Elektrik ve Manyetizma

Transkript

1

2 Elektrik ve Manyetizma Genel Bakış İlköğretim 4 ve 5. sınıfta öğrenciler, çevrelerinde elektrik enerjisi ile çalışan araçları, elektriğin güvenli kullanımını ve basit elektrik devre malzemeleri ( ampul, pil, kablo, anahtar vb.) ile çeşitli devreler kurmayı öğrendiler. 6, 7 ve 8. sınıfta ise öğrenciler; elektriklenme, elektriklenme çeşitleri, akım kavramı, direnç kavramı, elektrik akımının manyetik etkisini çoğunlukla formülsel hesaplamalara girmeden nitel olarak incelediler. Potansiyel farkı olarak da ifade edilebilen gerilimi, bir iletkenin iki ucu arasında akım oluşmasına neden olabilecek enerji farkının bir göstergesi olarak öğrendiler. 9. sınıfta ise öğrencilerin yine çoğunlukla nitel ama ilköğretim düzeyinde öğrendiklerine ilave olarak matematiksel formüller içeren bazı nicel çalışmaları yapmaları gerektiği düşünülmektedir. Örneğin, potansiyel farkı kavramını ilköğretimde sadece pillerin (1,5 V, 9 V vb) ya da şehir geriliminin (220 V) olduğunu ve bu gerilim değerlerinin elektrik devrelerinde bir akıma sebep olduklarını fark ettiler. Bu düzeyde ise potansiyel farkı ile birlikte soyut bir kavram olan akım kavramını daha iyi kavramak için seri ve paralel devrelerde çeşitli uygulamalar yapacaklardır. Manyetizma kavramı yerine bazı kaynaklarda magnetizma da denilmektedir. Bu farklı kullanım orijinal magnetism kelimesinin Türkçeye farklı çevirilerinden kaynaklanmaktadır. B. Ünitenin Amacı Bu ünitede öğrencilerin, i) elektrik akımı, potansiyel farkı ve direnç kavramlarını tanımlamaları, ) seri ve paralel devre uygulamalarını analiz etmeleri) elektrik akımının manyetik etkisini gözlemlemeleri hedeflenmektedir. Böylece öğrencilerin elektrik ve manyetizma hakkında genel bir alt yapıya sahip olmaları beklenmektedir. C.Kavramları Vermek için Kullanılabilecek Yaşamdan Örnekler (Bağlamlar) Kazanımlar en az bir bağlamın parçası olarak verilecek yani bağlamda kavram anlam kazanacak. İdeal olanı aynı kavramın birden fazla bağlam içerisinde verilmesidir. a. Ayarlı elektrik düğmeleri b. Saç kurutma makinesi c. Hızlı trenler d. Elektrik motorları D. Öğrenilecek Bilimsel Kavramlar a. Elektrik akımı b. Potansiyel farkı c. Direnç d. Elektrik akımının manyetik etkisi Elektrik akımı ile ilgili olarak öğrenciler; 1.1 Potansiyel farkını, bir iletkenin iki ucu arasında akım oluşmasına neden olabilecek enerji farkının bir göstergesi olarak ifade edildiğini hatırlayarak basit bir elektrik devresindeki rolünü açıklar 1.2 Bir iletkenin üzerinden geçen akım ile iletkenin uçları arasındaki potansiyel farkı arasındaki ilişkiyi deneyerek keşfeder 1.3 Bir iletkenin direncinin bağlı olduğu faktörleri deneyle gösterir 1.4 Seri ve paralel devrelerde akım, direnç ve potansiyel farkı arasındaki ilişkiyi deneyerek gösterir 2. Elektrik akımının manyetik etkisi ile ilgili olarak öğrenciler; 2.1 Üzerinden akım geçen bir telin etrafında manyetik alan oluşturduğunu belirtir 2.2 Manyetik alan içerisinde üzerinden akım geçen bir tele etkiyen kuvvetin nelere bağlı olduğunu deneyerek keşfeder 2.3 Basit bir elektrik motoru tasarlayarak yapısını açıklar.

