2. HAFTA BLM223 Yrd. Doç Dr. Can Bülent FİDAN hdemirel@karabuk.edu.tr Karabük Üniversitesi Uzaktan Eğitim Uygulama ve Araştırma Merkezi
2 2. AKIM, GERİLİM E DİRENÇ 2.1. ATOM 2.2. AKIM 2.3. ELEKTRİK YÜKÜ 2.4. GERİLİM 2.5. DİRENÇ 2.6. ELEKTRİK DERESİ 2.7. ELEKTRİK DERESİNDE ÖLÇÜMLER
3 2. AKIM, GERİLİM E DİRENÇ 2.1. ATOM Atom, bir maddenin özelliklerini taşıyan en küçük parçacıktır. Atom çekirdek ve çekirdek etrafında dönen elektronlardan oluşur. Atom çekirdeği içinde pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlar bulunurken yörüngede dönen elektronlar negatif yüklüdür. Dünyada bilinen 109 elementin her biri farklı atomlara sahiptir. Elektron Proton Nötron Şekil 2.1. Helyum Atomu Bir atomda elektron sayısı proton sayısına eşittir. Elektron eksi () yüke, proton artı () yüke sahiptir. Nötronlar ise yüksüzdür. Atomda valans elektronlar en dış yörüngede bulunan elektrondur. Şekil 2.2. Elektron alış verişi Atomların son yörüngesinde valans elektronlar bulunur. Maddelere dışarıdan herhangi bir etki yapıldığında, örneğin dışarıdan enerji uygulandığında, ısıtıldığında veya sürtünme yoluyla valans elektronlar yörüngelerinden çıkartılabilir. alans elektronlar yörüngelerinden çıktıktan sonra bir başka atomun son yörüngesine
4 bağlanır. Böylelikle elektron akımı dolayısıyla elektrik akımı oluşturulur. Atomların son yörüngesindeki elektron sayıları elementlerin özelliklerini belirler. Elektrikte kullanılan maddeler de iletken madde, yalıtkan madde ve yarı iletken madde olarak isimlendirilir. İletken Atomların dış (valans) yörüngelerindeki elektron sayısı dörtten az (123) olan elementlere iletken denir. Bu elementler elektrik akımını iyi iletirler. Tüm metaller iletkendir. İnsan vücudu iyi bir iletkendir. İyonlara sahip sıvılar iyi bir iletkendir ve bunlara elektrolit adı verilmektedir. Saf su yalıtkan, günlük hayatta kullandığımız içme suyu iletkendir. Toprak içinde su olduğu için iletkendir. Gazlar genelde yalıtkandır; fakat iyonlarına ayrılmış gazlar iletkenlik kazanırlar. En iyi iletkenlere altın, gümüş, bakır, alüminyum gibi maddeleri örnek olarak verebiliriz. Çekirdek Elektron Yörünge Şekil 2.3. Bakır elementinin elektron dağılımı Yalıtkan Atomların dış yörüngelerindeki elektron sayısı 8 ve daha fazla olan tüm elementlere yalıtkan denir. Yalıtkan gereçler elektriği iletmez. Son yörüngelerindeki elektron sayısı 5,6,7 olan elementler ise bir noktaya kadar yalıtkandır. Yalıtkan cisimlerde serbest elektronlar yok denecek kadar azdır. Porselen, Plastik, Neon, Cam, kauçuk, pamuk, yağ ve hava yalıtkan maddelere örnek olarak verilebilir.
5 P=10 N=10 Şekil 2.4. Neon elementinin elektron dağılımı Yarı İletken Atomların dış yörüngelerindeki elektron sayısı 4 olan elementlere yarı iletken denir. Silisyum, germanyum gibi maddeler örnek olarak verilebilir. alans Elektronlar 14 Çekirdek Dış Kabuk Şekil 2.5. Silisyum Atomu 2.2. AKIM Elektron akımı, bir iletken maddede valans elektronların bir noktadan başka bir noktaya hareketidir. Başka bir ifadeyle akım, bir iletkendeki elektron akış oranıdır. Akımın sembolü I, birimi Amper (A) dir. Bir Amper: Bir iletkenin kesitinden bir saniyede 6,25.10 18 elektron (1C) geçiyorsa bu akımın şiddeti bir amperdir.
