Makine Mühendisliği İçin Elektrik-Elektronik Bilgisi Ders Notu-1 Hazırlayan: Yrd. Doç. Dr. Ahmet DUMLU
TEMEL BİRİMLER Tarihsel süreçte CGS, MKS ve SI birim sistemleri türetilmiştir. 1965 yılında the IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) tüm mühendislik ve bilim literatürü için SI (International System of Units) sistemini kabul etmiştir. SI ın 7 temel birimi ve onlarca türetilmiş birimi vardır. Fiziksel büyüklük ve simge Birim Uzunluk (l) Metre m Kütle (m) Kilogram kg Zaman (t) Saniye s Elektrik akımı (I) Amper A Sıcaklık (T) Kelvin K Madde miktarı Mol mol Işık şiddeti Candela Cd Sembol
Türetilmiş Birimler SI birim sisteminde temel büyüklüklerden türetilen çok sayıda büyüklük vardır. Bunlardan bazıları: Fiziksel büyüklük ve simge Birim Sembol Kapasitans (C) Farad F İletkenlik (G) Siemens S Direnç (R) Ohm Ω Elektrik yükü (Q) Coulomb C Gerilim (E) Volt V Enerji (W) Joule J Kuvvet (F) Newton N Frekans (f) Hertz Hz Endüktans (L) Henry H Magnetik akı ( ) Weber Wb Magnetik akı yoğunluğu (B) Tesla T Güç (P) Watt W Reaktans (X) Ohm Ω Empedans (Z) Ohm Ω
SI da kullanılan katsayılar Uygulamada temel veya türetilmiş birimlerin kendileri kullanıldığı gibi, alt veya üst katlarıda kullanılabilir. Bu dönüşümde kullanılan katsayılar ve bunların isimleri tabloda belirtilmiştir. Katsayı Önek birim 10 21 Zetta Z 10 18 Egza E 10 15 Peta P 10 12 Tera T 10 9 Giga G 10 6 Mega M 10 3 Kilo k 10-3 mili m 10-6 mikro µ 10-9 nano n 10-12 piko p 10-15 femto f 10-18 atto a 10-21 zepto z
ELEKTRİK NEDİR? Elektrik kütle gibi maddeye ait bir özelliktir. Tabiatta iki türlü elektrik vardır. Bunlar; Pozitif (+) elektrik ve negatif (-) elektriktir.. Her atom, bir çekirdekle bunun etrafında belli yörüngelerde dolanan elektronlardan oluşur. Çekirdek pozitif, elektronlar ise negatif (-) elektriklidir. Atom, bir veya birden fazla elektron kaybederse pozitif olarak yüklenir (elektriklenir). Buna karşılık, dışardan elektron kazanan bir atom ise negatif olarak elektriklenecektir. Bir cismin pozitif elektrikli olması elektron noksanlığına ve negatif elektrikli olması da elektron fazlalığına tekabül eder.
CİSİMLERİN ELEKTRİKLENMESİ: Cisimleri çeşitli yollardan elektriklemek mümkündür. Mesela iki cisim birbirine sürtülürse bunlardan biri pozitif, diğeri negatif elektriklenecektir (yüklenecektir). Örneğin; lastik, kürke sürtüldüğünde, elektronlar kürkten lastiğe geçerek lastiğin net bir eksi yüke, kürkte ise net bir artı yük oluşması sağlanır. Böylece lastik negatif elektriklenirken, kürk ise pozitif elektriklenecektir. Bir asit veya baz eriyiği içine bir madeni çubuk daldırılırsa meydana gelen kimyasal süreç neticesinde madeni çubuk elektriklenme meydana gelir. Bu olay pillerin ve akümülatörlerin esasını teşkil eder. Bir mıknatısın civarında hareket ettirilen bir madeni çubuk da bazı şartlar altında bir ucu pozitif, diğer ucu da negatif olarak elektriklenir. Elektromagnetik indüksiyon denilen bu olay da elektrik jeneratörlerinin prensibini teşkil etmektedir.
