Elektrik Akımı, Devreler ve Direnç

Transkript

1 Elektrik Akımı, Devreler ve Direnç Yazar Doç.Dr. Mustafa ŞENYEL ÜNİTE 7 Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra; basit elektrik devresi yardımıyla elektrik akımını, seri ve paralel bağlı üreteçlerle çalışan devrelerin özelliklerini, seri ve paralel bağlı devre elemanlarının bulunduğu devrelerin özelliklerini, bir iletkenin direncini ve bunun nelere bağlı olduğunu içeren deneylerin nasıl hazırlanıp yapılacaklarını ve bu deneylerin öğrencilerinize anlattığınız kuramsal bilgilerin daha iyi öğrenilmesine sağlayacağı katkıları öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş 77 Elektrik Akımı 77 Elektrik Devreleri 80 Bir İletkenin Direnci 82 Özet 84 Değerlendirme Soruları 84 Yararlanılan ve Başvurulabilecek Kaynaklar 86

2 Çalışma Önerileri Bu üniteye başlamadan önce Ünite 16'yı gözden geçirerek, öğrencilerinizi elektrik deneyleri yaparken dikkat etmeleri gereken hususlarda uyarmayı unutmayınız. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ

3 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ Giriş Fizikte bir kavramın en iyi şekilde anlaşılabilmesi, kavramın kuramsal olarak anlatımının yanında, deneysel olarak da bizzat öğrenci tarafından doğrulanmasıyla mümkün olur. Böylece öğrenci kuramsal olarak öğrendiklerini, deneysel olarak da gözlemek suretiyle kalıcı bilgiler edinir. Öte yandan öğrencinin bir konuyu iyi anlayabilmesi için ise öğretmenin bu konuyu iyi anlamış ve öğrenciye aktarabilmiş olması gerekir. Bunun yolu da öğretmenin, öğrenciyi kuramsal ve deneysel bilgilerle karşı karşıya getirmeden önce, bu bilgileri nasıl aktarabileceğinin hazırlığını yapmasıdır. Bu amaçla, bu ünitede elektrik akımı, direnç ve basit elektrik devreleriyle ilgili bazı deneylerin hazırlanış, yapılış ve amaçları belirlenerek siz öğretmenlerin deneysel bilgileri aktarmaları konusunda nasıl bir yol izlemeleri gerektiği ortaya serilmeye çalışılmıştır. Elektriğin günlük yaşantımızdaki önemi dikkate alındığında, elektrik konusunun derslerdeki anlatımının yanında, burada sözünü edeceğimiz türden deneysel çalışmalarla da desteklenmesi, şüphesiz ki konunun düzgün bir şekilde anlaşılmasına yardımcı olacaktır. 2. Elektrik Akımı Deney 1: Basit Elektrik Devresi Deneyin Amacı: Bu deney bir elektrik devresinde bağlandığı iki nokta arasında potansiyel farkı yaratan ve bu nedenle elektron hareketini oluşturup devreden elektrik akımının geçmesine neden olan pilin meydana getireceği elektrik akımını gözlemek ve elektrik akımını kontrol etmek için kullanılan anahtarların işlevini tanımak amacını gütmektedir. Ayrıca deneyde iletkenlerde elektrik akımını elektronların oluşturduğunun yanında bir elektrik devresinde elektrik akımının yönünün elektronların hareket yönüne ters olduğunu belirlemek ikincil bir amaç olarak söylenebilir. Pil Ampul Şekil 7.1: Basit Elektrik Devresi AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ

