Fizik Elektrikli Lambalar Ve Akım Nasıl Oluşur?Elektrikli Aydınlatma Lambaları Konusu

fizik elektrikli lambalar ve akım nasıl oluşur?Elektrikli Aydınlatma Lambaları Konusu
fizik elektrikli lambalar ve akım nasıl oluşur?Elektrikli Aydınlatma Lambaları Konusu

Elektrikli Aydınlatma Lambaları
Okul düzeyi: 11 sınıflar
İlgili Bölüm: Işık (Bölüm 1)
Işık Teorileri (Bölüm 3)
Konu: -Işık nedir, nasıl yayılır,
-Işığın dalga modeli,
-Işığın tanecik modeli
Süre: 2 saat
Hedef: Odaların aydınlatılmasında kaç wattlık lambalar kullanılmalı, Aydın-lanmaların bağlı olduğu faktörleri tanımlamak Aydınlanma şiddetini hesaplama Aydınlanma şiddetini ölçme, ışıklarla ilgili problemleri çözme Seri ve paralel bağlı devrelerde potansiyel ve akım bölünmesi olaylarını kavramak
Araç-Gereç: Lambalar, güç kaynağı, kapalı ortamlar, bağlantı kabloları, voltmetre ve ampermetre
Uygulama: Laboratuar şartlarında basit elektrik devreleri kurulabilir Paralel ve seri bağlı devrelerin akım, potansiyel ve dirençlerin hesabını yaparak bunlar arasındaki ilişki işlenebilir Odaların aydınlatılmasında, kaçar watt’lık lambalar kullanılacağını öğrenebiliriz
Tanımlar:
Aynı işaretli elektrik yükleri hareket ettiği zaman bir akımın varlığından söz edilir Bir elektrik yükü yani bir elektron durmakta ise etrafında sadece elektrik alanı oluşturur Bu yük hareket halinde ise hem elektrik hem de manyetik alanı oluşturur Bu ise hareket halindeki bir yükün, etrafında elektromanyetik bir dalga oluşturacağı anlamındadır

721 Akım nasıl oluşur: Bir telden birim zamanda geçen yük miktarına akım denir, i ile simgelenir, boyutu Amper ’dir Elektrik yüklerinin bir iletkenden geçişi elektrik akımını doğurur Bir bataryanın kutupları arasına bağlanan bir iletkenin iki ucu arasında bir potansiyel farkı meydana gelir Bu potansiyel farkı, iletken içinde bir elektrik alanı ( E ) oluşturur Bu alan içindeki serbest yükleri, elektrik kuvveti
= q 67
etkisi ile hareket ederek elektrik akımını oluşturur (KAYA, A ve ÇAKIR, H, 1996)
Oluşan akım ise aşağıda verilen bir büyüklüğe sahiptir
i = q / t
q: Yük (coulomb)
t: Süre (saniye)

A B

l: telin boyu

+ V -

Şekil 75 : AB iletkenin uçlarına V potansiyeli uygulanır ise iletkende yönü
(+)’dan, (-)’ye doğru bir elektrik alanı oluşur

722 Alternatif akım: Sinüs değişimi gösteren elektro motor kuvvet’lerine alternatif emk, bu yoldan elde edilen akımlara da alternatif akım denir (ÖZDEMİR, B, vd, 1993)
Alternatif akım, eşit zaman aralıklarında periyodik olarak değişen akımdır Alternatif akımı üreten jeneratörlere de alternatör denir Alternatörde kutuplar devamlı değişir Çünkü alternatörün içerisinde bulunan bobin dönme hareketi yaparken, bobin üzerinden akım alan fırçalar sabit kalmaktadır Bobinin her hareketinde, üzerinde bulunan sabit uçlar, fırçalara sırası ile akım verirler Bu ise fırçalar tarafından bir (+) yönde bir (-) yönde akım alması anlamındadır Bu değişim elektronların hareketi açısından ivmeli bir harekettir
Alternatif akımın ısı ve manyetik etkisi vardır Alternatif bir potansiyel,
 = Vm sin (w t)
Vm: AC jeneratörünün pik voltajı, voltaj genliğidir veya etkin değeri
w açısal hızı ise 2f veya 2/ T’dir f kaynağın frekansı, alternatör içerisindeki bobinin bir saniyedeki dönme sayısı ve T ise periyodudur, bobinin bir dönme hareketi için geçen süredir Bu potansiyelin bir R direncindeki oluşturduğu akım ise
iR = v / R = (Vm / R) sin(wt)
iR = im sin(w t) burada im
im = Vm / R’ dir (Komisyon, Özet Konu Anlatımlı Fizik, 1998)