6 Bir elektrik akımı, elektron diye tabir edilen çok küçük parçacıkların tel veya elektronik eleman içinden akmasıdır. Elektrik akımı suyun boru içinden veya radyatör içinden akmasına benzetilebilir. Çünkü su bir pompa tarafından boru içinden iteklenmektedir, elektrik akımı da bir batarya tarafından tel içinden iteklenmektedir. Sıcak su ısıtıcı radyatörde kullanılır. Elektrik akımı da ısıtma işlemi yapar, lambaların aydınlatmasını sağlar, zillerin çalınmasını sağlar ve bunun gibi bir çok işlem... Evrenin temel kuralı aynı yükler birbirini iter ve ayrı yükler birbirini çeker. İki negatif yük birbirini itecektir. Bir negatif ve bir pozitif yük birbirlerini çekecektir. Bataryanın negatif ucu elektronları (negatif yüklü) tel boyunca itekleyecektir. Bataryanın pozitif terminali elektronları tel boyunca çekecektir. Bundan dolayı elektrik akımı bataryanın negatif ucundan pozitif uca doğru lambanın içinden bataryanın pozitif ucuna doğru akacaktır. Şekil 2.6. Elektrik Akımı Bu akış yönüne elektron akış yönü denir. Bu akım devrenin çevresinden akar. Bazı kitaplarda akım pozitif uçtan negatif uca doğru akar. Bu durum elektron bulunmadan önce bu şekilde tahmin ediliyordu. Ancak bu tahmin yanlıştır. Bu akım yönüne ise geleneksel akım yönü denir. Bütün hesaplamalar bu akım yönüne göre yapıldığı için, elektron akım yönü baz alınırsa bütün formüllerin önüne eksi işareti koymak gerekecektir. Bunu önlemek için geleneksel akım yönü kabul edilir. 2.3. ELEKTRİK YÜKÜ Elektronların yada protonların oluşturduğu elektriksel yükün büyüklüğüdür. Elektronların yük miktarı ile protonların yük miktarı aynıdır. Ancak işaretleri farklıdır. Elektronlar negatif yüklüyken protonlar pozitif yüklüdür. Elektrik yükünün sembolü Q ve birimi ise Coulomb (C) dur.
7 1 Elektronun yükü = 1,6 x 10 19 coulomb 1 Coulomb = 6,25.10 18 elektron ÖRNEK1: 93.8x10 16 tane elektronun yükü ne kadardır. ÇÖZÜM: 6,25.10 18 elektron 1 Coulomb 93,8.10 16 elektron X Coulomb Yükleri aynı olan maddeler birbirlerini iterken yükleri farklı olan maddeler birbirlerini çekecektir. Yani iki artı yük birbirini iterken artı ve eksi yük birbirini çekecektir. Yüksüz Zıt Yükler Aynı yükler Aynı yükler Akım ile yük arasında doğru orantılı bir ilişki vardır. Yük arttıkça akım da artar I = Q t I : Akım şiddeti (Amper) Q : Yük miktarı (Coulomb) t : Zaman (saniye) ÖRNEK2: Bir iletken telden 10 Coulombluk bir yük 2 saniye boyunca geçerse iletkenden akan akımın şiddeti nedir? ÇÖZÜM: Burada Q = 10C, t = 2 sn olduğuna göre Q 10C I = = = 5A t 2sn
8 2.4. GERİLİM Belli bir miktar yükü bir noktadan başka bir noktaya hareket ettirmek için gerekli olan potansiyel farkına gerilim (voltaj) denir. Gerilim, E, U ile gösterilebilir. Birimi olt tur ve ile gösterilir. Bakır gibi iletken bir maddede serbest elektronlar rastgele hareket ederler. Belli bir yönleri yoktur. Akım oluşturmak için serbest elektronların belli bir yönde hareket etmesi gerekir. Bunun için bir kaynaktan enerji uygulamak gerekir. Bir olt: Bir noktadan başka bir noktaya bir coulomb luk yükü hareket ettirmek için bir joule lik enerji kullanıldığı zaman, iki nokta arasındaki potansiyel farkı miktarı bir volttur. W = Q : Gerilim (olt) Q: Yük miktarı (Coulomb) W: Enerji (Joule) ÖRNEK3: 40 Coulomb luk bir yükü bir iletken içinden hareket ettirmek için 200 joule lik enerji kullanılırsa iletken uçlarındaki gerilim ne kadardır? ÇÖZÜM: :? Q : 40 C W: 200 Joule W 200 = = = 5 Q 40 DC GERİLİM KAYNAĞI DC Gerilim Kaynağı, DC gerilim sağlayan enerji kaynağıdır. Şekilden de görüleceği üzere gerilim kaynağının pozitif ve negatif olmak üzere iki ucu vardır. Negatif ucu elektron sağlamaktadır ve elektronları iteklemektedir. Elektronlar iletken tel ve lambadan geçerek pozitif uca hareket etmektedirler. Yani negatif uç elektronları iterken pozitif uç kendine çekmektedir. Şekildeki akış yönü elektron akış yönüdür. Geleneksel akım yönü (hesaplamalarda kullanılan) pozitiften negatife doğrudur. Genelde geleneksel akım yönü kullanılmaktadır.
