Ünite 1: Genel Tanımlar

Giriş

Elektrik, elektriksel yükün varlığı ve akışından meydana gelen çeşitli olguları tanımlayan bir kelimedir. Atomun yapısında bulunan elektronlar negatif, protonlar ise pozitif elektrik yüklüdür. Elektronlarını kaybeden bir madde pozitif elektrik yüklü, elektron kazanan bir madde ise negatif elektrik yüklü hale gelir. Cismin yük dengesinin bu şekilde bozulması cismin elektriklendiğini gösterir. Cismin elektriklenmesi sürtünme, dokunma ve etki ile olmak üzere üç yolla olur.

Elektriğin bir diğer önemli konusu da elektrik akımıdır. Elektrik akımı, bazı atomların dış yörüngelerinde bulunan elektronların; ısı, manyetik alan, kimyasal reaksiyon gibi etkilerle yörüngelerinden koparak serbest hale gelmesi neticesinde meydana gelen elektron hareketidir. Elektrik akımı, doğru ve alternatif akım olmak üzere iki çeşittir. Doğru akım, yön ve şiddeti değişmeyen akımdır. Alternatif akım ise yönü ve şiddeti zamana bağlı olarak değişen akımdır.

Elektrik

Elektriğin anlaşılabilmesi için atom yapısının bilinmesi gerekir. Atomların içinde proton, elektron ve nötron olmak üzere üç tür parçacık bulunur. Bunlardan sadece proton ve elektron birbirine büyük bir kuvvet uygular. Nötron, proton ve elektronlar arasındaki bu etkileşime katılmaz. Bu yüzden, proton ve elektrona yüklü parçacıklar, nötrona ise yüksüz parçacık denir.

Doğada cisim ya da maddeler elektriksel yük olarak nötr haldedir. Cam çubuk gibi yalıtkan bir madde ipek bir kumaş parçasına sürüldüğü zaman, cam çubuk ile kumaş parçasının yüzeyinde elektrik yüklenmeye başlar ve cisimlerden biri elektron kaybederken diğeri elektron kazanır. Bu şekilde birinde pozitif, diğerinde ise negatif elektrik yükü meydana gelir. Her ikisi birbirinden ayrıldığı zaman bu yükler üzerinde kalır. Bu şekilde elektrik yükü ile yüklenme statik elektrik olarak adlandırılmaktadır. Elektriksel yüklenme ve bunun sonucunda oluşan olaylar elektrostatik biliminin konusudur.

Statik Elektrik

Doğada maddeler (ya da cisimler) elektrik yükü bakımından nötr durumdadır. Sürtünme sırasında maddelerin yüzeyinde elektron transferi olur ve bunun sonucunda maddelerin yüzeyinde nötr duruma göre elektron fazlalığı ya da elektron azlığı meydana gelir. Elektron fazlalığı olan madde “negatif elektrik yüklü”, elektron azlığı olan madde ise “pozitif elektrik yüklü” olarak ifade edilir. Bu şekilde elektrik yükü ile yüklenmiş maddeler elektrik yükü bakımından dengeli, yani nötr duruma geçmek için üzerindeki elektrik yükünü boşaltmak ister. Elektrik yükü ile yüklü maddeler yüklerini; sürtünme, etki ya da temas yoluyla başka bir maddeye (ya da cisme) aktarır.

Elektrik Akımı

Yukarıda da bahsedildiği gibi serbest elektronların bir malzeme içerisinde hareket etmesiyle elektrik akımı oluşur. Elektrik akımının bir malzemede hareket edebilme kabiliyeti o malzemenin elektriksel iletkenliğine bağlıdır. Bu doğrultuda maddeler iletken, yalıtkan veya yarı iletken olarak sınıflandırılır. İletkene örnek olarak bakır, alüminyum, gümüş ve altın verilebilir. Cam, lastik ve tahta gibi malzemeler yalıtkandır. Yarı iletkenler ise doğada yalıtkan halde bu8lunan ve bir enerji uygulandığı zaman iletken hale geçen maddelerdir. Germanyum, silisyum, galyum arsenür, indiyum fosfür yarı iletkenlere örnek olarak verilebilir.

