TRAKYA ÜNİVERSİTESİ, FEN FAKÜLTESİ, FİZİK BÖLÜMÜ TEMEL ELEKTRİK DEVRELERİ DENEYLERİ FÖYÜ. Edirne,

Transkript

1 GENEL FİZİK - II LABORATUARI TRAKYA ÜNİVERSİTESİ, FEN FAKÜLTESİ, FİZİK BÖLÜMÜ TEMEL ELEKTRİK DEVRELERİ DENEYLERİ FÖYÜ Edirne,

2 FİZİK-II LABORATUVARI FİZİKTE BİRİMLERİN VE BÜYÜKLÜKLERİN UYGUN ŞEKİLDE İFADESİ (ANLAMLI SAYILAR) Fizikte kullanılan başlıca birimler: Ω (Ohm), V (Volt), I (Amper), s (Saniye), Hz (Hertz), F (Farad), H (Henry) v.s Katı --- G (giga) 10 6 Katı --- M (mega) 10 3 Katı --- k (kilo) Birimin kendisi 10-3 Katı --- m (mili) 10-6 Katı --- µ (mikro) 10-9 Katı --- n (nano) Katı --- p (piko) Bir formülde değerler yerine konularak işlem yapılmak istendiğinde, ilgili büyüklüğün birimi, katları şeklinde değil de, esas halinde yerleştirilmelidir. Örneğin : Eldeki değerler : V 1 = 300 mv, V 2 =7,5 V, R=1 kω Burada 1kΩ u yerine yazarken 10 3 ile çarparak Ohm a çevirmeli ve 300 mv u da 0.3 V olarak kullanmalıyız. V2 V1 7,5 0,3 3 I = = = 7,2. 10 A = 7, 2 ma R 3 10 Eldeki değerler : L=4 mh, C=10 nf 3 9 T = 2π L C = 6, = s =40 µs İşlemlerin sonucunda elde edilen değerler örneklerde olduğu gibi uygun şekilde ifade edilmelidir. Örnek ifade ve söyleyişler : =4700 Ω = 4,7 kω =1200 mv = 1,2 V =0,9 A = 0,9 A veya 900 ma =0,03 V =0, mv = 30 mv =8, H = 82 µh Görüldüğü gibi sonuçlar 10 üzerili sayılarla ifade edilmez,, den sonra 0 ile başlayan rakamlar kullanılmaz ve rakam 1000 ve daha yukarısı ise 1000 e bölünerek birimin başına uygun kat ismi getirilir.

3 DİRENÇ RENK KODLARI A B C Tolerans RENK A B C % Tolerans Siyah Kahverengi Kırmızı Turuncu Sarı Yeşil Mavi Mor Gri Beyaz Altın Gümüş Direnç şekildeki gibi tolerans çizgisi sağda olacak şekilde tutulur. A ve B renk çizgilerine karşılık gelen değerler yan yana yazılır. Bu iki haneli bir rakam gibi okunarak C ye karşılık gelen değer ile çarpılır. Örnekler A B C DEĞERİ Kırmızı Kırmızı Kırmızı = 2200 Ω=2,2 KΩ Kahverengi Siyah Siyah = 10 Ω Sarı Mor Yeşil = 4,7 MΩ Mavi Gri Altın = 6,8 Ω NOT: Elektronikteki tüm değer ifadelerinde olduğu gibi direnç için de değerler uygun birimlerle ifade edilmelidir Ω, KΩ, MΩ gibi gösterim ve söyleyişler yanlıştır. Bunlar sırayla 12 kω, 56 Ω, 8,2 kω olarak yazılır ve söylenir.

4 FİZİK-II LABORATUVARI ( FL 2 1 ) 1- Avo metre tanıtımı, kırmızı ve siyah renk standardı. 2- Ohm metre nasıl kullanılır, ölçüm esnasında elle tutulmamalı. 3- Ölçüm işlemi bitince alet açık bırakılmamalı. 4- Direnç renk okuma ve ohm metre ile ölçme. R1= Turuncu, Turuncu, Turuncu = Ω = 33 KΩ R2= Kırmızı, Kırmızı, Kahve = 220 Ω R3= Kahve, Siyah, Kahve = 100 Ω R4= Kahve, Siyah, Kırmızı = 1 KΩ R5= Sarı, Turuncu, Kahve = 430 Ω 5- Aynı dirençleri ohm metre ile ölçme 6- Devre kurulumu ve eşdeğer direnç ölçümü. (Deneysel) 1 R1 100 Ω 2 R2 430 Ω R3 220 Ω Reş D =..(1 ve 3 arası) 3 7- Eşdeğer devreyi hesaplayarak bulunuz. (Kuramsal) Reş K =.. Reş=R1+R2 Reş=(R1*R2)/ (R1+R2)

