BİRİNCİ BÖLÜM: ELEKTRİĞİN TEMEL KAVRAMLARI Anahtar Kelimeler Akım, amper, atom, bileşik, devre, direnç, elektriksel yük, elektron, element, enerji, iletken, iyon, karışım, kaynak, kulon, kutup (polarite), kuvvet, madde, molekül, nötron, ohm, potansiyel, proton, serbest elektron, valans elektron, volt, yalıtkan, yarıiletken, yük. Bu bölümde kazandırılacak yeterliklerden sonra öğrenci; Elektrikle ilgili teknik elemanların nasıl sınıflandırıldığını, Maddenin tanımını ve fiziksel ve kimyasal durumlarını, Element ile bileşik arasındaki farkları, Atom, molekül ve iyonun karakteristikleri ve yapılarını, Elektron, proton ve nötronun elektriki karakteristiklerini, Valans ve serbest elektron kavramlarını, Elektriki dengesizlik oluşturmanın yollarını, İletken, yarıiletken ve yalıtkanların karakteristiklerini, Elektriksel yük kanununu, Kutup ve referans noktayı, Elektriksel yükü ve birimi olarak kulonu, Potansiyel veya emf (emk:elektromotor kuvvet) ve ölçüm birimini, Akım ve ölçüm birimini, Direnç ve ölçüm birimini, Yükün zamanda değişimi biliniyorken akım genliğini hesaplamayı, Elektrik devresinin temel elemanlarını, Açık ve kapalı devre arasındaki farkları öğrenecek ve anlatabilecektir. Elektrik, Elektronik, Haberleşme, Otomasyon ve İlgili Diğer Alanlarda Teknik Elemanların Sınıflandırılması Ülkemizde teknisyen, tekniker, teknik öğretmen, mühendis unvanları diplomaya bağlı olarak verilmektedir. Teknisyen, meslek lisesi mezunu olup okul süresi 3-4 yıldır. Tekniker, meslek yüksekokulu mezunu olup okul süresi 2 yıldır. Önlisans diploması alır. Teknik öğretmen teknik eğitim fakültesi mezunu olup okul süresi 4 yıldır. Lisans diploması alır. Mühendis de mühendislik fakültesi mezunu olup okul süresi 4-5 yıldır. Lisans diploması alır. Lisans sonrası lisansüstü eğitime devam edilerek yüksek teknik öğretmen veya yüksek mühendis diploması da alınabilir. Bu konuda ulaşılabilecek en ileri düzey doktora sonrası alınan meslekî doktor unvanıdır. Teknisyenler; çok sayıda elektronik sistemi kurabilir, ayarlayabilir, tamir edebilir ve devamlılığını sağlayabilir. Teknikerler; teknisyenlere ek olarak tasarım, geliştirme ve test aşamalarında yardımcı eleman olarak çalışabilir. Teknik öğretmen ve mühendisler; bütün bunlara ek olarak elektronik sistemleri tasarlarlar, endüstriye danışmanlık yaparlar, uygun iş için en uygun sistemlerin seçimini yaparlar. Ayrıca her düzeydeki mesleki-teknik eğitim-öğretim kurumlarında öğretmen veya akademisyen olarak çalışabilirler.
Şekil 1.1. Teknik elemanlar mikroişlemci denetimli bir sistemin çıkış işaretini gözlüyor. Şekil 1.2. Bir RLC devresinin tasarım aşaması. Şekil 1.3. Bir doğru akım devresi üzerinde çalışan teknikerler.
