ELEKTRİK- ELEKTRONİK BİLGİSİ YRD. DOÇ.DR ERKAN DENİZ ELEKTRİK- ELEKTRONİK BİLGİSİ DERSİ 1.1. ELEKTRİĞİN KISA TARİHÇESİ Hayatımızı sürdürebilmemiz için genellikle bir enerji türünü başka bir enerji türüne dönüştürmek zorunda kalırız. Elektrik enerjisi ise söz konusu enerji çeşitlerinden sadece bir tanesidir. Elektrik enerjisi hemen bütün enerjilerden elde edilebildiği gibi nerdeyse bütün enerji çeşitlerine dönüştürülebilme özelliğine sahiptir. İnsanlar elektriği yüzyıllar önce kehribar çubuğun kumaşa sürtünmesinden sonra toz ve kıl gibi hafif cisimleri kendisine çekmesi olayı ile tanımışlardır. Bu deneyi ilk yapan Yunanlı filozof ve bilgin Thales (M.Ö. 640-546) bu olayın sadece kehribarla ilgili olduğunu sanmış ve Elektron (Yunanca kehribar) adını kullanmıştır. 2
1.1. ELEKTRİĞİN KISA TARİHÇESİ Orta çağdaki bilginler, sürtme ile elektriklenme olaylarını manyetik olaylarla karıştırdıklarından elektrik kavramının gelişimine hiç bir katkıda bulunmamışlardır. Daha sonraki bilginlerden Gilbert (Jilber) kehribarda görülen çekme özelliğinin, camda ve ebonitte de oluştuğunu görmüştür. İşte; kehribar, ebonit ve camda görülen çekme kuvvetine, ELEKTRON (kehribar) Kuvveti anlamına gelen ELEKTRİK adı verilmiştir. 3 1.1. ELEKTRİĞİN KISA TARİHÇESİ 1672 yılında Otto Von Guericke (Otto Von Gerik), Kükürt bir küreyi döndüren alet yaptı. Yün parçasını dönen küreye tutarak bir kıvılcım üretti. Bu sürtünme yoluyla elektrik üreten ilk generatördür. 1746 yılında Benjamin Franklin Elektrik yüklerindeki artı ve eksi uçlarını keşfederek elektriğin korunumu ilkesini ortaya attı. 1752 yılında Benjamin Franklin gök gürültülü havada bir uçurtma uçurarak şarzlı buluttan Leyden şişesini doldurmayı başardı. Böylece şimşek ile elektrik arasında bağıntı kurdu. Bu deney yıldırım savar (paratoner) in bulunmasına yol gösterdi. 4
1.1. ELEKTRİĞİN KISA TARİHÇESİ 1777 Yılında fizikçi Charles Augustin Coulomb, yüklü iki metal küre ya da iki mıknatıs kutbu arasındaki itme veya çekme kuvvetini ölçtü. 1794 Yılında fizikçi Alessandro VOLTA, çinko ve gümüş plakalar arasına tuz karışımlı sıvı koyarak elektrik akımı elde etmiş oldu. Burada çinko ve gümüş elektrotlar, tuzlu su elektrolittir ve aralarındaki kimyasal tepkime sonucu elektrik üretiliyordu. 5 1.1. ELEKTRİĞİN KISA TARİHÇESİ 1827 Yılında fizikçi George Simon Ohm, bir iletkenden geçen akımın iletkenin uçları arasındaki gerilim ile doğru, iletkenin direnciyle ters orantılı olduğunu formüle etti. 1829 Yılında Joseph Henry, Demir çekirdek etrafında tel sarımı suretiyle yaptığı bobin ile güçlü manyetik alan yaratarak bir tondan fazla metali kaldırmayı başardı. 1831 Yılında fizikçi ve kimyager Michael Faraday, Bir buhar makinesi ile bakır bir plakayı bir mıknatısın yarattığı manyetik alan içinde döndürerek elektrik üretti. Bu ilk generatördür. 6
1.1. ELEKTRİĞİN KISA TARİHÇESİ 1831 Yılında Josep Henry, Fraday'ın buluşunu tersine çevirerek, manyetik alandan elektrik akımı geçirmek suretiyle bir bakır çemberi döndürmeyi başardı. Bu bir elektrik motorudur ve tarihte ilk kez, elektrik enerjisi makinelere güç vererek iş yapılmasını sağlıyordu. Elektrik bilgilerinin pratiğe uygulanması Thomas Edison ve Nicola Tesla tarafından gerçekleştirilmiştir. 1879 Yılında Thomas Alva Edison karbon flamanlı akkor lamba için patent başvurusu yaptı. Üç yıl sonra New York sokaklarında bu lambalar ışıyordu. 1883 Yılında Nikola Tesla, Tesla bobinini buldu. Bu, elektriğin gerilimini dönüştürebilecek ve uzak mesafelere iletmeyi kolaylaştıracak bir transformatör olup Tesla nın alternatif akım projesinin önemli bir ayağıdır. 1887 Yılında Nikola Tesla, Alternatif akım generatörünü buldu. 