4 78 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: 1 pil, pil yatağı, 3 bağlantı kablosu, 5,5 V'luk ampul, duy, anahtar. Deneyin Yapılışı Şekil 7.1 deki devreyi kurarak pili yatağına yerleştiriniz. Ampulün yanıp yanmadığını kontrol ediniz. Anahtar açık olduğu için devreden akım geçmediğinden ampul yanmaz. Anahtarı kapatarak ampulün yandığını gösteriniz. Çünkü anahtar kapatılınca devreden akım geçmeye başlamıştır. Bu kez de anahtarı devreden çıkararak pil ve ampulü iki bağlantı kablosu ile birbirine bağlayınız. Ampulün devamlı yandığını göstererek burada anahtarın devredeki akımı kesme işlevini gördüğünü vurgulayınız. Devreyi tekrar ilk haline getirerek öğrencilere Devrede akım olup olmadığını nasıl anlayabiliriz? sorusunu yöneltiniz. Devre elemanlarının sembollerini kullanarak basit elektrik devresinin Şekil 7.2'deki gibi şemasını tahtaya çiziniz. Bu şemada elektrik akımının ve elektron akımının yönlerini göstererek öğrencilerinizin bunu kavramasını sağlayınız. Şekil 7.2: Ampul, Anahtar ve Pilden Oluşan Elektrik Devre Şeması Deneyde Elde Edilen Sonuçlar ve Yorum Bir pil bağlandığı iki nokta arasında potansiyel farkı oluşturur. Oluşan bu potansiyel farkına voltaj denir. Voltaj elektronların hareketine neden olur. Elektron hareketi ise iletkenlerde elektrik akımını meydana getirir. Elektrik akımını tespit etmenin bir yolu da bir ampul ile basit bir elektrik devresi oluşturmaktır. Günlük hayatta sıkça kullandığımız kontrol kalemi de bu basit ilkeden faydalanılarak üretilmiştir. İşte bu deneyde pil ile devreye sağlanan elektrik akımı bir ampul ile tespit edilmiş ve elektrik akımını kesmek veya açmak için bir anahtar kullanılması gerektiği görülmüştür. Eğer böyle olmasaydı evlerimize kadar gelen elektriği kontrollü olarak kullanmamız mümkün olmazdı. Deney 2: Seri ve Paralel Bağlı Piller Deneyin Amacı: Bu deneyde elektrik devrelerinde elektronların negatif kutuptan pozitif kutba akmasını, yani iletkenden akım geçmesini sağlayan pillerin seri ve paralel bağlanması halinde devreye sağlayacakları akımla ilişkileri gösterilecektir. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ

5 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ 79 Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: 3 pil, pil kutusu, 3 bağlantı kablosu, anahtar, 4,5V luk ampul ve duy Deneyin Yapılışı Üç pili, birinin pozitif kutbu diğerinin negatif kutbuna gelecek şekilde pil kutusuna yerleştirerek Şekil 7.3 teki devreyi kurunuz. Şekil 7.3: Seri Bağlı 3 Pil İle Kurulan Devre Bu şekilde piller seri olarak bağlanmışlardır. Anahtarı kapatarak ampulün parlaklığını gözleyiniz. Pil sayısını birer eksilterek aynı devreyi oluşturarak ampulün parlaklığını gözleyiniz. Pil sayısı azaldıkça ampulün parlaklığı azalacaktır. Çünkü devreden geçen akım şiddeti azalır. Bu kez de üç pili, birbirlerinin pozitif kutbu pozitif kutbuna, negatif kutbu ise negatif kutbuna bağlanacak şekilde pil kutusuna yerleştirerek Şekil 7.4 teki devreyi kurunuz. Bu şekilde piller paralel olarak bağlanmışlardır. Şekil 7.4: Paralel Bağlı 3 Pil İle Kurulan Devre Anahtarı kapatarak ampulün parlaklığını gözleyiniz. Pil sayısını birer azaltarak ampulün parlaklığını gözlemeye devam ediniz. Paralel bağlantıda, seri bağlantının aksine pil sayısı azaldıkça ampulün parlaklığı değişmeyecektir. Çünkü piller paralel bağlandığında devredeki akım şiddeti değişmez. AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ

