Elektrik ve Manyetizma
Elektrik Akımı, Potansiyeli ve Direnç
Elektrik, elektriksel potansiyel farkından dolayı elektronların hareket etmesiyle oluşur. Elektronlar, potansiyelin az olduğu (negatif kutuptan) noktadan çok olduğu noktaya (pozitif kutuba) doğru akar. Elektrik akımı da bu elektron akışının tersi yönünde gözlemlenir. Yani, pozitif uçtan negatif uca doğru bir elektrik akımı görülür (bu kural genel kabuldür, farklı kabullerde bulunmaktadır).
Elektronlar, elektriğin iletilebildiği ortamlarda, yani bir iletkenin üzerinden akar. Her iletkenin (ihmal edilmediği sürece) bir direnci vardır. Bu üç kavram arasındaki ilişki basit bir formülle verilir.
V=I.R
Elektrik Akımı
Elektrik akımı, bir iletkenin kesitinden bir yöne doğru hareket eden yüklerden oluşur. Yani, elektriği oluşturan temel olay, yüklü parçacıkların hareketidir. Elektrik akımının şiddetini birim zamanda geçen yük miktarı şeklinde formüle dökebiliriz.
Cisimlerde hareket halindeki yüklü parçacıklar elektronlardır, çünkü protonlar yüklü olsa dahi öteleme hareketi yapamazlar. Bu nedenle elektrik akımı oluşumunu etkilemezler.
İletken özellikteki katıların (genellikle metaller) atomlarının son yörüngesinde 1, 2 veya 3 elektron bulunur, ve bu elektronlar küçük bir enerjiyle atomdan ayrılabilirler. Bu serbest elektronlar, bir yöne doğru hareket ettiklerinde birim zamanda kesit alanda yük değişimi olur, buna da elektrik akımı denir.
Elektronlar, elektrik akımına zıt yönde hareket ederler. Bu durumda, bir devrede elektronların yönü üretecin eksi kutbundan artı kutbuna doğru, akım yönü ise artı kutuptan eksi kutba doğrudur.
Akım Şiddeti ( I )
Birim zamanda iletkenin kesit alanından geçen net yük (q) miktarı olarak tanımlanır. Akım şiddeti ampermetre ile ölçülür ve birimi amperdir.
Bir iletkenin kesit alanından geçen yük miktarı 1 saniyede 1 C ise iletkenden geçen akım şiddeti 1 A olur. Akım şiddeti (I) aşağıdaki gibi hesaplanabilir.
I=qnetΔt
-
- İletken sıvılarda ( iyonik çözeltiler), ise serbest elektron yoktur fakat sıvı içinde hareket edebilen ve akımı oluşturabilen eksi ve artı yüklü iyonlar vardır.
- Gazlarda serbest elektron veya iyon bulunmadığı için elektrik iletilmez yani gazlar yalıtkandır.
Elektriksel Potansiyel (V)
Elektronları bir noktadan başka bir noktaya hareket ettirmek için birim yük başına gereken enerjiye “potansiyel” (gerilim) adı verilir. Potansiyelin birimi volttur (V). İki nokta arasındaki elektriksel potansiyel farkı, bu iki nokta arasındaki birim yükün taşınması için gerekli olan enerjiyi tanımlar.
Elektriksel Direnç (R)
Maddelerin elektron hareketine, yani elektrik akımına karşı gösterdiği zorluğa “direnç” adı verilir. Devrelerde direnç, R sembolü ile gösterilir. SI birim sisteminde birimi ohm’dur (Ω).
Direnç etkisi, hareketli yüklerin sabit atomlarla çarpışmaları sonucu oluşur.
Çivili eğik bir yüzeyde tepeden bırakılan bilyenin hareketinin çivilerce zorlaştırılması gibi düşünülebilir. Çarpışma miktarı (direnç), hareketli yüklerin yolu (iletkenin uzunluğu) uzadıkça artar, genişliği (iletkenin kesit alanı) arttıkça azalır.
Maddenin akım doğrultusundaki uzunluğu arttıkça direnç artmakta, akım doğrultusundaki dik kesiti arttıkça direnç azalmaktadır. Kısacası, maddelerin direnci boyu ile doğru orantılı, kesiti ile ters orantılıdır. Ayrıca, direnç maddenin cinsine bağlı olarak farklı değerler alır. Bu ilişki aşağıdaki bağıntı ile ifade edilir.