7 Çok eski bir geçmişi bulunmasına rağmen 1890 ların fizikçileri bile "Elektrik nedir?" sorusunu kendilerine sormaktaydılar. Çeşitli teorilerle cevaplanmaya çalışılan bu soru, 1913 yılında BOHR atom modelinin ortaya atılmasından sonra bugünkü anlamda cevaplanabildi. 1.2. ATOMUN YAPISI VE ELEKTRON TEORİSİ Atom; bir maddenin özelliklerini taşıyan en temel yapı birimi olarak kabul edilmektedir. Elektrik enerjisinin elde edilmesi, iletimi (taşınması) ve kullanılmasını anlamak için atomun yapısına ilişkin temel düzeyde bir bilgiye sahip olmak gerekmektedir. 8
1.3. ATOMUN YAPISI BOHR atom modeline göre; bir atom temelde iki kısım ve üç parçacıktan oluşur. Atomun merkezinde yer alan parçacıklar protonlar ve nötronlardır. Protonlar ve nötronlar bir arada bulunurlar ve atomun çekirdeğini oluştururlar. Elektronlar ise yörüngelerde bulunurlar. Şekil 1.1 de görüldüğü gibi çekirdek parçacıklarından protonun elektriksel yükü pozitif (+) iken nötronun elektriksel yükü sıfır (0) yani yüksüzdür. 9 1.3. ATOMUN YAPISI Yörüngede dairesel olarak hareket eden elektronun yükü ise negatiftir (-). Bir atomda normalde elektron sayısı proton sayısına eşit olduğundan dolayı atom dışarıya karşı elektriksel olarak etkisizdir. Bir atom an az bir ve en fazla yedi (7) yörüngeden oluşur ve bir yörüngede bulanabilecek en fazla elektron sayısı 2n 2 formülü ile hesaplanır. Güncel bilgilerimize göre 109 element vardır. 10
1.4. Serbest (Valans) Elektronlar Bir atomun son yörüngesine valans bandı denir. Valans bandında bulunan elektronlara serbest elektron ya da valans elektronu denir. Bir atomun valans bandındaki serbest elektronlar atomun diğer elektronlarına göre daha fazla enerjiye sahiptirler. Bu durumda maddelere dışarıdan herhangi bir etki yapıldığında, örneğin dışarıdan enerji uygulandığında, ısıtıldığında veya sürtünme yoluyla, serbest elektronlar çekirdeğin çekim kuvvetini aşacak enerjiye sahip olurlar ve kendi atomundan kopabilirler. Serbest elektronlar yörüngelerinden çıktıktan sonra bir başka atomun son yörüngesine bağlanır. Kazandıkları enerjiyi kaybettiklerinde ise ya geri dönerler ya da başka bir atomun son yörüngesine geçebilirler. Elektrik akımının iletimi serbest elektronların bu özellikleri sayesinde gerçekleşir. 11 1.5. Atom Yapısına Göre İletken ve Yalıtkan Tanımı İletken: Son yörüngelerinde 3 ya da daha az elektron bulunduran atomlardan oluşan maddelere iletken denir. Bunlar elektrik akımını iyi iletirler. Tüm metaller iletkendir. İnsan vücudu iyi bir iletkendir. Asit, baz ve tuz çözeltileri iyi bir iletkendir ve bunlara elektrolit adı verilmektedir. Saf su yalıtkan, günlük hayatta kullandığımız içme suyu ise iletkendir. Toprak içinde su olduğu için iletkendir. Gazlar genelde yalıtkandır; fakat iyonlarına ayrılmış gazlar iletkenlik kazanırlar. En iyi iletkenler: Gümüş > Bakır > Altın > Alüminyum Bakır hem iyi bir iletken hem de diğerlerinden daha ucuz olduğu için en çok kullanılan iletken maddedir. Alüminyum ise hafif olduğundan uzun iletim hatlarında kullanılır. 12
1.5. Atom Yapısına Göre İletken ve Yalıtkan Tanımı Yarı iletken: Atomlarının son yörüngelerinde dört (4) elektron bulunduran atomlardan oluşan maddelere yarı iletken denir. Yarı iletken maddeler, yarı iletken devre elemanlarının yapımında kullanılır. Si veya Ge içerisine 5-valans elektronu olan atomların belli bir oranda eklenmesi ile N-Tipi Malzeme Si veya Ge içerisine 3-valans elektronu olan atomların belli bir oranda eklenmesi ile P-Tipi Malzeme 13 1.5. Atom Yapısına Göre İletken ve Yalıtkan Tanımı Yalıtkan: Atomlarının son yörüngelerinde 5 ve daha fazla elektron bulunduran maddelere yalıtkan denir. İyi bir yalıtkan maddedeki atomların son yörüngelerinde sekiz (8) ya da daha fazla elektron bulunması gerekir. Cam 20 C de iyi bir yalıtkan iken 300 C nin üzerinde iletken hale geçer. Hava iyi bir yalıtkandır. Fakat 30.000 V/cm de iletken hale geçer 14