Şekil 1.4. Tümleşik devrelerle elektriki işaretlerin işlenmesi konusunda çığır açılmıştır. MADDENİN FİZİKSEL VE KİMYASAL DURUMLARI Maddenin Tanımı Maddeyi tanımlamak için çok sayıda ifade kullanılmaktadır. Bunlardan en yaygın kullanılanları şunlardır: Belli bir ağırlığı olan ve uzayda yer kaplayan her şeydir madde. Veya duyu organlarımızla algılayabildiğimiz şeylerden yapılan her şeye madde denir. Maddenin temel yapı birimi atomdur. Elektroniğin anlaşılmasındaki önemi yüzünden atom konusu bu bölümün ileri kısımlarında daha ayrıntılı ele alınacaktır. Maddenin Fiziksel Halleri Madde en az dört fiziki halde bulunur: Bunlar; katı ( sandalye gibi), sıvı (su gibi), gaz (oksijen gibi) ve plazma gibi hallerdir. Sıvı veya gaz halinde buluna maddenin boyutları içinde bulunduğu kaba göre belirlenir. Maddenin Kimyasal Halleri Maddenin kimyasal halleri element, bileşik ve karışım adını alır. Elementler kimyasal olarak benzer maddelere ayrılamazlar ve sadece bir tür atomdan oluşurlar. Kimyasal elementlere örnek olarak altın, gümüş, bakır, oksijen, silikon vs. verilebilir. Şekil 1.5. Bazı metalik elementler
Bileşikler kimyasal olarak iki veya daha çok elementin birleştirilmesiyle elde edilir. Diğer bir ifade ile, iki veya daha çok farklı türden atom birlikte bir molekül oluştururlar. Bileşiği oluşturan moleküller, kesin bir yapı ve karakteristiğe yani aynı ağırlık ve aynı atomik yapıya sahiptirler. Su (molekülü; hidrojen ve oksijen atomlarından oluşur), şeker (karbon, oksijen ve hidrojenden oluşur) bileşik örnekleridir. Şekil 1.6. Çok bilinen iki bileşik: Şeker ve su Karışımlar, farklı elementlerin karıştırılmasıyla oluşturulur. Ancak bu elementler, karışım içinde de kendi hallerinde iken sahip oldukları özelliklerini korurlar. Bileşikte olduğunun tersine, karışım sonucunda, karışımı oluşturan atomlarda kimyasal bir değişim söz konusu değildir. Dolayısı ile bileşik ile karıştırılmamalıdır. Altın tozu ile kumu karıştırarak yeni bir varlık (karışım) elde edebiliriz. Bu varlık kimyasal olarak farklı bir bileşik değildir. Maddeler kolayca birleştirilebilir (bileşik haline dönüştürülebilir) veya karıştırılabilir. Şekil 1.7. Karışımlar, oluşturuldukları malzemelerin yalnızken sahip oldukları özelliklerini korumaya devam ettikleri bileşimlerdir. Karışım ve bileşik bu yüzden birbirinden farklıdır. Maddenin Bileşimi Bütün maddelerin temel yapı birimi atomlardır. Atomlar kimyasal olarak birleşerek molekülleri oluştururlar ve yeni bileşik (madde) kendini oluşturan her bir özgün elementten daha farklıdır. Aynı şekilde her bir elementin atomları başka bir elementin atomlarından, her bir bileşik maddenin molekülü de bir diğer bileşik maddenin molekülünden farklıdır.
Şekil 1.8. Su molekülü oksijen ve hidrojen atomlarından oluşur. Özetle, bütün maddeler atom veya moleküllerden yapılmıştır. Bir bileşiğin, bütün fiziksel özelliklerini koruyan (gösteren) en küçük parçasına molekül denir. Bir elementin bütün özelliklerini gösteren en küçük parçasına da atom denir. Şekil 1.9. Bileşiğin bütün özelliklerini gösteren en küçük parçasına molekül denir. Elementin bütün özelliklerini gösteren en küçük parçasına ise atom denmektedir. Atomun Yapısı Atomu oluşturan meson, positron, neutrin gibi başka parçaları da olmasına karşın elektrik konusunu anlamak için gerekli olan ve atomu büyük oranda tanımlayıp anlatan üç parçadan bahsedeceğiz: Bunlar; elektron, proton ve nötrondur. Atom Modeli Danimarka lı bilim adamı Niels Bohr elektron kuramını anlatan bir model geliştirmiş ve Bohr Modeli adını vermiştir. Bu modele göre atom, merkezde bir çekirdek ve çekirdek etrafında dönen elektronlardan oluşmaktadır. Çekirdek, elektriki olarak pozitif yüklü proton ve yüksüz nötronlara sahiptir. Yörüngelerde dönen elektronlar ise negatif yüklüdür. Güneş sistemi bu modele oldukça benzemektedir. Gezegenler elektron ve güneş de çekirdek olarak düşünülebilir.
Şekil 1.10. Bohr un atom modeli. Çekirdekte proton ve nötronlar bulunurken çekirdek etrafındaki yörüngelerde elektronlar dönmektedir. Şekil 1.11. Atomlar genellikle dengededirler. Çekirdekteki protonların toplam pozitif yükü ile çekirdek etrafındaki yörüngelerde dönen elektronların toplam negatif yükü birbirine eşit olduğundan atomun toplam yükü nötrdür, yani yüksüzdür. Aynı şekilde, elektriki olarak dengede olan bir atomun proton ve elektron sayıları da birbirine eşittir. Aşağıdaki çizelgede atomik parçalar hakkında bazı ilginç karakteristikler verilmiştir.
