TEKNOLOJ N N B L MSEL LKELER -II

Transkript

1 T.C. ANADOLU ÜN VERS TES YAYINI NO: 2891 AÇIKÖ RET M FAKÜLTES YAYINI NO: 1848 TEKNOLOJ N N B L MSEL LKELER -II Yazarlar Yrd.Doç.Dr. Abidin KILIÇ (Ünite 1, 2) Doç.Dr. Cem YÜCE (Ünite 3) Doç.Dr. Bülent ASLAN (Ünite 4) Doç.Dr. Yasemin ÇA LAR (Ünite 5) Doç.Dr. U ur SER NCAN (Ünite 6) Doç.Dr. Müjdat ÇA LAR (Ünite 7) Editör Prof.Dr. Mustafa fienyel ANADOLU ÜN VERS TES

2 Bu kitab n bas m, yay m ve sat fl haklar Anadolu Üniversitesine aittir. Uzaktan Ö retim tekni ine uygun olarak haz rlanan bu kitab n bütün haklar sakl d r. lgili kurulufltan izin almadan kitab n tümü ya da bölümleri mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kay t veya baflka flekillerde ço alt lamaz, bas lamaz ve da t lamaz. Copyright 2013 by Anadolu University All rights reserved No part of this book may be reproduced or stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means mechanical, electronic, photocopy, magnetic tape or otherwise, without permission in writing from the University. UZAKTAN Ö RET M TASARIM B R M Genel Koordinatör Doç.Dr. Müjgan Bozkaya Genel Koordinatör Yard mc s Arfl.Gör.Dr. rem Erdem Ayd n Ö retim Tasar mc s Dr. Kadriye Uzun Grafik Tasar m Yönetmenleri Prof. Tevfik Fikret Uçar Ö r.gör. Cemalettin Y ld z Ö r.gör. Nilgün Salur Ölçme De erlendirme Sorumlusu Ö r.gör. Reha Akgün Grafiker Ayflegül Dibek Kitap Koordinasyon Birimi Uzm. Nermin Özgür Kapak Düzeni Prof. Tevfik Fikret Uçar Ö r.gör. Cemalettin Y ld z Dizgi Aç kö retim Fakültesi Dizgi Ekibi Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii ISBN Bask Bu kitap ANADOLU ÜN VERS TES Web-Ofset Tesislerinde adet bas lm flt r. ESK fieh R, Ocak 2013

3 çindekiler iii çindekiler Önsöz... vii Durgun Elektrik... 2 G R fi... 3 DURGUN ELEKTR K... 3 letken ve Yal tkanlar... 3 COULOMB YASASI... 4 ELEKTR KLENME... 5 Elektroskop... 6 ELEKTR K ALAN... 6 ELEKTR K POTANS YEL VE POTANS YEL ENERJ... 8 KONDANSATÖRLER Bir Kondansatörün S as Düzlem Levhal Kondansatör Kondansatörlerin Seri ve Paralel Ba lanmas Kondansatörde Enerji Depolanmas Özet Kendimizi S nayal m Yaflam n çinden S ra Sizde Yan t Anahtar Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar Yararlan lan Kaynaklar Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri ELEKTR K AKIMI ELEKTR KSEL D RENÇ VE OHM YASASI ELEKTROMOTOR KUVVET D RENÇLER N B R DEVREDE BA LANMASI Dirençlerin Bir Devrede Seri Ba lanmas Dirençlerin Bir Devrede Paralel Ba lanmas ELEKTR KSEL fi VE GÜÇ ALTERNAT F AKIM TRANSFORMATÖRLER DO RU AKIM VE ALTERNAT F AKIM GÜÇ KAYNAKLARI Do ru Ak m Güç Kaynaklar Piller Pil Çeflitleri Tek Kullan ml k Piller fiarj Edilebilen Piller Akümülatörler Jeneratörler Dinamolar Alternatif Ak m Güç Kaynaklar Otomobil Alternatörleri AMPERMETRE VE VOLTMETRE Özet ÜN TE 2. ÜN TE

4 iv çindekiler Kendimizi S nayal m Yaflam n çinden Okuma Parças Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar S ra Sizde Yan t Anahtar Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar ÜN TE 4. ÜN TE Manyetik Alan G R fi MIKNATISLIK MANYET K ALAN Manyetik Ak Yüklü Parçac a Etki Eden Manyetik Kuvvet Yüklü Bir Parçac n Manyetik Alandaki Hareketi Ak m Tafl yan letkene Etki Eden Manyetik Kuvvet Düzgün Bir Manyetik Alandaki Ak m lme ine Etki Eden Moment ELEKTR K MOTORLARI GALVANOMETRE MANYET K ALANIN KAYNAKLARI Ak m Tafl yan ki Paralel letken Tel Aras ndaki Manyetik Kuvvet MADDEN N MANYET K ÖZELL KLER Paramanyetik Malzemeler Ferromanyetik Malzemeler Diamanyetik Malzemeler MANYET K NDÜKS YON Faraday Yasas Hareketten Do an Emk Lenz Yasas Özindüksiyon JENERATÖR TRANSFORMATÖR Özet Kendimizi S nayal m Yaflam n çinden Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar S ra Sizde Yan t Anahtar Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar S cakl k, Is ve Termal Genleflme G R fi SICAKLIK TERMOMETRE VE SICAKLIK ÖLÇEKLER KATI VE SIVILARDA GENLEfiME ISI ENERJ S ISI SI ASI VE ÖZ ISI HAL DE fi M ISI AKTARIMI letim Madde Tafl nmas (Konveksiyon) Ifl ma (Radyasyon)... 82

5 çindekiler v TERMAL YALITIM Özet Kendimizi S nayal m Yaflam n çinden Okuma Parças Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar S ra Sizde Yan t Anahtar Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar Dalgalar G R fi DALGA HAREKET REZONANS SES DALGALARI ELEKTROMANYET K DALGALAR IfiIK IfiI IN YANSIMASI IfiI IN KIRILMASI Özet Kendimizi S nayal m Yaflam n çinden S ra Sizde Yan t Anahtar Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar Malzeme Özellikleri G R fi MADDE, MALZEME, ATOM VE MOLEKÜL K MYASAL REAKS YON PASLANMA VE PAS ESNEKL K GER LME, B R M UZAMA VE YOUNG MODÜLÜ Özet Kendimizi S nayal m Yaflam n çinden Okuma Parças Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar S ra Sizde Yan t Anahtar Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar Elektromanyetik Spektrum ve Radyoaktivite G R fi ELEKTROMANYET K SPEKTRUM PLANCK SAB T ATOM ÇEK RDE N N YAPISI RADYASYON RADYASYON ÇEfi TLER RADYOAKT F BOZUNMA RADYOAKT F BOZUNMA YASASI RADYOAKT V TE B R MLER ÜN TE 6. ÜN TE 7. ÜN TE

6 vi çindekiler F SYON VE FÜZYON RADYASYON SAYAÇLARI RADYASYONUN B YOLOJ K YÖNDEN ZARARLARI VE KORUNMA Özet Kendimizi S nayal m Yaflam n çinden Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar S ra Sizde Yan t Anahtar Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar Sözlük Dizin

7 Önsöz vii Önsöz nsano lunun refah için her geçen gün daha da gelifltirilen teknolojik ürünler ve bu ürünlerin tasar m ndan üretimine kadar geçen süreç, temel bilimlerdeki geliflmelerin bir sonucu olarak ortaya ç km flt r. Bu nedenledir ki, teknolojik süreçlerde ara eleman olarak çal flt r lmak üzere yetifltirilecek kiflilerin, bu temel bilimsel ilkeleri ö renmesi oldukça önemlidir. Elinizdeki bu kitap, ad ndan da anlafl laca üzere, teknolojinin bilimsel ilkelerini bu ö retim düzeyi için, gerekli oldu u kadar yla vermeyi amaçlamaktad r. Öte yandan kitab n z, konular kendi kendinize çal fl p ö renebilmenize olanak sa layacak, uzaktan e itimin gerektirdi i teknik ve dil kullan larak yaz lm flt r. Ayr ca dersi daha iyi ö renmeniz için, e-ö renme, e-ders ve e-dan flmanl k gibi tekniklerle de sizlere yard mc olmaya çal flaca z. Teknolojinin Bilimsel lkeleri dersi, Meslek Yüksek Okullar n n teknik programlar nda zorunlu olarak okutulmaktad r. Kitab n z bu dersin içeri ine uygun olarak haz rlanm flt r. Bu nedenle Meslek Yüksek Okullar n n teknik programlar nda ö renim gören ö rencilerimizin de bu kitaptan yararlanabilece ini umuyoruz. Bu kitab n yaz m ndan bas m na dek geçen süreç içerisinde eme i geçen herkese teflekkürü bir borç bilirim. Bu düflüncelerle bafllam fl oldu unuz yüksek ö renim hayat n zda baflar lar dilerim. Editör Prof.Dr. Mustafa fienyel

8 1TEKNOLOJ N N B L MSEL LKELER -II Amaçlar m z Bu üniteyi tamamlad ktan sonra; Elektrik yüklerini ve yüklenme kavram n aç klayabilecek, letken ve Yal tkan maddelerin yap s n aç klayabilecek, Noktasal bir elektriksel yükten kaynaklanan Elektriksel Kuvveti hesaplayabilecek, Yine noktasal bir elektriksel yükten kaynaklanan Elektrik Alan ve Elektrik Potansiyel hesab n yapabilecek, Elektriksel Potansiyel Enerji kavram n aç klayabilecek, S a ve Kondansatör kavramlar n bilmek bilgi ve becerilere sahip olacaks n z. Anahtar Kavramlar Elektrik Yükü Coulomb Yasas Yüklenme Elektrik Alan Elektrik Potansiyel Elektriksel Potansiyel Enerji Kondansatörler çindekiler Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Durgun Elektrik G R fi DURGUN ELEKTR K COULOMB YASASI ELEKTR KLENME ELEKTR K ALAN ELEKTR K POTANS YEL VE POTANS YEL ENERJ KONDANSATÖRLER

9 Durgun Elektrik G R fi Ço umuz yaflam fl zd r k fl n so uk havalarda giydi imiz yünlü kazaklar nedeniyle saçlar m z n dikildi ini. Ya da ilkö retimin ilk y llar nda ö retmenimiz saçlar m za sürttü ümüz plastik tarakla küçük ka t parçalar n hareket ettirebilece imizi göstermifltir. Gün içerisinde dolayl ya da do rudan hep elektrikli aletlerden yararlan - yor onlarla yaflam m z kolaylaflt r yoruz. Do ada var olan iki temel z t yüklü tanecik elektron (negatif) ve proton (pozitif) aras nda ya da ayn cins yüklü tanecikler aras nda oluflan elektriksel kuvvetler nedeniyle araç ve gereçler tasarl yor, gelifltiriyoruz. DURGUN ELEKTR K Her atom, pozitif yüklü çekirdek ve çekirde e göre daha hafif negatif yüklü en az bir elektrondan oluflur. Çekirde in içerisinde ise proton ve nötron vard r. Proton pozitif yüklüdür ancak nötron yüksüz bir taneciktir. Proton ve elektron ayn büyüklükte ancak z t yükler tafl rlar. Dolay s yla bir atomda elektron ve proton say - lar birbirine eflit oldu unda, atom elektriksel olarak nötürdür. Farkl elementlerin atom çekirdeklerindeki proton say lar her biri için farkl d r. Bunun bir sonucu olarak, her bir farkl elementin atomundaki elektron say lar ve bu elektronlar n hareket ettikleri yörüngeleri de farkl d r. Atom çekirde ine en yak n yörüngede hareket eden bir elektron, çekirde e en büyük kuvvetle ba l olan elektrondur ve bu elektronu çekirde e olan ba ndan koparmak, çekirde e daha uzak bir yörüngede hareket eden elektrona göre daha zordur. Dolay s yla bir atomda elektronlar öncelikle en d fl yörüngeden bafllayarak kopart labilirler. Bir veya daha çok elektronu yörüngelerinden kopart lm fl atoma pozitif iyon atom denir. Yörüngelerindeki elektron say s, çekirde indeki proton say s ndan fazla olan atoma da negatif iyon atom denir. letken ve Yal tkanlar Maddeyi oluflturan atomun en d fl yörüngesindeki elektronlar, kolayl kla serbest kalabiliyorsa, bu tür maddelere iletken denir. Buna en iyi örnekse kulland m z elektrik iletim hatlar ndaki tellerin esas n oluflturan bak rd r. Bak r çok iyi bir iletkendir ve do ada çok bulunmas da, çoklukla kullan lmas n n bir di er nedenidir. Gümüfl, Alüminyum, Demir gibi metaller de iletkenlere örnek olarak verilebilir. Elektri i iyi ileten maddelere iletken denir. Buna en iyi örnek, günlük yaflamda kulland m z bak r teldir.

10 - + 4 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Elektri i iletmeyen maddelere yal tkan denir. Yal tkanlara en iyi örnek olarak cam ve tahta gösterilebilir. Günümüzde yar iletken malzemeler teknolojinin gereksinim duydu u en önemli malzemelerdir. Elektri i neredeyse s f r dirençle iletebilen maddelere süperiletken denir. Metal olmayan kat lar n ço unda elektronlar kolayl kla serbest kalamazlar. Bu tür maddelere de yal tkan denir. Cam, plastik gibi ametaller de yal tkanlara örnek olarak verilebilir. Baz maddelerin iletkenlikleriyse, s cakl k ve bulunduklar ortam nedeniyle üzerlerine etkiyen kuvvetlerin büyüklü üne ba l olarak önemli ölçüde de iflebilir. Bu tür maddelere yar iletken denir. Bunlara en iyi örnekler ise Silisyum ve Germanyumdur. Teknolojik gereksinimler nedeniyle laboratuar koflullarda üretilen baz maddeler de yar iletken özellik gösterebilmektedir. Bir di er baz maddeler ise mutlak s f ra yak n s cakl klarda süperiletken özellik gösterir. Süperiletken maddeler elektri i neredeyse s f r dirençle iletirler. Örne- in bu s cakl k Civa için 0-4 K aral d r. Oda s cakl nda süperiletkenlik özelli i gösteren maddeler üretilebildi inde, bu günlük yaflamda çok büyük yararlar sa layacakt r. COULOMB YASASI Charles Coulomb 1785 de daha sonra kendi ad yla an lacak olan ve durgun yükler aras nda oluflan elektriksel kuvveti belirleyen yasay bulmufltur. Coulomb Yasas - na göre elektrik yükleri aras ndaki kuvvetinin büyüklü ü, yüklerin büyüklükleri ile do ru orant l, birbirlerine olan uzakl n karesi ile ters orant l d r ve; Aralar ndaki uzakl k r olan q 1 ve q 2 yüklü iki cisim için Coulomb Kuvveti yükleri birlefltiren do ru üzerinde ve F = k qq r büyüklü ündedir. Kuvvetin yönü ise yüklerin iflaretine ba l d r. Yükler ayn iflaretliyse kuvvet itme yönünde, yükler z t iflaretliyse kuvvet çekme yönündedir. fiekil 1.1.a F = k qq 1 2 (1.1) 2 r eflitli iyle bulunur. Bu eflitlikteki k katsay s SI birimleriyle k 9, Nm 2 /C 2 de- erine sahiptir. SI birim sisteminde yük birimi ise coulomb dur ve C ile gösterilir. Coulomb kuvveti de di er bütün kuvvetler gibi vektörel bir büyüklüktür. Bu nedenle Coulomb Kuvvetinin de do rultu ve yönünün bilinmesi gerekir. Coulomb Kuvveti nin do rultusu yükleri birlefltiren do ru olarak al nmal d r. Coulomb Kuvveti nin yönü ise elektrik yüklerinin iflaretine ba l d r. Yüklerin ayn iflaretli olmas durumunda birbirlerine uygulad klar kuvvet fiekil 1.1.a da görüldü ü gibi itme yönündedir Yüklerin z t iflaretli olmas durumunda ise birbirlerine uygulad klar kuvvet fiekil 1.1.b de görüldü ü gibi çekme yönündedir. fiekil 1.1.b + + Ayn iflaretli yükler birbirini iter. Z t iflaretli yükler birbirini çeker.

11 Ünite - Durgun Elektrik 5 Aralar ndaki uzakl k 100 cm olan q 1 = 80 µc ve q 2 = -90 µc luk yüklerin birbirlerine uygulad klar Coulomb kuvvetinin büyüklü ünü bulunuz. Çözüm: fiekil 1.2 ÖRNEK q 1 yükünün büyüklü ü; 6 q 1 = 80 µc= C K Metal çubuk Etkiyle elektriklenme q 2 yükünün büyüklü ü; 6 q 2 = 90 µc = C r = 100 cm =1m dir K Metal çubuk F = k qq r ifadesinde verilen büyüklükler SI birim sistemindeki de erleri ile yerine yaz l rsa, K Metal çubuk Topraklama (80.10 C)(90.10 C) F = (9.10 Nm / C ) 2 (1 m) F = 64,8 N bulunur. Yüklerin z t iflaretli olmas 64,8 N büyüklü- ündeki kuvvetin çekme kuvveti oldu unu gösterir. Metal çubuk Bir önceki örnekte verilen iki noktasal yükün aralar ndaki uzakl k 2 kat na ç kar lsayd Coulomb Kuvvetinin büyüklü ü ne olurdu? ELEKTR KLENME Baz cisimlerin, kürk ya da ipek parças na sürtüldüklerinde, küçük ka t parçalar - n kendisine do ru çekti i görülür. Örne in kuru saçlar tarand nda saçlar tara a do ru çekilir. Bu tür davran fl gösteren cisimlere elektriklenmifl veya elektrikle yüklenmifl cisimler denir. Bir cisim; dokunma sürtme etki olmak üzere, üç farkl yolla elektriksel olarak yüklenebilir. Elektrik yüklü bir metal cisme, bir di er yüksüz metal cisim dokunduruldu unda bu yüksüz cisim de yüklenir. Cisimler aras ndaki yük paylafl m cisimlerin hacimleriyle iliflkilidir. Yar çaplar r 1 ve r 2 olan iki küresel cisim s ras yla q 1 ve q 2 yüklerine sahipse bu cisimler birbirlerine dokundurulup ayr ld klar nda yeni yükleri q 1 ' ve q 2 ' afla daki eflitliklerle verilir: 1 SIRA S ZDE

12 6 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii q q 1 2 q q ' = + r + r 1 2 r q q ' = + r + r r 2 (1.2) (1.3) Kükürt, ebonit, kehribar, parafin ya da plastik gibi sentetik cisimlerin bir ço- u, kumafla ya da kürke sürtüldüklerinde elektriklenirler ve ka t parçalar gibi hafif cisimleri çekerler. Sürtülen cismin kazand bu özellik, onun elektriklendi i anlam na gelir. ki yüklü cisim birbirine dokundurulmaks z n, birbirlerini etkileyebilecek bir uzakl a kadar yaklaflt r l rsa, cisimler üzerindeki yükler aras ndaki etkileflme sonucu, yüklerin her bir cisimdeki konumlar de ifltirilebilir. Cisimlerden birisi topraklan rsa, sadece bir cins yükler topraklanan cisim üzerinde b rak labilir. Tersi cins yükler ise, topraklanma nedeniyle cisim üzerinden uzaklaflt r l rlar (fiekil 1.2). fiekil 1.3 Elektroskop Yal tkan k s m Cam Elektroskop Metal küre Al veya Au yapraklar Bir cismin yüklü olup olmad n veya hangi cins yükle yüklendi ini anlamam za yarayan fiekil 1.3 deki gibi basit düzeneklere elektroskop denir. Yüklü bir cisim yüksüz bir elektroskopla temas ettirildi inde, yüklü cisimdeki yükler elektroskopa geçece inden elektroskop bu yüklerle yüklenir. Elektroskop ayn cins yüklerle yüklendi inden elektroskopun yapraklar aç l r. Yüklü cisim uzaklaflt r ld nda ise, yapraklar aç k kalacakt r. Bu durumda olan elektroskop toprakland nda ise, yapraklar tekrar kapan r. Yüklü bir cisim yüksüz bir elektroskopa yaklaflt r ld nda, metal küre cismin yüküne z t, yapraklar ise etki yolu ile yüklü cisimle ayn yükle yüklenir. Ayn yükler birbirini itece- inden çok hafif olan yapraklar birbirini iter ve aç l r. Yüklü cisim elektroskoptan uzaklaflt r ld nda ise, yükler ilk konumlar na dönece inden yapraklar kapan r. ELEKTR K ALAN Bir elektrik yükü veya elektrik yüklerinden oluflmufl bir sistem, civar ndaki tüm noktalarda bir kuvvet alan oluflturur. Bu kuvvet alan na elektrik alan ad verilir. Bir noktadaki elektrik alan, o noktada oldu u varsay lan birim pozitif yüke etkiyen elektrik kuvvet olarak tan mlan r. Bu tan mdan hareketle q 0 deneme yüküne etki eden elektrik kuvveti F ise, E= F q 0 dir ve Eflitlik (1.1) den E = qq k 0 2 r q 0 (1.4)

13 + 1. Ünite - Durgun Elektrik 7 E=k q r 2 (1.5) elektrik alan n büyüklü ü bulunur. Elektrik alan n SI daki birimi N/C dir. Elektrik alan vektörel bir büyüklük oldu undan elektrik alan n yönü ve do rultusunun da belirlenmesi gerekir. Elektrik alan n do rultu ve yönü belirlenirken, elektrik alan n büyüklü ünün tespit edilece i noktaya +1 birimlik bir yük konmufl gibi düflünülür ve sonra bu +1 birimlik yüke etkiyen elektriksel kuvvetin yönü elektrik alan n yönü olarak belirlenir. Elektrik alan n yönünün bulunmas ile ilgili daha detayl bilgi için, bu ünitede Coulomb Yasas bölümüne bak n z. Öte yandan birden fazla yükün bir noktada oluflturaca elektrik alan, her bir yükün o noktada oluflturaca elektrik alanlar n vektörel toplam yla bulunur. Yüklü cisimlerin oluflturduklar elektrik alan, fiekil 1.4 de görüldü ü gibi kuvvet çizgileriyle temsil edilir ve bu elektrik alan çizgilerinden yararlan larak, elektrik alan hakk nda flu bilgiler edinilebilir: Elektrik alan, elektrik alan çizgilerinin s k oldu u yerde büyük, seyrek oldu- u yerde ise küçüktür. Elektrik alan, elektrik alan çizgilerinin paralel oldu u yerde düzgündür. Bir noktadaki elektrik alan n yönü, o noktadaki elektrik alan çizgisine te et bir do rultuya sahiptir. E=k q D KKAT Bir q yükünün kendisinden r uzakl ndaki bir noktada oluflturaca elektrik alan büyüklü ündedir. r 2 Elektrik alan n yönü q yükünün iflaretine ba l d r. q yükü pozitifse elektrik alan itme yönünde, negatifse çekme yönündedir. fiekil 1.4 Noktasal Yüklerin Elektrik Alan Çizgileri -q - E +q + E E A A E E E E E A fiekildeki q = 5 µc luk yükün 10 cm uza ndaki bir P noktas nda oluflturaca elektrik alan bulunuz. P ÖRNEK

14 8 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Çözüm: q =5µC = C r=10 cm=0,1 m Elektrik alan n yönü yük ile onu P noktas na birlefltiren do ru üzerinde flekilde görüldü ü gibi sa a do rudur. Yük pozitif ve P noktas nda oldu u varsay lan +1 birim lik yük de pozitif oldu undan, bu iki yük birbirini itece inden elektrik alan n yönü de itme yönünde olacakt r. q E Elektrik Alan n büyüklü ü ise, Eflitlik 1.3 deki; E=k q r 2 ifadesinden, C E = ( 9.10 Nm / C ) = 4, N/ C 2 (0,1 m ) bulunur. SIRA S ZDE 2 ki nokta aras ndaki potansiyel fark bir elektrik alanda herhangi bir q 0 deneme yükünü bir A noktas ndan bir B noktas na getirmek için birim yük bafl na yap lan ifle eflittir. Bir önceki örnekteki ayn noktasal yükün ne kadar uza nda elektrik alan n büyüklü ü N/C olur? ELEKTR K POTANS YEL VE POTANS YEL ENERJ Bir elektrik yükünün bulundu u uzay bölgesi, E gibi bir elektrik alan vektörü ile tan mlanabilece i gibi, elektrik potansiyel olarak da tan mlanabilir. Bir elektrik yükünü elektrik alanda, elektrik alana ters yönde hareket ettirebilmek için, elektrik yükü üzerine bir kuvvet uygulanmas gerekir. Elektrik alanda, bir q0 deneme yükünün, bir noktadan di erine ivmesiz hareket ettirilmesi halinde, elektriksel kuvvete karfl birim yük bafl na yap lan ifl, bu iki nokta aras ndaki potansiyel fark olarak tan mlan r. Elektrik alanda bulunan q 0 pozitif deneme yükünün herhangi bir A noktas ndan, B noktas na elektrik alana karfl yönde ivmesiz olarak yer de ifltirmesi için yap lmas gereken ifl W AB ile gösterilir. A noktas ile B noktas aras ndaki potansiyel fark ise yukar daki tan ma göre, W VAB = VB -VA = q AB o (1.6) eflitli iyle verilir. Dolay s yla potansiyel fark kavram, asl nda bir karfl laflt rmad r. Referans al nan bir noktan n elektriksel potansiyeline göre, bir baflka noktan n elektriksel potansiyeli hesaplan r ve genellikle referans seçilen nokta sonsuzda kabul edilir. Sonsuzdaki bu noktan n elektriksel potansiyeli de s f r al n r. Elektrik devrelerinde bu sonsuz nokta devrenin toprakland noktad r. Bu kabulden hareketle, noktasal bir q yükünden r kadar uzakl ktaki bir noktada, bu noktasal yükün oluflturaca elektriksel potansiyelin büyüklü ü,

15 1. Ünite - Durgun Elektrik 9 V = k q r (1.7) ifadesiyle bulunur. SI birim sisteminde elektriksel potansiyelin birimi joule/coulomb = volt (V) dur. Yukar daki Eflitlik 1.6 ve Eflitlik 1.7 den de anlafl laca gibi, iki skaler büyüklü ün oran yla tan mlanan potansiyel fark ve potansiyel skaler büyüklüklerdir. Birden çok noktasal yükün herhangi bir P noktas nda oluflturaca elektriksel potansiyel ise, V k q q q P = (1.8) r + r + r eflitli inden hesaplanabilir. Eflitlik 1.5, Eflitlik 1.6 ve Eflitlik 1.7 kullan l rken yükün iflaretini de alarak hesaplama yapmam z gerekir. Noktasal bir q yükünün kendinden r uzakl ndaki bir noktada oluflturaca elektriksel potansiyel V = k q verilir. r eflitli iyle D KKAT -10 µc luk bir noktasal yükün, kendisinden 3 m uzakl kta bulunan P noktas nda oluflturaca elektriksel potansiyeli hesaplay n z. Çözüm: Eflitlik 1.6 ya göre; ÖRNEK V = k q r oldu undan V = ( / ) ( C Nm C ) 3m bulunur. 3 = volt 6 Bir önceki örnekte yük -10 µc olsayd sonucu ne olurdu? Yap lan W AB = q 0 V AB ifli ayn zamanda sistemin elektriksel potansiyel enerji de iflimine de eflittir. Birbirinden r uzakl kta bulunan ve noktasal yükleri ayn cins yükle yüklü iseler, birbirlerine yaklaflt r lmalar için bir ifl yap lmas gerekir. Sistemin toplam enerjisi, yap lan bu ifl kadar artar. Ancak bu noktasal yükler serbest b - rak ld klar nda birbirlerinden uzaklaflmak için hareket ederler. Bu durumda da depo edilen potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüflür. Bu nedenlerden dolay q 1 ve q 2 gibi iki yükten meydana gelmifl sistemin elektriksel potansiyel enerjisi, U = k qq 1 2 r (1.9) 3 SIRA S ZDE Aralar nda r uzakl bulunan q 1 ve q 2 gibi iki noktasal yükten meydana gelmifl bir sistem için elektriksel potansiyel enerji U = k qq 1 2 r eflitli iyle verilir. eflitli iyle ifade edilir.

16 10 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii ÖRNEK Aralar ndaki uzakl k 6 m olan 4 µc ve 6 µc luk iki yükten meydana gelen sistemin elektriksel potansiyel enerjisini bulunuz. Çözüm: Her iki yükün oluflturdu u sistemin elektriksel potansiyel enerjisi U = k qq 1 2 r ( C).( C) = ( Nm / C ) 6 m = J olarak hesaplan r. Z t yükle yüklenmifl iki iletken levha aras nda bir yal tkan madde bulunuyorsa oluflan devre eleman kondansatör olarak adland r l r. S a bir kondansatörde birim potansiyel fark bafl na toplanan yük miktar d r. KONDANSATÖRLER Yal tkan malzemeler, elektrik yükünü depo edebilirler ve bu özelliklerinden yararlanarak en temel devre elemanlar ndan biri olan kondansatörler üretilmifltir. Bir kondansatör, biri negatif di eri pozitif yüklü iki iletken levhadan oluflur. Bu iki iletken levha aras nda hava, ka t, mika, polyester ya da seramik gibi dielektrik ad verilen yal tkan bir malzeme bulunur. Böylece kondansatör ad verilen devre eleman elde edilmifl olur. Bir kondansatörün levhalar n yüklemek amac yla pil, batarya gibi güç kaynaklar kullan l r. Kondansatörler, geometrik flekillerine göre de düzlem, silindirik ve küresel kondansatör olarak da adland r l rlar. Bir Kondansatörün S as Bir kondansatörün üzerinde toplanacak yük miktar, levhalar n flekli ve birbirlerine karfl konumlar belirlenmiflse, levhalar aras ndaki V potansiyel fark yla do ru orant l d r. Kondansatörün levhalar nda toplanan yük miktar Q ile kondansatörün levhalar aras ndaki potansiyel fark V aras ndaki iliflkiyi veren orant katsay s C ile gösterilir ve kondansatörün s as olarak bilinir: 1 µf = F C Q V = (1.10) 1 nf = F 1 pf = F fiekil 1.5 Kondansatör ve devreye ba lanmas Kondansatör S a, belli bir potansiyel fark alt nda kondansatörün yük biriktirebilmesinin bir ölçüsüdür. Bir kondansatörün s as, pozitif bir sabittir. Bu nedenle kondansatörün s as hesaplan rken, hem yük hem de potansiyel fark pozitif olarak al nmal d r. SI birim sisteminde yükün birimi coulomb (C) ve potansiyel fark n birimi volt (V) oldu una göre, s an n birimi coulomb/volt (C/V) V dur. Bu birime k saca farad (F) ad verilir. Bir farad (F), 1 voltluk potansiyel fark alt nda üzerinde 1C luk elektrik yükü biriktirebilen kondansatörün s as d r. F büyük bir s a birimi oldu undan yerine mikrofarad (µf), nanofarad (nf) ve pikofarad (pf) gibi askatl de erleri kullan l r.

17 1. Ünite - Durgun Elektrik 11 Düzlem Levhal Kondansatör Düzlem levhal kondansatörün s as levhalar n alan (A) ile do ru ve levhalar aras ndaki uzakl k (d) ile ters orant l d r. Öte yandan düzlem levhal kondansatörün s as levhalar aras ndaki dielektrik malzemenin cinsine de ba l d r. Bu nedenle bir düzlem levhal kondansatörün s as Çizelge 1.1 Baz malzemelerin ba l dielektrik sabitleri = C k ε o A d (1.11) eflitli iyle verilir. Eflitlik 1.11 de ε 0 bofllu un dielektrik geçirgenlik sabiti, k ise dielektrik k Ad sabitidir ve her malzeme için farkl de er al r. Çizelge 1.1 de baz maddele- rin dielektrik sabitleri verilmifltir. ε 0 n SI birim sisteminde büyüklü ü 8, Boflluk 1 Polyester 2,6 F/m dir. Kondansatörün levhalar aras nda yal tkan malzeme yerine boflluk varsa, o zaman, düzlem kondansatörün s as (C 0 ), Ka t 3,5 Payreks cam 4,5 A C0 =ε0 (1.12) Mika 5,4 d Porselen 6,5 olur. Dielektrik malzeme levhalar aras nda mekanik bir destek sa lamas n n yan s - ra, kondansatörün s as n da art r r. Bakalit 4,9 Aralar ndaki uzakl k 2 mm olan levhalar n n alan 3 cm 2 ve levhalar aras nda boflluk bulunan düzlem kondansatörün s as n bulunuz. ÖRNEK Çözüm: Levhalar aras nda boflluk oldu undan, düzlem kondansatörün s as Eflitlik (1.12) den; A C = ε 0 d = (,. F/ m) (. 4 m ) 3 ( m) = 13, 275 pf bulunur. Bir önceki örnekte levhalar aras nda, dielektrik sabiti 3,5 olan ka t olsayd, kondansatörün s as ne olurdu? 4 SIRA S ZDE Kondansatörlerin Seri ve Paralel Ba lanmas Bir bataryan n uçlar aras na 3 kondansatörün seri ba land n varsayal m (fiekil 1.6). Seri ba lanm fl kondansatörlerin herbirinin levhalar aras ndaki potansiyel fark n toplam, bataryan n uçlar aras ndaki potansiyel farka eflittir: C 1 C 2 C 3 fiekil 1.6 Seri ba l kondansatörler V = V 1 + V 2 + V 3 (1.13) Herbir kondansatör için + - V

18 12 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Q Q Q V1 = ; V2 = ; V3 = C1 C2 C3 (1.14) yaz labilir. Eflitlik (1.13) ve Eflitlik (1.14) den yararlanarak üç kondansatörün seri ba land devrenin eflde er s as = + + C C C C eş (1.15) bulunur. Seri kondansatörler fiekil 1.6 da görüldü ü gibi, ayn kol üzerinde bulunur ve z t yüklü kondansatör levhalar birbirine ba l olacak flekilde bir araya getirilir. ÖRNEK fiekil 1.6 daki gibi C 1 = 3 µf, C 2 = 4 µf ve C 3 = 6 µf s a de erlerine sahip olan üç kondansatör ile 10 voltluk bir batarya seri olarak ba lanm flt r. Sistemin eflde er s - as n (C efl ) bulunuz. Çözüm: Seri ba l kondansatörler için sistemin eflde er s as ; C = C + 1 C + eş 2 C = + + C eş 3µ F 4µ F 6µ F = + + C eş 12µ F 12µ F 12µ F 1 9 = C eş 12µ F 12 4 Ceş = = µ F 9 3 bulunur. SIRA S ZDE 5 Seri olarak ba lanm fl s alar C 1 =3 µf, C 2 =6 µf ve C 3 =12 µf olan kondansatörlerin eflde er s as n siz bulunuz. fiekil 1.7 Paralel ba l kondansatörler +- C1 +- C2 +- C V Seri ba lanm fl kondansatörler ile, kondansatörlerin kendi s alar ndan daha büyük s al bir kondansatör sistemi elde edilir (fiekil 1.6). Seri ba l olan kondansatörlerin eflde er s as, her bir kondansatörün s as ndan daha büyük olur. Bu kez bir bataryan n uçlar aras na 3 kondansatörün paralel ba land n varsayal m (fiekil 1.7). Her bir kondansatördeki yükler Q 1, Q 2, Q 3 olsun. Kondansatörlerde depo edilen toplam yük; Q = Q 1 + Q 2 + Q 3 (1.16) eflitli inden bulunabilir. Her bir kondansatördeki yük Q 1 = C 1 V; Q 2 = C 2 V; Q 3 = C 3 V; (1.17)

19 1. Ünite - Durgun Elektrik 13 ise, toplam yük miktar, Q = C efl V (1.18) bulunur. Eflitlik (1.16) ve Eflitlik (1.17) den yararlanarak Eflitlik (1.18) yeniden düzenlenirse; C efl V = C 1 V + C 2 V + C 3 V + (1.19) eflitli i ile üç kondansatörün paralel ba lanmas durumunda devrenin eflde er s as C efl = C 1 + C 2 + C 3 (1.20) bulunur. fiekil 1.7 de görüldü ü gibi paralel ba l C 1 = 3 µf, C 2 =5 µf ve C 3 =7 µf l k üç kondansatörün eflde er s as n bulunuz. ÖRNEK Çözüm: Devrenin eflde er s as C efl = C 1 + C 2 + C 3 C efl = F F F = F = 15 µf bulunur. Paralel ba lanm fl ve s alar C 1 =4 µf, C 2 =5 µf ve C 3 =10 µf olan kondansatörlerin eflde- er s as n siz bulunuz. Kondansatörde Enerji Depolanmas Kondansatörlerde yüksüz olan levhalar yüklemek için batarya ba lan r. Levhalar n yüklenmesi s ras nda ise bir ifl yap lm fl olur. Yap lan bu ifl kadar enerji de kondansatörde potansiyel enerji olarak depo edilir. V potansiyel fark alt nda Q yükü ile yüklenen kondansatörün s as C ise kondansatörde depo edilen U enerjisi; 6 SIRA S ZDE U= 1 2 CV 2 (1.21) eflitli inden bulunur. Eflitlik 1.10 dan yararlanarak Eflitlik ifadesi; U = 1 QV 2 ve U = Q 2 2V eflitlikleri de yaz labilir. (1.22) (1.23)

20 14 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii ÖRNEK 6 µf l k bir kondansatöre 24 V luk bir potansiyel fark uygulan yor. Kondansatörde depolanan enerjiyi bulunuz. Çözüm: Kondansatörde depolanan enerji Eflitlik 1.21 den 1 2 U= CV = ( F)( 24 V) 2 6 = J bulunur. SIRA S ZDE 7 Bir önceki örnekte sözü edilen kondansatör üzerine 12V luk bir potansiyel fark uygulansayd, depolanan enerji kaç J olurdu?

21 1. Ünite - Durgun Elektrik 15 Özet A MAÇ 1 Elektrik yüklerini ve yüklenme kavram n aç klamak. Elektrik yükleri pozitif yük ve negatif yük olmak üzere iki çeflittir. Maddedeki negatif yüklü elektronlar n say s, o maddenin yükünü belirler. Bir cisim, dokunma, sürtünme, etki ile olmak üzere, üç farkl yolla elektriksel olarak yüklenebilir. A MAÇ 5 Elektriksel Potansiyel Enerji kavram n aç klamak. q 1 ve q 2 gibi iki yükten meydana gelmifl sistemin elektriksel potansiyel enerjisi, U = k qq 1 2 r A MAÇ 2 letken ve Yal tkan maddelerin yap s n aç klamak. Maddeyi oluflturan atomun en d fl yörüngesindeki elektronlar, kolayl kla serbest kalabiliyorsa, bu tür maddelere iletken denir. Metal olmayan kat lar n ço unda elektronlar kolayl kla serbest kalamazlar. Bu tür maddelere de yal tkan denir. Baz maddelerin iletkenlikleriyse, s cakl k ve bulunduklar ortam nedeniyle üzerlerine etkiyen kuvvetlerin büyüklü üne ba l olarak önemli ölçüde de iflebilir. Bu tür maddelere yar iletken denir. A MAÇ 6 eflitli iyle ifade edilir. S a ve Kondansatör kavramlar n aç klamak. Yal tkan malzemeler, elektrik yükünü depo edebilirler ve bu özelliklerinden yararlanarak en temel elektronik devre elemanlar ndan biri olan kondansatörler üretilmifltir. Bir kondansatör, biri negatif di eri pozitif yüklü iki iletkenden oluflur. S a (C), belli bir potansiyel fark nda kondansatörün yük biriktirebilmesinin bir ölçüsüdür. A MAÇ 3 Noktasal bir elektriksel yükten kaynaklanan Elektriksel Kuvveti hesaplamak. Durgun yükler aras nda oluflan elektriksel kuvvet, yüklerin büyüklükleri ile do ru orant l, birbirlerine olan uzakl n karesi ile ters orant l d r ve; F = k qq r eflitli iyle bulunur. A MAÇ 4 Noktasal bir elektriksel yükten kaynaklanan Elektrik Alan ve Elektrik Potansiyel hesab n yapmak. Noktasal bir yükten kaynaklanan elektrik alan, E=k q r 2 eflitli i ile bulunur. Noktasal bir yükün kendisinden r kadar uzakl ktaki bir noktada oluflturdu u potansiyel fark ise, V = k q r eflitli i ile bulunur.