Türkiye’de şebeke cereyanlarında frekansı 50Hz olan akım kullanılmaktadır ABD’de ticari elektrik güç santralleri ise w=377 rad/s karşılık gelen f=60 Hz frekansı kullanılır (SERWAY, 1996)

Şekil 76 Bir direncin içerisinden geçen akım, uçları arasındaki voltaj-
zaman fonksiyonu olarak çizimleri (ÖZDEMİR, B, vd, Fizik II,
sh162)

723 Elektrik akımının ısı etkisi: İçerisinden akım geçen tel ısınır Bu telin direnci R , içerisinden geçen akım i ve akımın etkin olduğu süre t ise açığa çıkan enerji,
W = i2 R t 68
W:Enerji (Joule)
i: Akım (Amper)
R: Direnç (Ohm)
t: Zaman (saniye)
i2 R t’ye R direncinde ısıya dönüşen enerji denir

Elektriksel güç: Üzerinden alternatif akım geçen R direncinde harcanan güç
P = W /t
Denklemde denklem 68’deki W yerine yazılarak,
P = i2 R t /t
P = i2 R = iV 69
bulunur Veya ortalama güç,
P = Veie cos
(Komisyon, Özet Konu Anlatımlı Fizik, 1998)

724 Işık ve ışık akısı:
Işık: Elektromanyetik bir dalgadır Doğru boyunca yayılır, saniyede aldığı yol 299 792 458 m’dir Işık hakkında bir çok fikir vardır Bunlardan bazıları şöyledir
Işığın tanecik yapısı, ilk defa Compton tarafından gösterilmiştir Bir foton ile elektronu çarpıştırarak saçılmalarını gözlemiştir Fotoelektrik olay da ışığı tanecik modelini destekleyen bir deneydir (KARAKOÇ, Y, 1992) Tanecik Modelinin ışık hakkında bize şu bilgileri vermektedir
• Işığın doğrultu boyunca yayılması
• Işığın birbiri içinden geçişi
• Işınların bir yüzeyde meydana getirdikleri aydınlanma
• Işığın bir yüzeye çarptığında bir basınç uygulaması
• Işığın soğurulması
• Işığın bir yüzeyden yansıması
• Işığın boşlukta yayılması
Tanecikli yapının açıklayamadığı hususlar ise
• Işığın kırılması
• Işığın aynı anda yansıması ve kırılması
• Işığın dar bir yarıktan geçerken kırınıma uğraması
• Girişim olayı
Işığın dalga modeli ise aşağıdaki olaylara çözüm getirmiştir
• Işığın bir yüzeyden yansıması
• Işığın kırılması
• Işığın aynı anda yansıması ve kırılması
• Işığın girişimi ve kırınımı
• Işığın etkilenmeden birbiri içinden geçişi
Dalga modelinin açıklayamadığı olaylar ise
• Ayrılma olayı
• Işığın boşlukta yayılması (Komisyon, Özet Konu Anlatımlı Fizik, 1998)
Maxwell Elektromanyetik Kuramını ortaya atarak üçüncü bir Teori ortaya çıkmıştır Bu kurama göre ışık etrafa tanecikler gibi hareket etmekte ve bu taneciklere bir dalga eşlik etmektedir Bu dalgada hem elektrik alanı hem de manyetik alan bulun-maktadır Modern dalga teorisinde, ışık bir parçacık hareketi ve bu parçacığa eşlik eden bir dalga mevcuttur Parçacıkları fotonlar oluştururlar Aslında hareket eden her parçacığa bir dalga eşlik eder Bazı parçacıkların hızları yeterince büyük olmaması, kendilerine eşlik eden dalgaların dalga boyları da çok küçük olduğundan ölçülemezler Maxwell denklemleri modern dalga teorisini çok iyi bir şekilde açıklamıştır
Işık akısı: Bir ışık kaynağının birim zamanda yayınladığı görünür ışık enerjisine ışık akısı denir Φ ile simgelenir, ışık akısı birimi lümen’dir Bir yüzey aydınlatıldığında, yüzey üzerine düşen görünür ışık enerjisinin bir kısmını tutup, bir kısmını yansıtır Yüzeyden yansıyan görünür ışık miktarına (enerjisine) yüzeyin parlaklığı denir (AKBAY, A,N, 1992) Işık şiddeti 1 candela olan bir noktasal kaynaktan 1 m uzaklıkta, ışınlara dik olarak düzenlenmiş 1 m2’ lik yüzeye gelen ışık akısı bir (1) lümendir ( Prof Dr EKEM, N, 1997)