Çizelge 1.1. Atomik parçacıklara ilişkin bazı veriler DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ ELEKTRONLAR PROTONLAR nötronlar Negatif yüklü Pozitif yüklü Yüksüz Küçük kütle/ağırlık (Yaklaşık 9.10-28 gr) Çekirdek dışındaki yörüngelerde dönüyor Yörüngesi boyunca saniyede trilyonlarca tur atıyor Elektrona göre 1836 kat daha ağır Çekirdekte yerleşik Sayıca elektrona eşit (Hız değil, proton sayısı=elektron sayısı) Protona benzer kütle/ağırlıkta Çekirdekte yerleşik İzotopa göre sayısı farklı olabiliyor Elektron; Negatif elektrik yüküne sahiptir. Kütlesi veya ağırlığı 9.10-28 gramdan küçüktür. Çekirdek etrafında inanılmaz bir hızla (saniyede trilyonlarca defa) dönmektedir. Atomun kimyasal yapısını belirlemeye yardım eder. Proton; Pozitif elektrik yüküne sahiptir. Atomun çekirdeğindedir. Elektrona göre yaklaşık 1800 kat daha ağırdır. Sayısı elektron sayısına eşittir. Nötron; Elektriki olarak yüksüzdür. Atomun çekirdeğindedir. Protonla aynı kütle ve ağırlığa sahiptir. Aynı elementin farklı izotoplarına göre sayısı değişebilir. Mesela hidrojenin üç izotopu vardır: Protium, deuterium, tritium. Şekil 1.12. Aynı atomun izotopları arasındaki fark. Atomik Sayı ve Kütle (Atom Numarası ve Atom Ağırlığı) Bir elementin atom numarası her bir atomunun proton (dolayısı ile elektron) sayısıdır. Mesela bakırın atom numarası 29 ve karbonun 6 dır. Atom ağırlığı ise, atomun ağırlığının karbon-12 atomunun ağırlığı ile karşılaştırılmasıyla belirlenir. Mesela en basit atom olan hidrojenin atom ağırlığı 1.007 atomik kütle birimi ve bakırın 63.54 atomik kütle birimidir. Atomik Kabuk Kavramı Atomun çekirdeği etrafına dönen elektronların hiçbirinin yörüngesi ve çekirdekten uzaklığı bir diğeriyle aynı değildir. Yapısal anlamda hizalanmaları şekildeki gibidir. Eğer atom kararlı ise, her halka veya kabuğun içerebileceği en çok elektron sayısı 2n 2 ifadesi ile şekillenir. Burada n çekirdekten dışa doğru kabuk numarasıdır. Mesela, çekirdeğe en yakın kabukta en çok 2, ikinci kabukta en çok 8 ve üçüncü kabukta en çok 18 ve dördüncü kabukta en çok 32 elektron yer alabilir. En dış kabukta ise kabuk sayısı ne olursa olsun 8 den çok elektron olamaz.
Şekil 1.13. Karbon ve bakır atomları Şekil 1.14. Elektronlar çekirdekten farklı uzaklıklarda hizalanırlar. Elektron Kuramı Kavramı Buraya kadar anlatılanlar elektron kuramının bazı parçalarıydı. Geline bu noktada, bazı yönlerden elektron kuramının anlaşılmasına katkıda bulunan valans ve serbest elektronlar kavramlarının ne olduğuna bakabiliriz. Valans Elektronlar Atomun en dış kabuğundaki elektronlara valans elektronlar denmektedir. Valans elektronların sayısı atomun elektriki ve kimyasal olarak kararlı veya kararsız olduğunu belirler. Bütün atomlar için geçerli olmak üzere, son kabukta 8 elektron bulunması durumunda bu kabuk tam doludur. Son kabukta 8 elektron varsa bu atom veya malzeme kararlıdır ve kimyasal olarak başka atomlarla birleşerek bir bileşik (molekül) oluşturması ve ayrıca bu elektronların atomdan koparılması kolay değildir. Bunun örneği neon ve argon gibi gazlardır. Son kabuğunda 8 den az elektronu bulunan atomlar elektriki ve kimyasal olarak aktiftir. Bu tür malzemeler kararlılık kazanmak için sıklıkla başka atomlarla kimyasal olarak birleşerek moleküller veya atomik bağlar kurarlar. Elektriki olarak bu valans elektronlar kendi atomlarından kolayca ayrılabilirler ve bazen serbest elektron olarak adlandırılırlar. Bu tür malzemelere örnek olarak bakır, altın ve gümüş verilebilir.
