01 OCAK 2015 ELEKTRİK AKIMI VE LAMBA PARLAKLIĞI SALİH MERT İLİ DENİZLİ ANADOLU LİSESİ 10/A 436
ELEKTRİK AKIMI VE LAMBALAR ELEKTRİK AKIMI Potansiyelleri farklı olan iki iletken cisim birbirlerine dokundurulduğunda potansiyelleri eşit oluncaya kadar birinden diğerine elektrik yükü akışı olur. Potansiyeller eşitlendiğinde yani potansiyel farkı sıfır olduğunda bu akış durur. Akışkanların basınç farkından dolayı akmasını ve basınç farkı ortadan kalkınca akmanın durmasını buna benzetebiliriz. Buna göre, bir devrede yük akışı olabilmesi için, üreteç ve pil gibi aygıtlara ihtiyaç vardır. Şekilde, pil, anahtar ve lamba ile oluşturulan devrede, anahtarın kapatılmasıyla lambanın yandığı gözlenir. Bu durumda lamba üzerinden akım geçtiği anlaşılır. Bir iletken içinde elektronların sürekli olarak akışına elektrik akımı denir. Akım Şiddeti: Bir iletkenin kesitinden bir saniyede geçen elektron miktarına akım şiddeti denir ve i harfi ile gösterilir. Akım şiddeti ampermetre denilen aletle ölçülür. Ampermetre devreye seri bağlanır. Bağlandığı yerin direncini etkilememesi için ampermetrenin iç direnci çok çok küçüktür. Pratikte sıfır kabul edilir. Akım şiddeti birimi amperdir. A harfi ile gösterilir. 1 amperin binde birine miliamper denir. Bir iletkenin kesitinden t sürede geçen yük miktarı q ise, i akım şiddeti, i = q/t bağıntısı ile hesaplanır. Bağıntıya göre, Üretecin veya pilin (+) ucu uzun, ( ) ucu kısa çizgi ile gösterilir. Elektronlar üretecin ( ) kutbundan (+) kutbuna doğru hareket ederler. Fakat akımın yönü, 1
elektronların hareket yönünün tersine yani (+) kutuptan ( ) kutba doğru olduğu kabul edilmiştir. Bir İletkenin Direnci: Elektronlar bir iletken içinde hareket ederken atom ve moleküllerle etkileşir ve enerji kaybederler. İyi iletken olmayan maddeler içinde ise hareket edemez ve akım oluşturamazlar, yani engellerle karşılaşırlar. Maddeler üzerinden geçen akıma karşı bir tepki yani direnme gösterirler. Bu direnmeye direnç denir. Direnç şekildeki gibi gösterilir ve R ile sembolize edilir. Direnç birimi ohm olup kısaca W ile gösterilir. Yalıtkan maddelerin direnci çok büyük olduğundan hiç akım geçirmezler. Elektrik akımını en iyi iletenler saf metallerdir. Kısa Devre: Akımın dirençsiz yolu tercih etmesine kısa devre denir. 2
Şekilde yanmakta olan lambanın iki ucu iletken bir telle birleştirilir yani K anahtarı kapatılırsa, akım dirençsiz yoldan gider. Dolayısıyla lambanın üzerinden giden i akımı artık lamba üzerinden gitmez ve lamba söner. Lamba yerinde bir R direnci olması halinde de aynı durum geçerlidir. r Değişken Direnç (Reosta) Bir iletkenin direncini değiştirmek için kullanılan alete reosta denir. Reostaya ayarlı dirençte denilir. Kısa devre prensibi geçerlidir. Şekilde okun ucuna kadar iki yol vardır. Biri dirençli diğeri dirençsiz yoldur. Akım dirençsiz yolu tercih ettiğinden, devrede yalnız okun ucundan 1 yönünde kalan direnç var demektir. Dolayısıyla ok 1 yönünde hareket ettirilirse, direnç azalır, 2 yönünde hareket ettirilirse direnç artar. 3
