Elektrik enerjisinin iletken tellerle iletilmesinin nasıl gerçekleştiğini, fotoğraftaki şimşek ile yıldırımın nasıl oluştuğunu ve günlük hayatta karşılaştığımız birçok
olayın sebebini bu ünitemizin sonunda daha iyi anlayacağız.
Soğuk bir kış günü. Akşam olmuş, eve dönüyorsunuz. Eve ulaşarak kapıdan içeri girdiniz. Son ayarda çalışan ısıtma sistemi evinizi sıcacık yapmış. Odanıza geçip üzerinizdeki yün kazağı aceleyle çıkarmaya çalışıyorsunuz. O da ne? Birbiri ardına oluşan kıvılcımlar ve çıt çıt sesleri... Kulak kepçelerinizde hafif bir karıncalanma... Saçlarınız dimdik...
Otomobilinize bindiniz. Bir süre yolculuk yaptınız. Yolculuğunuzun sonunda otomobilinizden inerken parmak uçlarınız kapının metal kısmına değiyor ve siz hissettiğiniz
farklı bir acının etkisiyle elinizi otomobilden hızla çekiyorsunuz.
Evinize girmek için kapınıza yöneliyorsunuz. Metal kapı koluna yaklaşan ve dokunan parmağınız darbe acısından farklı ve çok kısa süreli bir acı yaşamanıza sebep oluyor. Günlük hayatta karşılaştığımız bu durumların sebebini hiç düşündük mü?
Yün kumaşa sürtülen şişirilmiş bir balon cam ya da duvar tarafından çekilir. Benzer şekilde yün kumaşa sürtülen ebonit çubuk ve ipek kumaşa sürtülen cam çubuk ile asılı durumda bulunan alüminyum folyo arasında bir çekim etkisi gözlenir.
Yukarıdaki gibi yün kumaşa sürtülmüş ebonit çubuk, asılı durumda olan yün kumaşa sürtülmüş başka bir ebonit çubuğa yaklaştırılırsa yanda görülen şekildeki gibi
birbirlerini iterler.
Yukarıdaki gibi ipek kumaşa sürtülmüş cam çubuk, asılı durumda olan ipek kumaşa sürtülmüş başka bir cam çubuğa yaklaştırılırsa yanda görülen şekildeki gibi
birbirlerini iterler.
İpek kumaşa sürtülmüş bir cam çubuğu, yün kumaşa sürtülmüş ve ortasından iple asılmış ebonit çubuğa yaklaştırırsak yanda görülen şekildeki gibi birbirlerini çekerler.
Etkinliğimizde gözlemlediğimiz bu itme ve çekme şeklindeki etkileşimler elektriklenme adı verilen bir olayın sonucudur. Cisimleri elektriklenmeleri için onları mutlaka birbirlerine sürtmek gerekmez. Elektrikleme için gerekli olan, cisimlerin birbirine temas etmesidir. Cisimler birbirine sürtünürken etkileşen yüzeyler artırılmış olur. Etkileşen yüzeyin artırılmış olması ise elektriklenmenin daha kolay gerçekleşmesini sağlar. Gözlemlediğimiz bu sonuçlar cam ve ebonit çubuklar üzerinde farklı elektriksel özelliklerin açığa çıktığını gösterir. Bu durumda gözlemlerimize dayanarak iki farklı elektrik yükünün varlığından söz edebiliriz. Ebonit ve cam çubukların yün ve ipek kumaşlara temas ettirilmesi sonucunda bunların elektriklenerek birbirlerine itme ya da çekme kuvveti uygulamaları, cam çubuktaki elektrik yükleri ile plastik çubuktaki elektrik yüklerinin birbirinden farklı özellikte olduğunu ortaya koyar. Bilim insanları bu elektrik yüklerini pozitif (+) yük ve negatif (-) yük olarak
adlandırırlar. Sonuç olarak, cam ve onun gibi davranan cisimler pozitif yüklü cisimler, ebonit çubuk ve onun gibi davranan cisimler de negatif yüklü cisimlerdir.
Yukarıda bulunan şekildeki gibi aynı elektrik yükü ile elektriklenmiş cisimler birbirini iter.
Yukarıda bulunan şekildeki gibi farklı elektrik yükü ile elektriklenmiş cisimler birbirini çeker.
Pozitif ve negatif yük sayıları eşit ve birbiri içerisinde düzgün dağılmış olan cisimlere nötr cisim denir. Nötr cisimlerin pozitif ve negatif yük sayılarını şekildeki gibi bir abaküs yardımı ile sayarsak yüklerinin dengede olduğunu söyleyebiliriz. Gerçekte böyle bir şeyin olması mümkün değildir. Bu örnek konuyu anlamamızı kolaylaştırır.