Direnç = ρR=ρLA
- R : Direnç Ω ( ohm )
- ρ : Öz direnç ( Ω.m )
- L : Akım doğrultusundaki uzunluk ( m )
- A : Akım doğrultusundaki dik kesit (
m2)
Formüldeki ρ (ro) ile gösterilen büyüklük öz dirençtir. Saf ve belli sıcaklıktaki maddeler için ayırt edici bir özelliktir. Öz direnç düşük ise madde iyi iletken eğer çok yüksek ise yalıtkan olarak nitelendirilir.
Sıcaklık etkisi
Direnç; uzunluk, kesit alanı ve öz direnç dışında sıcaklıkla da değişir. Sıcaklığı artan iletkenlerin dirençleri artar.
Reosta (Ayarlanabilir Direnç)
Ayarlanabilir dirençlere reosta denir. Reostalarda hareket ettirilen bölüm sayesinde direnç değiştirilir ve istenilen değer elde edilebilir.
Elektrik Devreleri
Temel olarak elektrik akımının izlediği yola devre adı verilir. Devre üzerinde birçok bileşen olabilir veya sadece bir üreteç ve iletkenden kurulu düzenek de elektrik devresi kabul edilebilir.
Akım, Potansiyel Fark ve Direnç İlişkisi
Akım ampermetre ile, potansiyel fark ise voltmetre ile fiziksel olarak devreye kendilerine has kurallar ile bağlanarak ölçülebilir. Ölçülebilen iki büyüklüğün ilişkisi de OHM yasası sayesinde direnç ile ilişkilendirilebilir.
Voltmetre
Bir elektrik devresinde herhangi iki nokta arasındaki potansiyel farkı (gerilimi) ölçmek için kullanılan aygıta voltmetre denir. Voltmetrenin uçları ölçülmek istenen noktalara paralel bağlanmalıdır. Çünkü iç direnci çok büyük olduğundan, voltmetre üzerinden akım geçmez.
Voltmetrenin bağlandığı kollar aşağıdaki şekilde olduğu gibi görmezden gelinebilir. Devreden silinip akım yada direnç hesabı yapılabilir.
Ampermetre
Ampermetre devreden geçen akım şiddetini ölçer. Bu yüzden akımın geçiş yoluna seri olarak bağlanmalıdır. İç direnci çok düşük olduğundan sıfır kabul edilir. Ampermetre paralel bağlandığında devre elemanına kısa devre yaptırır. Bunun anlamı paralelinde bağlı devre elemanının yerine direncin olmadığı ampermetre üzerinden geçmesidir.
Direncin maddenin boyutu ve sıcaklığı ile değiştiğini anlattık o halde dirençte değişim yapamadığımız durumda akımı nasıl kontrol edebiliriz. Bunu aşağıdaki devrede gözlemlersek. Direncin uçları arasına uygulanan potansiyel fark arttıkça akım da artar. Yani potansiyel fark ile akım doğru orantılıdır.
Ohm Yasası
Eğer aynı gerilimi iki farklı dirence uygular isek büyük dirençten küçük akım, küçük dirençten büyük akım geçer. Bu da demek oluyor ki direnç ile akım şiddeti ters orantılıdır.
Aşağıda bağıntı direnç, akım, potansiyel fark arasındaki ilişkiyi açıklar ve Ohm yasası denir.
R=ΔVI
- ΔV : İletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkı (
ΔV=Vson−Vilk) - I : İletkenden geçen akım şiddeti (A)
- R : İletkenin direnci ( Ω )
Bu denklemi aşağıdaki grafik üzerinde incelersek eğimin tüm doğru boyunca sabit olması direncin sabit olduğu anlamına gelir ve akım değişimi potansiyel fark ile ilişkilidir.
Eğim=R=ΔVΔI
Dirençlerin Bağlanması
Bir elektrik devresine bağlı olan bütün dirençlerin yerine geçen dirence eşdeğer direnç denir. Eşdeğer direnç, devrelerin seri veya paralel bağlı olması durumunda aşağıdaki gibi hesaplanır.