Potansiyel Farkı (Gerilim): Potansiyel iş yapabilme yeteneği olarak ifade edilebilir. Potansiyel enerji, depolanmış ve kullanıma hazır enerji demektir. Pil ve üreteçlerde de böyle bir enerji vardır. Potansiyel farkı denildiğinde iki noktanın potansiyellerinin farkı demektir. Üreteçlerin (+) ve ( ) kutuplarının potansiyelleri farklıdır. Dolayısıyla üretecin iki ucu arasında bir potansiyel farkı (gerilim) vardır. Bu potansiyel farkına gerilim de denir. Bir devrenin iki noktası arasında sabit bir potansiyel farkı var ise, bu iki nokta arasında düzenli bir akım oluşur. Evlerde 220 voltluk sabit bir potansiyel farkı kullanıldığı için ampüllerin parlaklığı zamanla değişmez. Potansiyel farkının birimi volttur. V harfi ile gösterilir. Voltmetre denilen aletle ölçülür. Voltmetre devreye paralel bağlanır. Voltmetrenin üzerinden akım geçmemesi için iç direnci çok çok büyük seçilir ve pratikte sonsuz kabul edilir. 4
OHM KANUNU Bir iletkenin uçları arasındaki potansiyel farkının, iletkenden geçen akım şiddetine oranı sabittir. Bu sabit değer iletkenin direncine eşittir. Buna göre, Direnç R, potansiyel farkı V, akım şiddeti i olduğuna göre, kısaca V= i.r olarak yazılır. 5
Ohm kanunu, potansiyel farkı, akım ve direnç üçlüsü arasındaki ilişkiyi belirtir. Potansiyel farkı akım şiddeti grafiğinin eğimi, iletkenin direncini verir. DİRENÇLERİN BAĞLANMASI Seri Bağlama ve Özellikleri denir. Dirençlerin uç uca bağlanmasıyla elde edilen bağlanma şekline seri bağlama 1. Üreteçten çekilen akım kollara ayrılmaz ve bütün dirençlerin üzerinden eşit şiddette akım geçer. i T = i 1 = i 2 = i 3 2. Herbir direncin uçları arasın-daki potansiyel farkının toplamı, üretecin uçları arasındaki potansiyel farkına eşittir. V = V 1 + V 2 + V 3 +... 6
3. Dirençlerin toplamı toplam dirence eşittir. Reş = R 1 + R 2 + R 3 +... Paralel Bağlama ve Özellikleri Birer uçları bir noktada, diğeruçları da başka bir noktada olacak şekilde yapılan bağlama şekline paralel bağlama denir. 1. Paralel bağlamada üreteçten çekilen toplam akım K noktasında kollara ayrılır, sonra tekrar L noktasında birleşir ve üretece gelir. i T = i 1 + i 2 + i 3 olur. 2. Dirençlerin hepsi K ve L noktalarına bağlı olduğu için, K L noktaları arasındaki potansiyel farkı ne ise, bütün dirençlerin uçları arasındaki de o kadardır. Ayrıca üreteç K ve L noktalarına paralel bağlı olduğundan, V = V 1 = V 2 = V 3 dür. 3. Devrenin eşdeğer direncinin tersi, dirençlerin terslerinin toplamına eşittir. 7
Paralel bağlı dirençlerin eşdeğeri, en küçük direnç değerinden daha küçüktür. Paralel bağlı R 1 ve R 2 dirençlerinin eşdeğeri, bağıntısı ile de bulunabilir. Herbirinin değeri R olan n tane özdeş direnç paralel bağlanırsa, eşdeğer direnç, ELEKTROMOTOR KUVVETİ Daha önce pil, akü ve üreteçlerin içinde kullanılmaya hazır bir enerji olduğunu belirtmiştik. İçerisinde mekanik, kimyasal veya başka çeşit enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklere elektromotor kaynakları (emk) denir. Örneğin pil ve akümülatörler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. Üretecin, bir q yükünü devrede dolaştırmak için harcadığı enerji, o üretecin elektromotor kuvveti (emk) olarak tanımlanır. Ɛ ile gösterilir. Her üretecin bir iç direnci vardır. Bu iç direnç ihmal edilmemiş ise devreye seri bağlı direnç gibi hesaba dahil edilir. Örneğin iç direnci r olan bir üretece R direnci bağlanırsa dirençten geçen akım şiddeti ohm kanunundan bulunur. Ɛ= i (R + r) Ɛ= i. R + i. r olur. 8