22 16 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Kendimizi S nayal m 1. q 1 =-10µC ve q 2 =20µC luk iki yükün aralar ndaki uzakl k 30cm ise, yüklerinin birbirlerine uygulad klar coulomb kuvvetinin büyüklü ü kaç N olur? a. 20 b. 30 c. 40 d. 50 e µc ve 5 µc luk iki yükün aralar ndaki uzakl k 9m dir Bu iki yükün aralar ndaki uzakl n orta noktas ndaki elektrik potansiyel enerjisi kaç joule dür? a. 0, b. 1, c d e Afla dakilerden hangileri bir cismin statik yükle yüklenmesinin yöntemlerindendir? I. dokunma ile II. sürtünme ile III. etki ile a. Yaln z I b. II-III c. I-III d. I-II e. I-II-III 3. Yüklü cisimlerin oluflturdu u elektrik alan kuvvet çizgileriyle temsil edilirler. Kuvvet çizgilerinden hareketle, elektrik alanla ilgili ne tür bilgiler edinebiliriz? I. Elektrik Alan çizgilerinin s k oldu u yerde elektrik alan da büyüktür. II. Bir noktadaki elektrik alan n yönü, o noktadaki elektrik alan çizgisine dik do rultudad r. III. Elektrik Alan çizgileri birbirine paralel ise elektrik alan da düzgündür. a. Yaln z I b. II-III a. I-III d. I-II e. I-II-III 6. Afla daki ifadelerden hangisi yanl flt r? a. ki nokta aras ndaki potansiyel fark bir elektrik alanda herhangi bir q 0 deneme yükünü A noktas ndan B noktas na getirmek için birim yük bafl na yap lan ifle eflittir. b. Elektri i neredeyse s f r dirençle iletebilen malzemelere süperiletken denir. c. Bir cismin yüklü olup olmad n veya hangi cins yükle yüklendi ini anlamam za yarayan alete elektroskop denir. d. Noktasal bir q yükünün kendinden r uzakl ndaki bir noktada oluflturaca elektriksel potansiyel uzakl n karesiyle ters orant l d r. e. Üç adet direnci seri ba lad m zda elde edilen eflde er s a, paralel ba lad m zda elde edilen eflde er s adan daha küçüktür. 7. Levhalar n n alan 6 cm 2 ve aralar ndaki uzakl k 4mm olan kondansatörün levhalar aras nda mika varsa, bu düzlem kondansatörün s as kaç faradd r? a. 7, b. 3, c. 7, d. 3, e. 2, P noktas na yerlefltirilecek bir q yükünden 10cm uzakl kta N/C büyüklü ünde bir elektrik alan oluflturulmak isteniyor. P noktas na yerlefltirilecek q yükünün büyüklü ünü bulunuz. a b c d e C 1 =2 µf, C 2 =4 µf ve C 3 =8 µf s a de erlerine sahip olan üç kondansatör bir devrede seri olarak ba lanm flt r. Sistemin eflde er s as n (C efl ) bulunuz. a. 14 b. 7 c. 3,5 d. 2,28 e. 1,14

23 1. Ünite - Durgun Elektrik µf l k bir kondansatöre 12V luk bir potansiyel fark uygulan yor. Kondansatörde depolanan enerji kaç jouledir? a. 60 b. 180 c. 360 d. 720 e Yaflam n çinden 10. Paralel levhal kondansatörlerde s ay art rmak amac yla levhalar aras na yerlefltirilen hava, ka t, mika seramik gibi malzemelere ne ad verilir? a. direnç b. dielektrik c. elektrostatik d. süperiletken e. farad Y ld r m ve fiimflek Y ld r m ve flimflek; iki bulut aras nda, bulut içinde ve bulutla yer aras nda meydana gelen bir elektrik boflalmas d r. Bulutla yer aras ndaki elektrik atlamas na y ld - r m, di er boflalma flekillerine ise flimflek ad verilir. Elektrik ak fl olay n n %80 i bulut içinde %20 si ise bulutla yer aras nda (y ld r m fleklinde) oluflmaktad r. Y ld r m, elektri in gözle görülebilen en dikkat çekici ve en yak c fleklidir. Tek bir y ld r m amper büyüklükte bir elektrik ak m oluflturabildi inden, yaralanmalara ve ölümlere neden olabilmektedir. Birçok kifli arazide, denizde, spor yaparken, kapal yerde otururken y ld r m düflmesi sonucu hayat n kaybetmektedir. Ayr ca, çal l k ve ormanl k alanlarda yang nlar meydana gelmektedir. Y ld r m düflerken, bulut içindeki elektrik ak m, yere ulaflabilece i en k sa yolu seçmektedir. Bunun için bofl arazideki a açlar, çok katl binalar, kuleler gibi yüksek yerler, y ld r m düflebilecek en yak n yerlerdir. Yine özellikle metal yap lar, kuleler, çubuklar, çitler gibi iletkenlik özelli ine sahip yerler ile pozitif elektrik yükünün fazla oldu u noktalar, y ld r m düflme olas l yüksek olan yerlerdir. fiimflek ve y ld r m, kümülonimbus (Cb) bulutlar n n olgunluk aflamas nda oluflan f rt na bulutlar n nda oluflmaktad r. fiimflek ve y ld r m n bulut içindeki yükselen ve alçalan kuvvetli ak mlar sonucu, su damlac klar n n ve buz kristallerinin, birbirleriyle çarp flmas ve sürtünmesi s ras nda oluflan, statik yük ve afl r so umufl su damlac klar n n aniden buz kristalleri haline dönüflmesiyle aç a ç kan s dan kaynakland kabul edilmektedir. Genel bir kural olarak, pozitif elektrik yüklü su ve buz parçac klar, Cb bulutunun üst k sm nda, negatif elektrik yüklü parçac klar ise alt k sm nda toplan r. Bulutun

24 18 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii alt k sm nda oluflan negatif elektrik yüklü alan, bulutla yer aras nda ve yeryüzünde, pozitif elektrik yüklü bir alan n oluflmas na neden olur. Oluflan bu pozitif yük, hareket eden bulutu yeryüzünde adeta bir gölge gibi takip eder. Bulutun üst ve alt k s mlar ile bulutla yer aras nda oluflan elektriksel enerji fark, bulutun tafl yamayaca bir noktaya geldi i an (yaklafl k 100 milyon volt), afla ya do ru ola anüstü büyüklükte bir enerji ak fl bafllar. Yere do ru olan bu ilk enerji ak fl, en az dirence sahip yolu izler. Bu elektrik ak fl, metrelik basamaklar halinde, duraklamalarla olur ve elektron ak fl yere kadar ulafl r. Bu duraklamalar saniyenin 50 milyonda biri kadar bir zaman diliminde gerçekleflti inden, bunlar gözle görmek mümkün de ildir. Buluttaki elektrik yükü, ilk çak flta yere do ru boflal r. Yere do ru yaklafl ld nda bu ilk çak fla karfl l k iyonize yol boyunca yerden yükselen ve buluta kadar uzanan ikinci bir geri dönüfl darbesi oluflur. Gözle de görülebilen bu ikinci elektrik enerjisi ak fl na Y ld r m ad verilir. Bir y ld r m olay nda normal olarak gözle görülemeyen iki ya da 3 çakma olmaktad r. Fakat bugüne kadar 42 ye ulaflan say da çakma kaydedilmifltir. Geri dönen elektrik ak m n n (y ld r m), içinden geçti i hava sütununun s cakl, Günefl in yüzey s cakl ndan 5 kat daha fazlad r ( C). Bu ola anüstü s cakl a ulaflan hava, ani olarak geniflledi inden çevresinde flok dalgalar oluflur. Bu dalgalar bir patlama sesiyle yay l r ki bu sese gök gürültüsü ad verilmektedir. Bu olaylara neden olan bulut tam üzerimizde ise, elektrik boflalmas yla birlikte gök gürültüsü de duyulur. Bulut uzakta ise, gök gürültüsü daima flimflek ya da y ld - r mdan sonra iflitilir. Gök gürültüsü, elektriksel boflal m noktas ndan genellikle 15 km uzakl ktan duyulabilir. Ancak elektrik boflalmas n n büyüklü üne ba l olarak 25 kilometre uzakl ktan da duyuldu u görülmüfltür. Ifl k saniyede km h zla hareket etti i için, flimflek ve y ld r m olufltuktan çok k sa bir süre sonra görülür. Sesin h z saniyede 340 metre oldu u için, gök gürlemesi çok daha sonra iflitilir. Yani ses 1 km yi 3 saniye dolay nda katetmektedir. Buna göre boflalman n olufltu u yerin bulundu umuz yerden ne kadar uzakta oldu u tahmin edilebilir. Y ld r m olaylar konveksiyonel ya fllar n yo un olarak görüldü ü bölgelerde çok s k rastlanan bir do al olayd r. Özellikle de orajlara (ya fll, flimflekli, gökgürültülü f rt nalar) neden olan kümülumbus bulutlar n n oluflumu ve da l fl ile bir paralellik göstermektedir. Bu nedenle Ekvatoral-Tropikal kuflak ile alttropikal kufla- n ya fll bölgelerinde ve orta enlemlerde y ld r m olay s kça görülmektedir. Alttropikal bölgelerin ve orta enlemlerin ya fll bölgelerinde yer alan genifl kara parçalar, özellikle ilkbahar, yaz bafllar ve sonbahar sonlar nda Dünya da y ld r m n en s k görüldü ü yerlerdir. Buralarda atmosferik karars zl a ba l olarak geliflen Cb bulutlar, y ld r mlar n oluflmas n n temel nedenidir. Y ld r m olaylar n n en az görüldü ü yerler ise, Dünya n n kurak bölgeleridir. Buralar, kutup bölgeleri ile subtropikal yüksek bas nc n etkisinde bulunan genifl çöl alanlar d r. Ahrens (1994) e göre Dünya da günde ortalama dolay nda, flimflek ve y ld r m üreten f rt na oluflmakta, 8-9 milyon dolaymda flimflek-y ld r m olay görülmektedir (Örne in 1993 Mart nda ABD de Florida da meydana gelen bir f rt nada bir saatte 5000 flimflek çakm flt r). Buna göre saniyede 100 flimflek ve y ld r m olay yaflanmakta ve 4 milyar kilovat saatlik enerji aç a ç kmaktad r. Etki alanlar oldukça s n rl olmas na ra men, Y ld r mlar afet boyutunda önemli zararlara neden olabilmektedir. Pek çok insan hayat n kaybeder. Hayvan kay plar olur. nsanlar psikolojik aç dan olumsuz yönde etkilenir. Orman ve çal yang nlar sonucunda ve büyük ürün kay plar olur. Binalarda ve petrol istasyonlar nda büyük yang nlar bafllar. Yüksek gerilim hatlar büyük zarar görür. Elektrikli ve elektronik sistemlerde ar zalar meydana gelir. Haberleflmede aksamalar olur. Ulafl mda, özellikle de hava ulafl - m nda aksamalar ve kazalar meydana gelir. Kaynaklar:

25 1. Ünite - Durgun Elektrik 19 Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar 1. a Yan t n z yanl flsa Coulomb Yasas bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 2. e Yan t n z yanl flsa Elektriklenme bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 3. c Yan t n z yanl flsa Coulomb Yasas bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 4. c Yan t n z yanl flsa Elektrik Potansiyel ve Potansiyel Enerji bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 5. b Yan t n z yanl flsa Elektrik Potansiyel ve Potansiyel Enerji bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 6. d Yan t n z yanl flsa Elektrik Potansiyel ve Potansiyel Enerji bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 7. a Yan t n z yanl flsa Kondansatörler bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 8. e Yan t n z yanl flsa Kondansatörler bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 9. d Yan t n z yanl flsa Kondansatörler bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 10. b Yan t n z yanl flsa Kondansatörler bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. S ra Sizde Yan t Anahtar S ra Sizde 1 Bu durumda F = k qq r ifadesinde verilen büyüklükler SI birim sistemindeki de erleri ile yerine yaz l rsa, (8.10 C)( 9.10 C) F = (9.10 Nm / C ) 2 (2 m ) F=-16,2 N bulunur. S ra Sizde 2 Bu durumda, çözümde bulunmas gereken uzakl k x ile gösterilirse, S ra Sizde 3 Sonuçta ayn büyüklük bulunacak, ancak bu kez bulunan çekici bir potansiyel olacakt r. S ra Sizde 4 Levhalar aras nda boflluk yerine, dielektrik sabiti 3,5 olan ka t olsayd, sonuç; ε C = k 0 A d ( 8,85.10 F/m)(3.10 m ) = 3,5 3 (2.10 m ) = 46,46 pf bulunurdu. S ra Sizde 5 Kondansatörlerin s a de erleri s ras yla 3 µf, 6 µf, 12 µf olsayd, seri ba l kondansatörler için sistemin eflde- er s as ; = + + Ceş C1 C2 C = + + C eş = + + C eş = C eş C eş = = 1, 71µF 7 bulunur. S ra Sizde 6 Bu durumda devrenin eflde er s as Ceş = C1 + C2 + C C eş = F F F 6 = F = 19µF bulunur. E = (9.10 ) C 5 Nm / C = 9.10 NC / 2 (x) x = 0,3m bulunur.

26 20 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii S ra Sizde 7 3 µf l k kondansatör üzerine, 12 V luk bir potansiyel fark uygulansayd, kondansatörde depolanan enerji 1 2 U= CV = ( F)( 12V) 2-4 = J bulunur. Yararlan lan Kaynaklar Aral, E. ve di erleri, Özdafl, K., (Ed.)(1986) Fen Bilgisi- Fizik, Anadolu Üniversitesi Yay nlar, No: 145. Aydemir, A. ve di erleri, Özdafl, K., (Ed.)(1986) Fen Bilgisi-Fizik, Anadolu Üniversitesi Yay nlar, No: 145. Orhun, Ö. ve di erleri, Orhun Ö. (Ed) (2007) Teknolojinin Bilimsel lkeleri, Ankara: Nobel Yay n Da t m,

27

28 2TEKNOLOJ N N B L MSEL LKELER -II Amaçlar m z Bu üniteyi tamamlad ktan sonra; Elektrik ak m n ve oluflumunu aç klayabilecek, Elektriksel direnç kavram n ve ba lanma çeflitlerini tan yabilecek, Elektriksel enerji ve güç kavram n aç klayabilecek, Alternatif ak m n genel özelliklerini s ralayabilecek, Alternatif ak m ve do ru ak m güç kaynaklar n bir birinden ay rt edebilecek, Pil ve pil çeflitlerini saptayabilecek, Voltmetre ve ampermetrenin kullan m esaslar n belirleyebilecek bilgi ve becerilere sahip olacaks n z. Anahtar Kavramlar Elektrik Ak m Ohm Yasas Elektriksel Direnç Elektromotor Kuvvet Elektrik Enerjisi ve Güç Alternatif Ak m Pil Ampermetre ve Voltmetre çindekiler Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri ELEKTR K AKIMI ELEKTR KSEL D RENÇ VE OHM YASASI ELEKTROMOTOR KUVVET D RENÇLER N B R DEVREDE BA LANMASI ELEKTR KSEL fi VE GÜÇ ALTERNAT F AKIM TRANSFORMATÖRLER DO RU AKIM VE ALTERNAT F AKIM GÜÇ KAYNAKLARI AMPERMETRE VE VOLTMETRE

29 Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri Bir an için düflünelim, elektriksiz hayat nas l olurdu? Evinize giderken her gün 10 kat asansörsüz ç kman z, ya da haberleflmek için farkl yöntemler kullanman z gerekecekti. Ya da odan z elektrikle oldu u kadar kolay ayd nlatamayacak, s cak günlerde kliman zla serinleyemeyecek, evinizi bu kadar kolay temizleyemeyecektiniz. Masa lamban z, bilgisayar n z, televizyonunuz, buzdolab n z da olmayacakt. Bunlar n yan s ra tüm flehirde ulafl m, haberleflme, güvenli in yan s ra tüm di er hizmetler nas l yürütülebilirdi var n siz düflünün. fiehir içinde kurulu sistemlerin ifllemesi, devam etmesi nas l elektri e ba ml ise, vücudumuzdaki enerji üretimi, iletiflim, güvenlik, bak m-onar m gibi her türlü ifllem için de elektri e ihtiyaç duyulur. Elektrik sistemi olmadan vücudumuzun canl l ndan söz etmemiz mümkün olmaz. Vücudumuzun elektri e olan ihtiyac, bir flehrin elektri e olan ihtiyac ndan çok daha vazgeçilmezdir. Pek ço umuz elektrikten faydalan rken, kendi bedenimizin de t pk içinde yaflad flehir gibi elektriksiz çal flmayaca n bilmeyiz ya da düflünmeyiz. Oysa vücudumuz kusursuz bir elektrik flebekesine sahiptir. nsan vücuduna bakt m zda, elektronik ile ilgili son derece karmafl k bilgileri kapsayan, elektrik enerjisinden nas l yararlan laca n bilen ak ll sistemler bulundu unu görürüz. Nitekim bilim adamlar vücudumuzdaki elektrik sistemini tarif ederken, günümüzde kullan lan elektrikli aletlerle ilgili benzetmeler yaparlar, elektronikte kullan lan terimleri kullan rlar: Piller, motorlar, pompalar, jeneratörler, devreler, ak m, direnç, voltaj, yal - t m, yük ve benzeri kavramlar. Bu terimleri kullanmadan sinir sistemini tarif etmeleri pek mümkün de ildir. ELEKTR K AKIMI Günlük yaflam m zda vazgeçemedi imiz birçok araç ve gereci elektrik sayesinde kullanabiliriz. Bu araç ve gereçlere, ayd nlatma sistemleri, televizyon, bilgisayar, müzik çalarlar, ütü, elektrikli f r n ve daha birçoklar örnek olarak verilebilir. Bu araç ve gereçlerin çal flmas için elektrik ak m na ihtiyaç vard r. Bu bölümde elektrik ak m n n nas l olufltu u ve bu ak ma gösterilen direnç ile bunlar n etkileri ele al nacakt r. Bir iletken herhangi bir potansiyel fark kayna na ba l de ilse, iletkendeki elektronlar gelifligüzel hareket eder. Yani negatif yüklü serbest elektronlar, her yöne hareket edebilirler. Bu nedenle belirli bir zaman aral nda, iletken içinde al -

30 24 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Bir iletkenin herhangi bir kesitinden birim zamanda geçen yük miktar ak m fliddeti olarak tan mlan r. Ak m fliddetinin SI birimi ampere dir.) Bir iletkene ne kadar büyük potansiyel fark uygulan rsa, o kadar büyük ak m fliddeti elde edilir. nan bir kesitten sa a ve sola do ru geçen elektronlar n say s ayn d r. Bu iletkenin iki ucu aras na bir potansiyel fark uyguland nda, örne in iki ucuna bir pil ba land nda, negatif yüklü serbest elektronlar, enerji kazanmalar nedeniyle alçak potansiyel noktas nda yüksek potansiyel noktas na do ru sürüklenmeye bafllarlar. Elektronlar n bu hareket yönü, iletkenin iki ucu aras nda potansiyel fark nedeniyle oluflan elektrik alan n yönüne terstir. t zaman aral nda herhangi bir kesitten geçen, e yüklü elektronlar n say s N ise, bu kesitten geçen yük miktar Q=Ne (2.1) eflitli i ile ifade edilir. Bu kesitten (fiekil 2.1 de S yüzeyi), birim zamanda geçen yük miktar ise ak m fliddetidir ve fiekil 2.1 Q I = = t Ne t (2.2) eflitli i ile ifade edilir. SI birim sisteminde ak m fliddetinin birimi coulomb/saniye = ampere (A) dir. Elektrik ak m n n yönü, keyfi olarak, pozitif yüklü parçac klar n hareket yönü olarak seçilmifltir. Bir potansiyel fark alt nda, bir iletkende, ak m negatif yüklü elektronlar n hareketinden oluflaca ndan, ak m yönü elektronlar n hareketine ters yöndedir. Bir iletkende negatif yüklerin hareket yönü I ÖRNEK Bir telin herhangi bir kesitinden 5 dakikada 20A ak m geçiyor. Bu kesitten, birim zamanda geçen elektron say s n bulunuz. Çözüm: 5 dakika=300s dir. Birim kesitten, birim zamanda geçen yük miktar, Q I = t eflitli inden, Q= It. = ( 20 A).( 300s) = 6000C bulunur. Birim kesitten geçen elektron say s ise,

31 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri 25 Q = Ne Q 6000 C N = = e 19 (1,6.10 C ) 22 = 7,5.10 tane bulunur. Bir elektronun yükü e=1, C dur. ELEKTR KSEL D RENÇ VE OHM YASASI Bir iletkenden elektrik ak m n n kolay ya da zor geçmesi, bu iletkenin içyap s na ba l d r. Çünkü iletkende, ak m oluflturan elektronlar n hareketleri s ras nda iletkendeki di er elektronlarla ve kararl atomlarla etkileflmeleri birbirinden farkl d r. letkenlerde ak m fliddetinin elektrik alan fliddetiyle do ru orant l oldu u deneysel olarak bilinmektedir. Dolay s yla bu ayn zamanda ak m fliddetinin iletkenin iki ucu aras na uygulanan potansiyel fark yla da do ru orant l oldu u anlam na gelir. letkenlerin serbest elektronlar n hareketlerine karfl gösterdi i bu güçlü e o iletkenin elektriksel direnci denir. Bu gerçek, ilk kez George Simon Ohm taraf ndan Bir iletkenin iki ucu aras ndaki potansiyel fark n n ak m fliddetine oran sabittir. Bu sabit oran direnç olarak adland r l r fleklinde ifade edilmifltir ve Ohm yasas olarak bilinir. Bu yasaya göre, iletkenin iki ucu aras ndaki potansiyel fark V, iletkenden geçen ak m n fliddeti I olmak üzere iletkenin R direnci; R = V I (2.3) eflitli iyle ifade edilir. SI birim sisteminde direncin birimi ohm (Ω) dur: ohm= volt amper Bu tan ma göre, bir iletkenin iki ucu aras nda 1V luk bir potansiyel fark uyguland nda 1A lik bir ak m oluflursa, iletkenin direnci 1Ω dur. Elektrik devrelerinde direnç fleklinde gösterilir. Bir iletkenin direnci, bu iletkenin yap ld maddenin cinsine, kesit alan na ve uzunlu una ba l d r. L iletkenin uzunlu u, S yüzey kesiti alan olmak üzere, L R = ρ S (2.4) eflitli i yaz labilir. Bu eflitlikte ρ özdirenç olarak adland r l r ve iletkenin yap ld maddenin cinsine göre farkl de erler al r. SI birim sisteminde birimi Ωm dir. Öte yandan direncin s cakl a ba l olarak de iflti i deneysel olarak laboratuar çal flmalar nda da gözlenebilir. Metallerde s cakl k artt kça direnç de artar. Her maddenin direncinin, s cakl kla de iflim miktar farkl d r. Özdirenci 1, (.m olan bak r telin uzunlu u 20 m ve kesit alan 17 mm 2 dir. Telin direncini bulunuz. Metallerde oluflan elektrik ak m na iliflkin deneyler yapan Alman fizikçi George Simon Ohm ( ), bir iletkenden geçen ak m n iletkenin uçlar aras ndaki potansiyel fark ile do ru, iletkenin direnciyle ters orant l oldu unu buldu. Ohm, bu çal flmas n 1827 y l nda yay nlad. ÖRNEK Çözüm: Bak r telin direnci ile özdirenci aras ndaki ba nt dan yararlan larak,

32 26 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii L R = ρ S 8 (1,7.10 Ωm).(20m) = = m bulunur. 0, 02Ω SIRA S ZDE 1 Günümüzün önemli araflt rma konular ndan birisi de direncin en aza indirilebilmesi çal flmalar d r. Mutlak s f r noktas na yak n s cakl klarda (-273 ) ço u maddenin özdirenci (dolay s yla direnci) çok küçük olmakla birlikte s f r de ildir. Ancak baz maddeler vard r ki onlar n özdirenci mutlak s f ra yaklafl ld zaman aniden s f ra düfler. Bu olaya süperiletkenlik, bu özelli i gösteren maddelere ise süperiletken ad verilir. Kullan lan tel bak r de il de özdirenci 1, Ω.m gümüfl olsayd, direnç kaç ohm olurdu? ELEKTROMOTOR KUVVET Pil gibi bir devreye elektrik enerjisi sa layan araçlara elektromotor kuvvet (emk) kayna denir. Bir üretecin emk s (ε), birim yük bafl na yap lan ifli tan mlar. SI birim sisteminde emk n n birimi volt dur. fiekil 2.2 de görülen devrede bataryan n (+) kutbu, (-) kutbundan daha büyük fiekil 2.2 Basit bir devrede emk kayna A I R r bir potansiyele sahiptir. r direnci ise bataryan n iç direncini göstermektedir. Bataryan n iç direnci ihmal ediliyorsa, bu durumda bataryan n kutuplar aras ndaki potansiyel fark, emk ya eflit olur. fiekil 2.2 de A noktas ndan B noktas na hareket eden pozitif bir yük bataryan n (-) kutbundan (+) kutbuna giderken potansiyeli ε kadar artar. Ancak ayn zamanda bataryan n iç direnci nedeniyle de Ir kadar da azal r. Bu durumda bataryan n devreye sa lad terminal voltaj - + B V=ε-I r (2.5) Kapal bir devrede her bir devre eleman n n uçlar aras ndaki potansiyel farklar n n toplam s f rd r. Buna I. Kirchhoff Yasas denir. Eflitlik 2.6 da bu Yasan n bir ifadesidir. olur. Buradan da anlafl laca üzere bataryan n iç direnci varsa, devreye sa lad terminal voltaj, emk s ndan küçüktür. fiekil 2.2 de bataryan n V terminal voltaj ayn zamanda R direncinin uçlar aras ndaki potansiyel fark na eflittir. Bu halde Eflitlik 2.5 yeniden düzenlenirse, IR=ε-I r (2.6) olur. Buradan devrede dolaflan ak m büyüklü ü ise, ε I = R + bulunur. r (2.7) ÖRNEK ç direnci 0,1Ω olan emk s 14V olan bir batarya, 10Ω lik direncin de ba l oldu- u bir devreye ba lan yor. Devrede oluflan ak m bulunuz.

33 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri 27 Çözüm: Eflitlik 2.7 den ε I = R + r 14 = , 1 = 13, A bulunur. D RENÇLER N B R DEVREDE BA LANMASI Dirençler bir devreye seri, paralel, y ld z veya üçgen ba lanma flekilleriyle ba lanabilir. Bu ünitede sadece seri ve paralel ba lanma durumlar n inceleyece iz. fiekil 2.3 Seri Ba l Dirençler R 1 R T R 2 R 3 Dirençlerin Bir Devrede Seri Ba lanmas fiekil 2.3 de görüldü ü gibi, iki ya da daha fazla direnç seri ba land nda, her dirençten geçen ak m ayn olur: I= I 1 =I 2 =I 3 (2.8) fiekil 2.3 deki basit devrede dirençlerin uçlar aras ndaki potansiyel farklar V 1, V 2 ve V 3 aras nda ise, devreye sa lanan potansiyel fark V olmak üzere,enerjinin korunumundan; V= V 1 + V 2 + V 3 (2.9) eflitli i yaz labilir. Eflitlik 2.3, Eflitlik 2.8 ve Eflitlik 2.9 un ortak çözümünden, seri ba lanm fl bu dirençler için eflde er direnç, R efl = R 1 +R 2 +R 3 (2.10) eflitli i yard m yla bulunur.

34 28 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii ÖRNEK fiekildeki devrenin eflde er direncini bulunuz. R 1 =5 R 2 =8 Çözüm: R efl = R 1 +R 2 R efl = 5Ω +8Ω=13Ω V = 4V SIRA S ZDE 2 R 1 =10 Ω, R 2 =12 Ω ve R 3 =14 Ω olan üç direnç bir devrede seri olarak ba land nda, devrenin eflsde er direnci kaç Ω olur? Dirençlerin Bir Devrede Paralel Ba lanmas ki veya daha fazla direnç, fiekil 2.4 de görüldü ü gibi paralel ba land nda, dirençler ayn voltaj kayna na ba l oldu undan, her birinin potansiyel farklar ayn d r: fiekil 2.4 Paralel Ba l Dirençler R 1 R 2 R 3 V V= V 1 =V 2 =V 3 (2.11) Herhangi bir dü üm noktas na gelen ak mlar n toplam, Bu dü üm noktas ndan giden ak mlar n toplam na eflittir. Buna II. Kirchhoff Yasas denir. Eflitlik 2.12 de bu Yasan n bir ifadesidir. Öte yandan R 1 direncinin bulundu u koldan geçen ak m I 1, R 2 direncinin bulundu u koldan geçen ak m I 2 ve R 3 direncinin bulundu u koldan geçen ak m I 3 ise devreye sa lanan ak m I olmak üzere yük korunumundan ; I= I 1 + I 2 + I 3 (2.12) eflitli i yaz labilir.

35 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri 29 Eflitlik 2.3, Eflitlik 2.11 ve Eflitlik 2.12 nin ortak çözümünden, paralel ba lanm fl bu dirençlerin eflde er direnci için, Reş R1 R2 R3 eflitli i bulunur. (2.13) fiekildeki devrenin eflde er direncini bulunuz ÖRNEK R 1 =2 R 2 =3 R 3 =4 Çözüm: Paralel ba l dirençlerin eflde er direncini bulmak için Eflitlik 2.13 den yararlan r z = + + Reş R1 R2 R = + + = Reş Reş = Ω 13 V=4V R 1 =10 Ω, R 2 =12 Ω ve R 3 =14 Ω olan üç direnç bir devrede paralel olarak ba land nda, devrenin eflsde er direnci kaç Ω olur? ELEKTR KSEL fi VE GÜÇ Herhangi bir iletken içerisindeki elektronlara bir V potansiyel fark uyguland nda, uygulanan potansiyel fark n n bir sonucu olarak, elektronlar belirli bir do rultuda hareket ederler ve direncin s cakl artar. S cakl n artmas n n nedeni elektronlar n hareket ederken, iletkendeki di er atomlarla çarp flmalar d r. q yükünün direncin bir ucundan di erine tafl nmas için, W = qv (2.14) kadar ifl yap lmas gerekir. Bu yap lan ifl direnç üzerinde s enerjisine dönüflmektedir. Eflitlik 2.2 den q=it yaz labilece inden, direnç üzerinde s ya dönüflen elektrik enerjisi (U), 3 SIRA S ZDE U=VIt (2.15) olur. P güç olmak üzere,

36 30 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii U P = = VI t eflitli i ile ifade edilebilir. Bu ifadede Eflitlik 2.18 kullan l rsa, (2.16) P= I (IR) =I 2 R (2.17) 1 kilowatt-saat (kwh)=3, J de erine karfl l k gelir. D KKAT eflitli i yaz labilir. I; amper, V; volt, R; ohm cinsinden al nd nda gücün birimi watt (w) olur. R direncine sahip bir iletkende s olarak kaybedilen güç joule s s olarak adland r l r. Elektrik enerjisi günlük yaflamda watt saat (wh) ve kilowatt saat (1 kwh= wh) birimleri cinsinden ifade edilir. wattsaat, 1 watt l k güce sahip elektrikle çal flan bir cihaz n 1 saatte tüketti i elektrik enerjisidir. Elektriksel güç birimi watt ile elektrik enerjisi birimi wattsaat birbiriyle kar flt r lmamal d r. ÖRNEK SIRA S ZDE 4 Alternatif ak mla enerji iletimi daha az kay pla yap labilir. Bu nedenle de elektrik hatlar nda alternatif ak m kullan l r. Çünkü transformatörler yard m yla da alternatif ak m n voltaj de ifltirilebilir. ÖRNEK 10 A ve 220 V ile çal flan bir ütünün 2 saatte harcad enerjiyi hesaplay n z. Çözüm: Ütü taraf ndan harcanan güç P=IV= (10A).(220V) =2200 watt=2,2kw bulunur. Tüketilen enerji ise Eflitlik (2.16) dan, U=P.t oldu undan, U=P.t= (2,2kW).(2saat) =4,4kWsaat bulunur. 110V ve 10A ile çal flan bir bilgisayar n bir günde harcayaca enerjiyi siz bulunuz. ALTERNAT F AKIM Bu bölüme de in incelenen ak ma, do ru ak m denir. Do ru ak m devrelerinde sürekli olarak ayn yönde ve ayn büyüklükte bir ak m söz konusudur. E er devredeki ak m n büyüklü ü ve yönü zamanla periyodik olarak de iflirse, bu tür ak mlara alternatif ak m denir. fiehirleraras bir elektrik enerjisi nakil hatt nda alternatif ak m kullanmakla, do ru ak m kullanmak aras ndaki fark bir örnekle görelim. P=44kilowatt gücünde bir elektrik enerjisini iletmek için 2Ω dirençli nakil hatt kullan l yor V luk ve 220V luk potansiyel fark uyguland nda s fleklinde ortaya ç kan enerji kayb n hesaplay n z. Çözüm: P=I.V eflitli inden, P I = V = = 0,1A ak m de eri bulunur. 2Ω dirençli telden bu ak m geçti inde, P kay p =I 2 R=(0,1) 2.2=0,02W bulunur. E er bu iletim 220V ile gerçeklefltirilseydi, bu durumda güç kayb,

37 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri 31 P I = = = 200 V 220 P kay p =I 2 R =(200) 2.2=80000W Ülkemizde konutlarda kulland m z flehir elektri i voltaj 220V tur. olurdu. fiehirleraras enerji nakil hatlar nda yüksek voltajla iletilen elektrik, konutlara iletilmeden önce trafo merkezlerinde voltaj düflürülerek kullan ma haz r hale getirilir. TRANSFORMATÖRLER Elektrik enerjisinin bir yerden baflka bir yere iletilmesi s ras nda, enerji kayb n en aza indirmek için yüksek voltaj-düflük ak m tercih edilir. Bu amaçla alternatif ak - m n voltaj n azaltacak veya artt racak araçlara transformatör denir. Transformatör sar m say lar birbirinden farkl iki bobinden oluflur. Bu birbirlerinden yal t lm fl bobinlerden ilki birincil(primer) sarg, di eri ise ikincil(sekonder) sarg ad n al r. Birincil sarg daki sar m say s N 1, ikincil sarg daki N 2, birincil sarg n n uçlar aras nda oluflan potansiyel fark V 1, ikincil sarg n n uçlar aras nda oluflan potansiyel fark V 2 olmak üzere, voltaj ve sar m say s aras ndaki ba nt V2 N = 2 (2.18) V1 N1 eflitli i ile gösterilebilir. kincil sarg daki potansiyel fark birincil sarg daki potansiyel fark ndan büyükse bu tür transformatörlere yükseltici transformatör, küçükse de düflürücü transformatör denir. fiekil 2.5 Transformatör V 1 N 1 N 2 V 2 Kulland m z baz ev aletlerinde küçük voltaja ihtiyaç duyuldu undan düflürücü transformatör kullan l r. Örne in kap zili, gece lambas gibi. Sanayide ise yükseltici transformatörlere ihtiyaç duyulur. Kaynak makinesi ve baz kesici aletlerde oldu u gibi yüksek voltaja ihtiyaç vard r. Bir transformatörde birincil sarg daki sar m say s 500, ikincil sarg daki sar m say s ise 800 dür. Transformatöre girifl voltaj 220V ise ç k fl voltaj kaç volttur? ÖRNEK Çözüm: Eflitlik 2.15 den V2 N = 2 V1 N1 V = ise V2 = = 352V Sonuçtan anlafl laca üzere bu örnekteki bir yükseltici transformatördür.

38 32 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii SIRA S ZDE 5 Bu örnekteki ikincil(sekonder) sarg daki sar m say s 400 olsayd ç k fl voltaj kaç volt olurdu? DO RU AKIM VE ALTERNAT F AKIM GÜÇ KAYNAKLARI Elektrik devrelerinde iki nokta aras nda potansiyel fark oluflturan ve yüklerin sürekli olarak hareketlerini sa layan pil, akümülatör ve elektrik santrali gibi düzeneklere Elektrik Ak m Kaynaklar ad verilir ve bu düzenekler elektromotorkuvvet (emk) olarak bilinir. Elektrik ak m kaynaklar do ru ak m kaynaklar ve alternatif ak m kaynaklar olmak üzere ikiye ayr l r. Do ru Ak m Güç Kaynaklar Bir elektrik devresinde elektrik yüklerinin veya ak m n belli bir yönde akan, yön de ifltirmeyen ve fliddeti de iflmeyen ak ma do ru ak m, bu ak m sa layan kaynaklara da do ru ak m güç kaynaklar denir. Pil, akümülatör, jeneratör ve dinamo do ru ak m güç kaynaklar na örnektir. Bu düzenekler genel anlamda üreteç olarak adland r l r. Bunlardan pil ve akümülatör kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüflmesi ilkesine göre çal fl r. Piller Pilin tarihçesinin MÖ 250 y llar na kadar uzand öne sürülür. Pers mparatorlu u zaman nda Ba dat ta üretildi i öne sürülen bu pillerden madenlerin kaplanmas nda yararlan lmaktayd.. Bu pillerde demir ve bak rdan oluflan elektrotlar sirkeden yap lm fl bir elektrolit içindeydi. Günümüzde kullan lan modern pillerin ilk örne i olan Volta pili ise 1800 y l nda talyan bilim adam Alessandro Volta taraf ndan icat edilmifltir. Volta pili nin gelifltirilmesiyle flarj edilebilir piller ve aküler üretildi. Pilin depolad enerji miktar amper-saat ya da k saca Ah ile gösterilir. 1 Ah kapasitesindeki bir pil 1 saat boyunca 1 amperlik ak m üretebilir. Bu birimin binde birine ise mili amper-saat (mah) denir. D KKAT At k piller çevre kirlili ine neden olaca ndan, kullan m ömrü geçmifl piller bunun için belirtilmifl özel pil toplama kutular na at lmal d r. ) Pil Çeflitleri Piller kullan m biçimlerine göre; Tek kullan ml k piller fiarj edilebilir piller olmak üzere ikiye ayr l r. Tek Kullan ml k Piller Bu pillere örnek olarak Standart Karbon Pili ve Leclanche Pili örnek gösterilebilir. Bu pillerin yap s basittir ve ucuzdur ancak kapasiteleri zay ft r. Kalem pil (AA) tipinde olanlardan mah güç al nabilir. Zaman içinde kendili inden boflalmas çok az orandad r. Sonuçta standard piller foto raf makinesi gibi çok güç gereken araçlarda kullan lmazlar. Tekrar flarj edilemezler, bunun yan nda özel bir yöntemle yok edilmeleri gerekmez. Fakat dikkatli olunmazsa, özellikle ömürlerinin sonuna do ru içindeki elektroliti pil d fl na akabilir ve korozif etkisi nedeniyle içinde bulundu u elektronik araca zarar verebilir.