Seri Bağlama
- Dirençler (
R1,R2,R3)şekildeki gibi seri bağlandığında ve aynı akım yolu üzerinde dizildiklerinde her dirençten geçen akım aynı olur. - i=i1=i2=i3
Devrenin uçları arasındaki toplam potansiyel (V); her bir direncin uçları arrasındaki potansiyelin toplamına eşittir.
-
- VBC=V1=V2=V3tür. ş i.Reş=i.R1=i.R2=i.R3den aşağıdaki eşitlik yazılır.
Seri bağlı dirençlerden aynı akım geçeceğinden direnci büyük olanın potansiyeli de büyüktür. (V=iR formülünden)
Paralel Bağlama
Her bir direnç uçları arasındaki potansiyel, devrenin uçları arasındaki potansiyele eşittir.VBC=V1=V2=V3Ana koldan geçen akım her bir dirençten geçen akımların toplamına eşittir.
- i=i1=i2=i3
- ş
VBCReş=VR1+VR2+VR3den - ş
1Reş=1R1+1R2+1R3olur. - Eğer iki direnç paralel bağlı ise
- ş
Reş=R1.R2R1+R2
NOT:
- Eşdeğer direnç en küçük dirençten daha küçüktür.
- Paralel bağlı dirençlerde V ler eşit olduğunda küçük dirençten büyük akım geçer.
Karmaşık Bağlı Dirençler
Devrede karmaşık bir yapıda birden fazla paralel ve seri bağlanmış direnç veya paralel bağlı dirençlerin yanına seri bağlı dirençler varsa, devredeki en küçük birimin eşlenik direnci bulunur ve bu şekilde iç içe geçen devrenin basitleştirilmiş eş devresi oluşturulur.
Üreteçler
Elektrik devresine enerji sağlayan devre elemanına “üreteç” veya “akım kaynağı” denir.
İletkende akımın sürekli olabilmesi için iletkenin uçlarına bir potansiyel farkı uygulanması gerekir. Pil, akümülatör (akü), jeneratör veya dinamo gibi kaynaklar, iletkenlerin iki ucu arasında potansiyel farkı oluşturarak sürekli bir elektrik alan meydana getirir. Bu tür kaynaklara “elektromotor kuvvet kaynağı” veya “üreteç” adı verilir.
Elektrik devresinde birim yükün devreyi dolaşabilmesi için üretecin yaptığı işe “elektromotor kuvveti (emk)” denir. Pil ve akü gibi üreteçlerde gerçekleşen kimyasal reaksiyon, pilin bir kutbundaki maddeye elektron kazandırarak eksi, diğer kutbundaki maddeye elektron kaybettirerek artı yüklü duruma geçmesine neden olur. Yani kimyasal enerji, elektronların enerji kazanmasını sağlayarak pilin iki kutbu arasında potansiyel farkı oluşmasına neden olur. Bir üretecin emk’si, elektromotor kuvvet kaynağı tarafından birim yük başına yapılan iş olarak tanımlanır. Elektromotor kuvvetinin birimi joule/coulomb (J/C) veya volttur. Emk, ε (epsilon) sembolü ile gösterilir. Üreteçler elektrik devresinde biri artı kutbu temsil eden uzun ve diğeri eksi kutbu temsil eden kısa iki çizgiyle gösterilir.
Seri Bağlı Üreteçler
Üreteçlerden birinin (+) kutbu diğerinin (-) kutbuna gelecek şekilde yapılan bağlanmaya denir. Aynı koldan aynı yönde akım veren üreteçlerdir.Toplam emk seri bağlı üreteçlerin emk ları toplamına eşittir. εεεεεT=ε1+ε2+ε3Toplam direnç;RT=R+r1+r2+r3şeklindedir üreteçlerin iç direnci de hesaba katılır. Eğer devredeki üreteçlerin iç dirençleri yok iser1,2,3..değerleri 0 alınır.Devre yapılan hesaplarla aşağıdaki şekli alır
Devreden geçen akım şiddeti εi=εTRTdenεεεi=ε1+ε2+ε3R+r1+r2+r3olur.Üreteçlerin iç direnci yok ise εεεi=ε1+ε2+ε3Rolur.
- Üstteki denklikten anlaşılacağı üzere birbirine bağlı seri üreteç sayısı arttıkça devrenin toplam gerilim değeri ve devreden geçen akım şiddeti artar.
- Bu durumda devrede direnç yerine lamba olsaydı aynı oranda parlaklığı artış gösterirdi.