5 TRAKYA ÜNİVERSİTESİ Fizik-II Dersi Laboratuvar Protokolü Deneyin Adı: Doğru Gerilim ve Akım Ölçmeleri Deneyin Kodu: FL 2-1 Adı Soyadı : Numarası : Deney Grubu : İmza :..... Tarih.../ /201 DENEY VERİLERİ: 5- Ohm metre ölçme R1 D = R2 D = R3 D = R4 D = R5 D = 6- Devre deneysel eşdeğer direnci Reş D =. 7-Kuramsal eşdeğer direnç hesabı Reş K =.

6 FİZİK-II DERSİ LABORATUVARI ( FL 2 2 ) DOĞRU GERİLİM VE AKIM ÖLÇMELERİ KURAM : Doğru gerilim ve akım denildiğinde, değeri ve yönü zamanla değişmeyen gerilim ve akımlardan söz edilmektedir. Bu çalışmada doğru gerilim ve akım ile direnç ölçmelerini ve bunları ölçen bazı aletleri kullanmasını öğreneceğiz. Kullanacağımız devrede bir doğru gerilim kaynağı ile sayısal multimetreler yer alacaktır. DENEYİN YAPILIŞI : A) Gerilim Ölçmeleri: 1-) Doğru gerilim kaynağını minimum konuma getiriniz ve sayısal voltmetreyi (Vs), DC Volt konumuna getirerek Şekil-1 deki gibi bağlayınız. (Virgülden sonra iki hane alınız.) Vk Vs Şekil-1 2-) Gerilimi yavaş yavaş artırarak aşağıdaki tabloyu doldurunuz (Vk, doğru gerilim kaynağı voltmetresidir). Vs (V) : 1,80 2,00 2,80 3,20 3,80 4,40 5,10 6,00 Vk (V) : B) Akım Ölçmeleri: 1) Doğru gerilim kaynağını minimum konuma getiriniz, sayısal ampermetreyi (Is) ma konumuna getirerek Şekil-2 deki gibi bağlayınız. Ik 2) Gerilimi yavaş yavaş artırarak aşağıdaki R=1kΩ tabloyu doldurunuz. Vk (V): 2,0 3,3 3,8 4,5 Is 5,0 6,0 8,5 10,0 Is (ma) : Şekil-2 V=4.5volt değeri için Ohm kanunu kullanarak R direncini hesaplayınız. R(4.5v)=...

7 C) Bilinmeyen Direnç (Rx) Tayini: Şekil-3 deki devreyi, değerinin bilinmediği varsayılan R1=1 kω ve Rx=1 kω ile kurunuz. Vk ve Vs yi voltmetre ile aşağıda verilen değerler için okuyarak I=(Vk-Vs) / R1 ifadesinden bulacağınız I değeri ile, I-Vs grafiğini çiziniz ve eğimden Rx değerini bulunuz. Vk(V) : 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 Vs(V) : I(mA) : Vk R 1=1kΩ R x Vs Şekil-3

8 TRAKYA ÜNİVERSİTESİ Fizik-II Dersi Laboratuvar Protokolü Deneyin Adı: Doğru Gerilim ve Akım Ölçmeleri Deneyin Kodu: FL 2-1 Adı Soyadı : Numarası : Deney Grubu : İmza :..... Tarih.../ /201 DENEY VERİLERİ: A) Gerilim Ölçmeleri Vs (V) : 1,8 2,0 2,8 3,2 3,8 4,4 5,1 6,0 Vk (V) : B) Akım Ölçmeleri 2) Vk (V) : 2,0 3,3 3,8 4,5 5,0 6,0 8,5 10,0 Is (ma) : R(4.5Volt)=... C) Bilinmeyen Direnç (Rx) Tayini V k(v) : 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 V s(v) : I(mA) :......

