ÜNİTE 8 Elektrik Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, enerji kavramının, elektrik ve etkilerine ne şekilde uygulanabileceğini kavrayacak, elektrik akımını, elektrik devrelerini, potansiyel farkını, ohm konununu öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Elektrik Yükü İletim Akım Potansiyel Farkı Direnç ve Ohm Kanunu Devreler Güç Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi iyice çalışınız. Ünite sonundaki soruları yanıtlayınız. Ünite içindeki örneklerin benzerlerini siz bulmaya çalışın. Bilginin kalıcı olmasının ancak bu yolla gerçekleşebileceğini unutmayın.
1. GİRİŞ Bu ünitede, maddenin elektriksel bir yapıya sahip olduğu incelenecektir. Elektrostatik alan kavramını ve bu alanı meydana getiren elektrik yüklerini tanıyacaksınız. Pozitif ve negatif elektrik yükleri vardır. Benzer yükler, birbirlerini iterler, zıt yükler ise birbirlerini çekerler. Elektrik yüklerinin hareketiyle akım meydana gelir. Elektrik alanı içerisinde bir yükün taşınması bir iş gerektirir. Birim yük başına yapılan iş elektrik potansiyeli adını alır. Elektrik akımının iletkenlerden geçmesi zordur. Bu zorluğa iletkenin direnci adı verilir. Akım, potansiyel ve direnç arasındaki ilişki Ohm kanunu ile belirlenir. Elektrik devreleri, dirençlerin ve üreteçlerin bağlanmalarına göre; seri, paralel ve karmaşık olmak üzere üçe ayrılır. Elektrik enerjisi bir iletkende ısı enerjisine dönüşür. Bu bakımdan her elektriksel gerecin bir gücü vardır. 2. ELEKTRİK YÜKÜ Bir cam çubuğu, bir ipek kumaşa sürtelim. Cam çubuk ve ipek kumaş birbirlerini çekerler. Herbiri diğerini zayıf bir kuvvetle çeker. Niçin? Bunlar birbirlerini çekerler çünkü herbiri bir elektrik yüküne sahiptir. Bir elektrik yüküne ne sebep olmaktadır? Tüm madde, yüklü parçacıklar bulunduran atomlardan yapılmıştır. Atomlardaki iki tür yüklü parçacık proton ve elektrondur. Bir protonun yükü pozitif, elektronunki ise negatiftir. Elektronlar hareket edebilir. Bunların hareketi sebebiyle cisimler yüklü hale gelirler. Bir nesne sürtüldüğü zaman, o elektron kazanabilir veya kaybedilebilir. Sonuç olarak o nesne bir yük kazanır. Eğer o nesne elektronları kazanmış ise, negatif bir yüke eğer elektronları kaybetmiş ise, pozitif bir yüke sahip olacaktır. Bir cam çubuk ipeğe sürtüldüğünde, cam çubuk ipeğe elektronlarından verir. Böylece ipek negatif, cam çubukta pozitif bir yüke sahip olur. Cam ve ipek birbirini çeker. Zıt yükler birbirini çekerler (Şek.1). Bir plastik çubuk ile yünlü kumaşı sürterseniz, yün ve plastik çubuk zıt elektrik yükleri kazanırlar. Sonuçta, bunlar birbirlerini çekerler. Plastik çubuk, yünden elektronları kazanır. Böylece çubuk negatif yüklü hale geçer. Yün elektronları kaybettiğinden, pozitif yüklü hale gelir. Benzer yükler birbirlerini iterler. İki adet yüklü cam çubuk birbirlerini iter, çünkü her ikiside pozitif bir yüke sahiptir. İki plastik çubukta birbirlerini iterler. Bunların ikisi de bir negatif yüke sahiptir. Ancak, yüklü bir cam çubuk ile yüklü bir plastik çubuk birbirlerini çeker. Cam çubuk- - 59 -