6 80 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ Deneyde Elde Edilen Sonuçlar ve Yorum Seri bağlı pillerin oluşturduğu devrede akım şiddetinin, pil sayısıyla doğru orantılı olarak arttığı gözlenir. Bu sonuç bir devreye daha çok enerji gerekirse birden çok üretecin seri bağlanması gerektiğini gösterir. Paralel bağlı pillerin oluşturduğu devrede ise akım şiddetinin değişmediği gözlenir. Fakat devreden akım geçme süresi artar. Çünkü devreye aynı akımı yani eşit miktardaki elektronu sağlayan pil sayısı birden çoktur. Bu sonuç devrede daha uzun süre enerji gerekiyorsa birden çok üretecin paralel bağlanması gerektiğini gösterir. 3. Elektrik Devreleri Deney 3: Seri Bağlı Ampuller Deneyin Amacı: Bu deneyin amacı voltmetrenin kullanılmasını öğreterek, voltmetre yardımıyla seri bağlı ampullerde her bir ampulün uçları arasındaki voltajla, devrenin toplam voltajı arasındaki ilişkiyi göstermektir. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: 4 pil, pil kutusu, 3 ampul ve duy, 7 bağlantı kablosu, voltmetre ve anahtar. Deneyin Yapılışı Şekil 7.5: Seri Bağlı Ampuller Üç ampul, dört pil, beş bağlantı kablosu ile Şekil 7.5 teki devreyi kurunuz. Anahtarı kapatarak devreden akımın geçtiğini ampullerin yanmasıyla kontrol ediniz. Voltmetrenin pozitif ucunu A noktasına, negatif ucunu D noktasına koyarak devredeki toplam voltaj değerini okuyunuz(v). Voltmetrenin devrede paralel bağlı olması gerektiğini öğrencilerinize bir kez daha hatırlatınız. Bu değer varsayalım ki 9V olsun. Sonra sırasıyla A ile B, B ile C, C ile D noktaları arasındaki voltajları yine voltmetrenin bu noktalara sırasıyla (+), sonra (-) ucunu koyarak her bir ampulün ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ

7 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ 81 uçları arasındaki voltaj değerlerini okuyunuz(bu değerler sırasıyla V 1,V 2,V 3 olsun). Ampuller özdeş olduğundan bu üç değerde aynı olacaktır. İlk değer 9V ölçülmüş ise her bir ampulün uçları arasındaki voltajın 3V değerinde ölçülmesi gerekir. Şu halde her bir ampulün uçları arasındaki voltaj, toplam voltaja eşittir. Bu gerçeğe öğrencilerinizin dikkat etmesini sağlayınız. Deneyde Elde edilen Sonuçlar ve Yorum Seri bağlı ampullerde, her bir ampulün uçları arasındaki voltajın toplam voltaja eşit olması gerçeği ilk kez Kirchhoff tarafından kapalı bir elektrik devresinde voltaj değerlerinin cebirsel toplamı sıfırdır şeklinde belirtmiştir. Bu ifade I. Kirchhoff yasası olarak bilinir ve V = V 1 + V 2 + V şeklinde ifade edilir. Aslında bu durum enerjinin korunumunun doğal bir sonucudur. Çünkü devredeki kayıpları ihmal edersek piller tarafından devreye sağlanan enerjinin tamamı ampuller tarafından harcanacaktır. Deney 4: Paralel Bağlı ampuller Deneyin Amacı: Bu deneyin amacı ampermetrenin kullanılmasını öğreterek, ampermetre yardımıyla paralel bağlı ampullerde her bir ampulden geçen akımların, ana koldaki akımla arasındaki ilişkiyi göstermektir. Deneyde Kullanılan araç ve gereçler: 4pil, pil kutusu, 3 ampul ve duy, 8 bağlantı kablosu, ampermetre, anahtar. Deneyin Yapılışı Üç ampul, dört pil, yedi bağlantı kablosu ile Şekil 7.6 daki devreyi kurunuz. Şekil 7.6: Paralel Bağlı Ampuller AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ

8 82 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ Anahtarı kapatarak devreden akım geçmeye başladığını ampullerin yanmasıyla kontrol ediniz. Anahtarı açarak ampermetrenin (+) ucunu A noktasına (-) ucunu D noktasına koyduktan sonra anahtarı kapatarak A ampulünden geçen akımı (I A ) okuyunuz. Ampermetrenin devreye seri bağlandığı konusunda öğrencilerinizi uyarınız. Anahtarı tekrar açınız. Ampermetrenin (+) ucunu B noktasına (-) ucunu D noktasına koyduktan sonra anahtarı kapatarak bu kez de B ampulünden geçen akımı (I B ) okuyunuz. Anahtarı tekrar açınız. Aynı işlemi C ampulü için de yapınız. C ampulünden geçen akımı (I C ) da okuduktan sonra anahtarı açarak ampermetreyi (+) ucu E; (-) ucu F noktasına gelecek şekilde bağlayıp anahtarı kapatarak ana koldan geçen akım değerini (I) okuyunuz. A,B,C ampullerinden geçen akımların toplamının, ana koldan geçen akım değerine eşit olduğuna öğrencilerinizin dikkatini çekiniz. Deneyde Elde Edilen Sonuçlar ve Yorum Paralel bağlı ampullerde her bir ampulden geçen akımların toplamı, toplam akıma eşit olur. Bu durum, I = I A + I B + I C 7.2 şeklinde ifade edilir. Bu gerçek ilk kez yine Kirchhoff tarafından Bir elektrik devresinde bir noktadaki akımların cebirsel toplamı sıfırdır şeklinde belirtilmiştir. Bu ifade II. Kirchhoff yasası olarak bilinir. Aslında bu durum yük korunumunun doğal bir sonucudur. Çünkü devreye piller tarafından ne kadar yük yani elektron sağlanıyorsa, devrede elektron kaybı olmayacağına göre ancak o kadar elektron akışı sağlanabilir. 4. Bir İletkenin Direnci Deney 5: Ohm Yasası Deneyin Amacı: Bu deneyde bir iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkı ile iletkenden geçen akım şiddeti arasındaki ilişki araştırılacak ve bu ilişkinin doğru orantılı olduğu gösterilecektir. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: 4 pil, pil kutusu 1 ampul ve duy, 8 adet bağlantı kablosu ve anahtar. Deneyin Yapılışı Şekil 7.7 deki devreyi kurunuz. Önce devrede bir pil varken anahtarı kapatarak ampul yandığında voltmetreden (V 1 ), ampermetreden (I 1 ) değerlerini okuyunuz. Daha sonra iki pil varken (V 2 ) ve (I 2 ) değerlerini okuyunuz. Bu işlemi üç pil için (V 3 ), (I 3 ) ve dört pil için (V 4 ), (I 4 ) değerlerini okuyarak tamamlayınız. ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ

9 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ 83 Şekil 7.7: Bir Ampulün İki Ucu Arasındaki Voltaj İle Akım Şiddeti Arasındaki İlişki Deney Düzeneği Her değeri birbirine oranlayarak V 1 I 1, V 2 I 2, V 3 I 3, V 4 I 4 sonuçlarına öğrencilerinizin dikkatini çekerek, pil sayısı arttıkça V/I oranının değişmediğini görmelerini sağlayınız. Deneyde Elde Edilen Sonuçlar ve Yorum Pil sayısından bağımsız olarak V/I oranının değişmemesi, bir iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkının akım şiddetine oranının sabit olduğunu gösterir. Bu sabit orana iletkenin direnci adı verilir ve R ile gösterilir. Bu gerçek ilk kez Ohm tarafından ortaya atılmış ve R = V I 7.3 eşitliğiyle ifade edilmiştir. Bu ifade Ohm yasası olarak bilinir. Direnç, iletkenin yapıldığı maddenin elektrik akımına karşı koymasının bir ölçüsüdür. Çünkü bir iletkenden akım geçiyorsa iletkendeki elektronlar hareket ediyor demektir. Elektronlar bu hareketleri esnasında iletkeni oluşturan maddenin atomlarıyla çarpışarak hızlarını kaybeder ve daha yavaş hareket ederler. Bu yavaşlamanın sebebi maddenin elektrik akımına karşı koyması yani dirençtir. Bu nedenledir ki elektronların maddenin atomlarıyla çarpışma olasılıklarının artmasına sebep olan iletkenin boyunun artması veya iletkenin kesitinin azalması gibi etkiler iletkenin direncinin artmasına sebep olur. Başka bir deyişle iletkenin R direnci, L boyuyla doğru ve S kesitiyle ters orantılıdır. Orantı sabiti iletkenin yapıldığı maddenin cinsine bağlı bir sabittir ve özdirenç adını alır, ( r ) ile gösterilir. Bu ilişki; R = r L S 7.4 eşitliğiyle ifade edilebilir. AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ

10 84 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ Özet Kısaca üreteç olarak adlandırabileceğimiz pil, akümülatör, jeneratör gibi aygıtlar bir elektrik devresinde bağlandıkları iki nokta arasında potansiyel farkı oluşmasına ve dolayısıyla devreden akım geçmesine sebep olur. Seri bağlı piller devrede akım şiddetinin artmasına, paralel bağlı piller ise devreye sağlanan enerjinin süresinin artmasına sebep olurlar. Seri bağlı devre elemanlarından aynı akım geçer fakat her bir devre elemanının uçları arasındaki voltajların toplamı, toplam voltaja eşittir. Paralel bağlı devre elemanlarında ise voltajlar eşit olmasına rağmen, her bir devre elemanından geçen akımların toplamı toplam akıma eşittir. Bir iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkının, iletkenden geçen akım şiddetine oranı iletkenin direnci olarak adlandırılır. Bir iletkenin direnci boyu ile doğru, kesiti ile ters orantılıdır ve orantı katsayısı iletkenin yapıldığı maddenin belirtici özelliği olan özdirenç adı verilen bir sabittir. Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların yanıtlarını seçenekler arasından bulunuz. 1. Şekildeki elektrik devresinde bütün ampullerin ışık vermesi için hangi anahtarlar kapatılmalıdır? A 3 A 2 + A 1 A. Yalnız A 1 B. Yalnız A 2 C. Yalnız A 3 D. A 1 ve A 3 E. A 2 ve A 3 ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ

11 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ Şekildeki devrede A anahtarı açıkken ışık verdiği halde kapatıldığında ışık vermeyen ampuller hangileridir? A + 4 A. Yalnız 1 B. 1 ve 2 C. 1, 2 ve 3 D. 3 ve 4 E. 1, 2, 3 ve 4 3. Şekildeki 3 devre özdeş ampullerle kurulmuştur. Bu devrelerdeki X, Y, Z ampullerinin ışık şiddetleri I x, I y, I z arasındaki ilişki nasıldır? X Y Z 2V 2V V A. I y = I z < I k B. I y = I z > I k C. I x = I y < I z D. I x = I z < I y E. I x = I y = I z I II III AÇIKÖĞ RETİ M FAKÜLTESİ

12 86 ELEKTRİ K AKIMI, DEVRELER VE Dİ RENÇ 4. Şekildeki I 1 akımının Şekil II' deki I 2 akımına oranı kaçtır? R R I 1 I 2 e e e e e e Şekil I Şekil II A. 1/3 B. 1/2 C. 1 D. 2 E Aynı maddeden yapılmış iki iletken telden boyu L ve yarıçapı r olanın direnci R ' dir. İkincinin boyu 2L ve yarıçapı r/2 ise, direnci kaç R olur? A. 8 B. 4 C. 2 D. 1/4 E. 1/8 Yararlanılan ve Başvurulabilecek Kaynaklar Serway, R., Fen ve Mühendislik İçin Fizik, Cilt II, (Çev. Ed: K. Çolakoğlu), Palme Yayıncılık, Ankara, Resnick, R., Halliday, D., Fiziğin Temelleri, Cilt II, (Çeviren: Prof.Dr.Cengiz Yalçın), Arkadaş Yayınevi, Ankara, Değerlendirme Sorularının Yanıtları 1. C 2. B 3. D 4. E 5. A ANADOLU ÜNİ VERSİ TESİ