B. Enerji ve enerji çeşitleri
1. Elektriğin kısa tarihçesi: Elektriğe ilişkin olarak gözlenen ilk olay statik elektriklenmedir.
Milattan 600 yıl kadar önce eski Grek (Yunan) filozofu Thales (Tales), fosilleşmiş reçine olan
kehribarın saça ya da yünlü kumaşa sürtülmesiyle saman çöplerini çektiğini belirledi. Kehribarın
çekim kuvveti çok zayıf olduğundan bu buluş pratik bir uygulama alanı bulamadı.
1540-1603 yılları arasında yaşayan İngiliz bilgin William Gilbert (Vilyım Jilbert) kehribardan
başka cam ve ebonit gibi cisimlerin de aynı özelliği kazandığını gördü. W. Gilbert, bu olaya
kehribarımsı kuvvet anlamına gelen ve kehribarın Yunanca adı olan "elektronsı" sözcüğünden
türetilen elektrik kuvveti adını verdi. Sonuç olarak gerek Thales, gerekse, W. Gilbert'in buldukları
statik elektrik olarak tanımlanmıştır.
1650 ve 1671 yılları arasında Otto von Guericke (Otto fon Gerik), elektrikle yüklü cisimler
arasında çekme kuvveti olduğu gibi itme kuvvetinin de olduğunu belirledi. Aynı zamanda sürtme ile
elektrik üreten makineyi yaptı.
1675 yılında Isaac Newton (Ayzek Niwton) elektrostatik indüksiyonu buldu.
1729 yılında Stephen Gray (Stefan Grey), iletken ve yalıtkanlar arasındaki farkı gösterdi.
1747 yılında Benjamin Franklin (Bencamin Franklin), cam ve reçinede görülen zıt iki cins
elektriklenmeyi, pozitif (+) ve negatif (-) kelimelerini kullanarak ayırdı.
B. Franklin bu kez 1752 yılında yaptığı uçurtma deneyiyle yıldırım ve şimşeğin bir elektriklenme
olduğunu kanıtladı.
1767 yılında Joseph Priestley (Cozef Fraystli) elektrik yüklerinin birbirlerini, aralarındaki uzaklığın
karesiyle ters orantılı olarak ittiklerini ya da çektiklerini buldu.
1785 yılında Charles Augistin Coulomb (Çarls Agustin Kulon), elektrik ve manyetik kuvvetleri
veren ters kare kanununu buldu.
1791 yılında Luigi Galvani (Luici Galvani) kurbağa bacağına iki farklı metali dokundurunca
bacağın büzüldüğünü gözledi ve kimyasal yolla elektrik üreten pillerin temelini attı.
1799 yılında Aleksandro Volta (Aleksandro Volta) volta pilini icat etti.
1808 yılında Humpry Davy (Hampri Devi) elektrik akımı taşıyan iki kömür elektrodu arasında
ark (kıvılcım) oluşturdu. Bu olay, elektriğin ışık ve ısı enerjisine dönüşebileceğini gösterdi.
1820 yılında Hans Christon Orsted (Hans Kriston Örsted) içinden elektrik akımı geçen bir iletkenin
yakınındaki pusulayı saptırdığını gözlemledi. Bu bulgudan hareketle elektrik akımının manyetik
alan oluşturduğunu kanıtladı.
1825 yılında George Simon Ohm (Corc Saymın Om), kendi adını taşıyan kuramı (kanunu) ortaya
koydu.
1831 yılında Amerikalı Michael Faraday (Mişel Faraday) ve İngiliz Joseph Henry (Cozef Henri)
birbirinden habersiz olarak manyetik alan içinde hareket eden iletkende elektromotor kuvvet (gerilim)
oluştuğunu belirledi. Bu buluş; dinamo, alternatör ve benzeri gibi cihazların geliştirilmesinde önemli
bir katkı sağladı.
1850 yılında Mirand (Mirand) mekanik yapılı elektrik zilini buldu.
1873 yılında James Clerk Maxwell (Ceyms Klerk Maksvel) elektrik ve manyetizma konusunda
yaptığı çalışmalarını ortaya koydu.
1873 yılında Henry Rowland (Henri Rovlend) manyetik devreyi açıkladı.
1879 yılında Thomas Edison (Tomas Edison) akkor flamanlı lâmbayı buldu. Aynı bilgin, ilk elektrik
üretim ve dağıtım şebekesini New York şehrinde kurdu.
1888 yılında DC olarak elektrik enerjisi dağıtmanın zorlukları anlaşıldı ve AC elektrik enerjisi
üretim ve dağıtımına başlandı. Bu sistemde üretilen AC enerji, transformatör ile 3000 volta yükseltildi.
Tüketim noktasında yine transformatör kullanılarak 500 volta düşürüldü ve alıcılar çalıştırıldı.
1920 yılında ilk hidroelektrik santral kurularak su gücüyle elektrik enerjisi üretimine başlandı.
Daha sonraki yıllarda ise kömür ve petrol gibi kaynaklara dayalı elektrik enerjisi üretim santralleri
kuruldu.
1945 yılından sonra ise, nükleer enerji, rüzgâr enerjisi, güneş enerjisi, jeotermal enerji kaynakları
17
kullanılarak elektrik enerjisi üretimine başlandı.
su
2. Enerji: Bir iş yapabilme, etki oluşturma yeteneğine
enerji denir. Doğada bulunan her maddede bir iş yapma
boru
gücü saklıdır.
Madde ve enerji, dünyadaki yaşamın temelini oluşturur.
Madde enerjiden daha somut bir kavramdır. Enerji,
maddeyi ısıtarak hareket ettirerek ya da elektrik
yükleyerek varlığını belli eder. Enerji bir durumdan başka
türbin
bir duruma geçerken madde üzerinde bir takım fiziksel,
kimyasal ya da biyolojik değişimler olur. Örneğin;
kömürün içinde bulunan kimyasal enerji, ısı enerjisine
dönüşürken kömürde bazı değişimler gözlenir.
Şekil 1.1: Yüksekten akan suyun poMaddede bulunan enerjinin yoktan var olması, var
tansiyel enerjisinin mekanik enerjiye
olanının da yok olması düşünülemez. Buna enerjinin
dönüştürülmesinde kullanılan hidsakınımı kanunu denir.
roelektrik santralin yapısı
Enerji, maddede potansiyel (durağan, durum enerjisi)
ya da kinetik (dönüşüm hâlindeki) enerji şeklinde bulunur.
Barajda biriken suyun potansiyel enerjisi vardır. Bu su, şekil 1.1'de görüldüğü gibi boruyla yukarıdan
aşağıya akıtıldığında kinetik enerjiye dönüşür. Borudan akan su, elektrik santralinin türbininin
kanatlarına çarptığında suyun taşıdığıpotansiyel enerji mekanik enerjiye, türbin, alternatörü
döndürdüğünde ise elektrik enerjisine dönüşür.
3. Enerji çeşitleri: Dünyada bulunan enerjinin çoğu, şu ya da bu şekilde güneşten gelir. İnsan ve
hayvanların beslendiği bitkiler, güneş enerjisi sayesinde yaşamlarını sürdürürler. Odunun, kömürün,
petrolün içinde bulunan güneş enerjisi de insanlar tarafından çeşitli işlerde kullanılır. Enerji çeşitleri
şöyle sıralanır:
a. Isı enerjisi: Herhangi bir yakıtın (katı, sıvı, gaz) yanması ya da atomun parçalanması sonucunda
ortaya çıkan enerji türüdür. Isı enerjisi doğrudan kullanılan bir enerji olduğu gibi elektrik enerjisine
dönüştürülerek de kullanılmaktadır. Yakıt (odun, kömür, petrol, doğal gaz ve benzerleri), içindeki
potansiyel enerji kolaylıkla ısı enerjisine dönüşebilen bir kaynaktır. İyi bir yakıtın hem ucuz hem de
çevreyi kirletmeyecek özellikte olması istenir.
Isı enerjisi kaynakları şunlardır:
I. Katı kaynaklar (odun, kömür, linyit),
II. Sıvı kaynaklar (petrol ürünleri),
III. Gaz kaynaklar (doğal gaz, LPG),
IV. Nükleer kaynaklar (atomun parçalanması),
V. Diğerleri (güneş, jeotermal)
b. Işık enerjisi: Işık enerjisi, ısı enerjisi üreten kaynaklar tarafından yayılır. Odun, kömür, petrol
gibi maddelerden ısı enerjisinin yanında ışık enerjisi de elde edilebilir. Güneş ısı enerjisiyle birlikte
değişik dalga boylarında ışık enerjisi de üretir. Elektrik enerjisi de kolayca ışık enerjisine
dönüştürülebilir.