Şekil 1.15. Serbest elektronların sayısı atomun kimyasal ve elektriki kararlılığını etkiler. Son yörüngesinde 4 elektronu olan malzemeler de vardır. Bu tür malzemelere kararlılıkla kararsızlığın ortasındadır. Germanyum ve silisyum bunu örnekleridir.bugün yarıiletken olarak bilinen transistör, tristör, diyot gibi elemanlarla tümleşik (entegre) devrelerin çoğunda bu malzemeler kullanılmaktadır. Sonuç olarak elektron kuramı atomik yapıya dayanmaktadır. İyonlar Kendi atomundan kimyasal, ışık, ısı veya başka bir enerji türü ile koparılan elektron arkasında elektriki olarak nötr olmayan bir atom bırakır. Elektron kaybederek veya kazanarak elektrik dengeden (nötr olma durumundan) uzaklaşan atomlara iyon denir. Pozitif iyon elektron sayısı proton sayısından az olan ve negatif iyon da elektron sayısı proton sayısından çok olandır. Bir elektronun nötr bir atomdan koparak onu pozitif yapması veya nötr bir atoma dahil olarak onu negatif yapması olayına iyonizasyon denir.ilerde bu işlemin bazı elektronik cihazlarda nasıl yararlı olduğunu göreceğiz. Şekil 1.16. İyonlar elektron kazanmış veya kaybetmiş atomlardır. Elektriki Dengeyi (Nötr Durumunu) Değiştiren Enerjiler Konular ilerledikçe göreceksiniz ki atomun elektriki dengesini değiştirmek, elektronların akışını veya hareketini kontrol etmek elektriğin (ve doğal olarak elektroniğin) temelidir. Elektron hareketine veya yük ayrımına yol açan enerji kaynakları vardır. Bunların en yaygın bilinenleri;
Sürtünme (statik elektrik), Kimyasal enerji (batarya veya üreteç), Mekanik enerji (generatör veya alternatör), Manyetik enerji, Işık enerjisi, Isı enerjisi. Bu enerjilerden bir ya da birkaçının uygun şekilde kullanımı ile elektrik enerjisi kaynağı elde edilebilir. Bu kaynaklar elektriki potansiyel oluşturabilir veya bu kaynaklara bağlı elektrik devreleri üzerinde bir elektron akışı gerçekleşir. Elektrik devreleri, belli amaçlar için elektron akışının sağlandığı, sürdürüldüğü veya kontrol edildiği kapalı yollardır. Bunun nasıl gerçekleştirildiği ileride anlatılacaktır. Şekil 1.17. Faydalı enerji üretmek için kullanılan bazı enerji kaynakları: a) Piller veya bataryalar gerilim üretmek için kimyasal enerji kullanırlar. b) Generatörler mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. c) Güneş, ışık enerjisi kaynağıdır. d) Termokupllar (ısılçiftler) ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürürler. İletkenler, Yarıiletkenler ve Yalıtkanlar İletkenler, mesela bakır, altın, gümüş çok sayıda serbest elektrona sahiptir. Bu malzemelerin en dış kabuğundaki elektronlar çekirdeğe zayıf bir kuvvetle bağlı olduğundan elektron hareketini kolayca iletebilirler. Bir diğer deyişle son kabukta 1, 2 veya 3 elektronları vardır. Yarıiletkenler, mesela germanyum ve silikon son kabuklarında 4 elektron bulundururlar. Yalıtkanların son kabuklarında 5-8 elektron vardır ve atoma sıkıca bağlı olduklarından elektron hareketine kolayca izin vermezler. Cam ve seramiği örnek olarak verebiliriz. Elektrik devreleri, iletken, yarıiletken ve yalıtkan içeren çok sayıda devre ve bağlantı elemanından oluşur.
Bir Elektrik Sistemi Örneği Şekil 1.18. a) İletkenler b) Yarıiletkenler c) Yalıtkanlar Bir elektrik sistemi temel olarak bir elektrik enerjisi kaynağı, bu enerjiyi bir noktadan bir diğerine taşıyan yollar ve elektriki yükten oluşur. Şekil 1.19. Basit elektrik sisteminin parçaları Kaynak, yüke taşınan enerjiyi sağlar. Yük, elektrik enerjisini bir başka forma (biçime) sokar veya başka bir enerji türüne (ısı, ışık, hareket gibi) dönüştürür. Mesela, evlerde bulunan aydınlatma tesisatlarında elektrik enerjisi ışığa dönüştürülmekte ve enerjinin kaynaktan lambalara (yüke) taşınması için elektrik kabloları kullanılmaktadır. Şekil 1.20. Çok bilinen bir elektrik sistemi Sonraki bölümlerde elektrik enerjisi kaynağının bu enerjiyi nasıl sağladığı, iletkenler üzerinden yüke nasıl taşındığı ve taşınan miktarın nelere bağlı olduğu tartışılacaktır.
