Elektrik İle İlgili Bilgiler - Elektrik İle İlgili Temel Bilgiler

elektrik ile ilgili bilgiler - elektrik ile ilgili temel bilgiler

ELEKTRİK

1 - ATOMLAR BİR YÜK KAYNAĞIDIR



Çekirdekteki pozitif yük miktarı, çekirdek etrafında dolanan elektronların toplam negatif yük miktarına eşittir Karbon atomu örneğinde, her elektronun yükü –e ise, çekirdekteki yük tam olarak +6e kadardır Evren, yaklaşık olarak nötr durumdadır Dünya, çok az da olsa negatif veya pozitif yük fazlalığına sahip olabilir Fakat pratik işlemler için nötr olarak kabul edilmektedir (Bueche,Jerde;2000:471)

Elektrik kuvvetleri, maddenin elektriksel özelliğine bağlıdır Elektriksel özellik, maddeyi oluşturan atomlardaki parçacıklarla ilgilidir Maddenin elektriksel kabiliyetini belirleyen parçacığa elektron denilmektedir Elektriklenme, elektron alış verişi ile mümkündür Elektron kazanan veya kaybeden cisimlere elektriklenmiş (yüklü) cisimler denir Elektriklenme; sürtme, dokunma ve etki ile olabilir (Öztürk;1998:106)

Bir elektronu bir atomdan uzaklaştırmak çok zor değildir Bir ebonit çubuk bir kadife beze sürtülecek olursa, bezdeki bazı elektronlar ebonit çubuğa aktarılmış olacaktır



Ebonit çubuğa aktarılan net elektron fazlalığı, negatif yüklenmesini sağlamıştır Bu çubuk, metal nesneye dokundurulursa, bazı elektronlar metale geçer (Bueche,Jerde;2000: 472)

Bir başka basit deney, şişirilmiş bir balonun yünle ovulmasıdır Bu durumda balon odanın duvarı veya tavanına saatlerce yapışık kalabilir Böyle davranan cisimlerin elektriklenmiş veya elektrikle yüklenmiş oldukları söylenir (Serway, 1996:627)

2 - YÜKLER ARASINDAKİ KUVVETLER
Yükler arasındaki kuvvetleri incelemek için çok hafif ve kütlesiz varsayılacak toplar kullanılabilir (Bueche,Jerde;2000:472)





3 - YALITKAN VE İLETKENLER

Bütün maddeler atomlardan, atomlar da çekirdek ve elektronlardan oluşmalarına karşın, maddelerin elektriksel özellikleri birbirinden çok farklıdır Maddeler, elektriksel özelliklerine göre, iki ana gruba ayrılabilir: İletkenler ve yalıtkanlar

İletkenler, elektrik yüklerinin oldukça serbest hareket ettikleri maddelerdir Buna karşın yalıtkanlar, elektrik yüklerinin kolayca taşınamadığı ortamlardır (Serway, 1996:629) Altın gümüş, bakır ve alüminyum gibi metaller iyi iletkenlerdir (Öztürk;1998:118)

Yalıtkanlardaki herhangi bir atomun elektronları, atomlara sıkı bir şekilde bağlıdır ve madde içinde hareket kadar serbest değildir Bu nedenle, yüklü bir çubuk bir yalıtkana yaklaştırılsa bile, yalıtkanın atomlarındaki çekirdek ve elektronlar, çubuğun yükünün çekme ve itme etkisi ile hareket edemezler

İletkenler ise daha farklı özellikler gösterirler İletkenlerde, madde içinde serbestçe hareket edebilen yükler vardır Metaller en iyi iletkenler olarak bilinirler Her metal atomu normalde nötr olmalarına karşın, çekirdekten en uzak orbitalindeki elektronlar kolayca serbest hale gelebilirler Metal boyunca hareket edebile negatif yükler, bir yerden başka bir yere kolaylıkla hareket edebilirler Elektriksel olarak iletken olanlar, sadece metaller değildir İyonik eriyikler gibi malzemelerde iyon yüklü atomlar içerdiklerinden serbestçe hareket edebilirler (Bueche,Jerde;2000:473)