Işık enerjisinin yayılma hızı çok yüksek olup saniyede 300.000 kilometredir. Işık enerjisi, fotopil
panelleri ya da mercekli su kazanlarıyla üretilen basınçlı buhar ile elektrik enerjisine dönüştürülebilir.
c. Kimyasal enerji: Pil ve akümülatörlerin içinde bulunan potansiyel enerji, kimyasal reaksiyon
(tepkime) sonucu doğru akım (DC) elektrik enerjisine dönüştürülebilir.
Taşıtlarda kullanılan akümülatörler, aracın ilk çalışma anında marş motorunu hareket ettirecek
enerjiyi sağladığından çok önemlidir.
18
Radyo, telefon, telsiz ve benzerleri gibi taşınabilir cihazlarda kullanılan pil ve akümülatörler de
son derece yaygın kullanım alanına sahiptir.
ç. Mekanik enerji: Bir sistemin mekanik hareketinden kaynaklanan enerji türüdür. Mekanik enerji
potansiyel ve kinetik enerji olmak üzere ikiye ayrılır. Dağın tepesinde duran bir taşın potansiyel
enerjisi vardır. Bu taş tepeden aşağı yuvarlandığı zaman bir iş yapar. Hareket hâlindeki cisimlerde
de bir enerji vardır. Bu enerjiye kinetik enerji denir.
Şekil 1.1'de yüksekten akan suyun potansiyel enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren hidroelektrik
santralin kesit görünüşü verilmiştir.
Mekanik enerjinin elde edilmesinde kullanılan bazı yöntemler şunlardır:
I. Suyun yüksek bir yerden aşağıya düşürülüp türbini döndürmesi,
II. Rüzgârın pervaneyi döndürmesi,
III. Benzinli ya da dizel motorun pistonu hareket ettirmesi,
IV. Deniz dalgalarının mekanik düzenekleri hareket ettirmesi
d. Elektrik enerjisi: En kullanışlı enerji olan elektrik, bugün, ev ve iş yerlerinin vazgeçilmez
unsurudur. Ülkelerin gelişmişlik düzeylerinin belirlenmesinde yararlanılan göstergelerden birisi de
kişi başına düşen elektrik tüketimi miktarıdır. İnsanlığın yaşantısını kolaylaştıran elektrik enerjisi,
alternatör, dinamo, pil, akümülatör, fotopil gibi düzenekler tarafından üretilmektedir.
Elektrik, iletken maddelerin (bakır, alüminyum, gümüş ve benzeri) atomlarının son yörüngelerindeki
elektronların hareketi olarak açıklanabilir. Elektrik enerjisi diğer enerjilere (ısı, ışık, kimyasal, mekanik
ve benzeri) çok kolayca dönüşebildiğinden öteki enerji kaynaklarından çok üstündür.
Elektrik enerjisi üretiminde kullanılan kaynaklar şunlardır:
I. Hidroelektrik kaynaklar,
II. Termik kaynaklar,
III. Nükleer kaynaklar,
IV. Diğer kaynaklar.
Elektrik enerjisinin üstünlükleri şunlardır:
I. Diğer enerjilere kolayca dönüşebilir.
II. Kullanıldığında artık madde bırakmaz ve çevreyi kirletmez.
III. Elektriğin gerilim ve akım değeri istenildiği kadar alçaltılıp yükseltilebilir.
IV. Kurallara uyularak kullanıldığında çok güvenlidir.
V. Üretimi, iletimi ve dağıtımı diğer enerji kaynaklarına oranla kolaydır.
VI. Depo edilebilir.
C. Maddenin yapısı
Çevremize baktığımızda su, taş, toprak, bulut gibi pek çok varlık görürüz. Bu listeye kömürü,
demiri, altını, gümüşü, tahtayı, şekeri, tuzu, gazı da ekleyebiliriz. Kütlesi olan ve uzayda yer kaplayan
her şeye madde denir.
Her maddenin rengi, kokusu, şekli, tadı, yumuşaklığı, şeffaflığı, matlığı, katı, sıvı ya da gaz oluşu
farklıdır.
Maddelerin gözle görünen özelliklerine görülebilir özellikler denir. Maddelerin renkleri, şekilleri,
saydamlıkları, matlıkları görülebilir özellikleridir.
Maddelerin, baktığımızda görünmeyen ama duyu organlarımızla hissedebildiğimiz özelliklerine
de hissedilebilir özellikleri denir. Kokuları, tatları, sertlik ya da yumuşaklıkları ise maddelerin
hissedilebilir özelliklerindendir.
Dünya'da katı, sıvı ya da gaz hâlinde bulunan bütün maddeler atomların birleşiminden oluşmuştur.
Elektrik akımını iletme durumlarına göre maddeler üçe ayrılır. Bunlar, iletken, yalıtkan ve yarı
iletkenlerdir. Elektronik devre elemanlarının büyük bölümü katıların iletkenliği temeline dayanılarak
yapılır. Bir maddenin elektriği iletme oranı, maddenin serbest elektron üretme yeteneğine bağlıdır.
19
1. Maddelerin yapısının fiziksel olarak açıklanması
a. Katı madde: Maddenin belirli bir şekli ve hacmi olan hâlidir. Demir, tahta ve bakır katı maddeye
örnek olarak verilebilir. Katı maddelerin şekilleri ve hacimleri dışarıdan bir etki yapılmadığı sürece
değişmez. Katı maddeyi oluşturan tanecikler arasındaki boşluklar çok azdır.
b. Sıvı madde: Hacimleri belirli, şekilleri ise belirsizdir. Sıvı maddeyi oluşturan tanecikler arasında
az da olsa boşluklar bulunur. Sıvı maddeler konuldukları kabın şeklini alırlar. Benzin, su ve yağ sıvı
maddelere örnek olarak verilebilir.
c. Gaz madde: Belirli bir şekli olmayan maddedir. Hava, doğal gaz, tüp gaz, karbondioksit gibi
maddeler gazdır. Gaz tanecikleri arasında büyük boşluklar bulunur.
Katı, sıvı, gaz hâllerinden birinde bulunan maddeler fiziksel bakımdan birbirine dönüşebilir.
Örneğin; su normal koşullarda sıvı hâldedir. Suyun sıcaklığı 0 °C'ın altına düşürülürse katı hâle, 100
°C'ın üzerine çıkarıldığında ise gaz hâline geçer.
d.Plazma Madde: Gaz halindeki maddeyi ısıtırsak maddenin atom veya moleküllerinden
elektron kopartırız. Bu durumda maddenin atom veya molekülleri iyonlaşır. İyonlar (+) yüklü,
elektron (-) yüklü olarak sistemde bulunurlar. Milyon derecelerde ortamdaki ısıl enerji o kadar
yüksektir ki, madde kararlı hale geçemez. İşte bu kararsız halde bulunan (+) ve (-) yüklü
parçacıkların oluştuğu durum, maddenin dördüncü hali olarak bilinen PLAZMA’dır. Normalde
çok yüksek sıcaklıklarda görülen plazma, Dünya üzerinde düşük sıcaklıklarda gerçekleşen bazı
olaylar sonucunda kısa süreli de olsa gözlenebilmektedir.
2. Maddelerin yapısının kimyasal olarak açıklanması
a. Basit madde: Yalnızca bir cins atom bulunduran maddeye basit
madde denir. Basit maddede bulunan atomların tümü aynı özelliktedir.
b. Bileşik madde: İki ya da ikiden çok elementin kimyasal
yöntemlerle birleşmesiyle oluşan yeni maddeye bileşik madde adı
verilir.
c. Molekül: Bileşik maddenin bütün özelliklerini taşıyan en küçük
parçaya molekül denir. Her bir molekülün içinde bileşik maddeyi
Şekil 1.2: Molekül modeli
oluşturan basit maddelerin atomları bulunur. Molekül içindeki basit
madde atomları aynı sayıda oldukları gibi, farklı sayılarda da olabilirler. Örneğin; sodyum klorür
(NaCl) molekülü, 1 sodyum (Na) ve 1 adet de klorür (Cl) atomu bulundurur. Bir su (H2O) molekülünde
2 hidrojen (2H) ve 1 oksijen (O) atomu vardır. Bakır sülfat (CuSO4) molekülünde ise 1 bakır, 1
kükürt ve 4 oksijen atomu vardır. Şekil 1.2'de molekül modeli örneği verilmiştir.