taki yük ile plastik çubuktaki yük, zıt yüklerdir. Pozitif veya negatif bu yüke statik elektrik adı verilir. Statik elektrik, bir yerde toplanan elektrik yüküdür. Bu yük hareketsiz, durgun elektriktir. Bir kurutucudan çamaşırları çıkarırken statik elektrik örneklerini görebilirsiniz. Örneğin, yünlü bir çorap veya süveter, pamuklu elbiselere yapışmış olabilir. Bu değişik özellikteki kumaşlar, kurutucu içerisinde birbirlerine sürtünmek suretiyle elektrik yükü kazanmışlardır. Cam çubuk Cam çubuk İpek İpek Önce Sonra Şekil 1. Statik elektriğin meydana gelişi 3. İLETİM Kalınca bir halı üzerinde yürüdüğünüz zaman, bir elektrik yükü kapabilirsiniz. Daha sonra, bir metal kapı tokmağına dokunursanız bir elekrik kıvılcımını hissedebilirsiniz. Kıvılcım, kapı tokmağı ile eliniz arasında hareket eden elektronlar tarafından meydana gelir.buna bir statik boşalma (deşarj) denir. Bir statik boşalma (deşarj), statik elektrik kaybı demektir. Şimdi de yine bir halı üzerinde yürüyün ve yüklü hale gelin. Bu kez, metal kapı tokmağına bir anahtar ile dokunun. Şimdi, kapı tokmağı ile anahtar ucu arasında bir kıvılcım atlaması meydana gelir. Elektronlar anahtardan geçip, statik bir kıvılcıma yol açarlar. Elektronların bir madde içindeki hareketine iletim adı verilir. Bu durumda anahtara, iletken adı verilir. Metaller elektriği iyi iletirler. Az önceki deneyde anahtar yerine bir tahta parçası kullanırsanız statik hiçbir boşalma olmaz. Çünkü tahta elektriği iletmez. Elektriği iletmeyen bir malzemeye yalıtkan adı verilir. Plastik, kauçuk ve cam üç tür yalıtkan malzemedir. - 60 -
Statik elektrik üretecine Van de Graaff, jenaratörü adı verilir. Statik elektrik yükünün varlığı elektroskop adı verilen bir gereç ile aranabilir. Elektroskopta cam kap içerisinde bir metal çubuk vardır. Metal çabuğun ucunda alt kısımda iki metal yaprak vardır. Yüklü bir nesne elektroskopa dokunursa, yapraklar açılır. Benzer yükler yaprakların açılmasına sebep olur. Nötral yani yüksüz bir cisim dokunduğunda ise yapraklar açıl-mazlar (Şek.2). Cam çubuk Şekil 2. Elektroskop 4. AKIM Akım, bir iletken içindeki yük hareketidir. Bir Van de Graaff jeneratörünün ürettiği akım saniyenin bir kesri kadar sürer. Akım sabit değildir. Bir küçük ampulu yakmak için, sabit bir akım kaynağına ihtiyaç vardır. Sabit bir akım üretmenin bir yolu yaş pil kullanmaktır. Bir yaş pil; bir asit, baz veya tuz ihtiva eden bir eriyik içindeki iki farklı metalden oluşur. Asitler, bazlar ve tuzlar suda çözünürlerse, iyonlar meydana gelir. Her iyon ya pozitif ya da negatif yüklüdür. Eriyik, eşit sayıda pozitif ve negatif yüklere sahiptir (Şek.3). Zn Cl 2 Zn Cu Gözenekli kap Cu Cl2 Şekil 3. Yaş Pil - 61 -