9 Şekil 2.7. DC Gerilim Kaynağının kullanılması 2.5. DİRENÇ Akıma karşı gösterilen zorluğa direnç denir. Elektrik devrelerinde akım kontrol etmek için veya sınırlandırmak için kullanılır. Direnç R ile gösterilir. Birimi ohm dur. Ohm, Ω sembolü ile de yazılır. R Sembolü 1Ω Birimi Bir Ohm: Bir maddeye 1 voltluk gerilim uygulandığında 1 amperlik akım geçiyorsa direnç değeri bir ohm dur. İletkenlik: Akıma karşı gösterilen kolaylığı gösterir. Başka bir deyişle direncin tersidir. Sembolü G dir. Birimi siemens (S) dir. G = 1 / R ile bulunur. DİRENÇ ELEMANI (DİRENÇLER) Direnç özelliği gösteren pasif devre elemanlarına da direnç ismi verilir. Dirençler akım sınırlamak için, gerilim bölmek için veya ısı üretmek için kullanılır. Yaygın olarak kullanılan çok sayıda direnç çeşidi vardır. Genellikle iki ana kategoriye ayrılırlar. Sabit dirençler ve ayarlanabilir dirençler. Sabit Dirençler: Direnç değeri sabit olan ve çok yaygın olarak kullanılan dirençlerdir. Sabit dirençler değişik metod ve materyallerden yapılırlar. KarbonBirleşimli direnç en yaygın kullanılan sabit direnç çeşididir. SMD dirençler de günümüzde çok yaygın bir
10 şekilde kullanılan sabit dirençlerdendir. Diğer sabit dirençler ise karbonfilm dirençler, metalfilm dirençler, metaloksit film dirençler vs dir. KarbonBirleşimli Direnç SMD Direnç MetalFilm Direnç Ayarlanabilir Dirençler: Direnç değeri manuel veya otomatik olarak değiştirilebilen dirençlerdir. İki temel kullanım amacı vardır. Bunlar gerilimi bölmek ve akımı kontrol etmek. Manuel olarak ayarlanabilir dirençler ise trimpotlar, potansiyometreler ve reostalardır. P Sembolü Trimpot Potansiyometre Reosta Termistörler (PTC, NTC) sıcaklığın etkisiyle değeri değişen, LDR ışığın etkisiyle değeri değişen, DR ise üzerine uygulanan gerilimin büyüklüğü ile değeri değişen ve otomatik olarak ayarlanabilen dirençler kategorisine giren dirençlerdir. Boncuk Termistör Çubuk Termistör Disk Termistör Termistör Sembolü Termistör LDR DR Şekil 2.8. Direnç çeşitleri
11 DİRENÇ RENK KODLARI Genellikle sabit dirençlerin değerleri üzerlerindeki renkler yardımıyla belli olur. Dirençlerin üzerindeki renklerin her birinin bir anlamı vardır. Dört Renkli Dirençler: Çoğu dirençler bir tarafında üç renkli bir band ve diğer tarafında ise tek renkli bir banda sahiptir. Bu üç bitişik renk direncin değeri hakkında bilgi verir. Bu üçlü gruptan direnç bacağına en yakın renk 1. Sayıyı oluşturur. Örneğin bu rengin kırmızı olduğunu varsayarsak, kahverenginin sayı karşılığı 2 dir. Bir sonraki bandın rengi ise bize 2. Sayı değerini verir. Örneğin bu renkte mor olsun yani karşılığı olan sayı 7. Daha sonra 3. Band rengi ise sıfır sayısını verir. Örneğin rengimiz yeşil rengi olsun bunun sayısal değeri de 5 dir ve buda ilk iki sayı yanına 5 tane 0 koymaktır. Sonuçta dirence değerini bulacak olursak kırmızı, mor ve yeşil rengi yan yana geldiği zaman direnç değerinin 2700000 Ω (2.7MΩ) olduğunu belirleyebiliriz. 4. renkte direncin tolerans değerini belirler. Burada 4. renk kahverengi olduğuna göre tolerans değeri %1 dir. Kırmızı Mor Yeşil Altın 1. sayı 2. sayı 3. sayı (Sıfır sayısı) Tolerans Rengi 2 7 00000 % 5 2 700 000 Ω 2,7 MΩ % 5 % 5 Şekil 2.9. Dört renkli dirençlerin okunması Yukarıdaki renk bandlarına sahip olan direncin değeri 2.700.000 Ω dur. Başka bir örnek verecek olursak yeşil, mavi, siyah renklere sahip bir direncin değeri 56Ω dur. Çünkü siyah rengin sayısal karşılığı 0 olduğu için sıfır sayısı sıfırdır. Aşağıdaki tabloda direnç renk kodları verilmiştir.
