FİZ121
FİZİK
Ankara Üniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi
2013-2014 Bahar Yarıyılı
y Ders-I
19.02.2014 Ankara
Aysuhan OZANSOY
A.Ozansoy
05.03.2014
B lü I El
Bölüm-I:
Elektrik
k ik Yükü ve Coulomb
C l b Yasası
Y
1. Elektrikle İlgili Geliştirilen İlk Düşünceler
2. Elektrik Yükü
2.1. Elektrik Yükü ve Maddenin Yapısı
2.2. Elektrik Yükünün Özellikleri
3 İletkenler
3.
İletkenler, Yalıtkanlar ve Elektriklenme Türleri
4. Coulomb Yasası
5. Elektriksel Kuvvetlerin Belirleyici Olduğu Bazı Durumlar
2
A.Ozansoy
05.03.2014
1. Elektrikle İlgili Geliştirilen İlk Düşünceler
¾Elektrikle ilgili ilk bilgiler M.Ö. 6 yy ’ a (Thales, Platon)
kadar dayanır.
y
¾Yazılı kaynaklarda kehribarın yün kumaşa sürtüldüğünde
“bazı hafif cisimleri çektiği gibi açıklanamayan ilginç
olayların” olduğuna ilişkin bilgilere rastlanır.
¾Ancak, varlığı hissedilen elektrikle ilgili 17.
¾Ancak
17 yy ’ a kadar
sistematik hiçbir gözlem yapılmamıştır.
3
A.Ozansoy
05.03.2014
Î Wiliam Gilbert (1540-1603): Sürtünme ile
elektriklenme
l kt ikl
il
ile
il ili ilk deneyler.
ilgili
d
l
(A
(Ayrıca
manyetizma ile ilgili ilk çalışmalar).
Î Stephan Gray (1696-1736): Dokunma ile elektriklenmeyle
ilgili ilk deneyler. Maddelerin ilk kez iletken ve yalıtkan olarak
sınıflandırılması.
sınıflandırılması
ÎCharles Dufay (1698-1739): İki tür elektriklenme olduğunu
açıkladı.
kl d
Vitreous (cam ile sürtünme)
Resinous (reçine ile sürtünme)
Dufay’ ın 1733 yılında
basılan “ A Discourse
concerning Electricity
El
”
isimli çalışmasından bir
kısım. Bknz. Ref[1].
4
A.Ozansoy
05.03.2014
ÎBenjamin Franklin (1706
(1706-1790)
1790)
Amerikalı yazar, bilim adamı ve siyasetçi.
ƒ Madde içinde bir tür “elektriksel
elektriksel akışkanın
akışkanın” elektriksel olaylara
neden olduğunu öne sürdü.
ƒ Elektrik
El ktrik yükünün
ükünün korunumunun
k runumunun temelini
t m lini attı.
tt İtme
İtm ve
v çekme
ç km
olayları bu “elektriksel akışkanın” miktarının artıp azalması ile
ilgili.
ƒYıldırımın
Y ld
elektriksel
l k k l kökenli
k k l
olduğunu öne sürdü. (Yağmurlu havada
uçurtma ile y
yaptığı
p ğ deney..!)
y
ƒVitreous elektriklenmeye karşılık gelen akışkanı pozitif olarak
adlandırdı. (Bugün, yük taşıyıcılarının eksi yükler olduğunu
bilmemize rağmen,
rağmen Franklin
Franklin’ in mirası olarak elektrik akımının yönü
pozitif yüklerin akış yönü olarak alınır..!)
5
A.Ozansoy
05.03.2014
2. Elektrik Yükü
.
Elektrik
El
kt ik + manyetizma
ti
Î Elektromanyetizma.
El kt
ti
El kt
Elektromanyetik
tik
etkileşme “elektrik yüküne” sahip parçacıklar arasında olur.
Elektrikle ilgili bilgiler ancak atomun içine bakılarak anlaşılır
Ara Bilgi:
“Atom” fikri →Democritus (M.Ö. 460460-370 ) ( “Atomos
“Atomos”” bölünemez
l
d !)
anlamında!)
Periyodik Tablo → D. Mendelev (1869) (benzer kimyasal özellik
gösteren atomlar aynı grupta)
Elektronun keşfi → J.J.
J.J.Thomson
(1897)) (Atom temel değil!)
J J Thomson (1897
Çekirdeğin keşfi → E. Rutherford (1911)
Protonun keşfi → E. Rutherford ve öğrencileri ((1919
1919--1920)
1920)
J Chadwick (1932)
Nötronun keşfi → J.