9 FİZİK-II DERSİ LABORATUVARI ( FL 2 3 ) KURAM: KIRCHOFF YASALARI (Doğru Akım ve Gerilim Ölçümleri) Üzerinde pasif ve aktif devre elemanları olan bir devrede; Kirchoff gerilimler yasası: Herhangi bir anda devrenin herhangi bir çevresindeki n tane elemanın gerilimleri toplamı sıfırdır: n k = 1 V k ( t) = 0 Kirchoff akımlar yasası: Herhangi bir anda bir düğüme giren ve çıkan n tane akımın toplamı sıfırdır. n k = 1 i k ( t ) = 0 Devre üzerindeki iki nokta arasındaki potansiyel farkını veya gerilimi ölçmek için voltmetre kullanılır. Voltmetreler ölçülecek noktalar arasına paralel bağlanırlar. Ölçülecek gerilim doğru gerilim ise + ve kutuplanmaya uygun olarak bağlanmalıdır.voltmetrelerin iç dirençleri çok büyük (idealde sonsuz) olmalıdır. Çünkü paralel bağlantıda kendi iç direnci üzerinden bir akım geçmesi ve bunun bir kayıp yaratması istenmez. Devrenin herhangi bir noktasından geçen akımın ölçülebilmesi için bu nokta açık devre edilerek bu uçlar arasına ampermetre seri olarak bağlanır. Ampermetrelerin idealde sıfır olması gereken çok küçük bir iç dirençleri vardır. Böylece, hem iki noktayı kısa devre etmiş hem de üzerinden geçen akımın, kendi iç direnci üzerinde bir gerilim düşümü yani kayba neden olması önlenmiş olur. Voltmetre ve ampermetreler, analog (orantılı) olarak adlandırılan ve bir skala ve ibreden oluşan elektro-mekanik aletler olabileceği gibi, tamamen elektronik sayısal (dijital) olarak da üretilirler. Sayısal ölçü aletleri, ayarları (kalibrasyon) iyi yapıldığında daha hassas bir ölçüme izin verir. Her iki tip ölçü aleti de kok (kare ortalaması karekökü) veya etkin değer olarak adlandırılan türden alternatif gerilim ölçümü yaparlar.

10 DENEY: Ω 2 1 kω Ω 430 Ω 1) Aşağıdaki devreyi kurarak devrenin girişine 10.0 V luk doğru gerilim uygulayınız. Her bir çevredeki eleman uçlarındaki gerilimleri, yönlerine dikkat ederek (aynı yön sırasını takip ederek) voltmetre ile ölçünüz. Örnek bir ölçüm sırası aşağıda verilmiştir. Bu gerilimler ile Kirchoff gerilimler yasasının doğruluğunu gösteriniz Ω 2 10 V 100 Ω 1 kω Ω 3 Örneğin Şekilde gösterildiği gibi, her iki kapalı çevrede de saat yönünde dolaşırsak: Sol Kapalı Çevre: Sağ Kapalı Çevre: 220 Ω uçlarındaki voltaj : V12= 1 kω uçlarındaki voltaj : V23= 100 Ω " " : V24= 430 Ω " " : V34= Kaynak " " : V41= 100 Ω " " : V42= Hatırlatma: Örneğin V 23 voltajını ölçerken, voltmetrenin + ucu ilk noktaya (2) ve eksi ucu da ikinci noktaya (3) bağlanmalıdır.

11 2) Devre üzerinde aşağıda gösterilen 2 numaralı düğüm noktası etrafındaki ia, ib ve ic düğüm akımlarını sırasıyla ölçünüz. Ölçüm sırasında ampermetrenin + ve uçlarını 2 düğümüne göre hep aynı yönde bağlayınız. Bu akım değerlerini kullanarak Kirchoff akımlar yasasının doğruluğunu gösteriniz. Akımın - işaretli ölçülmesi veya hesaplanması ne anlama geliyor olabilir? + 10 V 220 Ω i A 2 i B i C 1 kω ia=... ib= Ω ic= Ω Yol Gösterme: Akımları ölçerken kullanacağınız ampermetre, sırasıyla hangi akımı ölçecekseniz o hat kesilerek araya seri bağlanmalıdır. Örneğin, ia akımını ölçmek için, 220 Ω'luk direncin ucunu 2 nolu düğüm noktasına bağlayan kırmızı kablo çıkarılmalı ve ampermetrenin bir ucu (örneğin - uç) 2 nolu düğüme ve diğer ucu da 220 Ω'un boştaki ucuna bağlanmalıdır. Daha sonra ib akımını ölçerken, ampermetre bir önceki ia ölçümünde bağlandığı yerinden çıkarılıp, önceden sökülen kırmızı kablo yerine takılmalıdır. Şimdi 1 kω'luk direncin 2 nolu düğüme giden ucuna ait kırmızı kablo sökülmeli ve yerine ampermetre bağlanmalıdır. İşaret hatası olmaması için ampermetrenin 2 nolu düğüme bağlanan ucu hep aynı (örneğin - uç) kalmalıdır. 3) ia, ib ve ic akım değerlerini bir de teorik olarak hesaplayarak sonuçları karşılaştırınız.

