električna struja. 1. Osnovna fizikalna veličina (znak I) kojom se opisuje strujanje čestica nabijenih električnim nabojem, tj. koliko električnoga naboja Q u vremenu t prostruji poprečnim presjekom električnoga toka, dakle: I = Q/t. Mjerna jedinica električne struje je amper (A). Uređaj kojim se mjeri električna struja je ampermetar. Električna struja se ponekad, kad se želi istaknuti da se misli na fizikalnu veličinu, a ne na strujanje, naziva jakost električne struje.
2. Usmjereno gibanje čestica nabijenih električnim nabojem. U metalnim vodičima to je gibanje elektrona, u poluvodičima gibanje elektrona i šupljina, a u elektrolitskim otopinama gibanje pozitivnih i negativnih iona. No i svako gibanje električki nabijenih materijalnih čestica većih dimenzija nego što su ioni, kao npr. gibanje nabijenih čestica prašine, jednako je tako električna struja. Strujanje čestica nabijenih električnim nabojem opisuje se s pomoću jakosti električne struje i gustoće električne struje.
Uzrokom usmjerenoga električnog strujanja smatra se električno polje. Smjer električne struje, prema dogovoru, smjer je u kojem se gibaju čestice nabijene pozitivnim električnim nabojem, tj. elektroni i negativni ioni gibaju u suprotnome smjeru od dogovorenoga smjera električne struje.
Djelovanje električne struje može biti toplinsko (npr. otpornik kroz koji teče električna struja zagrijava se), svjetlosno (npr. plin kroz koji teče električna struja emitira svjetlost), kemijsko (npr. elektrolit kroz koji teče struja rastavlja se na sastavne dijelove) i magnetsko (npr. oko vodiča kroz koji teče električna struja stvara se magnetsko polje).
Istosmjerna električna struja
Istosmjerna električna struja stalne je jakosti i smjera od pozitivnoga prema negativnome polu izvora električne energije. Za istosmjernu struju u električnim strujnim krugovima vrijede Ohmov zakon, oba Kirchhoffova pravila i zakoni osnovnih učinaka (Jouleov zakon za toplinski učinak, Faradayevi zakoni elektrolize).
Promjenljiva i izmjenična električna struja
Promjenljiva električna struja nejednolično je strujanje električki nabijenih čestica. Trenutačna vrijednost promjenljive električne struje u svakome je trenutku drugačija: i = dQ/dt, gdje je Q električni naboj a t vrijeme.
Za elektrotehniku najvažnije su periodično promjenljive električne struje, a to su one kod kojih se promjene stalno i na jednak način ponavljaju u određenim vremenskim intervalima.
Izmjenična električna struja je periodično promjenljiva električna struja koja osim jakosti mijenja i smjer. Njezina proizvodnja, transformacija i prijenos na velike udaljenosti relativno su jednostavniji i s manjim gubitcima u odnosu na istosmjernu električnu struju.
Promjenljivost izmjeničnih struja može se opisati periodom T (vremenskim intervalom trajanja promjene koja se ponavlja) ili frekvencijom f = 1/T (brojem ponavljanja promjena u određenom vremenskom intervalu).
Budući da se svaka periodično promjenljiva električna struja može, prema Fourierovu pravilu, rastaviti u niz komponenata, za proučavanje izmjeničnih električnih struja vrlo je važno poznavanje zakona kojima podliježe sinusoidna izmjenična električna struja. Analitički je izraz za sinusoidnu izmjeničnu električnu struju i = Imax sin ωt, gdje je amplituda Imax najveća vrijednost izmjenične električne struje, a ω = 2πf kružna frekvencija.
Efektivna vrijednost izmjenične električne struje je kvadratna srednja vrijednost izmjenične električne struje o kojoj ovise učinci izmjenične struje I = Imax/√ 2 = 0,707 Imax. Aritmetička srednja vrijednost sinusoidne struje jednaka je nuli.
Sinusoidna izmjenična struja može se uporabiti za stvaranje topline u elektrotermičkim aparatima, jer je za proizvodnju topline svejedno u kojem smjeru prolazi struja kroz otporni grijač, a računski se to vidi po tome što Jouleova toplina ovisi o kvadratu jakosti električne struje, pa je za to mjerodavna efektivna vrijednost. Jednako se tako može s pomoću sinusoidne izmjenične struje u elektromotorima proizvesti zakretna sila, jer i ona u motorima izmjenične struje ovisi o kvadratu jakosti struje. No, kako je kemijski učinak (npr. pri galvanizaciji) ovisan o srednjoj vrijednosti, koja je za sinusoidu jednaka nuli, ne može se izmjeničnom strujom postići spomena vrijedan kemijski učinak. Ipak se energija izmjenične struje može uporabiti i za elektrolizu, pa i za ostale aparate koji traže istosmjernu struju, ako se izmjenična struja ispravi. Takva struja sastavljena je, dakle, od samih pozitivnih polovica sinusoide, pa je njezina srednja vrijednost prozvana elektrolitskom srednjom vrijednošću. Računski ona iznosi:
Iel sr = 2/π Imax = 0,637 Imax.
Pri računima s promjenljivim strujama uvedene su općenito ove prosječne vrijednosti:
aritmetička srednja vrijednost: \(\displaystyle \;I_{\rm sr}=\cfrac1T\int_0^Ti\,{\rm d}t\,,\)
elektrolitska srednja vrijednost: \(\displaystyle \;I_{\rm el\,sr}=\cfrac1T\int_0^T|i|\,{\rm d}t\,,\)
efektivna vrijednost: \(\displaystyle \;I=\sqrt{\cfrac1T\int_0^Ti^2\,{\rm d}t}\,.\)
Višefazna električna struja
Izmjenična struja koja teče jednim zatvorenim električnim strujnim krugom često se naziva jednofaznom, kako bi se istaknula razlika prema višefaznim električnim strujama. Od svih višefaznih električnih struja u općoj elektrifikaciji najveću važnost ima trofazna struja. Trofazna je struja sustav triju sinusoidno promjenljivih električnih struja koje su vremenski jedna prema drugoj fazno pomaknute za 1/3 periode, što u grafičkome prikazu odgovara faznomu kutu od 120°. Prema tome to nije jedna, nego su to tri električne struje koje se zajedno proizvode u generatoru, dalekovodom zajedno prenose i predaju potrošačima.
Električna energija i električna snaga izmjenične električne struje ovise bitno o tome u kakvu je faznom odnosu jakost izmjenične električne struje prema svojem izmjeničnom električnom naponu. Ako je fazni pomak φ = 0, električna struja u punom iznosu sudjeluje s električnim naponom u iznosu snage, a ako je φ ≠ 0, djelotvorna je samo komponenta električne struje I cos φ, pa se ona i naziva djelatna komponenta, a I sin φ jalova komponenta.