3 ELEKTRİK DEVRELERİ Bir üretecin iki kutbu iletken bir telle birlefltirilirse iletkenin içinde sürekli bir elektron akışı olur. Bu elektronlar elektriksel kuvvetin etkisiyle iletken tel içerisinde (-) kutuptan (+) kutba do ru sürekli olarak hareket ederler. Elektron akışı için, üretecin bir kutbundan di er kutbuna kurulan iletken yola elektrik devresi denir. Bir elektrik devresinde elektrik akımının yönü ile elektron akımının yönü birbirine zıttır. Elektrik akımının yönü +'dan -'ye doğru, elektron akımının yönü ise -'den +'ya doğrudur. Resimde basit bir elektrik devresi görülmektedir m : Basit bir elektrik devresi Resi Bir Elektrik Devresinde Devre Elemanları Bir elektrik devresinde kullanılan üreteç, ampermetre, voltmetre, ampul, anahtar, reosta, motor, sigorta vb. araçlara devre elemanları denir. Devre Elemanları: Elektrik yükünün ölçülmesi için yük ölçer gerekir. Basit bir elektrik devresinde şunlar bulunabilir : Direnç ( R ) : İletkenin akıma karşı gösterdiği tepkidir. Reosta: Değişken, ayarlanabilir dirençtir. Üreteç : İki nokta arasında potansiyel fark oluşturarak akımın geçmesini sağlar. Kondansatör ( C ) : Yük depolamaya yarar. Açık anahtar: Elektrik geçişine izin vermez. Kapalı anahtar: Elektrik geçişine izin verir. Lamba: Elektrik enerjisini ışık enerjisine dönüştürür.

4 Motor: Elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirir. Voltmetre ( V ) : Bir elektrik devresinin üzerindeki potansiyel gerilimi ölçer. Devreye paralel bağlanır. İç direnci sonsuzdur. Voltmetreden akım geçmez Ampermetre ( A ) : Bir devre elemanı üzerinden geçen akımı ölçer. Devreye seri bağlanır. İç direnci ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Devre çözümlemesi yapılırken boş tel gibi alınabilir. Elektrik Devresinde Neler Oluyor? Pil, direnç, anahtar ve bağlantı kablolarından oluşan bir elektrik devresini, aşağıdaki şekilde görülen su tesisatına benzetebiliriz. Böylece bir elektrik devresinde neler olduğunu anlamamız kolaylaşır. Su tesisatı içindeki su, vananın açılmasıyla pompa tarafından itilir ve borular içinde ilerler. Kıvrımlı boruya gelen suyun buradan geçmesi zorlaşır. Kıvrımlı borudan geçen su, borular içinde ilerleyerek pompaya geri döner. Suyun tesisat içindeki devri bu şekilde devam eder. Yukarıda verilen şekildeki elektrik devresinde de buna benzer bir durum vardır. Su tesisatındaki suyu, elektrik devresindeki negatif yüklere benzetebiliriz. Pil, pompaya benzer bir görevle elektrik yüklerine elektriksel bir kuvvet uygular. Bu kuvvet etkisi ile elektrik yükleri elektrik enerjisi kazanır ve bu enerji tel boyunca iletilir. Bu durum iletkendeki yükler arasında enerji aktarımına sebep olur. Yüklerin hareketinden kaynaklanan bu enerji aktarımına elektrik akımı denir.

5 Elektrik devresi ve su tesisatının birbirine benzeyen yönleri bulunmakla birlikte benzemeyen yönleri de vardır. Örneğin, su tesisatındaki su borusu kesildiğinde suyun akışı devam eder. Ancak elektrik devresinde bulunan teller arasındaki bağlantı koparıldığında elektrik akımı anında kesilir. Soldaki şekilde elektrik devresinin anahtarı açıkken negatif yükler tel içinde düzensiz hareket eder. Anahtar kapatıldığında ise pilin uyguladığı elektriksel kuvvet ile sağda bulunan şekildeki gibi negatif yükler aynı yönde harekete zorlanır. Böylece elektrik akımı oluşur. Potansiyel Farkının Ölçülmesi Kapalı bir elektrik devresinde elektronlar elektriksel kuvvetin etkisiyle enerjisi fazla olan noktadan enerjisi düflük olan noktaya hareket ederler. Bu olayı tıpkı yüksekte bulunan bir cismi serbest bıraktığımızda aşağıya do ru harekete başlamasına benzetebiliriz. Elektrik devresinin - kutbu + kutbuna göre daha fazla enerjiye sahiptir. Bundan dolayı da elektronlar - uçtan + uca do ru hareket ederler. Bu iki uç arasındaki enerji farkı potansiyel farkı belirtir. Elektron akışı iki uç arasındaki enerji eflit oluncaya kadar devam eder; fark sıfır olunca elektron akışı durur. Elektrik devresinin herhangi iki ucu arasındaki potansiyel farkı voltmetre ile ölçülür. Voltmetre potansiyel farkı ölçülecek olan bu iki nokta arasına paralel bağlanır.voltmetrenin gösterece i de er bu iki nokta arasındaki potansiyel farkını verir.