çekirdek
29p
1e
serbest elektron
Şekil 1.3: Bakırın atom yapısı
Şekil 1.4: Bakır atomunun yapısının basitçe gösterilişi
3. Maddelerin yapısının elektriksel olarak açıklanması
a. İletkenler: Bir atomun en dış enerji düzeyinde (yörüngesinde) az sayıda (1, 2, 3) elektron
varsa, bu elektronları çekirdeğe bağlayan güç zayıftır. Örneğin; bakır atomunun son yörüngesinde 1
elektron vardır ve bu, çekirdek tarafından kuvvetlice çekilmediğinden kolayca serbest hâle geçebilir.
Bakırdan yapılmış bir iletkenin iki ucuna belli bir gerilim uygulanırsa, elektronlar üretecin eksi (-)
ucundan artı (+) ucuna doğru gitmeye başlar. Elektron hareketi elektrik akımıdır. Gerilim kaynağının
artı ucu elektronları yakalarken, eksi (-) ucu maddeye elektron verir. Üretecin gerilimini, bir çeşit
20
elektron pompası olarak düşünebiliriz. Gerilimin büyüklüğü artarsa, elektronların ortalama hızları
artar ve hızlı bir şekilde ilerlerler.
Son yörüngesinde (valans bandı) 1, 2, 3 serbest elektron bulunduran maddeler az ya da çok elektrik
akımını iletirler.
En dış yörüngesinde 2 elektron bulunduran demir ve 3 elektron bulunduran alüminyumun
iletkenlikleri bakıra göre daha azdır.
Şekil 1.3'te yaygın olarak kullanılan bir iletken olan bakır atomunun yapısı ve şekil 1.4'te bakır
atomunun yapısının basit olarak gösterilişi verilmiştir.
b. Yalıtkanlar: Gerilim uygulandığında iletkenliği çok alçak düzeyde
olan malzemelere yalıtkan denir. Elektrik akımını iletmeyen maddeler
yalıtkandır.
Atom yapısı açısından bakıldığında, son yörüngelerinde (valans bandı)
5, 6, 7, 8 elektron bulunduran tüm maddeler az ya da çok yalıtkandırlar.
Yalıtkanlarda atomlar arası boşlukta serbest elektron bulunmaz.
Ayrıca, elektronlar çekirdeğe çok sıkı bağlarla bağlıdır.
Elektrik akımını geçirmeyen yalıtkan maddelerde her atom nötr
Şekil 1.5: Yalıtkanların
durumdadır. Bir yalıtkana fazladan eklenen yük, maddenin o bölgesinde
son yörüngesinde bulunan
statik olarak kalır. Yükler atomdan atoma iletilmediği için yalıtkan
elektronlar
üzerinde başka bir bölgeye geçiş söz konusu değildir.
Plastik, cam, kauçuk, mermer, kâğıt, tahta gibi yalıtkanlık düzeyi yüksek olan maddelerin atomlarının
son yörüngelerinde şekil 1.5'te görüldüğü gibi 8 adet elektron vardır. Bu atomlarda son yörünge
elektron bakımından doymuş durumdadır. Dışarıya elektron verme ya da dışarıdan elektron alma
çok zordur.
Cam, mika gibi iyi yalıtkanların direnci 1015 W/cm3 düzeyindedir. Yalıtkanların çok yüksek direnç
göstermeleri madde içindeki serbest elektronların ya da diğer akım taşıyıcıların olmamasındandır.
Yalıtkanlarda atomun bağ yapısı, elektronların yörüngesinden çıkmasına izin vermez.
Şekil 1.6: Yarı iletkenlerin kristal yapısının üç boyutlu olarak gösterilmesi
c. Yarı iletkenler: Son yörüngelerinde (valans bandı) 4 elektron bulunduran maddelere yarı iletken
denir. Yarı iletkenlerin direnci iletkenlerin direncinden yüksek, yalıtkanların direncinden düşüktür.
İletkenlik bakımından iletken ve yalıtkanlar arasında yer alırlar.
Yarı iletkenlerin 1 cm3 ünün iki yüzü arasındaki direnç normal oda sıcaklığında 0,1-50 W arasındadır.
Bu tip maddelerin dirençleri sıcaklık ile düzgün değişme göstermez.
Yarı iletkenlerin bazıları bileşik, bazıları elementtir. Bileşiklere örnek olarak çinko oksit ile bakır
oksiti verebiliriz. Elementlere örnek olarak ise germanyum ve silisyum (silikon) gösterilebilir.
Yarı iletkenler kristal yapıda olup atomları belirli bir sistemle sıralanmıştır. Bu yapı tekli kristal
(monokristal) ya da çoklu kristal (polikristal) olabilmektedir. Şekil 1.6'ya bakınız.
Silisyum ve germanyum atomlarının son yörüngelerinde dört elektron vardır. Germanyumun ve
silisyumun saf kristalleri oldukça iyi bir yalıtkan olmalarına karşın, atom yapılarına küçük miktarlarda
arsenik, indiyum ve benzeri madde ekleyerek iletkenlikleri önemli ölçüde değiştirilebilmektedir.
Yarı iletkenler diyot, transistör, tristör, triyak gibi elektronik devre elemanlarının üretilmesinde
kullanılmaktadır.
21
Ç. Atomun yapısı ve elektron teorisi
1. Atomun yapısı: Uzayda yer kaplayan her cisme
madde denir. Maddeyi oluşturan atomlar, elektron,
proton ve nötron olmak üzere üç temel parçacığın
birleşimiyle oluşur. Atom Yunanca'da bölünemez
anlamındadır. Ancak günümüzde atom
bölünebilmektedir. Bu nedenle atomu maddelerin
çekirdek
bölünemeyen en küçük parçası olarak tanımlamak
doğru değildir. Onun yerine maddenin en küçük
parçasına atom denir tanımını yapmak daha doğru
olacaktır.
Proton ve nötronlar çekirdek adı verilen kısımda
bulunurken elektronlar kendi etrafında ve çekirdek
yörüngeler
etrafındaki eliptik yörüngelerde dönerler.
(enerji seviyeleri)
Elektronların hareketlerini, güneş etrafında dönen
Şekil 1.7: Atomun yapısının
gezegenlerin davranışına benzetmek olasıdır.
basit olarak gösterilişi
Şekil 1.7'de görüldüğü gibi atom çekirdeğinin
çevresinde dönen elektronlar en çok 7 yörünge
üzerinde hareket ederler. Eksi (-) yüklü olan
32e
elektronlar
elektronlar yörüngelerinin bulunduğu yarıçapa
18e
orantılı olarak potansiyel ve kinetik enerjiye sahiptir.
8e
Atom çekirdeğinde bulunan protonlar elektriksel
bakımdan artı (+) yüklü, nötronlar yüksüz,
2e
elektronlar ise eksi (-) yüklüdür.
Elektron ağırlık bakımından protonun 1836'da 1'i
kadardır. Ancak elektronun taşıdığı elektrik yükünün
şiddeti protonun elektrik yüküne eşittir.
çekirdek
Proton ve nötron, atomun çekirdeğinde
(proton
ve
birbirlerine büyük bir kuvvetle bağlıdır. Zayıf
nötronlar)
kuvvetlerle bu parçacıklar birbirinden
koparılamazlar.
Şekil 1.8: Atomun çekirdeği ve
Atomdaki elektronlar şekil 1.8'de görüldüğü gibi,
yörüngelerdeki elektronların dizilişi
K, L, M, N, O, P, Q adı verilen kabuklarda dağılmış
olup, elektrik akımını taşıyan elektronlar en son kabukta yer
almaktadır.
elektron
Çekirdeğe en yakın yörüngede bulunan elektronlar yüksek
elektriksel çekim kuvveti nedeniyle yerlerinden ayrılamazlar.
Çekirdekten uzak yörüngelerde dönen elektronlar ise çekirdeğe
daha zayıf kuvvetlerle bağlanmışlardır. Bu sayede bir atomun en
dış (valans) yörüngesinde bulunan elektron yerinden ayrılıp başka
atom çekirdeği
bir atomun dış yörüngesine girebilir. Bu işlem gerçekleştiğinde
elektronunu kaybeden atom artı (+) yüklü iyon, elektron kazanan
diğer atom ise eksi (-) yüklü iyon durumuna geçer.
Bir maddenin elektriksel olaylarının oluştuğu son kabukta
Şekil 1.9: Hidrojen atomu
bulunan elektronlara valans elektronları denilmektedir.