12 TRAKYA ÜNİVERSİTESİ Fizik-II Dersi Laboratuvar Raporu Deneyin Adı: Kirchoff Yasaları Deneyin Kodu: FL 2-3 Adı Soyadı : Numarası : Deney Grubu : İmza :..... Tarih.../ /201 DENEY VERİLERİ: 1-) Her bir çevredeki eleman uçlarındaki gerilimleri yazınız. I.Çevre II.Çevre V 12 =... V 23 =... V 24 =... V 34 =... V 41 =... V 42 =... Ölçüm değerlerinizi kullanarak her iki kapalı çevre için Kirchoff Gerilimler Yasasının Doğruluğunu Gösteriniz: 2-) İ A=...mA, İ B=...mA, İ C=...mA Ölçüm değerlerinizi kullanarak her iki kapalı çevre için Kirchoff Akımlar Yasasının Doğruluğunu Gösteriniz: 3-) İ A, İ B, İ C akımlarını.teorik olarak hesaplayıp, sonuçlarınızı deneysel olanlarla karşılaştırınız. Akımların yönlerini ve eksiliklerin anlamlarını açıklayınız.

13 FİZİK-II DERSİ LABORATUVARI ( FL 2 4 ) KURAM: Kondansatörün Dolma ve Boşalması Klasik olarak bildiğiniz gibi, iki iletken paralel plaka arasına dielektrik (yalıtkan) bir madde konulursa kondansatör oluşur. Kondansatörler bu yalıtkan maddenin türüne göre oldukça çeşitlidir. Kondansatörü oluşturan bu iki iletken plaka arasına sabit bir V gerilimi uygulanırsa oluşan elektrik alan sonucu kondansatör plakasındaki elektronlar kaynağın pozitif tarafına doğru çekilir. Elektronların bu alanı dengelemek amacıyla çekilmesi yük akışıdır. Belirli bir süre sonra iki plaka arasında alanı dengeleyen Q yükü birikir. Biriken Q yükünün uygulanan V gerilimine oranı kondansatörün sığası ya da kapasitesi olarak adlandırılır, C ile gösterilir, birimi Farad dır. C = Q / V Q: Biriken yük miktarı (Coulomb) V: Uygulanan gerilim (Volt) C: Sığa ya da kapasite (Farad) Bu kapasite hesaplanmak istenirse aşağıdaki eşitlik kullanılır. C = ε r.ε o A. d εo : Boşluğun dielektrik katsayısı: 8.854x10-12 F/m εr : Plakalar arasında kullanılan yalıtkan malzemenin bağıl (relative) dielektrik katsayısı (oran olduğu için birimsizdir) A : Plakaların alanı [m] d : Plakalar arası uzaklık [m] KONDANSATÖRÜN DOLMASI Aşağıdaki devre kondansatörün dolması ve boşalması sırasındaki gerilim değişiminin analizi için kullanılacaktır. Anahtar 1 konumundayken kondansatör E gerilim kaynağı tarafından R direncinin ve kondansatörün C sığasının belirleyeceği hızla dolar.