J.Chadwick
Kuarklar → DIS deneyleri, 1960’ların sonu
6
A.Ozansoy
05.03.2014
2.1. Elektrik Yükü ve Maddenin Yapısı
Doğadaki Temel Kuvvetler
Kuvvet
Elektro
ozayıf kuvvvet
Güçlü
Göreli
Şiddet
1
Menzil
Belirleyici olduğu durumlar
10-15 m
Kuarkları bir arada tutar
Çekirdeği bir arada tutar
e-’ ların çekirdeğe
Elektromanyetik
10-2
∞
bağlanarak kararlı atom
oluşturmaları
ş
Zayıf
Kütle çekim
7
10-5
10-18 m
Radyoaktif bozunmalar
ş
reaksiyonlar
y
Güneşteki
10-39
∞
A.Ozansoy
05.03.2014
İsim
Simge
Proton
p
Nötron
n
Elektron
e-
Elektrik
Kütle (kg)
Yükü
+e
1.673x10-27
0
1.675x10-27
-e
31
9.109x10-31
e: Temel (elemanter) yük: elektron ya
da proton yükünün büyüklüğü Î 1.602
x 10-19 Coulomb
proton
İsim
nötron
Yukarı
k
kuark
k
Î Kuarklar serbest
gözlenememiştir.
8
olarak
Aşağı kuark
A.Ozansoy
Simge
u
d
Elektrik yükü
+2/3 e
-1/3 e
05.03.2014
2.2. Elektrik yükünün özellikleri
• Elektrik yükü kütle kadar temel bir niceliktir. Kütleli parçacıkların
yerçekimi etkisi ile ivmelenmesi gibi yüklü parçacıklar da elektrik kuvveti
ile ivmelenirler.
Doğada
ğ
iki cins elektrik y
yükü vardır: p
pozitif (+) ve negatif
g
(-).
(Elektrostatiğin temel ilkesi): Aynı cins elektrik yükleri
birbirini iter, farklı cins elektrik yükleri birbirini çeker.
Elektrik yükü korunumludur: Bir sistemde tüm elektriksel
yüklerin cebirsel toplamı sabittir. Yükün korunumu evrensel
bir yasadır ve tüm eylemsiz gözlem çerçevelerinde geçerlidir.
Elektrik yükü kuantumludur: Doğada serbest olarak
gözlenebilen tüm yüklü parçacıkların elektrik yükü, temel yük
biriminin
m
tam
m sayı
y katlarıdır.
1.
2.
3
3.
4.
9
A.Ozansoy
05.03.2014
3. İletkenler, Yalıtkanlar ve Elektriklenme Türleri
¾ Elektriği iletebilen maddelere iletken denir. Örneğin, bakır,
demir, alüminyum vb. İletkenlerde serbest elektronlar bulunur.
Bunlar atom çekirdeğine çok zayıf bir şekilde bağlıdırlar.
bağlıdırlar
¾Yalıtkanlar elektriği iletmezler. Örneğin, cam, plastik, tahta vb.
(B k
(Bu
kısım Ref.[2]’
R f [2]’ ten
t alınmıştır.
l
t )
10
A.Ozansoy
05.03.2014
¾Elektriksel iletkenliği, iletkenlerle yalıtkanlar arsında bulunan
maddelere yarıiletken denir.
denir Yarıiletkenlerin elektriksel
özellikleri katkılama yapılarak değiştirilebilir. Kullanım alanları;
Diyot, LED, transistör ,…
¾Süperiletkenlerde ise, malzeme yeterince soğutulduğunda
elektronlar hiçbir engelle karşılaşmadan hareket eder.
Yarıiletken ve süperiletken maddelerin yapısı ancak
k t
kuantum
tteorisi
i i il
ile açıklanabilir.
kl bili
11
A.Ozansoy
05.03.2014
Elektriklenme Türleri:
1. Sürtünme ile Elektriklenme:
Î
Cisimlerin sürtünme ile elektriklenmesi,
elektronların
l kt
l
bi cisimden
bir
i i d
diğ i
diğerine
akması
k
il açıklanır.
ile
kl
Elektron bağ kuvveti zayıf olan maddeden diğerine
elektron akışı olur.
ÎSürtünme ile elektriklenen cisimler zıt fakat eşit
miktarda yükle yüklenir.
(Şekiller Ref.[3]’ den alınmıştır. )
12
A.Ozansoy
05.03.2014
2. Dokunma ile Elektriklenme:
Î Bu
B şekilde
kild yüklenen
ükl
cisimler
i i l
k i likl zıtt yükle
kesinlikle
ükl
yüklenmezler.
Î Cisimlerin yükleri
ükleri nasıl
nas l paylaşacağı
pa laşacağ tamamen
cisimlerin fiziksel ve geometrik yapısına bağlıdır.
Î Yüklü bir iletken nötr bir cisme dokundurulursa,
dokundurulursa nötr
cisim iletkenle aynı cins yüklenir.
(Şekiller Ref.[4]’ ten alınmıştır. )
13
A.Ozansoy
05.03.2014
3. Etki (İndüksiyon) ile Elektriklenme:
Yüklü bir cisim yardımıyla bir iletkeni, ikisini birbirine değdirmeden
yükleme işlemidir. Cisimler birbirine yaklaştırıldığında, çekme ve
itme kuvvetlerinin etkisiyle iletkenin değişik kısımlarında yüklenme
olur. Yük türlerinden biri uzaklaştırıldığında cisim kalıcı olarak
yüklenmiş olur.