Bu yaş pilin elektrik üretimi kısaca şöyle açıklanabilir: (a) Çinkoklorür eriyiği içine daldırılan çinko elektron kaybeder. Zn Zn 2e - (b) Serbest kalan bu elektronlar telden geçerek bakır çubuğa geçerler ve onu negatif yükle yüklerler. (c) Bakırklorür eriyiğindeki serbest bakır iyonları, bakır çubuk ile etkileşip ondan elektron alırlar, Cu 2e - Cu Yukarıdaki işlemler devamlı tekrarlanır. Elektronlar telden geçerler. Elektronların akışı ve hareketli iyonlar elektrik akımını meydana getirirler. Akımın kesilmesi, telin herhangi bir plaka ile temasının kesilmesi ile gerçekleşir. Bir kuru pil de aynen yaş pile benzer. Bunda, çinko bir silindirik kılıf içerisinde bir karbon çubuk vardır. Nemli bir kimyasal karışım aradaki boşluğu doldurur. Bu kimyasal hamule (karışım) çinko ile reaksiyona girer ve elektronları serbest hale getirir. Bu elektronlar bir iletken vasıtasıyla karbon çubuğa geçerler. Elektronlar bir yönde ilerlerler. Elektronlar yüklü parçacıklardır. Elektrik akımı yüklerin hareketinden ileri gelir. Yük birimi kulon dur (C). Doğru akım, yükün bir yönde hareketi ile oluşur. Akım birimi amper dir (A). Bir amper, bir noktadan bir saniyede bir kulonluk yük geçmesidir. 5. POTANSİYEL FARKI Bir bataryanın pozitif ve negatif uçları arasında bir potansiyel farkı vardır. Bu aynen, bir masanın yüzeyi ile döşeme arasındaki potansiyel enerji farkına benzemektedir. Potansiyel enerjideki bu fark, bir yükü taşımakta yapılan iştir. Kuvvet, pozitif ve negatif yükler arasındaki çekimdir. Potansiyel farkı volt cinsinden ölçülür (V). Bir volt, bir kulonluk yükün taşınmasıyla yapılan bir jul'lük iştir. Potansiyel farkına aynı zamanda voltaj denilir. Masada duran bozuk bir parayı kenardan itersek, yere doğru düşer. Düşerken havada bir yol çizer. Bir elektronun yolu ile iletkendir. Bir bataryanın uçları arasına bir iletken bağlanırsa, akım geçişi başlar. Örneğin, 1,5 voltluk bir pile elektrik ampülü bağlayalım. Akımın yolu ampul ve onu pile bağlayan teldir. Potansiyel farkı 1,5 volttur. - 62 -
6. DİRENÇ VE OHM KANUNU Bir iletkenden geçen elektronların sayısı, iletkenin direnci ile belirlenir. Direnç, bir iletkenden elektronların ne zorlukla geçtiklerinin bir ölçüsüdür. Direnç, ohm (Ω) cinsinden ölçülür. Farklı malzemeler, farklı dirençlere sahiptir. Örneğin, bir metrelik alüminyum telin direnci 3,44 ohm'dur. Benzer bir bakır telin direnci ise 2,09 ohm'dur. 100 watt'lık bir lambanın direnci 140 ohm'dur. Tablo 1- Bazı Metallerin Direnci (Ω/m) Metal Direnç Gümüş 1,98 Bakır 2.09 Altın 2,96 Aluminyum 3,44 Prinç 8,50 Nikel 9,48 Demir 12,1 Kalay 14,0 Kurşun 26,7 Hacmine göre büyük bir dirence sahip olan bir iletkene rezistör adı verilir. Örneğin, 1000 ohm'luk bir karbon rezistörün uzunluğu bir cm'den daha azdır. Karbonlu dirençler radyo, televizyon ve bilgisayarlarda kullanılırlar. Akım bir dirençten geçerken elektronlar enerji kaybederler. Elektronlar bir dirençten geçerken iş yaparlar. Bu iş ısıya dönüşür. Potansiyel farkı, akım ve direnç arasındaki ilişki Ohm Kanunu olarak bilinir. Ohm kanununa göre; Akım, potansiyel farkının dirence oranıdır. Akım (amper) = Voltaj (volt) Direnç (ohm),i=v R? 12 V'luk bir bataryanın uçları arasına 100 ohm'luk bir direnç bağlanırsa, telden geçen akım nedir? - 63 -
