Elektrik Mühendisliği Nedir? Elektrik ve Elektronik Mühendisliğine Giriş Elektrik kavramının değişik uygulamalarıyla birlikte çalışılması ve bununla ilgili uygulamalardır... Not: Sunum materyallerinin önemli bir kısmı Brown University web sayfasından alıntıdır 1 2 Elektriğin Kısa Tarihçesi Elektriğin Kısa Tarihçesi 1600 yılında William Gilbert küçük parçacıkların sürtünme sonrasında birbirlerini çekmesini «electricus» şeklinde isimlendirdi. 1800 voltaic pile: Alessandro volta, pilin ilk modelini tasarladı. De Magnete elektriklenebilen malzemelerin uzun bir listesini hazırladı. Gilbert versorium isminde bir alet hazırladı, bu alet statik elektriklenen malzemeleri algılıyordu. A versorium William Gilbert, muhtemelen ilk elektrikçi 3 Circuits containing inductors 1873 Electricity and Magnetism published by James Maxwell, describing a theory for electromagnetism Voltaic pile 1831 Michael Faraday elektromanyetik etkilenmeyi keşfeder. Maxwell denklemleri 4 1
Elektriğin Kısa Tarihçesi Elektriğin Kısa Tarihçesi 1888 Heinrich Hertz radyo sinyallerini iletti 1958 ilk «entegre» Jack Kilby Tarafından geliştirildi. Spark-gap transmitter 1941 Konrad Zuse ilk programlanabilir bilgisayarı tasarladı Entegre devreleri... Z3 computer 1968 ilk mikroişlemci geliştirildi. 1947 transistörün geliştirilmesi Transistor 5 mikroişlemci 6 Çalışma Alanları Güç sistemleri: Elektriğin üretimi, dağıtımı ve saklanması Çalışma alanları nelerdir? Kontrol: Elektriksel ve elektromekanik sistemlerin kontrol mekanizmaları 7 Elektronik/mikroelektronik: Elektronik devre tasarımı, entegre devre tasarımı, mikroişlemcilerin, uygulamaya özel entegrelerin ve benzer sistemlerin tasarımı. Sinyal (işaret) işleme: Sinyal analizi 8 2
Çalışma Alanları Telekomünikasyon: İletim sistemlerinin tasarımı (ses, diğer veri türleri). Bilgisyar ve sayısal tasarım: Bilgisayar sistemlerinin ve diğer sayısal sistemlerin tasarımı, yazılım geliştirme vb. Elektrik Mühendisliği Ders Programı Mühendislik temel dersleri -Fizik -Matematik, diferansiyel denklemler, doğrusal cebir, ileri analiz -Elektromanyetizma, elektrik devreleri Temel elektrik elektronik dersleri -İşaretler ve sistemler -Temel elektronik, elektronik devreler -Analog ve sayısal haberleşmeye giriş -Dijital elektronik (lojik devreler) -Kontrol sistemlerine giriş -Mikroişlemciler Enstrümantasyon: Sensörlerin ve diğer veri toplama cihazlarının tasarımı. Diğer????? 9 Son sınıf dersleri -Tıp elekroniği -Sinyal işleme -İleri sayısal tasarım -Entegre devre tasarımına giriş -Güç sistemleri ve yüksek gerilim tekniği -??? 10 Temel kavramlar Elektrik Elektriklenme Elektriksel Yük Akım Gerilim Güç ve Enerji Elektrik yükünün varlığı ve yüklerin birbirleri ile ilişkilerinin ele alınmasına temel olarak elektrik denilir. 11 12 3
Elektriksel yük Elektriksel Yük Elektrik kavramındaki temel atom altı parçacıklar Elektriksel yükü nasıl izleriz/kullanırız? Elektron - + 1.602 10 19 C 1.602 10 19 C Proton Elektrik yükünün temel kavramı Coulomb (C) olarak ifade edilir 1 coloumb = 6.25 10 18 e 13 e = temel yük = 1 protona eşdeğer yük 14 Elektriksel Yük Yüklü parçacıklar kuvvet uygularlar - - Coulomb un Keşfettiği Kanun q1 q2 r (meters) Benzer parçacıklar birbirini iter - Zıt parçacıklar birbirini çeker Elektriksel yük çevremizdeki temel güç unsurlarından biridir (diğerleri neler?) + (Newton) F 1,2 yük1 ve yük2 arasındaki elektrostatik kuvvet 15 k e : Coulomb sabiti k e = 8.987 x 10 9 N*m 2 *C -2 16 4