14 Anahtarın 1 konumu için şu eşitlikler yazılabilir. E = V R (t) + V C (t) E = I R (t).r + V C (t) Seri bağlı olduklarından IR(t) = IC(t) dir. E = I (t).r C + V C (t) Kondansatörün akım-gerilim ilişkisi gereğince IC (t) = dvc (t) C dt dv (t) E = R.C. dt C + V C (t) diferansiyel denklemi Vc(0)=0 başlangıç koşuluyla çözülürse V C (t) t RC = E(1 e ) = E(1 e ) (1) t τ şeklindeki, kondansatör geriliminin zamanla değişimini gösteren ifadeye ulaşılır. t = 0 için VC(0) = 0 ve t için VC( ) = E olur. Yani başlangıçta boş olan (uçları arasında potansiyel fark bulunmayan) ideal kondansatör, potansiyel fark sonucu akan akımla yavaş yavaş dolar (şarj olur) ve belirli bir süre sonra kondansatör gerilimi E değerine ulaşacağından akım akmaz, kondansatör gerilimi bu değerde sabitlenir. R.C çarpımı devrenin "Zaman Sabiti" (Time Constant) olarak adlandırılır ve τ (Okunuşu: "To") ile gösterilir. Birimi saniyedir. (1) ifadesinde t = τ için, VC(t) = E.( 1 e -τ/τ ) = E.( 1 e -1 ) = E.( 1 0,368 ) = (0,632).E (2) bulunur. Yani, kondansatör boşken devreye bağlanırsa τ saniye sonra kondansatör üzerindeki gerilim E değerinin sine ulaşmış olacaktır. Yaklaşık 5τ saniye sonunda kondansatörün dolmuş olduğu söylenebilir.

15 10 9 Kondansator Gerilimi (V) Zaman (s) Şekil 1: Kondansatörün dolma eğrisi Örnek olarak, E=10 V, R=10 kω ve C=1000 µf için kondansatörün gerilim değişimi (ya da dolma eğrisi) Şekil 1 de verilmiştir. Bu değerler için zaman sabiti hesaplanırsa, τ = R.C = ( ).( ) = 10 s bulunur. Eğriye dikkat edilirse 10 s sonra kondansatör gerilimi 6.32 V a ulaşmıştır. 50 saniye sonra kondansatörün 10 V a ulaştığı söylenebilir. Kondansatörün gerilim değişimini bildiğimize göre akım değişimini de bulabiliriz. Kondansatör geriliminin üstel artması sonucu, bir ucu DC gerilim kaynağına diğer ucu kondansatöre bağlı bulunan R direncinin üzerindeki gerilim de üstel olarak azalır. Bu fark direnç üzerinden geçen akımı ve dolayısıyla seri bağlı olduklarından kondansatörü dolduran akımı oluşturur. Bu nedenle devreden geçen akım, R direnci uçlarındaki potansiyel farkın maksimum olduğu ilk anda en büyük değerini alacak kondansatörün dolmasıyla üstel olarak azalarak sıfıra doğru azalacaktır. Matematiksel olarak ise akan akım kondansatör geriliminin zamana göre türevinin C ile çarpımıdır. Dolayısıyla genel olarak, Vc(t) = E ( 1 e -t/τ ) ise, I C (t) = dvc (t) C dt = d C. dt (E(1 e t τ )) = C.E τ e t τ = E R e t R.C ifadesi akım değişimini verecektir. İfadeye dikkat edilirse; t = 0 için IC(0) = E/R olmaktadır. İlk başta kondansatör gerilimi sıfır olduğundan direnç doğrudan toprağa bağlıymış gibi düşünebilirsiniz. Daha sonra, artan kondansatör gerilimiyle akım azalır ve t için IC( ) = 0 olur. Yani kondansatör dolduğundan artık içerisinden akım akmaz.

16 1 x 10-3 KONDANSATOR AKIMI (A) Zaman (s) Şekil 2 : Kondansatör dolması sırasında akan akımın zamanla değişimi KONDANSATÖRÜN BOŞALMASI Şimdi, daha önce E gerilimine kadar dolmuş olan kondansatörü anahtarı "2" konumuna alarak R direnci üzerinden boşaltalım. Daha önceki elektrik alan sonucu kondansatörün üst tarafında birikmiş olan yükler R direncinin kondansatör plakaları arasında köprü olmasıyla iki tarafta dengelenir ve kondansatör boşalmış olur. Bu defa R direnci üzerindeki gerilim ile C kondansatörü üzerindeki gerilim birbirini izleyerek azalacaktır. VC nin değişimi; t RC t τ V C (t) = E. e = E. e olacaktır. Eşitliği kontrol etmek gerekirse, E gerilimine kadar dolmuş olan kondansatörün boşalması için anahtarın "2" konumuna alındığı ana t=0 dersek; t=0 için Vc(0) = E.e -0 = E t için Vc( ) = E.e - = 0 olur.

17 10 Kondansator Gerilimi (V) Zaman (s) R direnci üzerinden akan akım ise VC=VR geriliminin R değerine bölünmüşü olacaktır: t t E E RC τ I R (t) =. e =. e R R DENEY: Deney iki aşamadan oluşmaktadır; 1. aşama kondansatörün doldurulması (şarjı), 2. aşama kondansatörün boşaltılması (deşarjı). Deneyin 1. aşaması için seçici anahtarın (komütatörün) I. konumu, 2. aşama içinde II. konumu kullanılır. Anahtarın 0 konumu boşta konumudur. Deneyin başında anahtar 0 konumunda olmalıdır.