Elektrik yükleri arasındaki itme ve çekme: Bu iki farklı elektrik yükünü göstermek için şekilde görüldüğü gibi kürke sürüldükten sonra metal olmayan bir iple asılmış bir lastik çubuğu göz önüne alalım. İpeğe sürtülmüş bir cam çubuk lastik çubuğa yaklaştırıldığında iki çubuk birbirini çekerken öte yandan yüklü bir başka lastik çubuk asılı lastik çubuğa yaklaştırıldığında birbirlerini ittiği görülmektedir. Bu gözlemlerden lastik ve camın, farklı iki elektriklenme durumunda bulundukları görülmektedir. Bu gözlemlere dayanarak, aynı yüklerin birbirlerini ittikleri, farklı yüklerin birbirlerini çektikleri sonucuna varılmaktadır.
İLETKENLER, YALITKANLAR ve YARI İLETKENLER İletken: Bir maddenin iletkenliğini belirleyen en önemli faktör, atomlarının son yörüngesindeki elektron sayısıdır. Bu son yörüngeye Valans Yörünge adı verilirken, üzerinde bulunan elektronlara da Valans Elektron denir. Valans elektronlar atom çekirdeğine zayıf olarak bağlıdır. Valans yörüngesindeki elektron sayısı 4 den büyük olan maddeler yalıtkan olarak adlandırılıken, 4 den küçük olan maddeler ise iletken adı verilmektedir. Örneğin bakır atomunun son yörüngesinde sadece bir elektron bulunmaktadır. Bu da bakırın iletken olduğunu belirler. Bakırın iki ucuna bir elektrik enerjisi uygulandığında bakırdaki valans elektronlar güç kaynağının pozitif kutbuna doğru hareket eder. Bakır elektrik iletiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sebebi ise maliyetinin düşük olması ve iyi bir iletken olmasıdır.
En iyi iletkenlerde biri altındır. Fakat bunların maliyetinin yüksek olması nedeniyle elektrik iletiminde kullanılmamaktadırlar. Altın Uçlu HDMI Kablo (High - Definition Multimedia Interface) Video İletiminde Daha Kaliteli Görüntü Sağlar
Yalıtkan: Yalıtkan maddelerin atomlarının valans yörüngelerinde 8 elektron bulunur. Bu tür yörüngeler doymuş yörünge sınıfına girdiği için elektron alıp verme gibi bir istekleri yoktur. Bu sebeple de elektriği iletmezler. Yalıtkan maddeler iletken maddelerin yalıtımında kullanılır. Yalıtkan maddelere örnek olarak tahta, cam ve plastiği verebiliriz. Koaksiyal Kabloların En Dış Kılıfında Genellikle PVC Malzeme Kullanılır. Bu Malzemeler Yalıtkandır.
Yarı İletken Yarı iletken madde, elektrik iletkenliği bakımından, iletken ile yalıtkan arasında kalan maddelerdir. Normal durumda yalıtkan olan bu maddeler ısı, ışık, manyetik etki veya elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında bir miktar elektronlarını serbest hale geçirerek iletken duruma gelirler. Uygulanan bu dış etki veya etkiler ortadan kaldırıldığında ise yalıtkan duruma geri dönerler. Bu özellik elektronik alanında yoğun olarak kullanılmalarını sağlamaktadır.
YÜKÜ MİKTARI NEDİR? Elektrikli bir cismin üzerindeki elektrik miktarı, elektrik yükü denilen bir büyüklükle belirtilir. Bu büyüklük Q veya q sembolü ile gösterilir. Elektrik yükünün (Q) birimi Coulomb olup kısaca C harfi ile gösterilir. Bir iletkende 1 Coulomb luk elektrik yükü varsa bu iletkende 6.25x10 18 adet serbest elektron vardır denir. Yani; 1 C = 6.25x10 18 Atom çekirdeğine bağlı olmayan serbest olarak hareket eden. elektron demektir. Burada, n: serbest elektron sayısı e=1.6x10-19 C
ELEKTRİK AKIMI NEDİR?
Yükün akış hızı olarak adlandırılan akımın diferansiyel ifadesi ise aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.
Şekildeki yüzeyden akan yükler pozitif, negatif veya her ikisi de olabilir. Pozitif yükün akış yönü akım yönü olarak seçilmiştir. Bakır gibi bir iletkende akım, negatif yüklü elektronların hareketiyle oluşur. Bu nedenle, metallerdeki akımdan söz ederken akım yönü elektronların akış yönüne zıt olacaktır.
