Elektrik Yükleri ve Elektrik Enerjisi

1. BÖLÜM: ELEKTRİK YÜKLERİ VE ELEKTRİKLENME

ANAHTAR KAVRAMLAR

• Elektrik yükleri
• Elektrik yükleri arasındaki itme ve çekme kuvvetleri
• Elektriklenme

Neler Öğreneceksiniz?
Bu bölümü tamamladığınızda elektriklenmeyi doğa olayları ve teknoloji uygulamaları bağlamında anlayacak, elektrik yüklerini sınıflandırarak aynı ve farklı cins elektrik yüklerinin birbirleri üzerindeki etkilerini açıklayacak ve deneyler aracılığıyla elektriklenme çeşitlerini fark edeceksiniz.

Elektriklenme

Elektrik yüklü bir maddenin başka bir maddeyle etkileşmesi sonucu ortaya çıkan fiziksel özellik, elektriksel yük olarak adlandırılır. Cisimler arasında elektriksel yük değişimi ise elektriklenme olarak bilinir. Günlük yaşamda birçok durumda cisimler elektriklenir, ve bu özellik teknolojinin çeşitli alanlarında kullanılır.

Fotokopi makineleri, günlük yaşamdaki elektriklenme uygulamalarından biridir. Bu makinelerde, metal bir plaka, kopyalanacak kâğıdın yazılı kısımlarına denk gelecek şekilde elektrikle yüklenir. Koyu renkli bir toz olan toner, bu yüklü bölgelere yapışır ve ardından geçen boş kâğıda yapışarak görüntünün transferini sağlar.

Otomotiv ve beyaz eşya endüstrisinde, cisimlerin boyanması sırasında elektriklenmeden faydalanılır. Yüzeyler, sprey boya kullanılarak boyanır. Sprey içindeki boya, elektrik yüküyle yüklenir. Yüklü boya ile zemin arasındaki çekim kuvveti sayesinde yüzey boyanır.

Fabrika bacalarındaki filtre sistemlerinde de elektriklenmeden yararlanılır. Bacaya yerleştirilen elektrik yüklü kablolar, bacadan geçen tozları elektrikle yükler, daha sonra zıt yüklü bir tabaka tarafından çekilerek tozların havaya karışması önlenir.

Şimşek, günlük yaşamda sıkça karşılaşılan bir elektriklenme olayıdır. Bu olay, elektrik yüklü bulutların birbirleriyle etkileşerek elektrik yüklerinin yer değiştirmesi sonucu oluşur ve ortamı aydınlatır.

Elektrik yükleri ilk kez Thales (Tales) tarafından keşfedilmiştir. Thales, kehribar çubuğunu yünlü kumaşa sürttüğünde çubuğun saman parçalarını çektiğini gözlemlemiştir. Daha sonra bilim insanları, bu gözlem üzerine yapılan çalışmalar sonucunda pozitif ve negatif yük olmak üzere iki farklı elektrik yükü olduğunu belirlemiştir. Bu yükler, Benjamin Franklin tarafından (1706-1790) pozitif ve negatif olarak adlandırılmıştır. Franklin, yaptığı deneylerle elektrik eksikliği ya da fazlalığı bulunan cisimlerin birbirini ittiğini, eksiklik ve fazlalığı olan cisimlerin birbirini çektiğini ortaya koymuştur. Fazla elektrik pozitif, eksik elektrik ise negatif olarak adlandırılmıştır.

Ebonit çubuk, yün kumaşa sürtüldüğünde elektriklenir. Bunun nedeni, yün kumaştaki negatif yüklerin sürtünme etkisiyle ebonit çubuğa geçmesidir. Bu sayede ebonit çubuk, negatif elektrik yüküyle yüklenmiş olur.

Cam çubuğu ipek kumaşa sürttüğünüzde, cam çubuğundaki negatif yükler kumaşa transfer olur. Bu durumda cam çubuk, pozitif elektrik yüküyle yüklenir.

Negatif yüklü iki çubuk birbirine yaklaştırıldığında aralarında bir itme kuvveti oluşur. Aynı şekilde, negatif yüklü bir çubuk ile pozitif yüklü bir çubuk birbirine yaklaştırıldığında aralarında bir çekme kuvveti ortaya çıkar. Kısacası, aynı yüklü cisimler birbirini iterken, farklı yüklü cisimler birbirini çeker.

