Ünite 2: Tellerin Uzunluğuna ve Kesit Alanına Bağlı Direnci

Giriş

Direnç, elektrik devresinde akımı sınırlandıran devre elemanıdır. Akımı kontrol etmemizi sağlar. Bu deneyde konstantandan (bakır-nikel alaşımı) kullanılarak malzemeden elde edeceğiniz direnç elemanının direncinin uzunluğuna ve kesit alanına bağlılığı hakkında teorik bilgi edindikten sonra, basit bir elektrik devresinde öğrendiğiniz bilgileri kullanarak uygulama yapma olanağına sahip olacaksınız. Uygulama süresince elde edeceğiniz verilerin ve öğrenilen bilgilerin değerlendirilmesi ile deneyinizi tamamlamış¸ olacaksınız.

Güvenlik Önlemleri

Oluşturacağınız elektrik devresi üzerinde çalışırken güvenlik önlemlerine dikkat etmeniz gerekir. Kendi güvenliğinizin öncelikli olduğunu unutmayınız. Aşağıda verilen bazı güvenlik önlemlerini dikkatli bir şekilde okuyarak uygulamaya özen gösteriniz:

• Toprakla yalıtımınızın olup olmadığını kontrol ediniz. Ayaklarınızı statik elektrik birikimini önleyen uygun bir ayakkabı ile koruyunuz.
• Elektrik çarpmaları ile ilgili ilk yardım bilgilerini öğreniniz. İlk yardım uygulamak durumunda kalırsanız, aceleci ve heyecanlı olmamaya çalışınız. Aksi halde olası bir kazaya uğramış¸ arkadaşınızın yaşamını yitirmesine neden olabilirsiniz.
• İlk yardım gereçlerinin kullanılabilir durumda olduğundan emin olunuz.
• Gerekli ilk yardım merkezlerinin telefon numaralarını kolayca ulaşabileceğiniz bir yere not ediniz.
• Deney araç ve gereçlerinizin doğru çalıştığından emin olunuz.
• Arızalı araç ve gereçleri laboratuvarda sorumlu görevliye bildiriniz.
• Dış¸ yalıtımı olmayan kabloları, çok kısa veya kopmuş¸ bağlantıları ve arızalı cihazları kesinlikle kullanmayınız.
• Arızalı olduğunu düşündüğünüz cihazları kesinlikle tamir etmeye çalışmayınız.
• Sisteme enerji vermeden önce yetkiliden izin alınız ve çalışma arkadaşlarınızı uyarınız.
• Devrenin kurulma aşamalarında enerjinin verilmesini önlemek için arkadaşlarınızı uyarınız.
• Ölçüm alırken ellerinizi devredeki bağlantılara temas ettirmeyiniz.
• Ölçüm alırken arkadaşlarınızla konuşmayınız. Dikkatli olunuz, dalgınlık yapmayınız.
• Mecbur olmadıkça enerji altında sürekli çalışmayınız.
• Ölçümlerinize ara verdiğinizde güç kaynağınızı mutlaka kapatınız.
• Cihazların fişlerini kordonlarından tutarak çıkarmayınız. Fişlerinden tutarak çıkartınız.
• Bütün dikkatinizin yaptığınız iş üzerinde olmasına özen gösteriniz.
• Aceleci ve telaşlı olmayınız. Sakin olunuz.
• Arkadaşlarınıza şaka yapmayınız. Şaka yapılmasına izin vermeyiniz.

Teorik Bilgi

Yeryüzünde malzemeler kokusuyla, tadıyla, rengiyle, esnekliğiyle, yoğunluğuyla, katı-sıvı-gaz halleriyle birbirlerinden farklılık gösterir. Malzemenin elektriksel özellikleri de fiziksel özelliklerinden bir tanesidir. Elektriksel özellik kapsamında en yaygın olarak kullanılan kavram malzemenin direncidir.

Doğada bulunan katı maddeleri elektriksel özelliklerine göre;

• İletken,
• Yalıtkan ve
• Yarı iletken

olmak üzere üç başlık altında sınıflandırabiliriz.

İletken maddelerin (genellikle metallerdir) direnci küçüktür ve elektrik akımını iletirler. Elektrik enerjisi iletiminde iyi birer iletken olan bakır ve alüminyum metalleri kullanılır. Altın ve gümüşün de çok iyi iletken olmasına rağmen maliyeti yüksek olduğu için elektrik enerjisi iletiminde kullanılmaz.

Yalıtkan maddelerin direnci büyüktür ve elektrik akımını iletmezler. Cam ve plastik yalıtkan malzemelere birer örnektir. Yarı iletken dediğimiz katıların ise elektriksel dirençleri iletkenler ile yalıtkanlar arasındadır. Yarıiletkenlerin elektriksel iletkenliği iletkenlerden daha küçük ve yalıtkanlardan daha büyüktür.