Temel Kavram ve Tanımlar

Akım

İletkenden (veya alıcıdan) birim zamanda geçen elektrik yüküS(elektron) miktarına akım denir. Akım I ile gösterilir ve birimi Amper (A)’dir.

Gerilim

Bir elektrik yükünü bir noktadan başka noktaya hareket ettirebilmek için gerekli enerji miktarı potansiyel fark veya gerilim olarak isimlendirilir. Potansiyel fark V ya da U ile gösterilir ve potansiyel farkın birimi Volt (V)’tur.

Direnç

Elektrik akımına karşı gösterilen zorluğa elektriksel direnç denir. Maddelerin elektriksel direnç özelliğinden yararlanılarak üretilen devre elemanına “direnç” adı verilir. Direncin sembolü R, birimi ohm (?)’dur.

Güç

Birim zamanda yapılan işe ya da harcanan enerjiye güç denir. Güç P ile gösterilir ve gücün birimi Joule/s’dir. Elektrikte Watt (W) olarak kullanılmaktadır. Buna göre 1 C’luk elektrik yükünü 1 saniyede hareket ettirmek için 1 J’lük enerji harcanıyorsa 1 W’lık iş yapılmış demektir.

Elektrik Devresi

Basit bir elektrik devresi gerilim kaynağı (üreteç), alıcı (yük) ve iletkenden oluşur (Şekil 1.3). Elektrik devresinde üreteçten çıkan akım, iletken ve alıcıdan tekrar üretece gelir. Basit bir elektrik devresine sigorta ve anahtar eklendiğinde Şekil 1.4’de görülen devre elde edilir. Sigorta yüksek akıma karşı devreyi korur, anahtar ise devreyi açar ya da kapatır.

Kapalı Devre

Elektrik akımı, hiç kesintiye uğramadan başladığı noktaya dönüyorsa devre kapalıdır. Şekil 1.4’deki devrede S anahtarı kapatıldığında devre kapalı bir devredir.

Açık Devre

Elektrik akımı, başladığı noktaya geri dönemiyorsa devre açık devredir. Bu durum- da açık devre olan kol üzerinde akım akışı olmaz (I = 0 A). Örneğin Şekil 1.4’de görülen devrede iletkenlerden biri kopar ya da anahtar açılır ise açık devre oluşur. Bunun yanında yükün (direncin) ya da üretecin de arızalanması ve akım iletmemesi söz konusu olabilir. Bunlar da birer açık devre sebebidir.

Kısa Devre

Bir elektrik devresinden geçen akımın devre elemanlarını dolaşmak yerine direnç- siz yoldan geçmesine kısa devre denir. iletkenlerin, yalıtkan kaplamalarının özelliğini kaybetmesinden ötürü birbirine değmesi kısa devre nedenlerinden biridir. Devrede düşük dirençten dolayı akım şiddeti çok yüksek mertebelere çıkar. Geçen akımın şiddetine bağlı olarak insan hayatı ve cihazlar için tehlikeli durumlar söz konusu olabilir. Şekil 1.6’da kapalı ve kısa devre örnekleri görülmektedir.

Doğru Akım (DC)

Yönü ve şiddeti zamana bağlı olarak değişmeyen akıma Doğru Akım denir. Doğru akım; dinamo, akümülatör, pil, güneş pili gibi kaynaklar tarafından üretilir. Kısaca DC ya da DA ile gösterilir. Doğru akımın yönü ve şiddeti değişmediğinden frekansı yoktur. Şekil 1.7’de doğru akım-zaman eğrisi görülmektedir. Doğru akımda, elektrik yüklerinin aynı yönde akışı, doğru akımı alternatif akımdan ayırır. DC’nin depo edilebilir bir akım olması DC’nin AC’ye göre bir avantajıdır.