Elektrik Akımı Elektrik Akımı Elektriksel yükün hareketini inceler Bu olay elektronların iletken bir materyalde ilerlemesi veya çözeltilerdeki yüklü iyonların hareketi sonucu ortaya çıkar. Amper (A) 1 saniyede 1 C luk elektriksel yükün belirli bir kesit alandan geçmesine verilen addır. Akım ifadesi pozitif yüklerin akım yönüne göre ifade edilir. 17 18 Elektrik devreleri Elektrik Devreleri Elektrik devresi, elektriksel elemanların kapalı bir çevrim şeklinde birbirine bağlanmasıdır. Bu şekilde elektrik akımının akması sağlanır. Devre çizimleri elektrik mühendisleri için rutin olark kullanılır. 19 20 5
a düğümünden b düğümüne akan yük miktarı Gerilim İki düğüm arasında akım akmasını sağlayan potansiyeldir. b düğümünden a düğümüne akan yük miktarı (i = akım) V ab V ba a ile b arasındaki potansiyel farkıdır. Vab = Va Vb. Voltage at terminal b with respect to terminal a Doğru akım -da- (direct current - dc) sabit genlikteki akımdır Voltaj, gerilim, potansiyel farkı = V Alternatif akım -aa- (alternating current - ac) değişken genlikteki akımdır. 21 V ab = -V ba Note: Gerilim genel olarak toprak noktasına göre olan potansiyel farkıdır. 22 Gerilim Güç Voltaj, iki nokta arasındaki pozitif yükü terminalden + terminale götürmek için gereken potansiyel enerjiye denir. Birim zamanda enerjinin harcanma miktarına denir. Elektrikte akım ve gerilimler cinsinden hesaplanabilir: 1 volt, 1 coulomb luk yükün 1 joule enerji harcanarak bir noktadan diğer noktaya iletilmesi ile oluşan potansiyel farka (voltaj) denir. denir. 1 watt saniyede 1 joule enerjinin kullanılmasına denir. 23 24 6
Basit devre şematiği Temel Devre Elemanları Elektriksel Mantıksal 25 26 Direnç Dirençler Direnç, (Resistance - R) akımın akmasını kısıtlayan elemana denir. Değeri Ohms (Ω) dur. Özdirenç(ρ), bir materyalin akıma karşı gösterdiği birim dirençtir. Birimi Ohm-metre (Ω-m) dir Örnek: Bakır özdirenci Cam özdirenci 1.68 10 8 Ω m 10 10 to 10 14 Ω m 27 28 7
Dirençler 4 BANDLI DİRENÇ FORMÜLÜ 1. ve 2. band kat sayıları ifade eder. Aşağıdaki dirence bakacak olursak 1. band siyah(0) 2. band Kırmızı (2) bu durumda bu direncin katsayısı 02 dir. 3. band ise çarpan sayıyı ifade eder. Şekilde 3. band yeşil (5) yani 10^5 dir. Direnci değerini bulmak için ise kat sayı ile çarpanı birbirine çarparız. 2*10^5 = 200.000 Ω = 20KΩ dur Telorasn değeri ise o direncin değerindeki göz ardı edilebilecek değeridir. Örnekte ki dirençde telorans Gümüş (%10) dür. 29 30 5 BANDLI DİRENÇ FORMÜLÜ 5 Renkli direnci 4 renkli dirençden ayıran en büyük fark 5 renkli dirençte 3.katsayı direnci olmasıdır. 1.2. ve 3.Bant katsayısı 4.Bant çarpanı 5.Bant toleransı ifade etmektedir. 6 BANDLI DİRENÇ FORMÜLÜ 1.2. ve 3.Bant Katsayısı 4. Renk çarpan 5. Renk tolerans 6. Renk sıcaklık katsayısı 31 32 8
Ohm Kuralı (Kanunu) Kondansatörler (R nin cinsi Ω ve ρ cinsi Ω-m) 33 Kondansatör, kapasite 34 Kondansatör Kondansatörler Basit kondansatör, karşılıklı iki iletkenin bir yalıtkan ile ayrılması ile gerçekleştirilir. Kapasite - Capacitance bir materyalin yük saklayabilme yeteneği olarak isimlendirilebilir. (ε elektriksel geçirgenlik, A alan, d uzaklık) Kapasite değeri Farads (F) ile ölçülmektedir. Elektrik yükü plakalar arasında yüklenir, kondansatör «şarj» olmuştur. İletken plakalar arasında voltaj uygulandığında, elektrik potansiyeli uygulandığında, plakalar elektriksel enerji 35 ile yüklenirler. 36 9
Kondansatörler Enerji saklanması Kondansatörün negatif ucunda elektronlar birikir. Kondansatörün pozitif ucunda protonlar birikir. Yükleri karşılıklı olarak plakalarda saklamak için bir enerji gereklidir. Bir kondansatörün üzerindeki enerji aşağıdaki gibi hesaplanabilir: Bu devrede ampul nasıl yanar? Bir süre sonra pil devre dışı bırakılıp yerine anahtar konursa ne olur? 37 38 10