FİZ102 FİZİK-II Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü 2014-2015 Bahar Yarıyılı 7. Bölüm Özeti Ankara Aysuhan OZANSOY
Bölüm 7: Doğru Akım Devreleri 1. Dirençler 2. Elektrik Ölçü Aletleri 3. Kirchoff Kuralları 4. Akımın Biyolojik Etkileri 5. Güç Dağıtım Sistemleri 6. RC Devreleri 2
1.Dirençler Uçları arasında belli bir değerde direnç bulunan devre elemanına direnç denir. Elektrik devrelerinde bulunan dirençler silindir şeklindedir ve üzerinde direncin değerini gösteren renkli şeritler yer alır. Dirençlerin Bağlanması II)Paralel Bağlı Dirençler I) Seri Bağlı Dirençler I=I 1 =I 2 =I 3 V=V 1 +V 2 +V 3 R eş =R 1 +R 2 +R 3 3 V=V 1 =V 2 =V 3 I=I 1 +I 2 +I 3 1/R eş =1/R 1 +1/R 2 +1/R 3
Ara Not: Direncin Renk Kodundan Okunması Bu kesim, Kaynak [1] ten alınmıştır. RENK Değer (Çarpan) (Tolerans) Siyah 0 1Ω Kahverengi 1 10Ω ±%1 (F) Kırmızı 2 100Ω ±%2 (G) Turuncu 3 1KΩ - Sarı 4 10KΩ - Yeşil 5 100KΩ ±%0.5 (D) Mavi 6 1MΩ ±%0.25 (C) Mor 7 10MΩ ±%0.10 (B) Gri 8 ±%0.05 Beyaz 9 - Altın - 0.1 ±%5 (J) Gümüş - 0.01 ±%10 (K) Örnek Kahve rengi Siyah Kırmızı Tolerans Altın Direncin değeri Ω 1 0 2 %1 1000 = 1k Ω±%1 4
Ohmik ve ohmik olmayan devre elemanları: Şekiller, Kaynak [1] ten alınmıştır. Devrelerde diyotun gösterimi. 5 V s : Sinyal üreticinin gerilimi V R : Direncin gerilimi Devreye diyor eklendiğinde direnç üzerindeki gerilimin negatif yarısı kırpılmış olur.
2. Elektrik Ölçü Aletleri: Bu kesim, Kaynak [2] den alınmıştır. 6
I = R ε + R A Voltmetre Potansiyel farkı ölçmede kullanılır. Potansiyel fark ölçülecek yere paralel bağlanır. Voltmetrenin hassas ölçüm yapabilmesi için R V 7 değerinin (voltmetrenin direnci) çok büyük olması 1 1 1 gerekir. = + R M es R R V R R es = 1 + R R V V IR = 1+ R / R V
Bu kesim, Kaynak [2] den alınmıştır. 8
Açık Devrede Güç Kaynağı: a noktasının solundaki ve A ampermetresinin sağındakitellerhiçbiryerebağlı değildir. V voltmetresi idealdir. (Yani direnci sonsuzdur). Bu nedenle geçen akım I=0 dır. Ampermetre sıfır değerini okur. I=0 olduğundan pilin uçları arasındaki potansiyel fark emk değerine eşittir. Voltmetre 12 V değerini okur. Kapalı Devrede Güç Kaynağı (Örnek 6.6 da çözülmüştü.) Ampermetre 2 A, voltmetre 8 V değerlerini okur. ε 12 I = = = 2 A r + R 6 Vab = V ' ' = ε Ir = 8 V a b 9
Kısa Devre Güç Kaynağı: Akım, her zaman iki uç arasında en kısa yoldan akar. Eğer devrede yıpranmış ya da hasar görmüş bir yer varsa, akım devreyi tamamlamak yerine buradan akar. Buna kısa devre denir. Bu durumda bir kıvılcım oluşabilir. Eğer gerilim çok yüksekse, devre bir yangına neden olabilecek kadar ısınabilir. [Kaynak 3] Şekilde, a ve b noktaları arasında sıfır dirençli bir yol bulunmaktadır. (Güç kaynağının iki ucu birbirine bağlıdır, bu bir kısa devredir). Bu nedenle bu noktalar arasındaki potansiyel fark sıfırdır. V ab :0 Ampermetreden okunan değer; V ab = ε- Ir= 0 I= ε / r = 6 A 10
3. Kirchhoff Kuralları 1. Bir düğüm noktasına giren akımların toplamı çıkan akımların toplamına eşittir. 2. Kapalı bir çevrim (ilmek) boyunca tüm potansiyel farkların toplamı sıfırdır. = 0 V Pot. fark: + ε - ε +IR -IR 11
4. Akımın Biyolojik Etkileri Bu kesim, Kaynak [2] den alınmıştır. 12
13
5. Güç dağıtım sistemleri Şekil, Kaynak [3] ten alınmıştır. 14 Elektrik, elektrik santrallerinde (hidoelektrik, termik ya da nükleer) jeneratör adı verilen dev makinalarda üretilir. (Jeneratörün ve transformatörün çalışma prensipleri Bölüm 10 da anlatılacaktır). Üretilen elektrik, iletim şebekesi denen kablolar aracılığıyla taşınır. Bu kablolar ya yerin altına gömülür ya da çelik dev direkler üzerinde taşınır. Kabloların dirençlerinden ve akımın kabloları ısıtmasından dolayı, akımın azaltılıp, gerilimin yükseltilmesi gerekir. Bu nedenle, santrallerin çıkışında, gerilim yükseltici transformatörler kullanılır. Ev ve işyerlerinde elektrik kullanılmadan önce gerilim düşürücü transformatörler kullanılarak, gerilim gerekli seviyeye düşürülür.