18 1. Devreyi şekildeki gibi kurunuz (R=33 kω, C=1000 µf) Kondansatörün + ve - uçlarının doğru bağlantısına dikkat edin! 2. Anahtar "0" konumunda iken DC kaynak voltajı, E k =10 V olacak şekilde ayarlayınız. 3. Ölçü aletinizi DC Volt ölçecek voltmetre konumuna getiriniz. 4. Deney düzeneğinde bulunan kronometreyi sıfırlayınız ve seçici anahtar I konumuna getirildiği anda kronometreyi de saymaya başlatınız (Start). 5. Aşağıdaki tabloya, karşılık gelen zamanlarda voltmetreden değer okuyarak, Doldurma 1.ölçüm sütununa kaydediniz. (Noktadan sonra 1 hane yeterlidir.) Zaman (sn) Doldurma 1.ölçüm (Volt) Doldurma 2. ölçüm (Volt) Doldurma Ortalaması (Volt) Boşaltma 1. ölçüm (Volt) Boşaltma 2. ölçüm (Volt) Boşaltma Ortalaması (Volt)

19 6. Kondansatörün doldurma işlemi bitince seçici anahtarı 0 konumuna getiriniz, kronometreyi durdurup sıfırlayınız. 7. Fazla beklemeden deneyin ikinci aşamasına geçiniz (boşaltma). Seçici anahtarı II konumuna getirdiğiniz anda kronometreyi başlatınız. Voltmetreden okunan değerleri tabloda (Boşaltma 1. ölçüm) sütununa kaydediniz. 8. Deneyin 4,5,6 ve 7. adımlarını ikinci ölçüm için tekrarlayarak tabloyu doldurunuz. 9. Daha sonra, Doldurma 1 ve 2 nin aritmetik ortalaması ve Boşaltma 1 ve 2 nin aritmetik ortalamalarını alarak tabloyu doldurunuz. 10. Doldurma ve boşaltma grafiklerini milimetrik kağıda çizerek τ κ = R.C ifadesinden zaman sabitini hesaplayınız. Bu zamana karşılık gelen voltaj değerini (Vc d ), doldurma grafiği üzerinde gösteriniz. Sonucunuzu, V d C(t) = E d.( 1 e -τ/τ ) = E d.( 1 e -1 ) = E d.( 1 0,368 ) = (0,632).E d denklemiyle hesaplayacağınız voltaj değeriyle karşılaştırınız.

20 TRAKYA ÜNİVERSİTESİ Fizik-II Dersi Laboratuvar Raporu Deneyin Adı: Kondansatörün Dolma ve Boşalması Deneyin Kodu: FL 2-4 Adı Soyadı : Numarası : Deney Grubu : İmza :..... Tarih.../ /201 DENEY VERİLERİ: Zaman (sn) Doldurma 1.ölçüm (Volt) Doldurma 2. ölçüm (Volt) Doldurma Ortalaması (Volt) Boşaltma 1. ölçüm (Volt) Boşaltma 2. ölçüm (Volt) Boşaltma Ortalaması (Volt)

21 τ κ = R.C =...s Vc d (τ κ ) =...V (Kondansatörün uçları arasındaki gerilim. Grafikten bulunacak) V d C(t) = E d.( 1 e -τ/τ ) = E d.( 1 e -1 ) = E d.( 1 0,368 ) = (0,632).E d E d =...V (Güç kaynağının gerilim değeri)