Burada i. R direncin uçları arasındaki potansiyel farkı, i. r ise iç direncin uçları arasındaki potansiyel farkıdır. Ayrıca üretecin uçları arasındaki V potansiyel farkı V = i. R dir. Eğer üretecin iç direnci ihmal edilmiş ise, üretecin elektromotor kuvveti (Ɛ), üretecin uçları arasındaki potansiyel farkına eşittir. (Ɛ = V). İç direnç ihmal edilmemiş ise Ɛ > V dir. Üreteçler bir devrede akım sağlayan kaynaklardır. Bir iletken üretece bağlanmaz ise, iki ucu arasında potansiyel farkı oluşmaz ve üzerinden akım geçmez. Üreteçlerin Bağlanması 1. Seri Bağlı Üreteçler Bir üretecin (+) kutbunu diğer üretecin ( ) kutbuna bağlanmasıyla elde edilen bağlama şekline seri bağlama denir. Seri bağlı üreteçlerin her birinden eşit şiddette akım çekilir. Dolayısıyla üretecin tükenme süresinden bir kazanç yoktur. Üreteçlerin toplam elektromotor kuvveti, her birinin elektromotor kuvvetlerinin toplamına eşittir. Üreteçler seri bağlı olduğundan iç dirençlerinin toplamı, 2. Ters Bağlı Üreteçler 9
Bir üretecin ( ) kutbunu diğer üretecin ( ) kutbuna ya da (+) kutupların birbirine bağlanmasıyla elde edilen bağlama şekline ters bağlama denir. Ters bağlamada emk lar birbirini yok edici yönde etki yapar. Eğer ters bağlı iki üreteç özdeş ise toplam emk sıfır olur. direnç Büyük emk değeri küçük emk değerinden çıkarılır. Üreteçler ters bağlı olsa da iç dirençler seri bağlıdır. Dolayısıyla toplam iç olur. 3. Paralel Bağlı Üreteçler Üreteçlerin (+) kutbu bir noktada ( ) kutbu da başka bir noktada olacak şekilde birleştirilerek oluşturulan bağlamaya, paralel bağlama denir. Paralel bağlı üreteçler özdeş seçilir. Özdeş olmaması durumunda devre analizi için yeni kurallar gereklidir. Paralel bağlı üreteçlerin devreye verdikleri akımlar eşit olur. Toplam emk üreteçlerden birinin emk sına eşittir. dir. 10
İç direnci önemsiz paralel bağlı üreteç sayısının artması devreden geçen akım şiddetini etkilemez. Fakat üreteç sayısı arttıkça her bir üreteçten geçen akım azalır ve üreteçlerin tükenme süreleri artar. Üreteçlerin Tükenme Süresi 1. Bir üretecin tükenme süresi, yapılış boyutlarına, yapısını oluşturan maddenin cinsine ve üreteçten birim zamanda çekilen akıma bağlıdır. 2. Bir üretecin tükenme süresi, üreteçten çekilen akımla ters orantılıdır. Akım ne kadar çok çekilirse üreteç o kadar çabuk tükenir. 3. Buna göre, devreye eşit şiddette akım veren seri bağlı özdeş üreteç ya da piller paralel bağlı olanlara göre daha çabuk tükenir. ELEKTRİKSEL ENERJİ Uçları arasındaki potansiyel farkı V olan üretece bir R direnci bağlandığında i akımı geçiyor. Akım geçerken çok hızlı hareket eden elektronlar iletkenin atom ve moleküllerine çarparak kazandıkları kinetik enerjilerin bir kısmını bu parçacıklara aktarırlar. Bu enerji ısı enerjisi alarak açığa çıkar. İletkenden t sürede akım geçtiğinde ısıya dönüşen elektriksel enerji (W), 11
V = i. R değeri yerine yazılırsa, W = i 2. R. t olarakta kullanılabilir. V; volt, i : amper, t : saniye cinsinden alınırsa, elektriksel enerji Joule cinsinden bulunur. Isıca yalıtılmış kapta bulunan sıvı içine bir iletken daldırılıp üzerinden i akımı geçirilirse, iletkenin verdiği ısı enerjisi sıvı tarafından alınır. 12