12 Tablo 2.1. Direnç renk kodları RENKLER PRATİK SAYI DEĞERİ Siyah Siyah 0 Kahverengi Kadın 1 Kırmızı Kırmızıyı 2 Portakal Pek 3 Sarı Sever 4 Yeşil Yeni 5 Mavi Mahalleyi 6 Mor Motorla 7 Gri Gezen 8 Beyaz Bilir 9 Altın 0,1 Gümüş 0,01 Eğer 3. Band gümüş renginde ise ilk iki sayı değeri 100 e bölünür. Eğer altın renginde ise ilk iki sayı değeri 10 a bölünür. Örneğin Kırmızı,mor,altın rengine sahip direnç 2.7Ω dur. Tablo 2.2. Direnç Tolerans Kodları RENK TOLERANS Mor % 0,1 Mavi % 0,25 Yeşil % 0,5 Kahverengi % 1 Kırmızı % 2 Altın % 5 Gümüş % 10 Renksiz % 20
13 Dirençlerin diğer bacağına yakın yerde bulunan band ise tolerans değerini göstermektedir. Örneğin bu renk kahverengi ise direncin ±%1 lik bir toleransa sahip olduğunu anlayabiliriz. Mesela elimizde 100Ω luk bir direnç var. Bu durumda direnç değeri 99Ω veya 101Ω değerinde olabilir. Eğer direnç üzerinde 5. bir pembe renk varsa bu direncin çok yüksek bir hassasiyete sahip olduğunu gösterir. Beş Renkli Dirençler Direnç değerinin önemli olduğu yerlerde toleransı %2 ve daha az seviyede olması gereken yerlerde 5 renkli dirençler kullanılır. 1. renk 1. sayıyı, 2. renk 2. sayıyı, 3. renk 3. sayıyı gösterirken 4. renk sıfır sayısını gösterir. 5. renk ise tolerans değerini gösterir. Mavi Sarı Beyaz Kırmızı Yeşil 1. sayı 2. sayı 3. sayı Sıfır sayısı Tolerans 6 4 9 00 % 0,5 64900 Ω % 0,5 64,9KΩ % 0,5 Şekil 2.10. Beş renkli dirençlerin okunması DİRENCİN GÜCÜ Dirençler devrede kullanılırken üzerinden akım geçmekte, bu esnada da direnç üzerinde gerilim düşümü meydana gelmektedir. Direncin bozulmaması için içinden geçen akıma dayanabilmesi veya yeterli güçte olması gerekir. Aksi takdirde direnç, içinden geçen akımın şiddetine dayanamayarak bozulur. Dirençlerin bu duruma düşmemesi için dirençler değişik güçlerde yapılır.direncin gücü Watt ile ifade edilir. Dirençten geçen akımın büyük olduğu yerlerde watlı direnç diye tabir edilen yüksek güçlü dirençler kullanılır. Akımın küçük olduğu yerlerde ise normal düşük güçlü dirençler kullanılır. Direncin güç değeri arttıkça direncin ebatları da artar. Genellikle devrelerde kullanılan normal dirençlerin gücü 0,25W dır.
14 2.6. ELEKTRİK DERESİ Şekil 2.11. Değişik güçlerde direnç görünüşleri Bir elektrik devresi gerilim kaynağı, yük ve akım yolundan meydana gelir. Yük içinden akım geçtiği zaman çalışır. Aşağıdaki şekilde de yük olarak lamba kabul edilmiştir. İçinden akım geçtiği zaman lamba yanmaktadır. Lamba (Yük) Şekil 2.12. Temel bir elektrik devresinin görünüşü ve devre şeması Çoğu pratik uygulamada gerilim kaynağının bir ucu toprağa bağlanır. Örneğin otomobillerde akümülatörün negatif ucu şaseye bağlanır. Bir elektrik devresinde üç durum söz konusudur. Kapalı devre durumu, açık devre durumu ve kısa devre durumudur. Elektrik devresinin açık devre durumunu ve kapalı devre durumunu devreye seri bağlı bir S anahtarı ile belirleyebiliriz.