- Seri bağlı pillerde devreden geçen toplam akım şiddeti, her pil üzerinden geçen akım şiddetine eşittir.
- Seri pillerde herhangi biri arızalanır ise devre çalışmaz.
Paralel Bağlı Üreteçler
Üreteçlerin (+) kutupları bir noktaya, (-) kutupları da başka bir noktaya bağlanır.
Paralel bağlı üreteçlerin potansiyel farklarının birbirine eşit olması gerekir. Aşağıdaki görselde her bir üretecin eşit olması gerekir. Paralel bağlı üreteçlerde toplam emk bir üretecin emk sı kadardır.
εεεT=ε
-
- Toplam direnç;
RT=R+rn - RT=R+r3ve n=üreteç sayısı
- Devreden geçen akım; εi=εTRTden
- εi=εR+r3olur.
- Toplam direnç;
- Pillerin iç dirençleri önemsiz ise ε
i=εRşeklinde yazılır.
- Paralel bağlı üreteç sayısı arttırıldığında yukarıdan da anlaşılacağı üzere akım şiddeti sabit kalır ve eğer devrede direnç yerine lamba olsaydı parlaklığı da değişmezdi.
- Artırılan paralel pil sayısı ve sabit kalan ana akım şiddetinden dolayı pillerden çekilen akım aynı oranda azalır.
- Paralel üreteçlerden biri arızalanır ise devre çalışmaya devam eder ve devreden bir pil çıkarılmış gibi davranır. Ana koldaki akım değişmezken pillerden çekilen akım artar.
Ters Bağlı Üreteçler
Üreteçlerin aynı cins kutuplarının birbirine bağlanarak elde edilen bağlanma şeklidir. Bir devrede birden fazla emk varsa akımın yönü emk sı büyük olan üretecin(+) kutbundan çıkarak devreyi dolanır.Aşağıda 3 farklı durum incelenmiştir ve sonuçlar yazılmıştır.
1. Durum
- εεε1>ε2ise akımı şekildeki yönde i1olur
- εεεεT=ε1−ε2
- εεi1=ε1−ε2R+r1+r2
2. Durum
- εεε2>ε1ise devre akımı şekildeki yönde i2olur
- εεεεT=ε2−ε1
- εεi2=ε2−ε1R+r1+r2
3. Durum
εεε2=ε1→i=0
olur. Bu durumda devrenin kapalı bir kolundaki emk ların toplamı sıfır ise devreden akım geçmez.
Pillerin Ömrü
Pillerin tükenmesi, oksitlenme kaynaklı bir kimyasal reaksiyon sürecidir. Bu süreçte ortaya çıkan iyonlar, pil içindeki pozitif yüklü elektrotların üzerine çözünmüş metal artıkları bırakır. Pillerden çekilen akım arttıkça oksitlenme miktarı da artar, bu da pilin ömrünü kısaltır.
Dolayısıyla, pilden çekilen akımın artması pil ömrünü azaltır.
Seri bağlı üreteçlerde devreden geçen akım şiddeti, üreteç sayısı ile doğru orantılıdır. Seri bağlı üreteç sayısı arttıkça akım şiddeti artar ve piller kısa sürede tükenir. Paralel bağlı üreteç sayısı arttıkça her bir üreteçten çekilen akım azalır ve sonuç olarak pillerin ömrü uzar.
Üretecin ömrünü etkileyen faktörler arasında kullanılan malzemenin kalitesi ve cinsi bulunmaktadır. Bu faktörler oksitlenmeyi etkileyerek pil ömrünü değiştirir.
Elektrik Enerjisi ve Elektriksel Güç
Devrede görüldüğü gibi uçları arasına bir üreteç bağlanarak V potansiyel farkı oluşturulan iletkende artı uçtan eksi uca doğru bir
EAelektrik alanı oluşur. Bu elektrik alanda 1 C’luk yükün devreden geçmesi için harcanan enerji, potansiyel (V) olarak tanımlanmıştı. O halde q kadarlık yükün devreden geçmesi için yapılan iş yani üretecin harcadığı enerji aşağıdaki gibi bulunur.
E=q.V
Devreden t süresince I akımı geçirildiğinde devreden geçen toplam yük miktarı aşağıdaki eşitlikle hesaplanır.
q=I.t
Bu durumda yük üzerinde yapılan iş ya da açığa çıkan enerji de aşağıdaki gibi olur.