22 FİZİK-II DERSİ LABORATUVARI ( FL 2 5 ) EŞ POTANSİYEL VE ELEKTRİK ALAN ÇİZGİLERİ AMAÇ: 1. Zıt yükle yüklenmiş iki iletkenin oluşturduğu eş potansiyel çizgileri araştırıp bulmak. 2. Bu eş potansiyel çizgileri kullanarak elektrik alan çizgilerinin haritasını çıkarabilmek. GENEL BİLGİLER: Bildiğimiz gibi, herhangi bir yük dağılımı civarında bulunan bir test yükü üstüne bir kuvvet uygular. Elektrik alan ise; birim pozitif yüke karşı gelen elektrostatik kuvvet olarak tanımlanır: E = F / q (1) (SI) birim sisteminde F; Newton ve q; Coulomb birimlerine sahip olduğundan elektrik alanın birimi Newton/ Coulomb (N/C) olur. Şekil 1. Pozitif q noktasal yükünün elektrik alanının yönü. Yukarıdaki gibi bir durum için A noktasındaki alanın yönü, A noktasındaki pozitif test yüküne etki eden kuvvetin yönündedir. E vektörel bir büyüklük olduğundan, bir yönü vardır. Bu yön; herhangi bir yük dağılımının pozitif test yükü üstünde oluşturduğu kuvvetin yönündedir. Bir pozitif q noktasal yükünün civarındaki bir A noktasında yarattığı elektrik alan Şekil 1. de gösterilmiştir. Uzayda çeşitli noktalardaki yük dağılımından kaynaklanan elektrik alanların şiddeti ve yönünü temsil etmek üzere elektrik alan çizgileri kullanılır. Bu hayali çizgiler pozitif yük dağılımından başlayıp negatif yük dağılımında sonlanırlar. Herhangi bir bölgedeki elektrik alan çizgilerinin yoğunluğu elektrik alanının o bölgedeki şiddeti ile orantılıdır. Herhangi bir noktadaki elektrik alanın yönü o noktadan geçen alan çizgisine çizilen teğet yönündedir. Bir pozitif noktasal yük, sonsuz uzunluktaki zıt yüklü paralel iletken iki plaka ve iki dairesel disk için elektrik alan çizgileri sırası ile Şekil2a, 2b ve 2c 'de gösterilmiştir.

23 (a) (b) Eş potansiyel çizgileri Elektrik alan çizgileri (c) Şekil 2. Elektrik Alan Çizgileri (a) Pozitif Q nokta yükünün elektrik alan çizgileri, (b) Sonsuz uzunluktaki zıt yüklü paralel iletken iki plakanın, (c) iki dairesel diskin (nokta) elektrik alan çizgileri Pozitif q nokta yükünün elektrik alan çizgileri Şekil 2a da gösterildiği gibidir. Alan çizgileri radyal olarak dışarı doğrudur ve negatif bir yük yoksa sonsuzda biter. Kaynaktan uzaklaştıkça yoğunlukları azalır. Eş potansiyel çizgileri şekilde noktalı olarak gösterilmiştir. Sonsuz uzunluktaki zıt yüklü paralel iletken iki plakanın elektrik alan çizgileri Şekil 2b de gösterildiği gibidir. Birbirine paralel olduğundan yoğunlukları sabittir yani elektrik alanı düzgündür. Eş potansiyel çizgileri noktalı olarak gösterilmiştir. Bu deneyde belirleyeceğimiz eş potansiyel eğrileri ve elektrik alan çizgilerinin bir benzeri Şekil 2c'de gösterilmiştir. Eğer uzayda sadece pozitif ya da negatif yük varsa, elektrik alan çizgileri sonsuzda biter ya da sonsuzda başlar. Böylece; elektrik alan çizgilerin uzaydaki o noktada sadece tek bir yönü olur ve iki elektrik alan çizgisi aynı noktadan geçmez yani elektrik alan çizgileri kesişmez. Genellikle, elektrik alan verilen bir yük dağılımıyla oluşur ve aynı potansiyele sahip birçok nokta vardır. Bu noktalar eş potansiyel noktaları olarak bilinir. Eğer aynı potansiyeldeki tüm noktalar birleştirilirse eş potansiyel çizgileri elde edilir. Eş potansiyel çizgisi üzerindeki tüm noktalar aynı potansiyele sahip olduğundan herhangi bir yükü bu çizgi üzerindeki iki nokta arasında hareket ettirmek için yapılan iş sıfırdır. Bu, verilen yük dağılımın eş potansiyel çizgilerinin elektrik alan çizgilerine dik olduğunu gösterir. Şekil 2a, 2b ve 2c 'de iki farklı yük dağılımı için eş potansiyel çizgileri noktalarla gösterilmiştir. Bilindiği gibi yalıtılmış bir iletken üzerine konulan yük kendisini belirli bir durgun dağılıma göre ayarlar. Bu nedenle yüzey boyunca elektrik alan bileşeni yoktur ve elektrik alan çizgileri

