Ünite 6: Durgun Elektrik ve Elektrik Akımı

Giriş

Doğada var olduğunu bildiğimiz iki temel zıt elektrik yüklü tanecik olan elektron (negatif) ve proton (pozitif) arasında ya da aynı cins elektrik yüklü tanecikler arasında oluşan elektriksel kuvvetler nedeniyle araç ve gereçler tasarlıyor, geliştiriyoruz. Bu araç ve gereçler sayesinde de daha az enerji kullanarak işlerimizi yapabiliyoruz.

Durgun Elektrik

Atomlar, pozitif elektrik yüklü çekirdek ve negatif elektrik yüklü en az bir elektrondan oluşur. Çekirdeği proton ve nötron oluşturur. Proton pozitif elektrik yüklü iken nötron elektrik yüksüz bir taneciktir. Proton ve elektron aynı şiddette ancak zıt elektrik yükleri taşır. Dolayısıyla bir atomda elektron ve proton sayıları birbirine eşit olduğunda atom elektriksel olarak nötrdür.

Bir veya daha çok elektronu yörüngelerinden kopartılmış atoma pozitif iyon atom denir. Yörüngelerindeki elektron sayısı, çekirdeğindeki proton sayısından fazla olan atoma da negatif iyon atom denir.

Maddeyi oluşturan atomun en dış yörüngesindeki elektronlar, kolaylıkla çekirdeğin çekim alanından çıkartılabiliyorsa bu tür atomların oluşturduğu maddelere iletken denir.

Metal olmayan malzemelerde ise elektronlar kolaylıkla serbest kalamaz. Bu tür maddelere de yalıtkan denir. Cam, plastik gibi malzemeler de yalıtkanlara örnek olarak verilebilir. Bazı maddelerin iletkenlikleri ise sıcaklık ve bulundukları ortam nedeniyle üzerlerine etkiyen kuvvetlerin büyüklüğüne bağlı olarak değişebilir. Bu tür maddelere yarı iletken denir. Bunlara en iyi örnekler ise silisyum ve germanyumdur. Teknolojik gereksinimler nedeniyle laboratuvar koşullarda üretilen bazı maddeler de yarı iletken özellik gösterebilmektedir.

Diğer bazı maddeler ise mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda süper iletken özellik gösterir. Süper iletken maddeler elektriği neredeyse sıfır dirençle iletir.

Bazı cisimlerin, kürk ya da ipek parçasına sürtüldüklerinde, küçük kâğıt parçalarını kendisine doğru çektiği görülür. Örneğin kuru saçlar tarandığında saçlar tarağa doğru çekilir. Bu tür davranış gösteren cisimlere elektriklenmiş veya elektrikle yüklenmiş cisimler denir. Bir cisim;

• Dokunma
• Sürtme
• Etki

olmak üzere, üç farklı yolla elektriksel olarak yüklenebilir.

İki yüklü cisim birbirine dokundurulmaksızın birbirlerini etkileyebilecek bir uzaklığa kadar yaklaştırılırsa cisimler üzerindeki yükler arasındaki etkileşme sonucu, yüklerin her bir cisimdeki konumları değiştirilebilir. Cisimlerden birisi topraklanırsa, sadece bir cins yükler topraklanan isim üzerinde bırakılabilir. Tersi cins yükler ise topraklanma nedeniyle cisim üzerinden uzaklaştırılır.

Coulomb yasasına göre elektrik yükleri arasındaki kuvvetin şiddeti, yüklerin değerleri ile doğru orantılı, birbirlerine olan uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. Coulomb kuvveti de diğer bütün kuvvetler gibi vektörel bir büyüklüktür. Bu nedenle Coulomb kuvvetinin de doğrultusunun ve yönünün bilinmesi gerekir. Coulomb kuvvetinin doğrultusu yükleri birleştiren doğru olarak alınmalıdır. Coulomb kuvvetinin yönü ise elektrik yüklerinin işaretine bağlıdır. Elektrik yüklü cisimler arasında, bu yükleri nedeniyle oluşan kuvvete Coulomb kuvveti adı verilir.

Elektrik Alan

Coulomb yasasına göre bir elektrik yükü veya elektrik yüklerinden oluşan bir sistem, civarındaki tüm elektrik yüklü noktalarda bir kuvvet alanı oluşturur. Bu kuvvet alanına elektrik alanı adı verilir. Bir noktadaki elektrik alanı, o noktada olduğu varsayılan q0 birim pozitif yüke etkiyen elektrik kuvveti olarak tanımlanır. Elektrik alanın SI’daki birimi N/C’dir. Elektrik alan vektörel bir büyüklük olduğundan elektrik alanın yönü ve doğrultusunun da belirlenmesi gerekir. Elektrik alanın doğrultu ve yönü belirlenirken elektrik alanın büyüklüğünün tespit edileceği noktaya +1 birimlik bir yük konmuş gibi düşünülür ve sonra bu +1 birimlik yüke etkiyen elektriksel kuvvetin yönü elektrik alanın yönü olarak belirlenir.