Statik Elektriğin Temel İlkeleri Elektrik devrelerinde elektronların hareketi üzerinde çalışmadan önce elektrik yükleri ve statik (durgun) elektrik hakkında bilgi sahibi olmakta fayda vardır. Aslında bunu hemen herkes hissetmiştir; mesela kalın, yünlü bir halıda yürüdükten sonra kapı kolunu tutan, araba kullandıktan sonra aşağı inerken kapıya dokunan bir çok kişi durgun elektrikle hafifçe çarpılmıştır. Bu tür bir elektrik olayında iletken olmayan malzemelerin göze çarptığını düşünebiliriz. Çok bilinen bir deney vardır, kauçuk veya lastik bir çubuğu bir kürk ile ya da bir cam çubuğu ipek ile ovarak yük değişimi sağlamaya dayanan bu deney sonrasında kâğıt veya hafif malzemeler yüklenmiş nesne tarafından çekilmektedir. Bunun anlamı, deney sonunda nesnenin normalden daha az veya çok sayıda elektrona sahip olduğudur. Yani kauçuk-kürk sürtünmesinde kauçuk çubuk kürkten elektron kazanmakta ve kürk de kauçuk çubuğa elektron vermektedir. Böylece çubuk negatif yüklü hale gelirken kürk pozitif yüklenmektedir. Ama çekirdek yüklerinde hiçbir değişme olmamaktadır. Şekil 1.21. Statik genellikle iletken olmayan malzemelerle ilişkilidir. İpekle cam çubuğun kullanıldığı deneyde cam çubuk elektron kaybederek pozitif, ipek ise elektron kazanarak negatif yüklenmektedir. Ayrıca, (negatif) yüklü kauçuk çubuk ile (pozitif) yüklü cam çubuk arasında da bir çekim olduğu gözlenebilir. Böylece temel bir elektrik kanununu ifade edebiliriz: Farklı yükler birbirini çeker, aynı yükler birbirini iter. Şekil 1.22. Yüklerle ilgili temel bir kanun aynı yüklerin birbirini çektiği, farklı yüklerin birbirini ittiğidir. Kutup ve Referans Noktalar Negatif için kullandığımız (-) ve pozitif için (+) işaretleri kutupları (polariteyi) göstermektedir. Polarite veya kutup bir noktanın elektrik yükünün bir başka referans noktaya göre durumunu anlatır. Referans nokta kavramının öğrenci tarafından anlaşılmasında zorluk yaşandığı bilinen bir gerçektir. Oysa çok basit bir anlamı vardır. Mesela Türk Milli Takımı ingilizlerinkinden güçlüdür demek gibi bir şeydir bu. Burada ingiliz milli takımı referans noktası olmaktadır. Ya da ingiliz milli takımı Türk milli takımından güçsüzdür dersek referans noktası bizim takım olur.
Şekil 1.23. El feneri pilinde A noktası B noktasına göre pozitif ve B noktası da A noktasına göre negatiftir. Bunu anlamak için verilebilecek çok açık örneklerden biri de dünyanın ekseninin üst ucuna Kuzey Kutbu ve alt ucuna da Güney Kutbu denmesidir. Bu terimler coğrafik yerleşimi anlatmaktadır. Coulomb un (Kulon) Elektrik Yükleri ile İlgili kanunu Fransız bilim adamı Charles Coulomb, iki yüklü cisim arasındaki çekme veya itme kuvvetinin, bu cisimlerin yüklerinin miktarına ve aralarındaki uzaklığa bağlı olduğunu ifade eden bir denklem geliştirmiştir. Buna göre; İlk cisminyükü * İkincicisminyükü Kuvvet İki cisimarasındaki mesafeninkaresi Q F k Burada; F: Kuvvet (Newton=N), k:sabit sayı (9.10 9 (Hava veya vakumda), Q:Yük (Coulomb=Kulon=C), d: Yüklü cisimler arasındaki mesafe (metre=m). Yüklü cisimler arasındaki çekme veya itme kuvvetinin miktarını tanımlayan Coulomb kanunundan görüldüğü gibi, bu itme veya çekme kuvvetinin büyüklüğü cisimlerin yükleri ile doğru, aradaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. Yükün Birimi Elektriki yükün birimi yukarıda anılan bilim adamının soyadı olarak seçilmiştir. Yani Coulomb veya Türkçe söylenişi ile Kulon C harfi ile gösterilir. Akışkan miktarını litre, mesafeyi metre ve zamanı saniye ile ölçmekten farksızdır bu durum. Kısaca Kulon elektriksel yükün miktarını belirtmek için kullanılan bir ölçü birimidir. 1 Kulonluk (1C) yük, 6,25.10 18 tane elektronun yükünün toplamıdır. Yani 1 Q d 2 2
6250000000000000000 tane elektron. Elektronun taşıdığı ( ) yük en küçük elektrik yüküdür ve elementer yük olarak bilinir. 1 Elementer yük=1.60 x 10-19 C (Coulomb-Kulon) 1 Coulomb = 6.242 x 10 18 Elementer yük Elektron çekirdeğe yaklaştıkça enerjisi azalır. Bu negatif enerji elektronla çekirdek arasında bir bağ olduğunu ve bu bağın koparılması için ek bir enerjinin gerekli olduğunu gösterir. Eğer bu enerji bir dış kaynaktan sağlanırsa toplam enerjisi (+) olur ve o zaman elektron serbest kalır, yani atom iyonlaşmış olur. Kuvvet Alanı 1 elektron-volt (ev) = 1.6022 x 10-19 Joule Daha önce manyetik alan, çekim alanı (yer çekimi) gibi alanları duymuş olmalısınız. Kuvvet alanı, kuvvetin yol açtığı etki alanını göstermek üzere kullanılan hayali alan çizgileri ile temsil edilir. Şekilde bunun birer örneği verilmiştir. Gerçekleşen olayın görsel benzetimi alan çizgileri ile yapılmıştır. Ancak bu görsel çizgiler yükün büyüklüğünü, alan kuvvetinin derecesini, ve yükler arası mesafeyi vermez. ELEKTRİKİ POTANSİYEL Elektriki Potansiyel Nedir? Şekil 1.24. Elektrostatik alanlar kuvvet çizgileri ile temsil edilir. Somut kuvvetlerin yukarıdaki gibi çiziminden çıkarılamayacak bir fiziksel olay vardır: Şöyle ki; eğer uygun bir yol kurulursa, iki noktadaki yüklerin farkı, fazla elektronun bulunduğu birinci noktadan az elektronun olduğu ikinci noktaya elektronları hareket ettirecek bir potansiyele sahiptir. Farklı yük seviyelerine sahip iki noktanın bu farkı potansiyel fark olarak adlandırılır. Elektronları bir yerden diğerine hareket ettiren kuvvete elektromotor kuvvet (emk veya emf) denir. Elektrik Potansiyelinin veya Elektromotor Kuvvetin Birimi Elektrik potansiyeli ve elektromotor kuvvetin birimi olarak üreteç ve kondansatörün mucidi Alessandro Volta nın soyadından yola çıkarak Volt seçilmiştir. İki nokta arasında ölçülen bu elektriki farka gerilim de denir. Bu ayrımın daha ayrıntılı tartışması ileride yapılacaktır. Şimdilik; iki nokta arasındaki elektriki yük farkının bu noktaların birbirine göre pozitif veya negatif olmaları anlamına geldiğini, yük miktarının sahip olunan elektronların sayıca az veya çokluğuna bağlı olduğu, bu noktalar arasındaki yük farkının elektromotor kuvvete yol açan potansiyel farkın varlığına işaret ettiğini bilmek yeterlidir.