6 Elektrik Devrelerinde Akım Bir elektrik devresine bağlanan pil, akü, dinamo gibi araçlar devreye enerji sağlayarak elektrik yüklerini harekete geçirir. Dolayısıyla da devrede bir elektrik akımı oluşmuş olur. Elektrik akımının yönü üretecin dış devresinde + kutuptan - kutba doğrudur. Elektrik devrelerinde üretecin + kutbundan çıkan yük miktarı ile devreyi dolaşıp üretecin - kutbuna gelen yük miktarı birbirine eşittir. Üretecin dış devresinde dolaşan yükler bazen tek bir yol takip ederek bazen de birden fazla yol takip ederek ilk konumuna geri döner. Ohm Yasası: Bir iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkın, iletkenden geçen akıma oranı sabittir. V I 2.V 2.I 3.V 3.I sabit R V I.R Direnç akım ve gerilim ile değişmez.

7 Örnek Bir elektrik devresinde 120 voltluk potansiyel fark uygulandığında devreden 8 amperlik akım geçtiğine göre devrenin direnci kaç ohm dur? 1 Aynı devrede potansiyel farkı 3 katına çıkardığımızda devreden geçen akım kaç amper olur? 360 DİRENÇ Bir iletkenin akıma karşı gösterdiği tepkiye direnç denir. Bir iletkenin direnci; 1. İletkenin boyuna ( l ) 2. İletkenin kesitine ( A ) 3. Yapıldığı maddenin özdirencine (ρ ) 4. Sıcaklığa bağlıdır. R. A BİRİM TABLOSU Direnç Özdirenç Uzunluk Kesit R ρ l A Ohm Ohm.m m 2 m denir. Özdirenç: Bir maddenin 1 m uzunluğunda ve 1 m 2 lik kesitindeki kısmın direncine α veya ρ ile gösterilir ve maddeler için ayırt edici bir özelliktir.

8 Örnek Sorular

9 Dirençlerin seri bağlanması: Dirençlerin birer ucu ortak olacak şekilde ard arda bağlanırsa, bu bağlama şekline seri bağlamam denir. Seri bağlı dirençlerden aynı akım geçer. I I 1 I 2 Birden fazla direncin yapmış olduğu işi tek başına yapan dirence eşdeğer direnç denir. R eş R 1 R 2 İki nokta arasındaki potansiyel fark; V V 1 V 2 V I.R 1 I.R 2 I.(R1 R2 ) I. Reş Örnek

10 Dirençlerin paralel bağlanması: Dirençlerin bir uçları bir noktaya diğer uçları da başka bir noktaya bağlı ise, bu tür bağlamaya paralel bağlama denir. I I1 I2 1 R eş 1 R 1 1 R 2 V V 1 V 2 Paralel kollardaki akım dirençlerle ters orantılıdır. Direnci büyük olan koldan küçük akım geçer. Paralel bağlı devrede eşdeğer direnç en küçük direnç değerinden daha küçüktür. Örnek

11 ÇALIŞMA SORULARI 1 2

12 3 4 5

13

14 İçinden Akım Geçen Bir İletkenin Etrafında Oluşturduğu Magnetik Alan

15 Bir iletken telin içerisinden elektrik akımı geçirilirse iletken telin etrafında magnetik alan oluşur. İletken telin etrafında oluşan magnetik alanın şiddetini gösteren magnetik alan kuvvet çizgileri kapalı daireler şeklindedir. İçinden akım geçen iletken telin etrafında magnetik alan oluşturmasına elektromagnetizma denir. İletken telin etrafında magnetik alanın oluşmasının nedeni, iletken teldeki elektrik yüklerinin (yani elektronları) (aynı yönde) hareket etmesidir. İletken telin etrafında oluşan magnetik alanın şiddeti, iletken telden geçen akım şiddeti ile doğru orantılıdır. (Yüksek gerilim hatlarının etrafında oluşturduğu şiddetli magnetik alan nedeniyle bu hatlara yaklaşan helikopterler düşebilirler). İletkenden geçen elektrik akımının yönü değişirse (üretecin kutupları değişirse) magnetik alanın yönü de değişir. İletken tel kartondan geçirilip, karton üzerine demir tozları serpilirse karton üzerinde iletken telin etrafında kapalı daireler şeklinde magnetik alan kuvvet çizgileri oluşu (gözlenir). İletken telin yakınına pusula konursa, pusula magnetik alan yönünde sapar. İçinden akım geçen iletken telin etrafında magnetik alan oluşturduğu 1820 de Hanse Örsted tarafından bulunmuştur. İçinden akım geçen iletken telin etrafında oluşturduğu magnetik alanın yönü Frasız bilim adamı Andre Maric Ampere tarafından bulunmuştur. Elektro Magnetik (Manyetik) Kuvvet (EMK) : Bir mıknatısın magnetik alanı içerisinde bulunan iletken telden elektrik akımı geçirildiğinde iletken tele etki eden kuvvete elektro magnetik (manyetik) kuvvet denir. Elektro magnetik kuvvetin oluşmasının nedeni, mıknatısın magnetik alanı ile içinden akım geçen iletken telin etrafında oluşturduğu magnetik alanın birbirlerini etkilemesidir. (Magnetik alan, elektrik akımını etkilemiştir). Elektrik motorları ve jeneratörler elektro magnetik kuvvetin oluşması prensibine göre çalışırlar. Elektro Magnetik Kuvvetin Büyüklüğünün Bağlı Olduğu Faktörler :