Sayfa 32’deki Şeki2.1’de verilen en temel elektrik devresini inceleyelim. İki metal bağlantı telleri (mavi renkli) bir elektrik devresi oluşturmak üzere bir bataryaya (pil, üreteç) bağlanmıştır. Batarya veya herhangi bir doğru akım kaynağı V ile gösterilir. Bataryanın pozitif ucu (uzun bacak) yüksek potansiyel ve negatif ucu (kısa bacak) ise düşük potansiyeldedir. Bu elektrik devresini bir direnç ile tamamlıyoruz. Devrede R ile gösterilen direnç el feneri, cep telefonu gibi günlük hayatımızda kullandığımız doğru akımla çalışan herhangi bir aygıt olabilir.

Devreyi ele aldığımızda, dirençten geçen akım I , direnç R ve potansiyel V arasında bir bağıntı Ohm yasası ile verilmiştir. Bu yasa aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

Burada V direnç üzerinde oluşan voltajı (volt, V) ve I dirençten geçen akımı (amper, A) gösterir. Direncin birimi, SI (System International’in baş harfleridir, uluslararası sistem demektir) birim sistemi de ohm (?)’ dur ve aşağıdaki şekilde tanımlanır:

Bir direncin (malzemenin) uçları arasındaki voltajın akım şiddetine bağlı değişim grafiği, Sayfa 33’deki Şekil 2.2’de verilmiştir. Bu grafikte voltajın akıma oranı, grafiğin eğimi olup malzemenin direncine eşittir. Dolayısı ile akım-voltaj grafiğinin eğiminden o malzemenin direnci, aşağıda verilen eşitlik ile hesaplanabilir:

Ohm yasası, çoğu metaller dahil olmak üzere bir çok madde için, uygulanan voltajın akıma oranının sabit olduğunu söyler. Bununla birlikte, Ohm yasası doğanın temel bir kanunu değildir ve sadece belirli malzemeler için geçerli olan deneysel bir bağıntıdır. Ohm yasasına uyan yani V ile I arasında lineer (doğrusal) bir ilişki gösteren malzemeler omik malzemeler olarak isimlendirilir. Ohm yayasına uymayan maddeler omik olmayan malzemeler olarak bilinir. Bir maddenin omik özelliğe sahip olup olmadığı deneysel olarak belirlenebilir.

İletkenin Direncinin Uzunluğa Bağlılığı

Bir iletkenin direnci yapıldığı malzemeye ve geometrik yapısına bağlı olarak sıfırdan sonsuza kadar değerlerde elde edilebilir. Aynı geometrik yapıya sahip fakat farklı metallerden yapılmış¸ iletken tellerin dirençleri de farklı olur. Bir diğer deyişle, aynı uzunlukta ve aynı kesit alanına sahip iki iletken tel farklı malzemelerden yapılmış¸ ise dirençleri de farklı olur.

Örneğin aynı uzunluğa ve kesit alanına sahip bakır ve demir tellerini karşılaştıracak olursak, demir telin direnci daha büyüktür. Dolayısıyla demir tel bakır tele göre üzerinden geçen akıma daha fazla karşı koyacaktır. Diğer bir ifadeyle demir tel elektriği daha az iletir, bakır tel elektriği daha iyi iletir.

Bir iletkenin direnci R ile o iletkenin yapıldığı maddeye özgü olan ve bu maddenin elektriksel özelliğini belirleyen özdirenci ? (ro diye okunur) arasındaki ilişki, aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

Bu ifadede, ? iletkenin özdirencini gösterir ve SI birim sisteminde ohm.metre (?. m ) birimine sahiptir. l iletkenin uzunluğunu ( m ) ve A iletkenin kesit alanını ( m ² ) gösterir. Bu durumda, direnç R , ohm olarak bulunur. Yani bir malzemenin direnci, özdirenci ve boyu ile doğru, kesit alanı ile ters orantılıdır.

Malzemenin özdirenci önemli bir fiziksel özelliktir. Özdirenç malzemenin geometrik yapısına bağlı değildir, ancak sıcaklığa göre değişiklik gösterir. Bu sebepledir ki, malzemenin özdirencinden söz ederken hangi sıcaklıkta belirlendiğini de söylememiz gerekir.

İletkenin Direncinin Kesit Alanına Bağlılığı

Elektrikli cihazlar yapılırken elektrik devrelerinde devre elemanları arasındaki bağlantılarda iletken teller seçilir. Örneğin, elektrikli ısıtıcılarda devre elemanı olarak kullanılan dirence olan bağlantı iletken tellerle sağlanır. Isı enerjisi üretmek için ise direnç kullanılır. İhtiyaç duyulan enerji V ² /R (VI veya I ² R) bağıntısı ile ilintili olduğu için hem akımın hem de direncin bilinmesi önemlidir. V’nin sabit olduğunu kabul edersek, direnç küçük olursa akım büyük olacak, dolayısıyla açığa çıkan enerji de büyük olacaktır. Direnç yerine bir tel bağlanmış¸ olsa (kısa devre durumu) o kadar yüksek akım geçer ki tel eriyebilir. Bu, tehlikeli bir durumdur. Bu sebeple devrelere sigorta bağlanır. Direnç büyürse dirençten geçen akım azalır ve daha az ısı enerjisi açığa çıkar.