15 S anahtarı kapalı S anahtarı açık S Lamba (Yük) S Lamba (Yük) S Lamba (Yük) Kapalı Devre Açık Devre Kısa Devre Şekil 2.13. Elektrik devresinin değişik durumları Kısa devre durumu istenmeyen bir durumdur. Kısa devre durumunda şebekeye büyük zararlar verdirilebilir. Elektrik devresinde kısa devreyi engellemek için sigorta kullanılır. 2.7. ELEKTRİK DERESİNDE ÖLÇÜMLER Elektrikte ve elektronikte akım, gerilim ve direnç ölçme her zaman gereklidir. Gerilim ölçmek için voltmetre, akım ölçmek için ampermetre ve direnç ölçmek için ohmmetre kullanılır. Genellikle bu ölçü aletleri multimetre denilen ölçü aleti içinde birleştirilmiştir. Aşağıda hem analog hem de dijital multimetre görünmektedir. Şekil 2.21. Analog ve dijital multimetre
16 AKIM ÖLÇME Aşağıdaki şekilde bir elektrik devresinde direncin çektiği akımı ölçmek için ampermetrenin devreye nasıl bağlandığı basamaklar halinde gösterilmiştir. Akım ölçerken şu hususlara dikkat etmek gerekir. Ölçülecek akım değerinin çok yüksek olması ihtimaline karşılık multimetrenin komütatörü 20A kademesine alınır ve kırmızı prop 20A yuvasına takılır. Siyah prop şase yuvasına takılır. Eğer ekranda görünen değer çok küçük bir akım değeri ise bu durumda Kırmızı prop ma yuvasına takılırken komütatörde ma kademesine getirilir. Ampermetre şekilde de görüldüğü gibi devreye seri bağlanır. Yani ampermetrenin kırmızı probu ( probu) kaynağın pozitif ucuna bağlanırken ampermetrenin siyah probu ( probu) direncin bir ucuna bağlanır. Elektrik devresine enerji uygulanır ve akım ölçme işlemi gerçekleştirilir. Ampermetre A I R R I R Şekil 2.22. Ampermetrenin Bağlanışı İdealde ampermetrenin iç direnci sıfırdır. Dolayısıyla devredeki direncin değerini etkilemez. Ancak gerçekte bu hiçbir zaman böyle değildir. Az da olsa ampermetrenin bir iç direnci vardır. Buda devrenin toplam direncini arttırıcı yöndedir. Bunun neticesinde devrede ölçülen akım gerçek değerinden biraz düşük çıkar. Bu değerde ihmal edilebilir. GERILIM ÖLÇME Şekildeki devrede, direnç üzerine düşen gerilimi bulmak için voltmetre dirence paralel bağlanır. Ölçü aleti probu volt yuvasına takılır. Komütatörde volt kademesine alınır. Devreye enerji uygulandığında direnç üzerine düşen gerilim ölçülür.
17 I R R oltmetre Şekil 2.23. oltmetrenin Bağlanışı İdealde oltmetrenin iç direnci sonsuzdur. Böylelikle devredeki dirence paralel bağlanmış bir direnç söz konusu değildir. Ancak gerçekte hiçbir zaman voltmetrenin direnci sonsuz değildir. Çok yüksek bir iç direnci vardır. Bu direnç devredeki R direncine paralel bağlanmış olacaktır. Bu devrenin toplam direncini düşürecektir. Dolayısıyla voltmetre tam olarak gerçek değeri göstermeyecektir. Buna voltmetrenin yükleme etkisi denir. DIRENÇ ÖLÇME Aşağıda şekilde de görüldüğü üzere direnç değeri ölçülürken elektrik devresinden bağlantısı kesilir. Multimetre ohm kademesine alınır, proplar da ohm yuvasına takılır. Sonra direnç bağlı bulunduğu devreden çıkartılır ve ohmmetreye paralel bağlanarak değeri ölçülür. R R Ω Ohmmetre Şekil 2.24. Ohm metrenin Bağlanışı KAYNAKÇA Hüseyin DEMİREL, DCAC Devre Analizi, BİRSEN YAYINEİ, İSTANBUL, 2013.