Elementler içinde en basit yapıya sahip olan madde şekil 1.9'da görülen hidrojen atomudur. Bu
atom, ortada bir çekirdek ile onun etrafındaki yörüngede dönen bir elektrondan oluşur.
Bir atomda elektron ve proton sayısı birbirine eşitse bu atoma nötr atom denir. Elektron ve proton
sayılarının eşit olmadığı atomlara ise yüklenmiş atom adı verilir.
a. Çekirdek: Çekirdek, proton, nötron, pozitron, antiproton ve antinötron gibi parçacıklardan
22
oluşmuştur. Bunların içinden önemli olanları proton ve nötronlardır.
Her basit maddenin atom yapısındaki proton sayıları farklıdır. Bir atomdaki proton sayısı o
maddenin atom numarasını gösterir. Örneğin, hidrojen atomunun çekirdeğinde 1 proton olduğu
için bu maddenin atom numarası 1'dir. Bakırın atom numarası ise 29'dur.
Atomun çekirdeğindeki proton ve nötron sayılarının toplamı ise bize o maddenin kütle numarasını
(atom ağırlığını) bildirir. Bakır atomunda 29 proton ve 34 nötron bulunduğuna göre, bakır atomunun
kütle numarası, 29+34 = 63'tür.
Aynı basit maddenin atomunda farklı sayıda nötron yer alabilir. Proton sayıları aynı olan ancak
nötron sayıları farklı olan atomlara, o maddenin izotopları denir.
b. Elektronlar: Atom çekirdeği etrafındaki yörüngelerde dönen elektronların dönüş hızları saniyede
2000 km ye ulaşmaktadır. Bu yüksek hızdan dolayı oluşan merkezkaç kuvvet sayesinde elektron
yörüngesinde dengede kalmaktadır.
20. yüzyılın başlarında Bohr ve diğer bilginler tarafından yapılan çalışmalar elektron yörüngelerinin
katmanlar hâlinde oluştuğunu göstermiştir.
Elektronlar yörünge (enerji seviyesi, orbital, kabuk) adı verilen yollar üzerinde dönerler. Bu
yörüngelere K, L, M, N, O, P, Q adı verilir ve yörüngeler çekirdekten dışarıya doğru 1, 2, 3,... olarak
numaralanır. Her yörüngede maksimum kaç elektron bulunduğu katman sayısının karesinin 2 ile
çarpılmasıyla bulunur.
Her katmanda bulunabilen en fazla (maksimum) elektron sayısı 2n2 denklemiyle bulunur. (n = 1,
2, 3 ...)
Atomların kabuklarındaki maksimum elektron sayıları şöyledir: K: 2, L: 8, M: 18, N: 32, O: 50,
P: 72, Q: 98.
c. Serbest elektronlar: Bir atomda dışarıya elektron verme ya da dışardan elektron alma işlemleri
sadece en dış yörüngede ortaya çıkar. Bu bakımdan maddenin bütün fiziksel ve kimyasal özelliklerinde,
dış yörünge elektronları görev yapar.
Yörüngesini terk eden elektronlar şekil serbest elektron
serbest elektron
1.10'da görüldüğü gibi atomlar arasında
dolaşmaya başlar. İşte bunlara serbest
elektron denir. Serbest elektronlar
madde içinde dolaşırken önlerine çıkan
atomlara çarparak bu atomların son
yörüngesindeki elektronu serbest hâle
getirip onun çıktığı yörüngeye girerler.
Şekil 1.10: Serbest elektronların iletken içindeki hareketi
Sonuç olarak çekirdeğe zayıf bağlarla
bağlı olan son yörünge elektronları
maddenin içinde sürekli olarak serbest elektron hareketinin olmasına neden olurlar.
Çekirdeğe zayıf bir kuvvetle bağlı olan elektronların serbest hâle geçmesi ısı, ışık, elektrik, mekanik
ve benzeri gibi dış etkilerle gerçekleşebilir.
Atomun en dış yörüngesinde değişik sayıda elektron bulunabilir. Ancak bu sayı 8'den çok olamaz.
Dış yörüngesinde 8 elektronu bulunan atomlar kararlılık kazanmış olur. 8 elektronlu dış yörüngelere
doymuş yörünge denir. Doymuş yörüngenin elektronları çekirdeğe daha sıkı bağlarla bağlıdır. Asal
gazlar olarak bilinen helyum (He), neon (Ne), argon (Ar) ve kripton (Kr) gibi gazların atomları
böyledir.
Bazı atomlar elektron vermeye ve bazıları da elektron almaya çalışırlar. Atomun bu özelliğini dış
yörüngedeki elektron sayısı belirler. Dış yörüngesinde 4'ten az elektron bulunan atomlar elektron
vermeye ve 4'ten fazla elektron bulunan atomlar da elektron almaya yatkındırlar.
Bor (B) atomunun dış yörüngesinde 3 elektron vardır. Bu yörüngenin doyması (kararlı hâle gelmesi)
için 5 elektron daha gereklidir. Atom dışarıdan 5 elektron almak yerine, kendisinin 3 elektronunu
kolayca verebilir. Bu nedenle bor atomu 3 valanslıdır denir.
23
Oksijen (O) atomunun dış yörüngesinde 6 elektron vardır. Atom bu yörüngesini doymuş hâle
getirmek için dışarıdan 2 elektron alır. Buna göre oksijen 2 valanslı bir maddedir.
Bakır (Cu) atomunun dış yörüngesinde 1 elektron vardır. Bu 1 elektron çekirdeğe epey uzaktır.
Dolayısıyla bakır atomu dışarıdan 7 elektron alıp kararlı hâle geçmek yerine 1 elektronunu serbest
bırakır.
Dış yörüngelerinde 4'ten az elektron bulunduran maddeler bu elektronlarını dışarıya verme eğilimi
(yatkınlığı) gösterirler. Dış yörüngelerinde bulunan elektronlarını kolayca veren maddelere örnek
olarak altın, gümüş, bakır, alüminyum ve demiri gösterebiliriz.
3e- var
2e- var
(a) atom nötr (dengede)
(b)
4e- var
atom artı yüklü
(c)
atom eksi yüklü
Şekil 1.11: Atomun nötr, artı yüklü, eksi yüklü iyon durumunun gösterilişi
ç. Elektrik yükü kavramı: Bir atom, elektron kaybettiğinde şekil 1.11-b'de görüldüğü gibi pozitif
yüklü hâle geçer. Atom dışarıdan bir elektron alırsa şekil 1.11-c'de görüldüğü gibi negatif yüklü
duruma geçer.
Atomların artı (+) ya da eksi (-) yüklü olması durumuna şarjlı olma da denilir. Herhangi bir atom
şarjlı durumdaysa buna, iyon adı verilir. Atomlar, fazla olan elektronlarını verip nötr (yüksüz) hâle
geçmek isterler. Bu özellik, aynı adlı yüklerin birbirini itmesi, zıt yüklerin birbirini çekmesinden
kaynaklanmaktadır.
d. İyon: Atomların elektriksel açıdan dengesiz hâline iyon denir. Dış etkilerle atomun son
yörüngesinde bulunan elektronun biri alınırsa elektriksel denge bozularak atom artı (+) yüklü iyon
durumuna geçer. Dengedeki bir atomun son yörüngesine bir elektron girecek olursa atom eksi (-)
yüklü iyon durumuna geçer. Şekil 1.11-a-b ve c'ye bakınız.
D. Statik elektrik
Hareketsiz elektrik yüklerinin oluşturduğu elektriklenmeyle ilgili konular statik elektrik ana başlığı
altında incelenir. Bir cisim eksi (-) ya da artı (+) elektrik yüküyle yüklenmiş olabilir.
Plastik parçasını kumaşa sürtelim. Sürtünme sonucunda plastik maddenin küçük kâğıt parçalarını
çektiği görülecektir. Bunun nedeni sürtünme sonucu plastik maddenin elektriklenmesidir. Ancak
plastik üzerinde biriken elektrik yükü hareket etmeyen, durgun (statik) bir yüktür. Madde içindeki
atomların elektronları sürtünme nedeniyle yörüngelerinden koparlar. Bu ise maddenin elektriksel
bakımdan artı (+) ya da eksi (-) yüklü duruma geçmesine neden olur.
Akaryakıt taşıyan tankerlerin arkasında sallanarak yere değen zincir taşıtın üzerinde biriken statik
elektrik yüklerini toprağa akıtarak akaryakıtın patlama riskini ortadan kaldırır.
Yüksek yapılara kurulan paratoner (yıldırımlık) tesisatı, değeri 100.000.000 V düzeyinde olduğu
tahmin edilen elektrik yüklerinin yapıya zarar vermeden toprağa akmasını sağlar.