39 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri 33 Alkalin Pil: Elektrotlar çinko ve manganez oksittir, elektrolit ise baziktir. Bu piller alkalin (bazik) ismini de buradan al r. Bu piller oldukça güçlüdürler. Bunlar foto raf makinesi veya oyuncaklar gibi yüksek güç gerektiren araçlarda kullan l rlar. Kalem pil olarak normal tipleri 2400 mah güç üretirler. Kullan lmadan beklendi inde kendili inden boflalma h z oldukça düflüktür. Alkalin piller tekrar flarj edilemezler. Lityum Pil: Pozitif elektrot manganez oksit, negatif elektrot ise lityumdan elektrolit ise propilen içinde çözündürülmüfl lityum perklorattan oluflur. Bir lityum pil biriminde 3 volt potansiyel sa lan r ve bu potansiyel pilin ömrü boyunca yaklafl k sabit kal r. Yap s nda bulunan maddelerin hafif olmalar nedeniyle bu piller oldukça hafiftir. Bu piller yüksek enerji sa lad klar ndan foto raf makinesi ve flafl gibi güç gerektiren araçlarda kullan l rlar. Bu pillerin ismini flarj edilebilen Li-Ion (Lityum- yon) pillerle kar flt rmamal s n z. Lityum piller flarj edilemezler hatta flarj edilmeye çal fl rsan z patlayabilir. Bu konuda lityum piller di er pil türlerine göre çok daha tehlikelidirler fiarj Edilebilen Piller Nikel-Kadmiyum Pil (Ni-Cd): Bu tür pillerde elektrotlar nikel-hidroksit ve kadmiyum, elektrolit ise potasyum-hidroksit içerir. Bu piller flarj edilebilirler yani içlerinde hiç enerji kalmay p bittiklerinde, özel flarj aletleri kullanarak tekrar doldurulabilir. Bu büyük kolayl k ve tasarruf sa lar. NiCd piller di er flarj edilebilir pil türlerine daha ucuzdur ve 1000 defa flarj edilebilir. NiCd pilleri tam boflalmadan flarj edildi inde pil bunu an msar ve flarj kapasitesini düflürür. Böylece ardarda tam boflalmadan yap lan flarjlar pilin ömrünü k sa sürede tamamlamas na neden olur. NiCd piller içlerinde çevreye zararl kimyasal maddeler içerir. NiCd piller üreticisine göre biraz de iflse de genellikle di er flarj edilebilir pil tiplerine göre çok düflük miktarda enerji depolarlar. Nikel-Metal Hidrit Pil (Ni-MH): Bu tip pillerin yap s biraz daha karmafl kt r. çlerinde titanyum, nikel, kobalt, manganez, aluminyum, vanadyum, zirkonyum, krom ve demir bileflikleri vard r. Bir pil birimi 1,2 volt potansiyel üretir ve enerji depolama kapasitesi oldukça fazlad r. NiMH pillerde de bir miktar bellek etkisi vard r. Ni-MH piller uygun koflullarda kullan m durumunda yaklafl k 1000 kez flarj edilebilir. Yüksek güçte elektrik verebilece i için foto raf makinesi ve oyuncak gibi aletlerde kullan labilir. Li-Ion Pil (Li-Ion): Bu pillerde anot karbondan oluflur, katot bir metal oksittir ve elektrolit ise bir organik solvent içinde lityum tuzundan oluflur. Bir Li-Ion pil birimi 3,6 volt potansiyel üretir. Li-Ion piller di er flarj edilebilir pillere oranla daha güçlüdürler. fiarj edildikten sonra enerjiyi daha uzun süre saklayabilirler ve a rl klar da daha azd r. Pil üzerinde pilin tipi ve flarj edilip edilemeyece i yaz l d r. Örne in Ni-MH ve Rechargeable yaz lar n gördüyseniz pilinizin nikel metalhidrit yap s nda ve flarj edilebilir oldu u anlafl l r. fiarj edilebilir pil üzerinde ayr ca enerji depolama kapasitesi de mah biriminde belirtilir. Örne in 500 mah yaz l ise bu ideal koflullarda 10 saat boyunca 50 miliamper güç elde edebilirsiniz anlam na gelir. Akümülatörler Akümülatörlerin çal flma flekilleri do ru ak m üreteçleri olan piller gibidir. Akümülatörler boflald ktan sonra tekrar doldurulabilme özelli ine sahiptir. Akümülatörler, elektrolit ad verilen asit veya baz kar fl m içerisine iki ayr cins metal parças yerlefltirildi inde, sistemin iç devresindeki kimyasal reaksiyon dolay s yla do ru ak m verilince metallerin d fl devresine ba lanan elektrikli al c n n çal flmas esas na göre ifllev görürler.

40 34 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii fiekil 2.6 Akümülatör fiekil 2.7a Do ru Ak m Jeneratörü Jeneratörler Bir baflka do ru ak m güç kayna ise jeneratördür. fiekil 2.7.a da görülece i üzere bobin bir flafta yerlefltirilmifl ve bir manyetik alan n ortas na sabitlenmifltir. Manyetik alan, m knat s n kuzey kutbundan güney kutbuna do ru akar. Sar l kablonun uçlar na bir voltmetre ba l d r. Sar m 0 derecede bafllarsa ve saat yönünde 180 derece h zl ca çevrilirse, voltmetrenin i nesi sap p anl k bir voltaj gösterecek ve sonra s f ra düflecektir. Sar m manyetik alan çizgilerini kesince, tel sar m n her taraf nda oluflan elektromotor güç, voltmetre devresine giden ayn yönde bir ak m yarat r ve voltmetre sapar. E er sar m saatin ters yönünde 180 derece yine çevrilirse, voltmetrenin i nesi ters yönde sapacakt r. Ancak, ikinci 180 derece çevirmeden önce metrenin uçlar ters çevrilirse, voltmetrenin i nesi ilk çevirmedeki yönde sapacakt r. Bu do ru ak m jeneratörünün temelidir. Oluflan voltaj n genli i ise, manyetik alan n gücü, dönen sar m n h z ve tel sar m n tur say s olmak üzere üç faktöre ba l d r. Bu faktörlerden herhangi biri artt r ld nda oluflan voltaj da artar.

41 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri 35 v + - t fiekil 2.7b Alternatif Ak m Jeneratörü T v T B B L N S *( web sayfas ndan al nm flt r. Dinamolar Dinamolar, çeflitli mekanik enerjileri, özellikle hareket halinde olan su kuvvetini, elektrik enerjisine çevirmek için kullan l r. Dinamo fiekil 2.8 Alternatif Ak m Güç Kaynaklar Yönü ve fliddeti sürekli olarak de iflen ak ma alternatif ak m, alternatif ak m elde etmeye yarayan düzeneklere de Alternatör veya Alternatif Ak m Jeneratörü denir (fiekil 2.7b). Alternatörün ana yap s bir m knat sla, bu m knat s n kutuplar aras nda dönen bobinden oluflmufltur. Alternatörde alternatif ak m flu flekilde oluflur: Bobin manyetik alan çizgilerine paralel durumda ve hareketsizken içinden manyetik alan kuvvet çizgisi geçmedi- inden ve hareket olmad ndan ak m s f rd r. Çerçeve herhangi bir yönde döndürülürse, bobinden geçen manyetik alan kuvvet çizgilerinin say s n n de iflmesine,

42 36 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii dolay s yla ak m n oluflmas na neden olur. Bobin 90 döndü ünde bobinden geçen manyetik alan kuvvet çizgilerinin say s ve ak m en büyük de erine ulafl r. Bobin ayn yönde dönmeye devam ederken bobinden geçen manyetik alan kuvvet çizgilerinin say s azalmaya bafllar. Bobin 180 oldu unda ak m yine s f r olur. Bobin ayn yönde dönmeye devam ettikçe, ayn biçimde; ama ters yönde ak m oluflmaya bafllar. Sonuçta bobin bir tam dönüfl yapt nda, ak m iki kez yön de ifltirir. Bobinin dönme h z na ba l olarak ak m n yön de ifltirme h z yani frekans da artar. Baz alternatörlerde, bobin sabit tutulup m knat slar döndürülerek alternatif ak m oluflturulur. Alternatör mekanik enerjiyi alternatif ak ma çeviren elektromekanik bir ayg tt r. Ço u alternatör bu ifli yapmak için dönen bir manyetik alan kullan r. Bir alternatörün gücü devaml güç ve standby güç olmak üzere iki flekilde ifade edilir. Devaml güç, alternatörün tam yükte, devaml, kesintisiz çal flmaya müsait olmas anlam na gelir. Standby güç ise alternatörün belli bir sure çal flt r ld ktan sonra dinlendirilerek so umaya b rak lmas, so uyan alternatörün tekrar çal flt r lmas ile elde edilen güçtür. Standby güç devaml gücün yaklafl k 1,1 kat d r. Örne in devaml gücü 100kW olan alternatörün standby gücü yaklafl k 110kW olarak ifade edilir. Otomobil Alternatörleri Otomobillerde kullan lan alternatörler arac n motoru çal fl yorken aküyü flarj eder ve di er tüm elektrik sistemlerine enerji sa lar. Alternatörler, do ru ak m elde etmek için gereken çeviriciye sahip olmad klar ndan do ru ak m üreteçlerine göre daha basit, hafif ve dayan kl d rlar. Bu dayan kl klar sayesinde daha yüksek h zlarda çal flabilirler, böylece otomobillerdeki alternatörler motor h z n n iki kat h zda dönebilir, bu da alternatörün rölantideki ç k fl gücünü art r r. Otomobil alternatörleri alternatif ak m do ru ak ma çevirmek için ak m düzelticileri kullan rlar. Dalgalanmalar düflük seviyede tutmak için otomobil alternatörlerinde 3 fazl sarg kullan lmaktad r. Günümüz otomobillerinin alternatörlerinde voltaj düzenleyicisi bulunur. A r ifl makinelerinde ve acil durum araçlar nda kullan lan alternatörler 150 amper kadar ak m üretebilir. Hibrid otomobiller, alternatör ve marfl motorunu birlefltirerek her iki görevi de üstlenen bir motor-jeneratör kullan r. Bu motor-jeneratör hem içten yanmal motorun çal flt r lmas n sa lar, hem h zlanma için fazladan güç sa lar, hem de sabit h zda giderken arac n yüksek kapasiteli akülerini flarj eder.

43 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri AMPERMETRE VE VOLTMETRE Bir elektrik devresinde devreye seri ba lanarak, devredeki ak m n büyüklü ünü ölçmeye yarayan aletlere ampermetre denir. Ampermetre kullan l rken öncelikle, Devreye seri ba l olup olmad kontrol edilmeli, Devredeki ak m n do ru ak m ya da alternatif ak m olmas na ba l olarak alet üzerinde seçim yap lmal, Ölçülecek ak m n tahmini de erine göre cihaz n ayar dü mesi büyükten küçü e s nanarak küçültülmelidir. Bir elektrik devresinde devreye paralel ba lanarak, devredeki potansiyel fark n n büyüklü ünü ölçmeye yarayan aletlere ise voltmetre denir. Voltmetre kullan l rken öncelikle, Devreye paralel ba l olup olmad kontrol edilmeli, Devrenin do ru ak m devresi ya da alternatif ak m devresi olmas na ba l olarak, alet üzerinde seçim yap lmal,. Ölçülecek ak m n tahmini de erine göre, cihaz n ayar dü mesi büyükten küçü e s nanarak küçültülmelidir. fiekil Ampermetre ve voltmetrenin devreye ba lanmas

44 38 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Özet A MAÇ 1 A MAÇ 2 A MAÇ 3 Elektrik ak m n ve oluflumunu aç klamak. Bu iletkene bir elektrik alan uyguland nda, örne in iki ucuna bir pil ba land nda, negatif yüklü serbest elektronlar, enerji kazanmalar nedeni ile belirli bir do rultuda sürüklenmeye bafllarlar. _t zaman aral nda belirli bir kesitten geçen, e yüklü elektronlar n say s N ise, bu kesitten geçen yük miktar Q=N.e eflitli i ile ifade edilir. Birim kesitten, birim zamanda geçen yük miktar ise ak m fliddetidir ve Q I = = t Ne t eflitli i ile ifade edilir. Elektriksel direnç kavram n ve ba lanma çeflitlerini tan yabilmek. Maddelerin serbest elektronlar n hareketlerine karfl gösterdi i güçlü e o maddenin elektriksel direnci denir. Dirençler seri ve paralel olmak üzere iki flekilde ba lanabilir. Elektriksel enerji ve güç kavram n aç klamak. Elektronlar hareket ederken, iletkendeki di er atomlarla çarp fl rlar. Bu çarp flmalarda elektronlar enerji kaybeder. Bu kaybolan enerji, s enerjisine dönüflür. P güç olmak üzere, A MAÇ 4 A MAÇ 5 A MAÇ 6 A MAÇ 7 Alternatif ak m n genel özelliklerini s ralamak. E er devredeki ak m n büyüklü ü ve yönü zamanla periyodik olarak de iflirse, bu tür ak mlara alternatif ak m denir. Enerji, alternatif ak m ile bir noktadan di erine daha az kay pla aktar labilir. Alternatif ak m ve do ru ak m güç kaynaklar n bir birinden ay rt etmek. Elektrik devrelerinde iki nokta aras nda potansiyel fark oluflturan ve yüklerin sürekli olarak hareketlerini sa layan düzeneklere Elektrik Ak m Kaynaklar denir. Pil, akümülatörler ve elektrik santralleri gibi. Elektrik ak m kaynaklar do ru ak m kaynaklar ve Alternatif ak m kaynaklar olmak üzere ikiye ayr l r. Pil ve pil çeflitlerini saptamak. Bir elektrik devresinde do ru ak m elde edebilmek için kullan lan ve çeflitli yöntemlerle üretilebilen potansiyel fark yaratabilen güç kaynaklar - na pil denir. Piller tek kullan ml k piller ve flarj edilebilir piller olmak üzere iki çeflittir. Voltmetre ve ampermetrenin kullan m esaslar - n belirlemek. Bir elektrik devresinde devreye seri ba lanarak, devredeki ak m n büyüklü ünü ölçmeye yarayan aletlere ampermetre denir. Bir elektrik devresinde devreye paralel ba lanarak, devredeki potansiyel fark n n büyüklü ünü ölçmeye yarayan aletlere voltmetre denir. P=I.V eflitli i ile ifade edilebilir.

45 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri 39 Kendimizi S nayal m 1. Bir telin birim kesitinden 1 dakikada geçen elektron say s 3, tane ise, bu telden geçen ak m kaç amperdir? a. 0,085 b. 0,85 c. 1,7 d. 0,17 e. 3,4 6. 2Ω, 4Ω ve 12Ω luk 3 direnç bir elektrik devresinde paralel ba land nda, devrenin eflde er direnci kaç Ω olur? a. 18 b. 12 c. 3 d. 1,2 e. 0, C deki direnci 0,4Ω olan bir iletkenin direnci 0,5 olarak sabitlenmek isteniyor. Ortam n s cakl kaç C olmal d r? (Bu iletken için α=3, dir). a. 24,2 b. 42,05 c. 84,1 d. 91,6 e. 168,2 3. Özdirenci 2, Ω.m olan alüminyum telin uzunlu u 10 m ve kesit alan 20 mm 2 dir. Telin direnci kaç ohm dur? a. 1, b. 2, c. 1, d. 2, e. 5, Bir bilgisayar 3,65 A ve 220 V ile çal fl yor ise, 1 saatte harcad enerji kaç jouledür? a b. 803 c. 402 d. 201 e Afla dakilerden hangisi tek kullan ml k pil türüdür? I. Alkalin Pil II. Nikel-Kadmiyum Pil III. Li-Ion Pil a. Yaln z I b. Yaln z II c. Yaln z III d. I-II e. II-III 4. ç direnci 0,5Ω ve emk s 20V olan bir pil, 4Ω ve 8Ω luk dirençlerin seri ba land bir devreye flekildeki gibi ba lanm flt r. Devredeki I ak m kaç amperdir? a. 1,5 b. 1,6 0,5 c. 1,7 d. 1,8 e. 1,9 I Do ru ak m jeneratörlerinde oluflan voltaj artt rmak için afla dakilerden hangileri yap lmal d r? I. Manyetik alan n büyüklü ünün artt r lmal d r II. Dönen sar m n h z n n artt r lmal d r III. Tel sar m n tur say s artt t lmal d r a. Yaln z I b. Yaln z II c. Yaln z III d. I-II e. I-II-III 5. Bir transformatörde birincil(primer) sarg daki sar m say s 500 dür. Transformatöre girifl voltaj 220V oldu- unda ç k fl voltaj n n da 110V olmas isteniyor. kincil(sekonder) sarg daki sar m say s kaç olmal d r? a. 500 b. 250 c. 200 d. 125 e Mekanik, s, kimyasal ya da nükleer enerjiyi elektrik enerjisine dönüfltüren sistemlere ne ad verilir? a. pil b. baraj c. günefl pili d. elektrik santrali e. reaktör

46 40 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Yaflam n çinden ELEKTR K FATURASINI DÜfiÜRME YOLLARI Günlük hayatta ayd nlatmada ve elektrikli ev aletlerini kullan rken dikkat edilecek birkaç küçük ayr nt elektrik enerjisinin daha tasarruflu kullan lmas na olanak sa l yor. Örne in, akkor flamanl 100W l k normal bir ampulle bir ailenin ayl k tüketimi 100kWh ulafl rken, ayn fl k ak fl n veren kompakt fluoresan ampul kullan ld nda ayl k tüketim 20kWh ya kadar düflüyor. Türkiye de tüketilen toplam elektrik enerjisi içinde ayd nlatman n pay n n yüzde 25 civar nda oldu u düflünüldü ünde, bu, Türkiye genelinde ayda 1 milyar 120 milyon kwh l k bir tasarruf anlam na geliyor. AYDINLATMADA ENERJ TASARRUFU Ayd nlatmada enerji tasarrufu yapabilmek için flu unsurlara dikkat etmek gerekiyor: Bir akkor lamba, kompakt fluoresan lamba ile de- ifltirildi inde yüzde 80 kadar ayd nlatma maliyeti azal r. E er kullan c n n bütçesi bir defada birçok fluoresan lamba almaya elvermezse, geride kalanlar de- ifltirmek için ayl k olarak s raya konarak tamamlanmas mümkündür. Odadan ayr l rken lambalar kapat lmal d r. Aile bireyleri odadan ayr l rken lambalar kapatmalar n hat rlatacak notlar konmas faydal olacakt r. Gün fl ndan mümkün oldu unca faydalan lmal - d r. Odalar do al ayd nl k avantaj n daha iyi kullanacak flekilde düzenlenmelidir. Pencere yak n na bir masa ve sandalye yerlefltirerek elektrik faturalar nda gerçek bir azalma sa lanabilir. D fl kap fl ldaklar halojen lambalarla de ifltirilebilir W l k bir halojen lamba, iki kat fazla watt l standart bir reflektör lamba yerine tak l rsa yine ayn ayd nlatma elde edilir. Lambalar n ve armatürlerin periyodik olarak bak mlar yap lmal d r. yi yap lmayan bak m sonucunda lamba üzerinde biriken tozlar faydal fl k miktar n azalt r. Duvarlar ve tavanlar aç k renkli boya ile boyanmal, dekorasyon eflyalar mümkün oldu unca aç k renkli seçilmelidir. Lamba fl k ç kt s verimli olarak kullan lmal d r. Daha fazla fl a ihtiyaç duyulan bölümlerde çok say da düflük güçlü lamba yerine daha yüksek güçlü tek bir lamba kullanmak daha verimli bir ayd nlatma sa lar. Dekoratif lambalar fl sizin istemedi iniz yönlere gönderir. Aç k renk, fleffaf gölgelikli abajurlar fl daha iyi geçirirler. Zamanlay c lar, fotoseller, ya da yaklafl m sensörleri vas tas yla ayd nlatman n kontrol edilmesi de enerji tasarrufu sa lar. ELEKTR K EV ALETLER NDE ENERJ TASARRUFU YÖNTEMLER Buzdolab : Buzdolaplar n n verimli kullan lmas nda öncelikle düzenli olarak bak m yapt rmak gerekiyor. Ayr ca, buzdolab n n etraf n n toz ve hava sirkülasyonunu etkileyici di er maddelerden ve s kaynaklar ndan uzak tutulmas gerekiyor. Klimalar: htiyaçtan daha büyük bir klima enerji kayb na sebep oluyor. Evin günefl alan k s mlar n n a açlarla gölgelenmesi, cam filmleri, pencere ve duvar tenteleri pasif so utma yöntemlerinin uygulanmas da kliman n so utma yükünü azalt yor, dolay s yla daha az enerji kayb na sebep oluyor. Ocak ve f r nlar: E er evde birkaç tane f r n varsa daima küçük olan tercih edilmesi gerekiyor. Çok gerekli de ilse ön s tma yap lmamas, yap lsa bile bu süre 10 dakikay geçmemesi gerekiyor. Mikro dalga f r nlarda piflirmen 2-10 dakika, s tma ise saniyede gerçeklefliyor, bu nedenle geleneksel f r nlara göre yüzde 66 daha az elektrik harc yorlar. Çamafl r makineleri: Yüksek s cakl kta y kamak yerine l k suyla y kamak, durulaman n ise so uk su ile yap lmas gerekiyor. Ayr ca, y kama programlar tam kapasite çal flt r lmal. E er mümkünse çamafl rlar d flar da günefl ve rüzgardan yararlanarak kurutulmal. Bu arada, önden yüklemeli makineler, üstten yüklemeli makinelere göre daha az enerji tüketiyorlar. Bulafl k makineleri: Bulafl k makinesi yerlefltirilirken çevresinde en az 5 cm boflluk b rak larak, s nmadan dolay oluflan s cak havan n kolayca da lmas sa lanmal. Yaz aylar nda s ve nemi azaltmak için sabah ve akflam saatlerinde y kama yap lmal. Bulafl klar ön durulamaya tabi tutmak gereksizdir, gerekti i durumlarda s cak su yerine so uk su kullan lmal. Bulafl klar n sanitasyonu için yüksek s cakl kta y kama arzu edilmedikçe 55 derece su s cakl yeterlidir. Tam kapasite dolmad kça makine çal flt r lmamal.

47 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri 41 Elektrikli süpürge: Elektrikli süpürgenin torbas s k boflalt lmal. Bu ifllem, süpürgenin emme gücünü yükseltece inden daha verimli ve daha çabuk temizlemeyi sa l - yor. Ayr ca y lda en az bir kez motor bölümü aç l p, buradaki toz ve pamukçuklar n temizlenmesi gerekiyor. D ER EV ARAÇLARI Küçük ekranl televizyonlar büyük ekranlara göre daha az elektrik enerjisi tüketiyorlar. Ses düzeyinin düflük tutulmas da elektrik enerjisi tüketimi azalt yor. Saç kurutma ifllemi mümkün oldu u kadar havlu ile makine kullanmadan yap lmas gerekiyor. Ortalama olarak, bir saç kurutma makinesinin 10 dakika çal flmas 60 W l k bir lamban n 3 saat yanmas na eflde er bir enerji tüketiyor. Bu arada, ak ll sayaçlar ile puant tarifesinden yararlanarak, elektrik tüketiminin indirimli ücret tarifesi uygulanan zaman dilimlerine kayd r lmas yla, ayn miktarda tüketilen elektrik için daha az ücret ödeniyor. Kaynak: Okuma Parças P L N CADI Günümüzde kullan - lan en önemli araçlardan biri olan pil, 1800 y l nda tesadüf sonucu bulunmufltur. Elektri e iliflkin bilgiler, M.Ö. 600 y llar na kadar gitmekle birlikte bilimsel olarak ilk defa 17. yüzy lda ele al nm flt r. Ancak 19. yüzy la kadar bilinen elektrik türü, bir kumafla sürterek elde edilen ya da y ld r m elektri i olarak bilinen statik elektriktir. 19.yüzy lda buna elektrik ak m eklenmifl ve sürekli elektrik ak m n mümkün k lan pil icat edilmifltir. Elektri in bu dal ndaki çal flmalar bafllatan kifli, ünlü kurba a deneyi ile tan nan Luigi Galvani ( ) dir y l nda yapt deneylerin sonuçlar n 1791 de aç klayan Galvani, hayvansal elektrik teorisini ortaya att. Bu teorisini, rastlant sonucu ölü bir kurba an n baca ndaki sinirlerin neflter ile kesildi inde kas ld n gözleyerek oluflturmufltu. Buna göre, canl lar oluflturan hücreler elektrik içermekteydi de Galvani nin deneylerine devam eden Alessandra Volta ( ) kurba a baca kas lmalar n n farkl iki metalden kaynakland n bulur. Baca n uyar lmas, birbirine benzemeyen iki farkl metalden ve hücrelerin s v içermesinden kaynaklan yordu. O hâlde elektrik elde edebilmek için iki farkl metale ve s v ya ihtiyaç olmal yd. Bundan yararlanarak bak r ve çinko madenleri alarak aralar na tuzlu suya bat r lm fl süngerler yerlefltiren Volta, elektrik ak m n elde etmeyi baflard. Böylece Volta Pili ad verilen pili buldu (1800). Böylece Volta, Galvani nin biyolojik deneylerinin sonucu olan Hayvansal Elektrik Teorisi ni ortadan kald rd. Galvani nin deneyleri bilim tarihinin en ilginç olaylar ndan birisidir. Galvani ve Volta arkadaflt lar ve Galvani asla Volta ya kuram n ortadan kald rd için kin duymad. Volta da Galvani nin deneylerinin güzel ve flafl rt - c deneyler oldu unu yazmaktayd. Çal flmalar ndan ötürü Napolyon onu ödüllendirdi ve Avusturya Imparatoru, onu Padua Üniversitesinde Felsefe Fakültesi Baflkanl - na getirdi. Ölümünden 54 y l sonra 1881 de Volt ad, elektrik gücü birimi olarak onun an s na atfen kullan lmaya baflland. Kaynak: ( )

48 42 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar 1. a Yan t n z yanl flsa Elektrik Ak m bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 2. c Yan t n z yanl flsa Elektriksel Direnç ve Ohm Yasas bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 3. c Yan t n z yanl flsa Elektriksel Direnç ve Ohm Yasas bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 4. b Yan t n z yanl flsa Elektromotor Kuvvet bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 5. b Yan t n z yanl flsa Alternatif Ak m bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 6. d Yan t n z yanl flsa Elektriksel Direnç ve Ohm Yasas bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 7. b Yan t n z yanl flsa Elektriksel fl ve Güç bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 8. a Yan t n z yanl flsa Alternatif Ak m Ve Do ru Ak m Güç Kaynaklar bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 9. e Yan t n z yanl flsa Alternatif Ak m Ve Do ru Ak m Güç Kaynaklar bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 10. d Yan t n z yanl flsa Alternatif Ak m Ve Do ru Ak m Güç Kaynaklar bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. S ra Sizde Yan t Anahtar S ra Sizde 1 Bu durumda direncin büyüklü ü, L R = ρ S 8 (1,59.10 Ω m).(20 m) = m = 0,0187Ω bulunur. S ra Sizde 2 R efl = R 1 +R 2 +R 3 dir. R 1 =10Ω, R 2 =12Ω ve R 3 =14Ω oldu undan, R efl = 10Ω+12Ω+14Ω=36 Ω olur. S ra Sizde 3 Paralel ba l dirençlerin eflde er direncini bulmak için Eflitlik 2.13 den yararlan r z = + + Reş R1 R2 R = + + = Reş Reş = 1 Ω= 3, 92Ω 07 S ra Sizde 4 Bilgisayar taraf ndan harcanan güç P=IV=(10A).(110V) =1100W=1,1kW bulunur. Tüketilen enerji ise, U=P.t =(1,1kW).(24h) =26,4kWh olurdu. S ra Sizde 5 Eflitlik 2.18 den V2 N = 2 V1 N1 V = ise V2 = = 176V bulunurdu. Sonuçtan da anlafl laca üzere bu düflürücü bir transformatördür.

49 2. Ünite - Elektrik Ak m ve Do ru Ak m Devreleri 43 Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar Aral, E. ve di erleri, Özdafl, K., (Ed.)(1986) Fen Bilgisi- Fizik, Anadolu Üniversitesi Yay nlar, No: 145. Aydemir, A. ve di erleri, Özdafl, K., (Ed.)(1986) Fen Bilgisi-Fizik, Anadolu Üniversitesi Yay nlar, No: 145. Orhun, Ö. ve di erleri, Orhun Ö. (Ed) (2007) Teknolojinin Bilimsel lkeleri, Ankara: Nobel Yay n Da t m,

50 3TEKNOLOJ N N B L MSEL LKELER -II Amaçlar m z Bu üniteyi tamamlad ktan sonra; Manyetik alan ve manyetik alan çizgilerini tan mlayabilecek, Yüklü parçac klara etki eden manyetik kuvveti hesaplayabilecek, Manyetik alandaki hareketini belirleyebilecek, Ak m tafl yan iletkene etki eden manyetik kuvveti hesaplamak, Manyetik momenti aç klayabilecek, Ak m tafl yan iletkenlerin etraf ndaki manyetik alan hesaplayabilecek, Ak m tafl yan iki iletken aras ndaki manyetik kuvveti hesaplayabilecek, Maddeleri manyetik özellikleri bak m ndan ay rt edebilecek, Faraday yasas n tan yabilecek, Hareketten do an emk i aç klayabilecek, Lenz yasas n tan yabilecek, Özindüksiyonu aç klayabilecek, Transformatörleri tan yabilecek bilgi ve becerilere sahip olacaks n z. Anahtar Kavramlar M knat sl k Manyetik Alan Manyetik Kuvvet Manyetik Moment Elektrik Motoru Ampere Yasas çerik Haritas Ferromanyetik Maddeler Paramanyetik Maddeler Diamanyetik Maddeler Faraday Yasas ndüksiyon Emk i ve Ak m Lenz Yasas Özindüksiyon Jeneratör Transformatör Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Manyetik Alan G R fi MIKNATISLIK MANYET K ALAN ELEKTR K MOTORLARI GALVANOMETRE MANYET K ALANIN KAYNAKLARI MADDEN N MANYET K ÖZELL KLER MANYET K NDÜKS YON JENERATÖR TRANSFORMATÖR

51 Manyetik Alan G R fi Manyetizman n insan yaflam nda önemli bir yeri vard r. Elektrik motorlar nda, yaz c ve disk sürücülerinde, hoparlörlerde, kredi kartlar nda, mikrodalga f r nlarda vb. m knat sl k özelli i kullan lmaktad r. Bunlar n d fl nda üzerinde yaflad m z yerkürenin kendisi de m knat sl k özelli i gösterir. Ayr ca dünyan n koruyucu kalkan olan manyetosfer, manyetik alan sayesinde, günefl rüzgâr nedeniyle 450 km/s h zla ilerleyen çok say da yüklü parçac n yeryüzüne gelmesine engel olur. M knat sl k özelli i çok eski tarihlerden beri bilinmektedir. Milattan önceki devirlerde Magnesia da (Manisa) gizemli kaya parçalar n n birbirlerini çekip itti i, demir gibi baz maddeleri ise çekti i gözlendi. Daha sonralar m knat s n yak n na getirilen bir demir çubu un, m knat sl k özelli ini kazand ve bu çubu un düfley bir eksen etraf nda as ld zaman, kendili inden kuzey ve güney do rultusunu gösterdi i bulundu. Bu özellikten yararlan larak yap lan pusula çok eski devirlerden beri kullan lmaktad r da Oersted taraf ndan temelleri oluflturulan elektrik ve manyetizma aras ndaki iliflki elektrom knat slar ortaya ç karm flt r. Bir demir çubu un çevresine iletken tel sar l p, telin uçlar n bir pile ba layarak basit bir elektrom knat s yap labilir. Telden elektrik ak m geçirildi inde, demir çubuk m knat sl k özelli i kazan r. MIKNATISLIK Demir, nikel, kobalt gibi metalleri çekme özelli i gösteren cisimlere m knat s denir. Do al ve yapay m knat s olmak üzere iki çeflittir. Demir ile oksijenin birlefliminden oluflan Fe 3 O 4 bilefli i do al m knat slara bir örnektir. nsan eliyle yap lan m knat slara ise yapay m knat slar denir. Bu m knat slar çubuk, at nal ve U fleklinde olabilir. Elektrik ak m kullan larak yap lan m knat slara ise elektrom knat s denir. Bir demir veya çelik çubu un üzerine sar lan yal t lm fl telleri bir pile ba larsak basit bir elektrom knat s elde ederiz. E er pil devre d fl b rak l rsa m knat sl k özelli i kaybolur. Günümüz teknolojisi ile buzdolaplar nda kullan lan m knat slardan ortalama 2 milyon kat daha güçlü elektrom knat slar üretilmifltir. Do al veya yapay olsun, tüm m knat slarda iki manyetik kutup vard r. Bunlar kuzey (N) ve güney (S) kutuplar d r. Bir m knat s kaç parçaya bölünürse bölünsün, oluflan her parça yine N-S kutuplu bir m knat s olur. Yani tek kutuplu bir m knat s elde edilemez. Bu kutuplar elektrik yükleri gibi birbirleri üzerine kuvvet etki ederler. Ayn isimli kutuplar birbirini iter. Farkl isimli kutuplar birbirini çeker. Bir m knat s belli bir s cakl a kadar s t l rsa m knat sl k özelli ini kaybeder. Bu duruma gelen m knat s, tekrar so utulsa bile m knat sl k özelli i göstermez. M knat sl k özelli i gösteren bir maddenin m knat sl k özelli inin kayboldu u s cakl - a Curie s cakl denir. Pusula yerin manyetik alan ndan yararlan larak yön bulmam za yarayan alettir. Demir, nikel, kobalt gibi metalleri çekme özelli i gösteren m knat s, do al olarak bulunabildi i gibi yapay olarak da oluflturulabilir.

52 46 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii M knat sl k özelli ini günlük yaflant m zda s kça kullan r z. Örne in kap zillerinde, telefonlarda, banka ve kredi kartlar nda, elektrik motorlar nda, jeneratörlerde, tüplü televizyonlarda, hoparlör ve mikrofonlarda m knat sl k özelli inden faydalan r z. Bunlar n d fl nda elektrik santrallerinde elektrik elde etmek için ve vinçlerde de a r yükleri kald rabilmek için m knat sl k özelli inden faydalan r z. Denizciler manyetik kutuplar kullanarak yönlerini bulurlar. M knat s n kuzeygüney do rultusunu göstermesi özelli inden dolay yap lm fl yön bulmaya yarayan aletlere pusula denir. Bir pusula ibresinin daima kuzey-güney do rultusunda olmas dünyan n bir m knat sl k özelli i gösterdi inin kan t d r. Dünyan n co rafi i kuzey-güney kutuplar ile manyetik kuzey-güney kutuplar birbirine kar flt r lmamal - d r. Co rafi eksen dünyan n dönme eksenidir. Dünyan n co rafi ekseni ile manyetik ekseni aras nda bir sapma aç s vard r. Bu aç bulunulan yere göre de iflir. B vektörüne, manyetik indüksiyon veya manyetik ak yo unlu u da denir. Nikola Tesla: y llar aras nda yaflam fl S rp as ll fizikçi. Nötron Y ld zlar : Güneflin kütlesinin 1,35 ile 2,1 kat aras ndaki y ld zlar n yaflam n n son evrelerinden biridir. ÖRNEK fiekil 3.1 MANYET K ALAN Bir m knat s çevresinde manyetik alan oluflturur. Manyetik alan vektörel bir niceliktir. Dolay s yla herhangi bir yerdeki manyetik alan n say sal büyüklü ünün yan nda yönü de verilmelidir. Manyetik alan n yönü bir pusulan n i nesinin gösterdi i yöndür. Manyetik alan n büyüklü ü ise iki m knat s n birbirini ne kadar güçlü itti ini veya çekti ini gösterir. Manyetik alan B ile gösterilir ve birimi SI birim sisteminde tesla d r (T). CGS birim sisteminde ise gauss tur (G). 1T = 10 4 G (3.1) Örnek olarak dünyan n manyetik alan 0,3-0,6 G aras ndad r. Buzdolaplar nda kulland m z m knat slar ise ortalama olarak dünyan n 100 kat büyüklü ünde manyetik alana sahiptirler. Günümüz teknolojisiyle üretilen en büyük kararl manyetik alan yaklafl k 100 T büyüklü ündedir. Bilinen en büyük manyetik etkinli e sahip cisimler 10 km yar çapa sahip nötron y ld zlar d r. Nötron y ld zlar ndaki manyetik alan n büyüklü ü T aras ndad r. Buna karfl n insan beyninin içindeki manyetik alan oldukça zay ft r ve T de erindedir. Bir manyetik alan gözle görülmez ama etkisi gözle görülebilir. Manyetik alan anlamak için N kutbundan bafllay p S kutbunda biten hayali manyetik alan çizgilerini kullan r z. Alan çizgileri gerçekte olmayan ancak bizim olaylar daha iyi ifade edebilmek için kulland m z bir modeldir. Alan çizgilerini anlayabilmek için afla daki basit deneyi yapabiliriz. Bir cam üzerine demir tozlar serpelim. Cam n alt na bir m knat s yaklaflt r l rsa demir tozlar manyetik alan boyunca s ralan r. Demir tozlar n n oluflturdu u bu çizgilere bakarak m knat s n manyetik alan çizgilerinin nas l oldu unu anlar z. Manyetik alan çizgilerinin birbirine paralel oldu u duruma düzgün manyetik alan denir. E er düzgün manyetik alan sayfa düzleminden d fla do ru ise iflaretiyle, sayfa düzleminden içe do ru ise X iflareti ile gösterilir. Bir çubuk m knat s fiekil 3.1 de görüldü ü gibi, bir ipin ucunda as l durmaktad r. Yatay do rultuda okla gösterilen yönde düzgün bir manyetik alan uygulan rsa çubuk m knat s n alaca flekli çiziniz.

53 3. Ünite - Manyetik Alan 47 Çözüm: Okla gösterilen yönde düzgün bir manyetik alan uygulan rsa çubuk m knat s n yönelimi fiekil 3.2 deki gibi olur. fiekil 3.2 0,3 Gauss (G) kaç Tesla d r (T)? Manyetik Ak Manyetik ak bir yüzeyden dik olarak geçen manyetik alan çizgileri say s n n bir ölçüsüdür. Manyetik ak skaler bir büyüklüktür ve Φ ile gösterilir. Manyetik ak, manyetik alan ile manyetik alana dik olan yüzeyin alan n n çarp m na eflittir. Bir yüzeyden geçen manyetik ak afla da verilen ifade ile bulunur. Φ = BS cosθ (3.2) Burada B manyetik alan fliddeti, S yüzeyin alan ve θ aç s yüzeye dik olan normal vektörüyle manyetik alan aras ndaki aç d r. Örne in manyetik alan yüzeye paralel olursa, θ = 90 olaca ndan manyetik ak s f rd r. E er manyetik alan yüzeye dik olursa, θ = 0 olaca ndan manyetik ak da maksimum olur. Manyetik ak n n birimi weber dir ve wb fleklinde sembolize edilir (1 wb = 1 Tm 2 ). Yüklü Parçac a Etki Eden Manyetik Kuvvet Elektrik alan içerisindeki yüklü bir parçac a etki eden kuvvete elektriksel kuvvet denir. Manyetik alan içerisindeki yüklü bir parçac a etki eden kuvvete ise manyetik kuvvet denir. Bu konuda yap lan deneyler göstermifltir ki; 1. hareketsiz yüke manyetik kuvvet etki etmez, 2. manyetik alan do rultusunda hareket eden yüke de manyetik kuvvet etki etmez, 3. manyetik kuvvet yük miktar yla do ru orant l d r, 4. manyetik kuvvet manyetik alanla do ru orant l d r, 5. manyetik kuvvetin yönü, yükün h z na ve manyetik alan n yönüne daima dik yöndedir, 6. negatif bir yüke etki eden kuvvetin yönü, ayn yönde hareket eden pozitif bir yüke etki eden kuvvetin yönüne z t yöndedir. Deney sonuçlar ndan, yüklü bir parçac a etki eden manyetik kuvvetin büyüklü ü için afla daki eflitlik türetilmifltir. F = q νb sinθ (3.3) Burada q parçac n elektrik yükü, ν parçac n h z, B manyetik alan fliddeti ve θ aç s ise h z ile manyetik alan n aras ndaki aç d r. Eflitlik 3.3 den manyetik kuvvetin büyüklü ünü buluruz. Manyetik kuvvetin yönünü ise fiekil 3.3 de görüldü ü gibi, sa el kural yla buluruz. Sa elimizin dört parma n pozitif yüklü parçac n h z vektörünün yönünde tutal m ve sonra onlar küçük aç y süpürecek flekilde manyetik alan n yönünde yönelinceye kadar bü- 1 SIRA S ZDE

54 48 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii fiekil 3.3 kelim. Aç lan baflparmak kuvvetin yönünü gösterir. E er yük negatif ise etki eden kuvvet aç lan baflparmak ile ters yönlüdür. Bir manyetik alan içindeki pozitif yüklü bir parçac a etki eden manyetik kuvvetin yönü sa el kural ile bulunur. Kaynak: c.edu/courses/physi cs107/lectures/week 6F/Lecture12/ B v Sa el kural manyetik kuvvetin her zaman manyetik alana ve h za dik yönde oldu unu gösterir. Manyetik kuvvetin bu özelli i elektriksel kuvvetten farkl d r. Elektriksel kuvvet pozitif yüklü bir parçac k için her zaman elektrik alan do rultusundad r. Dolay s yla yüklü bir parçac k elektrik alan do rultusunda ivmelenir ve kinetik enerjisi de iflir. Buna karfl n manyetik alandaki bir parçac n kinetik enerjisi de iflmez. Çünkü manyetik kuvvet parçac n h z n n büyüklü ünü de il yönünü de ifltirebilir. Kinetik enerji de iflimine bakarak elektriksel kuvvetin bir ifl yapt fakat manyetik kuvvetin yapt iflin s f r oldu u sonucuna ulafl r z. ÖRNEK Bir saniyede 1000 km yol alan bir elektron, 2 T fliddetindeki bir manyetik alana dik olarak girmektedir. Bu elektrona etkiyen manyetik kuvveti bulunuz. (Elektronun yükü q = -1, C) Çözüm: Elektronun h z n SI birim sisteminde ν = 10 3 km/s = 10 6 m/s olarak buluruz. Elektron manyetik kuvvete dik olarak girdi i için aç θ = 90 derecedir. Bu verileri Eflitlik 3.3 de yerlerine yazarsak, manyetik kuvveti hesaplar z. F = qνb sinθ = -1, sin90 = -3, N ÖRNEK Bir düzlem boyunca 10 6 m/s h zla hareket eden bir protona, düzlemde hareket yönüyle 30 lik bir aç yapan G büyüklü ündeki bir manyetik alan etki etmektedir. Bu proton üzerindeki manyetik kuvveti hesaplay n z. (sin30 = 0,5 ve protonun yükü q = 1, C) Çözüm: Protonun h z SI birim sisteminde verilmifl, fakat manyetik alan n büyüklü ü SI birim sisteminde verilmemifl oldu undan önce bu birim de iflikli ini yapal m. Manyetik alan n büyüklü ünü, SI birim sisteminde G = 2 T olarak buluruz. Eflitlik 3.3 yard m yla da manyetik kuvveti buluruz. F = qνb sinθ = 1, sin30 = 1, N.

