1 elemanter yük = 1, C

Transkript

1 ELEKTRİK Elektrik, çağımızda eğitilmiş her insanın bilmesi gereken bir kavramdır. Kullandığımız birçok araçta elektrik ve manyetizma yasaları rol oynar: Radyo, televizyon, bilgisayar ve otomobil bunlardan sadece bir kaçıdır.elektrik ve manyetizma olaylarını anlamak için önce elektrostatik (durgun elektrik) kavramı içinde olan, elektrik yükü, elektriksel kuvvet, elektriksel alan ve elektriksel potansiyel ile ilgili bilgiler gereklidir. Bu bilgiler bilinen başka fiziksel kavramlarla bir arada düşünüldüğünde, elektrik akımı ve manyetizma olaylarının nasıl meydana geldiği kolayca anlaşılacaktır. ELEKTRİK YÜKÜ Elektrik yüklerinin varlığını hissetmek için günlük yaşamımızdaki bazı olaylara bakmamız yeterlidir. Örneğin plastik bir tarağı saçımıza sürttükten sonra tarağın kağıt parçalarını çektiğini görürüz. Oluşan çekim kuvveti çoğu kez kağıt parçalarını düşürmeyecek kadar kuvvetlidir. İpek beze sürtülmüş cam çubuk gibi maddelerde de aynı olaylar gözlenir. Bu çekme kuvvetleri şeklinde ortaya çıkan etkilerde elektrik yükleri rol oynamaktadır. Şimdi elektrik yüklerinin nasıl ortaya çıktığını görelim. Elektrik yüklerinin kaynağı atomdur. Elektrik yükleri ve elektriklenmeyi anlamak için atomun temel yapısı ile ilgili bazı özellikleri hatırlamak gerekir. Atom; elektron, proton ve nötron olmak üzere üç temel parçacıktan oluşmuştur. Şekil 1 de görüldüğü gibi bir atomda pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlar çekirdekte yer alır. Negatif yüklü elektronlar çekirdek çevresinde dolanır. 1 proton yükü veya 1 elektron yükü, birim yük olarak adlandırılır. Bu yüke aynı zamanda elemanter yük de denir. 1 elemanter yük = 1, C SÜRTÜNME İLE ELEKTRİKLENME Elektrik yükünün önemli özelliklerinden biri de korunumlu olmasıdır. Birkaç parçacıktan oluşan yalıtılmış bir sistemi ele alalım. Bu sistem başlangıçta yüksüz olsun (pozitif ve negatif yük sayıları eşit). Herhangi bir etkiyle sistemi oluşturan parçacıkların birinden diğerine ( ) yük akışı oluşabilir. Böylece parçacıklar arasındaki yük dengesi bozulur. ( ) yük veren parçacıkta aynı büyüklükte (+) yük fazlalığı oluşur. Ancak sistem bir bütün olarak düşünüldüğünde yine yüksüzdür. (+) yük fazlalığı olan parçacık pozitif yüklü, ( ) yük fazlalığı olan parçacık negatif yüklü olarak tanımlanır. Farklı iki türden iki cisim birbirine sürtündüğünde, sürtünme kuvveti etkisinde cisimlerin birbirinden elektron alış verişi yaptığı görülür. Elektron veren cisim pozitif, elektron alan cisim negatif yüklenir. Aşağıda anlatılan deneyler bu türden yüklenmeye örnektir. Ebonit çubuk ile kürk parçası birbirlerine sürtündüğünde kürk parçasından ebonit çubuğa elektronlar geçer. Ebonit çubuk negatif, kürk ise pozitif yüklenir. Yine buna benzer biçimde; cam çubuk ile ipek bez sürtünmesi sonucunda camdan ipeğe elektron geçer. Cam çubuk pozitif, ipek bez negatif olarak yüklenir. Şekil 2 de görüldüğü gibi cam çubuk ile ebonit çubuk birbirlerini çeker, iki cam çubuk ya da iki ebonit çubuk birbirlerini iter. Ayrıca sürtünmeler sonucunda ebonit ile kürk parçası ya da cam ile ipek bez birbirlerine çekme kuvveti uygular. Buradan, başlangıçta nötr olan iki cisim sürtünme sonunda ters işaretli ve eşit büyüklükte yüklendiği sonucu da çıkarılabilir.