Fotokopi makineleri ve lazer yazıcılarda kâğıda yazı, resim aktarma işlemi yapılırken statik
elektrikten yararlanılır.
Yukarıda açıklanan konular, statik elektriğin ortaya çıkardığı sonuçlara örnek olarak verilmiştir.
Bu nedenle durgun (statik) elektriğin oluşumunu ve özelliklerini bilmemiz gerekir.
24
E. Elektrik yükü
1. Elektrik yükü ve birimi: Nötr durumdaki bir atom herhangi bir yolla elektron kazanmışsa eksi
(-) yüklü, elektron kaybetmişse artı (+) yüklü olur. Atomun artı (+) ya de eksi (-) yüklü olması
elektronlar sayesinde olmaktadır.
Sürtünme sonucunda plastik maddedeki elektronlar cismin dış yüzeyinde birikir ve negatif bir
elektrik yükü (şarjı) ortaya çıkar. Plastik yalıtkan olduğu için üzerindeki statik elektrik yükünü
muhafaza eder.
İpek, kürk, cam gibi maddeler de sürtünme yoluyla elektriklenirler. Bu elektriklenmeler kuru havada
daha kolay gerçekleşir. Nemli maddeler elektrik yükü oluşturma bakımından pek elverişli değildir.
Kâğıt, cam gibi maddelerde ise sürtünme sonucu artı yükler toplanır. Bu maddeler elektron verirler.
Elektronlardan oluşan elektrik şarjına negatif (-) yüklenme, oyuklardan oluşan elektrik şarjına ise
pozitif (+) yüklenme denir.
Statik elektrik yükü oluşabilmesi için milyarlarca elektron ya da oyuğun toplanması gereklidir. Bu
nedenle elektrik yükü için pratik bir birim belirlenmiştir.
Elektrik yükünün birimi coulomb (kulon)dur. Kulonun sembolü Q ya da q, birimi ise C ile gösterilir.
1 kulon 6,25.1018 adet elektron ya da proton yüküne eşittir. 6,25.1018 adet elektron ya da proton
1 kulonluk elektrik yükünü oluşturur.
Kulonun ast katı olan mikrokulon (mC), kulonun milyonda biridir. 1 C = 1000000 mC'dur.
2. Coulomb (Kulon) kanunu: Durgun hâldeki elektrik yüklerinin birbirlerine karşı yaptıkları
kuvvetler kulon kanunu ile tanımlanır.
Kulon tarafından yapılan deneylerde aşağıda verilen sonuçlar alınmıştır.
I. Elektrik yükleri arasında bir kuvvet vardır.
II. İki cins elektrik yükü vardır. Aynı cins yükler arasındaki kuvvet itme, zıt cinsten yükler arasındaki
kuvvet ise çekme şeklindedir.
III. Yükler arasındaki itme ya da çekme kuvveti, yükleri birleştiren doğru (hat) yönündedir.
IV. İki yük arasındaki kuvvet, yüklerin arasındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır.
V. İki yük arasındaki kuvvet, yüklerin büyüklüklerinin çarpımlarıyla doğru orantılıdır.
VI. Yükler arasındaki kuvvet, yüklerin bulunduğu ortama bağlıdır.
Bu sonuçlara göre kulon kanununu şöyle açıklayabiliriz:
İki elektrik yükü arasındaki itme ya da çekme kuvveti, yüklerin
çarpımıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır.
İki elektrik yükü arasındaki itme ya da çekme kuvvetini
hesaplamada kullanılan denklem:
9.109.Q1.Q2
F = ___________ [newton]
er.r2
Denklemde,
F: Yükler arasındaki kuvvet (N),
Q1, Q2: Elektrik yükleri (kulon),
er: (epsilon r) Yüklerin bulunduğu ortamın bağıl dielektrik
katsayısı,
r: Metre cinsinden yükler arasındaki uzaklıktır.
Çizelge 1.1: Bazı yalıtkanların er değerleri
Örnek: +1 C değerindeki iki elektrik yükü arasındaki uzaklık 1 m'dir. Yükler boşlukta olduğuna
göre aralarındaki itme kuvvetini bulunuz
9.10 9.Q1 .Q 2 9.10 9.1.1
Çözüm: F =
=
= 9.109 N
e r .r 2
1.12
25
Not: 1 ton = 9810 N olduğuna göre F kuvveti ton cinsinden, F = 9.105 ton olmaktadır.
Örnek: +10 mC ve -20 mC'luk iki yük arasında 0,5 m'lik uzaklık vardır. Ortam mika olduğuna göre
yükler arasında oluşan kuvveti bulunuz.
Not: Yükler zıt cinsten olduklarından, aralarındaki 1,44
N'luk kuvvet çekme şeklindedir. İşlemin sonucunda bulunan
eksi (-) işareti yükler arasındaki kuvvetin çekme şeklinde
olduğunu göstermektedir.
3. Elektriklenme yöntemleri: Cisimlerin statik (durgun)
elektrik yükleriyle yüklenmesine elektriklenme denir.
Elektriklenme olayında bazı cisimler elektron kaybeder,
bazıları da elektron kazanır. Elektron kazanan cisimler eksi
yüklü olurken, elektron kaybeden cisimler artı yüklü hâle
geçer. Statik elektriklenme yöntemleri şunlardır:
ipekli kumaş
9.10 9.Q1 .Q2
9.10 9.10.10 -6.20.10 -6
Çözüm: F =
=
= -1,44 N
e r .r 2
5.0,5 2
- -+ - - - -+ - - - - - - - -
+ ++ +
+
+
cam çubuk
Şekil 1.12: Sürtme ile elektriklenme
a. Sürtme ile elektriklenme: Elektronlara karşı ilgi
dereceleri farklı olan iki cisim birbirlerine sürtülürse, bu
cisimlerden birisi pozitif diğeri ise negatif elektrik yüküyle
kâğıt parçaları
yüklenir. Bu olaya sürtme ile elektriklenme denir.
Cam çubuk şekil 1.12'de görüldüğü gibi ipekli bir kumaşa
sürtülürse elektriklenir. Bu sürtmede camın elektronlarının
bir kısmı ipekli kumaşa geçer. Elektron kaybeden cam,
Şekil 1.13: Statik elektrik yüküyle yükpozitif elektrik yüküyle yüklenir. Elektron kazanan yünlü
lenmiş cismin kâğıt parçalarını çekişi
kumaş ise negatif elektrik yüküyle yüklenir.
Camın elektriklenip elektriklenmediği, şekil 1.13'te görüldüğü gibi küçük kâğıt parçalarını çekip
çekmediğine bakılarak anlaşılabilir.
Elektriklenme, yalıtkan cisimlerin yalnız sürtülen kısımlarında görüldüğü hâlde, iletken cisimlerde,
cismin her tarafında görülür. Bunun nedeni, serbest elektronların, iletkenlerde çok miktarda,
yalıtkanlarda ise yok denecek kadar az olmasıdır. Serbest elektronların hareketiyle, iletkenin bir
tarafındaki yük, kolayca iletkenin her tarafına
yayılabilmektedir.
Saçlar taranırken, yünlü kazak çıkarılırken oluşan
kıvılcımlar, sürtme ile elektriklenmenin günlük yaşamdaki
nötr
örnekleridir.
b. Dokunma ile elektriklenme: Üzerlerindeki elektrik
yüklerinin miktarı farklı olan cisimler, birbirlerine
dokundurulduklarında, elektron bakımından zengin olan
cisimden, diğerine doğru şekil 1.14-b'de görüldüğü gibi
bir elektron akışı olur.
Elektron akışının nedeni, elektronu az olan cismin
elektron alarak ve elektronu çok olan cismin elektron
vererek nötr duruma geçmek istemesidir.
Birbirine dokundurulan cisimler ayrıldıklarında, aynı
cins elektrik yüküyle yüklendikleri görülür. Bu olaya
dokunmayla elektriklenme denir.
Aynı türden yüke sahip iki cisim birbirine değdirilirse
26
(a)
(b)
(c)
Şekil 1.14: Dokunma ile elektriklenme
cisimlerin yüklerinin işareti değişmez. Yalnızca yük dağılım oranı değişir.
