Elektrik

Yıldırım doğadaki elektrik akışına örnektir


Elektrik, elektrik yüklerinin varlığıyla ve akışıyla ilgilenen fiziksel olguların bütünüdür. Elektriğin birçok alanda gözle görülebilir çeşitli etkileri vardır. Bunlara örnek olarak yıldırım, statik elektrik, elektromanyetik ürünlenim ve elektrik akımı verilebilir. Bunlara ek olarak, elektrik radyo dalgalarının oluşumunu sağlayan ve var eden elektromanyetik radyasyon ile ilgilidir.

Elektrikteki yükler, yine diğer yükler üzerine etki gösteren bir elektromanyetik alan üretirler. Elektriğin ortaya çıkışının ardında birçok fiziksel nicelik yatar:

  • elektrik yükü: Atom altı parçacıkların, elektromanyetik etkileşimlerini belirleyen bir özelliktir. Elektriksel olarak yüklenmiş bir madde, elektromanyetik alanlara etkir veya onlardan etkilenir.
  • elektrik alan (bakınız: elektrostatik): Bir elektrik yükünün hareket etmemesi halinde bile dışarıya verebildiği elektromanyetik alanı niteler (örneğin, ortada herhangi bir elektrik akımının olmaması). Elektrik alan, çevresindeki diğer yükleri kendisine doğru çeken bir kuvvet üretir.
  • elektrik potansiyeli: Bir elektrik alanın, herhangi bir elektrik yükü üzerindeki iş yaptırabilme kapasitesine denir. Volt değeri ile ölçülür.
  • elektrik akımı: Elektriksel olarak yüklenmiş parçacıkların hareketine veya akışına verilen isimdir. Amper değeri ile ölçülür.
  • elektromıknatıslar: hareket eden yükler, manyetik alan oluştururlar. Elektrik akımı manyetik alan üretir, ve aynı şekilde değişen manyetik alanlar da elektrik akımı üretiler.

On yedinci ve on sekizinci yüzyıllara kadar teorik olarak anlaşılması zor olmasına rağmen elektriğin varlığının üzerinde geçmişten süregelen çalışmalar mevcuttur. Bu teorik anlama olayının üzerinden geçen sürede bile elektriğin pratik olarak uygulama alanları kısıtlıydı. On dokuzuncu yüzyılın sonlarına doğru elektriğin, mühendislerce endüstriyel ve tüketici kullanıma uyarlanmasıyla pratikte kullanımı yaygınlaşmıştır. Elektriğin bu olağanüstü sayıda çeşitlilikte varlık göstermesi, onu birçok uygulamada kullanım imkanını da sunar. Bunlara örnek olarak ulaşım, ısınma, aydınlatma, iletişim teknolojileri ve bilişim teknolojileri verilebilir. Elektriksel güç ise bugünkü modern endüstriyel alanların iskeletini oluşturmaktadır.[1]

 

 

İçindekiler

 

 

Tarihçe

 

Henüz elektrikle ilgili hiçbir bilginin var olmadığı yıllarda, insanlar sadece elektrik balığının çarpma etkisinden haberdarlardı. MÖ 2750 yılından kalan Eski Mısır yazılarında bu balığa "Nilin Gökgürültüsü" (Ing."Thunderer of the Nile") şeklinde değinilmekte ve diğer balıkların "koruyucusu" olarak tasfir edilmektedir. Elektrik balığı, 1000 yıl kadar sonra eski Yunan, Romalı ve Arap doğa bilimciler ve hekimler tarafından tekrar rapor edilmiştir. Birkaç antik zaman yazarı, örneğin; Pliny the Elder ve Scribonius Largus, kedi balığı ve torpil balığı tarafından yayılan elektrik şoklarının uyuşturma etkisini doğrulamışlardı ve bu elektik şoklarının iletken bir nesne içinde yolculuk yapabileceğinden haberdarlardı. Gut hastalığı ve baş ağrısı gibi hastalıklardan muzdarip olan hastalardan elektrik balıklarına dokunmaları istenilir ve alacakları elektrik şokunun etkisinin hastalıklarına çare olacağına inanılırdı. Şimşek ve başka bir kaynaktan gelen elektriğin keşfine dair tarihteki en eski ve gerçeğe en yakın yaklaşım, 15. yüzyılda şimşek kelimesini (Arapçada "raad") torpil balığı için kullanan Araplara dayandırılır.[2]

Akdeniz etrafındaki eski kültürler, kehribar kamışı gibi bazı objelerin kedi kürkü ile ovulduktan sonra tüy gibi hafif nesneleri çekebileceğini biliyorlardı. Miletus'un (Aydın'ın Söke ilçesinde eski bir yerleşim) Thales'i (Tarihte elektrikle ilgilendiği bilinen en eski araştırmacı) , MÖ. 600 yılları civarında bir dizi gözlemlerde bulunmuştu ve sürtünmenin manyetit gibi ovulmaya ihtiyacı olmayan minerallerin aksine, kehribar maddesini manyetik duruma getirdiğine inanıyordu. Thales'in çekimin manyetik etkiden kaynaklandığına dair inancı yanlıştı ancak ilerleyen zamanlarda bilim, manyetizma ve elektrik arasında bir bağlantı olduğunu kanıtlayacaktı.[2]