2 Elektrik yüklerinin serbestçe hareket ettikleri maddelere iletken maddeler denir. Yüklerin serbestçe hareket edemediği maddelere yalıtkan maddeler denir. Ebonit, cam gibi maddeler yalıtkan maddelerdendir. Bu tür maddeler sürtünme ile yüklendiklerinde, yalnızca sürtünen bölgeler yüklenir. Yük, maddenin başka tarafına geçemez. Buna karşın bakır, gümüş, altın gibi iletken maddelerin küçük bir bölgesi yüklendiğinde bile yük, cismin her tarafına dağılır. DOKUNMA İLE ELEKTRİKLENME Yüklü iletken bir cisim başka bir iletken cisme dokundurulursa sistemin toplam yükü, cisimlere sığaları oranında dağılır. Dokundurulan cisimler Şekil 3 deki gibi q1 ve q2 yüklerine sahip r1 ve r2 yarıçaplı iki küre olsun. Toplam yük yarıçaplar oranında paylaşılır. (İletken kürelerin elektriksel sığaları yarıçapları ile doğru orantılıdır.) Kürelerin son yükleri q 1 ve q 2 ise, Şekil 4 de kürelerin son yüklerinin yarı çaplarına oranı eşit olmak zorundadır. Birbirine dokunan iletken kürelerin son durumdaki yüklerinin yarı çaplarına oranı eşit olmak zorundadır.yani ; q 1 q 2 = r 1 r 2 Dokunma ile yüklenmede dokunan cisimlerin son yük işareti, sistemin toplam yük işareti ile aynıdır. Yani dokunma sonucunda cisimlerin tümünün yükü; ya (+), ya ( ) ya da sıfırdır. ETKİ İLE ELEKTRİKLENME Yalıtkan bir ayak üzerine yerleştirilmiş nötr K iletken küresine Şekil 5 de görüldüğü gibi ( ) yüklü A cismi yaklaştırıldığında K nın üzerinde, A cismine yakın olan bölgeden diğer tarafa elektronlar akarak bu kısmı ( ) olarak yüklemiş olur. Buna göre K nın iki ucu zıt işaretli olarak yüklenir. K iletken küresine nötr iletken L küresi Şekil 6 daki gibi dokundurulduğunda ise K da (+) L de ( ) yük fazlalığı oluşur. A cismi uzaklaşmadan K ve L birbirlerini etkilemeyecek uzaklığa taşınırsa ve A cismi sistemin dışına çıkarsa K ve L, Şekil 7 de görüldüğü gibi pozitif ve negatif yüklü olur. Bu şekilde meydana gelen yüklenmeye etki ile yüklenme denir. Şekil 7 de görülen iletkenlerin üzerindeki fazlalık yük, dış yüzeydedir. Herhangi bir metal cisimdeki bütün net yükler, bir iletim yolu bulunursa dış yüzeye dağılacak şekilde davranırlar. İçi boş olsun ya da dolu olsun cisimlerin iç yüzeyleri bu nedenle daima nötrdür. Bu sonuç Faraday deneyi ile ayrıntılı biçimde açıklanacaktır.