Öte yandan birden fazla yükün bir noktada oluşturacağı elektrik alan, her bir yükün o noktada oluşturacağı elektrik alanların vektörel toplamıyla bulunur.

1. Elektrik alan, elektrik alan çizgilerinin sık olduğu yerde büyük, seyrek olduğu yerde ise küçüktür.
2. Elektrik alan, elektrik alan çizgilerinin paralel olduğu yerde düzgündür.
3. Bir noktadaki elektrik alanın yönü, o noktadaki elektrik alan çizgisine teğet bir doğrultuya sahiptir.

Elektrik Potansiyel ve Potansiyel Enerji

Elektrik alanda, bir q0 deneme yükünün, bir noktadan diğerine ivmesiz hareket ettirilmesi hâlinde, elektriksel kuvvete karşı birim yük başına yapılan işe, bu iki nokta arasındaki potansiyel farkı denir.

Potansiyel farkı kavramı, aslında bir karşılaştırmadır. Referans alınan bir noktanın elektriksel potansiyeline göre, bir başka noktanın elektriksel potansiyeli hesaplanır ve genellikle referans seçilen nokta sonsuzda kabul edilir. Sonsuzdaki bu noktanın elektriksel potansiyeli de sıfır alınır. Elektrik devrelerinde bu sonsuz nokta devrenin topraklandığı noktadır.

Kondansatörler

Yalıtkan malzemeler, elektrik yükünü depo edebildiğinden bu özelliklerinden yararlanılarak en temel devre elemanlarından biri olan kondansatörler üretilmiştir.

Tarihte bilinen en eski kapasitör, bazıları tuzlu su ile doldurulmuş ve metal folyoya sarılmış cam kavanozdu. Leyden kavanozu adı verilen bu kondansatörler, yüksek gerilimli elektrik yükünü depolayan ilkel cihazlardı. Bir kondansatör, biri negatif diğeri pozitif yüklü iki iletken levhadan oluşur. Bu iki iletken levha arasında hava, kâğıt, mika, polyester ya da seramik gibi dielektrik adı verilen yalıtkan bir malzeme bulunur. Böylece kondansatör adı verilen devre elemanı elde edilmiş olur. Bir kondansatörün levhalarını yüklemek amacıyla pil, batarya gibi güç kaynakları kullanılır. Kondansatörler, geometrik şekillerine göre de düzlem, silindirik ve küresel kondansatör olarak adlandırılır.

Bir kondansatörün üzerinde toplanacak yük miktarı, levhaların şekli ve birbirlerine karşı konumları belirlenmişse levhalar arasındaki V potansiyel farkıyla doğru orantılıdır. Kondansatörün levhalarında toplanan yük miktarı Q ile kondansatörün levhaları arasındaki potansiyel farkı V arasındaki ilişkiyi veren orantı katsayısı C ile gösterilir ve kondansatörün sığası olarak bilinir. Sığa, belli bir potansiyel farkı altında kondansatörün yük biriktirebilmesinin bir ölçüsüdür.

Düzlem levhalı kondansatörün sığası levhaların alanı (A) ile doğru ve levhalar arasındaki uzaklık (d) ile ters orantılıdır.

Elektrik Akımı

Bir iletken herhangi bir potansiyel farkı kaynağına bağlı değilse, iletkendeki elektronlar gelişigüzel hareket eder. Yani negatif yüklü serbest elektronlar, her yöne hareket edebilir. Bu nedenle belirli bir zaman aralığında, iletken içinde alınan bir kesitten sağa ve sola doğru geçen elektronların sayısı yaklaşık aynıdır. Bu iletkenin iki ucu arasına bir potansiyel farkı uygulandığında, örneğin iki ucuna bir pil bağlandığında, negatif yüklü serbest elektronlar, enerji kazanmaları nedeniyle alçak potansiyel noktasında yüksek potansiyel noktasına doğru sürüklenmeye başlar. Elektronların bu hareket yönü, iletkenin iki ucu arasında potansiyel farkı nedeniyle oluşan elektrik alanın yönüne terstir.

Elektrik akımının yönü, keyfi olarak, pozitif yüklü parçacıkların hareket yönü olarak seçilmiştir. Bir potansiyel farkı altında, bir iletkende akım negatif yüklü elektronların hareketinden oluşacağından, akım yönü elektronların hareketine ters yöndedir.