Alternatif Akım (AC)

Nikola Tesla tarafından 1800’lü yılların sonunda bulunmuştur. Başlangıçta bilim dünyasında doğru akımın yerini asla alamayacağı iddia edildiyse de günümüzde alternatif akımın kullanım alanı DC’yi çoktan geride bırakmıştır. Genliği ve yönü periyodik olarak değişen elektriksel akımdır. Alternatör adı verilen makineler tarafından üretilir. Ayrıca çeşitli elektronik devreler yardımıyla doğru akımdan alternatif akım elde edilebilir. Alternatif akımda periyodik bir değişim olduğundan frekans söz konusudur. En bilinen AC dalga biçimi sinüs dalgasıdır.

Periyot ve Frekans

Bir tam dalganın oluşması için geçen süreye periyot denir. Birimi saniye (s) olup T ile gösterilmektedir. Birim zamanda oluşan periyot sayısı ise frekans olarak adlandırılmaktadır. Frekansın birimi Hertz (Hz) olup frekans f ile gösterilir.

Faz

Aynı frekanslı ve aynı dalga şeklindeki alternatif akım ve gerilim gibi fiziksel büyüklüklerin aynı yönde aynı değerden geçmeleri sırasında meydana gelen açı veya zaman farkı olması durumudur. Örneğin aynı frekansa sahip sinüzoidal iki gerilim, negatif değerden pozitif değere geçerken aynı zamanda sıfır değerinden geçiyorlarsa, bu iki büyüklük aynı fazdadır. Bu iki büyüklüğün sıfır değerinden geçme zamanları farklı ise, bu iki büyüklük aynı fazda değildir.

Faz Farkı

Aynı frekans ve dalga şekline sahip iki alternatif akım veya gerilim arasındaki açı veya zaman farkına faz farkı denir. Örneğin dalgalardan biri sıfır değerini ?/2’de diğer dalga ise 0’da geçiyorsa bu iki dalga farklı fazdadır. Aralarındaki faz farkı ise ?/2 kadardır. Şekil 1.11’de faz farkı olan iki sinü-zoidal sinyal görülmektedir.

Üç Fazlı Sistemler

Alternatif akım üreten jeneratörlere alternatör denir. Eğer bir alternatör yalnız bir sinüs dalgası şeklinde emk üretirse, 1 fazlı alternatör denir. Eğer bir alternatör 90 derece faz farklı iki sinüzoidal emk üretiyorsa buna iki fazlı alternatör denir. Eğer bir alternatör aralarında 120’şer derece faz farkı bulunan üç sinüzoidal emk üretiyorsa, böyle bir kaynağa da üç fazlı alternatör denir. Bu şekilde bir alternatör (AC jeneratör) ile iki, üç ya da daha fazla devreyi aynı kaynaktan besleme olanağı vardır. Bu durumda, her devreye uygulanan gerilim ve frekans aynı olup devrenin sayısına göre gerilimler arasında belirli ve eşit faz farkı bulunur. Bunlara çok fazlı sistemler denir.

OHM Kanunu

1827 yılında George Simon Ohm şu tanımı yapmıştır: “Bir direncin uçları arasındaki potansiyel farkın (V), üzerinden geçen akım şiddetine (I) oranı sabittir.” Sözü edilen sabit değer dirence (R) karşılık gelmektedir. Bu tanıma göre Şekil 1.18’deki eşitlik yazılır.

KIRCHHOFF Kanunları

Tek gözlü basit devreler, Ohm Kanunu ile elde edilen R = V/I eşitliği ile çözülebilir. Ancak bir devreyi tek gözlü kapalı bir devreye indirgemek her zaman mümkün değildir. Daha karmaşık devrelerin analizi, Kirchhoff’un Akım Kanunu ve Kirchhoff’un Gerilim Kanunu olarak bilinen iki basit kuralın kullanılmasıyla büyük ölçüde kolaylaşır.

Kirchhoff’un Akım Kanunu’na göre bir düğüm noktasına gelen akımların toplamı, bu düğüm noktasından çıkan akımların toplamına eşittir. Başka bir ifadeyle; bir düğüm noktasındaki tüm akımların cebirsel toplamı sıfırdır.