E=V.I.t
Ohm Yasası’na göre V = I.R değeri eşitlikte yerine yazılırsa aşağıdaki genel enerji bağıntısı elde edilir.
E=I2.R.t
-
- E : Isıya dönüşen enerji (J)
- I : İletkenden geçen akım şiddeti (A)
Elektriksel Güç
Yapılan iş, enerjideki değişime eşit olduğundan enerji bağıntısı, direnci R olan bir iletkenden t süre akım geçirildiğinde, iletkende ısıya dönüşen enerji miktarını verir. Fiziksel anlamda mekanik güç, birim zamanda harcanan veya üretilen mekanik enerjidir. Elektrik devresinde direnci R olan bir devre elemanının birim zamanda harcadığı elektrik enerjisi, o devre elemanının gücünü verir. Elektriksel güç aşağıdaki bağıntıyla bulunur.
P=V⋅I=I2⋅R=V2RP = V \cdot I = I^2 \cdot R = \frac{V^2}{R}
PP: Güç (W)VV: Potansiyel farkı ya da gerilim (V)
II: Akım şiddeti (A)
RR: Direnç (Ω\Omega)
Harcanan Elektrik Enerjisini Bulmak
Günlük hayatta küçük elektrikli araçların gücü watt cinsinden belirtilirken, yüksek güçlü araçların gücü kW cinsinden belirtilir.
1 kW=1000 W1 \, kW = 1000 \, W olarak hesaplanır ve bu güç, cihazın saatlik tüketimine göre hesaplanır. Yani aslında 1200 W veya 1.2 kW gücündeki bir elektrikli alet saatte
1.2 kWh1.2 \, kWh elektrik enerjisi harcar.
Eğer bir elektrikli aletin harcadığı enerji bulunmak isteniyorsa, yukarıdaki gibi kullanılan süreyi cihazın gücüyle çarparak bulunabilir.
Eharcanan=P⋅tE_{\text{harcanan}} = P \cdot t
Günlük hayatta elektrik faturaları
kWhkWh cinsinden faturalandırılır. Yani tüketiciler saatlik olarak harcadıkları güç için ödeme yaparlar. 1 Ocak 2020 tarihinde tüketim tarafında 1 kWh’lik bir enerjinin vergisiz fatura bedeli 0.573 ₺’dir.
Manyetizma
Elektrik akımı veya temel bir parçacık tarafından yaratılabilen manyetizma, manyetik alan tarafından oluşturulan fiziksel bir olgudur. Yaratılan yeni manyetik alanlar birbirlerini etkileyebilir ve etkileşime girebilirler. Manyetizmayı oluşturan manyetik alan, mıknatıs ve elektrik akımı sayesinde meydana getirilebilir. Aynı durumun tersi de mümkündür. Fiziksel olarak ortamda bulunan manyetizma, mıknatıs veya elektrik akımı oluşturabilir.
Manyetizmanın iki yönlü olarak oluşturduğu bu özellikler, manyetizmayı elektrik üretiminde ve tüketiminde çok önemli bir noktaya taşımaktadır.
Doğal mıknatıslar tarafından oluşturulan manyetizma sürekli bir özellik gösterir. Bu mıknatıslara “kalıcı mıknatıs” denir. Kalıcı mıknatıslar, ferromanyetizma özelliğinden dolayı kalıcı bir manyetik momente sahiptir.
1) Mıknatıs ve Manyetik Alan
Demir, nikel, kobalt gibi elementleri ve bu elementlerden meydana gelen alaşımları çekme özelliği gösteren demir oksit bileşiğine ya da sonradan bu özellik kazandırılan maddelere “mıknatıs” denir. Mıknatıslar doğal, yapay ve elektromıknatıs olmak üzere üçe ayrılır.
Mıknatısların mıknatıs özelliği uçlarında daha kuvvetlidir ve kuvvetlerin gözlendiği uçlarına “kutup” denir. Mıknatısın N (kuzey) ve S (güney) olarak gösterilen aynı şiddetli iki kutbu vardır. Yerin manyetik alanı referans alınarak isimleri verilen mıknatısın N kutbu kuzeyi (north), S kutbu güneyi (south) temsil eder.
Yorum gönder