Farklı yüke sahip iki cisim birbirine dokundurulduğunda ise yükü çok olan cisimden yükü az olan
cisme doğru bir yük hareketi olur. Sonuçta iki cisim de aynı elektrik yüküyle yüklenmiş olur.
c. Etki ile elektriklenme: Elektrikle yüklü ebonit ya da cam çubuk küçük kâğıt parçalarına ya da
elektrik sarkacındaki küreye yaklaştırıldığında bunları çeker. Bu durum cisimlerin sürtme ya da
dokunma olmadan da birbirlerini etkilediklerini gösterir.
Şekil 1.15'te verilen düzenekte artı yüklü cam çubuk
sarkaç
plastik çubuğa yaklaştırıldığında sarkaç itilir. Bunun nedeni
plâstik çubuk
cam çubuğun sarkacı etki yoluyla artı (+) yük ile
yüklemesidir. Sarkacın itilme nedenini şöyle
cam çubuk
açıklayabiliriz: Cam çubuk plastik çubuğa yaklaştırılınca
plastik çubukdaki eksi (-) yükler bu çubuğun L ucuna doğru
gider. K ucunda eksi (-) yük azalması olduğu için bu uç
artı (+) yüklü hâle geçer. Cam çubuğun artı (+) yüklerinin
Şekil 1.15: Cam çubuğun
etkisiyle plastik çubuğun K ucuna değen sarkacın eksi (-)
etki ile sarkacı itmesi
yükleri de plastik çubuğa geçer. Sonuçta hem sarkaç hem
de metalin K ucu pozitif yüklü olduğundan birbirlerini iterler.
Bir cismin yüklü bir cisim yardımıyla, dokunmadan elektrikle yüklenmesine etkiyle elektriklenme
ya da elektrostatik indüksiyon (endüksiyon) denir.
Etki ile elektriklenmede yüklü cisimle nötr cisim birbirlerine dokunmadığından aralarında yük
alışverişi olmaz. Yalnız nötr cismin elektronlarının yerleri değişir. Yüklü cisim yüksüz cismin yanından
uzaklaştırılırsa elektronlar tekrar eski yerlerine dönerler.
Negatif yüklü cisim şekil 1.16-a-b'de görüldüğü gibi birbirine dokunmakta olan iletken cisimlerden
birine yaklaştırıldığında elektronları
kendisine uzak uca itecektir. Bu
etkileşme sonucu yakın uç pozitif, (a)
uzak uç negatif yüklenir. Yüklü
neg
ati f
cisim uzaklaştırılırsa elektronlar
yü k
lü c
(b)
is im
eski yerlerine döner ve yüklenme
olmaz. Negatif yüklü cismin yerini
değiştirmeden metal çubuklar şekil
1.16-c'de
görüldüğü
gibi (c)
birbirinden uzaklaştırılırsa pozitif
Şekil 1.16: Etki ile elektriklenme
ve negatif yükler ayrılmış olur. Bu
uygulama sonucunda cisimler kalıcı olarak etki ile elektriklenmiş olur.
F. Elektrik alanı
Elektrik yükünün etkisini gösterdiği bölgeye elektrik alanı denir. Elektriksel olarak yüklü cisimlerin
birbirini itmesi ya da çekmesi, bunlar arasında fiziksel bir kuvvetin varlığını gösterir. Bu kuvvet
gözle görülmez ancak etkilerle kendisini belli eder. Elektriksel çekim kuvvetini yer çekimi kuvveti
gibi düşünebiliriz. Yer çekimi de görünmez. Ancak yüksekten bırakılan bir cisim yere doğru düşer.
1. Elektrik kuvvet çizgileri: Elektrik alanının yönü gösterilirken elektrik kuvvet çizgileri kullanılır.
Kuvvet çizgileri gözle görülmez. Ancak yapılan deneylerle biçimi (formu) gözlemlenebilir.
Kuvvet çizgilerinin özellikleri şunlardır:
I. Pozitif yükte, kuvvet çizgileri yükten dışarıya doğrudur. Negatif yükte ise dışarıdan içeriye
doğrudur (şekil 1.17).
II. Kuvvet çizgileri, birbirlerini iterler (şekil 1.18).
III. Kuvvet çizgileri birbirlerini kesmezler.
27
Şekil 1.17: Kuvvet çizgilerinin yüke göre yönü
Şekil 1.19: Zıt yükler
birbirini çeker.
Şekil 1.18: Aynı cins
yükler birbirini iter.
IV. Kuvvet çizgileri girdikleri ve çıktıkları yüzeylere diktirler.
2. Elektrik alanı ve alan şiddeti: Elektrik alanını belirten büyüklüğe elektrik alan şiddeti ya da
kısaca elektrik alanı denir. Elektrik alanı E ile
gösterilir.
Q = +3 mC
Elektrik alan şiddeti şöyle de tanımlanabilir: Elektrik
A
r = 2,5 m
alanı içerisindeki herhangi bir noktanın alan şiddeti, o
noktaya konan birim pozitif yüke etkiyen kuvvettir.
Bu denklemin MKS birim sistemindeki birimi N/C
(newton/coulomb) ya da V/m (volt/metre)'dir.
İki yükün birbirine uyguladığı kuvvet
dir. E =
er = 1
denklemi ile hesaplanır..
denkleminde F'nin yerine
Şekil 1.20
+8 mC
Q1
A
r1 = 2 m
r2 =1 m
Elektrik alan şiddeti E =
ifadesi konulacak olursa elektrik alanının
denklemi, E=
[V/m] bulunur..
Q2
+3 mC
Şekil 1.21
Örnek: Şekil 1.20'de görüldüğü gibi +3 mC'luk nokta şeklindeki yükten 2,5 m uzakta bulunan A
noktasının elektrik alan şiddetini bulunuz. Yükün bulunduğu ortam boşluktur.
Çözüm: Q = 3.10-6 C, r = 2,5 m, er = 1
EA=
= 9.109.3.10-6 / 1.2,52 = 4320 V/m
Örnek: Nokta şeklindeki Q1 ve Q2 yükleri şekil 1.21'deki gibi durmaktadırlar. Ortam hava olduğuna
göre A noktasının bileşke alan şiddetini bulunuz
(er = 1).
Çözüm
E1 =
E2 =
= 9.109.8.10-6/1.22 = 18000 V/m
= 9.109.3.10-6/1.12 = 27000 V/m
Not: Q1 ve Q2 yükleri A noktasındaki alan şiddetleri vektöriyel olarak birbirine 90° diktir. Bu
nedenle Q1 ve Q2 yüklerinin A noktasında oluşturdukları bileşke alan şiddeti Pisagor teoreminden
yararlanılarak hesaplanır.
28
G. Elektrik potansiyeli
Potansiyel, bir iş yapabilme yeteneği anlamına gelir. Elektrikle yüklü iki cismin birbirini itmesi ya
da çekmesi de bir iştir. Zıt yüke sahip iki cisim arasında elektriksel potansiyel farkı vardır.
1. Potansiyel ve gerilim: Bilindiği gibi statik elektrik alanı içinde bulunan, elektrikle yüklü cisimlere
bir kuvvet etki eder. Statik elektrik alanı içindeki Q yüküne etki eden alan denklemi E =
şeklindedir..
Bu denklemden F'yi çekersek, statik elektrik alanı içinde bulunan Q yüküne etki eden kuvveti F = Q.E
eşitliğiyle bulabiliriz.
Statik elektrik alanı içinde bulunan Q yükü F kuvvetinin etkisiyle hareket edince bir iş yapmış
olacağından, bu cismin (yükün) belli bir potansiyel enerjisinin olduğunu ifade edebiliriz.
Boşlukta bırakılan bir cismin, yer çekimi alanının etkisiyle yeryüzüne doğru hareket etmesi ve bu
hareket sonucunda bir iş yapması, bu cismin belli bir potansiyel enerjisinin bulunduğunu gösterir.
Yer çekimi alanı içinde bulunan her cismin sahip olduğu potansiyel enerji gibi, statik elektrik alanı
içindeki yüklü cisimlerin de belli bir potansiyel enerjisi vardır. Bu potansiyel enerji yüklerin
büyüklükleri, yükler arasındaki uzaklık ve bulunulan ortama bağlı olarak değişmektedir.
Üzerinde elektrik yükü bulunan bir cisim, F kuvvetine zıt yönde hareket ettirilecek olursa, bu
cismin potansiyel enerjisi yükselir.
Yüklü iki cisim arasındaki statik elektrik kuvveti, F =
Elektrik potansiyel enerjisi ise EA =
=
9.10 9.Q1 .Q2
denklemiyle bulunur..
e r .r 2
eşitliğiyle hesaplanır..
Şekil 1.22'de verilen Q yükünün A noktasındaki
potansiyeli VA ve B noktasındaki potansiyeli VB ile
gösterilirse bu iki nokta arasındaki potansiyel fark VAB
ile gösterilir.