Isı enerjisi üretmek için kullanılan elektrikli araçlarda ısıtıcı eleman olan nikel-krom teller kullanılırken, bu araçlara elektrik enerjisi taşıyan iletken teller genellikle bakırdan (metal) yapılır.

Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler

Bu deneyde kullanılacak araç ve gereçler aşağıda listelenmiştir:

1. DC güç kaynağı, 1 Adet (0-12 V dc, 6 ve 12 V ac)
2. Analog multimetre, 2 Adet
3. Kostantan tel makara, 1 Adet (15.6 ohm/m, d = 0.2 mm, l = 100 m)
   Kostantan tel makara, 1 Adet (6.9 ohm/m, d = 0.3 mm, l = 100 m)
   Kostantan tel makara, 1 Adet (0.98 ohm/m, d = 0.4 mm, l = 50 m)
4. Devre tamamlayıcı modüller (düz), 3 Adet
5. Devre tamamlayıcı modüller (dik açılı), 2 Adet
6. Devre tamamlayıcı modüller (dik açılı ve yuvalı), 2 Adet
7. Devre tamamlayıcı modüller (iki yuvalı ucu açık), 2 Adet
8. Devre tamamlayıcı modüller (düz yuvalı), 2 Adet
9. Devre tamamlayıcı modül (yuvalı eklem), 2 Adet
10. Devre tamamlayıcı modül (anahtarlı), 1 Adet
11. Bağlantı fişi, 2 Adet
12. Krokodil (timsah) uç, 2 Adet
13. Cetvel (50 cm uzunluğunda, plastik), 1 Adet
14. 25 cm uzunluğunda mavi bağlantı kablosu, 1 Adet
    25 cm uzunluğunda kırmızı bağlantı kablosu, 1 Adet
15. 50 cm uzunluğunda mavi bağlantı kablosu, 2 Adet
    50 cm uzunluğunda kırmızı bağlantı kablosu, 2 Adet

Bu araç ve gereçlerle ilgili olarak (listedeki numaraları dikkate alınarak) Sayfa 39’daki Şekil 2.6 incelenebilir.

Deney Düzeneğinin Kurulması

Deneyi yapmaya devreyi kurmakla başlanır.

Deney devresinin kuruluşu görsel olarak, Sayfa 39 ile 45 arasında verilmiştir .

Deneyin Yapılışı

Bir önceki konuda deneyde kullanacağımız devreyi kurmamızı tamamladık ve deneyimizde ölçüm almaya başlayabiliriz. Bir telin direncini uzunluğuna ve kesit alanına bağlı olarak inceliyoruz. Deney iki kısımdan oluşmaktadır. İlk deneyimizde direncin uzunluğa bağlılığı incelenir.

Direncin Telin Uzunluğa Bağlılığı

Deney devresini kurarken yerleştirdiğimiz konstantan telin hangi kalınlıkta olduğunu sonuçlar kesiminde size ayrılan yere not ediniz. İstediğiniz kalınlıktaki bir teli belirleyebilirsiniz. Size verilen tel makaraların kalınlık değerleri, tele ait diğer bilgilerle birlikte makaranın üstünde verilmiştir. Bu verilen değerlerden kalınlık ( ? ) simgesi ile gösterilmiştir. Makaradan okuduğunuz kalınlık aynı zamanda telin çapı anlamına gelir.

Deney devresi görsel olarak Sayfa 46’daki, Şekil 2.16’da verilmiştir.

Direncin Telin Kesit Alanına Bağlılığı

Deneyimizin ikinci kısmında tellerin kesit alanına bağlı direncini inceleyeceğiz. Uygulama yaptığımız deneyde sadece tek bir değişkenimiz olmalıdır. İlk deneyde telin kesit alanını ve tele uygulanan voltajı sabit tutup yalnızca telin uzunluğunu değiştirmiştik.

İkinci deneyde ise telin uzunluğunu ve tel üzerinden geçen akımı sabit tutuyoruz. Deneyimizde değişken parametre, telin kesit alanıdır. Bu amaçla size üç farklı kalınlıkta 0,2 mm, 0,3 mm ve 0,4 mm olmak üzere aynı malzemeden (kostantan) yapılmış tel verilmektedir.

Deney devresi görsel olarak Sayfa 49’daki, Şekil 2.19’da verilmiştir.