Elektriki Potansiyel Farkını oluşturup Devamını sağlayan Nedir? Daha önce, elektriki dengesizliğe yol açan ve elektromotor kuvvet olarak bilinen farklı enerji türlerinden (statik elektrik, kimyasal enerji, ışık enerjisi, ısı enerjisi vs.) bahsetmiştik. Aşağıdaki şekilde bu enerji türlerinden bazılarını kullanarak potansiyel fark oluşturan ve bunu sürdüren bazı yöntemler verilmiştir. Şekil 1.25. Gerilim veya EMK üretmenin bazı yolları: a) Üreteç (batarya) kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. b) Güneş hücresi (solar hücre) ışık enerjisinden faydalanır. c) Termokupl (ısılçift) ısı enerjisini elektrik enerjisine çevirir. d) Generatörlerde mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürülür. HAREKETLİ YÜKLER Aşağıdaki şekilde ne tür bir olay gerçekleştiğini düşünürken, eğer elektronu çok olan A topunun elektronu az olan B topuna doğru hareket ettiğini, böylece B topundaki elektron azlığının üstesinden gelinmeye çalışıldığını söylerseniz doğru cevabı bulmuşsunuz demektir. Aslında elektronların hareketi, A ve B toplarının yükleri eşit olana dek ya da birbirine göre nötr olana dek sürecektir. Şekil 1.26. İki farklı yük.
Peki, topların birbirine değmediği ama bir iletkenle bağlandığı aşağıdaki durumda ne olacaktır? Eğer, bu durumda, A ve B toplarının yükleri eşit olana dek iletken üzerinden elektron akışı olacağını söylüyorsanız bu cevap da doğrudur. Şekil 1.27. A ve B topları bir iletkenle bağlanırsa ne olur? Akım Yukarıdaki şekillerde, B topuna giden elektronlar A topundan ayrılanlarla aynı mıdır? Bildiğiniz gibi, iletken tel, kendi içinde hareket eden çok sayıda serbest elektrona sahiptir. İletkenin bir ucunda pozitif diğer ucunda negatif yük olması (iki uç arasındaki potansiyel fark yani) negatif uçtan pozitif uca doğru bir elektron akışına yol açar. Elektronların bu akışına akım denir. Akım Benzetimi Aşağıdaki şekil, bir iletkenin negatif ucundan pozitif ucuna doğru bir atomdan diğerine elektronların akışını (akım) benzetmektedir. A sandığında elektronları temsil eden çok sayıda lastik top varken B sandığındaki lastik toplar daha azdır. İki sandık arasındaki insanların dizilişi de iletken olarak kabul edilebilir. Akımın iletken boyunca bir atomdan diğerine elektron geçişi ile oluşması gibi her kişi bir yanındakine lastik topları geçirmektedir. A sandığından B sandığına topların bu şekilde nakledilmesi bir iletken üzerinden elektronların geçişine benzetilmiştir. İletkende, bir serbest elektronun kendi atomundan ayrılıp komşu atoma dahil olması sırasında bıraktığı yere diğer bir atomdan gelen başka bir elektron yerleşmektedir. Bu işlem, akım akışı sırasında saniyede milyonlarca kere tekrarlanmaktadır. Bir önceki şekilde B topunun pozitif yükünün etkisi ile iletkenin bir ucundan ayrılan elektronun yerine A topundan ayrılan bir başka elektron geçmektedir. Şekil 1.28. Elektron akışının bir benzetimi
Akımın Birimi Şekil 1.29. Elektron akışına ilişkin bir diğer benzetim. Akımın birimi Fransız matematik ve fizikçisi Andre Ampere nin soyadından türetilerek Amper olarak seçilmiştir. Amper, saniyede bir kulonluk yük akış hızı ile temsil edilen elektron hareketinin miktarıdır. Bir amperlik akım, bir saniyede bir kulonluk yük akışına denk düşmektedir. Buna göre, diyelim ki, saniyede iki kulonluk yük, elektron hareketi ile taşınıyorsa akım iki amperdir. Eğer, yükün akış hızı (taşınan yük miktarı ya da akan elektron sayısı) zamanda sabitse akım için şu eşitlik yazılabilir: Q I t Burada; І amper cinsinden akım, Q kulon cinsinden yük ve t de saniye cinsinden zamandır. Bir elektrik devresinde 2 saniyede bir noktadan diğerine 10 C luk yük taşınıyorsa akan akım І=10/2=5A olur. Örnek Bir iletkenden 0,5 saniyede 4 C luk elektrik yükü geçmektedir. Bu iletkenden geçen akım kaç Amperdir? Çözüm Q 4 I 8 t 0,5 A Örnek İletkenden geçen 0,25 A akım; 0,01 C luk elektrik yükünü kaç saniyede taşımaktadır? Çözüm t Q 0,01 0, I 0,25 04 s Örnek 75 Watt lık bir lamba 680 ma akım çekmektedir. Lamba 30 C luk yükü ne kadar sürede taşır? Çözüm I Q Q t t 30 441, I 680.10 17 3 saniye