Evlerde, fabrikalarda ve ticari kuruluşların çoğunda alternatif akım (ac) kullanılır. Eve gelen elektrik, sigorta adı verilen bir güvenlik cihazından geçer. Telli bir sigortada, sigorta teli, erime noktası düşük iletkenliği yüksek bir malzemeden yapılır. Akım çok fazla geçtiğinde, tel erir, devre kesilir. Buna «sigorta atması»denir. Elektrik şirketinden gelen kablo çiftine hat denir. (Faz hattı ve nötr hat) Evlerde çalıştırılacak olan tüm cihazlar güç kaynağına paralel bağlanır, çünkü seri bağlı durumda cihazlardan biri kapatıldığında hepsinin kapanması gerekir. 15
(Giancoli, örnek 25-11) Sigorta atacak mı? Şekildeki tüm cihazların çektiği toplamakım nedir? Tüm cihazlar için potansiyel fark 120 V Güç: P = I V Ampül : I A = 100 /120 = 0.8 A Isıtıcı : I I = 1800 /120 = 15 A Radyo: I R = 350 /120 = 2.9 A Saç kurutma makinesi: I S = 1200 /120 = 10 A Toplam I = I A + I I + I R + I S = 28.7 A Şekiller, Kaynak [4] ten alınmıştır. 16 Eğer bu devre 20 A lik bir sigortaya göre tasarlanmışsa, sigorta atar. Toplam akımı 20 A in altına düşürmek için cihazlardan bir ya da birkaçını kapatmak gerekebilir.
Otomobillerde; Doğru akım (dc) kullanılır. Güç aküden sağlanır. (Yaklaşık 12 V) Aküyü motorun çalıştırdığı alternatör besler. (İki kaynak aynı kapalı devrede yer aldığında büyük emk lı kaynak diğerine güç verir). Arabalarda elektrik devresinin nötr ucu arabanın şasisine bağlıdır. Aküsü boşalan bir otomobil, başka bir otomobilin aküsü yardımıyla, atlama kabloları kullanılarak doldurulabilir. Atlama kabloları ile, akü ve araba arasındaki iletkenin dirençleri vardır. Devre aşağıdaki gibi temsil edilebilir. 17
6. RC Devreleri Birkondansatörvedirencinseribağlı olduğu devrelere RC devresi denir. RC devrelerinde akım şiddeti sabit değildir, zamanla değişir. Güç kaynağının emk sı sabittir. RC devrelerinin kullanımı günlük yaşamda çok yaygındır. Arabalarda cam sileceklerinin hızını, trafik ışıklarının değişimini, dönüş sinyallerini kontrol etmede kullanılır. Ayrıca kalp ritim cihazlarında (kalp pili) ve elektronik flaş ünitelerinde kullanılır. Anahtar açıkken kondansatör plakları arasındaki potansiyel fark V bc =0 dır. Kirchhoff un ilmek kuralına göre direncin uçları arasındaki potansiyel fark V ab kaynağın emksı ε a eşittir. 18
Anahtar kapatılıp, kondansatör dolmaya başladığında, direncin uçları arasındaki potansiyel V ab ve akım azalır ancak kondansatörün voltajı V bc artar. V ab ve V bc ninanlık değerleri ile ilmek kuralı uygulandığında; V ab =IR vev bc =Q/C ε -IR Q/C=0 elde edilir. (*) Anahtarın hemen kapatıldığı an t=0 ise, bu anda yük Q=0 dır. (*) denkleminde Q=0 alınırsa t=0 daki akım şu şekildedir: I o = V ab / R = ε / R ε, R ve C sabit iken akım (ve yük) zamanın bir fonksiyonudur I= dq / dt alarak (*) denklemi düzenlenirse; ε Q I = R RC dq ε Q 1 = = dt R RC RC dq dt = ( Q Cε ) RC ( Q Cε ) Denklemin her iki yanını integre edelim Q dq ( Q Cε ) = t 0 0 dt RC 19
İntegraller alınıp gerekli düzenlemelerden sonra, kondansatörün yükü ve devredeki akım için aşağıdaki ifadeler bulunur. Q = Cε (1 e t / RC ), Q f = Cε Q = Q f (1 e t / RC ) I = dq dt = ε e R t / RC = I 0 e t / RC τ =RCçarpımına devrenin zaman sabiti denir ve bu nicelik kondansatörün ne kadar hızlı yüklendiğinin bir ölçüsüdür. Akım üstel olarak azalmaktadır. Kondansatörün yükü üstel olarak artar. 20
Kaynaklar 1. FİZ255 Elektrik ve Manyetizma Laboratuarı Deney Kılavuzu, A.Ü. Fen Fakültesi Fizik Bölümü 2. http://www.seckin.com.tr/kitap/413951887 ( Üniversiteler için Fizik, B. Karaoğlu, Seçkin Yayıncılık, 2012). 3. P. Adamczyk ve P.F. Law, «Elektrik ve Manyetizma», TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları 124, Gençlik Kitaplığı 25, 1999, Ankara 4. Fen Bilimcileri ve Mühendisler için Fizik, D. C. Giancoli, Akademi Yayıncılık, 2009. 5. Diğer tüm şekiller ; Üniversite Fiziği Cilt-I, H.D. Young ve R.A. Freedman, 12. Baskı, Pearson Education Yayıncılık 2009, Ankara 21