Yüzyıllar sonra, 1752'de, Benjamin Franklin elektrik üzerine yoğun deneyler gerçekleştirmiş ve kendi mallarını satarak elde ettiği geliri bu deneyler için kullanmıştır. Yıldırım ile dural elektrik (statik elektrik) arasındaki bağı tanınmış uçurtma deneyi ile incelemiştir. Metal bir anahtarı uçurtmanın alt tarafındaki ıslatılmış sicime bağlayarak, fırtınalı bir günde uçurmayı denemiştir. Birbiri ardına dizilen kıvılcımlar metal anahtar üzerinden eline doğru hareket etmistir ve bu da şimşeğin gerçekten de elektrikle ilgili olduğunu göstermiştir.[2]

Bilimsel toplulukta elektriğin tekrar ilgi odağı olması ile, Luigi Galvani (1737-1798), Alessandro Volta (1745-1827), Michael Faraday (1791-1867), André-Marie Ampère (1775-1836), ve Georg Simon Ohm (1789-1854) un da aralarında bulunduğu bazı bilim adamları, elektrik alanında önemli katkılarda bulunmuşlardır. 1791 de Luigi Galvani, elektriğin sinir hücrelerinden kaslara sinyal geçmesini sağlayan bir materyal olduğunu gösteren biyoelektrikle ilgili keşfini yayınlamıştır. 1800 lerde ise Alessandro Volta "Voltaik Pili" bulmuştur.[2]

19. ve 20. yüzyılların sonunda ise, elektrik mühendisliği tarihinin en önemli isimlerinden bazıları belirmiştir: Nikola Tesla, Samuel Morse, Antonio Meucci, Thomas Edison, George Westinghouse, Werner von Siemens, Charles Steinmetz ve Alexander Graham Bell. Eski Yunan düşünür Miletli Thales MÖ yaklaşık 600 yılında, bir kürk parçasını sürtünen kehribarın saman çöpü, kuş tüyü gibi hafif cisimleri çektiğini bulmuştu. Bu nedenle birçok dile yerleşmiş olan elektrik terimi ’’Amper’’ anlamındaki yunanca ‘’elektron’’ sözcüğünden türetilmiştir.

Elektriksel yük

 

Kütle gibi, elektriksel yük de soyut bir özellik olup, fizikçiler tarafından maddenin davranışlarını tanımlamak için kullanılır. Bir diğer deyişle, hiç kimse doğrudan bir elektriksel yük görmemiştir, ancak bazı parçacıkları inceleyerek benzerliklerin varlığı saptanmıştır.
Kütlenin tersine, biri diğerinin tersi davranışlar sergileyen iki tür elektriksel yükten söz edilir, ve uzlaşımsal (konvansiyonel) olarak, artı (veya pozitif) ve eksi (veya negatif) diye adlandırılırlar.

farklı türden iki yük ise birbirini çeker aynı türden iki yük ise birbirini iter

Eşit miktarda artı ve eksi yüke sahip parçacıklar ise, biri diğerini elediğinden, yüksüz veya nötr olarak adlandırılırlar. Parçacıklar arasındaki bu gücün nicel değerlendirilmesi ise Coulomb yasası ile hesaplanmaktadır.

Elektrik alanı

Michael Faraday, elektrikli motor teknolojisinin temelini oluşturduğu bir fotoğraf

Elektrik alanı kavramı ilk kez Michael Faraday tarafından kullanılmıştır. Kütlelere etki eden yerçekimi gücü gibi elektrik alanı gücü de elektrik yüklerine etki etmektedir. Ancak aralarında birkaç farklılık söz konusudur. Yerçekimi gücü ancak nesnelerin kütlelerine bağlıyken, elektik alanı gücü bu nesnelerin elektrik yüklerine bağlıdır. Yerçekimi gücü iki kütleyi her zaman yaklaştırmaya uğraşırken, elektrik alanı gücü, söz konusu yüklerin türüne göre, nesneleri yaklaştırabilir veya tam tersine uzaklaştırabilir.

Elektriksel gerilim (potansiyel)

İki konum arasındaki elektriksel gerilim farkı, artı yüklü bir noktasal yükü bu iki konum arasında ilerletmek için (elektriksel güce karşı) üretilen olarak tanımlanır. Bu iki konumdan biri sıfır gerilim noktası olarak düşünüldüğü takdirde, çevresindeki herhangi bir konumun gerilimi, noktasal bir yükün oraya ulaşması için gereken iş olarak tanımlanabilir. Tek yüklerin geriliminin hesaplanabilmesi için, ikinci konumun sonsuzda yer aldığı varsayılır. Elektriksel gerilimin ölçüm birimi volt'tur (1 volt = 1 joule/coulomb).