725 Aydınlanma şiddeti: Birim yüzeye düşen ışık akısıdır Işık akısı ile simgelenir birimi lümendir Aydınlanma şiddetinin birimi lüks (lx) S yüzey büyüklüğü ise aydınlanma şiddeti,
E = / S dir 610
I şiddetindeki bir ışık kaynağı r yarı çaplı bir kürenin merkezinde ise
Φ = 4 I 611
ve küre yüzeyi S = 4r2 olduğundan küre yüzeyindeki aydınlanma şiddeti, bağıntı 612’deki gibi olur (ÖZDEMİR, B, vd, 1993) Aydınlanma şiddeti kaynaktan uzak-laştıkça azalır

726 Fotoelektrik dedektör: Işık şiddetini ölçmeye yarayan aletlere denir Işığın absorba edilmesi absorba eden metal üzerinden elektron kopartılır Bu elektronlar devreden akım olanağı sağlarlar Akımın şiddeti ışığın şiddeti ile doğru orantılıdır
Şekil 77’deki ışık kaynağından l uzaklıkta bulunan A noktasına konan bir fotoelektrik dedektörün ölçtüğü ışık şiddeti I ise, l mesafe uzaklıkta bulunan B noktasındaki ışığın şiddeti I/22 Eğer detektör C noktasında ise ışık şiddeti I/32 şeklinde değişir Öyle ise ışık şiddeti uzaklığın karesi ile ters orantılıdır

Işık kaynağı

l l l
A B C

Şekil 77: Işık, kaynaktan uzaklaştıkça (A, B, C noktalarının) aydınlanması
azalır

E = I / (l 2) 612
E lüks (lx), l metre (m), I candela (cd)
Oda ortamlarını daha fazla aydınlatmak, hem enerjinin israfı hususunda sakıncalı, hem de ışığın yoğunluğu sağlığımıza zarar vereceğinden sakıncalıdır Artık teknoloji sağlığımıza zarar vermeyen, enerji sarfiyatını düşüren, göz sağlığımızı koruyan lambalar icat etmiştir

727 Lambaların seri ve paralel bağlanması
Seri bağlanma: Lambaların uç uca bağlanması ile elde edilen devreye denir Diğer bir değişle, akım kendisini tek bir koldan tamamlıyor ise seri bağlanmadır Seri bağlanma potansiyel bölünmesine sebep olacaktır Her devre elemanı üzerinde potansiyel bölünmeye uğrayacağından, daha düşük potansiyel altında lambalar yanacaktır Hem seri bağlanmada dirençlerin toplamı artacağından devreden geçen toplam akım da düşecektir (bkz Bölüm 21)
Paralel bağlanma: Bir devredeki lambaların bir uçları bir noktada, diğer uçları başka bir noktada birleştirilerek kurulmuş devrelerdir Veya akım kendisini birden fazla kola ayırarak tamamlıyorsa paralel bağlıdır denir Paralel bağlanmada akım bölünmesi gerçekleşecektir Her bir devre elemanı aynı potansiyelle besleneceğinden, ana koldan daha fazla akım geçmesi mümkün olacaktır Paralel bağlanmada toplam direncin değeri düşeceğinden devreden geçen akım da büyümüş olacaktır (bkzBölüm 21)
Ohm Kanunu: Bir devre elemanı üzerindeki potansiyelin, o devreden geçen akıma oranı sabittir, R ile ifade edilir ve o elemanın direnci denir
R = V / i 613
Evlerde kullanılan aydınlatma lambaları: Evlerimizin aydınlatılmasında lambalardan faydalanırız Ampuller veya flouresans lambalar elektrikli aydınlatma lambalarıdır Ampuller, içerisinden geçen akım şiddetinin ısı etkisi, tungustenden ya-pılmış fitilin akkor hale gelmesi ile etrafa ışık enerjisi yayarlar Flouresans lambalarda ise uyarılmış gaz atomlarının, temel enerji konumuna geçerken ışık enerjileri yayarlar Bu enerjileri odaların aydınlatılmasında kullanırız Ampul lambalar sarf ettikleri elektrik enerjisi, flouresans lambalardan daha fazladır Flouresans lambalar ise sıklıkla açılıp kapanması sakıncalıdır Çünkü bu lambalar açıp-kapama esnasında elektrik devresinde fazla akım çekerler Uzun süre aydınlatılmanın ihtiyaç duyduğu odaların flouresans lambalarla, kısa süreli ve sıklıkla kullanılan odaların aydınlatılması da ampul lambalar ile sağlanmalıdır