55 3. Ünite - Manyetik Alan 49 Yüklü bir parçac n bir bölgede do ru boyunca hareket etmesi, o bölgede manyetik alan n olmad anlam na gelir mi? Yüklü Bir Parçac n Manyetik Alandaki Hareketi Yüklü bir parçac a etki eden manyetik kuvvet, manyetik alana ve h z n yönüne dik yöndedir. Dolay s yla yüklü bir parçac k düzgün bir manyetik alan n oldu u bölgeye dik olarak girerse, parçac k dairesel hareket yapar. Manyetik kuvvetin yönü dairenin merkezine do rudur ve büyüklü ü F =qvb eflitli i ile verilir. Yani manyetik kuvvet dairesel hareketteki merkezcil kuvvet F= m v 2 gibi davranmaktad r. Bu r durumda; qvb= m (3.4) r eflitli i yaz l r. Bu eflitli i kullanarak dairesel yörüngenin yar çap n n cismin momentumuyla do ru, yük ve manyetik alan ile ters orant l oldu unu buluruz. v v 2 r= m (3.5) qb Parçac n r yar çapl çember üzerindeki bir dolan m için geçen zamana periyot ad verilir ve T ile gösterilir. Bu süre çemberin çevresinin parçac n h z na bölümüne eflit oldu undan; T= 2πr = 2πm (3.6) v qb bulunur. Bu sonuçlar parçac n h z artt kça çemberin büyüyece i ama periyodun de iflmeyece ini gösterir. Buna karfl n manyetik alan artt kça yar çap ve periyot azal r. Yukar daki eflitlikler, yüklü bir parçac k düzgün manyetik alan n oldu u bölgeye dik olarak girerse geçerlidir. E er yüklü parçac k düzgün manyetik alan n bulundu u bölgeye 90 dereceden farkl bir aç ile girerse, hareket helis biçiminde olur. E er manyetik alan düzgün de ilse hareket daha da karmafl kt r. Bir proton, h z na dik 1, T büyüklü ündeki düzgün bir manyetik alan n oldu u bölgede 10 cm yar çapl dairesel bir yörüngede hareket ediyor. Protonun h z n ve periyodunu bulunuz. (Protonun kütlesi m = 1, kg) Çözüm: SI birim sisteminde metre kullan l r. Dolay s yla yar çap metre cinsinden yazmal y z; 10 cm= 10-1 m. Eflitlik 3.5 den h z çekersek, 2 SIRA S ZDE ÖRNEK v = qbr m = (, ).(, ). 10 = 1, , m/s olarak bulunur. Eflitlik (3.6) da bu h z de erini kullan rsak periyotu buluruz , T = = 3, s. 5 1, 6. 10

56 50 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii ÖRNEK K 1 Kinetik enerjileri oran = 4 K olan iki elektron düzgün bir manyetik alan n oldu u bölgeye dik olarak girmektedirler. Bu elektronlar n dairesel yörüngelerinin 2 yar çaplar oran n bulunuz. Çözüm: Kinetik enerji K= 1 2 mv2 ifadesi ile verilir. Elektronun h z 2 kat artarsa, kinetik enerji 4 kat artar. Dolay s yla parçac klar n h zlar oran olur. Eflitlik 3.5 r v 1 =2 den yar çaplar oran n da 1 olarak buluruz. r =2 2 2 v SIRA S ZDE 3 Kütleleri ve yük de erleri ayn olan pozitif ve negatif yüklü iki parçac k düzgün bir manyetik alan n oldu u bir bölgeye ayn h zla ve dik olarak girmektedirler. Hareketleri aras nda fark var m d r? Ak m Tafl yan letkene Etki Eden Manyetik Kuvvet U fleklindeki bir m knat s n kutuplar aras nda tuttu umuz bir bak r telin üzerinden elektrik ak m geçerse ne olur? Bak r tel sa a veya sola sapar. Bu basit deney bize manyetik alandaki ak m tafl yan bir iletkene manyetik kuvvet etki etti ini gösterir. Bu konuda yap lan deneyler göstermifltir ki; 1. manyetik kuvvet ak mla do ru orant l d r, 2. manyetik kuvvet iletken telin uzunlu u ile do ru orant l d r, 3. manyetik kuvvet manyetik alan ile do ru orant l d r, 4. iletken tel manyetik alana paralel do rultuda tutulursa manyetik kuvvet s f - ra eflittir. Deney sonuçlar ndan, düzgün manyetik alandaki ak m tafl yan do rusal bir iletkene etki eden manyetik kuvvetin büyüklü ü için afla daki eflitlik türetilmifltir. F = ILBsinθ (3.7) Burada I elektrik ak m, L telin uzunlu u, B manyetik alan ve θ aç s ak m yönüyle manyetik alan n yönü aras ndaki aç d r. Yukar daki eflitlik bize manyetik kuvvetin de erini verir. Manyetik kuvvetin yönünü ise sa el kural ile buluruz. Sa elimizin dört parma n ak m n yönünde tutal m ve sonra onlar manyetik alan n yönünde küçük aç y süpürecek flekilde kapatal m. Bu durumda aç k kalan baflparmak kuvvetin yönünü gösterir. ÖRNEK 4 A ak m tafl yan 0,3 m uzunlu undaki bak r bir tel, büyüklü ü 0,2 T olan düzgün bir manyetik alan içindedir. Manyetik alan n yönü ile ak m n yönü aras ndaki aç 30 ise bak r tele etki eden manyetik kuvveti hesaplay n z. CÖZÜM: Eflitlik 3.7 yi kullan rsak manyetik kuvvetin de erini buluruz. F = ILBsinθ = 4.0,3.0,2.sin30 = 0.12 N SIRA S ZDE 4 ki ucu birlefltirilmifl bir iletken telin üzerinden 10 A ak m geçmektedir. Manyetik alan n yönü ile ak m n yönü aras ndaki aç 90 dir. Tele etki eden manyetik kuvvet nedir?

57 3. Ünite - Manyetik Alan 51 Düzgün Bir Manyetik Alandaki Ak m lme ine Etki Eden Moment M knat s kullanarak elektrik ak m yla dönen bir pervane yapabilir miyiz? Bu soruya cevab m z evet olmal d r. Bunun için iletken teli bir halka fleklinde bükmemiz gerekir. Bu tel ilme in, m knat slar n aras ndaki sabit bir nokta etraf nda dönebilece i bir tasar m düflünelim. letken teli bir pile ba larsak üzerinden I ak m geçer ve tel ilmek dönmeye bafllar. Böyle bir döndürücü kuvvetin do urdu u dönme hareketi elektrik motorlar n n temelini oluflturur. Kuvvetin döndürücü etkisine moment denir ve M ile gösterilir. Bu momentin de erini hesaplamadan önce manyetik dipol momentini tan mlayal m. Manyetik dipol momenti vektörel bir büyüklüktür ve µ ile gösterilir. Üzerinden I ak m geçen bir ilme in manyetik dipol momentinin büyüklü ü afla daki eflitlikle verilir. µ = IS (3.8) Burada I ak m n de eri ve S ilme in alan d r. Manyetik dipol momentin yönünü ise flu flekilde buluruz. Sa elimizin dört parma yla ilme i ak m yönünde avuç içine al rsak, aç lan baflparma n yönü manyetik dipol momentin yönünü gösterir. Bir ak m ilme ine etki eden moment, manyetik dipol momenti ve manyetik alan ile do ru orant l d r. M = µ Bsinθ (3.9) Burada µ manyetik dipol moment, B manyetik alan ve θ aç s manyetik dipol moment ile manyetik alan aras ndaki aç d r. Boyutlar 5 cm.10 cm olan dikdörtgensel bir iletken telin üzerinden I = 20 A fliddetinde bir ak m geçmektedir. a. Dikdörtgensel ak m ilme inin manyetik momentini bulunuz. b. lmek düzlemine paralel olarak B = 1,5 T büyüklü ünde bir manyetik alan uygulan rsa ilmek üzerindeki momenti bulunuz. ÖRNEK Çözüm: a. lme in alan n SI birim sisteminde yazal m; A = ( ).( )= m 2. Manyetik dipol momenti Eflitlik 3.8 den buluruz µ = IS = 20.( ) = 0,1 Nm 2 b. a seçene inde buldu umuz de eri, Eflitlik 3.9 da yerine yazarsak manyetik momenti; M = µb sinθ = 0,1.1,5.sin90 = 0,15 Nm olarak buluruz. Yar çap 10 cm olan dairesel bir iletken telin manyetik dipol momenti 6, Am 2 dir. a. Telin üzerinden geçen ak m n fliddetini bulunuz. b. Daire düzlemine paralel B = 0,1 T fliddetinde bir manyetik alan uygulanmas durumunda, dairesel tele etki eden manyetik momenti bulunuz. ÖRNEK Çözüm: a. Dairenin alan n S = πr 2 = π.( ) 2 = 3, m 2 olarak buluruz. Manyetik dipol moment 6, Am 2 ise telden geçen ak m n fliddetini Eflitlik 3.8 den

58 52 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii -1 I = µ A S = 6, = , olarak buluruz. b. M = µb sinθ = (6, ).0,1.sin90 = 6, Nm. SIRA S ZDE 5 Ak m tafl yan L uzunlu undaki bir bak r tel, çember biçiminde mi yoksa kare biçiminde mi bükülürse manyetik dipol momenti daha büyük olur? ELEKTR K MOTORLARI Ak m tafl yan iletkene manyetik alan içinde etki eden kuvvetlerin en bilinen uygulamas hayat m z n birçok yerinde karfl m za ç kan elektrik motorlar d r. Tan m olarak, elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren makinelere elektrik motoru denilir. Buzdolab n n kompresörünü, çamafl r makinesinin pompas n çal flt ran elektrik motorlar d r. Do ru ak m motorlar (DC motorlar ): Do ru ak m ile çal flan motorlara denir. Pil ile çal flan oyuncak motorlar, otomobildeki marfl motorlar, kol saatindeki motorlar DC motorlard r. Alternatif ak m motorlar (AC motorlar ): Alternatif ak m ile çal flan motorlara denir. Bu tip motorlar, gerek evlerde, gerekse sanayide en çok kullan - lan elektrik motorlard r. Çamafl r makinesinin ve elektrik süpürgesinin motoru AC motorlard r. Bir solenoid, helis biçiminde s k ca sar lm fl uzun bir teldir. Andre-Marie Ampere: y llar aras nda yaflam fl Frans z fizikçi. GALVANOMETRE Galvanometre bir devredeki küçük elektrik ak mlar n ölçmeye yarayan bir elektriksel alettir. Galvanometrenin çal flma prensibi, bir manyetik alandaki ak m ilme- ine etki eden moment kavram üzerine dayan r. Bir galvanometrede iki m knat s n aras na yerlefltirilmifl bir solenoid bulunur. Solenoidin üzerinden ak m geçince, solenoid üzerinde döndürücü bir kuvvet oluflur. Solenoid bir miktar dönünce ona ba l olan yay s k flt r r ve göstergedeki ibreyi sapt r r. Sapma miktar na göre devreden geçen elektrik ak m ölçülür. MANYET K ALANIN KAYNAKLARI M knat s n kendili inden oluflturdu u manyetik alan, m knat s kullanmadan da üretebiliriz. Bu konudaki ilk deneyler 1820 y l nda Danimarkal fizikçi Oersted taraf ndan yap lm flt r. Yap lan deneyler göstermifltir ki üzerinden ak m geçen bir iletken telin çevresinde oluflan manyetik alan, 1. ak mla do ru orant l d r, 2. uzakl kla ters orant l d r, 3. telin geometrik flekline ba l d r. Deney sonuçlar ndan yararlanan Ampere, simetrik flekle sahip iletkenlerin etraf ndaki manyetik alan veren ifadeyi bulmufltur. Bu k s mda Ampere yasas yla türetilen manyetik alan ifadelerini, uzun ve do rusal bir tel, çember fleklindeki bir tel ve solenoid için inceleyece iz. Ampere yasas kullan larak uzun ve do rusal bir iletken telden r kadar uzakl ktaki bir noktada oluflan manyetik alan n büyüklü ü için afla daki ifade türetilmifltir. B=2k I r (3.10)

59 3. Ünite - Manyetik Alan 53 Burada I ak m n fliddeti, r uzakl k ve k = 10-7 T.m /A dir. k sabiti genellikle olarak yaz l r. Burada µ 0 bofllu un manyetik geçirgenlik katsay s d r. µ 0 = 4π.10-7 T.m/A (3.11) Ak m tafl yan bir telin çevresinde oluflan manyetik alan telin geometrik flekline ba l d r. Yukar daki eflitlik, uzun ve do rusal bir iletken tel için geçerlidir. fiimdi dairesel bir iletken teli ele alal m. Ampere yasas kullan larak, ak m tafl yan dairesel telin merkezindeki manyetik alan n de eri için afla daki eflitlik türetilmifltir. µ 0 4π B = 2πk I r (3.12) Son olarak bir solenoidin içindeki manyetik alan bulal m. Bir solenoidin içindeki manyetik alan, her bir dairesel sar m n manyetik alanlar n n vektörel toplam - d r. S k ca sar lm fl bir solenoidin içindeki manyetik alan hemen hemen düzgün bir manyetik aland r. D fl ndaki alan ise hem düzgün de il hem de zay ft r. Ampere yasas kullan larak, ideal bir solenoidin içindeki manyetik alan n de eri için afla daki eflitlik türetilmifltir. B = 4π k N L I (3.13) Burada L solenoidin boyu, N sar m say s ve I ak m n fliddetidir. Yukar daki eflitlikler bize herhangi bir r noktas ndaki manyetik alan n büyüklü- ünü verir. Manyetik alan n büyüklü ü ile birlikte yönünün de belirlenmesi gerekir. Manyetik alan n yönü ise, sa el kural yla bulunur. Sa elimizin baflparma n ak m n yönünü gösterecek flekilde tutarsak, geriye kalan dört parma m z n k vr lma yönü manyetik alan n yönüdür. fiekil 3.4 de örnek olarak uzun ve do rusal bir tel için sa el kural gösterilmifltir. Yere dik duran iletken çok ince bir çubuktan yukar yönde bir ak m geçerse, çevresindeki manyetik alan çizgileri daireseldir. fiekil 3.4 B Uzun ve do rusal bir telin etraf nda oluflturdu u manyetik alan çizgileri daireseldir ve sa el kural ile bulunur. Kaynak: utk.edu/phys136d/

60 54 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii ÖRNEK ÖRNEK ÖRNEK ÖRNEK 10 A ak m tafl yan uzun ve do rusal bir iletken telden 20 cm uzakl kta oluflan manyetik alan bulunuz. Çözüm: SI birim sisteminde, 20 cm = m. Üzerinden I ak m geçen uzun ve do rusal bir iletkenin r kadar uzakl kta oluflturdu u manyetik alan Eflitlik 3.10 ile verilir. B=2k I r = =10-5 T Yar çap 4 cm olan çember fleklindeki bir tel 2 A ak m tafl maktad r. Çemberin merkezindeki manyetik alan bulunuz. Çözüm: Yar çap metre cinsinden yazal m, 4 cm = m. Ak m tafl yan çember biçimli bir telin merkezindeki manyetik alan n de eri Eflitlik 3.12 ile verilir. B = 2π I k = 2π. 10 = 3, T r Boyu 0,5 m olan s k ca sar lm fl bir solenoidden geçen ak m fliddeti 1 A oldu unda, merkezindeki manyetik alan B = 3, T dir. Bu durumda solenoidin sar m say s n bulunuz. Çözüm: Eflitlik 3.13 de, manyetik alan, uzunluk ve ak m fliddetini yerlerine yazarsak 3, = 4π.10-7 N eflitli ini elde ederiz. Bu eflitli i çözersek N =125 de erini buluruz. 05. Aralar ndaki uzakl k 0,4 m olan uzun ve do rusal iki bak r telin üzerinden s ras yla 10 A ve 5 A de erinde ak m geçmektedir. Bu tellerden geçen ak mlar n, iki telin aras nda tam orta noktada oluflturaca manyetik alan n de erini bulunuz. Çözüm: ki telin aras ndaki orta nokta tellerden 0,2 m uzakl ktad r. Birinci telin bu noktada oluflturdu u manyetik alan n büyüklü ü B =2 I 1-7 k = = r T. kinci telin bu noktada oluflturdu u manyetik alan n büyüklü ü ise B =2 I 2 = T. Ak m yönleri ayn oldu u için sa el kural ndan B 1 ve B 2 nin z t yönlerde oldu u sonucuna ulafl r z. Bu durumda iki te- r = -7 5 k lin aras ndaki orta noktada oluflan toplam manyetik alan B =B -B = ( ) - ( ) = (10-5).10-6 = T Toplam 1 2 olarak buluruz. SIRA S ZDE DÜfiÜNEL M 6 SIRA S ZDE Uzun bir bak r telin üzerinden fiekil 3.5 te görüldü ü yönde bir ak m geçmektedir. Telin üstündeki DÜfiÜNEL M ve alt ndaki bölgelerde manyetik alan n yönü nedir? fiekil 3.5 I SORU SORU D KKAT D KKAT SIRA S ZDE SIRA S ZDE

61 Ak m Tafl yan ki Paralel letken Tel Aras ndaki Manyetik Kuvvet Daha önceki k s mlarda manyetik alan içerisindeki ak m tafl yan bir iletkene manyetik kuvvet etki etti ini ve ak m tafl yan bir iletkenin çevresinde manyetik alan oluflturdu unu gördük. fiimdi varsayal m ki uzun ve do rusal ak m tafl yan iki iletken tel birbirine paralel olarak yerlefltirilsin. Bu durumda bu iki paralel iletken tel birbirlerine kuvvet uygular. fiimdi bu kuvvet için bir eflitlik türetelim: I 1, I 2 ak mlar n tafl yan, birbirine paralel olarak yerlefltirilmifl iki uzun ve do rusal iletken teli ele alal m. Bu tellerin aras ndaki uzakl k r olsun. kinci telin birinci tel üzerinde oluflturdu u manyetik alan n de erini Eflitlik 3.10 dan B =2 I 2 k olarak buluruz. kinci telin oluflturdu u manyetik alandan birinci tel etkilenir. Bu du- 2 r rumda birinci telin L boyundaki k sm na etki eden kuvvetin de eri, Eflitlik 3.7 den; F = I LB = 2 LI 1 I 2 k (3.14) r eflitli i ile verilir. Birim uzunlu a etki eden kuvvetin de eri ise f = F 1 (3.15) L =2 II 1 2 k 1 r eflitli i ile verilir. Benzer ifllemleri yaparsak ikinci telin L boyundaki k sm na etki eden kuvvet ile birinci telin L boyundaki k sm na etki eden kuvvetin büyüklüklerinin ayn oldu unu buluruz. Kuvvetlerin yönünü sa el kural ile buluruz. Sa elimizin baflparma n ikinci telin üzerindeki ak m n yönünü gösterecek flekilde koyarsak, sa elimizin k vr lan parmaklar birinci teldeki manyetik alan n n yönünü gösterir. Birinci teldeki ak m n yönüne sa elimizin dört parma n koyup manyetik alan yönünde k v r rsak, aç lan baflparmak kuvvetin yönünü gösterir. E er tellerden geçen ak m ayn yönlüyse, kuvvet çekme yönünde, z t yönlüyse kuvvet itme yönündedir. F =-F 2 1 olarak buluruz. 3. Ünite - Manyetik Alan (3.16) Aralar ndaki uzakl k 0,2 m olan iki uzun ve birbirlerine paralel tel ayn ak m tafl d klar nda birim uzunlu a etki eden manyetik kuvvetin de eri N olmaktad r. Tellerden geçen ak m bulunuz. 55 Newton un etki-tepki yasas na göre, ikinci tel üzerindeki manyetik kuvvet, birinci tel üzerindeki manyetik kuvvete eflit büyüklükte ve z t yönlüdür. ÖRNEK Çözüm: Birinci ve ikici tellerin üzerinden geçen ak m I 1 = I 2 = I olsun. Birim uzunluk bafl na düflen manyetik kuvvet için Eflitlik 3.15 i kullan rsak; f = F II = 2k 1 L r I = eflitli ini elde ederiz. Bu eflitlikten ak m çekersek; I = 0,2 A olarak buluruz. Yukar daki örnekte verilen iki uzun tel yerine, düzlemleri birbirine paralel olan iki dairesel teli ele alal m. Dairesel tellerden geçen ak m yönlerinin z t olmas durumunda kuvvet çekici midir yoksa itici midir? 7 SIRA S ZDE

62 56 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii MADDEN N MANYET K ÖZELL KLER Malzemeleri elektriksel özelli ine göre iletkenler ve yal tkanlar diye s n fland rm flt k. Bu k s mda da malzemeleri manyetik özelliklerine göre s n fland raca z. Maddelerin manyetik geçirgenlik katsay s ile bofllu un manyetik geçirgenlik katsay s aras nda basit bir ba nt vard r. µ = µ (1+ χ ) 0 M (3.17) Burada µ maddenin manyetik geçirgenlik katsay s µ 0 bofllu un manyetik geçirgenlik katsay s d r (µ 0 =4π.10-7 N/A 2 ) ve χ M manyetik duygunluk katsay s d r. E er χ M manyetik duygunluk katsay s pozitif ise malzeme paramanyetik, negatif ise malzeme diamanyetiktir. E er χ M katsay s s f rdan çok büyük ise malzeme ferromanyetiktir. Çizelge 3.1 de baz maddelerin katsay lar χ M manyetik duygunluk verilmifltir. Çizelge 3.1 Baz maddelerin χ M katsay lar Kaynak: Raymond A. Serway, Çeviri editörü: Kemal Çolako lu, Fen ve Mühendislik için Fizik 2, Palme yay nc l k, Ankara, 1996 Malzeme χ M Alüminyum 2, Kalsiyum 1, Krom 2, Platin 2, Bak r -9, Elmas -2, Alt n -3,6.0-5 Kurflun -1, Civa -2, Gümüfl -2, Paramanyetik Malzemeler Paramanyetik malzemeler uygulanan manyetik alana do ru çekilirler. Çekim kuvveti uygulanan manyetik alanla do ru orant l, s cakl kla ters orant l d r. Bu kuvvet zay f bir kuvvettir ve ancak hassas aletlerle ölçülebilir. Bu tür malzemeler manyetik alan kalkt nda manyetik özelliklerini koruyamaz. Pozitif, küçük bir manyetik duygunlu a sahiptir. Alüminyum, magnezyum, sodyum ve oksijen paramanyetik maddelere örnektir. 1 K=-273,16 C Ferromanyetik Malzemeler M knat s taraf ndan kuvvetlice çekilirler. Manyetik alan içerisine konulduklar nda m knat sl k özelli i kazan rlar. Manyetik alan kalksa bile m knat sl k özelli i göstermeye devam ederler. Ferromanyetik maddeler kal c m knat s yap m nda kullan - l r. Demir, nikel ve kobalt ferromanyetik maddelere örnektir. Bu tip malzemelerde, ferromanyetik özelli in kaybolup paramanyetik özelli in bafllad bir üst s cakl k de eri vard r. Bu s cakl a Curie s cakl denir. Demir için Curie s cakl 1043 K, Kobalt için 1394 K, Nikel için 631 K dir.

63 Diamanyetik Malzemeler Uygulanan manyetik alana ters yönde zay f bir manyetik alan üretirler. Dolay s yla diamanyetik malzemeler manyetik alan taraf ndan hafifçe itilir. Bu tür malzemeler de uygulanan manyetik alan kalkt nda manyetik özelliklerini koruyamazlar. Ferromanyetik ve paramanyetik malzemeler de dahil tüm malzemeler diamanyetik özellik gösterir. Fakat, ferromanyetik ve paramanyetik malzemelerde diamanyetik özellik bask n de ildir. Sadece diamanyetik özellik gösteren malzemelere ise diamanyetik malzemeler denir. Süperiletkenler mükemmel diamanyetik malzemelerdir. Dolay s yla bir m knat s bir süperiletkene yaklaflt r l rsa itici bir kuvvet oluflur. Demir için Curie s cakl 1043 K dir Bu s cakl k kaç santigrat derecedir? MANYET K NDÜKS YON 3. Ünite - Manyetik Alan Faraday Yasas M knat s kullanarak elektrik ak m elde etmek mümkündür. Bu konudaki ilk deneyler 1831 y l nda Faraday ve Henry taraf ndan yap lm flt r. Bu deneylerin sonuçlar Faraday yasas olarak bilinmektedir, Faraday yasas n anlayabilmek için, fiekil 3.6 da görüldü ü gibi, bir m knat s, bir iletken halka ve bir galvanometreden oluflan basit bir deney düflünelim. Elektrik ak m n n oluflup oluflmad - n anlamak için iletken halkay bir galvanometreye ba layal m. M knat - s iletken halkaya do ru yaklaflt r p uzaklaflt rarak deneyimizi yapal m. Deneyde m knat s iletken halkaya do ru yaklaflt rd kça galvanometrenin ibresinin sapt n gözleriz. Bu bize devrede elektrik ak m n n olufltu unu gösterir. Bu ak ma indüksiyon ak m denir. E er m knat s halkadan uzaklaflt r rsak galvanometrenin ibresinin ters yönde sapt n gözleriz. Buda bize devreden ters yönde bir indüksiyon ak m geçti ini gösterir. E er m knat s sabit tutup iletken halkay hareket ettirirsek benzer sonuçlar elde ederiz. Deneyimizin ikinci aflamas nda hem m knat s hem de iletken halkay ayn yönde ve ayn h zda hareket ettirilelim. Bu durumda galvanometrenin ibresinin sapmad n görürüz. Bu bize m knat sla iletken halkan n aras ndaki uzakl k de iflmedikçe indüksiyon ak m n n oluflmad n gösterir. Son olarak deneyimizi daha büyük alan olan bir tel halka için tekrar yaparsak, oluflan indüksiyon ak m n n artt n ölçeriz. Halkan n alan n büyülterek halkadaki manyetik ak y art rm fl olduk. Yukar daki deneyler manyetik ak de ifliminin indüksiyon ak m n n ana kayna oldu unu gösterir. Dolay s yla uzakl k de iflmeden de manyetik ak y de ifltirebiliriz. Örne in, manyetik alan kayna olarak m knat s yerine elektrom knat s kullan rsak bunu baflarabiliriz. Çünkü bir elektrom knat sla zamanla de iflen manyetik alan üretilebilir. Deney sonuçlar m z kullanarak indüksiyon ak m için bir eflitlik türetelim. letken tel halkan n direnci R ise, devrede oluflan indüksiyon ak m I= eflitli inε R 57 Süperiletkenler: Belirli bir kritik s cakl n alt nda elektriksel direnci s f r olan malzemelerdir. Bunlar mükemmel diamanyetik özellik gösterirler. 8 SIRA S ZDE Michael Faraday: y llar aras nda yaflam fl ngiliz fizikçi ve kimyager; Joseph Henry: y llar aras nda yaflam fl Amerikal fizikçi. fiekil 3.6 letken bir halka için Faraday Yasas n n bir uygulamas

64 58 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii den bulunabilir. Burada ε indüksiyon elektromotor kuvvetidir ve afla daki eflitlik ile verilir. Φ Φ ε = = t son Φ t ilk (3.18) Burada t zaman, Φ manyetik ak d r ve eflitlik (3.2) ile verilir. Devre fiekil 3.7 de görüldü ü gibi, s k ca sar lm fl ayn alana sahip N sar mdan oluflmuflsa bu sar mlar n her birinden geçen manyetik ak de iflimi ayn olacakt r. Bu durumda devrede oluflan indüksiyon elektromotor kuvveti ε afla daki gibi olur. Φ ε = -N t (3.19) fiekil 3.7 N sar mdan oluflmufl bir devre için Faraday yasas n n bir uygulamas Bu sonuçlar Faraday Yasas olarak bilinir. Faraday yasas na göre bir devrede indüklenen emk, devreden geçen manyetik ak n n zamanla de ifliminin negatifine eflittir. ndüksiyon emk s fizik laboratuarlar nda yapt m z deneylerle k s tl de ildir. Faraday yasas n n insan yaflam nda önemli uygulamalar vard r. Örne in elektrik santrallerinin çal flma prensibi Faraday yasas na dayan r. Dolay s yla evimizde kulland m z buzdolab, çamafl r makinesi, televizyon, bilgisayar gibi elektriksel aletler bu indüklenmifl emk y kullan rlar. ÖRNEK Alan 100 cm 2 olan bir halka düzlemine dik manyetik alan bir saniyede 2 T den s f ra inmektedir. Halka üzerinde tek sar ml ve 100 sar ml bir bobin olmas durumunda indüklenen emk y bulunuz. Çözüm: Alan SI birim sisteminde 100 cm 2 =10-2 m 2 olarak buluruz. Eflitlik (3.2) ye göre; Φ ilk = BScos θ = 2 T.10-2 m 2 = wb Φ son = BScos θ = 0 wb olacakt r. Bu durumda manyetik ak de iflimi; Φ = Φ son - Φ ilk = 0 wb wb = wb olarak bulunur. Buradaki eksi iflareti manyetik ak n n azald n ifade eder. Böylece Eflitlik (3.18) den faydalanarak tek sar ml halka için indüklenen emk ε = Φ V = t

65 3. Ünite - Manyetik Alan 59 olarak bulunur. Sar m say s n n 100 olmas durumunda ise Eflitlik (3.19) u kullan - r z. Bu durumda indüklenen emk ise ε = 2 V olur. Alan 0,05 m 2 olan dairesel 50 sar ml k bir halkan n düzlemine dik manyetik alan 0,02 T d r. Halka 1 milisaniyede (ms) 90 döndürülürse indüklenen emk i bulunuz. ÖRNEK Çözüm: Manyetik ak y Eflitlik (3.2) den; Φ = BScos θ = 0,02.0,05 = 10-3 wb olarak buluruz. Halka 90 döndürülürse halka düzlemi manyetik alanla paralel hale gelir ve manyetik ak s f r olur. Dolay s yla 1 ms = 10-3 s içinde manyetik ak de- iflimi Φ = 10-3 wb olur. Eflitlik (3.19) u kullan rsak indüklenen emk 3 ε = Φ 50 V = = 50 t 3 10 olarak elde edilir. Uzun ince bir bak r telin üzerinden geçen manyetik alan bir saniyede 0.1 T de iflmektedir. ndüklenen emk nedir? Hareketten Do an Emk Faraday yasas na göre zamanla de iflen manyetik ak bir devrede indüksiyon emk s oluflturur. Bir devredeki manyetik ak y birden fazla yöntemle de ifltirebiliriz. Bu k s mda, bu yöntemlerden biri olan hareketten do an emk y görece iz. fiekil 3.8 de görüldü ü gibi, R direncine sahip dikdörtgen bir iletken devre manyetik alanl bir bölgeden v h z yla ç kmaktad r. fiekilde çarp iflareti manyetik alan n sayfa düzleminin içine do ru oldu unu gösterir. L dikdörtgen telin eni, x ise telin manyetik alanda kalan k sm n n uzunlu udur. Devre manyetik alanl bölgenin d fl na do ru ç kt kça manyetik ak azal r, tamamen d fl na ç kt nda ise s f r olur. Manyetik alana maruz kalan bölgede manyetik ak afla daki gibi verilir: 9 SIRA S ZDE fiekil 3.8 v h z yla manyetik alanl bir bölgeden ç kan R direncine ve L enine sahip bir devrede indüksiyon ak m oluflur. Φ= -BS = -BL x (3.20) Eflitli in önündeki eksi iflareti manyetik ak n n azald n gösterir. Faraday yasas - na göre devrede oluflan indüksiyon emk s Φ x ε =- = BL = BL v (3.21) t t eflitli i ile ifade edilir. Devrede oluflan indüksiyon ak m n n de eri ise;

66 60 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii BLv I = R (3.22) eflitli i ile bulunur. fiimdi devrenin manyetik alan n oldu u bölgeye ν h z yla girdi ini varsayal m. Bu durumda manyetik ak artar. ndüksiyon ak m n de eri yine Eflitlik 3.22 ile verilir fakat ak m n yönü de iflir. ÖRNEK SIRA S ZDE 10 fiekil 3.9 M knat s n sabit bir iletken halkaya yaklaflmas durumunda indüksiyon ak m oluflur. Ak m n yönü Lenz yasas yla bulunur. Lenz yasas na göre, indüksiyon emk kendini do uran sebebe karfl koyacak yöndedir. fiekil 3.8 de verilen devrede L = 0,1 m, R = 2 Ω, B=0,8 T dir. ndüksiyon ak m n n büyüklü ü 1 A ise halkan n hangi h zla hareket ettirilmesi gerekti ini bulunuz. Çözüm: ndüksiyon ak m için Eflitlik 3.22 den; BLv I = R yaz l r. Bu ifadeden yararlan larak; =,.,.v 2 bulunur. Bu eflitlikten h z çekersek ν = 25 m/s olarak buluruz. fiekil 3.8 de verilen devredeki halka sabit ivmeyle hareket ederse, (3.21) eflitli i nas l de iflir? Lenz Yasas Faraday yasas bir devrede manyetik ak - n n zamanla de ifliminin, indüksiyon ak - m oluflturdu unu söyler. Fakat indüksiyon nedeniyle oluflan elektrik ak m n n yönünü belirlemez. Oluflan ak m n yönü Lenz yasas yla bulunur. Lenz yasas na göre, bir devre manyetik ak de iflimine tepki gösterir ve bu de iflimi s f rlayacak bir manyetik ak oluflturur. Dolay s yla indüksiyon ak m kendisini oluflturan manyetik alana z t yönde bir alan oluflturacak yöndedir. Bir örnek olarak fiekil 3.9 da görüldü ü gibi, bir m knat s n kuzey kutbunun iletken bir halkaya yaklaflt durumu ele alal m. M knat s n kuzey kutbu durgun halkaya yaklaflt kça halkadan geçen manyetik alan artar, dolay s yla manyetik ak artar. Bu artmay s f rlamak için m knat - s n manyetik alan na ters yönde manyetik alan oluflturacak flekilde halka üzerinde bir indüksiyon ak m oluflmal d r. Sa el kural n kullan rsak bu ak m n yönünün saat yönünün tersi yönünde oldu unu buluruz. E er m knat s halkadan uzaklaflacak olursa, halkadan geçen manyetik ak azalacakt r. Bu durumda halkada oluflacak indüksiyon ak m n n yönü, m knat s n manyetik alan n n yönüne ters yönde bir manyetik alan oluflturacak flekildedir. Sa el kural n uygularsak bu kez de ak m n yönünü saat ibreleri yönünde buluruz.