Bir elektronun yükü qe=1,6.10 ^-19 C’dur.

Bir iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkının akım şiddetine oranı sabittir. Bu sabit oran direnç olarak adlandırılır” şeklinde ifade edilmiştir ve adına atfen Ohm Yasası olarak bilinir. Bir iletkenin iki ucu arasında 1 V’luk bir potansiyel farkı uygulandığında 1 A’lik bir akım oluşursa iletkenin direnci 1 ohm’ dur.

Günümüzün önemli araştırma konularından birisi de direncin en aza indirilebilmesi çalışmalarıdır. Mutlak sıfır noktasına yakın sıcaklıklarda (-273°) çoğu maddenin öz direnci (dolayısıyla direnci) çok küçük olmakla birlikte sıfır değildir. Ancak bazı maddeler vardır ki onların öz direnci mutlak sıfıra yaklaşıldığı zaman aniden sıfıra düşer. Bu olaya süper iletkenlik, bu özelliği gösteren maddelere ise süper iletken adı verilir.

İletkenlerin direnci sıcaklıkla değişmektedir. Metallerin direnci sıcaklıkla artar.

İki ya da daha fazla direnç seri bağlandığında, her dirençten geçen akım aynı olur:

I = I ₁ = I ₂ = I ₃

İki veya daha fazla direnç, paralel bağlandığında, dirençler aynı voltaj kaynağına bağlı olduğundan, her birinin potansiyel farkları aynıdır:

V = V ₁ +V ₂ +V ₃

Kapalı bir devrede her bir devre elemanının uçları arasındaki potansiyel farklarının toplamı sıfırdır. Buna I. Kirchhoff yasası denir.

R direncine sahip bir iletkende ısı olarak kaybedilen güç joule ısısı olarak adlandırılır. Elektrik enerjisi günlük yaşamda watt saat (wh) ve kilowatt saat (1 kwh = 1.10 ³ wh) birimleri cinsinden ifade edilir. watt saat, 1 wattlık güce sahip elektrikle çalışan bir cihazın 1 saatte tükettiği elektrik enerjisidir. 1 kilowatt saat (kWh)=3,6.10 ⁶ J değerine karşılık gelir. Elektriksel güç birimi watt ile elektrik enerjisi birimi watt saat birbiriyle karıştırılmamalıdır.

Alternatif Akım

Günlük yaşamda ve teknolojide kullandığımız elektrik enerjisi, zamanla değişimi sinus eğrisi biçiminde olan alternatif akımdır. Bir devreye alternatif akım sağlayabilmek için bu tür bir akım üreten emk’ye gereksinim vardır. Enerji nakil hatlarında yüksek voltaj uygulandığında enerji kaybı daha az olur. Bu nedenle de elektrik hatlarında alternatif akım kullanılır. Şehirler arası enerji nakil hatlarında yüksek voltajla iletilen elektrik, konutlara iletilmeden önce trafo merkezlerinde voltajı düşürülerek konutlarda kullanıma hazır hâle getirilir. Ülkemizde konutlarda kullandığımız şehir elektriği voltajı 220 V’tur.

Güç Kaynakları

Elektrik devrelerinde iki nokta arasında potansiyel farkı oluşturan ve yüklerin sürekli olarak hareketlerini sağlayan pil, akümülatör ve elektrik santrali gibi düzeneklere elektrik akımı kaynakları adı verilir ve bu düzenekler elektromotorkuvvet (emk) olarak bilinir. Elektrik akım kaynakları doğru akım güç kaynakları ve alternatif akım güç kaynakları olmak üzere ikiye ayrılır.

Bir elektrik devresinde elektrik yüklerinin veya akımın belli bir yönde akan, yön değiştirmeyen ve şiddeti değişmeyen akıma doğru akım, bu akımı sağlayan kaynaklara da doğru akım güç kaynakları denir. Pil,akümülatör, jeneratör ve dinamo doğru akım güç kaynaklarına örnektir. Bu düzenekler genel anlamda üreteç olarak adlandırılır. Bunlardan pil ve akümülatör kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşmesi ilkesine göre çalışır.

Yönü ve şiddeti sürekli olarak değişen akıma alternatif akım, alternatif akım elde etmeye yarayan düzeneklere de Alternatör veya Alternatif Akım Jeneratörü denir. Alternatörün ana yapısı bir mıknatısla, bu mıknatısın kutupları arasında dönen bobinden oluşmuştur. Bazı alternatörlerde, bobin sabit tutulup, mıknatıslar döndürülerek alternatif akım oluşturulur. Alternatör mekanik enerjiyi alternatif akıma çeviren elektromekanik bir aygıttır. Çoğu alternatör bu işi yapmak için dönen bir manyetik alan kullanır.