ÜÇ ÖNEMLİ ELEKTRİKÎ MİKTAR DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Bu bölümde, elektriki yükün değeri, miktarı veya büyüklüğü, kutupları (pozitif veya negatifliği), ve elektronları bir noktadan diğerine hareket ettirebilen iki nokta arasındaki potansiyel fark veya elektromotor kuvveti doğuran yük farkını ele aldık. Yükün birimi olarak kulon, akımın birimi olarak amper ve elektromotor kuvvet veya potansiyel farkın birimi olarak da volt u kullanacağımızı gördük. Elektriki değişkenler olarak sıklıkla akım ve potansiyel farkı kullanacağız. Akım ve potansiyel farktan sonra şimdi üçüncü bir elektriki büyüklüğü tanımlayabiliriz: Direnç. Bir parça zımpara kâğıdı ile bir ahşap malzemeyi zımparalamayı denediyseniz karşılaştığınız etki fiziksel dirençtir. İletken boyunca akmaya çalışan akımın önüne, bu akışa ters yönde moleküler direnç çıkar. Bu direncin değeri değişik sebeplere dayanabilir. Bunlardan biri malzemenin türüdür. Diğerleri; malzemenin boyutları (yani kesiti, boyu) ve son olarak ısısıdır. Elektromotor kuvvet, yolu üzerinde bulunan ve kendine engel olmak isteyen direnç üzerinden de akım akıtmaya çalışacaktır. Elektrik akımına karşı malzemenin gösterdiği bu zorluğa direnç denir ve Georg Simon Ohm un anısına birimi ohm olarak seçilmiştir. Simgesi Ω dur ve om olarak okunur. Bir Ω luk direnç, 0 C de 1 mm2 kesitinde ve 106,3cm yüksekliğindeki saf cıva sütununun direncidir. Bir diğer tanıma göre, 1 Ω luk direnç, içinden geçen 1A lik akım sonunda 0,24 kalori ısı üreten dirençtir. Ancak şu tanım en çok kullanılandır: 1 Ω luk direnç, 1 V luk emk altında akımı 1A olarak sınırlayan dirençtir. TEMEL ELEKTRİK DEVRESİ Temel bir elektrik devresinde üç elemanın mutlaka bulunması gerektiğini daha önce söylemiştik: Kaynak, kaynağın bir ucundan diğer ucuna devre üzerinden elektrik enerjisini taşıyan iletkenler ve yük. Elektrik enerjisinin taşınması olayını anlamak için açık ve kapalı devre tanımlarını da vermek gerekiyor. Kapalı Devre Biliyoruz ki, aralarında potansiyel fark bulunan iki nokta arasında elektron akışı olması için, biri elektronca fazlalık içeren (negatif) ve diğeri elektronca az olan (pozitif) bu iki uç arasında bir yol kurulmalıdır. Bunu sağlamanın bir yolu, iki noktayı bir iletken tel ile bağlamaktır. Kapalı devre denen böyle bir yapı kurulduğunda, iki nokta arasındaki potansiyel fark sürdüğü müddetçe devre üzerinden akım akacaktır. Bu potansiyel farkı sağlayan bir gerilim kaynağıdır ve akım aktığı sürece potansiyel fark için gerilim tanımı kullanılır. Yani, bir devre üzerinden akım akıtılmıyorken ölçülen elektriki büyüklük potansiyel fark iken, akım akmaya başladıktan sonra (kapalı devre kurulduktan sonra) artık bu büyüklüğe gerilim denir. Açık Devre Aslında kapalı devreyi tanımlarken açık devreyi de anlamış olmalısınız. Kapalı devre kaynağın iki ucu arasına iletkenlerle bir yükü bağlayarak elde edilen sürekli yol ise açık devre bu yolun en az bir yerde kopuk olması durumudur. Yani kaynağın bir ucundan çıkan elektronların iletken ve yük üzerinden diğer kaynak ucuna geri dönmesi için sürekli bir yol yoktur. Yol üzerindeki bu kopukluk istenen veya istem dışı bir şekilde gerçekleşmiş olabilir. İstek sonucu devre üzerinde kopukluk oluşturmanın sebebi bir anahtar yerleştirmektir. Bu şekilde sözgelimi yük olarak kullanılan bir lambayı açıp kapatabilirsiniz. Devrelerin çoğunda akımın akışını sağlayan veya kesen (devreyi açık veya kapalı devre haline getiren) bu tür kontrol amaçlı anahtarlar bulunur.