Verilen ısı alınan ısıya eşittir. Q verilen = Q alınan c : sıvının öz ısısı m : sıvının kütlesi T : sıcaklık değişimi Bütün elektrikli su ısıtıcıları bu sisteme göre çalışmaktadır. Elektriksel Güç Bir iletkenin birim zamanda yaydığı elektriksel enerjiye o iletkenin gücü denir. Buna göre, elektriksel güç, P=i, V=i 2.R olur. Ayrıca değeri yerine yazılırsa olarak ta ifade edilebilir. LAMBALAR Basit Bir Elektrik Devresinde Lambanın Parlaklığını Etkileyen Değişkenler: Etrafımızın aydınlanması için ışığa ihtiyaç duyarız ve bu ışığı elde etmemizde lamba aracı olmaktadır. Evlerimizde ve çeşitli yerlerde kullandığımız lambaların farklı parlaklıkta olmalarının nedeni nedir? Elektrik devresi, pilin bir kutbuna bağlanan kablonun devre elemanlarını dolaştıktan sonra, pilin diğer kutbuna bağlanmasıyla oluşur. Elektrik devresinde pil, ampul, ampulün yerleştiği duy gibi devre elemanlarının arasında kablo bulunur. 13
Kablo, ampul, pil ve duy birbirlerine kablo yardımıyla bağlayıp bir elektrik devresi oluşturduğumuzda bağlantılar düzgün bağlanmışsa ve bağlantılar kopmadığı takdirde ampul yanar. Fakat pilin enerjisi tükenirse ampul yanmayı keser. Bu elektrik devremize anahtar bağlayalım anahtar lambanın yanmasını sağlar veya yanmasını engeller. Anahtarı kapatırsak lambamız yanar, eğer anahtarı açarsak lambamız söner. Bu şekildeki basit elektrik devrelerinde lambanın parlaklığı devre içerisindeki farklılıklara bağlıdır. Bu farklılıklara değişken de diyebiliriz. Bağımlı, bağımsız ve kontrol edilen değişkenleri pek çok deney için kullanabiliriz. Bağımlı değişken bizim değiştirdiğimiz değişkene bağlı olarak değişen değişkenler dir. Bağımsız değişken bizim değiştirdiğimiz değişkenler dir. Kontrol edilen değişken ise kontrolümüzde kalan değişkenler dir. 14
Bir elektrik devresine bir ampul bağladığımızı düşünelim, diğerine ise üç ampul bağlayalım. Bu elektrik devrelerinin her ikisinde de pillerimiz özdeştir. Bir ampul bağlı olan devrede lambamız daha parlak yanarken diğer devrede üç lamba pilin enerjisini paylaşacağından lambaların parlaklığı daha az olur. Elektrik devresinde ampul sayısını değiştirdiğimizde ampulün sayısına bağımsız değişken denir. Bir elektrik devresinin özdeş pillerden ve ampullerden oluştuğunu düşünelim. Bir devreyi bir ampul ve bir pilden diğer devreyi bir ampul ve üç pilden oluşturalım. Bu devrelerde pilin fazla olduğu tarafta ampul parlaklığı daha fazla olur, pil sayısı az olan tarafta ise ampul parlaklığı daha az olur. Bu durumda pil sayısı kontrol edilen değişken dir. Ampul parlaklığı ampul sayısına göre değiştiğinden dolayı bağımlı değişken dir. Şekildeki devrede seri olarak bağlanmış özdeş lambaların parlaklıklarını ve parlaklığını etkileyen faktörleri incelersek; 1. Seri bağlı özdeş lambaların üzerlerinden aynı akım geçer ve üzerlerindeki gerilimler eşittir. Bu nedenle lambaların parlaklıkları eşittir. 15