I= V R = 12V 100Ω =0,12A 7. DEVRELER Elektronların iletkenlerinden geçmesi için meydana getirilen yola, devre adı verilir. İki temel devre çeşidi vardır. Bunlardan birisi seri devredir (Şek.4a). Bu devrede, her yerden geçen akım şiddeti aynıdır. Eğer devre kesilirse, heryerdeki akım aniden durur. Anahtar, devreleri açıp kapayan bir gereçtir. Bir devre açıkken hiçbir akım yoktur. Seri bir devredeki anahtar, devreyi açıp kapamaya yarar. Diğer devre türüne paralel devre adı verilir (Şek.4b). Bu devrede, iki veya daha fazla kol vardır. Herbir koldaki voltaj (gerilim) aynıdır. Kollardan birisi açıldığı zaman, akım diğer koldan geçmeye devam eder. V I R1 R 2 V I I 1 I 2 I 3 R1 R2 R 3 R3 Şekil 4a. Seri devre Şekil 4b. Paralel devre 8. GÜÇ Elektrik lambasının düğmesi açılır açılmaz, elektrik gücü harcanmaya başlanır. Elektrikle çalışan herşey güç harcar. Güç, birim zamanda yapılan iş demektir. Bir devrede harcanan güç, kaynağın gerilimi ile kaynağın ürettiği akımın çarpımına eşittir. Güç = Gerilim x Akım P = V.I Watt = Jul Kulon X Kulon Saniye = Jul Saniye - 64 -
Güç birimi jul/saniye olup, watt (W) olarak bilinir. Tablo 2. Bazı Lambaların Gücü ve Direnci Gücü (W) Direnci (ohm) 100 140 75 190 60 240 40 330 20 740? 12 voltluk bir bataryanın ürettiği akım 0,33 Amperdir. Devrede harcanan güç nedir? bulunur. P = V.I P = (12 V) x (0,33 A) = 4 W Özet Bazı nesneler sürtünmeden dolayı bir statik elektrik yükü toplarlar. Bir iletkendeki hareketli yükler akım teşkil ederler. Potansiyel farkı veya gerilim, elektronların hareketini sağlayan kuvveti sağlar. Elektronların hareketi için iletkenlerin direnciyle zorlanır. Ohm kanunu; akım, gerilim ve direnç arasındaki bağıntıdır. Akım, elektrik devrelerinden geçer. Seri ve paralel olmak üzere iki tür devre vardır. - 65 -
Değerlendirme Soruları 1. Benzer yükler birbirlerini ne yaparlar? A) çekerler B) iterler C) birşey yapmazlar D) hareket ettirirler E) yok ederler 2. Farklı yükler birbirlerini ne yaparlar? A) iterler B) yok ederler C) çekerler D) birşey yapmazlar E) hareket ettirirler 3. Aşağıdakilerden hangisi Ohm kanununu en iyi ifade eder? A) V = I 2 R B) V = I/R C) V = R/I D) V = IR E) V = I R 2 4. Üç adet 1,5 V'luk pil seri bağlanıyor. Meydana gelen bataryanın voltajı nedir? A) 1,5 V B) 3,0 V C) 6,0 V D) 4,5 V E) 9,0 V 5. İki adet 20 ohm luk direnç seri bağlanırsa, meydana gelen eşdeğer direnç kaç ohm'dur? A) 10 B) 5 C) 30 D) 20 E) 40 6. İki adet 60 ohm luk direnç paralel bağlanıyor. Eşdeğer direnç kaç ohm dur? A) 10 B) 30 C) 60 D) 120 E) 40-66 -
7. 9 V'luk bir bataryanın uçları arasına 18 ohm luk bir direnç bağlanıyor. Devreden geçen akım kaç amperdir? A) 2 B) 1 C) 0,5 D) 3 E) 4 8. Elektriksel gücü temsil eden formül aşağıdakilerden hangisidir? A) I 2 V B) I/V C) V 2 I D) V/I E) VI 9. 12 V'luk bir batarya 10 ohm luk bir dirence seri olarak bağlanıyor. Harcanan güç waat cinsinden nedir? A) 120 B) 14,4 C) 144 D) 12 E) 1,2 10. 60 V'luk bir kaynak 120 watt'lık bir lambayı yakıyor. Çekilen akım ve harcanan güç sırasıyla nedir? A) 0,82 A; 42W B) 0,35 A; 20W C) 0,52 A; 28W D) 0,43 A; 26W E) 0,47 A; 31 W - 67 -