Bu yaklaşıma göre VAB = VA - VB yazılabilir.
Değeri bilinen bir statik elektrik yükünden belli
uzaklıkta bulunan A ve B noktaları arasındaki
potansiyel farkı aşağıdaki denklemler kullanılarak
bulunabilir.
VA
VB
Denklemlerde,
VA: A noktasının potansiyeli (volt),
VB: B noktasının potansiyeli (volt),
rA: A noktasının Q yüküne olan uzaklığı (metre),
rB: B noktasının Q yüküne olan uzaklığı (metre)dir.
Q
r
A
B
Şekil 1.22
A
=
4
m
rA
rB = 6 m
B
Q = +10 mC
Şekil 1.23
Örnek: Şekil 1.23'te +10 mC'luk yükten 4 m ve 6 m uzaklıkta bulunan A, B noktaları arasındaki
potansiyel farkı bulunuz (er = 1).
Çözüm
VA =
= 9.109.10.10-6 / 1.4=22500 V
VB =
= 9.109.10.10-6 / 1.6 = 7500 V
VAB = VA - VB = 22500 - 7500 = 15000 V
2. Şimşek ve yıldırım: Bulutlarla toprak arasında potansiyel fark vardır. Bulutlarda biriken yüklerle
yerdeki yükler arasındaki potansiyel fark "sıçrama potansiyeli"ne ulaşınca yüklerin atlaması söz
29
konusu olur. Bu durumda nemli hava iletken görevi yapar.
Bulutların elektrik yüküyle nasıl yüklendikleri hakkında bir
çok teori vardır. Bu teorilerden birine göre, buluttaki elektrik
yükleri, hava akımı sonucu su damlacıklarının parçalanması
anında oluşur. Hava akımı sonucunda parçalanan su damlacıklarından küçük olanları negatif (-) ve büyük olanları pozitif
(+) yükle yüklenir. Ağır olan, pozitif (+) elektrikle yüklü su
damlacıkları, hava akımının en büyük olduğu noktalarda
toplanırken, negatif (-) elektrikli hafif su damlacıkları bulutun
Resim 1.1 Şimşek ve yıldırımlar
diğer kısımlarında dağılırlar.
Statik elektrikle yüklenmiş olan bulut, yeryüzündeki yüksek noktaları etki yoluyla elektrikler. Bulutta
ve yeryüzünün yüksek noktalarında biriken zıt cinsteki elektrik yükleri, havanın nem ve yağış
sonucunda iletken hâle gelmesiyle bu iki nokta arasında akarlar. Yüklerin bulutlarla yer arasında
atlaması yıldırım, bulutlar arasında atlaması ise şimşek olarak tanımlanır.
Şimşek olayında, ters elektrik yüklü bulutlar rüzgârın etkisiyle sürüklenip birbirleriyle temas
ettiklerinde aralarında çok büyük bir elektron alışverişi olur. Bu olay anında ark (kıvılcım) oluşur.
Elektrik yükleri cisimlerin sivri noktalarında daha yüksek yoğunluğa sahiptir. Yıldırımların daha
çok tepelere, yüksek binalara, anten direklerine, minarelere düşmesinin nedeni budur.
Yıldırım anında hava yalıtkanlıktan çıkar ve iletken gibi davranır. Buna havanın (yalıtkanın)
delinmesi denir.
Yıldırımdan korunabilmek için, yıldırımı zararsız bir şekilde toprağa vermek gerekir. Bunun için
binalara yıldırıma karşı koruma tesisatı yapılır. Bu tesisatlar binaları, içinde yaşayanları ve eşyaları
yıldırımın zararlarından korur. Binanın en yüksek noktasında bulunan, metalden yapılmış sivri uçlu
cisim yıldırımı binaya düşmeden yakalar ve uygun kesitli iletken tel ile toprağa aktarır.
3. Yalıtkanların delinmesi (iletkenleşmesi): Yalıtkanlar, yalıtma görevlerini belirli koşullar altında
sürdürebilirler. Bu koşullardan birinin yok olması hâlinde, yalıtkan iletken gibi davranabilir. Bu
olaya yalıtkanın delinmesi denir.
Yalıtkan maddenin yalıtım (izolasyon) görevini iyi yapabilmesi aşağıda verilen koşullara göre
değişmektedir:
I. Yalıtkanın cinsi,
II. Yalıtkanın kalınlığı,
III. Yalıtkana uygulanan gerilimin büyüklüğü,
IV. Yalıtkana uygulanan gerilimin etki süresi,
V. Elektrik alanının şekli,
VI. Hava koşullarıdır.
Uygulamada kullanılan yalıtkan maddelerin
delinmeye (geçirgen olmaya) karşı dayanımları, 1 cm
kalınlığındaki yalıtkan malzemeyi delebilen gerilimle
ölçülür. Tablo 1.2'de bazı yalıtkan maddelerin delinme
Çizelge 1.2 Yalıtkanların delinme gerilimleri
dayanımları kV/cm cinsinden verilmiştir. Bu tablodan,
havanın delinme dayanımının 30 kV/cm olduğu
anlaşılmaktadır. Bunun anlamı, 1 cm kalınlığındaki hava tabakası 30000 V'luk gerilime kadar
yalıtkandır.
Çİzelge 1.2'de aktarılan değerler normal hava koşulları içindir. Sıcaklığın, nemin değişmesi değerleri
değiştirecektir. Özellikle nem havanın iletkenliğini önemli derecede artırır.
Ğ. Elektrostatiğin endüstrideki kullanım alanları
Elektrostatik, baca filtrelerinde, osilaskoplarda, fotokopi makinelerinde, lazer yazıcılarda, boya
endüstrisi ve benzeri yerlerde kullanılır.
30
1. Statik elektriğin bazı zararları: Statik elektrik yükleri radyo dalgalarının yapısını bozarak
alıcıdan çıkan seslerin hışırtılı (parazitli) olmasına yol açar. Tahıl, un, ağaç tozu ve pamuk lifleri
statik elektrik yükleri sonucu oluşan kıvılcımlarla yangına yol açabilir.
Ameliyat anında oluşabilecek statik elektrik kıvılcımlarıyla yanıcı olan anestezik gazlar patlamalara
neden olabilir. Bu tür yerlerde statik elektrik yüklerinin toplanmasını engellemek için cihazlar
topraklanmalı, hava nemlendirilmeli ve iletken lastik eldivenler kullanılmalıdır.
Basım evlerinde, kâğıtlar statik elektrikle yüklenince birbirini iter ya da diğer eşyalar tarafından
çekilirler. Bu da kâğıtların makineye girişini güçleştirir. Plastik ve kumaş üretim tesislerinde de
benzer sorunlar karşımıza çıkar. Bu tür statik elektrik olaylarından kurtulmak için iyi çalışan
topraklama sistemleri kurulur.
2. Statik elektriğin bazı yararları: Statik elektriğin yararlı olduğu bazı alanlar aşağıda
açıklanmıştır.
a. Zımpara kâğıdı üretimi: Pozitif yüklü silindir (tambur), depodan gelen zımpara tozlarını önce
kendine çeker. Silindire yapışan cisimler silindirle aynı cins yüke sahip hâle geldikleri anda aşağıya
doğru itilirler. Negatif yüklü olan dayanıklı kâğıt ya da bezden yapılmış olan tutkallı zemin ise
silindirden itilen parçacıkları kendine çeker. Üretim aşamasında silindir döndüğünden ve minik
parçacıkların yapıştığı zemin ise sürekli ilerlediğinden, zemin üzerinde dişli bir yüzey (zımpara)
oluşur. Aynı prensipten hareket edilerek halı ve kadife üretiminde de elektrostatikten
yararlanılmaktadır.
dönen
tambur
depo
zımpara
tozları
tutkal
boya püskürtme
tabancası
hareket
yönü
kâğıt
eksi yüklü plaka
Şekil 1.24: Zımpara kâğıdının üretilmesi
Şekil 1.25: Statik elektriklenme ile boyama işlemi
b. Tabanca ile boyama işleri: Boyama işlerinde boya zerrecikleri tabancadan çıkarken pozitif
yüklü bir plaka yardımıyla, pozitif olarak yüklenir. Boyanacak cismi ise negatif olarak yüklersek,
tabancadan püsküren boya zerreciklerinin cisim tarafından çekilmesiyle hem düzgün bir boyama
yapılır hem de boya israfının önüne geçilmiş olur.
c. Baca filtreleri: Baca filtreleri zararlı partiküllerin
(zerrecik) atmosfere karışmasını önler. Statik elektrik
prensiplerine göre çalışan baca filtrelerinde baca
çıkışına doğru ilerleyen zerrecikler eksi yük ile
yüklenir. Bacanın çıkış noktasında ise artı (+) yüklü
cisim vardır. Eksi (-) yüklü zerrecikler artı (+) yüklü
cisime yapışır ve zararlı maddelerin çevreye zarar
vermesi önlenmiş olur.