Elektrik akımı yönü, artı kutuptan eksi kutuba doğrudur. Serbest elektron yönü Elektrik akım yönü Üreteç: Devreden akımın geçmesini sağlayan cihaz. Eksi (-) uç elektronca zengin, artı (+) uç ise elektronca fakir uçtur. Üreteçler, potansiyel fark konusu incelenirken daha detaylı anlatılacaktır.
Amper.Saat Kavramı Pratikte pillerin ve akümülatörlerin kapasitesini yani bunların kullanılamaz hale gelinceye kadar verebilecekleri elektrik miktarını (yük) ölçmek için C nin 3600 katına eşit olan bir birimden faydalanılır. Bu birim amper.saat olarak adlandırılır ve A.h ile gösterilir (h:saat). Yani; 3600 C=1 A.h dir. ÖRNEK 1: Bir telden 8 A şiddetinde bir akım geçmektedir. 2 dakika zarfında telin herhangi bir kesitinden geçen elektrik miktarını (yükü) C bulunuz ve değeri A.h cinsinden ifade ediniz. Q = I.t = 8 A.120 s = 960 C = 3600 C=1 A.h ise 960C=0.266 A.h Teldeki serbest elektron sayısını hesaplayınız. (1e = 1,6.10-19 C) Q = n.e n = Q/e = 960 C / (1.6x10-19 C) = 600.10 19 adet elektron
ÖRNEK 2: Kapasitesi 100 A.h olan bir akümülatör 5 A lik bir akımla boşalmaktadır. Kaç saat sonra boşalma işi bitmiş olacaktır? Q = I.t t = Q/I = 100 A.h/5 A = 20 h SORU: Bir telden 12 A şiddetinde bir akım geçiyor. Bu telden saniyede kaç elektron geçer? I t
ELEKTRİK AKIM CİNSLERİ 1. Doğru Akım: Zamana bağlı olarak yönü değişmeyen akıma denir. Kısa gösterimi DA (Doğru Akım) ya da İngilizce haliyle DC (Direct Current) şeklindedir. Doğru akımın yönü değişmese de şiddeti değişebilir. Buna göre doğru akım iki başlık altında incelenebilir. 1.1. Düzgün Doğru Akım Zamana göre yönü de şiddeti de değişmeyen akıma düzgün doğru akım denir. DC akım pratikte piller, akümülatörler ve doğru akım jeneratörleri (dinamolar) ile elde edilir. 1.2. Değişken Doğru Akım Zaman göre yönü değişmeyen ancak değeri değişen akımlara değişken doğru akım denir.
2. Alternatif akım (Alternating Current-DC): Yönü ve şiddeti zamanla değişen akıma denir. I m I Yandaki şekilde sinüs biçiminde AC akım görülmektedir. Akım her T periyodunda tekrarlanmaktadır. T t I=I m.sint =2..f : Açısal hız Periyot (T) : İşaretin kendini yinelemesi için geçen süre (s) Frekans (f): 1 saniyedeki periyot sayısına ya da 1 saniyede İşaretin kendini yineleme sayısına denir. Birimi Hertz (Hz) dir. f=1/t
Aşağıda verilen değişimler de AC dir. I T I T I T Kare dalga Testeredişi dalga Üçgen dalga t t t Bir telden geçen yük zamanla değiştiği zaman, akım; dt dq i ile ifade edildiği daha önce söylenmişti. Bu durumda akım, yükün zamana göre türevi (değişim hızı) olacaktır. o o o o x x y y x x y y 1 1 1 2 1 2 t t q q t q dt dq i Eğri denklemi
ÖRNEK: 20 q (C) Q-t değişimi yandaki gibi olan bir tel üzerinden akan akımın zamanla değişimi bulunuz. -20 0.5 1 t (s) T=1 s ÇÖZÜM: 0<t<T/2 için q=20 C (sabit) T/2<t<T için q=-20 C (sabit) dq i 0 dt olacaktır. I (A) t (s) ÖRNEK: q (mc) 20-20 1 2 t (ms) 0<t<T/2 için q=20.t T/2<t<T için q= 20t-40 I (A) 20 I = 20 A I = 20 A I - t değişimini bulunuz. 1 2 t (ms)
ÖDEV: I (ma) 20 10 2 6 8 t (ms) Bir telden geçen akımın zamana (I t) göre değişimi bu şekilde olduğuna göre q-t değişimini bulunuz.