jednosmernu, prstenovi se zamenjuju sa poluprstenovima. Početak namotaja vezuje se za jedan poluprsten, a kraj za drugi poluprsten. Dirke preko kojih se zatvara strujno kolo sa sijalicom, pri obrtanju provodnika ne menjaju svoj položaj u odnosu na pol magneta. Ovakav generator naziva se generator jednosmerne struje. Na grafikonu desne slike prikazana je promena napona.
MONOFAZNI GENERATOR
Na preseku kroz monofazni generator naizmenične struje, plave isprekidane linije su linije magnetnog polja magneta koji se obrće tako da u jednoj sekundi napravi pedeset obrtaja. Namotaj generatora je iz dva dela vezanih na red, tako što je kraj donjeg kalema spojen sa početkom gornjeg. Kada je magnet u položaju kao na slici, celokupno magnetno polje prolazi kroz kalem. Kako se magnet okreće, njegovi polovi se udaljavaju od kalemova, pa polje kroz kalemove postaje sve slabije. Kada se magnet okrene za devedeset stepeni, polje kroz kalemove je jednako nuli. U nastavku, severni pol magneta (N) se približava donjem, a južni (S) gornjem kalemu i jačina polja kroz kalemove raste. Kada se kalem obrne za sto osamdeset stepeni, polje kroz kalemove je maksimalno, ali sada ima suprotan smer (strelice na plavim linijama su na gore). Magnet nastavlja da se okreće, i kad se okrene za još devedeset stepeni polje je ponovo jednako nuli. Posle toga, polje menja smer, ponovo raste i, kada magnet dođe u položaj kao na slici, polje je ponovo kao na slici. Dakle, kad se magnet okreće, jačina magnetnog polja kroz kalemove se neprekidno menja s tim što po isteku polovine periode polje menja i smer. Zbog toga se na izlaznim priključima generatora (tačke 1 i 2) dobija naizmenični napon čija je promena u zavisnosti od vremena prikazana grafikonu.
TROFAZNI GENERATOR
Na slici levo je prikazan presek trofaznog generatora naizmenične struje. On se od generatora monofazne struje razlikuje po tome što ima tri para namotaja, čije ose su pod pod uglovima od 120°. Princip rada je isti kao i kod monofaznog generatora. Dok se rotor obrće, magnetsko polje kroz svaki par kalemova menja se na isti način kao u kalemovima kod monofaynog generatora, pa se dobijaju tri naizmenična napona. Oni imaju poptpuno isti oblik promene, ali su vremenski
pomereni za jednu trećinu periode, kao što je prikazano na grafikonu na slici levo.
Zapazite da su po jedan kraj svih namotaja i kućište generatora uzemljeni. Naponi
UR, US, i UT su naponi između neuzemljenih krajeva kalema i uzemljenja.
Kod trofaznog generatora u namotaj elektromagneta rotora dovodi se jednosmerna
struja magnetisanja preko dirki i dva međusobno izolovana prstena.
Elektronika je rođena 1906 godine kada je napravljena trioda, prva aktivna elektronska komponenta pomoću koje je bilo moguće pojačati električne signale, što je omogućilo razvoj radiotehnike, audio-pojačavača, magnetofona, televizije, radara itd. Sledeći ogroman korak u razvoju elektronskih uređaja bio je pronalazak tranzistora (1947.) i integrisanih kola (1959.) koji su omogućili minijaturizaciju i masovnu proizvodnju, što je kao posledicu imalo da su elektronski uređaji postali dostupni velikom broju ljudi. Najpoznatiji primer su mobilni telefoni kojih ima za jednu milijardu više od ukupnog broja stanovnika Zemlje.
Ovo su ljudi koji su stvorili radio, televiziju, računare, mobilne telefone, Internet…
Elektronika je prodrla u sve pore savremenog života tako da pojačavači, oscilatori, procesori, memorije i druga elektronska kola mogu da se nađu u dečijim igračkama, satovima, raznim video i audio uređajima, frižiderima, mašinama za pranje veša sve do automobila, kosmičkih letelica…
Prvi elektronski uređaj koji je masovno korišćen, i još se koristi u domaćinstvima je radio-prijemnik.
On je u široku upotrebu ušao u godinama posle prvog svetskog rata. Nešto kasnije su se pojavili
električni gramofoni, magnetofoni, audio-pojačavači i dr. U svim tim uređajima su kao aktivne (pojačavačke) komponente korišćene elektronske cevi, triode, tetrode, pentode i dr. koje troše dosta energije, pa su uređaji bili stacionarnog tipa, teški i glomazni u poređenju sa savremenim elektronskim uređajima. Prvi računari imali su elektronske cevi, bili su teški nekoliko tona, zapremina im je iznosila desetine kubnih metara, a imali su mnogo manje mogućnosti od prosečnog savremenog personalog računara.