ç. Osilaskoplar: Elektrik sinyallerini görünebilir
hâle getiren osilaskop cihazlarında katottan çıkan
31
Şekil 1.26: Bacadan çıkan zararlı
parçacıkların statik elektriklenme ilkesine
göre çalışan filtre düzeneğiyle tutulması
elektron demetleri statik elektrik uygulanan yatay ve düşey
saptırma levhaları tarafından yönlendirilmektedir.
d. Lazer yazıcılar: Lazer yazıcılarda makineye konulan
kâğıdın yüzeyi statik elektrik yükleriyle kaplanır. Kâğıda
aktarılması gereken yazı ya da resimler 1 ve 0 şeklindeki dijital
kodlara çevrilir. Dijital kodlar lazer ışını yayan lâmbayı hızlı
bir biçimde açar ve kapatır. Lazer ışınlarının kâğıda çarptığı
yerlerde bulunan statik elektrik yükleri
bu yüklerini kaybederler. Toner adı
verilen siyah toz boya kâğıt üzerine
serpilir. Ancak serpilen toner, yalnızca
giriş
elektrik yüklü parçacık bulunmayan
kısımlara yapışır. Kâğıt ilerleyerek
kâğıt
kaynaştırma (yapıştırma) bölümüne
gelir. Burada toner, ısı ve basınç
yardımıyla kâğıda yapıştırılır. Şekil
1.27'de lazer yazıcının yapısı verilmiştir.
H. Statik elektrik yüklerinin
ölçülmesi
Elektroskop, elektrik yüklerinin
varlığını ve cinsini belirlemek için
kullanılır. Yapısı şekil 1.28'de verilen
elektroskopta cam fanus içinde bulunan
metal yapraklar çok ince olup altın ya
da alüminyumdan yapılır.
Üzerinde elektrik yükü olup
olmadığını öğrenmek istediğimiz cisim,
elektroskobun başlığına yaklaştırılır. Bu
durumda elektroskop plakaları hiç
kıpırdamazsa cisim yüksüzdür. Plakalar
açılırsa cisim yüklüdür.
Elektroskopla bir cismin yükünün
cinsini anlamak için elektroskop
önceden cinsi bilinen bir yük ile yüklenir.
Elektroskop negatif yükle yüklenmiş
olsun. Bu hâldeyken bir cisim başlığa
yaklaştırılınca metal yapraklar birbirine
yaklaşırsa cismin pozitif yüklü olduğu
anlaşılır. Çünkü cisimdeki pozitif yük,
metal yapraklardaki eksi (-) yüklerin bir
kısmını başlığa doğru çekecektir.
Üzerindeki yük miktarı azalan metal
yaprakların birbirini itmesi de
azalacağından, yapraklar birbirine doğru
yaklaşır.
Yüklü cisim eksi (-) yüklü elektroskoba yaklaştırıldığında metal
yapraklar daha fazla açılacak olursa, bu
cismin de eksi (-) yüklü olduğu anlaşılır.
Resim 1.2: Osilaskop
elektronik veri
çözme devresi
toner
serpme
bölümü
lazer ışını
gönderme
bölümü
kaynaştırma
bölümü
kâğıt
Şekil 1.27: Lazer yazıcının iç yapısı
başlık
başlık
yalıtkan
cam
fanus
metal
yapraklar
Şekil 1.28: Elektroskoplar
cisim
Şekil 1.29: Eksi ve artı yüklü cisimlerin
elektroskop plakalarını açışı
32
cisim
Bu işlem anında metal yaprakların daha çok açılmasının nedeni eksi (-) yüklü olan cismin, metal
yaprakların yükünün şiddetini daha fazla artırmasıdır.
Deney: Elektroskop yapımı
Kullanılan malzemeler: 1 adet bardak ya da kavanoz, 1 adet çivi, yapıştırıcı, bardağın ağız kısmı
boyutlarında kesilmiş mukavva, 2 adet kibrit çöpü ebatlarında kesilmiş alüminyum plaka. (İnce
alüminyum plaka, çikolata paketlerinin içinden bulunabilir.)
Elektroskobun yapılış şekli: Çiviyi, daire şeklinde kestiğiniz mukavvanın ortasından geçiriniz.
Çivinin uç kısmına ince alüminyum şeritleri yalnız üst taraflarından hafifçe yapıştırınız. Karton
mukavva ve çiviyi şekil 1.28'de görüldüğü gibi bardağın ağız kısmına yerleştiriniz.
Tarağı saçınıza sürttükten sonra çivinin başlığına yaklaştırınız. Alüminyum plakalar birbirinden
uzaklaşıyorsa elektroskop çalışıyor demektir.
Sorular
1. Enerji nedir? Açıklayınız.
2. Potansiyel ve kinetik enerji kavramlarını açıklayınız.
3. Atomun yapısı nasıldır? Açıklayınız.
4. Molekül nedir? Açıklayınız.
5. İyon nedir? Açıklayınız.
6. İletken kavramını elektron teorisine göre açıklayınız.
7. Yalıtkan kavramını elektron teorisine göre açıklayınız.
8. Serbest elektron nedir? Açıklayınız.
9. Kulon kanununu tanımlayınız.
10. Yalıtkanın delinmesi nedir? Açıklayınız.
11. Statik elektrik alanı kuvvet çizgilerinin özelliklerini yazınız.
33
BÖLÜM 2: ELEKTRİK DEVRESİ ELEMANLARI VE ÇEŞİTLERİ
Giriş: Üreteç, sigorta, anahtar, alıcı ve iletkenden oluşan, akımın geçtiği yola elektrik devresi
denir. Elektrik devresi, üreteçten çıkan akımın sigorta, anahtar, alıcı ve iletkenden geçerek tekrar
üretece gelmesi için izlediği yoldur.
A. Devre elemanları
sigorta
1. Üreteç (batarya, kaynak): Elektrik devresindeki
alıcıların çalışabilmesi için gerekli olan elektrik enerjisini
üreten elemandır. Üreteç çeşitleri şunlardır:
I. Doğru akım kaynakları (pil, akümülatör, dinamo,
güneş pili),
II. Alternatif akım kaynakları (alternatör)
anahtar
üreteç
alıcı
iletken
Şekil 2.1: Elektrik devresi
2. Alıcı (yük): Elektrik enerjisini başka enerjilere çeviren elemanlara alıcı denir. Örneğin; ütü
akımı ısıya, lamba ışığa çevirir.
3. İletken: Üreteç ve alıcı arasında elektrik akımının dolaşımını sağlamak için bakır, alüminyum
gibi metallerden yapılan elemandır.
Elektrikli alıcıların beslenmesinde kullanılan iletkenler rastgele seçilmez. Örneğin konutlardaki
priz sortilerinin beslenmesinde en az 2,5 mm 2, lamba sortilerinin beslenmesinde ise en az 1,5
mm 2 kesitinde yalıtkanlı bakır iletkenler kullanılır.
B. Yardımcı devre elemanları
1. Anahtar: Devreyi açıp kapamaya yarayan araçtır. Anahtar açıldığında alıcıya giden akım kesilir
ve alıcının çalışması durur.
2. Sigorta: Elektrik devresini, üreteci ve alıcıyı aşırı akım geçişlerine karşı korumaya yarayan
elemandır. Uygulamada buşonlu, otomatik, bıçaklı ve benzeri sigortalar kullanılır.
C. Devre çeşitleri
Elektrik devreleri akımın alıcıdan geçiş durumuna göre üç çeşittir.
1. Açık devre: Şekil 2.1'de görüldüğü gibi anahtarın açık olduğu ve akımın geçmediği devredir.
Sigortanın atması, iletkenlerin kopması, ek yerlerinin değmemesi de açık devreyi oluşturur.
2. Kapalı devre: Şekil 2.2'de görüldüğü gibi devreye kumanda eden anahtar kapalıyken akım
anahtar
anahtar
Şekil 2.2: Kapalı devre
Şekil 2.3: Kısa devre
34
Download

Öğr. Gör. Nevzat SOLMAZ Ders Notları