4 - ELEKTROSKOP

Bir cismin elektrikle yüklü olup olmadığını, yüklü ise hangi tür elektrik yüklü olduğunun anlaşılmasına yarayan aletlere elektroskop adı verilir (Öztürk;1998:110) Bu alette, çok ince iki altın yaprak, bir metal çubuğa tutturulur Metal çubuğun tepesi, küresel şekildedir Topucun altındaki metal kısım ve yapraklar, yalıtkan bir koruyucu içine alınmıştır

Bir ebonit çubuğu elektroskopun metal küresine dokundurarak negatif yüklerin, elektroskopa geçmesi sağlanır Yükler, metal küre, çubuk ve altın yapraklara geçeceklerdir Benzer yükler birbirini iteceklerinden, başlangıçta çubuk üzerinde bulunan yükler daha sonra küre, çubuk ve yapraklar arasında yeni bir dağılıma uğrarlar Sonuçta, yapraklar üzerinde benzer yük fazlalığı oluştuğundan, birbirlerini iteceklerdir



Negatif yüklü bir top elektroskopun metal küresine yaklaştırıldığında, küre üzerinde bulunan negatif yükler, küreden çubuğun daha uzak bölgelerine itilecekler, yapraklar daha fazla yük aldığından birbirlerinden uzaklaşacaklardır Pozitif yüklü topta ise durum tam tersi olacaktır (Bueche,Jerde;2000:474)

Yüklü bir elektroskopun topuzuna, yüksüz cam, porselen, ebonit veya plastik ile dokunursak, yapraklar hiç kıpırdamaz Bu maddeler elektrik bakımından yalıtkanlardır Topuza bir kibrit çöpü ile dokunursak, yapraklar gene kapanır Fakat bu kapanma çok yavaş olur Görünüşe göre, odunun içinde de elektrik yükü hareket etmektedir Fakat bu hareket, metallerde olduğu kadar serbest değildir Odunun elektrik yüklerine karşı gösterdiği direnç, metallerinkinden çok daha büyüktür (Schaim; Cross, 1982:394)

5 - YÜK KORUNUMU

Evrendeki bütün yüklerin cebirsel toplamı sıfırdır Her etkileşimde yüklerin toplam miktarı değişmemektedir Yani net bir yük oluşturulamaz ve yok edilemez Buna yüklerin korunumu yasası denir Şu şekilde ifade edilebilir: Hiçbir fiziksel işlemde net bir pozitif veya negatif yük oluşturulamaz veya yok edilemez

Bu ifadeden, evrendeki proton ve nötron sayılarının eşit olduğu sonucu çıkarılmamalıdır Bir çok reaksiyonda, zıt yüklü parçacıklar oluşup, yok olabilir (Bueche,Jerde;2000:477)

7 - ELEKTRİKSEL ALAN

Alan çizgileri sadece kuvvetin yönünü göstermekle kalmaz aynı zamanda kuvvetin göreceli büyüklüğünü de belirtir Kuvvetin daha şiddetli olduğu yerlerde kuvvetçizgileri birbirlerine yakın, zayıf olduğu yerle de ise birbirlerinden uzaktır Elektriksel alan, yüklü cisimlerin başka bir yüklü cisme uyguladığı elektriksel kuvveti tasvir eder

Elektriksel alan, durgun bir yükün maruz kaldığı elektriksel kuvveti temsil eder Şimdi herhangi bir bölgedeki elektrik alanın nasıl saptanacağını ele alalım Bunun için, yüklü bir cismi (deneme yükü adı verilir) bir bölgeye koyup, bu deneme yüküne diğer tüm yüklerden kaynaklanan kuvveti belirleyebilirdik Fakat deneme yükü de çevresinde bulunan bütün yüklere bir kuvvet uygulayacaktır Bu yükler metal içinde iseler, harekete geçmelerine neden olacaktır Bu zorluğu yok etmek için, deneme yükünün çok özel bir özelliğe sahip olduğunu varsayarız: Yani deneme yükünü, komşu yükler üzerine hiçbir kuvvet uygulamayan hayalî bir yük olarak alınır Deneme yükünü qD ile gösteririz Pratikte, deneme yükünün çok küçük ve çevresinde bulunan yükler üzerine oluşturacağı kuvvetin ihmal edilecek kadar küçük olduğu varsayılır