67 3. Ünite - Manyetik Alan 61 fiekil 3.10 fiekilde görüldü ü gibi I ak m tafl yan uzun ve do rusal bir telin sa nda bulunan dikdörtgen tel do rusal telden uzaklaflmaktad r. ndüksiyon ak m - n n yönünü bulunuz. ÖRNEK Çözüm: Sa el kural n uygularsak dikdörtgen telin iç bölgesinde do rusal telin oluflturdu u manyetik alan n sayfa düzleminden bize do ru oldu unu buluruz. Dikdörtgen tel ak m tafl yan uzun telden uzaklaflt kça manyetik ak azal r. Lenz yasas na göre oluflacak indüksiyon ak m n n oluflturaca manyetik alan n yönü, manyetik ak azald ndan do rusal telin oluflturdu u manyetik alan yönünde yani sayfa düzleminden d fla do ru olmal d r. Bu nedenle sa el kural na göre dikdörtgen halkada saat yönünün tersi yönde bir indüksiyon ak m oluflmal d r. fiekil 3.11 fiekil 3.11 de bir yayla dikey olarak as lm fl bir m knat s ve masa üzerinde tutulan alt n bir yüzük gösterilmektedir. M knat s düfley yönde sal n m yaparken oluflan indüksiyon ak m n n yönü ne olur? 11 SIRA S ZDE Özindüksiyon R direncine sahip bir direnç ve elektromotor kuvveti ε olan bir üreteçten oluflan basit bir elektrik devresini düflünelim. Üreteci devreye ba lad m zda ak m hemen s f rdan I = ε de erine gelmez. Ak m h zl bir flekilde s f rdan kararl bir R ak m de erine kadar artt kça kapal devredeki manyetik ak zamanla de iflir. Bunun sonucunda Faraday yasas na göre devrede bir indüksiyon ak m oluflur. Bu olay devrenin kendi içinden kaynakland için özindüksiyon olarak adland r l r. Özindüksiyon emk s ε = L I (3.23) t ifadesi ile bulunur. Lenz yasas na göre ise oluflan özindüksiyon ak m bobinden geçen ak m n yönüne z t yönde olmal d r. E er bobinden geçen ak m azal yorsa oluflacak özindüksiyon emk i yine Eflitlik 3.23 ile verilir. Fakat bu durumda oluflacak özindüksiyon ak m n n yönü bobinden geçen ak mla ayn yönde olmal d r. Eflitlik 3.23 den görüldü ü gibi bobinden geçen ak m de iflimi s f r oldu unda

68 62 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii özindüksiyon emk i s f ra eflittir. Eflitlik 3.23 de L indüktans olarak adland r l r ve devrenin geometrik ve di er fiziksel özelliklerine ba l d r. ndüktans n birimi henry dir ve H ile sembolize edilir. Kesit alan S olan L uzunlu undaki N sar ml bir bobinin indüktans ise afla daki ifade ile hesaplan r: 2 L= µ N S 0 L (3.24) SIRA S ZDE 12 Evlerde kulland m z elektrik ak m alternatif ak md r ve saniyede 50 defa yön de ifltirmektedir. fiekil 3.12 Bir transformatör Bir bobinin indüktans bobinden geçen ak ma ba l m d r? JENERATÖR Jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren bir cihazd r. Mekanik enerjiyi s v veya kat yak tla elde eden baz jeneratörler, elektrik kesintilerinin yafland - yerlerde yedek enerji kayna olarak kullan l rlar. Mekanik enerji s v veya kat yak t d fl nda, rüzgâr enerjisi ve nükleer enerjiyle de elde edilebilir. Rüzgârdaki kinetik enerji bir pervane yard m yla mekanik enerjiye çevrilir. Nükleer santrallerde oluflan nükleer enerji su tanklar ndaki suyu buharlaflt r r. Buharlaflan su, buhar tribünleri vas tas yla mekanik enerjiye dönüfltürülür. Güçlü m knat slar ve bunlar n aras nda mekanik enerjiden dolay hareket eden bobin telleri basit bir jeneratörün elemanlar d r. Manyetik alan n büyüklü ü ve bobin tellerinin sar m say s jeneratörün üretti i elektrik ak m n n büyüklü ünü etkiler. Jeneratörlerin çal flma prensibi afla daki gibidir: Bobin telleri, elde edilen mekanik enerjiyle m knat slar n aras nda dönmeye bafllar. M knat slar n aras nda dönen bobin tellerinin üzerindeki manyetik ak zamanla de iflir ve Faraday yasas na göre bir indüksiyon ak m oluflur. Dönme hareketi boyunca ak m n yönü sürekli olarak de iflti i için üretilen ak m alternatif ak m olur. Alternatif ak m n en büyük avantaj uzak mesafelere az bir kay pla iletilebilmesidir. TRANSFORMATÖR Transformatörler bir devrede potansiyel fark n veya ak m indirmek için veya yükseltmek için kullan l r. Potansiyel fark n yükseltmek, elektrik enerjisinin elde edildi i yerden uzaklara nakledilmesinde gerekli olur. Transformatörler elektromanyetik indüksiyonla enerjiyi bir devreden di er devreye geçirirler. Basit bir transformatör fiekil 3.12 de görüldü ü gibi, demir bir halka etraf na s k ca sar lan iki tel bobinden oluflur. Bir transformatörün girifl ucunda N G, ç k fl ucunda ise N Ç sar m say l bobin bulunur. Demir halkan n amac manyetik ak y art rmak ve ak m n bir bobinden di er bobine geçmesini sa lamakt r. deal bir transformatör için V G girifl ve V Ç ç k fl voltaj de erlerleri ile I G ve I Ç girifl ve ç k fl ak m de erleri aras ndaki ba nt afla daki eflitliklerden bulunur. V (3.25) G N =V N Ç Ç G V I =V I G G Ç Ç (3.26)

69 3. Ünite - Manyetik Alan 63 Bir transformatörün girifl ve ç k fl sar m say lar s ras yla 500 ve 50 dir. Girifl voltaj 220 V ise ç k fl voltaj n bulunuz. ÖRNEK Çözüm: Eflitlik 3.25 den V N =V N G Ç Ç G yaz l r. Verilenleri yerine koyarsak; = V Ç 500 buluruz. Buradan; V Ç = 22 V olarak elde edilir. Girifl ve ç k fl sar m say lar s ras yla 500 ve 50 olan transformatör için girifl ak m 10 A ise ç k fl ak m nedir? 13 SIRA S ZDE

70 64 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Özet A MAÇ 1 A MAÇ 2 Manyetik alan ve manyetik alan çizgilerini tan mlamak. Bir m knat s çevresinde manyetik alan oluflturur. Manyetik alan vektörel bir niceliktir ve B ile gösterilir, birimi ise tesla (T) d r. Manyetik alan anlamak için N kutbundan bafllay p S kutbunda biten hayali manyetik alan çizgilerini kullan r z. Alan çizgileri gerçekte olmayan ancak bizim olaylar daha iyi ifade edebilmek için kulland m z bir modeldir. Yüklü parçac klara etki eden manyetik kuvveti hesaplamak. B manyetik alan nda v h z yla hareket eden q yüklü bir parçac a, v ve B vektörlerine dik yönde bir manyetik kuvvet etki eder. Manyetik kuvvetin büyüklü ü F = qvbsinθ eflitli iyle, yönü ise sa el kural yla bulunur. Sa elimizin dört parma n pozitif yüklü parçac n h z vektörünün yönünde, baflparma m z ise aç k olarak tutal m. Dört parma m z manyetik alana do ru küçük aç y süpürecek flekilde kapatt m zda, baflparmak kuvvetin yönünü gösterir. A MAÇ 5 A MAÇ 6 ceye kadar bükelim. Aç lan baflparmak kuvvetin yönünü gösterir. Manyetik momenti aç klamak. Düzgün manyetik alandaki, üzerinden I ak m geçen ve S alan na sahip bir ak m ilme ine etkiyen toplam manyetik kuvvet s f rd r, fakat manyetik moment s f rdan farkl d r. Manyetik moment ak m ilme inin flekline ba l de ildir ve µ manyetik dipol moment olmak üzere M = µb sinθ eflitli i ile ifade edilir. Ak m tafl yan iletkenlerin etraf ndaki manyetik alan hesaplamak. Ampere yasas kullan larak simetrik geometriye sahip ak m tafl yan iletkenlerin etraf ndaki manyetik alan bulunabilir. Örne in, uzun ve do rusal bir iletken telden r kadar uzakl ktaki bir noktada oluflan manyetik alan B = 2k I eflitli i ile r verilir. E er iletken tel çember biçiminde ise, çemberin merkezindeki manyetik alan A MAÇ 3 A MAÇ 4 Yüklü parçac n manyetik alandaki hareketini belirlemek. Yüklü bir parçac a etki eden manyetik kuvvet, manyetik alana ve h z n yönüne dik yöndedir. Dolay s yla düzgün bir manyetik alan yüklü parçac n h z n n yönünü de ifltirir, fakat h z n n de erini etkilemez. Yüklü bir parçac k düzgün bir manyetik alan n oldu u bölgeye dik olarak girerse, parçac k r= m v yar çapl çember biçimli bir yörünge çizerek hareket eder. Çember qb üzerindeki bir dolan m için geçen süreye periyot denir ve T= 2πm eflitli i ile verilir. qb Ak m tafl yan iletkene etki eden manyetik kuvveti hesaplamak. Üzerinden I ak m geçen L uzunlu undaki do rusal bir iletken tele etki eden manyetik kuvvetin büyüklü ü F = ILBsinθ eflitli i ile verilir. Manyetik kuvvetin yönünü bulmak için sa elimizin dört parma n ak m yönünde tutal m ve sonra onlar manyetik alan n yönünde yönelin- A MAÇ 7 B = 2πk I eflitli i ile bulunur. Bir solenoidin r içindeki manyetik alan ise düzgündür ve B = 4πk N eflitli inden hesaplan r. Manyetik L I alan n yönü ise sa el kural ndan bulunur. Sa elimizin baflparma n ak m n yönünü gösterecek flekilde tutarsak, geriye kalan dört parma - m z n k vr lma yönü manyetik alan n yönüdür. Ak m tafl yan iki iletken aras ndaki manyetik kuvveti hesaplamak. Ak m tafl yan birbirine paralel ve uzun iki iletken tel birbirine manyetik kuvvet uygular. Bu kuvvetin büyüklü ü F = I LB = 2 LI 1 I 2 k ile verilir. r Birim uzunluk bafl na düflen kuvvet ise 1 F 1 = F =2k II 1 2 eflitli i ile verilir. Tellerden geçen ak mlar n yönleri ayn ise kuvvet çekici, L r z t yönlerde ise kuvvet iticidir.

71 3. Ünite - Manyetik Alan 65 A MAÇ 8 A MAÇ 9 Maddeleri manyetik özellikleri bak m ndan ay rt etmek. Maddeler manyetik özellikleri bak m ndan paramanyetik, ferromanyetik ve diamanyetik malzemeler olmak üzere üç gurupta toplan r. Paramanyetik malzemeler uygulanan manyetik alana do ru çekilirler. Ferromanyetik malzemeler m knat s taraf ndan kuvvetlice çekilirler. Ferromanyetik malzemeler kal c m knat s yap m nda kullan l rlar. Curie s cakl nda, ferromanyetik bir madde paramanyetik bir maddeye dönüflür. Diamanyetik malzemeler uygulanan manyetik alana ters yönde zay f bir manyetik alan üretirler. Dolay - s yla diamanyetik malzemeler manyetik alan taraf ndan hafifçe itilir. Faraday yasas n tan mak. Faraday n indüksiyon yasas na göre bir halkada indüklenen emk, halkadan geçen manyetik ak - n n zamanla de ifliminin negatifine eflittir. Devrede oluflan indüksiyon elektromotor kuvveti, Φ Φ manyetik ak olmak üzere ε = eflitli i t ile ifade edilir. A MAÇ 12 A MAÇ 13 Özindüksiyonu aç klamak. Bir iletkende zamanla de iflen ak m, bu ak m oluflturan emk ye karfl koyacak yönde emk indükler. Bu emk ye özindüksiyon emk s ad verilir ve ε = L I eflitli inden hesaplan r. Bura- t da L indüktans devrenin geometrik özelliklerine ba l olan bir sabittir ve SI birim sisteminde birimi Henri dir (H). Transformatörleri tan mak. Transformatörler bir elektrik devresinde voltaj veya ak m indirmek için veya yükseltmek için kullan l r. Basit bir transformatör, demir bir halka etraf nda N G ve N Ç sar m say l bobinden oluflur. Bir transformatörün girifl ve ç k fl k s mlar ndaki voltaj ve ak m de erleri aras nda V I =V I G G Ç Ç ifadesi ile verilen bir ba nt vard r. Sar m say lar ile girifl-ç k fl voltajlar aras nda ise V N =V N ifadesi geçerlidir. G Ç Ç G A MAÇ 10 Hareketten do an emk i aç klamak. Bir iletken manyetik alan içinde hareket ederse, ε = BLν eflitli i ile verilen bir hareketsel emk oluflur. A MAÇ 11 Lenz yasas n tan mak. Lenz yasas na göre bir devredeki indüksiyon ak - m, manyetik ak de iflimini s f rlayacak flekilde bir manyetik ak y oluflturacak yöndedir.

72 66 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Kendimizi S nayal m v 1. Yükleri eflit, h zlar oran =5 olan m 1 ve m 2 = 2m 1 kütleli iki parçac k düzgün bir manyetik alana dik olarak girmektedirler. Bu parçac klar n çembersel yörüngelerinin yar çaplar oran r1 r2 a. 5/2 nedir? b. 2/5 c. 25/4 d. 4/25 e. 5/4 2. H z 17, m/s olan bir elektronun yar çap 0,5 m olan dairesel bir yörüngede dönmesi için daire düzlemine dik olarak uygulanmas gereken düzgün manyetik alan n büyüklü ü nedir? m e =9, kg, q = -1, C) a. 5,69 µt b. 20 µt c. 16 µt d. 6,19 µt e. 24,1 µt cm uzunlu undaki 10 A ak m tafl yan bak r bir tele dik olarak 100 G fliddetinde bir manyetik alan uygulanmaktad r. Bak r tele etki eden manyetik kuvvet kaç Newton dur? a. 0,005 b. 0,05 c. 0,5 d. 5 e A ak m tafl yan 10 cm yar çapl çember biçimli telin düzlemine paralel do rultuda, 10 T büyüklü ünde manyetik alan uygulanmaktad r. Tele etki eden moment nedir? a. 0,94 Nm b Nm c. 0,47 Nm d Nm e. 0 Nm v Birbirine paralel iki iletken tel aras ndaki uzakl k 10 cm dir. ki telin tam orta noktas nda ölçülen manyetik alan n büyüklü ü 200 µt ise, tellerden geçen eflit büyüklükteki ak m n de eri kaç ampere dir? a. 500 b. 250 c. 50 d. 25 e m uzunlu unda bir solenoidde düzgün sar lm fl 500 sar m bulunmaktad r. Bu solenoidin içinde 10-4 T büyüklü ünde bir manyetik alan oluflturabilmek için kaç Amper ak m gerekir? a. 2 π b. 1/10 π c. π d. 1/π e. 10π 7. Afla daki birimlerden hangisi manyetik geçirgenlik katsay s n n birimidir? a. TA/m b. TmA c. TmA 2 d. TA/m 2 e. Tm/A 8. 3 T büyüklü ünde düzgün bir manyetik alan bir kenar n n, uzunlu u 10 cm olan kare biçimindeki bir tel düzlemine dik do rultudad r. Manyetik alan 2 ms içinde s f ra inmektedir. ndüklenen emk kaç volt tur? a. 0,15 b. 1,5 c. 15 d. 150 e. 1500

73 3. Ünite - Manyetik Alan Afla daki flekilde verilen düz ve uzun telden geçen ak m n fliddeti zaman içinde artmaktad r. 1 ve 2 numaral kapal devrelerde oluflan indüksiyon ak m n n yönü nedir? fiekil 3.13 a. her ikisi de saat yönünde b. her ikisi de saat yönünün tersi yönünde c. 1. saat yönünde, 2. saat yönünün tersi yönünde d. 2. saat yönünde, 1. saat yönünün tersi yönünde e. Hiçbiri 10. Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren cihaza ne denir? a. Transformatör b. Galvanometre c. Pil d. Elektrik motoru e. Jeneratör Yaflam n çinden KRED KARTLARI Kredi kart günümüzde bir çok insan taraf ndan kullan lan günlük yaflant m z n vazgeçilmez bir eleman d r. Kredi kart POS (Point Of Sale) cihaz ndan geçirildi inde, POS cihaz manyetik karttaki bilgileri okuyup modem arac l ile denetim için bankalar n oluflturdu u veri taban na gönderir. Kart geçerlili i, kart sahibinin ismi, kart limiti ve son kullanma tarihi kontrol edilerek ifllem yapma izni verilir. fllem yapma izni olan POS cihaz, sat fl ifllemi ile ilgili sat fl belgesini düzenler. Kredi kartlar sadece gerçek hayatta de il sanal dünyada da ödeme arac olarak kullan lmaktad r. Kredi kartlar n n internet ifllemlerinde kullan m s ras nda kredi kart numaras, kart sahibini ismi ve son kullanma tarihi bilgilerinin al flverifl için yeterli olmas, kredi kart n n sahibinden baflka kimseler taraf ndan da kolayca kullan labilmesine yol açmaktad r. Kredi kartlar nda bilgi kart n arka yüzündeki manyetik fleritlerin üzerine kodlan r. Manyetik flerit üç ize (bölgeye) sahiptir. Birinci ve üçüncü izler milimetre bafl na 8.27 bit ile ikinci iz ise 2.95 bit ile kay t yapar. Üçüncü iz Visa gibi kartlarda kullan lmaz. Manyetik flerite manyetik parçac klar gömülmüfltür. Bu parçac klar bir santimetrenin yaklafl k 8 milyonda biri kadar bir uzunlu a sahiptirler. Manyetik flerit sadece kredi kartlar nda de il baz kimlik kartlar nda, otobüs/tramvay kartlar nda, telefon kartlar nda, baz üyelik kartlar nda da kullan l r. Manyetik fleritler genel olarak ya aç k kahverengi yada siyaht rlar (Baz kartlarda gümüfl renkli fleritlerde kullan lmaktad r). Aç k kahverengi olan manyetik fleritlerde bilgiyi yazmak daha az bir manyetik enerjiyle yap l r. Bu yüzden bu tip kart yaz c lar daha ucuzdur. Siyah manyetik fleritler yak n nda tutulan m knat slara ve çizilmelere karfl daha dayan kl d r. Aç k kahverengi manyetik fleritler ise yak n nda tutulan m knat stan kolayca zarar görür. Bu yüzden kredi kartlar pahal olmas na ra men siyah manyetik fleritleri içerirler. Kredi kart üstünde bulunan flerit teyplerde ve disketlerde bulunan manyetik fleridin benzeridir. Manyetik ortama kay t yap labilece i fikri ilk kez 1888 y l nda, ABD'li mühendis Oberlin Smith taraf ndan ortaya at lm flt r y l nda Danimarkal kaflif Valdemar Poulsen'n n sesi elektrik iflaretlerine dönüfltürerek manyetik bir ortamda saklamay baflaran keflfinden sonra 1928 y - l nda Alman Fritz Pfleumet taraf ndan manyetik teyp icat edilmifltir. Ses elektrik sinyaline dönüfltürüldükten

74 68 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar sonra bir yükselticiden geçirilir. Sesin fliddetine ba l olarak elektrik sinyalide de iflir. Bobin üzerinden geçen elektrik sinyalinin fliddetine ba l olarak zamanla de iflen manyetik alan üretilir. Bu manyetik alan, banttaki manyetik praçac klar sinyal fliddetine göre konumland r r ve sesin kayd yap lm fl olur. Manyetik fleritteki tüm manyetik parçac klar ayn kuzey veya güney do rultusunu gösterirse manyetik flerit bofltur yani bilgi içermez. Bilgi bu küçük parçac klar N veya S kutuplar nda yönlendirerek manyetik flerit üzerine yaz l r. Manyetik fleriti plastik bir kart n üzerine yap flt rma ifllemi ilk defa IBM taraf ndan yap lm flt r. IBM mühendislerinden Forrest Parry manyetik teybi plastik bir karta yap flt rma fikrine sahipti. Labratuvar nda bu konuda yapt tüm denemeler baflar s zl kla sonuçlan yordu. Bir gün labratuvardan evine dönerken yan nda biraz manyetik teyp parçalar ve plastik kart götürdü. Eve geldi inde yüzündeki endifleyi okuyan kar s, bir taraftan ütü yaparken onu üzen fleyi merak ederek sordu. Kocas durumu anlatt ktan sonra kar s manyetik teyp parçalar n plastik kart n üzerinde ütülerse belki parçalar n karta yap flabilece ini söyledi. Sonuç, mükemmel. Parry'nin kar s ütünün s cakl n n bu ifllem için gerekli olan s cakl k de eri oldu unu bilmeden, manyetik fleriti plastik bir karta yap flt rma ifllemini baflarm fl oldu. 1. a Yan t n z yanl flsa Yüklü Bir Parçac n Bir Manyetik Alandaki Hareketi bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 2. b Yan t n z yanl flsa Yüklü Bir Parçac n Bir Manyetik Alandaki Hareketi bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 3. b Yan t n z yanl flsa Ak m Tafl yan letkene Etki Eden Manyetik Kuvvet bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 4. a Yan t n z yanl flsa Düzgün Bir Manyetik Alandaki Ak m lme ine Etki Eden Moment bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 5. d Yan t n z yanl flsa Manyetik Alan n Kaynaklar bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 6. d Yan t n z yanl flsa Manyetik Alan n Kaynaklar bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 7. e Yan t n z yanl flsa Manyetik Alan ve Manyetik Alan n Kaynaklar bafll kl konular yeniden gözden geçiriniz. 8. c Yan t n z yanl flsa Faraday Yasas bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 9. c Yan t n z yanl flsa Lenz Yasas konuyu yeniden gözden geçiriniz. 10. e Yan t n z yanl flsa Jeneratör bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. Kaynak: Wikipedia

75 3. Ünite - Manyetik Alan 69 S ra Sizde Yan t Anahtar S ra Sizde G= T= T S ra Sizde 2 Hay r. Yüklü bir parçac k bir do ru boyunca hareket ediyorsa iki ihtimal vard r. Manyetik alan s f rd r veya manyetik alan n yönü parçac n h z yla ayn yöndedir. S ra Sizde 3 Yar çaplar ve periyotlar eflit ve dolan m yönleri z tt r. S ra Sizde 4 ki ucu birlefltirilmifl bu telin iki ucu aras na gerilmifl hayali telin uzunlu u s f rd r. Dolay s yla manyetik kuvvet s f rd r. S ra Sizde 5 L uzunlu undaki bir bak r tel kare biçimine getirilirse alan olur. E er çember biçiminde bükülürse alan 2 2 L L 16 4π olur. Çember fleklinde bükülürse alan daha büyük oldu- u için manyetik dipol momenti daha büyük olur. S ra Sizde 6 Sa el kural n uygularsak, telin üst bölgesinde manyetik alan n sayfa düzleminden d fla do ru, telin alt bölgesinde manyetik alan n sayfa düzleminin içine do ru oldu unu buluruz. S ra Sizde 7 Ak m yönleri z t ise düzlemleri birbirine paralel olan çember fleklindeki iletken teller birbirini iter. S ra Sizde 10 Sabit ivmeyle hareket ederse Eflitlik (3.21) de ν yerine ν+at yaz l r. Burada a ivme ve t zamand r. Bu durumda indüksiyon emk s ε = BL(ν + at) eflitli i ile verilir. S ra Sizde 11 Düfley yönde sal n m hareketi yapan m knat s yüzü e yaklaflt kça, indüksiyon ak m saat yönünün tersi yönünde, uzaklaflt kça saat yönündedir. ndüksiyon ak m bir sal n m hareketi boyunca iki kez yön de ifltirir. S ra Sizde 12 Bir bobinin indüktans ak ma ba l de ildir. Bobinin indüktans sar m say s na, kesit alan na, uzunlu a ve manyetik geçirgenlik katsay s na ba l d r. S ra Sizde 13 Eflitlik 3.25 ve 3.26 n n ortak çözümünden; = 22I Ç bulunur. Buradan I Ç = 100 A olarak elde edilir. Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar Raymond A. Serway, Çeviri editörü: Kemal Çolako lu (1996) Fen ve Mühendislik için Fizik 2, Ankara, Palme Yay nc l k tarihinde al nm flt r tarihinde al nm flt r. S ra Sizde K= ( ) C = 770 C. S ra Sizde 9 ndüklenen emk s f rd r. ndüksiyon emk için manyetik ak de iflimi olmas gerekir. Manyetik ak dan söz edebilmek içinse bir yüzey olmas gerekir. Burada ise tel vard r.

76 4TEKNOLOJ N N B L MSEL LKELER -II Amaçlar m z Bu üniteyi tamamlad ktan sonra; S cakl k kavram n n ne oldu unu aç klayabilecek, Kat ve s v larda genleflme olay n aç klayabilecek, Is kavram n n n ne oldu unu ve s enerjisini aç klayabilecek, Hal de ifltirme ilkelerini s ralayabilecek, Is aktar m yollar n ve termal yal t mla ilgili ilkeleri aç klayabilecek bilgi ve becerilere sahip olacaks n z. Anahtar Kavramlar S cakl k Is Is Enerjisi Genleflme Hal De iflimi Is Aktar m Is Yal t m çerik Haritas Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii S cakl k, Is ve Termal Genleflme G R fi SICAKLIK TERMOMETRE VE SICAKLIK ÖLÇEKLER KATI VE SIVILARDA GENLEfiME ISI ENERJ S ISI SI ASI VE ÖZ ISI HAL DE fi M ISI AKTARIMI TERMAL YALITIM

77 S cakl k, Is ve Termal Genleflme G R fi Günlük yaflant m zda sürekli karfl laflt m z, bizim için oldukça s radanlaflm fl ve belki de bu nedenle kavramlar yanl fl kulland m z n fark na bile varamad m z o kadar çok olay vard r ki! Örne in yolda giderken gördü ünüz elektrik tellerinin yaz aylar nda direkler aras nda neden tam olarak gerilmifl de il de sark k durdu unu hiç merak ettiniz mi? Ya da trenlerin hareket halindeyken ç kartt klar o bildik sesin sebebini? Bu sorular akl m z n bir kenar nda duradursun, iflin bir de di er yan var. Yani sebebini bilmeden ya da tam olarak aç klayamadan, sadece ö renmifllikten yapt klar m z. So uk havalarda yünlü k yafetleri tercih etmemiz ya da açmakta zorland m z bir kavanozun kapa na bir miktar s cak su dökmemiz gibi. Çok basit gibi görünen ama karfl laflt m zda bizi zorlayan benzeri sorular n cevaplar asl nda temel bilimsel kavramlar n bilinmesinde yatmaktad r. S cakl k ve s kavramlar n n ve buna ba l ilkelerin bilinmesi de benzeri örneklere verece imiz cevaplar için gerekmektedir. SICAKLIK Bir nesnenin s cakl ndan bahsederken, ço u zaman o nesneye dokundu umuzdaki so ukluk veya l kl k hissini temel al r z. Kendi tecrübelerinizden de bilirsiniz ki bu niteliksel yaklafl m yan lt c olabilir. Örne in buzdolab ndan ç kartt n z bir tencereye dokundu unuzda sizde yaratt his, ayn buzdolab ndan ç kartt n z yumurta kab na k yasla daha so uk oldu udur. Halbuki ikisi de ayn s cakl ktad r. Farkl alg lamam z n nedeni, tencerenin yumurta kab na göre daha iyi bir s ileticisi olmas d r. Bu belirsiz durumdan kurtulman n yolu, s cakl klar say sal olarak ifade etmektir. Bu amaçla, bir sonraki bölümde ayr nt l olarak görece iniz, s cakl say sal olarak tan mlamaya yarayan termometreler gelifltirilmifltir. S cakl k, T ile ifade edilir. Bildi iniz gibi, so uk bir nesneyi s tmak için onu daha s cak bir nesneyle temas ettirirsiniz. Dolaptan ç kartt n z tencereyi s tmak için ocak alevinin üzerine koyman z bu duruma bir örnektir. Ayn flekilde, s cak bir nesneyi so utmak için nesne, daha so uk bir nesneyle temasa geçirilir. D flar dan üzerlerine herhangi bir etki olmadan iki madde aras nda enerji de iflimi varsa, bu iki madde birbirleriyle termal temas halindedir denir. Bu enerji de ifliminin sebebi maddelerin sahip olduklar s cakl klar n farkl olmas d r. Bu iki madde aras ndaki enerji al fl-verifli durdu unda ise, maddelerin s cakl klar eflitlenmifltir. Bu durum termal denge olarak S cakl k ölçmeye yarayan aletlere termometre denir. Termal temas halindeki iki madde aras ndaki s cakl k fark n n ortadan kalk p, maddelerin eflit s cakl a ulaflmalar termal denge olarak adland r l r.

78 72 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii fiekil 4.1 bilinir. Termal temas halindeki maddelerin termal dengeye gelme süresi, bu maddelerin özelliklerine ve enerji de iflim flekline ba l d r. Bir madde s t ld zaman veya so udu unda, s cakl ve buna ba l olarak da baz özellikleri de iflir. De iflen bu özelliklere termometrik özellikler denir. Bunlardan en bilineni; birçok maddede görülen s cakl k artt kça maddenin genleflmesi, azald kça da büzüflmesidir. Kapal bir hacim içindeki gaz n s t lmas yla beraber bas nc n artmas da bir termometrik özelliktir. fiimdi yukar da söylediklerimizi bir örnekte birlefltirmeye çal flal m. Elinizde iki tane, özdefl, bak r çubuk olsun. Bunlardan bir tanesini aleve tutup s t n, di erini de so uk bir ortamda, örne in buzlu su içine dald r p, so utun. Bu ifllem sonunda, s tt n z bak r çubu un boyunun uzad n, so uttu unuz çubu un boyunun ise k sald n görürsünüz. fiimdi bu iki çubu u boylar boyunca birbirlerine dokundurun yani iki çubuk birbirleriyle termal temas halinde olsun. Bu durumda, s - cak olan çubuk so umaya ve boyu k salmaya, so uk olan ise s n p boyu uzamaya bafllayacakt r. ki çubuk aras ndaki s cakl k fark ndan kaynakl bu enerji de iflimi durumu, s cak olan n daha fazla so uyamad ve so uk olan n da daha fazla s namad zamana, yani termal denge kurulana kadar devam edecektir. Öyleyse, bir bak r çubu un farkl s cakl klardaki uzunlu una bakarak bir s cakl k ölçe i ç - kartabilir ve buna göre baflka nesnelerin s cakl klar n da belirleyebiliriz. TERMOMETRE VE SICAKLIK ÖLÇEKLER Elinizde fiekil 4.1 de görüldü ü gibi L uzunlu unda bir çubuk olsun. Diyelim ki bu çubu un s cakl n T kadar artt rd n z. Bu durumda, çubu un uzunlu u L kadar artacakt r. Bilmedi iniz bu miktarlar bulabilmek için yukar daki gibi bir yöntem izlenebilir: Çubu u buzlu su dolu bir kap içine sokal m ve bu s cakl ktaki uzunlu una L 1 diyelim. Ayn flekilde, çubu u kaynar su dolu bir kap içine sokal m ve ölçtü ümüz uzunlu una L 2 diyelim. Elde etti imiz bu iki nokta, oluflturmaya çal flt m z s cakl k ölçe i için bizim referans noktalar m z olacakt r y l nda sveçli astronom Anders Celsius da aynen bu yöntemi izleyerek bir s cakl k ölçe i oluflturdu. A. Celsius, buzlu suyun s cakl n 0 (s f r), kaynar suyun s cakl n da 100 (yüz) olarak tan mlad. ki sabit nokta aras n 100 eflit parçaya böldü ü için de her bir parçaya eski Yunanca yüzde bir anlam na gelen santigrat dedi ve bugün kuland m z s cakl k birimi ortaya ç kt. Anders Celcius un tan mlad bu s cakl k birimi, C olarak gösterilir ve santigrat derece olarak söylenir. Bu durumda biz de örne imiz için bir ekseni s cakl, di er ekseni çubu un uzunlu unu gösteren bir grafik çizebiliriz. fiekil 4.2 de görüldü ü gibi, 100 C ye karfl l k gelen L 2 uzunlu u grafikte A noktas na, 0 C ye karfl l k gelen L 1 uzunlu u ise B noktas na karfl l k gelir. Bu iki noktadan (A ve B) geçen bir do ru çizildi inde, elimizdeki çubu un herhangi bir L x uzunlu una karfl l k gelen s cakl k de erini rahatl kla bulabiliriz. fiu halde, ilke olarak, elimizde bir termometre oldu unu söyleyebiliriz. Bir çubu un farkl s cakl klardaki uzunlu u: s nan maddeler genleflir, so uyanlar büzüflürler. (De iflim abart larak gösterilmifltir.) 0 buzlu su kaynar su L 1 L ( T ) L L 2

79 4. Ünite - S cakl k, Is ve Termal Genleflme Benzer flekilde, malzemelerin s cakl kla de iflen di er T ( C) termal fiziksel özellikleri de termometre yap m nda kullan labilir. Örne in, s cakl kla 100 A de iflen s v n n hacmi ya da iletkenin direnci ve hatta malzemenin rengi bu amaçla kullan lan Tx özelliklerdir. Bu du- rumda s cakl k ölçe i de kullan lan malzemeye özel olarak 0 C B bölümlenmelidir. Termometrelerin tarihi oldukça eskiye, 16. yüzy la kadar gitmektedir. Günümüzde yayg n olarak kullan lan c val L 1 L x L 2 L termometre, ilk defa Alman Fizikçi Daniel Gabriel Fahrenheit taraf ndan 1724 y l nda kullan lm flt r. Kendi ad yla an lan ve F ile gösterilen s cakl k ölçe ini oluflturmak için Fahrenheit, 0 (s f r) derece olarak buz, su ve tuzdan oluflan bir kar - fl m, 100 (yüz) derece için ise vücut s cakl n kullanm flt r. Kulland iki referans noktas da zamanla de iflebilen de erler oldu undan, sabit referans noktalar na sahip Anders Celcius un ölçe inin kabul edilmesinden sonra yeniden tan mlanm flt r. Bu yeni tan mlamaya göre 0 C = 32 F ve 100 C = 212 F d r. Bir nesne düflünün, öyle ki temas halinde oldu u sisteme hiç bir flekilde enerji aktaramas n. Bu durumda nesnenin s cakl, olabilecek en düflük de ere sahiptir. Mutlak s f r olarak tan mlanan bu de er yaklafl k olarak -273 C dir. rlandal Fizikçi Lord Kelvin taraf ndan tan mlanan ölçe e göre mutlak s f r, 0 (s f r) kelvindir. Kelvin ölçe i K ile gösterilir. SI birim sisteminde ise s cakl k temel büyüklük olarak kabul edilmifl olup birimi K olarak al nmaktad r. SI birim sisteminde s cakl k birimi olarak kabul edilen kelvin ölçe indeki art fl miktar santigrat ile ayn d r; yani, 5 K lik s cakl k fark ile 5 C l k s cakl k fark birbirine eflittir. Bu durum fahrenheit için geçerli de ildir. fiekil 4.2 Çubu un uzunlu unun s cakl a ba l de iflimi. A ve B, s cakl k ölçe ini olufltururken kullan lan referans noktalar d r. 73 Günümüzde Fahrenheit s cakl k ölçe i, Amerika Birleflik Devletleri, Jamaika ve Beliz gibi bir kaç ülke d fl nda kullan lmamaktad r. Di er bütün ülkeler, santigrat (Celcius) resmi s cakl k ölçe i olarak kullanmaktad r. Bu ünitede, örneklerde kullan lan ve çizelgelerde verilen say sal de erler yaklafl k de erlerdir. Gerçek de erler, ünitenin sonundaki Yararlan lan Kaynaklar k sm nda yer alan kitaplardan veya di er kaynaklardan bulunabilir. Buraya kadar bahsetti imiz s cakl k ölçeklerinin birbirleriyle olan iliflkilerini ayn yerde görmek için fiekil 4.3 deki termometrelere bakal m. Kolayca görüldü ü gibi, üç ölçek aras ndaki iliflki flu flekilde yaz labilir; D KKAT C F 32 K 273 = = (4.1) Buradan 9 F= C+ 32 ve K= C (4.2) eflitliklerini yazabiliriz.

80 74 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii fiekil 4.3 Farkl s cakl k ölçekleriyle haz rlanm fl termometreler. Ölçekler aras ndaki iliflki referans noktalar na bak larak yaz labilir. C F K santigrat fahrenheit kelvin SIRA S ZDE 1 Hangi s cakl k de erinde, santigrat ve fahrenheit termometrelerinden okunan de er say - sal olarak birbirine eflittir? KATI VE SIVILARDA GENLEfiME Yukar da da bahsetti imiz gibi maddelerin ço u, s cakl klar artt nda genleflir. Maddeyi oluflturan atomlar n aras ndaki uzakl klar n de iflmesiyle ilgili olan bu özellik, günümüz mühendislik uygulamalar nda oldukça önemli rol oynar. Elinizde yine fiekil 4.1 de görüldü ü gibi L uzunlu unda bir çubuk olsun. Çubu un s - cakl n T kadar artt rd m zda, boyundaki art fl miktar L= α L T (4.3) nvar %64 oran nda demir ile %36 oran nda nikelin oluflturdu u bir alafl md r. olarak ifade edilir. Burada α, boyca genleflme katsay s d r. Birimi (1/ C) dir. Çizelge 4.1 de farkl malzemeler için bu katsay de erleri verilmifltir. Görüldü ü gibi, alüminyum için boyca genleflme katsay s oldukça büyükken, invar çok küçük bir boyca genleflme katsay s na sahiptir. Dolay s yla, çok hassas olan ve ortam n s cakl ndan etkilenmeyen bir cihaz, örne in saat, yapmak için kullan lacak malzeme alüminyum de il invar olmal d r. Çizelge 4.1 Maddeler için genleflme katsay lar. Madde Boyca genleflme katsay s, α ( 1/ C) Madde Alüminyum 24 x10-6 Etil alkol 11 x10-5 Bak r 17 x10-6 Aseton 15 x10-5 Cam (s radan) 12 x10-6 C va 18 x10-5 Çelik 11 x10-6 Hava 367 x10-5 Beton 9 x10-6 Cam (payreks) 3,2 x10-6 Cam (payreks) 0,96 x10-5 nvar 0,9 x10-6 nvar 0,27 x10-5 Hacimce genleflme katsay s, β ( 1/ C)

81 4. Ünite - S cakl k, Is ve Termal Genleflme 75 Bir flehirde 1 km (=1000 m) uzunlu unda demiryolu hatt döflenmek isteniyor. Hatt n döflenece i flehir için s cakl k yaz n en yüksek 30 C, k fl n en düflük -10 C olsun. Demiryolu hatt çelik raylarla yap l yorsa y l içinde hatt n boyundaki de iflme ne kadar olur? ÖRNEK Çözüm: Bu durumda s cakl k fark en fazla T = (30 - (-10)) = 40 C olacakt r. Çelik için boyca genleflme katsay s 11 x / C oldu undan, y l içinde hatt n boyundaki de iflme L = (11 x 10-6 ) (1000) (40) = 0,44 m = 44 cm olarak bulunur. Yukar daki örnekten görüldü ü gibi e er raylar, birbirleri aras nda mesafe kalmayacak flekilde döflenirse, 44 cm lik bu de ifliklik raylar zorlayacak ve fleklini bozacakt r. O nedenle demiryolu hatlar döflenirken raylar aras nda bir miktar boflluk b rak l r. Bu durumda, örne in aralar ndaki mesafe 4 cm olan 11 tane çelik ray döflenirse hatt n z problemsiz olarak çal fl r. flte, trenlerin hareket halindeyken ç kartt klar o bildik ses, bu genleflme boflluklar ndan kaynaklan r. Ayn sebepten, köprüler yap l rken metal eklem yerleri kullan l r. Bunlar birbirinin içine geçmifl iki tarak gibidir. Böylece, köprü genleflip büzüfltükçe bu eklem yeri genel yap ya zarar vermeden rahatl kla birbirlerinin içine girip ç kabilir, yani köprü nefes alabilir. Açmakta zorland n z bir cam kavanozun kapa na biraz s cak su döktü ünüzde rahatl kla aç lmas n n nedenini aç klay n z. Kat lar n s cakl klar artt nda uzunluklar n n boyca genleflme katsay s na ba l olarak nas l artt n gördük. Bu durumda, alan ve hacimlerinin de benzer flekilde de iflmesini bekleriz. Bir cismin s cakl k de iflimine ba l, alan ndaki ve hacmindeki de ifliklikler flu eflitlikler yard m yla bulunur; S = γ S T (4.4) 2 SIRA S ZDE V = βv T (4.5) burada S cismin yüzey alan, V hacmi; γ yüzeyce genleflme katsay s, β ise hacimce genleflme katsay s d r. E er bir malzeme, s cakl de iflti inde izotropik (her yönde ayn flekilde) olarak genlefliyor veya büzüflüyorsa, yüzeyce genleflme katsay s γ, boyca genleflme katsay s α n n iki kat, hacimce genleflme katsay s β ise boyca genleflme katsay s α n n üç kat olarak al n r. Akl n za flöyle bir soru gelebilir: Hacim de iflikli i boyca genleflme katsay s α bilinerek yaz labiliyorsa, neden β gibi yeni bir katsay ya ihtiyaç duyuyoruz? Çünkü, do ada var olan s v lar ve gazlar için boyca genleflme katsay s tan mlanamayaca için hacim cinsinden konuflmak gerekmektedir. Baz maddelerin β de erlerini Çizelge 4.1 de görebilirsiniz. Bir malzemenin genleflmesi veya büzüflmesi her yönde ayn ysa bu malzeme termal bak mdan izotrop malzeme olarak bilinir.