1.6. Elektrik Yükü ve Birimi Bilindiği gibi atomların normal şartlarda proton ve elektron sayıları eşittir. Bunun anlamı, bir etkiye maruz kalmamış maddeler yüksüz (nötr) haldedirler Şayet madde atomları elektron kaybetmişlerse Pozitif (+) İYON, elektron kazanmışlarsa Negatif (-) İYON durumuna geçecektir. 15 1.6. Elektrik Yükü ve Birimi Elektrik Yükü: bir maddedeki atomların yüklerinin toplamı şeklinde tanımlanabilir. Q yada q harfleri ile gösterilir. Birimi Kulon (Coulomb) dur ve C ile gösterilir. 1 Coulomb: 6,24.10 18 tane elektronun taşıdığı yük miktarıdır. 2.4.1. Coulomb Kanunu Farklı iki yük arasında çekme ve aynı iki yük arasında itme kuvveti vardır. Kulon Kanunu, cisimlerin elektriksel yüklerinin birbirlerine etkisini tanımlar ve açıklar. 16
1.7. Akım Akım: bir iletken madde de serbest elektronların bir noktadan başka bir noktaya hareketidir. Birimi Amperdir. Elektronun hareketi ile belirli bir yük bir noktadan diğerine taşına bilmektedir. Taşınan yük miktarı 1 Amper: Bir iletken kesitinden 1 saniyede 6,24.10 18 elektron (1C) geçiyorsa bu akımın şiddeti 1 Amperdir. 17 1.8. Gerilim Elektrik yüklü taşıyıcıları harekete geçiren, yani akımın artmasını sağlayan bir kuvvet olmalıdır. Biz iletkende elektronları harekete geçirerek elektrik akımı oluşturmak için iletkenin uçlarına İki Ucu Arasında Elektron Açısından Potansiyel Fark Bulunan bir yapı bağlamalıyız. Bu yapı devrede görülen gerilim kaynağıdır. Uçları arasında potansiyel fark oluşturulan yani GERİLİM üreten bu yapılara GERİLİM KAYNAĞI, KAYNAK veya ÜRETEÇ denir. 18
1.8. Gerilim Soldaki devrede: U gerilim kaynağının yani pilin (+) ucunda elektron eksikliği ve (-) ucunda elektron fazlalığı vardır. Kaynak bir R direncine (ampül) bağlanırsa (-) kutuptan (+) kutub a doğru bir elektron akışı başlar. Gerilim kaynağı kendi elektromotor kuvveti yardımıyla (+) kutub a ulaşan elektronları (-) kutub a aktararak (+) ve (-) kutuplardaki elektron yoğunluklarının sürekli olarak sabit kalmasını sağlar. Böylece akımın sürekliliği sağlanır. (Soldaki Şekil) Devrede akım yönü aslında elektron akış yönüdür. Ancak bilim insanları yıllar önce akım ile ilgili araştırmalar yaparken akımın yönünün pozitif kutuptan negatif kutba doğru olduğunu düşünmüşler ve birçok bilimsel çalışmalarını buna göre yapmışlardı. Bunun için devredeki akımın yönünün günümüze kadar pilin pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru olduğu kabul edilmiştir. (Sağdaki Şekil) YRD. DOÇ.DR ERKAN DENİZ ELEKTRİK- ELEKTRONİK BİLGİSİ DERSİ 19 1.8. Gerilim 1 Volt: Bir noktadan başka bir noktaya 1 coulomb'luk yükü hareket ettirmek için 1 joule'lik enerji kullanıldığı zaman, iki nokta arasındaki potansiyel farkı miktarı bir volttur. 20
1.9. Mekaniksel İş ve Güç 1.10. Elektriksel İş ve Güç 21 1.11. REZİSTANS Bir malzeme içerisinde serbest elektronların hareketi süresince malzeme içerisindeki diğer atomlara çarparlar. Bu çarpma elektronların hareketini sınırlar ve çarpmanın oluşturduğu etki malzemeden malzemeye değişir. Malzemenin elektron akışına karşı koyma özelliğine REZİSTANS denir. 1.12. DİRENÇ Bir miktar resiztans içeren devre elemanıdır. Birimi Ohm (Ω) dur. Akımı Sınırlamak, Gerilimi Bölmek ve Isı Üretmek amacıyla kullanılırlar. Sabit ve Değişken (1-Potansiyometre, 2-Reosta) değerli olmak üzere 2 tipte yapılırlar. YRD. DOÇ.DR ERKAN DENİZ ELEKTRİK- ELEKTRONİK BİLGİSİ DERSİ 22