Elektriklenme Çeşitleri

Sürtünme ile Elektriklenme

Örneğin, halıya sürttüğünüz bir balonu kardeşinizin saçlarına yaklaştırdığınızda, saçların hareketlendiğini gözlemlersiniz. Ayrıca, cam çubuk ve ebonit çubuğu kumaş parçalarına sürttüğünüzde elektriklendirebilirsiniz. Bu tür elektriklenmeye “sürtünme ile elektriklenme” denir.

Temas ile Elektriklenme

Cisimleri birbirine sürtüp etkileşme yüzeyini artırarak, onları birbirine temas ettirdiğinizde elektriklenmeyi kolayca gözlemleyebilirsiniz. Bu durumda, cisimler arasında negatif ve pozitif yük sayıları eşit olmaz, yük dengesizliği oluşur. Elektriklenme sırasında negatif yükler hareket ettiği için iki cismin arasında bir geçiş meydana gelir. Bu geçiş sırasında cisimdeki negatif yük sayısı azalabilir ya da artabilir. Dolayısıyla, cisim hangi yükün sayısının fazla olduğuna bağlı olarak o yükle elektriklenir.

2. BÖLÜM: ELEKTRİK YÜKLÜ CİSİMLER

ANAHTAR KAVRAMLAR

• Pozitif yüklü cisim
• Negatif yüklü cisim
• Nötr cisim
• Elektroskop
• Topraklama

Neler Öğreneceksiniz?
Bu bölümü tamamladığınızda, cisimleri sahip oldukları elektriksel yükler bakımından sınıflandırarak elektroskopun işlevini, topraklamanın anlamını, günlük yaşam ve teknolojideki uygulamalarını öğreneceksiniz.

Elektrik Yükleri

Elektriksel yüklerin pozitif ve negatif olmak üzere iki türde olduğunu biliyorsunuz. Bir cisimde negatif yük sayısı pozitif yük sayısından fazla olabilir, bu durumda cisim negatif yüklüdür. Pozitif yük sayısı negatif yük sayısından büyükse, cisim pozitif yüklüdür. Negatif ve pozitif yük sayıları eşitse, cisim nötrdür.

Elektroskoplar ve Yük Dağılımı

Cisimlerin yüklü olup olmadığını veya hangi yükle yüklendiğini anlamak için elektroskoplar kullanılır. Elektroskoplar, topuz, yapraklar ve yalıtkan ayaklardan oluşur. Topuz, yüklü cismin yaklaştırıldığı veya dokundurulduğu yerdir. Yapraklar, cismin yüklü olup olmadığını gösteren bölümdür. Yalıtkan ayak, elektroskopun diğer cisimlerle temasını engeller.

Yüklü bir cisim yerle temas ettiğinde fazla negatif yüklerini toprağa aktararak nötr hale gelir. Bu işleme “topraklama” denir. Negatif yüklü bir cisim topraklandığında, fazla negatif yükler iletken aracılığıyla toprağa geçer. Pozitif yüklü bir cisim topraklandığında ise topraktan cisme negatif yük geçişi olur. Böylece cisim nötr hale gelir.

Topraklamanın Uygulama Alanları

Topraklama, günlük yaşamda birçok alanda kullanılır. Elektrik üretimi, iletimi ve dağıtımında, elektrik tesisatlarında, yüksek binalarda, cami minarelerinde ve yüksek gerilim hatlarında topraklama kullanılarak can güvenliği sağlanır ve cihazların zarar görmesi önlenir.

Paratonerler ve Yıldırım Güvenliği

Yıldırım, can ve mal kaybına neden olabilir. Zararsız bir şekilde toprağa iletilmesi için paratonerler kullanılır. Paratoner, bina tepesine takılan sivri uçlu metal bir çubuktur. Çubuk, iletken bir tel aracılığıyla toprak içindeki metal plakaya bağlanır. Böylece yıldırımın getirdiği elektrik yükleri, binaya ve çevreye zarar vermeden toprağa aktarılır. Paratonerler, yüksek binalar, cami minareleri ve yüksek gerilim hatlarına kurulabilir.