82 76 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii ÖRNEK Elimizde s ya dayan kl cam malzemeden yap lm fl fiekil 4.3 deki gibi bir termometre olsun. Bu termometrenin silindirik tüp k sm n n yar çap 0,1 mm ve alt haznesine koydu umuz c van n hacmi de 1 cm 3 olsun. S cakl k 10 C artt nda silindirik k s mda c va ne kadar yükselir? Çözüm: S cakl k fark ndan kaynakl olarak hem c va hem de s ya dayan kl cam hazne genleflir ve her ikisinin de hacimleri artar. Çizelge 4.1 deki genleflme katsay lar na bakarak bu art fl n c va için; V (c va) = (18 x 10-5 / C) (1 cm 3 ) (10 C) = 0,0018 cm 3 ve cam hazne için; V (cam) = (1 x 10-5 / C) (1 cm 3 ) (10 C) = 0,0001 cm 3 oldu u bulunur. Görüldü ü gibi cam haznedeki genleflme c vaya k yasla çok küçüktür. Bu nedenle ihmal edilebilir. Bu durumda c va, tüpün içinde hesaplad - m z hacim kadarl k yer dolduracak flekilde genleflir. C van n tüp içinde h kadar yükseldi ini kabul edersek, Silindirin hacmi, taban alan yla yüksekli inin çarp m na eflittir. V (c va) = π r 2 h olur. Bu durumda; 0,0018 cm 3 = (3,14) (0,01 2 cm 2 ) ( h ) Bimetal: Uzunluklar ayn iki farkl metal flerit üst üste yap flt r l nca, fleriti oluflturan metallerin genleflme katsay lar farkl oldu undan, s cakl k de ifltikçe flerit e ilir. Bimetaller bu özellikleriyle pek çok uygulamada kullan l r. Termometreler, termostatlar, elektrik güvenlik devreleri, kahve makinalar, röleler verilebilecek örneklerden baz lar d r. olaca ndan; h = 5,7 cm olarak bulunur. Takdir edersiniz ki, bu, görmesi oldukça kolay bir miktard r. Böyle bir termometre ile 1 C lik s cakl k farklar rahatl kla farkedilebilir. S v lar n hacimleri genel olarak s cakl kla beraber artar. Hayat m zdaki önemi yads namaz olan su ise bu duruma bir istisnad r. Çünkü su, 0 C den 4 C ye ç karken genleflmek yerine büzüflür. Yani su, 4 C de en yo undur. flte bu nedenle k fl aylar nda bal klar, içinde bulunduklar gölet donsa bile kendileri donmadan yaflayabilirler. Çünkü 4 C de yo un olan su dibe yerleflir ve daha az yo un olan buz üst tarafta kal r. Bardaktaki suyunuzu so utmak için içine att n z buz küplerini gözünüzün önüne getirin; bat yorlar m, yüzüyorlar m? ISI ENERJ S Günlük yaflant m zda s kl kla s ve s cakl k kavramlar yanl fl kullan l r. Bu kavramlar n tam olarak anlafl labilmesi için, s enerjisinin ne oldu unu bilmek gerekir. Is enerjisi, maddeyi oluflturan atomlar n ya da moleküllerin hareketinden kaynaklanan bir kinetik enerji fleklidir. Parçac klar n (atom ya da molekül) hareketlerindeki ortalama h zlar ne kadar büyükse, s enerjisi o kadar büyüktür. Dolay s yla, s enerjisinin, malzemenin s cakl yla iliflkili oldu unu söyleyebiliriz. Bu durumda s cakl k için genel kullan mdan farkl daha bilimsel bir tan mlama yapabiliriz: Madde moleküllerinin ortalama h zlar s cakl k olarak tan mlan r. Bu de erin yüksek oldu u maddenin s cakl yüksek, düflük oldu u maddenin s cakl ise daha dü-

83 4. Ünite - S cakl k, Is ve Termal Genleflme flüktür. Is ise, s cakl klar farkl olan maddeler aralar ndaki enerji al fl verifli olarak tan mlan r. Yani, sistemde bir enerji aktar m varsa ancak o zaman s dan bahsedilir. Bu aktar lan enerji, her zaman s cakl daha yüksek olandan daha düflük olana do rudur. Sonuç olarak, bir nesnenin s s ndan de il, ya o nesnenin s cakl - ndan ya da o nesneyi s tmak tan bahsedebiliriz. Termometreleri kullanarak santigrat derece cinsinden yapt n z s cakl k ölçümleri ne kadar tan d ksa, büyük olas l kla ço unuz için s ölçümleri o derece yabanc d r. Öncelikle s n n biriminden bahsedelim; Is, bir enerji flekli olarak tan mland ndan SI birim sistemindeki birimi de enerji için kullan lan joule dür. Yayg n olarak kullan lan di er bir s birimi ise kalori dir. 1 kalori (cal), 1 atm bas nç alt nda 1 g suyun s cakl n 1 C artt rmak için ihtiyaç duyulan s miktar d r. 77 Elinize bir buz parças ald n zda elinizin üflüdü ünü bilirsiniz. Alg n z size, so u un buzdan elinize aktar ld n söyler ancak gerçek bunun tam tersidir: s elinizden buza do ru aktar lm flt r. Çünkü elinizin s cakl buza k yasla daha yüksektir. Elinizde üflüme (so ukluk) hissetmenizin sebebi ise elinizin yüzeyinden bir miktar s enerjisinin kaybolmufl olmas d r. Yiyeceklerin kimyasal enerji miktar n tan mlamak için kullan lan Kalori (büyük harfle yaz l r), burada kulland m z kalorinin (küçük harfle yaz l r) 1000 kat na eflittir. 1 Kalori = 1000 cal = 1 kcal. Bu noktada akl n za flöyle bir soru gelebilir: Örne in, 2 C deki suyun s cakl - n 3 C ye ç kartmak için gereken s miktar, 54 C deki suyu 55 C ye ç kartmak için ihtiyaç duyulanla ayn m d r? Buna cevap, hay r, ayn de ildir fleklinde olmal d r. Öyleyse, hangi s cakl k aral n kullanaca z? Tan m için üzerinde anlaflmaya var lm fl s cakl k aral 14,5 C - 15,5 C aral d r. S cakl a ba l bu de iflim yeterince küçük oldu undan ço u uygulama için ihmal edilebilir. Is (ya da s miktar ) Q ile gösterilir. Daha çok klima gibi cihazlar için kullan lan bir s birimi daha vard r; Btu (British Thermal Unit). Yukar da verdi imiz bilgiler çerçevesinde 1 Btu, 1 pound suyun s cakl n 63 F dan 64 F a ç kartmak için ihtiyaç duyulan s miktar olarak tan mlan r. Ad geçen bu s birimleri aras ndaki iliflki flöyledir: 1 cal = 4,18 J = 4 x 10-3 Btu 1 J = 0,24 cal = 9,5 x 10-3 Btu 1 Btu = 1055 J = 252 cal D KKAT ISI SI ASI VE ÖZ ISI Kütleleri (madde miktarlar ) ayn, cinsleri farkl maddelerin, s cakl klar n ayn miktarda artt rmak için ihtiyaç duyulan s miktar ayn de ildir. Örne in, 1 kg suyun s cakl n 20 C den 25 C ye ç kartmak için yaklafl k olarak 5000 cal lik s gerekirken, 1 kg alt n için bu de er sadece 150 cal civar ndad r. Görüldü ü gibi baz maddeler s cakl k de iflimine daha yatk n (alt n), baz lar ise daha dirençlidir (su). Bu bilgi s s as nda gizlidir. Bir nesneye Q kadar s verdi imizde s cakl T kadar art yorsa, verilen s n n s cakl k art fl na oran o nesnenin s s as n gösterir ve C ile gösterilir. Is s as bir maddenin s cakl n 1 C artt rmak için verilmesi gereken s miktar d r. C Q = T (4.6) Is s as yla santigrat dereceyi kar flt rmay n. Santigrat derece C ile s s as ise C ile gösterilir. D KKAT

84 78 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Öz s, bir maddenin birim kütlesinin s cakl n 1 C de ifltirmek için gerekli s miktar d r. Verilen (ya da al nan) sabit s ya karfl l k gelen s cakl k de iflimi madde miktar na ba l d r. Bu nedenle s s as maddeler için ay rt edici bir özellik de ildir. Ay rt edici özellik olabilmesi için sadece maddenin cinsine ba l, miktar ndan ba- ms z olmas gerekir. Bu durumda, herhangi bir madde için elinizdeki s s as n (C ) o maddenin kütlesine (m) bölerseniz, o maddenin cinsinin s nmaya etkisini yani öz s s n buluruz. Öz s : C c = Q m = m T (4.7) Ayn miktarda s verilen eflit kütleli maddelerden öz s s küçük olan n s cakl k de iflimi, öz s s büyük olan nkine göre daha fazla olur. SIRA S ZDE 3 Öyleyse, m kütleli bir cismin s cakl n T kadar de ifltirmek için verilmesi ya da al nmas gereken s miktar n Q = mc T (4.8) olarak yazabiliriz. çinde farkl miktarlarda c va bulunan iki kap, özdefl ocaklar üzerinde 2 dakika boyunca s t l l rsa, kaplar n içindeki c van n bu süre sonundaki s cakl klar hakk nda ne söyleyebilirsiniz? Kaplar içindeki c valar 4 dakika sonunda ayn s cakl a getirmek için ne yap lmas gerekir? Fiziksel ya da kimyasal bir de ifliklik sonucunda de iflen s miktar n n ölçülmesine kalorimetri ( s ölçüm bilimi), bu ölçümde kullan lan alete ise kalorimetre ( s ölçer) denir. HAL DE fi M Maddelerin s ald klar nda ya da verdiklerinde s cakl klar n n de iflti inden bahsetmifltik. Ancak öyle durumlar vard r ki, s al fl verifli olmas na ra men, sistemde bir s cakl k de iflimi gözlenmez. Bu durum, maddenin fiziksel yap s nda bir de ifliklik oldu u yani hal de ifltirdi i durumdur. Maddeler do ada içinde bulunduklar duruma göre kat, s v veya gaz halinde olabilirler. Örne in H 2 O molekülünün kat hali buz, s v hali su ve gaz hali ise buhard r. Maddelerin bir halden baflka bir hale geçmesine hal de iflimi denir. Maddenin hal de ifltirirken s cakl n n de- iflmemesinin sebebi, verilen s enerjisinin maddenin molekülleri aras ndaki ba lar koparmak için kullan lmas d r. Bu nedenle, hal de iflimi s ras nda maddelerin hacminde de iflme olur. Hal de iflimini daha iyi anlayabilmek için yine suyu (daha do rusu H 2 O molekülünü) örnek verelim. Diyelim ki elinizde bir kap ve içinde bir miktar buz var. Bunu bir sabit s kayna n n üzerine koyup zamana ba l olarak buzun ve s cakl n n nas l de iflti ini görmek istiyorsunuz. Bu deney s ras nda gördükleriniz flunlar olacakt r: Termometrede ilk okunan eksi s cakl k de eri zamanla artarak 0 C ye yaklafl r ve bu süreçte buzda bir de ifliklik görülmez. S cakl n 0 C oldu u anda kab n içinde bir miktar su oluflmaya bafllar. Zaman geçtikçe kab n içindeki buz miktar azal rken, su miktar artar, ancak termometrenin gösterdi i s cakl k de- erinde bir de ifliklik olmaz. Bu, kat halden s v hale geçifltir. Ne zaman ki kab n içindeki buzun tamam su olur, o noktada s cakl k tekrar artmaya baflar. Suyun s - cakl 100 C ye ç k ncaya kadar düzgün olarak artar ve sonra sabitlenir. Benzer flekilde, zaman geçtikçe kab n içindeki su miktar gittikçe azal r. Çünkü su art k s -

85 4. Ünite - S cakl k, Is ve Termal Genleflme 79 v halden gaz hale geçmeye bafllam flt r. Bu süreçte termometrenin gösterdi i s - cakl k de erinde bir de ifliklik olmaz. E er su buhar n n (gaz hali) kaçamad kapal bir ortam yarat l rsa, bütün suyun buharlaflmas ndan sonra s cakl n tekrar artmaya bafllad görülür. Deney sonunda, s cakl n zamana ba l olarak nas l de iflti ini çizerseniz, fiekil 4.4 teki grafi i elde edersiniz. S cakl k ve zaman de- erleri farkl olmak üzere, bu grafik di er maddeler için de do rudur. fiekil 4.4 S cakl n zamana göre de iflim grafi i ve maddenin halleri. S cakl k s v +gaz gaz s v kat kat +s v Zaman Bu örnekte oldu u gibi maddelerin d flar dan s alarak hal de ifltirmeleriyle ilgili olarak flu tan mlamalar yap l r: Maddelerin kat halden s v hale geçmesine erime, bu hal de iflikli inin oldu u sabit s cakl a ise erime s cakl ya da erime noktas denir. Maddelerin s v halden gaz hale geçmesine buharlaflma, bu hal de- iflikli inin oldu u sabit s cakl a ise kaynama s cakl ya da kaynama noktas denir. fiimdi de örne imizi tersten inceleyelim ve maddenin s kaybetmesi durumunda ne oldu una bakal m. Gaz halindeki bir madde d flar ya s verirse ( s kaybederse), s cakl kaynama noktas na kadar düflecek ve tekrar s v hale dönecektir. Maddelerin gaz halden s v hale geçmesine yo unlaflma denir. Bu hal de iflikli i s ras nda maddenin d flar ya verdi i s miktar, tam olarak s v halden gaz hale geçmek için ald s miktar na eflittir. S v hale gelen maddenin s cakl erime noktas na kadar düflecek olursa, madde bu sefer s v halden kat hale geçecektir. Maddenin s v halden kat hale geçmesine donma, bu hal de iflikli inin oldu u sabit s cakl a ise donma s cakl ya da donma noktas denir. Benzer flekilde, bu hal de iflikli i s ras nda maddenin d flar ya verdi i s miktar, tam olarak kat halden s v hale geçmek için ald s miktar na eflittir. Bir önceki bölümde de bahsetti imiz gibi, hal de iflikli inin olmas için ihtiyaç duyulan ya da d flar ya verilen s miktar, kullan lan madde miktar na göre de iflir; 100 g buzu eritmek için vermeniz gereken s miktar 1 kg buzu eritmek için vermeniz gerekenden çok daha azd r. Ayn flekilde bu miktar, elinizdeki maddenin cinsine de ba l d r; 100 g suyu, 100 g gümüflten çok daha az s yla eritebilirsiniz. Öyleyse, hal de iflikli i için gerekli olan s miktar, maddenin cinsine ve miktar na ba l olarak yaz labilmelidir: Maddelerin erime ve donma s cakl klar ile kaynama ve yo unlaflma s cakl klar eflittir. Q = m L (4.9)

86 80 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii burada L, maddenin birim kütlesinin hal de ifltirebilmesi için gerekli olan (al nan ya da verilen) s miktar, m ise toplam madde miktar yani kütledir. D KKAT Burada s nma s s olarak kullan lan L, ünitenin ilk k s mlar nda uzunluk için kullan lan L ile kar flt r lmamal d r. Kat halden s v hale geçerken maddenin ihtiyaç duydu u s miktar, ayn maddenin s v halden gaz hale geçerken ihtiyaç duydu undan farkl d r. Çizelge 4.2 de baz maddeler için erime ve kaynama s cakl klar n ve hal de iflim s lar n görebilirsiniz. Çizelge 4.2 Maddeler için hal de iflim s cakl klar ve s lar. Madde Erime s cakl ( C) Erime s s (cal/g) Kaynama s cakl ( C) Buharlaflma s s (cal/g) Helyum , Azot , C va -39 2, Su Kurflun 327 5, Alt n , fiekil 4.5 Hal de iflimi. süblimleflme erime buharlaflma Kat S v Gaz donma yo unlaflma depozisyon Gerekli koflullar sa land nda baz kat maddeler s v hale geçmeden do rudan gaz hale geçerler. Bu duruma süblimleflme ya da uçunum denir. Buna güzel bir örnek evlerde kulland m z naftalindir. Aç kta duran naftalinin zaman içinde miktar n n azald n ve sonunda kayboldu unu ama hiç s v hale geçmedi ini görürüz; çünkü naftalin kat halden do rudan gaz hale geçmifltir. Bunun tersine yani maddelerin gaz halinden do rudan kat hale geçmelerine ise depozisyon denir. Bulutlarda kar ve dolu oluflumu buna örnektir. Hal de ifliklikleri fiekil 4.5 de özet olarak gösterilmifltir. SIRA S ZDE 4 Ayn s cakl kta olmas na ra men, 100 C deki su buhar, 100 C deki kaynar suya k yasla vücutta daha ciddi yan klara sebep verir. Bunun nedeni ne olabilir?

87 4. Ünite - S cakl k, Is ve Termal Genleflme 81 ISI AKTARIMI S cakl klar farkl olan maddeler aralar nda s al fl verifli oldu unu ve bu aktar lan enerjinin, s cakl daha yüksek olandan daha düflük olana do ru oldu unu önceki bölümlerde söyledik. Bu enerji aktar m, bir baflka deyiflle s yay lmas, üç yolla olur: Maddeyi oluflturan parçac klar n birbirleriyle çarp flmas yla (iletim), parçac klar n kendilerinin yer de ifltirmesiyle (madde tafl nmas ) veya arada herhangi bir madde olmadan elektromanyetik dalgalarla ( fl ma) s aktar labilir. letim Maddeyi oluflturan parçac klar n birbirine çarpmas ile s enerjisinin aktar lmas na s n n iletim yoluyla yay lmas denir. Kat malzemelerde s aktar m, sadece iletim yoluyla gerçekleflir. Örne in metal çubu un bir ucu s t ld nda, atomlar n enerjisi artmas na ra men yer de ifltiremeyecekleri için sabit konumlar n n etraf nda titreflirler. Bu titreflim s ras nda, parçac klar komflular na çarparak enerjilerinin bir k sm n onlara aktar r. Böylece s enerjisi bir tanecikten di erine aktar larak madde boyunca iletilmifl yani yay lm fl olur. S v lar molekülleri birbirlerine daha uzak olduklar ndan kat lara göre daha kötü s ileticisidirler. Gazlar ise molekülleri birbirlerinden çok uzakta olduklar ndan iletim yolu ile s y iyi iletmezler. fiekil 4.6 daki gibi kat bir malzemenin yüzeylerinden birinin s cakl T 1 derecede sabit tutulursa, bir süre sonra di er yüzeyinin s cakl T 1 den daha küçük bir T 2 s cakl nda sabitlendi i görülür. Maddenin içinde bu s - cakl k fark ndan kaynakl sürekli bir s ak fl olur. Deneysel olarak birim zamandaki s ak fl miktar n n, yüzey alan S ve iki yüzey aras ndaki s cakl k fark (T 1-T 2) ile do ru, malzemenin kal nl d ile ters orant l oldu u bulunmufltur. Ayr ca bu oran n, kullan lan malzemenin türüne göre de de iflti i gözlenmifltir. Öyleyse, birim zamanda akan s miktar, T1 d T2 S Is aktar m yönü fiekil 4.6 Is aktar m. ( ) κ S T1 T2 H = d (4.10) olarak yaz labilir. Burada κ, o maddenin s iletimini ne kadar iyi ya da kötü yapt - n gösteren termal iletkenlik katsay s d r. Örne in, metaller s iletkenlikleri iyi olan malzemelerdir, o nedenle yemek yapmakta kulland m z tencereler metal malzemeden yap l r. Ancak, bu özelliklerinden dolay tencerenin her yerinin s cakl artacak ve ç plak elle tutmak zorlaflacakt r. Bu nedenle, tencerenin tutulacak k - s mlar plastik ya da tahta gibi s iletkenli i kötü olan malzemelerden yap l r.

88 82 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Madde Tafl nmas (Konveksiyon) Maddeyi oluflturan parçac klar n kendilerinin yer de ifltirmesiyle s enerjisinin aktar lmas na s n n madde tafl nmas (konveksiyon) yoluyla yay lmas denir. Bu flekildeki s aktar m, ak flkan malzemelerde yani s v ve gazlarda gerçekleflir. Örne in, hepinizin tecrübe etti i bir durum vard r; elinizi s tmak için, e er varsa, ortamda bulunan bir ateflin üzerine uzatars n z. Ateflin hemen üzerindeki s nan ve dolay s yla genleflen hava, yo unlu u azald için yukar ya do ru ç kar. Böylece s cak hava elinizi s t r. SIRA S ZDE 5 Elektromanyetik dalgalar fl k h z yla ilerledi i için s aktar m n n en h zl oldu u yay lma flekli fl ma yoluyla olan d r. Is, en yavafl ise parçac klar n yer de ifltirmedi i iletim yoluyla yay l r. fiekil 4.7 Is n n yay lma yollar. Yaz aylar nda k y larda oluflan meltem (kara yeli) ve imbat n (deniz yeli) sebebi nedir? Ifl ma (Radyasyon) Is enerjisinin arada herhangi bir madde olmaks z n aktar lmas na fl ma (radyasyon) yoluyla yay lma denir. Ifl ma, yay lmak için bir ortama (su veya hava gibi) ihtiyaç duymaz. Buna en güzel örnek, günefl fl nlar n n dünyay s tmas d r. Yukar - da verdi imiz örnek için, elinizi sadece ateflin üzerine uzatarak de il herhangi bir yan nda uzaktan da s tabilece inizi söyleyebilirsiniz. Bunun sebebi, s cak olan ateflin enerjisinin fl ma (radyasyon) yoluyla elinize gelmesidir. Bütün nesneler, s cakl klar na ba l olarak elektromanyetik fl ma yaparlar, buna termal fl ma denir. Nesnelerin s cakl klar artt kça, termal fl ma enerjisi de artar. Ortamda yay lan enerji nesnelere geldi inde, bir miktar so urulurken bir miktar da yans t l r. Nesnenin so uraca ya da yans taca s miktar o maddenin rengine ba l d r: koyu renkli nesneler daha çok s so ururken, aç k renkliler daha fazla yans t rlar. Yaz aylar nda aç k renkli k yafetler giymemizin nedeni budur. Bu bölümde bahsetti imiz s aktar m yollar n fiekil 4.7 de topluca görebilirsiniz. TERMAL YALITIM Bir önceki bölümde ö rendikleriniz fl nda yaflant n za ve etraf n zda neler oldu- una h zl ca göz atacak olursan z, s aktar m n daha iyi yapmak istedi iniz uygulamalar n yan nda, s aktar m n istemedi iniz durumlar n da oldu unu görürsünüz. Örne in, k fl n evlerin içindeki s cak havan n d flar daki so uktan ya da tam tersi, yaz n evin içindeki serin havan n d flar daki s caktan etkilenmesi istenen bir durum de ildir. Öyleyse, bu etkileflmeyi en aza indirmenin yollar n bulmak gerekmektedir. Bir sistemin, d flar s yla s al flveriflini önleme ifllemine termal yal t m denir. Baflka bir de iflle, termal yal t m bir maddeyi s caksa s cak olarak, so uksa so uk olarak tutmak için kullan l r. Is al flveriflini en aza indirmek için s aktar m yollar ve sebepleri iyi bilinmelidir. Bunlar bir önceki bölümde gördünüz.

89 4. Ünite - S cakl k, Is ve Termal Genleflme 83 Yal t m, ço unlukla s n n iletim yoluyla yay lmas n engellemek için kullan l r. Bu amaçla kullan lacak iyi bir yal t m malzemesi, kötü bir s iletkeni olmal d r. Yo- unlu u az olan malzemelerin atomlar aras ndaki mesafe, çok olanlara göre daha fazla oldu undan, birbirleriyle etkileflimleri daha zay ft r. Dolay s yla yal t m için daha uygundurlar. Öyleyse, gazlar n s v lara göre, s v lar n da kat lara göre daha iyi yal t m yapt klar n söyleyebiliriz. K fl aylar nda yünlü k yafetler tercih etmemizin sebebini aç klay n z. Yal t m, baz durumlarda da s n n fl ma yoluyla yay lmas n engellemek için kullan l r. Bu amaçla kullan lacak malzemelerin özellikleri, s aktar m yolunun iletimden farkl olmas ndan dolay yukar da bahsedilen örneklerden farkl olmal d r. Örne in, iyi yal t m yapt n söyledi imiz gazlar (ve hatta vakum), fl ma yoluyla enerji aktar m n n önüne geçmek için kulan lacak kötü seçeneklerdir. Çünkü, arada herhangi bir maddeye ihtiyaç olmad ndan, enerjisi yüksek fl ma hiç bir engelle karfl laflmadan do rudan korumak istenilen yere ulafl r. Bu durumda yap lmas gereken, gelen fl may yans tma yetene ine sahip, aç k renk ve parlak bir malzeme ile kaplamakt r. 6 SIRA S ZDE

90 84 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Özet A MAÇ 1 A MAÇ 2 S cakl k kavram n n ne oldu unu aç klamak ve ölçüm ilkelerini uygulamak. S cakl k, bir nesneye dokundu unuzda o nesnenin size verdi i l kl k ya da so ukluk hissiyle iliflkilendirdi iniz büyüklüktür. Hislerle iliflkilendirilen bu de iflken durumdan kurtulmak için daha bilimsel bir tan m yap lacak olursa: Madde moleküllerinin ortalama kinetik (hareket) enerjisi s cakl k olarak tan mlan r. Moleküllerin h zlar ne kadar fazlaysa maddenin s cakl o kadar fazlad r. S cakl k termometre ile ölçülür. Bir maddenin s cakl n ölçmek için termometre o maddeyle termal temas halinde olmal d r. S cakl k fark ndan kaynakl s al flverifli olur ve bir süre sonra termal denge sa lan r. Bu durumda, s cakl ölçülmek istenen madde ve termometre ayn s cakl ktad r. Termometreler s cakl göstermek için yap ld malzemenin termometrik özelliklerini kullan r. S cakl kla de iflen bu özellikler (örne in, s cakl artan maddenin genleflmesi), sabit referans noktalar (örne in, ayn atmosfer bas nç alt nda buzun s cakl ve suyun kaynama noktas ) kullan larak ölçeklendirilmifltir. Günümüzde en yayg n kullan lan s cakl k ölçekleri santigrat ( C), fahrenheit ( F) ve kelvin dir (K). Kat ve s v larda genleflme olay n aç klamak. Maddelerin ço u s cakl klar art nca genleflir, azal nca büzüflürler. Maddeyi oluflturan atomlar n aras ndaki mesafelerin de iflmesiyle ilgili olan bu özellik mühendislik uygulamalar nda oldukça önemli rol oynar. Bütün maddeler s cakl k de ifliminden ayn miktarda etkilenmezler. Maddenin boyutlar n n s cakl k de ifliminden ne kadar etkilenece ini gösteren büyüklük o maddenin genleflme katsay s d r. Genleflmenin nas l ölçülece ine ba l olarak farkl genleflme katsay lar tan mlanabilir. Örne in, kat maddeler için boyca genleflme katsay s yani sadece boyunun nas l de iflti i bilinirse, alan n n ve hacminin de nas l de iflece i bilinir. Halbuki, s v ve gazlar için bilmemiz gereken hacimlerinin nas l de iflti i bilgisidir. Bunun için, s v ve gazlar için hacimce genleflme katsay s tan mlan r. A MAÇ 3 A MAÇ 4 Is kavram n n n ne oldu unu ve s enerjisini aç klamak. Malzemeyi oluflturan atomlar n ya da moleküllerin hareketinden kaynaklanan enerjiye s enerjisi denir. Parçac klar n ortalama h zlar ne kadar büyükse, s enerjisi de o kadar büyüktür. Öyleyse, s enerjisi maddenin s cakl yla iliflkilidir. Is ise, s cakl klar farkl olan maddeler aralar ndaki enerji al fl verifli olarak tan mlan r. Yani, sistemde bir enerji aktar m varsa ancak o zaman s - dan bahsedilir. Is birimleri enerji birimleridir; yayg n olarak joule, kalori ve Btu kullan l r. 1 kalori (cal), 1 atm bas nç alt nda 1 g suyun s - cakl n 1 C artt rmak için ihtiyaç duyulan s (enerji) miktar d r. Is ölçen aletlere kalorimetre ( s ölçer) denir. Ayn miktardaki farkl maddelerin s cakl klar n 1 C artt rmak için farkl s miktar na ihtiyaç vard r. Baz maddeler s almaya ya da vermeye daha istekli, baz lar ise daha dirençlidir. Bu bilgi s s as nda gizlidir. Bir maddeye aktar lan s miktar n n, sebep oldu u s cakl k art fl miktar na oran o nesnenin s s as n gösterir. Is s as madde miktar na ba l, maddeler için belirleyici olmayan bir büyüklüktür. Is s as n n maddenin kütlesine oran na ise öz s denir. Bir baflka deyiflle; öz s, bir maddenin birim kütlesinin s cakl n 1 C de ifltirmek için gerekli s miktar na denir. Hal de ifltirme ilkelerini s ralamak. Maddeler s al fl-verifli yapt klar baz durumlarda s cakl klar n de ifltirmezler. Bu durumda, maddenin fiziksel yap s nda bir de ifliklik olur: ya verilen s enerjisi maddenin molekülleri aras ndaki ba lar koparmak için kullan l r ya da moleküller bir araya gelirken d flar ya s verirler. Maddeler do ada kat, s v ve gaz hallerinde bulunurlar. Maddelerin sabit bas nç alt nda d flar - dan s alarak kat halden s v hale geçmesine erime, s v halden gaz hale geçmesine buharlaflma ve kat halden do rudan gaz hale geçmesine süblimleflme denir. Benzer flekilde, maddelerin sabit bas nç alt nda d flar ya s vererek gaz halden s - v hale geçmesine yo unlaflma, s v halden kat hale geçmesine donma ve gaz halden do rudan kat hale geçmesine de depozisyon denir.

91 4. Ünite - S cakl k, Is ve Termal Genleflme 85 A MAÇ 5 Is aktar m yollar n ve termal yal t mla ilgili ilkeleri aç klamak. S cakl klar farkl olan maddeler aralar nda s cakl yüksek olandan daha düflük olana do ru enerji aktar m olur. Bu enerji aktar m, baflka bir deyiflle s yay lmas, üç yolla gerçekleflir: iletim, madde tafl nmas (konveksiyon) ve fl ma (radyasyon). Maddeyi oluflturan parçac klar kendileri yer de ifltirmeden enerjilerinin bir k sm n etraf ndaki di er moleküllere çarp flarak aktar yorsa buna iletim yoluyla s aktar m denir. E er parçac klar kendileri yer de ifltiriyorlarsa buna da madde tafl nmas yoluyla aktar m denir. Di- er bir yol ise ortamda herhangi bir madde olmas na gerek olmadan elektromanyetik dalgalarla s aktar lmas d r; buna fl ma denir. Bir maddenin d flar s yla s al flveriflini önleme ifllemine termal yal t m denir. Yal t m, ortamdaki s aktar m yolunun bilinmesine ba l olarak farkl flekillerde yap labilir. Is n n iletim yoluyla yay lmas n engellemek için s aktar m n n oldu u bölgeye s iletkenli i kötü baflka bir malzeme (yal t m malzemesi) konulur. Is n n fl ma yoluyla yay lmas n engellemek içinse, gelen fl may yans tma yetene ine sahip, aç k renk ve parlak bir malzeme kullan lmal d r.

92 86 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Kendimizi S nayal m 1. Afla daki önermelerden hangisi ya da hangileri do rudur? I. Termal temas halindeki iki nesnenin s cakl klar eflittir. II. S cakl k termometre ile ölçülür. III. Bir maddenin boyunun s cakl k artt kça k salmas o maddenin termometrik özelli idir. a. I ve II b. II c. II ve III d. I ve III e. I, II ve III 5. Afla dakilerden hangisi veya hangileri do rudur? I. Is enerjisi, madde moleküllerinin hareketinden kaynaklan r. II. Is, bir enerji aktar m d r. III. Is ak fl, yüksek s caktan düflük s ca a do rudur. IV. S cakl n 1 C artt rmak için gereken s miktar bütün maddeler için ayn d r. a. I ve II b. I ve III c. III ve IV d. I, II ve III e. I, II, III ve IV 2. Suyun donma noktas n n 492 ve kaynama noktas - n n 672 derece olarak tan mlanand bir termometrede okunan 546 derecelik s cakl k, bir santigrat (Celcius) termometresiyle kaç derece olarak okunur? a. 54 b. 30 c. 28 d. -70 e Afla daki ifadelerden hangisi yanl flt r? a. Mutlak s f r, maddelerin hiç bir flekilde s aktaramad klar s cakl kt r. b. Mutlak s f r, s cakl n 0 K oldu u durumdur. c. Maddenin s cakl ndaki 12 F l k art fl, 12 C lik art flla ayn d r. d. Genleflme katsay s, maddelerin boyutlar n n s - cakl kla nas l de iflece i hakk nda bilgi verir. e. Boyca genleflme katsay s sadece kat maddeler için kullan l r. 4. S cakl 25 C olan bir odada çal flan gümüfl ustas, elindeki 2 cm geniflli inde, 25 cm uzunlu undaki gümüfl fleritten bileklik yapmak istiyor. Usta, flekil verebilmek için gümüflü 825 C ye kadar s t rsa, fleritin alan nda ne kadar art fl olur? (Gümüflün boyca genleflme katsay s = 20 x / C) a. 1,60 cm 2 b. 0,80 cm 2 c. 1,65 cm 2 d. 0,82 cm 2 e. 1,44 cm 2 6. Öz s n n birimi afla dakilerden hangisidir? a. cal b. g / cal C c. g C / cal d. cal / C e. cal / g C 7. Bir maddenin 120 g n n s cakl n 20 C den 50 C ye ç kartmak için sabit bir s kayna ndan 3600 J s al n yor. Ayn maddenin 300 g n n 40 C den -10 C ye düflerken d flar ya verece i s ne kadard r? a J b J c J d J e J 8. Afla daki ifadelerden hangisi veya hangileri do rudur? I. Yo unlaflma s ras nda d flar ya s verilir. II. Donma s cakl ve erime s cakl eflittir. III. Maddeler kat halden s v hale geçerken s cakl klar artar. a. I b. I ve II c. I, II ve III d. II ve III e. I ve III

93 4. Ünite - S cakl k, Is ve Termal Genleflme D flar daki hava s cakl n n 4 C oldu u bir günde, geniflli i 125 cm, yüksekli i 80 cm lik iki penceresi olan bir odan n iç s cakl n 26 C de tutmak için kullan lan 07. kliman n, odaya 1 saatte vermesi gereken s miktar kaç Btu dur? Pencerelerde 4 mm kal nl nda, termal iletkenlik katsay s 0,002 cal/s.cm. C olan cam kullan lm flt r. (Is kayb n n sadece pencerelerden oldu unu düflünün.) a. 4,4 Btu b. 8,8 Btu c Btu d Btu e Btu 10. Afla dakilerden hangisi iyi bir yal t m yolu olamaz? a. Yaz aylar nda siyah renkli k yafet giymek. b. K fl aylar nda bol k yafetler giymek. c. Evlerin d fl cephesini termal iletkenlik katsay s küçük malzemeyle kaplamak. d. Yaz aylar nda pencereleri parlak malzemeyle kaplamak. e. Hava ak m n engellemek. Yaflam n çinden Bu h zla erirse denizler taflacak Antarktika da Pine Island Buzulu, esrarengiz bir flekilde artan bir h zla eriyip denize do ru kay yor. Tamamen okyanusa kar flt nda deniz seviyesi 10 santim yükselecek. 30 trilyon litrelik hacmiyle Grönland kaplayan buz tabakas ndan sonra yeryüzünün en büyük tatl su kütlesini oluflturan buzulun, son iki y lda erime h z nda meydana gelen yüzde 6,4 oran ndaki art fl bilim adamlar n alarma geçirdi. Bir ucu 2 bin 500 metre yükseklikteki da tepelerinde, öteki ucu da denizde olan buzulun boyu 153, geniflli i de 29 km yi buluyor. Kal nl yer yer bir kilometreyi aflan buz kütlesinin ortalama yüksekli i 750 metre. Sualt yanarda m? Denize do ru günde ortalama 9 metre kayan bu su kütlesinin tamamen okyanusa kar flmas halinde deniz seviyesi 10 cm yükselecek ve Londra, Tokyo ve New York un sahilleri sular alt nda kalacak. Bilim adamlar, buzulun h zla erimesinin küresel s nma d fl nda baflka bir etkenden kaynaklanabilece ini düflünüyor. Örne in aktif bir sualt yanarda buzulu. ngiliz Antarktik Araflt rmalar kurumundan bir ekip, buzulun niçin h zla eridi ini ortaya ç karmak için buz tabakas n n alt nda keflif yapacak bir robot denizalt gelifltirdi. Aküyle çal flan, 7 metrelik autosub adl insans z denizalt buzulun denizde yüzen bölümünün alt nda sonar taray c lar yla en h zl eriyen noktalar belirleyecek. Deniz suyunun s cakl n, tuzluluk oran n ölçecek olan denizalt, 20 saatlik seferi s ras nda ayr ca buzulun 3 boyutlu haritas n ç karacak. Yazar n notu: Bu okuma parças n, küresel s nmadan kaynakl dünyan n ortalama s cakl n n 1 C artt n ve suyun boyca genleflme katsay s n n α = 2 x / C oldu unu düflünerek yorumlay n z ( Kat ve S v larda Genleflme bölümüne bak n z). Kaynak: ( tarihli Milliyet Gazetesi internet sitesinden al nm flt r)

94 88 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Okuma Parças Kalorik teori Kalorik teori, s n n kalorik ad verilen ak flkan bir maddeden olufltu u kabul edilen ama art k kullan lmayan bilimsel bir teoridir. Bu teoriye göre kalorik, s cak cisimden so uk olana do ru akan, kat ve s v lardaki gözeneklere girip ç kabilen a rl ks z bir gaz olarak düflünülüyordu. 19. yüzy l ortas nda yerini s teorisinin almas na ra men kalorik teori, ayn yüzy l n sonuna kadar literatürde kalmaya devam etmifltir. Termodinamik tarihinde s için yap lan ilk aç klamalar, yanma için yap lanlarla kar flt r l yordu. 17. yüzy lda J. J. Becher ve G. E. Stahl, yanmay flojiston denilen bir maddenin varl yla aç klam fllard. Bu nedenle flojiston, s dan sorumlu madde olarak düflünülüyordu lerde Antoine Lavoisier, yanman n oksijene ba l - l n keflfetti y l nda yay nlad makalesinde Lavoisier, flojiston teorisinin kendisinin deney sonuçlar yla tutars z oldu unu söyleyerek ilk bak flta görülmeyen, kalorik denilen bir maddeyi, s dan sorumlu madde olarak önerdi. Bu yeni teoriye göre kalorik, evrenin her taraf nda sabit ve s cak cisimden daha so uk cisime do ru akan ak flkan bir madde olarak tan mland. Bu teoriyle beraber, kimilerinin inand so uk un bir ak flkan oldu u düflüncesi, yerini so u un sadece kalorik yoksunlu u oldu u düflüncesine b rakt. Kalorik teori, dönemi için, atomik teoriden düflünceler içeren, yanma ve kalorimetriyi aç klayabilen daha modern bir teoriydi. Bu teoriyle, birçok baflar l aç klama yap ld. Örne in bir bardak s cak çay n oda s cakl nda neden so udu u flöyle aç klan yordu: kalorik kendi kendisini iten bir yap da oldu undan (gaz gibi), kalorik bak m ndan zengin bölgelerden (s cak çay), daha az olan bölgelere (odadaki serin hava) do ru yavaflça akar. Böylece çay, zamanla so ur. Yani kalorik kaybettikçe cismin s cakl azal r, kazand kça artar. Kalorik teoriyle, s n n yay lmas n, farkl s cakl klardaki faz de iflimini aç klayabilir ve neredeyse bütün gaz kanunlar n ç - kartabiliriz. Kalorik teoriye göre s n n korunumu temel varsay md r. Çünkü s, maddesel bir varl k oldu undan vardan yok, yokdan da var edilemez y l nda Benjamin Thomson (Kont Rumford), savafl toplar n n imalat s ras nda aç a ç kan s üzerindeki araflt rmalar hakk nda bir rapor yay nlad. Thomson, top delinirken topun, toptan kopan metal parçalar n n ve delme aletinin s - cakl n n artt n fark etmiflti. Raporunda, bir topun sürekli olarak delinmesinin, s üretme yetene inde azalmaya neden olmad n ve böylece kalorik kayb n n da olmad n söylüyordu. Bu, deneyindeki niceliksel belirsizliklere ra men, kalori in korunabilen bir madde olamayaca n gösteriyordu. Thomson un sonuçlar, ilk baflta kalorik teori için tehdit olarak görülmek yerine ça dafllar taraf ndan bu teorinin anlafl lmas için katk olarak görüldü. Halbuki s, kalorik teorisine göre korunmas ve birinden di erine geçmesi gerekirken, ortada bir kalorik kayna olmadan sürekli olarak art yormufl gibi görünüyordu. Yani deneysel sonuç, s n rs zm fl gibi göründü üne göre s diye maddi bir fley olmad n gösteriyordu. Thomson un deneyindeki s, sürtünme ve sürtünme kuvvetinin yapt ifl nedeniyle ortaya ç k yordu. Bugün s birimi olarak kullan lan kalori, flimdi art k kullan lmayan bu kaloik teoriden gelmektedir. Kaynak: (Wikipedia, özgür ansiklopedi deki Caloric Theory bafll kl yaz temel al narak yaz lm flt r.) Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar 1. c Yan t n z yanl flsa S cakl k bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 2. b Yan t n z yanl flsa Termometre ve S cakl k Ölçekleri bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 3. c Yan t n z yanl flsa Termometre ve S cakl k Ölçekleri ve Kat ve S v larda Genleflme bafll kl konular yeniden gözden geçiriniz. 4. a Yan t n z yanl flsa Kat ve S v larda Genleflme bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 5. d Yan t n z yanl flsa Is Enerjisi bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 6. e Yan t n z yanl flsa Is S as ve Öz Is bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 7. d Yan t n z yanl flsa Is S as ve Öz Is bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 8. b Yan t n z yanl flsa Hal De iflimi bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 9. c Yan t n z yanl flsa Is Aktar m ve Is Enerjisi bafll kl konular yeniden gözden geçiriniz. 10. a Yan t n z yanl flsa Termal Yal t m ve Is Aktar m bafll kl konular yeniden gözden geçiriniz.