16 Elektro magnetik kuvvetin büyüklüğü; Mıknatısın şiddetine yani magnetik alanın şiddetine yani magnetik alan kuvvet çizgilerinin sayısına bağlıdır ve doğru orantılıdır. İletken telden geçen akım şiddetine bağlıdır ve doğru orantılıdır. İletken telin (magnetik alan içinde kalan) uzunluğuna bağlıdır ve doğru orantılıdır. İletken telin magnetik alandaki durumuna (konumuna = aralarındaki açıya) bağlıdır. İletken tel ve magnetik alan birbirlerine dikse elektro magnetik kuvvet en büyük değeri alır. İletken tel ve magnetik alan birbirlerine paralelse elektro magnetik kuvvet sıfır olur. Elektrik Motorları Nasıl Çalışır? Elektrik motorları, elektro magnetik kuvvetin etkisiyle çalışır. Devreye elektrik akımı verildiğinde bu akım fırçalar yardımıyla toplaçlara, toplaçlardan da akım makarasına geçer. Akım makarası elektrik akımının etkisiyle mıknatıslık özeliği kazanır ve N, S olmak üzere iki kutbu oluşur. Bu kutuplara (kutuplar arasında oluşan magnetik alana), statorun oluşturduğu magnetik alan etki ederek yani elektro magnetik kuvvet uygulayarak aynı kutupların birbirini itmesi, zıt kutupların birbirini çekmesi prensibine göre akım makarasının dönmesini sağlar. (Bir magnetik alan içerisinde bulunan iletken telden elektrik akımı geçirilirse iletken telin etrafında magnetik alan oluşur. Mıknatısın ve iletken telin magnetik alanlarının birbirini etkilemesi sonucu elektro magnetik kuvvet oluşur ve bu kuvvet etkisiyle motorun stator kısmı döner). Bir elektrik motoru yapalım Küçüklüğümde oyuncaklara çok meraklıydım. Ama çok kıymetli şeylerdi, o yüzden güzel oyuncaklara sahip çocuklara gıpta ile bakardık. Şöyle güzel pilli bir araba aldırabilmek için çok uğraşmıştım. En sonunda kendim yapmaya karar verdim. Ama bu kez de elektrik motoru bulmak sorundu. Eski, bozuk teyplerden veya benzer cihazlardan sökerek elde ederdim. Bu sayede öğrendiğim şeyleri inkar edemem. İşte benzer şekilde sizin de çocuklarınıza birşeyler öğretmenizi sağlayacak basit bir elektrik motoru. Çok bait parçalardan elde ediliyor. Dolayısı ile yapmak çok kolay. Pil Mıknatıs Bakır kablo Çengelli iğne Lastik bantlar İşte sadece bunları kullanarak bir elektrik motoru yapabiliriz.

17 Kabloyu pilin etrafında tur dolayıp bir sarım elde edelim. Elde ettiğimiz sarımı iki ucu açık kalacak şekilde pilden ayıralım.

18 Uçlarını güzelce saralım ki sarımımız dağılmasın. Sarımımızın uclarını bıçakla kazıyalım. Çünkü bazı kablolar yalıtkanla kaplı olur. Lastikler mıknatısı ve çengelli iğneleri şekildeki gibi tutturalım.

19 Çengelli iğnelerin yuvarlak kısımlarına sarımımızı yerleştirdiğimizde motorumuz çalışmaya başlayacaktır.

20

21