Acaba nötr cisimler temas sonucunda bu özelliklerini nasıl kaybeder? Başka bir ifadeyle bir cismin elektriklenmesi sırasında neler olur?
Temas sonucunda bir cisimden başka bir cisme negatif yük geçişi olur. Katılarda negatif yükler bir cisimden diğerine kolaylıkla aktarılır. Yün kumaşı ebonit çubuğa temas ettirerek yün kumaşta bulunan bir miktar negatif yükün ebonit çubuğa geçmesini sağlarız. Böylece başlangıçta pozitif ve negatif yük sayısı eşit olan cisimlerin yük dengesi bozulur.
Ebonit çubuk, negatif yükü pozitif yükünden fazla olacağından, negatif yükle yüklenmiş olur. Ebonit çubukların negatif ve pozitif yükleri yanda verilen şekildeki gibi bir abaküs yardımıyla sayılırsa yük dengesinin olmadığı görülür.(Yukarıda)
(+) pozitif Yükle Yüklenme
- yükle yüklenmiş alta ki cisme şekildeki gibi nötr halde bulunan gemi şeklindeki cismin yalıtkan kubbesinden tutarak. Alttaki - yüklü cisme şekildeki gibi yaklaştırırsak + yükler aşağı doğru iner - yükler yukarıya itilir.aşağıdaki - yüke dokundurmadan gemi şeklindeki cisme dokunursak - yükler toprağa akıp gider. Elimizi çektiğimiz zaman cisim artık + yükle yüklenmiş olur.
Yün kumaş, pozitif yükü negatif yükünden fazla olacağından, pozitif yükle yüklenir. Yünlü kumaşın negatif ve pozitif yükleri yanda verilen şekildeki gibi bir abaküs yardımıyla sayılırsa yük dengesinin olmadığı görülür. (Yukarıda)
Cisimlerin temas etmelerini sağlayarak onlarda yük dengesizliği meydana getirilmesine temas ile elektriklenme denir.
Bunları Biliyor muydunuz Bunları Biliyor muydunuz ?
Elektronik malzemelerle çalışılan ortamlarda oluşan elektriklenme bu malzemelerin bozulmasına yol açar. Bunun için bu tür yerlerde elektriklenmenin oluşmasını ve elektronik devre elemanlarının zarar görmesini önleyebilen antistatik malzemeler kullanılır. Fotoğrafta böyle yerlerde çalışanların kullandığı antistatik ayakkabı
görülmektedir.
Elektroskop, bir cismin elektrikle yüklü olup olmadığını ve yüklüyse yükünün türünü bulmamıza yarayan bir araçtır.
Elektroskopu Yükleyelim
Nötr halde yüksüz bir elektroskopun topuzuna , - yükle yüklenmiş balonu şekildeki gibi yaklaştırınca - yük elektroskoptaki + yükleri yukarı çekip - yükleri aşağı iter. Elimizi elektroskopun yapraklarına dokundurursak - yük toprağa doğru akar. Elimizi ve balonu çekince elektroskopta sadece +yük kalmış olur.Elektroskopumuz artık + yüklüdür.
Yerküreyi çok büyük bir nötr cisim olarak düşünebiliriz. Elektriklenmiş cisimler, toprakla temas ederlerse cisimle toprak arasında yük alış verişi olur. Yük alış verişinin gerçekleştiği bu olaya topraklama adı verilir. Örneğin, pozitif yüklü bir cismi iletken ile yerküreye bağlarsak (topraklarsak) yerküredeki negatif yükler cisme aktarılarak onun nötr olmasını sağlar. Negatif yüklü bir cismi topraklarsak cisimdeki negatif yükler toprağa (yerküreye) akar ve cisim nötr hâle gelir. Nötr bir cisme elektriklenmiş bir cisim yaklaştırarak bu cismi elektrikle yükleyebiliriz. Örneğin;
Cisimlerin bu şekilde elektriklenmesine tesir (etki) ile elektriklenme denir.Çevremizde birbirine temas eden ve sürtünen cisimlerde de elektriklenme olur. Plastik bir tarakla temiz ve kuru saçımızı tararken saçlarımızın fotoğraftaki gibi elektriklendiğini gözlemişizdir. Televizyon ekranına şekildeki gibi yaklaştırılan alüminyum topun çekilmesi gibi, hava ile temas ederek elektriklenen toz parçacıkları televizyon ve bilgisayar ekranlarının kısa sürede tozlanmasına sebep olur.