95 4. Ünite - S cakl k, Is ve Termal Genleflme 89 S ra Sizde Yan t Anahtar S ra Sizde 1 Fanhrenheit ve santigrat dereceleri aras ndaki ba nt [F = (9/5)C + 32] gibidir. Termometrelerin okudu u de- ere x dersek e er, [x = (9/5)x + 32 ] olacakt r. Buradan da x = -40 olarak bulunur. Yani, -40 C = -40 F. S ra Sizde 2 Bunun sebebi metal kapa n ve cam kavanozun genleflme katsay lar n n birbirlerinden farkl olmas d r. Metalin genleflme katsay s daha büyük oldu undan, dökülen s cak suyun etkisiyle cama göre hem daha k sa sürede hem de daha fazla genleflir. Dolay s yla kapak gevfler ve rahatl kla aç l r. Özellikle buzdolab ndan ç - kartt n z (so uk) kavanozlar n aç lmas n n daha zor olmas n n sebebi de budur: metal kapak, cama k yasla daha fazla büzüflece inden daha fazla s k fl r. S ra Sizde 3 Süre sonunda ocaktan c vaya aktar lan s miktar iki kap için de ayn olaca ndan, s cakl tek belirleyen büyüklük madde miktar olacakt r. Madde miktar ne kadar az ise s cakl k o kadar çok artacakt r. Dolay s yla, 2 dakika sonunda, içinde fazla c va olan kab n s cakl -, az olan kab n s cakl na göre daha düflük olacakt r. E er bu iki kap içindeki c valar n 4 dakika sonunda ayn s cakl kta olmas n istiyorsan z, içinde fazla c va olan kaba, az olana k yasla daha fazla s vermeniz gerekir. S ra Sizde 4 Suyu buhar haline getirebilmek için suya bir miktar enerji ( s ) verilmesi gerekir. Tersini düflünecek olursan z, buhar halindeki suyun da yo unlaflarak s v (su) haline dönebilmesi için ayn enerjiyi d flar ya vermesi gerekir. Vücuda temas eden kaynar su, hemen s cakl - n kaybetmeye bafllar. Halbuki su buhar n n tamamen yo unlafl p s cakl n n düflmeye bafllamas çok daha uzun sürer. Bu s rada da tafl d yüksek enerjiyi vücuda aktar r. Bu nedenle, buhar yan daha tehlikelidir. hava da, kara üzerindeki s nan havan n yerini doldurmak için hareket eder. Böylece denizden karaya bir rüzgar yani imbat (deniz yeli) oluflur. Akflam olunca, kara daha çabuk s kaybeder ve su yüzeyi karaya göre daha s cak olur. Sonuçta döngü tersine döner ve karadan denize bir rüzgar yani meltem (kara yeli) oluflur. S ra Sizde 6 Üflümemek için vücut s s n n korunmas yani so uk ortamla temas n n kesilmesi gerekir. Yün, içinde hava bar nd rabilen gevflek bir yap ya sahip oldu undan kötü bir s ileticisidir. Is y iyi iletmedi inden vücut için iyi bir yal t m malzemesidir. Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar Richards, J. A. ve di erleri, (1971) Modern University Physics, Addison-Wesley Publishing Company Serway, R. A. ve di erleri, (2002) Physics for Scientists and Engineers 6th Ed, Thomson-Brooks/Cole Publishing tarihinde al nm flt r tarihinde al nm flt r tarihinde al nm flt r tarihinde al nm flt r. S ra Sizde 5 Meltem, karadan denize; imbat, denizden karaya esen rüzgard r. Yaz n gün içinde deniz, öz s s daha yüksek oldu undan, karaya göre geç s n r. Daha s cak olan karayla temas halindeki hava s n r (iletim) ve genleflir. Kendisini çevreleyen so uk havaya göre yo unlu u azald için s nan hava yukar do ru ç kar (konveksiyon) ve bir hava ak m oluflur. Deniz üzerindeki so uk

96 5TEKNOLOJ N N B L MSEL LKELER -II Amaçlar m z Bu üniteyi tamamlad ktan sonra; Dalga hareketini ve periyodik hareketi tan mlayabilecek, Basit bir grafik üzerinde genlik, dalgaboyu, frekans ve periyodu analiz edebilecek, Rezonans olay n belirleyebilecek, Sesin davran fl özelliklerini ve günlük hayatta ses dalgalar n n kullan m n ifade edebilecek, Elektromanyetik dalgan n nas l olufltu unu belirleyebilecek, Ifl n yans mas ve k r lmas olaylar n aç klayabilecek bilgi ve becerilere sahip olacaks n z. Anahtar Kavramlar Mekanik Dalga Dalgaboyu Frekans Periyot Genlik Rezonans Ses H z Elektromanyetik Dalga Ifl k çerik Haritas Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Dalgalar G R fi DALGA HAREKET REZONANS SES DALGALARI ELEKTROMANYET K DALGALAR IfiIK IfiI IN YANSIMASI IfiI IN KIRILMASI

97 Dalgalar G R fi Su kenar nda oturup, su birikintisine att m z tafllar sayesinde oluflan dalgalar izlemek hemen hemen hepimizin yapt gözlemlerdendir. nsanlar n birbirlerine seslenirken, sesin duyulmas n n nedeni, oluflan dalga hareketidir. Güneflten gelen ve 7 rengin birleflmesiyle oluflan dalga hareketini her gün görmekteyiz. lk ateflin bulunmas ile beraber, ateflin ç kard fl k ve bir k z lötesi dalga olan s hissedilmifltir. Bir hayk rma ile sesin bir engele çarp p geri dönmesi, yani yank olay sesin dalga hareketi oldu una dair güzel bir örnek oluflturur. Görülüyor ki dalgalar etraf m zda çok s k rastlad m z do a olaylar d r. Bununla birlikte dalgalar n yay lma özelli inden faydalan larak, televizyon, bilgisayar ve cep telefonu gibi teknolojik cihazlar n üretilmesi mümkün olmufltur. Atomun yap s n n bilim adamlar taraf ndan ayd nlat lmas nda da elektromanyetik dalgalar önemli rol oynam fllard r. DALGA HAREKET Durgun suya att m z bir tafl n suya çarpt noktadan itibaren su üzerinde oluflturdu u dairesel flekiller, sarmal bir yay üzerinde yay boyunca ilerleyen atma, rüzgârl havada bayrak dire indeki bir bayra n hareketi ve yine benzer flekilde rüzgarl bir havada bir bu day tarlas ndaki baflak ve saplar n hareketi de birer dalga hareketidir. O halde dalga hareketi, oluflturulan bir titreflim hareketinin esnek bir ortam arac l ile bir noktadan baflka bir noktaya iletilmesidir. Bir ortamda k sa süreli elde edilen bir tek dalgaya ise atma denir. Atmalar n oluflturuldu u kaynak, dalga kayna olarak adland r l r. Dalgalar sadece atmay iletirler. Su üzerinde bir balonu dalgal bir ortamda izlersek balonun yerinin sabit kald n görürüz. Benzer flekilde sarmal yay n üzerine bir kurdele ba lad n z düflünün, yay n titreflimi s ras nda kurdele asla yer de- ifltirmeyecektir. Bu örneklerde iletilen ve dalgay oluflturan, dalga kayna taraf ndan meydana getirilen atmalard r. Bu durumun en güzel örne ini yan yana dizilmifl 5 tane bilye yard m yla gözleyebiliriz. fiekil 5.1 de görüldü ü gibi yan yana dizili olan bilyelere baflka bir bilye çarpt zaman sadece di er uçtaki bilye hareket edecektir. Bunun nedeni sadece atman n iletilmifl olmas d r. Oluflturulan bir titreflim hareketinin esnek bir ortam arac l ile bir noktadan baflka bir noktaya iletilmesine dalga hareketi denir.

98 92 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii fiekil 5.1 Bilyeler yard m yla atman n iletilmesi A V A V a b Atman n ilerlemesine görüntü bak m ndan di er bir örnek ise, stadyumdaki seyircilerin Meksika dalgas dedikleri hareketi yapmalar d r. Stadyumdaki seyirciler bazen tezahürat için s rayla oturup kalkarlar. Böylece bir uçtan bir uca yay lan hofl bir hareket gözlenir. nsan kütlesi sanki dalgalan yor gibi olur. Burada bir uçtan öbür uca yay lan fley insanlar de il, onlar n yapt oturup kalkma hareketidir. Bir durgun su içine at lan tafl n su yüzeyinde meydana getirdi i flekil de iflikli- i sonucu, su tanecikleri denge konumu etraf nda titreflim hareketi yapacaklard r. Ayn flekilde esnek gergin bir yay da s k flt r ld ktan sonra serbest b rak ld nda denge konumu etraf nda titreflim hareketi yapacakt r. O halde, dalga hareketinin oluflabildi i ortamlar esnek ortamlard r. deal esnek bir ortamda enerji kayb olmad kabul edildi inde, bu ortamda enerjinin tanecikler aras nda iletim yolu ile aynen yay ld varsay l r. Dalgalar esnek olmayan bir ortamda yay l rken ise enerji kayb olaca ndan genli i küçülerek söner ve belli bir süre sonra dalga kaybolur. Genel olarak, bir ortamdaki parçac klar n, denge durumu etraf ndaki titreflimleri sonucu oluflan dalgalara Mekanik Dalga denir. Bu dalgalar meydana getirebilmek için, enerji kayna na ve esnek bir ortama ihtiyaç vard r. SIRA S ZDE 1 Sizce dalga hareketi her ortamda oluflur mu? Dalga hareketini gözümüzde canland rman n bir yolu, fiekil 5.2 de görüldü ü gibi, gerilmifl ve bir ucu sabitlenmifl bir ipin di er ucunu ani olarak yukar afla do ru hareket ettirmektir. Bu durumda, bir atma meydana gelir ve bu atma belli bir h zla hareket eder. Bu tip atmalara ilerleyen atma denir. Burada ip, dalgan n yay ld ortamd r. fiekil 5.2 Bir atman n gerilmifl bir ip üzerinde ilerlemesi Dikkat edilirse dalgalanan ipin her parças dalga hareketine dik do rultuda titreflir. fiekil 5.3 de görüldü ü gibi ip üzerinde seçece imiz bir A noktas ipteki dalga hareketi s ras nda yer de ifltirmez. Bu durumda da ip sadece dalgan n hareket do rultusuna dik do rultuda titreflmektedir.

99 5. Ünite - Dalgalar 93 fiekil 5.3 A Gerilmifl bir ip üzerinde ilerleyen atma A A A Bu sefer de bir ucu sabitlenmifl yay parças n n serbest ucunu fiekil 5.4b deki gibi s k flt r p b rakal m. S k flt rd m z yay parças eski durumuna dönmek isteyecek ve bu esnada sa taraftaki yay parças n s k flt rmaya bafllayacak ve bu böyle sürüp gidecektir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta, ortam oluflturan parçalar yani yay, sadece denge durumu etraf nda titreflecektir. Yayda sa tarafa do ru ilerleyen ise yay n kendisi de il s k flt rmad r. Bu durumdaki dalgalar bir ucu sabitlenmifl ipte oluflturulan dalgalara göre farkl oluflum ve yay lma flekli göstermektedir. Bu nedenledir ki dalgalar oluflum ve yay lma do rultular na göre, enine ve boyuna dalgalar olmak üzere iki gruba ayr l r. fiekil 5.4a da görüldü ü gibi dalgan n yay ld ortam n taneciklerinin titreflim hareketinin do rultusu, atmalar n do rultusuna dik ise bu tür dalgalara enine dalgalar denir. fiekil 5.4b de görüldü ü gibi ortam n taneciklerinin titreflim hareketinin do rultusu ile atmalar n yay lma do rultusu ayn ise bu tür dalgalara da boyuna dalgalar denir. Dalgan n yay ld ortam n taneciklerinin titreflim hareketinin do rultusu, atmalar n do rultusuna dik ise bu tür dalgalara enine dalgalar, ortam n taneciklerinin titreflim hareketinin do rultusu ile atmalar n yay lma do rultusu ayn ise bu tür dalgalara boyuna dalgalar denir. fiekil 5.4 Titreflim Yönü Titreflim Yönü Dalga Yönü Enine ve boyuna dalga. Dalga Yönü a b Bilim adamlar, enine ve boyuna dalgalar inceleyerek çevremizdeki birçok olay aç klama imkan n bulmufllard r. Bu araflt rmalar sonucunda; ses dalgalar n n boyuna dalgalar, fl k dalgalar n n enine dalgalar fleklinde yay ld anlafl lm flt r. Deprem sars nt lar ise, hem enine hem de boyuna dalgalar olarak yay lmaktad r. Enine dalgalar özellikle iletiflim teknolojisinde önemli bir yer tutmaktad r.

100 94 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii SIRA S ZDE 2 Belirli aral klarla kendini tekrarlayan harekete periyodik hareket denir. SIRA S ZDE 3 fiekil 5.5 Yay lan Dalga Dalga üzerinde ard fl k iki tepe noktas aras ndaki uzakl a dalgaboyu ad verilir ve λ ile gösterilir. Periyot hareketin bir tam sal n m için geçen zamand r. Frekans ise birim zamanda üretilen dalga say s d r. Bir bilet kuyru unda en öndeki kifli bileti al p kuyruktan ç karsa arkadaki insanlar birer ad m atarak ilerlerler ve aradaki boflluk kapat l r. Bu hareket dalga gibi düflünülürse, oluflan enine mi yoksa boyuna m bir dalgad r? Bir ipin ucunu eflit zaman aral klar ile yukar çekip, tekrar yerine getirirsek oluflan atmalar eflit aral klarla birbirini takip ederler. Böyle bir ip fiekil 5.5 deki gibi sürekli sal narak hareket eder. Bu harekete periyodik hareket denir. Sallanan bir sarkac n hareketi, bir ucundan sabitlenmifl bir yaya ba l kütlenin sal n m basit periyodik harekete örnek olarak gösterilebilir. Periyodik harekete do adan örnekler verebilir misiniz? fiekil 5.5 deki dalga hareketinde, P noktas na dalga tepesi, R noktas na V (dalga h z ) λ dalga çukuru denir. Dalga üzerinde ard fl k iki tepe noktas aras ndaki P uzakl a dalgaboyu ad verilir ve λ A ile gösterilir. Dalgaboyunun birimi SI A birim sisteminde metre (m) dir. Ayn R λ flekilde ard fl k iki çukur aras ndaki mesafe de dalgaboyu kadard r. Herhangi bir atman n tepe noktas n n denge konumuna uzakl na ise genlik denir ve A ile gösterilir. Genlik, dalgay ortaya ç karan enerjinin miktar na ba l d r. Dalgan n enerjisi artarken, genlik de artar. Örne in, bir havuza küçük bir tafl yerine, büyük bir kaya parças atarsan z meydana gelen dalgan n genli i daha büyük olur. Tüm dalgalar belli bir frekansa sahiptir. Birim zamanda oluflan atma say s na frekans denir ve f ile gösterilir. SI birim sisteminde frekans n birimi saniye -1 (s -1 ) veya hertz (Hz) dir. Örne in bir dalga kayna saniyede 10 dalga üretiyor ise bu kayna n frekans 10 dalga/s dir denir. Ard fl k iki atma aras nda geçen zamana ise periyot denir. Periyot T ile gösterilir ve SI birim sisteminde birimi saniye (s) dir. Frekans ve periyot aras nda önemli bir ba nt vard r. Bu ba nt, T 1 = f (5.1) fleklinde ifade edilir ve bütün periyodik hareketlere uygulan r. ÖRNEK Bir harekette frekans 10 Hz dir. Bu hareketin periyodu kaç s dir? Çözüm: Eflitlik (5.1) de hareketin frekans n yerine yazarsak, 1 1 T = = = 01, s f 10 bulunur. Bir T periyodunda dalga, λ dalgaboyu kadar hareket edece inden, bu dalgan n h z ν olmak üzere;

101 5. Ünite - Dalgalar 95 λ = νt (5.2) eflitli ini yazar z. Eflitlik 5.2, yaln z bir ip üzerindeki dalgalar için de il, tüm dalgalar için do rudur. Dalgan n frekans fiziksel olarak, dalga kayna n n frekans d r. Dalga h z ise, dalgan n geçti i ortama ba l d r. Bu durumda Eflitlik 5.2 λ = f v olarak da yaz l r. (5.3) Sarmal bir yayda saniyede 12 atma oluflturuluyor. Ard fl k iki atma aras 10 cm ise, atmalar n yay lma h z kaç cm/s dir? ÖRNEK Çözüm: Ard fl k iki atma aras uzakl k dalgaboyuna eflit oldu undan, λ = 10 cm dir. Sarmal yayda saniyede oluflturulan atma say s ise frekansa eflittir. Yani, f = 12 s -1 dir. O halde, atmalar n yay lma h z Eflitlik 5.3 ten; ν = λf = (10 cm) (12 s -1 ) = 120 cm/s olarak bulunur. Gergin bir ipte atman n yay lma h z ; v = F L m (5.4) ile tan mlan r. Burada F ipi geren kuvvet; m ipin kütlesi; L ipin boyudur. Eflitlik 5.4 e göre bir ip ne kadar gergin ve ince ise o ip üzerindeki yay lma h z o kadar büyük olur. Bir gitar telinin kütlesi 3 g ve uzunlu u 50 cm dir. Dalga h z n n 200 m/s olmas durumunda ipteki gerilme kuvveti kaç N dur? ÖRNEK Çözüm: lk olarak telin kütlesi ve uzunlu unu SI birim sistemine göre 3 g = kg ve 50 cm = m olarak yaz p, Eflitlik 5.4 de verilenleri yerine koyarsak, v = F L m

102 96 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii 200 = F F = 240 N bulunur. Titreflen cisimlerin do al frekanslar yla d flardan etki eden kuvvetlerin zorlay c frekanslar çak fl rsa, yani birbirine eflit olursa, bu durumda cismin genli i her titreflimde artar ve nihayet maksimum bir de ere ulafl r. Bu durum rezonans halidir. SIRA S ZDE 4 Ses, nesnelerin titrefliminden meydana gelen ve uygun bir ortam içerisinde (hava, su vb.) bir yerden baflka bir yere, s k flma ve genleflmeler fleklinde ilerleyen bir dalgad r. Dolay s yla ses, bir bas nç dalgas d r. SIRA S ZDE 5 REZONANS Periyodik ve zorlay c bir etkinin alt nda kalan sistemlerde sal n mlar n olufltu unu biliyoruz. Bu sal n mlar e er sistemin do al frekans na eflit olursa, sistemin genli i sonsuza dek artma e ilimi gösterir. Sonuç olarak sistem, belli bir genlikten sonra bütünlü ünü veya bulundu u durumu koruyamayarak da l r veya bozulur. Bu olaya rezonans denir. Sal n ma neden olabilecek etkiler çok çeflitli olabilir. Örnek vermek gerekirse; kesintili rüzgar etkisi alt ndaki bir köprü, deprem dalgalar nedeniyle oluflan sal - n m etkisi alt ndaki bir bina veya alternatif gerilim etkisi alt ndaki elektriksel bir sistem rezonansa u rayabilir. Do rusal sistemlerin rezonansa girebilmesi için, sal n m genli inin, uygulanan kuvvetle do ru orant l olmas gerekir. E er uygulanan kuvvetin frekans sistemin do al frekans na eflitse rezonans gerçekleflir. Rüzgar etkisi alt ndaki bir köprüyü ele alacak olursak, rüzgar n ani ve de iflken esmesinin neden oldu u titreflim ve sal n mlar sonucunda, köprünün do al frekans ile köprünün maruz kald periyodik rüzgar frekans birbirine eflitlenebilir. Bunun neticesinde sal n m genli i sonsuza gitmeye bafllayaca ndan, rezonansa u rayan köprü bir süre sonra y k lacakt r. Bunun gerçek bir örne i 1940 y l nda Washington da yap lm fl olan Tacoma köprüsünde yaflanm flt r. Bu köprü rüzgar etkisiyle rezonansa girerek y k lm flt r. Bir köprüden geçen askerlerin serbest ad mla yürümelerinin nedeni sizce nedir? SES DALGALARI Ses, ortamda dalgalar halinde yay l r. Fiziksel anlamda ortam oluflturan moleküller gelifligüzel sal n m hareketi yaparlar. Bu gelifligüzel sal n m hareketi nedeniyle moleküller birbirlerine enerji aktar m yapabilirler. Sesin bir yerden bir yere iletilmesi de bir enerji aktar m d r. Bu iki nedenden dolay ses, ortamdaki moleküller taraf ndan yay l r. Ortam sesin yay lmas nda çok önemli bir rol oynarken ayn zamanda da hareketsizdir. Yani ortam ses ile birlikte yer de ifltirmez. Ancak maddesel ortam oluflturan moleküller, üzerlerine etkiyen bas nc komflu moleküle sal - n m hareketleri yaparken aktar rlar. Bu aktar m n do al sonucu, molekülün sonunda sal n ma bafllad konuma geri dönmesidir. Böylece molekül konumunu muhafaza eder. Sonuç olarak madde, sesin tafl nmas nda bir vas ta olmakta ancak konumunu de ifltirmemektedir. Ses bofllukta yay lamaz, çünkü bofllukta s k flmalar iletecek bir madde bulunmamaktad r. Bu nedenledir ki vakum uygulanm fl bir odan n içinde konufltu umuzda sesimiz duyulmaz. Bunun sebebi, vakum uygulanm fl olmas nedeniyle odada titreflimleri kula m za tafl yacak bir ortam n bulunmay fl d r. Kar ya d nda ortam neden daha sessiz olur.

103 5. Ünite - Dalgalar 97 Ses dalgalar, boyuna dalgalara önemli bir örnektir. Bu dalgalar, herhangi bir ortamda (yani gazlar, kat lar ve s v lar), ortam n özelliklerine ba l olan bir h zla yay l rlar. Çizelge 5.1 de sesin çeflitli ortamlardaki yay lma h z de erleri verilmifltir. Yani ses her ortamda farkl bir h zla yay l r. Ses kaynaklar ve insan aras ndaki tafl y c ortam havad r. Do adaki tüm sesler, konuflmalar m z ve müzik sesleri bize hava arac l ile tafl n r. Bu nedenle ses ile ilgili her tart flmam zda aksi belirtilmedikçe iletici ortam öncelikle hava olarak düflünülmelidir. Kat ve s v lar her ne kadar hava kadar elastik olmasalar da tüm maddelerin belirli bir elastikiyeti vard r. Kat maddeleri oluflturan moleküller aras ndaki elastikiyet Young modülü (Y ile gösterilir) olarak adland r l r. Young modülü kat maddelere özgüdür ve hava için do rudan uygulanamaz. Kat ortamlarda sesin h z, ortam n Young modülü (Y ) ile do ru, yo unlu u (ρ) ile ters orant l olarak artar ve afla daki eflitlikle gösterilir: Ses dalgalar boyuna dalgalard r. v = Y ρ (5.5) Young Modülü hakk nda daha fazla bilgi için bu kitapta Ünite 10 daki ilgili bölümü okuyunuz. D KKAT Sesin camdaki yay lma h z n hesaplay n z (Y cam = N/m 2 ve ρ cam = 2400 kg/m 3 ). Çözüm: Eflitlik (5.5 de verilenleri yerine yazarsak sesin h z n Y v = = = 5000 m/s ρ 2400 olarak buluruz. 10 ÖRNEK Sesin çeflitli ortamlardaki h z (m/s) 0 C havada C havada C helyum gaz içinde C hidrojen gaz içinde C suda 1493 Deniz suyunda 1533 Alüminyumda 5100 Bak rda 3560 Kauçukta 1600 Çizelge 5.1 Sesin çeflitli ortamlardaki yay lma h z. Ses esnek bir ortamda, suya at lan cismin meydana getirdi i halkalar gibi dalgalar do urur. Müzikte diyapazon diye tan mlanan bir aletle yapaca m z bir deney, ses dalgalar n daha iyi anlamam za yarayacakt r. Diyapazon, fiekil 5.6 da görüldü ü gibi tahta bir kutu üzerine yerlefltirilmifl çatal biçiminde, iki kollu madeni bir parçad r. Vurulunca, çatal n kollar titreflir. Bu titreflim de, diyapazon un çevresindeki havada baz dalgalar meydana getirir. Söz konusu dalgalar ses dalgalar diye tan mlan r.

104 98 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii fiekil 5.6 Diyapozon Sesin yüksekli i frekans yla gösterilir. Sesin fliddeti herhangi bir noktada birim yüzeye birim zamanda tafl nan enerjidir. Sesin t n s ise ses kayna n n karakteristik bir özelli idir. Deprem dalgalar hem enine hem de boyuna dalgalarla yay l r. Elektromanyetik dalgalar bofllukta yay labilen yani yay lmak için bir ortama ihtiyaç duymayan ve enerji tafl yabilen dalgalard r. Sesin üç fiziksel özelli i vard r: Yükseklik, fliddet, t n. Sesin yüksekli i frekans ile gösterilir. Sesin bir noktadaki fliddeti, o noktadaki birim yüzeye birim zamanda ses kayna ndan tafl nan enerjidir. Sesin t n s ise, ses kayna n n yap s n karakterize eden bir özelliktir. Frekanslar na göre, ses dalgalar üç gruba ayr l r: flitilebilir dalgalar, insan kula - n n duyarl l k s n rlar içinde olan ses dalgalar d r. Bu dalgalar 20 Hz ile Hz frekanslar aras ndad r. Bu sesler, müzik aletleri, bo- azdaki ses telleri ve hoparlör gibi de iflik yollarla yarat labilir: nfrasonik (Sesalt ) dalgalar, iflitilebilir boyutun alt ndaki frekansta olan boyuna dalgalard r. Deprem dalgalar bu dalgalara örnektir. Deprem, yer içinde fay olarak adland r lan k r klar üzerinde biriken biçim de ifltirme enerjisinin, aniden boflalmas sonucunda oluflan yer de ifltirme hareketinin neden oldu u karmafl k, elastik bir dalga hareketidir. Bu yer de ifltirme miktar depremin büyüklü ü ile do ru orant l d r. Ultrasonik (Sesüstü) dalgalar, iflitilebilir mertebenin üstünde frekanslar olan boyuna dalgalard r. Örne in, bu dalgalar, bir kuartz kristaline alternatif elektrik alan n uygulanmas yla elde edilebilir. Ultrasonik ses, günlük hayatta ve teknolojide de kullan l r. Ultrason ya da ultrasonografi modern t bb n vazgeçemedi i görüntüleme yöntemlerinden birisidir. Ultrasonun insan vücudunun içinde olup bitenleri anlamaya yarayan di er görüntüleme yöntemlerden en önemli fark, bu amaca ulaflmak için x- fl nlar n kullanmamas yani radyasyon içermemesi, bunun yerine insan kula n n duyamayaca frekansta ses dalgalar ndan yararlanmas d r. Ultrason cihaz ses dalgalar n n de iflik yo unlukta dokular içinde farkl h zlarda ilerlemesi ve yans mas prensibine dayanan bir mekanizma ile çal fl r. Bu mekanizma asl nda do aya yabanc bir mekanizma de ildir. Yarasalar n uçarken, balinalar n ise denizlerde yüzerken kulland klar sistem de benzer bir prensibe dayanmaktad r. Öte yandan denizalt lar n seyir s ras nda ya da bal kç lar n bal k sürülerini ararken kulland klar sonar cihazlar da ayn mekanizma ile çal fl rlar. ELEKTROMANYET K DALGALAR Gölün yüzeyinde veya gitar telinde oluflan dalgalar görebiliriz. Baz durumlarda ise, örne in ses dalgalar gibi dalgalar gözle göremeyiz. Fakat önceki tart flmalar - m zdan, ses dalgalar n n hava moleküllerinin bas nc ndaki titreflimlerden olufltu unu biliyoruz. Bu tür mekanik dalgan n oluflmas için bir ortama ihtiyaç vard r. Radyo dalgalar, fl k dalgalar, k z lötesi dalgalar ve mikrodalgalar ise bofllukta yay labilir ve enerji tafl yabilirler. Yani bu tür dalgalar n yay lmas için bir ortama ihtiyaçlar yoktur. Bu tür dalgalara elektromanyetik dalga denir. Elektromanyetik dalgalar ilk olarak James Clerk Maxwell taraf ndan öngörülmüfltür ve Heinrich Hertz taraf ndan deneysel olarak do rulanm flt r. Maxwell elek-

105 5. Ünite - Dalgalar trik ve manyetik denklemlerin dalgasal fleklini türetmifltir. Bu da elektrik ve manyetik alanlar n dalgaya benzer bir yap da oldu unu ve karfl l kl simetrik olarak benzediklerini göz önüne sermifltir. Dalga denklemleri ile tahmin etti i fl k h z (c = m/s) ile deneysel olarak ölçülen fl k h z birbirine denk düfltü ünden, Maxwell, fl n kendisinin de bir elektromanyetik dalga oldu u sonucuna varm flt r. Maxwell in denklemlerine göre zamana göre de iflen elektrik alan bir manyetik alan üretir. Ayn flekilde zamana göre de iflen manyetik alan da bir elektrik alan üretir. Bu yüzden, sal n m yapan bir elektrik alan sal n m yapan bir manyetik alan üretir. Bu sal n m yapan alanlar birlikte elektromanyetik dalgay oluflturur. O halde elektromanyetik dalgalar, ivmelendirilmifl elektrik yükleri taraf ndan oluflturulurlar. Yay nlanan bu dalgalar, birbirlerine ve dalgan n yay lma do rultusuna dik olan ve titreflen elektrik ve manyetik alanlardan ibarettir. Bu nedenle elektromanyetik dalgalar enine dalgalard r. Daha basit bir flekilde aç klamak gerekirse, yük sal narak ivmeli hareket yapmal d r. Bu durumda fliddeti art p azalan, de iflken elektrik ve manyetik alanlar oluflacakt r. Böylece oluflan elektrik ve manyetik alanlar sinüzoidal olarak ortamda yay lacakt r. fiekil 5.7 de +x ekseni boyunca c fl k h z ile ilerleyen elektromanyetik bir dalgan n anl k bir gösterimi verilmifltir. Dikkat edilirse elektrik alan vektörlerinin de iflimi ile manyetik alan vektörlerinin de iflimi sinüzodial e ri biçimindedir. 99 Birbirlerine ve dalgan n yay lma do rultusuna dik olan ve titreflen elektrik ve manyetik alanlardan oluflan enine dalgalara elektromanyetik dalga ad verilir. + y E B fiekil 5.7 Pozitif x do rultusunda c h z ile hareket eden sinüzodial elektromanyetik dalgan n flematik gösterimi. + z B E E B B c E + x Elektromanyetik dalgalar ivmeli yük hareketi ile oluflaca na göre, bu dalgalar, çok kolay yollarla elde edilebilir. Örne in sürtünme ile yükledi imiz yüklü plastik çubu u elimizle havada ileri geri sallarsak etrafa elektromanyetik dalga yaym fl oluruz. Ayn flekilde yerçekimi ivmesi ile hareket eden yüklü bir cisimde etrafa elektromanyetik dalga yayar. Ak m tafl yan iletken bir tel elektromanyetik dalga yayar m? 6 SIRA S ZDE

106 100 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Ifl k, bofllukta c = m/s h zla yay l r. Ifl oluflturdu u düflünülen taneciklere, kuantum fizikçileri foton ad n vermifllerdir. Elektromanyetik dalgalar n özelliklerini k saca flöyle s ralayabiliriz: Elektromanyetik dalgalar ivmelendirilmifl yükler yoluyla yay l r. Bofllukta, c fl k h z ile yay lmaktad rlar. Elektromanyetik dalgalarda, elektrik ve manyetik alanlar birbirine diktir. Yani enine dalgalard r. Elektromanyetik dalgalar n yay lmas için ortam gerekmez. E ve B nin bofl uzaydaki ba l büyüklükleri, E / B =c ba nt s ile birbirlerine ba l d r. Elektromanyetik dalgalar, yük tafl maz, enerji ve momentum tafl rlar, bas nç uygularlar. Frekans ve dalgaboyuna göre s ralanm fl elektromanyetik dalgalar n hepsine elektromanyetik spektrum denir. Bu dalgalar (enerjilerine göre) s ras yla; radyo dalgalar, mikrodalgalar, k z lötesi fl nlar, görünür fl k, morötesi fl nlar, x- fl nlar ve gamma fl nlar d r. Elektromanyetik spektrumdaki dalgalar, oluflum sebepleri ve özellikleri Ünite 7 de incelenecektir. IfiIK Görme duyumuz, nesneler hakk nda di er duyular m z n verdi i bilgiden daha fazla bilgiyi bize verir. Temelde ne gördü ümüz, hem fl n özelliklerine hem de kiflinin fiziksel ve psikolojik yorumuna ba l d r. Ifl n do as insanlarda büyük bir merak ve ilgi uyand rm flt r. Buna ra men fl n ne oldu u, yirminci yüzy l n ilk on y l na kadar bir s r olarak kalm flt r. Euclid ve Archimedes fl kla ilgili ilk çal flmalar yapm fllar, Newton ise fl n do ru boyunca tanecik seli fleklinde yay ld n ileri sürmüfltür. Daha sonralar bu taneciklere kuantum fizikçileri foton ad n vermifllerdir. Tanecik modelinin fl n dar bir yar ktan veya küçük bir delikten geçtikten sonra meydana getirdi i olaylar aç klamakta kullan lmayaca n n anlafl lmas ndan sonra Huygens taraf ndan fl n dalga modeli gelifltirilmifltir. Bu modeli daha sonra Young ve Fresnel de desteklemifltir. Ifl k teorilerindeki en büyük ilerlemeyi Maxwell, ivmeli hareket eden elektrik yüklerinin elektromanyetik dalga yayd n ve bunlar n h z n n fl k h z na yak n oldu unu bulmas ile gerçeklefltirmifltir. Maxwell in, fl n asl nda bir dalga oldu unu göstermesi, fl n tanecik modelini savunanlar aras nda bir hoflnutsuzluk yaratt. Böylece fl n bir dalga m yoksa tanecik mi oldu u tart flmas bafllad. Y llar süren tart flmalar n sonunda 1924 y l nda debroglie ve Schrödinger fl n dalga ve tanecik modelini birlefltirerek dalga mekani ini kurdular. Dalga mekani inin gelifltirilmesiyle bu tart flmaya bir nokta konuldu. Buna göre fl k, hem dalga hem de tanecik özelli i gösterir. Yani fl k, foton denilen çok küçük parçalar halinde etrafa yay lmakla birlikte, bu fotonlara hareket s ras nda bir de dalga efllik etmektedir. Bir olay s ras nda fl n dalga yönünü ortaya ç karacak bir özellik ortaya ç k yorsa sonunda fl k dalga gibi davranabilecektir. Di er taraftan olay, fl n tanecik özelli ini ortaya ç karacaksa fl k tanecik gibi davranacakt r. K saca özetlersek fl k ikili bir tabiata sahiptir. Baz olaylarda dalga gibi baz olaylarda da tanecik gibi davranabilmektedir. Önceden de tart flt m z gibi, fl k dalgalar elektromanyetik dalgalard r ve titreflen bir elektrik alanla ona dik ve ayn fazda titreflen bir manyetik alandan ibarettir. Görünür fl n dalga boylar nm aral nda bulunur. Titreflim do rultusu yay lma do rultusuna dik oldu undan, fl k dalgalar enine dalgalard r. Boflluktaki fl k h z daha önceden de ifade etti imiz gibi yaklafl k olarak c = m/ s dir. Ifl k en büyük h za bofllukta hareket ederken sahiptir. Baflka maddeler içinde-

107 5. Ünite - Dalgalar 101 ki h z daima c den daha azd r. Ayr ca, boflluktan baflka ortamlarda, h z dalgaboyuna oldu u kadar maddeye de ba l d r. Çizelge 5.2 de fl n çeflitli ortamlardaki yay lma h z listelenmifltir. Ortam H z (10 8 m/s) Boflluk 2,9972 Hava 2,9970 Su 2,25 Etanol 2,20 Benzen 2,00 Cam 1,97 Elmas 1,24 Çizelge nm dalga boyundaki fl n çeflitli ortamlardaki yay lma h zlar IfiI IN YANSIMASI Dalga kayna ndan ç kan dalgan n, ayn anda ulaflt noktalar n oluflturdu u yüzeye dalga cephesi denir. fiekil 5.8 de görüldü ü gibi dalga cepheleri, merkezden d fla do ru dairesel bir flekilde aç l r. Dalga cephesinin hareket yönünü gösteren oklara fl n denir. Ifl nlar daima dalga cephelerine diktirler. Böylece bir dalgan n hareketini, fl nlar veya dalga cephelerini çizerek belirleyebiliriz. fiekil 5.8 de dalga cepheleri ve fl n yollar n n kaynaktan uzakta nas l davrand - gösterilmektedir. Burada dalga cepheleri, aralar ndaki uzakl k 1m olan dairesel parçalar halindedir. Yani, dalga kayna ilk dalga cephesinden 1m uzaktad r. Dalga kayna ndan çok uzak durumlarda ise dalga cepheleri hemen hemen do ru çizgiler fleklinde oldu unda, fl nlar neredeyse birbirine paralel do rular gibi düflünülebilir. Bu yüzden, uzaklardaki bir kaynaktan gelen dalgalar düzlem dalgalar ve fl nlar da do rusal olarak nitelendiririz. Dalgan n yay lma do rultusuna fl n denir. fiekil 5.8 Ifl nlar ve dalga cepheleri Kaynak çok uzakta Ifl nlar Dalga Cepheleri Dalga kayna ndan ç karak ortamda do rusal olarak yay lan fl nlar herhangi bir yüzeye çarpt klar nda yans maya u rarlar. Yüzeye gelen fl nlar n bir k sm yutulup bir k sm yans m fl olabilir. fiekil 5.9a daki gibi fl nlar n geldi i yüzey pürüzlüyse yans yan fl nlar de iflik yönlerde yans maya u rar. Buna da n k yans ma denir. fiekil 5.9b deki gibi e er fl nlar n düfltü ü yüzey pürüzsüz ve cilal ise fl nlar belli bir yönde yans rlar. Buna da düzgün yans ma denir. Do rusal bir yolla yay lan fl n bir yüzeye çarp p do rultu de ifltirmesine yans ma denir.