Bir noktadaki elektrik alanın yönü, o noktaya konulan pozitif deneme yüküne etkiyen kuvvetin yönü ile aynı alınır Örneğin Şek7 daki “a” noktasına bir pozitif deneme yükü yerleştirildiğini varsayalım Bu deneme yükü “a”daki okla gösterildiği gibi, radyal (ışınsal) olarak içeriye doğru çekilecektir Gerçektende pozitif deneme yüküne etkiyen kuvvetin yönü, merkezdeki negatif yükün yakınına konulup konulmadığına bakılmaksızın, radyal olarak içeriye doğrudur Buradan da, elektrik alanın oklarla gösterilen yönlere sahip olduğunu tahmin ederiz Negatif bir yükün çevresinde oluşan elektrik alan, yükün içine doğru radyal olarak yönelir (Bueche,Jerde;2000:484)

Bir elektrik kuvvet alanını, bir alan vektörleri topluluğu çizerek değil, birkaç elektrik alanı çizgisiyle gösteririz Bir alan çizgisi, bir noktanın, birim pozitif yüke etkiyen kuvvet doğrultusunda hareket etmesiyle oluşur Pozitif yüke etkiyen kuvvetin doğrultusu değiştikçe çizginin doğrultusu da değişir (Schaim; Cross, 1982:412)

Şekil 1614b deki yükün çevresindeki alanın yönünü benzer şekilde belirleyebiliriz Pozitif bir deneme yükü, merkezdeki pozitif yük tarafından ışınsal olarak dışa doğru itilir O halde, Pozitif bir yükün çevresinde oluşan elektrik alanı, yükten ışınsal olarak dışarıya doğru olacak şekilde yönelir



Uzayda bir noktadaki E elektrik alan vektörü, o noktaya konulan artı bir deneme yüküne etkiyen F elektrik kuvvetinin qD deneme yüküne bölümü olarak tanımlanır (Serway, 1996:634)

Elektrik alan kavramına bir nicelik kazandırmak için, elektrik alan şiddeti Edenilen bir niceliği tanımlarız E, vektörel bir nicelik olduğundan, herhangi bir noktadaki yönü, bu noktadan geçen alan çizgilerinin yönü ile aynı yön alınır Enin büyüklüğü ise, deneme yükünün etkisinde kaldığı kuvvetin, yük miktarı qd ye bölümüne eşittir, yani
şeklinde yazılır Buna göre Enin birimi N/C olarak tanımlanır E, birim yük başına kuvvet olduğundan, bazen pozitif deneme yükü başına düşen kuvvet olarak da ifade edilir Bu arada, elektrik alan şiddetinin büyüklüğü ölçülürken kullanacağımız yükün büyüklüğünü, diğer mevcut yükleri bozmayacak kadar, yani 1 Coulomb tan çok daha küçük seçilmesinin gerektiği anlaşılmış olması gerekir

Kütle-çekim alanında olduğu gibi, elektrik alanın şiddeti de, alan çizgilerinin sık ya da seyrekliği incelenerek tahmin edilebilir Örneğin Şekildeki alan çizgileri, yük yakınlarında birbirlerine yaklaşır Bir birimlik pozitif deneme yüküne etkiyen kuvvet yüke yaklaşıldıkça büyür Elektrik alan şiddeti de, alan çizgileri birbirlerine yaklaştıkça büyüyecektir Genellikle bir bölgedeki alanın şiddeti, o bölgede çizilen alan çizgilerinin yoğunluğuna bakılarak tahmin edilir (Bueche,Jerde;2000:485)