(Şekiller Ref.[5]’ ten alınmıştır. )
14
A.Ozansoy
05.03.2014
¾ İletkenlerdeki etki (indüksiyon)
y
ile elektriklenmenin benzeri
yalıtkanlarda da görülür. Yalıtkanda yük merkezleri hafifçe
kayarak, molekülün bir yanının diğerine göre
daha (+)
yüklenmesine
y
m
yol açar.
y
ç
Bu olaya
y kutuplanma
p m denir.
(Şekil Ref.[5]’ ten alınmıştır. )
15
A.Ozansoy
05.03.2014
4. Coulomb Yasası
Durgun yüklerin fiziği elektrostatiktir. Elektrostatik
etkileşmeler Coulomb Yasası ile açıklanır. (Charles Augustin de
Coulomb(1736-1806). 1785’ de Coulomb yasasını açıkladı.)
Î İki nokta yük arasındaki elektrik kuvvetinin büyüklüğü, bu yüklerin
ççarpımı
p
ile doğru
ğ
orantılı ve aralarındaki uzaklığın
ğ karesiyle
y ters
orantılıdır.
q1q2
F =k 2
r
9Kuvvetin büyüklüğü her zaman pozitiftir.
q1
q2
9Kuvvetin
Kuvvetin yönü her iki yükü birleştiren çizgi
boyuncadır.
r
r
q1q2
F = k 2 rˆ
r
16
9Vektörel formda Coulomb Yasası.
A.Ozansoy
05.03.2014
Birim
siste
mi
Yük
Uzaklık
Kuvvet
k sabiti
MKS
Coulomb (C)
Metre
(m)
Newton
(N)
CGS
Statcoulomb
ya da esu
Santimet
Dyne(dyn)
re (cm)
1
4πε 0
1
1 esu= 2.998 x10-9 C
1 N=105 dyn
(Şekil Ref.[5]’ ten alınmıştır. )
17
ε0=8.8545x10-12 C2/N.m2 Boşluğun elektrik
geçirgenliği
A.Ozansoy
05.03.2014
5.Elektrik Kuvvetlerinin Belirleyici Olduğu Bazı
D
Durumlar
l
ÎElektrik kuvveti, günlük hayatta etkisini en çok hissettiğimiz kuvvet….!
•Sürtünme kuvveti, normal kuvvet, ipteki gerilme kuvveti, bir zamkın
uyguladığı yapışma kuvveti vb. temelde elektrik kökenlidir.
•Teknolojik ve elektronik pek çok alet ve makinanın temel bileşenidir.
•Elektronların pozitif yüklü çekirdeğe bağlanarak kararlı bir atom
oluşturmaları.
l t
l
•Atomların birbirine bağlanarak molekülleri oluşturmaları (Örneğin, DNA
y bağ).
ğ)
molekülündeki zayıf
•Atomların ve moleküllerin birbirine bağlanarak sıvıları ve katıları
oluşturmaları.
•Tüm kimyasal tepkimeler.
•Tüm biyolojik süreçler (Sinir sistemi elektrik akımı ile çalışır, kandaki
oksijen alışverişi elektriksel potansiyel fark ile gerçekleşir vb.)
vb )
18
A.Ozansoy
05.03.2014
Bir örnek: Moleküler Biyolojide Elektrik Kuvvetleri:
DNA
•Nükleik
Nükleik asitler, nükleotid birimlerinden
oluşmuş yapılar.
• Nükleotidler ÆBaz
•
ÆŞeker ve
•
ÆFosfat gruplarından oluşur.
• BazlarÎ Adenin (A), Guanin (G),
Sitozin (C) ve Timin (T)
İki
zincir
elektrostatik
kuvvetler
•İki
tarafından çekilir. Bu çekim hidrojen bağı
ya da zayıf bağ olarak adlandırılır. A ve T,
G ve C birbirini çeker.
19
A.Ozansoy
05.03.2014
9A, T, C
moleküller.
moleküller
ve
G
kutuplu
9Elektrik kuvveti,
kuvveti yüklü kısımlar
birbirine yakınken zayıf bağ
oluşturur.
9Bazlar arasındaki zayıf bağ
(hidrojen bağları) DNA’ yı
kararlı kılar.
(Şekil Ref.[6]’ dan alınmıştır. )
A ve T arasında 2
zayıf bağ, C ve G
arasında 3 zayıf bağ
vardır.
A.Ozansoy
05.03.2014
Kaynaklar
1. www.sparkmuseum.com/BOOK_DUFAY.HTM
2 http://www.seckin.com.tr/kitap/413951887
2.
http://www seckin com tr/kitap/413951887
3. www.bilgicik.com/yazi/iletkenler-ve-yalitkanlar/
4. www. bilgicik.com/yazi/dokunma-ile-elektriklenme/
5 “Üniversite
5.
Ü i
it Fiziği
Fi iği Cilt-I
Cilt I “,
“ H.D.
H D Young
Y
ve R.A.
RA
Freedman, (Çeviri Editörü: Prof. Dr. Hilmi Ünlü) 12.
Baskı, Pearson Education Yayıncılık 2009, Ankara.
6. http://tr.wikipedia.org/wiki/DNA
21
A.Ozansoy
05.03.2014
Download

1.Ders