3 YALITKANLARDA ETKİ İLE ELEKTRİKLENME İletken maddelerin etkiyle nasıl yüklendiğini biliyoruz. Yalıtkan maddelerde ise yük yer değiştirmediği için ilk bakışta etki ile yüklenemez gibi görülebilir. Yalıtkanlarda iletkenler gibi benzer biçimde ancak sınırlı şekilde etkiyle yüklenir. Bu yüklenme şöyle açıklanabilir; Nötr moleküllerin çoğunda (+) ve ( ) yük merkezleri çakışıktır. Ancak yüklü bir cismin etkisindeki yalıtkan cismin üzerindeki her molekülün yük merkezleri az miktarda kayarak ya da dönerek (+) ve ( ) kutuplanma olayı gerçekleşir. Bu olaya kutuplanma denir. Moleküllerdeki yüklerin bu şekilde yeniden düzenlenişi yalıtkanın yüzeyinde bir indüksiyon yükü oluşturur. Bu durum Şekil 8 de gösterilmiştir. Böylece saça sürülen yalıtkan tarağın, nötr olan yalıtkan kağıt parçalarını nasıl çektiği anlaşılmış olur. Etki ile yüklenmede önemli sonuçlardan biri de, yüklü bir cismin nötr iletken bir cisme çekme kuvveti uygulamasıdır. ELEKTROSKOP Cisimlerin elektrikle yüklü olup olmadıklarını ya da hangi türle yüklü olduklarını belirleyen düzeneklere elektroskop denir. Yüklenme, yaprakların hareketine bakılarak yorumlanır. Örneğin, yüksüz bir elektroskop topuzuna ( ) yüklü bir cisim yaklaştırılırsa topuzdan yaprakların her ikisine ( ) yük iletilir. Aynı işaretle yüklenen iki yaprak birbirini iterek açılır (Şekil 9). Yüklü bir elektroskoba yüklü bir cisim yaklaştırılması ya da dokundurulması durumunda elektroskobun yapraklarının yük işareti ve açılma miktarı, sistemdeki yük büyüklüğü ve yük türüne bağlıdır. BİR CİSİM ELEKTROSKOBA YAKLAŞTIRILDIĞINDA ; Yapraklar biraz daha açılırsa cisim elektroskopla aynı yüklüdür. Yapraklar biraz kapanırsa cisim elektroskopla zıt yüklüdür veya yüksüzdür. Yapraklar tamamen kapanıp sonra tekrar açılırsa cismin yükü elektroskopla zıt yüklü ve cismin yükü elektroskobun yükünden daha fazladır. Nötr elektroskoba, yüklü bir cisim yaklaştırıldığında elektroskobun yaprakları ve topuzu zıt yükle yüklenir.örneğin, elektroskoba (+) yüklü cisim yaklaştırıldığında topuz (-); yapraklar (+) yükle yüklenir. Cisim uzaklaştığında ise elektroskop nötr hale gelir.

4 BİR CİSİM ELEKTROSKOBA DOKUNDURULDUĞUNDA Cisim ve elektroskop yüksüz ise herhangi bir değişme olmaz. Cisim yüklü elektroskop yüksüz ise elektroskop cismin yükü ile yüklenir yapraklar açılır. Elektroskop yüklü cisim yüksüz ise cisim elektroskobun yüküyle yüklenir ve yapraklar biraz kapanır. Cisim ve elektroskop zıt yüklü ise, cismin yükü q c, elektroskobun yükü q e olmak üzere; Yüklerin büyüklüğü q e = q c ise ikisi de nötrlenir. Yapraklar kapanır. q e > q c ise elektroskobun yaprakları biraz kapanır.cisim elektroskobun yükü ile yüklenir. q c > q e ise önce elektroskop nötrlenir ve yapraklar tamamen kapanır.daha sonra elektroskop cismin yükü ile yüklenir ve yapraklar yeniden açılır.yapraklardaki açılma cismin ve elektroskobun yük miktarına bağlıdır. YÜK KORUNUMU VE FARADAY DENEYİ Enerji korunumunu mekanikte öğrenmiştik. Elektrikte de elektrik yükü korunumu vardır. Buna göre Evrendeki yüklerin cebirsel toplamı daima sabittir. Bir elektriksel etkileşimde sistemin net yükünün hep aynı kaldığı sonucu, yük korunumu yasası olarak ifade edilebilir. İçi boş bir kapalı iletken sistemin içine yüklü iletken bir cisim dokundurulduğunda cisim tüm yükünü, dışındaki iletkene aktararak nötr hale gelir. İlk kez Faraday tarafından yapılan bu deneyin bir benzeri Şekil 10 da gösterilmiştir. a) İçi boş küre şeklindeki iletken L cismi nötrdür. Bu durumda kürenin dış yüzüne bağlı elektrik yükünü ölçen elektrometre sıfır değerini göstermektedir. b) +10q yüklü K cismi kürenin içine sarkıtılırsa L cisminin iç yüzü, etkiyle 10q olarak yüklenirken, dış yüzeyi +10q yüklenir. L küresi başlangıçta yüksüz olduğu için iç yüzündeki yük miktarı ile dış yüzündeki yük miktarının toplamı sıfırdır. Yüklü K cisminin küre içindeki konumu küreye dokunmadan değiştirilirse etki ile yüklenen iç yüzeydeki yük yoğunluğu değişir, fakat yük miktarı aynı kalır. c) K cismi kürenin içinde dokundurulursa +10q yükü ile iç yüzeydeki 10q yükü birbirlerini nötürleştirir. Böylece K cismi tüm yükünü kaybeder. K ile birlikte L nin iç yüzeyi nötr olur. Toplam net yük, L nin dış yüzeyinde toplanır. L nin dış yüzeyindeki yük, +10q kadardır. d) K cismi sistemin dışına nötr olarak çıkar. K cismi kürenin içinden çıktıktan sonra L nin yük durumu değişmez. İç kısım nötr iken dış yüzeyde elektrometre hala +10q değerinde yük olduğunu göstermektedir. İçi boş iletken kürenin içine bu şekilde dışarıdan yüklü iletken bir cisim devamlı dokundurularak içi boş iletken kürenin dış yüzündeki yük arttırılabilir. Bu olgu, Van de Graaf jeneratörünün dayandığı prensiptir. Van de Graaf jeneratörleri yüksek potansiyel yaratmak için kullanılır, hatta çekirdek fiziği araştırmalarında bu düzeneğin oluşturduğu yüksek potansiyel farkları yüklü parçacıklara çok büyük hızlar kazandırarak, atom çekirdeklerinin parçalanması sağlandı.