Durgun Elektriğin Etkileri
Cisimler üzerinde biriken elektrik yükü bazen tehlikeli olabilir. Biriken bu elektrik yükleri elektrik yükü boşalmasına sebep olur ve kıvılcım çıkarır. Bu yüzden eter, alkol gibi yanıcı ve düşük sıcaklıklarda buharlaşan sıvıların kullanıldığı fotoğraftaki ameliyathane ve laboratuvar gibi yerlerin zeminleri iletken maddelerle kaplanır. Böylece, oluşabilecek yüklerin toprağa akışı sağlanır.
Petrol tankerlerinin arkasında bulunan ve yere değen zincirler de tankerin hareketi sırasında oluşan elektrik yüklerinin toprağa akmasını sağlar. Benzin istasyonlarında da hortum ile depolara benzin aktarılırken temas sebebiyle hortumda elektriklenme meydana gelebilir. Bu durumda çıkabilecek yangınları önlemek için benzin istasyonlarında da topraklama yapılması önemlidir. Bu durum yukarıdaki fotoğrafta görülmektedir. Benzin dolumu esnasında elektriklenme sonucu
oluşan elektrik boşalması yangın çıkmasına sebep olabilir. Bunun için elektriklenmeyi kolaylaştıran hareketlerde bulunmak tehlikelidir.
Atmosferde de rüzgarın etkisiyle sürüklenen bulutlar hem havayla hem de birbirleriyle temas ederler. Bunun sonucunda da elektriklenirler. Elektrik yüklü bulutlar birbirlerine yeterince yaklaşırsa birinden ötekine elektrik yükü boşalması olabilir. Bu olaya şimşek denir. Benzer şekilde elektrik yüklü bulutlar yer küreye yeterince yaklaşırsa buluttan yere ya da yerden buluta elektrik yükü boşalması olabilir. Bu olaya da yıldırım denir. Yıldırım olayında elektrik yükünün boşalması bulut ile yeryüzünün birbirine en yakın noktaları arasında olur. Bu sebeple yüksek ve sivri yerlere yıldırım düşme olasılığı fazladır. Yıldırımdan korunmak için minare gibi yüksek yapılara paratoner (yıldırımsavar) adı verilen sivri uçlu metal çubuk takılır. Metal çubuğa bağlı iletken telin diğer ucu iletken levhaya bağlanıp toprağa gömülür. Böylece buluttan paratonere gelecek olan elektrik yükleri binaya ve çevreye zarar vermeden toprağa akar.
Elektrik Devresinde Neler Oluyor?
Pil, direnç, anahtar ve bağlantı kablolarından oluşan bir elektrik devresini, aşağıdaki şekilde görülen su tesisatına benzetebiliriz. Böylece bir elektrik devresinde neler olduğunu anlamamız kolaylaşır.
Su tesisatı içindeki su, vananın açılmasıyla pompa tarafından itilir ve borular içinde ilerler. Kıvrımlı boruya gelen suyun buradan geçmesi zorlaşır. Kıvrımlı borudan geçen su, borular içinde ilerleyerek pompaya geri döner. Suyun tesisat içindeki devri bu şekilde devam eder.
Yukarıda verilen şekildeki elektrik devresinde de buna benzer bir durum vardır. Su tesisatındaki suyu, elektrik devresindeki negatif yüklere benzetebiliriz. Pil, pompaya benzer bir görevle elektrik yüklerine elektriksel bir kuvvet uygular. Bu kuvvet etkisi ile elektrik yükleri elektrik enerjisi kazanır ve bu enerji tel boyunca iletilir. Bu durum iletkendeki yükler arasında enerji aktarımına sebep olur. Yüklerin hareketinden kaynaklanan bu enerji aktarımına elektrik akımı denir.
Elektrik devresi ve su tesisatının birbirine benzeyen yönleri bulunmakla birlikte benzemeyen yönleri de vardır. Örneğin, su tesisatındaki su borusu kesildiğinde suyun akışı devam eder. Ancak elektrik devresinde bulunan teller arasındaki bağlantı koparıldığında elektrik akımı anında kesilir. Soldaki şekilde elektrik devresinin anahtarı açıkken negatif yükler tel içinde düzensiz hareket eder.
Anahtar kapatıldığında ise pilin uyguladığı elektriksel kuvvet ile sağda bulunan şekildeki gibi negatif yükler aynı yönde harekete zorlanır. Böylece elektrik akımı oluşur.
Pilin Çalışması
Bir kuru pilin iç ve dış yapısı ile pilin içinde oluşan elektron hareketliliğini aşağıda gözlemleyebilirsiniz.
Yüklerin Yolculuğu
Acaba elektrik devresindeki elektrik akımının yönünü nasıl belirleriz?