Şekil 1.30. Kapalı devre akım akışı için sürekli (kesiksiz) bir yol sağlar. Şekil 1.31. Açık devrelerde akım yolu üzerinde en az bir yerde bir kopukluk (kesiklik) vardır.
(a) (b) Şekil 1.32. Devre boyunca akımın akış yönü: a) Devre şeması b) Devre resmi c) Devre fotoğrafı (c)
Çizelge 1.2. Temel elektrik devre elemanları ve ilgili büyüklükler Devre elemanının genel adı Her bir devre elemanı için örnek Elektriki büyüklük 1. Kaynak Generatör EMK (Volt) 2. Enerjiyi devre boyunca ileten İletken kablolar Direnç ( ) 3. Yük Lamba Akım (Amper) 4. Kontrol elemanı Anahtar Devre boyunca akan akımın miktarı uygulanan gerilime ve akım yolu üzerindeki toplam direnç etkisine bağlıdır. Sabit dirençte gerilim arttıkça akım artar, gerilim sabitken direnç artarsa akım azalır. Gerilim ve akım doğru orantılı, direnç ve akım ters orantılıdır. Kısa Devre Herhangi bir devre elemanı veya eleman grubunun diğer devre elemanlarıyla bağlandığı uçları, kendi arasında bir iletken tel veya çok küçük dirençli bir iletken yolla bağlanırsa gerçekleşen bu olaya kısa devre ve bu devre elemanı veya eleman grubu kısa devre edilmiştir denir. Bahsedilen devre elemanı bir direnç, yarıiletken veya güç kaynağı vs. olabilir. Aslında devre anahtarlarının yaptığı da kendi uçları arasını kısa devre veya açık devre ederek akım akışını sağlamaları veya kesmeleridir. Eğer devreyi besleyen güç kaynağının uçları, kaynağın bir ucundan yola çıkan akımın kaynağın diğer ucunda yolunu tamamlaması sürecinde, arada ayrıca bir yük olmaksızın doğrudan iletken tellerle veya çok küçük dirençli iletken yollarla birbirine bağlanırsa, oluşan bu kısa devre olayı yüzünden bu anda yük konumuna geçen ve direnci çok küçük olan iletkenden çok yüksek değerde bir akım geçecektir. Bir elektrik devresinde akımın hemen hemen hiç dirençle karşılaşmadan kaynağın iki ucu arasında akması (kısa devre) durumunda bu yüksek akım iletkenlere de kaynağa da zarar verecektir. Bu zararı önlemek ve devreyi zararlı sonuçlardan korumak için sigorta denen elemanlar kullanılır. Sigortalar, aşırı akımlara karşı devre elemanlarını koruyan ve bunu yapabilmesi için akım yolu üzerine yerleştirilen akıma dayanımı çok düşük zayıf bölgelerdir. Kısa devre gibi sebeplerle ortaya çıkan aşırı akımlar sigortanın devreyi kesmesi (açık devre yapması) ile derhal kesilir. Eğer kısa devre durumunda akımı kesecek böyle bir sigorta yoksa iletkenler çok kısa sürede bir hayli ısınacak, çok kısa sürede yanabilecek ve yukarıda söylenildiği gibi kaynak da hasar görecektir. Büyük bir elektrik tesisatında bunun zararlı sonuçları çok daha kötü olabilir. Şekil 1.33. Kısa devre nin anlamı
Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi; K1 ve K2 uçları bir iletkenle doğrudan bağlanırsa, güç kaynağı kısa devre edilmiş olur. Aynı şekilde Y1 ve Y2 uçları birbirine doğrudan bağlandığında direnç elemanı kısa devre edilmiş olacağından devreden dolaşan akım dirençten değil direnci kısa devre eden iletkenden geçer. Bu durumda güç kaynağı anahtar üzerinden yine kısa devre edilmiş olur. Benzer olarak, anahtarın A1 ve A2 uçları, anahtar açık konumdan kapalı konuma getirildiği anda aslında kısa devre edilmektedir.