2. Devreye yeni bir ampul eklendikçe yani lamba sayısı arttıkça lambaların parlaklığı azalır. 3. Lambaların biri sönerse ya da patlarsa diğerleri de söner. 4. Devreye takılan pil sayısı arttıkça yani devreye uygulanan gerilim arttıkça lambaların parlaklığı artar. 5. Devredeki seri bağlı pil sayısı artsa bile pilin dayanma süresi (akım verme süresi) değişmez. Yani devreye seri bağlı 1 pil yerine 3 pil bağlarsak bile yine 1 pilin akım verme süresi ne kadar ise 3 pil de o kadar süre akım verir. Şekildeki devrede paralel olarak bağlanmış özdeş lambaların parlaklıklarını ve parlaklığını etkileyen faktörleri incelersek; Lambalar özdeş olduğundan, 1. Ana koldan gelen akım her kola eşit olarak dağılır. Lambaların hepsinin üzerinden aynı akım geçer. 2. Paralel bağlı özdeş lambaların hepsi aynı parlaklıkta yanar. 3. Lambaların sayısı artırılırsın veya azaltılsın devreye bağlı lambaların parlaklıkları değişmez. 4. Paralel bağlı devrede lamba sayısı arttıkça pillerin dayanma süresi azalır. 5. Lambalar üzerindeki potansiyel farkı artırıldıkça parlaklıkları da artar. 16
. 17
1. 4. 2. 5. 6. 3. 7. LAMBALAR İLE İLGİLİ TEST SORULARI 18
8. 12. 9. 13. 10. 14. 11. 15. 19
16. 21. D) 2, 3 ve 4 E) 1, 2 ve 4 17. 22. 23. 18. 19. 24. 20. 25. 20
26. 31. 2 27. 5. 32. 28. 33. 34. 29. 30. 35. 21
41. 42. 43. 38. 44. 40. 36. 22
51. 60. 52. 48. 53. 46. 23
54. 58. 59. 55. 64. 69. 60. 56. 70. 65. 61. 66. 71. 62. 57. 67. 63. 24 72.
73. 84. 76. 74. 85. 77. 75. 78. 25
79. X,Z,T ve Y lambaları bir üretece şekildeki gibi bağlanmıştır. Buna göre elektrik devresinde hangi lambalar ışık verir? (Üretecin iç direnci önemsenmeyecektir.) 83. A) Yalnız X B) Yalnız Y C) X ve Y D) X, Y ve Z E) X, Z ve T 84. 80. Şekildeki devrede K anahtarı açıkken X ve Y lambaları eşit şiddette ışık veriyor. K anahtarı kapatılırsa lambaların parlaklığı nasıl değişir? (Üretecin iç direnci önemsenmeyecektir.) 81. A) X inki artar, Y ninki azalır B) X inki azalır, Y ninki artar C) Her ikisininki de azalır. D) Her ikisininki de artar. E) Her ikisininki de değişmez. Özdeş lambalarla kurulan şekil1 deki devre çözülerek şekil2 deki gibi bağlanırsa X ve Y lambalarının parlaklığı nasıl değişir? (Üretecin iç direnci önemsenmeyecektir.) 85. A) X inki artar, Y ninki azalır B) X inki azalır, Y ninki artar C) Her ikisininki de azalır. D) Her ikisininki de artar. E) Her ikisininki de değişmez. 86. 82. Özdeş lambalarla kurulan şekildeki elektrik devresinde kaç lamba ışık verir? A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 5 26
87. 90. 88. 92. 89. 93. 27
94. 96. 28
94. 97. 95. 29
98. 100. 101. 99. 102. 30
103. 106. 107. 104. A) B) C) D) E) 31
108. 105. 109. 110. 32
114. 117. 115. 118. 119. 116. 33
120. 34
35
1. C 2. A 3. A 4. B 5. E 6. C 7. E 8. D 9. D 10. E 11. E 12. B 13. A 14. C 15. C 16. C 17. A 18. D 19. C 20. A 21. D 22. C 23. E 24. D 25. A 26. D 27. A 28. B 29. E 30. A 31. D 32. A 33. D 34. B 35. A 36. C 37. E 38. D 39. C 40. E 41. C 42. E 43. D 44. B 45. B 46. C 47. B 48. C 49. C 50. D 51. A 52. D 53. B 54. B 55. C 56. A 57. E 58. C 59. B 60. C 61. B 62. C 63. C 64. E 65. C 66. C 67. A 68. D 69. C 70. C 71. D 72. A 73. C 74. D 75. D 76. E 77. C 78. D 79. C 80. E 81. D 82. A 83. E 84. D 85. A 86. C 87. E 88. C 89. E 90. C 91. C 92. A 93. D 94. B 95. E 96. E 97. A 98. A 99. B 100. C 101. C 102. C 103. D 104. A 105. C 106. D 107. D 108. C 109. B 110. B 111. E 112. D 113. A 114. B 115. C 116. C 117. A 118. C 119. C 120. A 36