Negatif yükler, devre tamamlanır tamamlanmaz harekete başlayacaklardı. Nihayet devre tamamlanmıştı ve pilin uyguladığı kuvvet ile pilin negatif kutbundan itibaren birbirlerini hareket etmeye zorlamışlardı. Böylece sahip oldukları enerjiyi birbirlerine aktararak pilin pozitif kutbuna kadar bu hareketlerini sürdürmüş oldular.
Yukarıda anlatıldığı gibi negatif yükler, sahip oldukları hareket enerjisini pilin negatif kutbundan pozitif kutbuna doğru aktarır. Ancak bilim insanları yıllar önce akım ile ilgili araştırmalar yaparken akımın yönünün pozitif kutuptan negatif kutba doğru olduğunu düşünmüşler ve birçok bilimsel çalışmalarını buna göre yapmışlardı. Bunun için devredeki akımın yönünün günümüze kadar pilin pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru olduğu kabul edilmiştir. Bir elektrik devresindeki elektrik akımının yönünü bulmak için pilin kutuplarına bakmamız yeterlidir. Aşağıdaki devre şemasında görüldüğü gibi pilin devre içindeki gösteriminde uzun olan çubuk pozitif kutbu, kısa olan çubuk negatif kutbu temsil eder.
Devredeki elektrik enerjisi kaynakları (pil, akü vb.) elektrik akımına neden olur. Ampul gibi devre elemanları, elektrik yüklerinin taşıdığı elektrik enerjisinin tamamını kullanır. Elektrik akımının kendisi kullanılıp tüketilmez. Peki, acaba bir elektrik devresinden geçen akımı nasıl ölçebiliriz?
Fotoğrafta bir ampermetre ve ampermetrenin devre içindeki gösteriminde kullanılan sembol görülmektedir. Elektrik akımının birimi amper olarak ifade edilir ve kısaca “A” ile gösterilir. Yukarıdaki tabloda, günlük hayatımızda kullandığımız bazı araçların çalışmaları için gerekli yaklaşık akım şiddetleri verilmiştir.
Gerilim
Elektrik devrelerindeki elektrik enerjisi kaynağının işleyişini su pompasının işleyişine benzetmiştik. Şekildeki su akışı, su seviyesinin yüksek olduğu koldan düşük olduğu kola doğru olur. Su akışı, su seviyeleri her iki kolda da eşit oluncaya kadar devam eder ve su seviyeleri eşitlenince durur. Su seviyeleri arasında fark olduğu sürece su akışı devam eder. Şekildeki gibi uygun bir pompa kullanarak bu akışın sürekli olarak devam etmesi sağlanabilir. Suyun akışı elektrik devrelerindeki elektrik akımına benzer.
Elektrik akımı da, devrenin iki ucu arasındaki yüklerin enerjileri arasında fark olduğu sürece olur. Bu enerji farkı gerilime sebep olur. Sonuç olarak gerilim enerji farkının bir göstergesidir. Su tesisatında suyun akışının devam etmesini sağlayan bir pompa bulunduğu gibi, elektrik devrelerinde de elektrik akımının devamlı olmasını sağlayan elektrik enerjisi kaynakları yer alır.
Yani piller bir elektrik devresinde gerilim sağlayarak elektrik akımına neden olurlar. Devredeki elektrik akımını, ampermetre kullanarak ölçmüştük. Bir devredeki gerilimi de voltmetre adı verilen araçla ölçeriz. Gerilimin birimini ise volt olarak ifade ederiz ve kısaca “V” ile gösteririz. Fotoğrafta, bir voltmetre ve voltmetrenin devre içindeki gösteriminde kullanılan sembol görülmektedir.
Pil gibi elektrik enerjisi kaynaklarının elektrik akımının devreden geçmesini sağladığını öğrendik. Resimlerdeki araçların çalışabilmeleri için farklı gerilimlere sahip elektrik enerjisi kaynaklarının kullanılması gerekir.
Etkinliğimizde bir devre elemanının (ampulün) uçları arasındaki gerilimin, üzerinden geçen akıma olan oranının her durumda sabit kaldığını gözlemledik. Bu sabit oran devre elemanının (ampulün) direncidir. Gerilim/akım oranının birimleri volt/amper olarak yazılır. Bu değer direncin birimi olan ohm ile eş değerdir. Yani direncin birimini volt/amper olarak da ifade edebiliriz. Bu oranı George Simon Ohm (Geork Simon Om) adındaki bir bilim insanı bulduğundan direnç birimi için genellikle volt/amper yerine ohm kullanılır. Aşağıdaki resimde elektrik akımı ve gerilim ile ilgili olarak çalışmalar yapan bilim insanları görülmektedir.