8 - BİR NOKTA YÜKÜN ELEKTRİK ALANI
Genellikle bir iyon veya atomik ölçekteki bazı öteki yüklü parçacıkların oluşturduğu elektrik alanı ile ilgileniriz Bunları nokta yüklermiş gibi ele alırız Normal koşullarda, yüklü bir küre bile biraz önce bahşettiğimiz nokta yük gibi davranır Bu nedenle, bir nokta yükün alanım anlamak önemlidir



Şek1615 deki P noktasında oluşan elektrik alanı bulmak isteyelim Şek1614b de görüldüğü gibi, q yükü nedeniyle oluşan elektrik alanının ışınsal olarak dışarıya doğru yöneleceğini biliyoruz Dolayısıyla P deki Enin yönü şekilde gösterildiği gibi olacaktır P noktasına bir q deneme yükünün konulduğunu düşünürsek, Coulomb yasasına göre verilen yüke etkiyen kuvvet Bu ifadeyi qd ye bölersek, F / qd elektrik alanın şiddetini verir: Buradan da bir nokta yük için q pozitif ise, elektrik alanın yönü ışınsal olarak dışarıya doğru, q negatif ise içeriye doğrudur

Kuvvetin yönü, qE nin yönü ile aynıdır Bir pozitif yük durumunda F, E nin yönündedir Negatif yük durumunda ise F nin yönü, -E veya E nin zıt yönüdür(Bueche,Jerde;2000:485)
9 - ÇEŞİTLİ YÜK DAĞILIMLARININ ELEKTRİK ALANI: GAUSS YASASI

Uygun çizilmiş elektrik alan haritalarını (çizgilerini) inceleyerek problemin özü hakkında iyi bir bakış kazanabiliriz Aşağıdaki açıklamaları unutmayınız:
1Elektrik alan çizgileri, bir pozitif yükten çıkar ve bir negatif yükte sonlanır
2Elektrik alanın en şiddetli olduğu yerler, alan çizgilerinin yoğun olduğu yerlerdir
3Bir alan içindeki pozitif yüke etkiyen kuvvet, o noktadaki alan yönü boyunca yönelir Bir negatif yüke etkiyen kuvvet ise, alanla zıt yönelir

Birçok durumda yük dağılımı küresel, çizgisel veya düzlemsel basit geometriye sahip olabilir Böyle durumlarda alanın hesabını basitleştiren Gauss Yasası kullanılır Bu yasayı anlamak için, elektrik a bölgesinde kapalı bir hayali yüzey alırız: Bu yüzey, gerçek cismin maddesel yüzeyi olmak zorunda değildir ve adına gauss yüzeyi denir

Elektrik alanın şiddeti, alan çizgilerinin yoğunluğu ile temsil edildiğine göre; akıyı ΔA yüzeyinden geçen alan çizgilerinin sayısı olarak düşünebiliriz

Gauss yasası:
Kapalı bir yüzeyden geçen elektrik akı katkılarının toplamı, yüzey de kalan toplam yük miktarı ile orantılıdır (Bueche,Jerde;2000:487)
veya
Gauss kanununa göre, herhangi bir kapalı geçen net elektrik akısı, yüzey içindeki yükün e0 a bölümüne eşittir (Serway;1996:662)

10 - ELEKTRİK ALAN İÇİNDEKİ İLETKENLER



Bir iletken maddenin elektronları, elektriksel kuvvete ters yönde madde boyunca serbestçe hareket ederler Şekilde gösterildiği gibi, küçük ve negatif yüklü bir topu, büyük metal plakanın üstünde tuttuğumuzu varsayalım Metal plakada elektronlar, pozitif yük tarafından çekileceklerdir Elektronlar plaka terk edememelerine karşın, pozitif yüke doğru gitme eğiliminde olurlar ve plakanın topa yakın bölgelerinde birikirler Metal plaka toprağa bağlanırsa, topraktaki negatif yükler, plakada yüklü topa doğru giden yüklerin geride bıraktığı yerleri doldurmak için plakaya doğru akacaklardır Plaka başlangıçta nötr (yüksüz) olmasına karşın, topraklamadan sonra, toptaki pozitif yük kadar net bir negatif yüke sahip olur ve elektrik alan deseninin oluşmasına neden olurlar