3. BÖLÜM: ELEKTRİK ENERJİSİNİN DÖNÜŞÜMÜ

ANAHTAR KAVRAMLAR

• Isı enerjisi
• Güç santralleri
• Elektrik enerjisi
• Işık enerjisi
• Tasarruf
• Enerji dönüşümü
• Hareket enerjisi

Neler Öğreneceksiniz?
Bu bölümü tamamladığınızda, elektrik enerjisinin ısı, ışık ve hareket enerjilerine, hareket enerjisinin de elektrik enerjisine dönüşebileceğini keşfedecek ve güç santrallerinde elektrik enerjisi üretiminin ayrıntılarını anlayacaksınız. Ayrıca, elektrik enerjisinin bilinçli ve tasarruflu kullanımı konusunda bilgi ve beceri kazanacaksınız.

Elektrik Enerjisinin Isı Enerjisine Dönüşümü

İletken bir tel üzerinden geçen akım, telin direnci nedeniyle ısınmasına yol açar. Bu ısı miktarı, telin malzemesine bağlı olarak değişir. Bir etkinlikte, teline bir gerilim uygulanarak akım geçirilmiştir. Bu akım, telin sıcaklığını değiştirmiştir. Bu durumda, elektrik enerjisi ısı enerjisine dönüşmüştür. Bu dönüşüm, çeşitli teknolojik uygulamalarda kullanılır.

Elektrik Enerjisinin Işık Enerjisine Dönüşümü

Karanlık bir ortamda yolunuzu aydınlatmak için el feneri ya da odanızı lamba ile aydınlatırsınız. Aynı şekilde, karanlık bir odada televizyon açtığınızda odanın bir miktar aydınlandığını fark edersiniz. Bu cihazlar, elektrik enerjisini ışık enerjisine dönüştürerek bu aydınlatmayı sağlar.

Bu dönüşümü gerçekleştiren araçlardan biri ampuldür. Ampulün içinde bulunan bir tel, üzerinden geçen elektrik akımı ile kızararak çevresine ışık yaymaya başlar. Böylece elektrik enerjisi ışık enerjisine dönüşmüş olur.

Elektrik Enerjisinin Hareket Enerjisine Dönüşümü

Mikser, matkap, doğrayıcı gibi araçlar, elektrik enerjisini hareket enerjisine dönüştürerek çalışır. Bu araçlardaki motorlar, elektrik enerjisini hareket enerjisine çevirir. Motorlar genellikle içlerinde mıknatıs bulundurur. Motorun içinden geçen akım, mıknatıslarla etkileşime girer ve motor hareket eder.

Oyuncaklardan bazıları da elektrik enerjisini hareket enerjisine dönüştürerek çalışır. Özellikle uzaktan kumandalı oyuncak robotlar, bu prensibi temel alarak tasarlanmıştır. Etkinlikteki uzaktan kumandalı araba da benzer şekilde, içindeki küçük motor sayesinde elektrik enerjisini hareket enerjisine çevirerek hareket eder.

Elektrik Enerjisinin Üretimi

Elektrikli cihazların kaynağı genellikle şehir elektriğidir, ve bu elektrik güç santrallerinde üretilir. Hidroelektrik, termik, jeotermal, nükleer ve rüzgar santralleri, elektrik enerjisinin üretildiği temel kaynaklardır. Bu santrallerde, hareket enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülmek üzere kullanılan araçlara jeneratör denir. Jeneratörler, içerdikleri türbin sistemleri sayesinde dönerek elektrik üretir.

Ülkemizde yaygın olarak kullanılan hidroelektrik santrallerin avantajları arasında güvenilirlik, düşük üretim maliyetleri, ihtiyaca göre enerji üretebilme ve çevreye zarar vermemesi sayılabilir. Ancak, bu santrallerin akarsu ekosistemine olumsuz etkileri de vardır ve yüksek maliyetle uzun sürede inşa edilmeleri dezavantajlarından biridir.

Elektriğin Tasarruflu Kullanımı

Doğadaki elektrik enerjisi kaynakları sınırlıdır. Bu kaynakların bilinçli ve tasarruflu kullanılmadığında, hem aile hem de ülke ekonomisi olumsuz etkilenir. Elektrik enerjisi, yaşamımızın her alanında kullanılmakta olup, sınırlı kaynaklar göz önüne alındığında artan tüketim zaman içinde çeşitli sorunlara yol açabilir. Bu sorunları önlemek için elektrik enerjisi verimli bir şekilde kullanılmalıdır, bu da bilinçli ve tasarruf odaklı bir yaklaşım gerektirir.