108 102 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii SIRA S ZDE 7 Cisimleri hangi tür yans ma sonucu görebiliriz. fiekil 5.9 Ifl n da n k ve düzgün yans mas a b fiekil 5.10 Düzlemde yans ma fiekil 5.10 da görülen yans t c bir yüzeye gelen fl n n yans d ktan sonraki yolu çizilmifltir. Bu flekilde yüzeye gelen fl nla fl n yüzeye geldi i noktadaki yüzey normalinin oluflturdu u düzleme gelifl düzlemi denir. Gelen fl nla yüzey normali aras ndaki aç ya gelme aç s (i ), yans yan fl nla yüzey normali aras ndaki aç ya ise yans ma aç s (r ) denir. Ifl k ile ilgili yap lan deneyler sonucunda gelifl aç s - n n yans ma aç s na eflit oldu u ve yans yan fl n n gelme düzlemi içinde oldu u bulunmufltur. O halde yans ma kanunlar n flöyle ifade edebiliriz: Gelen fl n Normal ( N ) Yans yan fl n i r Yans t c yüzey Gelen fl n, normal ve yans yan fl n, gelme düzlemi içindedir. Yans ma aç s, gelme aç s na eflittir. (i=r) Ifl n izledi i yol, ters yönde gidilirse de ayn d r. Buna tersinirlik ilkesi denir. ÖRNEK fiekilde gelen fl n P ve yans yan fl n R oldu una göre gelen fl n n yüzeyle yapt aç kaç derecedir? Çözüm: P R P Normal (N) R K 60 60

109 5. Ünite - Dalgalar fiekilden görüldü ü gibi, gelen fl nla yans yan fl n aras ndaki aç 60, gelen fl nla normal aras ndaki aç 30 dir. Dolay s yla gelen fl nla yüzey aras ndaki aç 60 olur. En yayg n bilinen yans t c yüzeyler aynalard r. Yans t c yüzeyleri düz olan aynalara düzlem ayna denir. Düzlem aynalar üzerlerine düflen fl nlar n büyük bir k sm n yans t rlar. Bir cismin düzlem aynada gördü ümüz görüntüsü aynan n arkas nda, cismin aynaya uzakl kadar uzakl kta, cismin boyuna eflit ve sanal görüntüdür. Bu durum fiekil 5.11 de gösterilmektedir. fiekil 5.11 deki gibi KL cisminden ç kan fl nlar, düzlem aynada yans d ktan sonra KL nin simetri i olan K' L' den geliyormufl gibi görünürler. Dikkat edilirse yans yan bu fl nlar n kendileri aynan n önünde kesiflmeyip, uzant lar aynan n arkas nda kesiflirler. Bu nedenle oluflan görüntü sanald r. Yans yan fl nlar n uzant lar n n kesiflti i K' noktas K noktas n n görüntüsünü verir. Benzer flekilde L noktas n n görüntüsü de L' olur. fiekil 5.11 de KL cisminin bütün noktalar n n görüntülerini bulmak yerine, sadece uç noktalar - n n görüntüleri bulunmufl ve bunlar birlefltirilmifltir. 103 Düzlem aynada gerçek bir cismin görüntüsü sanald r. fiekil 5.11 Düzlem aynada görüntü oluflumu K L N K L N Bir noktan n bir optik sistem taraf ndan görüntüsünün al nabilmesi için, o noktadan ç kan en az iki fl n n optik sistem taraf ndan yans t ld ktan sonra ya kendilerinin ya da uzant lar n n kesiflmesi gerekir. Yans yan fl nlar n kendileri kesifliyorsa oluflan görüntü gerçek, uzant lar kesifliyorsa oluflan görüntü sanald r. Düzlem aynada gerçek bir cismin görüntüsü sanald r. IfiI IN KIRILMASI fiekil 5.12 de görüldü ü gibi fl k; birinci ortamdan ikinci ortama geçerken, fl n bir k sm yans r, bir k sm da do rultu de ifltirerek ikinci ortamda yoluna devam eder. Ifl n ortam de ifltirirken do rultu de ifltirmesine fl n k r lmas denir. Ifl n do rultusunun de iflmesi, ortam n de iflmesiyle ilgilidir. Ortam de iflmedi i sürece fl n do rultusu de iflmez. 1. ortam 2. ortam gelen fl n δ yans yan fl n Ifl n ortam de ifltirirken do rultu de ifltirmesine fl n k r lmas denir. fiekil 5.12 Ifl n k r lmas k r lan fl n

110 104 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii SIRA S ZDE 8 Hiç bal k tutmaya gidip elinizle bal k yakalamaya çal flt n z m? Bal klar yakalayamad - n z fark etmiflsinizdir? Sebebini aç klar m s n z? Bir fl k fl n n n bir ortamdan di erine geçerken do rultusunun de iflmesindeki temel sebep, fl n farkl ortamlarda farkl h zlarda yay lmas d r. Çizelge 5.2 ye göre, fl n boflluktaki h z en büyüktür. Baflka maddeler içindeyse fl k daha yavafl hareket eder. Ortam n fl n h z n azaltmas n k r lma indisi (n ) denilen bir nicelikle karakterize ederiz. K r lma indisi n c = v (5.6) K r lma indisi daima 1 e eflit veya 1 den daha büyüktür. Çizelge nm dalga boyundaki fl k için baz ortamlar n k r lma indisleri. ile ifade edilir. Burada c fl k h z, ν fl n ortamdaki yay lma h z d r. K r lma indisi birimsiz bir niceliktir. Bofllu un k r lma indisi 1 e eflittir. Ifl k bofllukta en yüksek h - za sahip oldu u için, k r lma indisi daima 1 e eflit veya 1 den daha büyük de ere sahiptir. Çizelge 5.3 de baz ortamlar n k r lma indisi (n ) de erleri verilmifltir. Ortam K r lma indisi Hava 1,003 Su 1,33 Etanol 1,36 Benzen 1,50 Kron Cam 1,52 Elmas 2,42 fiekil 5.12 ye göre gelen fl n n normalle yapt aç ya gelme aç s, (θ 1 ) k r lan fl n n normalle yapt aç ya ise k r lma aç s (θ 2 ) denir. Gelen fl n n do rultusu ile k r lan fl n aras ndaki aç, sapma aç s (δ) ad n al r. Gelen fl n n tamam hiçbir zaman k r lmaz. Gelen fl n n bir k sm iki ortam n arakesit yüzeyinden yans maya u rar. Yani her k r lma olay yan nda mutlaka bir yans ma vard r. Fakat bunun tersi do ru de ildir. Yani her yans ma olay yan nda bir k r lma yoktur. Örne in düzlem aynada fl k sadece yans r, k r lmaz. Durgun su yüzeyinde ise fl n n bir k sm yans r bir k sm k r l r. K r lma yasalar : Gelen fl n, normal ve k r lan fl n ayn düzlem içindedir. Gelme aç s n n sinüsünün k r lma aç s n n sinüsüne oran sabittir. Bu sabite ikinci ortam n, birinci ortama göre k r lma indisi ad verilir ve bu gerçek Snell Yasas olarak bilinir. Bu durum: veya; sin θ 1 sin θ 2 n2 = n = = sabit 1,2 n 1 (5.7) n 1 sinθ 1 = n 2 sinθ 2 (5.8) eflitlikleriyle gösterilir. K r lma indisi büyük olan ortamlara optikçe çok yo un ortam (çok k r c ), k r lma indisi küçük olan ortamlara optikçe az yo un ortam (az k r c ) denir. Optikçe az yo un ortamdan çok yo un ortama geçen fl k fl nlar normale yaklaflarak k r -

111 l r. Optikçe çok yo un ortamdan az yo un ortama geçen fl k fl nlar, normalden uzaklaflarak k r l rlar. Normal do rultusunda gelen fl nlar ise k r lmaya u ramazlar. K r lma indisinin tan m na gör e n=c/v oldu undan, Eflitlik 5.7 yeniden yaz l rsa sin θ sin θ 1 2 = n 2 = n 1 v v Ünite - Dalgalar (5.9) elde edilir. Burada ν fl n birinci ortamdaki h z, ν 2 fl n ikinci ortamdaki h z - d r. Hava ortam ndan suya 53 ile gelen fl n 37 ile k r l yor. Buna göre suyun k r lma indisi kaçt r? (n hava = 1) 105 Optikçe az yo un ortamdan çok yo un ortama geçen fl k fl nlar normale yaklaflarak k r l r. Optikçe çok yo un ortamdan az yo un ortama geçen fl k fl nlar, normalden uzaklaflarak k r l rlar. ÖRNEK Çözüm: Eflitlik 5.8 den; n hava sinθ 1 = n su sinθ 2 n hava sin53 = n su sin37 n hava = 1; sin53 = 0,8 ve sin 37 = 0,6 de erlerini yerlerine yazarsak; (1) (0,8) = (n su ) (0,6) n su = 4 3 olarak bulunur. Dalgalar ve fl k konusunda daha genifl bilgi sahibi olmak için yararlanabilirsiniz. NTERNET

112 106 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Özet A MAÇ 1 A MAÇ 2 Dalga hareketini ve periyodik hareketi tan mlamak. Dalga hareketi, oluflturulan bir sars nt n n veya titreflim hareketinin esnek bir ortam arac l ile bir noktadan baflka bir noktaya iletilmesine denir. Dalgalar n en önemli özelliklerinden birisi sadece sars nt y iletmesidir. Dalga hareketinin oluflabildi i ortamlar esnek ortamlard r. Bir ortamdaki parçac klar n, denge durumu etraf ndaki titreflimleri sonucu oluflan dalgalara Mekanik Dalga denir. Bu dalgalar meydana getirebilmek için, enerji kayna na ve esnek bir ortama ihtiyaç vard r. Belirli aral klarla yinelenen harekete periyodik hareket denir. Sallanan bir sarkac n hareketi, bir ucundan sabitlenmifl bir yaya ba l kütlenin sal n m basit periyodik harekete örnek olarak gösterilebilir. Basit bir grafik üzerinde genlik, dalgaboyu, frekans ve periyodu analiz etmek. fiekil 5.13 Yay lan Dalga p A R λ A λ P R A MAÇ 3 A MAÇ 4 Rezonans olay n belirlemek. Titreflen cisimlerin do al frekanslar ile d flardan etki eden kuvvetlerin zorlay c frekanslar çak fl rsa, yani birbirine eflit olursa, bu durumda cismin genli i her titreflimde artar ve nihayet maksimum bir de ere ulafl r. Bu durum rezonans halidir. Sesin davran fl özelliklerini ve günlük hayatta ses dalgalar n n kullan m n ifade etmek. Ses, nesnelerin titrefliminden meydana gelen ve uygun bir ortam içerisinde (hava, su vb.) bir yerden baflka bir yere, s k flma ve genleflmeler fleklinde ilerleyen bir dalgad r. Dolay s yla ses, bir bas nç dalgas d r. Ses dalgalar, en önemli boyuna dalga örnekleridir. Bu dalgalar, herhangi bir ortamda (yani gazlar, kat lar ve s v lar), ortam n özelliklerine ba l olan bir h zla yay l rlar. Ses her ortamda farkl bir h zla yay l r. Sesin üç fiziksel özelli i vard r: Yükseklik, fliddet, t n. Sesin yüksekli i frekans ile gösterilir. Sesin bir noktadaki fliddeti, o noktadaki birim yüzeye birim zamanda ses kayna ndan tafl nan enerjidir. Sesin t n s ise, ses kayna n n yap s n karakterize eden bir özelliktir. Frekanslar na göre, ses dalgalar üç gruba ayr l r: flitilebilir dalgalar, nfrasonik (Sesalt ) dalgalar ve Ultrasonik (Sesüstü) dalgalar. Günlük hayatta kulland m z ultrason cihaz ses dalgalar n n de iflik yo unlukta dokular içinde farkl h zlarda ilerlemesi ve yans mas prensibine dayanan bir mekanizma ile çal fl r. Her dalga belli bir dalgaboyuna sahiptir. fiekil 5.13 e göre bir tepeden bir tepeye olan ( ki P noktas aras ) toplam mesafeye dalgaboyu ad verilir ve λ ile gösterilir. Dalgaboyunun birimi SI birim sisteminde metre (m) dir. Genlik (A ), dalgay ortaya ç karan enerjinin miktar na ba l d r. Dalgan n enerjisi artarsa, genlik de artar. Birim zamanda oluflan atma say s na frekans denir ve f ile gösterilir. SI birim sisteminde frekans n birimi saniye -1 (s -1 ) veya hertz (Hz) dir. Ard ard na iki atma aras nda geçen zamana periyot denir ve T ile gösterilir. SI birim sisteminde birimi saniye (s) dir. A MAÇ 5 Elektromanyetik dalgan n nas l olufltu unu belirlemek. Elektromanyetik dalgalar, ivmelendirilmifl elektrik yükleri taraf ndan oluflturulurlar. Yay nlanan bu dalgalar, birbirlerine ve dalgan n yay lma do rultusuna dik olan ve titreflen elektrik ve manyetik alanlardan ibarettir. Bu nedenle elektromanyetik dalgalar enine dalgalard r ve fl k h z (c = m/s) ile yay l r. Elektromanyetik dalgalar n yay lmas için bir ortam gerekmez. E ve B nin bofl uzaydaki ba l büyüklükleri, E/B =c ba nt s ile birbirlerine ba l d r.

113 5. Ünite - Dalgalar 107 A MAÇ 6 Ifl n yans mas ve k r lmas olaylar n aç klamak. Dalga kayna ndan ç karak ortamda do rusal olarak yay lan fl nlar herhangi bir yüzeye çarpt klar nda yans maya u rarlar. Yans ma kanunlar : Gelen fl n, normal ve yans yan fl n, gelme düzlemi içindedir. Yans ma aç s, gelme aç s na eflittir. Ifl n ortam de ifltirirken do rultu de ifltirmesine k r lma denir. K r lma kanunlar : Gelen fl n, normal ve k r lan fl n ayn düzlem içindedir. Gelme aç s n n sinüsünün k r lma aç s n n sinüsüne oran sabittir. Bu sabite ikinci ortam n, birinci ortama göre k r lma indisi denir.

114 108 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Kendimizi S nayal m 1. Afla dakilerden hangisi periyodik harekete örnek de ildir? a. Saat yelkovan n n hareketi b. Sabit h zla giden bir tren tekerleklerinin raylarda ç kard ses c. Lunaparktaki atl kar ncan n dönmesi d. Sa l kl bir insan n kalp at fllar e. Sabit ivmeyle h zlanan bir tren tekerleklerinin raylarda ç kard ses 2. Sarmal yay üzerinde saniyede 8 kez oluflturulan dalgalarda ard fl k 3 dalga tepesi aras uzakl k 12 cm ise, dalgan n yay lma h z kaç m/s dir? a. 0,32 b. 0,48 c. 0,50 d. 0,75 e. 1,0 3. Bir dalga hareketi s ras nda afla dakilerden hangisi ya da hangileri gerçekleflir? I. Atman n ilerlemesi II. Dalgan n olufltu u ortama ait taneciklerin bir uçtan di er uca ilerlemesi, III. Enerjinin bir noktadan çevreye yay lmas, a. Yaln z I b. Yaln z II c. Yaln z III d. II ve III e. I ve III 4. Afla daki ifadelerden hangisi yanl flt r? a. Do rusal sistemlerin rezonansa gelebilmesi için, sal n m genli inin, uygulanan kuvvetle do ru orant l olmas gerekir. b. nsan kula için iflitilebilir ses dalgalar, 20 Hz ile Hz frekanslar aras ndad r. Bu sesler, de iflik yollarla yarat labilir. c. Ifl k ve radyo dalgalar enine dalgaya, ses ise boyuna dalgaya örnektirler. d. Bir sisteme uygulanan kuvvetin frekans, sistemin do al frekans na eflitse rezonans gerçekleflir. e. Ses dalgalar n n oluflmas için bir ortama ihtiyaç duyulmaz m lik bir sarmal yay 12 N luk bir kuvvetle gerilince oluflan atmalar n yay lma h z 2 m/s olursa, yay n kütlesi kaç g d r? a. 6 b. 12 c d e Genlik (cm) fiekilde bir dalga hareketinin zamana göre yay lmas verilmifltir. H z 0,5 m/s olarak ölçülen bu dalgalar n dalgaboyu kaç cm dir? a. 20 b. 40 c. 50 d. 80 e Afla dakilerden hangisi elektromanyetik dalgalar n özelliklerinden de ildir? a. Boyuna dalgalard r. b. Yüksüzdürler. c. Momentumlar vard r. d. H zlar ortamdan etkilenir. e. Bofllukta fl k h z ile yay l rlar. 8. A a. 10 b. 20 c. 30 d. 36 e. 45 0,2 0,6 1,0 x y B Zaman (s) Bir düzlem aynaya fiekildeki gibi gelen fl n A, yans yan fl n B dir. x ve y aç lar aras nda x = 4y ba nt s bulundu una göre yans ma aç s kaç derecedir?

115 5. Ünite - Dalgalar ortam 2. ortam Bir düzlem aynaya gelen fl n normalden uzaklaflacak flekilde 30 döndürülürse yans yan fl n hangi yönde kaç derece sapar? a. Ayn yönde 20 b. Ters yönde 20 c. Ayn yönde 30 d. Ters yönde 30 e. Ayn yönde 50 Birinci ortamdan gelen fl n flekildeki yolu izleyerek ikinci ortama giriyor. Buna göre afla dakilerden hangisi do ru de ildir? a. Birinci ortam n k r lma indisi, ikinci ortam n k - r lma indisinden küçüktür. b. Ifl n birinci ortamdaki yay lma h z, ikinci ortamdaki yay lma h z ndan büyüktür. c. kinci ortamdan 37 ile gelen fl n birinci ortama 53 ile geçer. d. kinci ortamdan 53 ile gelen fl n birinci ortama 37 ile geçer. e. Ifl n, birinci ortamdan ikinci ortama geçerken normale yaklaflm flt r.

116 110 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Yaflam n çinden TSUNAM NED R? Tsunami, Japonca da liman dalgas anlam na gelmektedir. Sözcük, dünya dillerine 15 Haziran 1896 dan sonra Meiji depremiyle girmifltir. 21 bin kiflinin hayat n kaybetti i 8,5 büyüklü ündeki Meiji depreminden sonra tarihin gördü ü en büyük tsunimalerden biri meydana geldi. Dalgalar n boyu 38,2 metreydi. Yani katl bir apartman n yüksekli i kadar dev dalgalar olufltu. Tsunami, okyanus ya da denizlerin taban nda oluflan deprem, heyelan ve volkan patlamas, bunlara ba l taban çökmesi, zemin kaymalar gibi olaylar sonucu denize geçen büyük enerjiyle oluflmaktad r. Tsunami ilk olufltu unda tek bir dalga ancak k sa bir süre içinde üç ya da befl dalgaya dönüflür. Dalgalar n birincisi ve sonuncusu çok zay f, ancak di er dalgalar etkilerini k y - larda fliddetli biçimde hissettirecek enerjiyle ilerler. Bu nedenle depremlerden k sa bir süre sonra k y larda görülen yavafl ama anormal su düzeyi de iflimi ilk dalgan n geldi inin habercisi olur. De iflim, arkadan gelecek olan çok kuvvetli dalgalar n öncüsü olabilir. Bu dalgalar da deniz k y s ndaki topraklarda ölümcül ve y k c etki yapar. Tsunamiden korunmak için ne yap labilir? Deniz k y s nda yerleflim yeri seçerken; Tsunami riskini de di er do al afetler (deprem, sel, tayfun vb.) gibi de erlendirmek al nabilecek ilk önlemdir. Küçük bir depremde bile Tsunami olabilir. Hemen yüksek yerlere do ru gidilmelidir. Tsunami nin ilk dalgas geldikten sonra tehlikenin geçti ini sanmay n bazen ikinci dalga ilk dalgadan daha büyük olabilir. Radyodan Tsunami haberlerini dinleyip gerekenler yap lmal d r. Tsunaminin deniz k y s na ilk gelifli su düzeyinin anormal biçimde (depremin büyüklü üne, olufl flekline ve türüne ve deniz durumuna göre yaklafl k dakika içerisinde) yükselmesi ya da çökmesiyle kendini belli eder. Tarihteki Önemli Tsunamiler: 1. M NOS,.Ö DOLAYLARI Yunan adas Santorini de, bir yanarda patlamas n n yol açt dalgalar Girit i silip süpürdü -ve belki de Minos uygarl n n çöküflünü h zland rd. Bu tsunaminin, Atlantis efsanesinin kaynaklar ndan biri oldu u söylenmektedir. 2. CASCAD A, 1700 Amerika k tas n n Kuzeybat Pasifik aç klar nda gerçekleflen çok büyük bir deprem, dev dalgalara neden olmufltur. Japonya da, bu olay n yol açt hasar tan mlayan yaklafl k 300 y ll k kay tlar bulundu. 3. L ZBON, 1755 Aç k denizde oluflan deprem ve ard ndan gelen dalgalar büyük zarara yol açt ; Voltaire in Candide yap t nda da bu olaydan söz edilmektedir. Barbados ta dahi hissedilen felaket, Atlas Okyanusu nun bir ucundan di erine hasar verdi i bilinen tek tsunamidir. 4. SANR KU, 1896 Tsunami tek bir uyar bile vermeden Japonya n n kuzeydo usunu vurdu unda den fazla kifli yaflam - n yitirdi. 5. ALEUT ADALARI, 1946 Alaska aç klar ndaki tsunami befl saat içinde Hawaii k - y lar na ulaflt. Bu olay, Büyük Okyanus tsunami uyar sisteminin gelifltirilmesini h zland rd. 6. fi L, ,5 büyüklü ündeki bir deprem (kay tlara geçen en büyük örnek) Büyük Okyanus boyunca 2200 can alan dalgalar tetikledi. Bu felaket, halk n tsunamilere karfl e itilmesinin gereklili i konusunda yetkilileri alarma geçirdi: Buna karfl n Hawaii de, uyar lar yap ld nda insanlar izlemek için r ht ma topland. (fiili aç klar nda deniz dibinde oluflan 9.5 büyüklü ündeki bu depremin ard ndan yine son yüzy l n en büyük, en güçlü dalgalar görüldü. 11 metre yüksekli indeki tsunami, fiili de bin, Hawaii de 61 kiflinin ölümüne yol açt. Dalgalar, saatte 750 kilometre h zla Japonya k y lar na ulaflt ve de di i yeri y kt. Tsunaminin katetti i mesafe yani fiili-japonya aras yaklafl k 17 bin kilometredir. 7. PAPUA YEN G NE, 1998 Ölümcül dalgalar yla k y fleridindeki çok dar bir alan vuran bu tsunami, 2000 den fazla kiflinin ölümüne yol açarak gözlemcileri flafl rtt. Uzmanlar daha sonralar bunun nedeninin deniz alt nda bir zemin kaymas oldu- unu ö rendi; o dönemde bunun tsunamiyi tetikleyen olaylardan biri oldu unu çok az kifli biliyordu. fiimdi ise bu tür kaymalar n, birçok k y y tehdit etti i bilinmektedir. Kaynak:

117 5. Ünite - Dalgalar 111 Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar 1. e Yan t n z yanl flsa Dalga Terimleri bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 2. b Yan t n z yanl flsa Dalga Terimleri bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 3. e Yan t n z yanl flsa Mekanik Dalga bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 4. e Yan t n z yanl flsa Ses, Rezonans bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 5. c Yan t n z yanl flsa Dalga Hareketi bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 6. b Yan t n z yanl flsa Dalga Hareketi bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 7. a Yan t n z yanl flsa Elektromanyetik Dalgalar bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 8. a Yan t n z yanl flsa Ifl n Yans mas bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 9. d Yan t n z yanl flsa Ifl n K r lmas bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. 10. d Yan t n z yanl flsa Ifl n Yans mas bafll kl konuyu yeniden gözden geçiriniz. S ra Sizde Yan t Anahtar S ra Sizde 1 Bir kap içerisindeki ekmek hamurunun ortas nda elimiz ile bir çöküntü oluflturdu umuzu düflünelim. Bu çöküntü oldu u yerde kal r, çevreye yay lmaz. Dolay - s yla, dalga hareketi her ortamda oluflmaz. S ra Sizde 2 Ortam n taneciklerinin titreflim hareketinin do rultusu ile atmalar n yay lma do rultusu ayn ise bu tür dalgalara boyuna dalgalar denir. Atman n ilerleme yönü bilet kuyru u, insanlar n ilerleme yönü de yine bilet kuyru- u oldu u için bu hareket boyuna dalgaya örnektir. S ra Sizde 3 Dünyan n günefl etraf nda, ay n dünya etraf nda dönmesi, denizdeki dalgalar n sahile vurmalar örnek olarak verilebilir. S ra Sizde 4 Köprüden uygun ad mla geçen askerler titreflimler yarat r ve askerlerin yürüyüfl frekans ile köprünün frekans ayn oldu u anda köprü y k l r. Bunu önlemek için askerler köprüden geçerken serbest yürüyüfl yaparlar. S ra Sizde 5 Bunun nedeni sesin kar taraf ndan so rulmas d r. Kar sayesinde sesin yans mas azal r. Kar yokken asfalttan yans yan ses etrafa yay l r. Kar varken kar sesi so urdu- u için yans ma azal r. S ra Sizde 6 Ak m tafl yan iletken tel kararl ak m tafl d için elektromanyetik dalga yaymaz. S ra Sizde 7 Cisimlerin görülmesi, renklerinin ve flekillerinin ay rt edilmesi da n k yans ma sonucu olur. Aynadaki görüntülerimiz ise düzgün yans ma sonucu oluflur. S ra Sizde 8 Ifl k hava ortam ndan suya geçerken normale yaklaflarak girer. Ifl nlar k r ld ktan sonra göze daha yukar daki bir noktadan geliyormufl gibi görünürler. Sonuç olarak az yo un ortamdan çok yo un ortamdaki cisimlere bakan gözlemciler cismi daha yak nda, çok yo un ortamdan az yo un ortamdaki cisimlere bakan gözlemciler ise cismi daha uzakta görür. Dolay s yla bal k bizim gördü ümüz noktadan daha afla da bir noktada bulundu u için ellerimizle bal yakalamam z zordur. Yararlan lan ve Baflvurulabilecek Kaynaklar Bueche, F. J. ve Jerde D. A., Çolako lu K. (Ed) (2000). Fizik lkeleri. (Cilt 1-2) Ankara: Palme Yay nc l k. Orhun, Ö. ve di erleri, Orhun Ö. (Ed) (2007). Teknolojinin Bilimsel lkeleri. Ankara: Nobel Yay n Da- t m. Serway, R. A. (2002). Fen ve Mühendislik için Fizik 1. Ankara: Palme Yay nc l k. Serway, R. A. (2002). Fen ve Mühendislik için Fizik 2. Ankara: Palme Yay nc l k. Tekin L., Özer A., Candan H., Aksoy S., Yaz M. A. Ve Kahraman Z. (1998). Fizik 4 Dalgalar ve Atom. stanbul: Sürat Bas m Yay n.

118 6TEKNOLOJ N N B L MSEL LKELER -II Amaçlar m z Bu üniteyi tamamlad ktan sonra; Malzemenin atomlar veya moleküllerden olufltu unu aç klayabilecek, Yanma ve paslanma ile ilgili kimyasal ifllemleri basit ifadelerle tan mlayabilecek, Paslanmay önleme yöntemlerini saptayabilecek, Malzemenin esnekli ini Hooke Yasas ile tan mlayabilecek, Gerilme, birim uzama ve Young modülü ile ilgili basit problemleri çözebilecek bilgi ve becerilere sahip olacaks n z. Anahtar Kavramlar Madde Malzeme Atom Molekül Kimyasal Reaksiyon Oksitlenme Paslanma ve Pas Yanma Hooke Yasas Gerilme Birim Uzama Young (Elastisite) Modülü çerik Haritas Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Malzeme Özellikleri G R fi MADDE, MALZEME, ATOM VE MOLEKÜL K MYASAL REAKS YON PASLANMA VE PAS ESNEKL K GER LME, B R M UZAMA VE YOUNG MODÜLÜ

119 Malzeme Özellikleri G R fi Günlük yaflam m zda kulland m z araç ve gereçleri bir düflününüz. Kiminde plastik, kiminde seramik, kimindeyse metaller kullan lmaktad r. Peki bu araç ve gereçlerin de iflik malzemelerden üretilmesini ne belirlemektedir? Her malzemenin sahip oldu u özellikler kullan m alan n belirlemektedir. Örne in, suyla etkileflim halinde olacak araç ve gereçlerde çabuk paslanabilecek malzemeler seçilmemelidir. Yüksek s ya maruz kalacak araç ve gereçlerde çabuk deforme olan plastikler kullan lmamal d r. Kolayca k r labilecek malzemelerle, gerilme s n rlar yüksek olan malzemelerin kullan m alanlar do ru belirlenmelidir. Sonuç olarak malzemenin do ru kullan m, malzeme özelliklerinin bilinmesi ile mümkün olmaktad r. MADDE, MALZEME, ATOM VE MOLEKÜL Bofllukta yer kaplayan ve kütlesi olan yap lara madde denir. Belli bir amaç için do- al ya da yapay olarak üretilmifl maddeleri ise malzeme olarak adland r r z. Günümüzde kulland m z birçok malzeme var: Metal ve metal bileflikleri, seramik, cam, yar iletkenler, bio-malzemeler ve nano-malzemeler gibi. Peki bu malzemelerin kullan m alan n belirleyen nedir? Malzemelerin kullan m alanlar n üretildikleri maddeler belirlemektedir. Örne in yiyecekleri kesmek için kullan lan b çaklarda paslanmaz çelik kullan l r. Bunun nedeni paslanmaz çeli in oksitlenmeye dayan kl ve sert bir malzeme olmas d r. Böylece uzun süre bozulmadan keskin b çaklara sahip olabiliyoruz. Bunun yan nda tekerleklerde çelik kullanmak anlaml de ildir. Araçlar n konforlu olabilmesi için tekerleklerin esnek malzemeden üretilmesi gereklidir. Bununla birlikte tekerleklerin lastik k s mlar n n içinde tekerliklerin dayan kl l n art rmak için çelik kemerler (çelik tel örgü) kullan lmaktad r. Peki çeli- in sert, lasti in esnek olmas n n nedeni nedir? Bu sorunun cevab maddenin yap tafllar olan atomlarda yatmaktad r. Örne in çelik, demir ve karbon bilefli idir. Demir nispeten yumuflak bir malzemedir. Bununla birlikte içerisine %2 oran na kadar karbon kat ld zaman demir mukavemet ve sertlik kazan r. Günümüzde normal çelik yerine daha çok paslanmaz çelik kullan lmaktad r. Normal çelikle paslanmaz çelik aras ndaki fark ise çeli in %10-30 oran nda kromla katk lanmas d r. Böylece demirin paslanmas yani oksitlenmesi önlenmifl olur. Asl nda tüm metaller oksitlenir fakat baz metallerin oksitlenmesi çok yavaflt r. Krom katk l çeli in yüzeyinde de çok ince bir krom oksit oluflur ve çeli in daha fazla oksitlenmesini engeller.

120 114 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii Buraya kadar çeflitli maddelerden bahsettik. Her madde atomlardan oluflur. Maddeyi oluflturan atomlar ve ba yap lar maddenin özelliklerini belirler. Maddenin yap tafllar atomlar ise elektron, proton ve nötrondan oluflur. Elektron eksi yüklü, proton art yüklü ve nötron ise nötr yani yüksüz bir parçac kt r. Atomu oluflturan elektron, proton ve nötron say s atomun özelliklerini belirlemektedir. Atomlar periyodik cetvel diye adland r lan bir tabloda atom say lar na göre s raland r lm fllard r. Atom say s, atomdaki proton say s n göstermektedir. Nötr bir atomda eflit say da elektron ve proton bulunur. Atomlar n di er belirleyici özelli i ise ba l atom kütlesidir ki atomdaki proton ve nötron say s n n toplam n vermektedir. ÖRNEK Bir atomun atom say s 14, ba l atom kütlesi ise 28 dir. Bu atomun nötron say s kaçt r? Çözüm: Atom say s atomdaki proton say s n, ba l atom kütlesi ise proton ve nötron say s n n toplam n göstermektedir. Bu durumda, Ba l atom kütlesi atom say s = nötron say s = 14 bu atomun nötron say s olarak bulunur. Demir, atom numaras 26 olan ve Fe sembolüyle gösterilen, karbon ise atom numaras 6 olan ve C sembolüyle gösterilen bir atomdur. Paslanmaz çelik üretiminde kullan lan krom ise atom numaras 24 olan ve Cr sembolüyle gösterilen bir atomdur. Atomlar kendi aralar nda ba lar yaparak maddeyi olufltururlar. Atomlar n yapt klar bu ba lar atomda bulunan elektron say s ile ilgilidir. Tek veya daha fazla çeflit atomun bir araya gelmesiyle molekül oluflur. Örne in azot gaz N 2 molekülünden oluflmaktad r. Sonuç olarak, moleküller maddelerin sert, yumuflak, esnek ve k r lgan gibi özelliklere sahip olmas nda belirleyici role sahiptirler. SIRA S ZDE 1 Fiziksel olay: Maddenin kimyasal özelliklerinin de iflmeden sadece d fl görünümünde (fiziksel özelliklerinde) meydana gelen de iflikliklerdir. Kimyasal olay: Maddenin kimyasal özelliklerinde meydana gelen de iflikliklerdir. Kimyasal reaksiyon: Maddeler aras nda atomlar n yeniden düzenlendi i etkileflmelerdir. X atomunun 18 protonu ve 17 elektronu oldu u biliniyor. Bu atomun yükü hakk nda ne söyleyebiliriz? K MYASAL REAKS YON Çevremizde hergün fiziksel ve kimyasal olaylara tan k olmaktay z. Örne in, yerdeki kar n havan n s nmas yla erimesi fiziksel bir olayd r. Bu örnekte su, kat halden s v hale geçmifltir. Bununla birlikte kimyasal özelli ini korumufltur. S cak havalarda, su birikintilerinin buharlaflarak yok olmas da fiziksel bir olayd r. Bu durumda su s v halden gaz haline geçmifltir. fiekerin veya tuzun suda çözünmesi, cam n k - r lmas, metal bir parçan n e ilmesi gibi olaylar fiziksel olaylard r. Öte yandan, ka- d n yanmas, kömürün yanmas, yumurtan n piflmesi, demirin paslanmas gibi olaylar kimyasal olaylard r. Karbon (C) atomlar ndan oluflan kömürün yanmas sonucu ortaya, karbondioksit (CO 2 ) ve s ç kmaktad r. Bu kimyasal olayda karbon ve oksijen birbiriyle etkileflmifl ve ortaya yeni bir madde olan karbondioksit ç km flt r. Bu kimyasal reaksiyonu afla daki gibi gösterebiliriz. C (k) + O 2 (g) CO 2 (g) + s Kimyasal formüllerde madde kat haldeyse (k), s v haldeyse (s), gaz haldeyse (g) ve sulu çözelti ise (aq) harfleri kullan larak gösterilir.

121 6. Ünite - Malzeme Özellikleri 115 Kimyasal formüllerde madde kat haldeyse (k), s v haldeyse (s), gaz haldeyse (g) ve sulu çözelti ise (aq) harfleri kullan larak gösterilir. D KKAT Bu reaksiyon yan c madde olan kömürün (karbon zengini madde), tutuflturma s cakl nda oksijenle (O 2 ) reaksiyona girmesini göstermektedir. Peki karbon ve oksijenin kimyasal reaksiyonun sonucunda her zaman karbondioksit mi oluflur? Hay r, ortamda yeterince oksijenin olmamas durumunda ortaya karbondioksit yerine karbonmonoksit (CO) gaz ç kar. C (k) + 1/2 O 2 (g) CO (g) + s Karbonmonoksit zehirli bir gazd r ve k fl aylar nda duydu umuz soba zehirlenmelerinin nedenidir. Sandalyenin baca n n k r lmas fiziksel mi yoksa kimyasal bir olay m d r? PASLANMA VE PAS Paslanma bütün metallerde gerçekleflen bir olayd r ve metalin oksijenle kimyasal reaksiyonuna denir. Bununla birlikte pas, demir oksit için kullan lan bir terimdir. Paslanma, metalin suyla (H 2 O) ve havayla etkileflimi sonras ortaya ç kan bir etkidir. Bu kimyasal reaksiyonda demir, su ve oksijenle reaksiyona girerek demir oksiti, yani pas oluflturur. fiekil 6.1 demirin daha kararl bir hal olan demir oksite dönüflmesi sonucunda ortaya ç kmaktad r. Paslanma için hem oksijene hem de suya ihtiyaç vard r. Demir için paslanma reaksiyonu flöyle gerçekleflmektedir: 2 SIRA S ZDE Paslanma: Metallerin oksijenle kimyasal reaksiyona girmesidir. 2Fe (k) + O 2 (g) + 2 H 2 O (s) 2 Fe(OH) 2 (k) Fe(OH) 2 (k) + çözülmüfl oksijen Fe 2 O 3 (k) (Pas) Havaya maruz kalan demirin zamanla pasland gözlemlenir. Özellikle nemli havalarda (su buhar n n yo un oldu u zamanlar) paslanman n artt gözlemlenmektedir. Bu durumda, yukar daki bilgiler fl nda, havan n oksijen içermesi gerekti ini söyleyebiliriz. Yaflam kayna m z olan hava asl nda bize sa lad oksijenin yan nda azot (N 2 ), argon (Ar) ve karbondioksit içermektedir (Çizelge 6.1). Hava: Temel olarak azot ve oksijenden oluflan gaz kar fl m d r. Gaz Formül Oran (%) Azot N 2 78,084 Oksijen O 2 20,946 Çizelge 6.1 Kuru havay oluflturan temel gazlar Argon Ar 0,930 Karbondioksit CO 2 0,034

122 116 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii fiekil 6.1 Demir oksit oluflumu nedeniyle nehrin renginin k z la dönüflmesi Paslanan metallerin kütlesi artar. ÖRNEK Paslanma bir anlamda metalin kendisini korumas d r. Paslanma yüzeyden bafllad için metalin iç k s mlar oksijene daha az maruz kalacak ve iç k s mlar n paslanmas daha uzun sürecektir. Paslanan metal oksijenle ba yapt için kütlesinde bir art fl olur. Örne in demir (Fe) atomu paslanma sonucunda Fe 2 O 3 molekülüne dönüfltü ü için demir oksit, demire göre daha a rd r. Bu durumda oksitlenme sonucunda demirin kütlesinde bir art fl olmufltur. Demir, oksijen ve suyla reaksiyona girdi i zaman pas oluflur. Paslanma reaksiyonunu düflünerek, paslanan demirin ba l atom kütlesindeki art fl bulunuz. Not: Demirin ba l atom kütlesini 56 akb, oksijeninkini ise 16 akb olarak al n z. akb atomik kütle biriminin k salt lm fl d r. Çözüm: Paslanma reaksiyonuna bak l rsa 2 Fe atomu en sonunda Fe 2 O 3 molekülüne dönüflmektedir. Bu durumda paslanma sonucu demirin ba l atom kütlesindeki art fl 2 x 56 akb = 112 akb (demirin bafllang ç ba l atom kütlesi) (2 x 56 akb) + (3 x 16 akb) = 160 akb (pas n ba l atom kütlesi) 160 akb 112 akb = 48 akb fiekil 6.2 Kalay cevheri olarak bulunur. Bak r n iyi bir s iletimi vard r. Bu yüzden de eskiden yemek kaplar bak rdan üretilirdi. Bak r n artan s cakl kla h zlanan oksitlenmesini önlemek için ise kalaylama denen bir yöntem kullan l rd. Kalay (Sn) gümüflümsü gri renkte (bak n z fiekil 6.2) ve kolay kolay oksitlenmeyen bir maddedir. Baflka bir deyiflle kalaylama bak r n paslanmas n önleyen bir yöntemdir. Böylece, bak r n oksitlenmesinden kaynaklacak zehirlenmeler önlenir.

123 6. Ünite - Malzeme Özellikleri Metallerin paslanmas n önlemek için birçok yöntem vard r. En çok kullan lan yöntemler boyama, ya lama, elektro kaplama gibi yöntemlerdir. Balkon demirlerinin boyanmas n n nedeni havayla ve suyla sürekli temas halinde olan demirin paslanmas n önlemektir. Boyanan demir, hava ve suyla temas edemedi i için paslanmaz. Metal kap lar n ba lant yerlerinde boya kullan lamad için ya lama yap l r. Ya lanmayan kap n n g c rdamas n n nedeni paslanmad r. Bu nedenle belirli aral klarla kap lar n ba lant lar n n ya lanmas gerekmektedir. Di er bir yöntem olan elektro kaplama yönteminde, kaplanacak ve kaplama olarak kullan lacak metaller uygun bir çözelti içerisine konur ve voltaj uygulanarak kaplama gerçeklefltirilir. Kaplanacak metal genelde katot (eksi uç), kaplama olarak kullan lacak metal ise anot (art uç) olur. Do ru ak m kullan larak anotda oluflan katyonlar n (art iyonlar) katoda ulaflmas sa lan r. Bir süre sonra katot olarak kullan lan metalin üzerinde ince bir kaplama oluflur. Bu yöntemle çinko, bak r, nikel, kalay, krom, gümüfl, alt n gibi birçok metal kaplama gerçeklefltirilebilir. Metaller özellikle iletkenlik özellikleri için kullan l rlar. Metalin oksitlenmesi iletkenlik özelli ini bozaca ndan hassas elektronik cihazlarda alt n (Au) kaplama yöntemi çokca kullan lmaktad r. Alt n kolay kolay paslanmayan bir metaldir bu yüzden alt n kapl elektronik ba lant lar uzun süre zarar görmeden özelliklerini koruyabilirler. fiekil 6.3 te bir kafl n gümüfl kaplama ifllemi görülmektedir. Bu düzenekte kafl k katot, gümüfl plaka ise anot olarak kullan lm flt r. Gümüfl plakadan kopan katyonlar n (gümüfl iyonlar ) kafl a ulaflarak gümüfl kaplama ifllemi tamamlan r. Bu ifllemin gümüfl nitrat (AgNO 3 ) sulu çözeltisinin içerisinde gerçekleflti ine dikkat ediniz. Ayn yöntem alt n kaplamakta da kullan lmaktad r (bak n z fiekil 6.4) 117 Elektro kaplama yönteminde katot eksi uç, anot art uçtur. Katyon art iyonlara, anyon eksi iyonlara denir. fiekil 6.3 Elektro kaplama yöntemiyle kafl n gümüfl kaplanmas e - Kafl k Ag + Ag Gümüfl Plaka Ag + AgNO 3 (aq)

124 118 Teknolojinin Bilimsel lkeleri-ii fiekil 6.4 Elektro kaplama yöntemiyle madeni paran n alt n kaplanmas SIRA S ZDE 3 Tam esnek cisim: Uygulanan kuvvetle flekil de ifltirip, kuvvet ortadan kalkt ktan sonra tamamen eski haline dönebilen cisimlere denir. Yar esnek cisim: Uygulanan kuvvetle flekil de ifltirip, kuvvet ortadan kalkt ktan sonra k smen eski haline dönebilen cisimlere denir. Tamamen azot dolu bir odada demir paslan r m? Aç klay n z? ESNEKL K Cisimler üzerine etki eden d fl etkenlere verdikleri tepkilere göre s n fland r l rlar. Örne in F kuvvetinin etkisiyle flekil de ifltiren bir cisim, uygulanan kuvvetin etkisi ortadan kald r ld ktan sonra tamamen eski haline dönebiliyorsa, tam esnek cisim olarak adland r l r. Ayn flartlarda k smen eski haline dönebilen cisimlere yar esnek, eski haline hiç dönemeyen cisimlere ise k r lgan (esnek olmayan) cisimler denir. Kat cisimler üzerine farkl yönlerde uygulanan kuvvetler farkl etkilere neden olmaktad r. Temel olarak bu etkileri flöyle s n fland rabiliriz. i. S k flt rma kuvvetleri: Cismin boyunda k salmaya ve hacimsel olarak de iflime neden olur. fiekil 6.5 S k flt rma kuvvetleri F F F F Esnek olmayan cisim: Uygulanan kuvvetle flekil de ifltirip, kuvvet ortadan kalkt ktan sonra eski haline dönemeyen cisimlere denir. ii. Germe kuvvetleri: Cismin boyunda uzamaya ve hacimsel olarak de iflime neden olur. fiekil 6.6 Germe kuvvetleri F F F F