Metal plakada oluşan bu yük düzenlemesi, çok çabuk bir şekilde gerçekleşir ve metalde yük hareketinin olmaması için gerekli koşullar oluşmasına neden olur Bu koşula elektrostatik koşul adı verilir ve aşağıdaki önemli gerçeğin varlığını ima eder:

Elektrostatik koşullar altında, bir iletken içinde elektriksel alan bulunmaz

Bu ifadeden çıkartılacak bir başka sonuç ise şudur:

Elektrostatik koşullar altında, bir dış elektrik alanı, her yerde bir iletken yüzeyine diktir
Bu ifadenin ispatı, E nin iletkenin yüzeyine paralel bileşeninin, elektrostatik koşullar oluşuncaya kadar elektronların yüzey boyunca hareket etmemelerinin nedeni olması gerçeğine dayanır E nin dik bileşeni, elektronları metalin yüzeyinin dışına çekmeye yetecek kadar (uç durumların dışında) yeterince şiddetli değildir Bu gözlemi akılda tutup, Şekil daki elektrik alan çizgilerinin metal plaka yüzeyine dik ve yüzeyde sonlandıklarına dikkat ediniz

Bu kuralların, elektronların özgürce hareket edemediği yalıtkanlara uygulanamayacağı da unutulmamalıdır (Bueche,Jerde;2000:494)

11 - ELEKTRİKSEL POTANSİYEL ENERJİ

Yüklü parçacıklar, çoğu kez elektriksel potansiyel enerjiye sahiptir Ve bu enerji kinetik enerjiye dönüşür Bunu göstermek için, yüklü iki cismin, iki paralel yüklü levha arasında bulunduğunu düşünelim Levhaların arasındaki, orta bölgedeki elektrik alanı sabit bir değere sahiptir ve yönü Şekil 10’da gösterilmiştir Şekil 11’de ise pozitif yüklü bir cisme etkiyen kuvvetler gösterilmektedir



Elektrik alanı yüzünden, q yüküne sahip olan cisim, sağa yönelen bir Eq kuvvetine maruz kalır Yüklü cismi yerinde tutmak istersek, cisim üzerine ters yönde bir F=Eq kuvveti uygulamalıyız

Yüklü bir cismin, Şekil 10’da başlangıçta A noktasında olduğunu farz edelim Şimdi, cismi A’dan B’ye ***ürmekle cismin üzerinde bir iş yaparız Bu durumda E sabit olduğundan, A’dan B’ye gitmekle F kuvveti tarafından yapılan iş Bu iş, sabit kütle-çekimi (gravitasyonal) kuvvetine karşı bir cismi yükseltmek için yapılan işe çok benzer İşte, yükün, elektriksel kuvvetlere karşı çekilmekle onun üzerinde yapılan işin, yükün elektriksel potansiyel enerjisinin artmasına neden olduğu söyleriz Burada, potansiyel enerjideki değişim önemlidir

Cisim B noktasına getirdikten sonra serbest bırakırsak, bu potansiyel enerji, kinetik enerji olarak geri kazanılır B deki yüklü cisim, üzerine etki eden Eq (dengelenmemiş) kuvvet nedeni ile, Aya doğru itilir O halde, B de serbest bırakılınca A ya doğru hızlanır Yüklü cismin B deki elektriksel potansiyel enerjisi, cismi A dan B ye ***ürmek için elektriksel kuvvetlere karşı yapılan işe eşittir: Buna göre, cismi B den A ya ***ürmek için uygulanan kuvvet –q yükü üzerinde pozitif iş yapmalıdır Demek ki –q yükü, A da, B den daha büyük elektriksel potansiyel enerjiye sahip olacaktır Cisim serbest bırakılırsa, A dan B ye “düşecek”, yani E nin zıt yönünde hareket edecektir (Bueche,Jerde;2000:505)