Örnek 3: P1=60W, P2= 68W ve P3=100 wattlık üç lambayı şebeke cereyanına seri ve paralel ayrı ayrı bağlayalım Her bir bağlanmada devreden geçen akımı ve her lamba üzerindeki potansiyel farklarını bulalım

Çözümaralel bağlı devrelerde, potansiyel farkları eşit ve kaynağın potansiyeli ile aynıdır
V = V1 = V2 = V3 = 220volt
P = i2 R 614
P = iV’den i = P / V
i1 = 60 /220 = 0,272 A olduğundan P = i2 R bağıntısından R1 = 810 ohm
i2 = 80 /220 = 0,363 A olduğundan P = i2 R bağıntısından R2 = 607 ohm
i3 = 100 /220 = 0,454A olduğundan P = i2 R bağıntısından R3 = 485 ohm
it = 1079A
Seri bağlanmada, devreden geçen akımlar eşit, her bir lamba üzerine düşen potansiyeller farklıdır (HALİS, T, 1994) Toplam akım için,
Rt = 810 + 607 + 485 = 1902 ohm
it = V / Rt’ den
it = 0,116 A
i1 = i2 = i3 (Seri bağlanmalarda akımla reşit)
V1 = itR1 = 0,116810 = 94 volt
V2 = itR2 = 0,116607 = 70 volt
V3 = itR3 = 0,116485 = 56 volt

Örnek 4: şekil 78’de verilen elektrik devresinde 5 ohm’luk üç direnç seri bağlanmıştır Devre 45 voltluk bir potansiyelle beslendiğine göre devrelerden geçen akımları bulalım Bu arada devrenin t=5 saniye ’de harcadığı enerjiyi ve devrenin toplam gücünü bulalım

Şekil 7 8: Örnek ( 4 ) için

Rt = R1 +R2+R3 615 Rt = 5 + 5 + 5 = 15 ohm
i = V / Rt
i = 45 / 15 = 3 Amper
W = i2 R t 616
W = 9155 = 675 J
P = iVt (Vt, toplam potansiyel)
P = 345 =135 watt

Örnek 5: 100 watt’lık dört lamba paralel bağlansınlar Bu devreler şebeke cereyanına bağlandıkları zaman devreden geçen toplam akım şiddeti değeri nedir?
Çözüm: Devre elemanları paralel bağlandıkların ve şebeke cereyanı 220 volt olduğundan, paralel bağlanmada her bir lamba üzerine 220 volt düşecektir
P = iV
100 = i 220
i = 100 / 220 = 0,45 A
Lambaların dirençleri eşit olduğundan dört ayrı koldan aynı akım geçmektedir, (40,45 = ) 1,8 amperlik devreden toplam akım geçer

Alıştırmalar:
1 Şebeke cereyanı alternatif akım olarak nasıl üretilmektedir? Alternatif akım olmasının faydaları var mıdır? Nelerdir?
2 Frekans nedir? Evlerde kullanılan elektriğin frekansını nasıl anlarız?
3 Elektrikli bir malzemenin kullanım kılavuzunu veya cihaz üzerindeki bilgileri okuduğunuz zaman, cihaz hakkında ne gibi bilgiler elde edebilirsiniz?
4 Özdeş iki lamba cereyan hattına (220V) seri ve paralel bağlansın Devreden geçen akım nasıl değişir? Lambalardan elde edeceğimiz ışık enerjisi nasıl değişir?
5 10 ohm’luk direnç ile 60 wattlık lambayı 220 V’luk devreye seri bağlaya-lım Bu esnada lambanın harcadığı enerji ile, direnç çıkartıldıktan sonraki lambanın harcadığı enerji oranı nedir?
6 Evlerimizde, bütün elektrikli malzemeler devre üzerinde birbirlerine paralel bağlanırlar Niçin? Bunun ne gibi faydaları vardır?
7 Odaların aydınlatılmasında kaç wattlık lambalar kullanılmalıdır?