5 YÜKLÜ İLETKEN CİSMİN TOPRAKLANMASI İletken bir cisim topraklandığında tüm yükünü kaybeder. Bu olaya, birbirine dokunan iki cismin yük paylaşımı gibi bakabiliriz. Yerküre çok büyük hacime sahip olduğu için yük paylaşımında pratik olarak cismi nötr duruma getirir. Şekil 11 de nötr iletken bir L küresine yaklaştırılan ( ) yüklü K cisminin etkisi görülmektedir. L cisminin topraklanma yardımıyla nasıl pozitif işaretle yüklendiği aşağıdaki aşamalarda gösterilmiştir. a) L cismi,nötr olduğu için yükler homojen olarak küresel cismin dış yüzeyine dağılmıştır. Yani küredeki tüm atomlar nötr durumdadır. b) ( ) yüklü K cismi, L cismi üzerindeki ( ) yükleri sağ tarafa doğru iterek bir kutuplanma (indüklenme) yaratır. K cisminin konumu aynı kaldıkça yükler bu konumda kalacaktır. Eğer K cismi uzaklaştırılırsa nötr durum tekrar yaratılmış olur. c) K cismi aynı konumdayken anahtar kapatıldığında ( ) yükler toprağa akar. L cisminin sağ tarafı nötr olur. Sol tarafta (+) yük fazlalığı K nın etkisine bağlı olarak devam eder. K cisminin konumu aynı kaldığı sürece, şekildeki yük dağılımı aynı kalır. Toprakla bağlantı kurmak, aslında çok büyük iletken küre (yerküre) ile bağlantı kurmak demektir. Bu durumda toprak (yerküre) daima nötr kabul edilir. d) Anahtar açıldığında L cisminde herhangi bir değişiklik olmaz. Yani L cisminin sağ tarafı nötr, sol tarafı (+) yüklüdür. K cisminin konumu devam ettiği sürece yük dağılımında bir değişiklik olmaz. e) Anahtar açıkken K cismi uzaklaştırılıyor. Bu durumda L cismi üzerindeki (+) yük dağılımı homojen olur. Böylece nötr olan L cismi (+) yüklenmiş olur. Burada (+) yük dağılımı homojen bir durum alırken, bu durumu (+) yüklerin sağladığını söyleyemeyiz. Bunu sağlayan şey, ( ) yüklerin hareket edip kürenin dış yüzeyinde homojen bir yük dağılımı yaratmalarıdır. ELEKTRİKSEL KUVVET (COULOMB KUVVETİ) Yüklü cisimler birbirlerine yük miktarıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı bir kuvvet uygularlar. Bu kuvvete Coulomb kuvveti denir. Etkileşen iki cisme etki eden elektriksel kuvvetler her zaman eşit ve zıt yönlüdür. Cisimlere etki eden elektriksel kuvvetler yükleri birleştiren doğru üzerindedir.

6

7

8

9

10

11

12

13

14 HAZIRLAYAN : ENES TUĞRA YAŞAR 10-B / 548