Ogroman napredak u daljem razvoju elektronskih uređaja ostvaren je posle drugog svetskog rata, kada je 1947. godine pronađen tranzistor, slika a, desetak godina kasnije, i integrisano kolo, slika b.
U suštini, tranzistor u elektronskim kolima igra istu ulogu kao nekada elektronska cev, samo što je tranzistor mnogo manjih dimenzija i mase, troši daleko manje električne energije, ima znatno duži vek trajanja, veću pouzdanost rada i mnogo nižu nabavnu cenu. Integrisana kola se sastoje od velikog broja tranzistora međusobno povezanih u celinu, tako da obrazuju mnoštvo elektronskih kola, pa i kompletan elektronski uređaj. Postoje integrisana kola u koja su smešteni ceo stabilizator napona, radio-prijamnik, audio-pojačavač, memorije računara… sve do mikroprocesora u koji je integrisano nekoliko stotina miliona tranzistora.
RADIO-PRIJEMNIK
Bežični prenos informacija sadržanih u govoru, muzici, slikama, električnim signalima odvija se putem elektromagnetskih talasa. Informacije emituju radio stanice, a primaju ih radio-prijemnici. Princip prenosa govora ili muzike, prikazan je na slici ispod.
Pod dejstvom promenljivog vazdušnog pritiska koji stvara izvor zvuka, na priključcima mikrofona se stvara električni napon, istog oblika kao pritisak. Ovaj napon se naziva modulišući signal. Istovremeno, u predajniku, u stepenu koji se naziva oscilator, stvara se napon visoke učestanosti, recimo 684 kHz, koji se naziva nosilac. Pod dejstvom modulišućeg signala, u stepenu koji se naziva modulator, menja se amplituda nosioca u skladu sa trenutnom vrednošću modulišućeg signala. Amplituda nosioca raste kada raste trenutna vrednost modulišućeg signala, a smanjuje se sa smanjenjem trenutne vrednosti modulišućeg signala. Taj signal čija se amplituda menja naziva se amplitudski modulisan signal i obeležava se sa AM.
Signal AM vodi se u emisionu antenu koja u svoju okolinu izražuje elektromagnetske talase karakteristične učestanosti. Krećući se brzinom svetlosti, talas stiže na mesto prijema. Oko prijemne antene obrazuje se elektromagnetsko polje istog oblika, ali mnogo manje jačine nego polje oko emisione antene. Pod dejstvom ovog polja u prijemnoj anteni se indukuje napon istog oblika, ali znatno manje amplitude od one u emisionoj anteni. Ovaj napon se u prijemniku pojačava i vodi u detektor. Na izlazu detektora dobija se napon istog oblika koji ima modulišući signal u predajniku. On se pojačava i vodi u zvučnik u kome se pretvara u zvuk oblika zvuka koji na mestu predaje deluje na membranu mikrofona.
Kod šeme radio-prenosa iznad, izvor modulišućeg signala je mikrofon, ali to može da bude bilo koji izvor zvuka (muzika sa CD-a, MR3 plejera itd.). U slučaju televizije izvor modulišućeg signala je TV kamera, u slučaju daljinskog upravljanja i kontrole to su odgovarajući kontrolni uređaji i slično.
Pored opisane amplitudske modulacije u radio-difuziji se koristi i tzv. frekventna modulacija (FM) kod koje je amplituda nosioca konstantna, a učestanost se menja u skladu sa odgovarajućom učestanosti modulišućeg signala.
Početkom dvadesetog veka, kada su se pojavile radio-difuzne stanice – stanice koje emituju program za veliki broj slušalaca, vrlo popularni su bili tzv. kristalni radio-prijemnici, koji su u našoj zemlji bili poznati pod imenom radio-detektori. Prikazaćemo tipičnu električnu šemu detektorskog prijemnika, po kojoj radio-amateri, ljubitelji radio-tehnike, mogu sami da izrade ovaj prijemnik.
Na sledećoj slici je fotografija jednog automobilskog prijemnika podešenog za prijem stanica iz FM talasnog opsega od 88 MHz do 108 MHz.