24 iletkenin yüzeyine diktir. Yükleri iletken yüzeyi üzerinde hareket ettirmek için yapılan iş sıfır olup iletkenin yüzeyi eş potansiyel yüzeyidir. Bu deneyde; zıt yükle yüklenmiş iletken halkaların eş potansiyel çizgilerini belirleyip çizeceğiz. Deney düzeneği Şekil 3 'de gösterilmiştir. İletken halkaları siyah iletken kâğıdın üzerine yerleştirilmiş olan metal iğnelerden güç kaynağına bağlayacağız. Probları kâğıttaki noktalara dokundurarak herhangi iki nokta arasındaki potansiyel farkı bulacağız. Eğer iki nokta aynı potansiyele sahipse bu noktalar eş potansiyel noktaları olarak tanımlanır. DENEYİN YAPILIŞI: Şekil 3. Deneyin kurulumu 1. Şekil 3 de gösterilen devreyi kurun. Bağlantı kablolarını kullanarak elektrotları DC güç kaynağına bağlayın. Bunun için iletken halka elektrotun üzerine bağlantı kablosunun ucunu yerleştirin, sıkıştırıcı iğneyi sırası ile kablo ucu, elektrot ve iletken kağıttan geçecek şekilde ve mantar tablaya bastırın. Sıkıştırıcı iğnenin, kablonun ucunu ve elektrotu sağlam bir şekilde tuttuğundan emin olun. ( Şekil 4 de görüldüğü gibi ). Şekil 4. Mantar tabla üzerinde iğne, elektrot, kablo ve kağıdın bağlantısı

25 2. Güç kaynağının çıkış gerilimini 5.0 volta ayarlayın ve anahtarı açın. Tam bir iletkenlik için halkaların kontrolünü yaparken halkanın üzerindeki sıkıştırıcı iğnenin yanına voltmetrenin bir probunu bağlayın. Aynı halka üzerindeki farklı noktalara öbür probla dokunun. Eğer halka tam olarak çizilmişse halka üzerinde herhangi iki nokta arasındaki potansiyel fark, elektrotlar arasında uygulanan gerilimin %1 ini geçmeyecektir. 3. Ölçüm yapmak için voltmetrenin (-) eksi ucunu kaynağın eksi ucuna bağlayın. Bu eksi elektrot referansımız olur. Voltmetrenin diğer probunu (+) sadece bir noktada kâğıda dokundurarak kâğıt üzerinde o noktadaki gerilimi ölçebilirsiniz. Siyah iletken kağıtta, x-ekseni boyunca yedi nokta ( A, B, C, D, E, F ve G ) işaretlenmiştir. Bu noktaları merkez etrafında simetrik dağılmıştır. Bu noktalardan herhangi birine probu dokundurun, referans elektroda bağlı olarak bu noktanın gerilimini ölçün ve (VA, VB, VC,...) kayıt edin. Eş potansiyeli çizmek için voltmetre aynı gerilimi gösterene kadar probu hareket ettirin. Bu noktanın pozisyonunu grafik kağıdınızda işaretleyin (SİYAH İLETKEN KAĞIT ÜZERİNDE HİÇBİR İŞARETLEME ve KAĞIDA ZARAR VERECEK İŞLEM YAPMAYIN!). Probu hareket ettirmeyi sürdürün ama sadece voltmetreden aynı değeri okuduğunuz yönde devam ettirin. Her bir potansiyel değeri için X-ekseninin üstünde ve altında üçer adet eş potansiyel noktası bularak bunları grafik kağıdında işaretleyin. 4. Her referans noktası için eş potansiyel noktalarını birleştirerek eş potansiyel eğrilerini çizin. Elektrik alan çizgilerinin eş potansiyel eğrilerine dik olması gerektiği gerçeğini de kullanarak halkalar arasındaki bölgede oluşan elektrik alan çizgilerini, yönlerini de oklarla göstererek grafik kağıdı üzerinde çizin. V A=... V B=... V C=... V D=... V E=... V F=... V G=...

26 TRAKYA ÜNİVERSİTESİ Fizik-II Dersi Laboratuvar Raporu Deneyin Adı: EŞ POTANSİYEL VE ELEKTRİK ALAN ÇİZGİLERİ Deneyin Kodu: FL 2-5 Tarih.../ /201 DENEY VERİLERİ: Adı Soyadı : Numarası : Deney Grubu : İmza :..... Kaynak Voltajı, V k=5.0 Volt V A=... V B=... V C=... V D=... V E=... V F=... V G=...

27