Radi jednostavnijeg podešavanja na željenu stanicu, što je važno za automobilske prijemnike, postoji mogućnost da se unapred podesi šest stanica koje se, kasnije, biraju jednostavnim pritiskom na jedan od tastera obeleženih brojevima 1 do 6. Prijemnik na slici 6 je podešen na predajnik čija je učestanost nosioca 107,3 MHz, a korisnik se upravo sprema sa pritiskom na taster 4 pređe na prijem druge stanice.
Svi savremeni prijemnici su stereofonski, tj. uređaji sposobni za prostornu reprodukciju zvuka. Pored reprodukcije programa stanica, oni obično imaju i uređaj za reprodukciju muzike sa CD-a kao i sa fleš memorija koje se priključuju na USB ulaz.
TELEVIZIJA
Televizija predstavlja složeni sistem prikupljanja i prenosa informacija (statičnih i živih slika, govor, muzika i dr.). Ona se, kao i filmska projekcija, kada se radi o živim slikama, zasniva na tromosti čovekovog oka. Naime, kada se svetlost koja pada na oko ugasi, on još otprilike 1/24 deo sekunde ima utisak da svetlost postoji. To znači, da ako na oko stiže povorka svetlosnih impulsa, a mrak između njih traje manje od 1/24 sekunde, čovek će imati utisak da izvor svetlosti neprekidno svetli. Ova činjenica je u filmu iskorišćena tako, što se na bioskopsko platno za vreme jedne sekunde projektuje, jedna za drugom, 24 obične nepokretne slike. Ove slike, snimljene u jednoj sekundi daju jedinstven utisak da se gleda živa scena. Još u prvim danima filma, utvrđeno je da se utisak gledanja stvarne žive scene stiže samo ako se slika koja pada na platno, kratko ugasi. Međutim, tada je zapaženo i da slika neprekidno treperi, odnosno, da se jačina svetlosti na filmskom ekranu-platnu neprekidno menja. Ovaj problem je rešen tako što se, i za vreme dok slika stoji na platnu, svetlost jedanput kratko ugasi. Time je postignuto da se svetlo ugasi dva puta po slici, odnosno 48 puta u sekundi, a čovekovo oko ovako brzo treperenje ne može da zapazi.
Najjednostavnija blok šema televizije prikazana je na sledećoj slici.
Na mestu predaje, levi deo slike, izvodi se tzv. analiza slike. Slobodno rečeno, to je merenje količine svetlosti koju odbija svaka od elementarnih tačaka (piksela) od kojih je slika sastavljena. Pri tome se na izlazu optičko-električnog pretvarača kojim se izvodi analiza dobija električni napon čija je trenutna veličina srazmerna jačini svetlosti koju emituje tačka koja se tog trenutka analizira: jača svetlost – veći napon, slabija svetlost – manji napon. Ovaj električni napon, koji predstavlja informaciju o jačini svetlosti pojedinih tačaka, preko prenosnog sistema stiže do mesta prijema, na kome se slika iscrtava na ekranu. Elektronski mlaz koji u TV prijemniku crta sliku na ekranu mora da se kreće sinhrono sa mlazom koji u TV kameri izvodi analizu. To se postiže tako što se u predajniku stvaraju tzv. sinhronizovani impulsi koji se prenose zajedno sa informacijom o slici.
Analiza i sinteza slike se izvodi na način sličan čitanju knjige.
Elektronski mlaz polazi iz tačke A i kreće se udesno do desnog kraja slike. Zatim se, brzo vraća na početak treće linije, ide udesno, vraća se na početak pete linije… dok ne stigne u tačku B. Odatle se brzo prebacuje u tačku C i nastavlja da analizira parne linije koje su označene isprekidanom linijom. Iz tačke D mlaz se vraća u tačku A i analizira se sledeća slika. Na taj način, analizom sa proredom, slika je rastavljena na dve poluslike, čime je izbegnut efekat treperenja.
U prvih nekoliko desetina godina postojanja televizije, prenosni sistem je bio: TV predajnik – Elektromagnetski talas -TV prijemnik.
Osnovni nedostatak ovog sistema je bio u tome što elektromagnetski talasi koji se koriste za prenos TV signala imaju vrlo visoke učestanosti, pa se kao svetlost kreću pravolinijski. Za ove talase svako brdo predstavlja nepremostivu prepreku. Prijem je moguć samo ako između antene predajnika i antene prijemnika postoji optička vidljivost. Zbog toga je za pokrivanje teritorije neke države neophodan sistem relejnih predajnika. Da bi se ostvario što veći domet, oni se montiraju na vrhove planina. Tako u našoj zemlji postoje releji na Fruškoj Gori, Avali, Crnom Vrhu, Kablaru, Kopaoniku, Jastrebcu itd.