Bu kavram, sıcaklığa benzetilebilir. Uzayın herhangi bir konumu için bir sıcaklık değeri söz konusudur, ve iki konum arasındaki fark ısının hangi yön ve miktarda değiştiğini gösterir. Benzer biçimde, uzayın her konumu elektriksel gerilim değerine sahiptir, ve iki konum arasındaki gerilim farkı, bu kavramın arkasındaki gücün yön ve şiddetini gösterir.

Elektrik akımı

Elektrik akımı, elektriksel yükün akışı olup, şiddeti amperdir (ampermetre ) ile ölçülür. Örnek olarak elektriksel iletme ele alınabilir. Bu durumda, elektronlar (eksicikler), metal tel gibi bir iletken içerisinde hareket ederler. Veya bir diğer örnek, elektrolizdir (kıvılkesim). Bu durumda artı yüklü atomlar sıvının içerisinde hareket ederler. Her ne kadar parçacıkların hızı genelde yavaş olsa da, onları iten elektrik alanı (kıvıl alan) ışık hızına yakın hızda ilerler.

Parçacıkların maddelerdeki akış ilkelerini kullanan aygıtlara elektronik aygıtlar denir.

Düz akım , yüklerin tek yönlü hareketini tanımlarken, dalgalı akım (alternatif akım, AC) düzenli olarak akış yönünün tersine çevirildiği akımı tanımlar. Ohm yasası elektrik akımı ile gerilimi bağlayan önemli bir bağıntıdır.

Doğada elektrik

Her ne kadar elektriğin doğada gözle görünen hâlleri sayı olarak sınırlı olsa da, elektrik (veya kıvıllık) doğanın en temel olguları arasında yer alır. Mıknatıslık ile birlikte evrenimizin yapı taşları arasında sayılırlar.

Yıldırım, elektrik yükünün atmosferden yeryüzüne aktarılmasıdır.

Yıldırım

Yıldırım, sürtünme ile üretilen elektriğe örnek olarak sayılabilir. Bu sürtünme, bulutlar arasında gerçekleşip, su buharı kümelerinin elektrik yükü edinmesine neden olur. Olağan şartlar altında, hava yalıtkan olarak işlev görür, ve bu yük bulutlarda bulunmaya devam eder. Ancak bulutlar birikip elektrik yükleri arttığında, havanın yapısını yerel olarak değiştirip plazmaya dönüştürürler. Ve bu plazma aracılığı ile yüklerini yeryüzüne iletirler; sonuç yıldırımdır.

Özdek (madde) yapısı

Özdeğin yapı taşları olan atomlar, kendi aralarında birleşip özdecikleri (molekülleri) oluşturmaları, elektrik sayesinde gerçekleşir. Örneğin kristal ve tuzlarda atomları elektrik bir arada tutar.mıknatıslarda zıt kutuplar yani + ile - birbirini çeker ama + ile+ ve - ile - birbirini iter....

Ayrıca gezegenimizin de elektromıknatıssal alanı, çekirdeğinde yer alan elektrik akımlarından doğar.

Büyük Okyanus'tan elektrik akımı üretebilen balık türü.

Hayvanlar

Birçok balık türü, kendilerini yönlendirmek, korumak ve hatta iletişimde bulunmak amacıyla kullandıkları elektrik akımı üretebilirler. Göreceli olarak yüksek sayılan bu gerilimi, kasa benzer yapılar ile üretip, genelde avlarını sersemletmek için kullanırlar.Özellikle köpek balıkları gibi kıkırdaklı balıklar baş bölgelerinde bulunan elektrik akımına duyarlı bölgeler sayesinde avlarının yerini tespit edebilirler. Bu duruma en iyi örnek çekiç başlı köpek balığıdır son derece geniş olan burun bölgesinde bulunan duyarlı noktacıklar sayesinde son derece keskin bir elektriksel algılamaya sahiptir.

İnsanlar

Aslında, çoğu canlı türü elektrik üretir, ve bu elektrik kasları hareket ettirmek ve sinir hücreleri arasında iletişimi sağlamak için kullanılır.

Elektrik Alan ve Manyetizma


Elektriksel alan

Elektriksel alan, kıvıl alan, elektrik alan veya elektrik alanı, elektriksel yükü veya manyetik alanı çevreleyen uzayın bir özelliği olup, içerisinde bulunan yüklü nesnelere elektriksel güç aracılığı ile etki eder. Kavram fiziğe Michael Faraday tarafından kazandırılmıştır.

Elektrik alan SI birimi Newton/Coulomb ya da Volt/metre olan bir vektör alanıdır. SI temel birimleri cinsinden kg·m·s−3·A−1 olarak ifade edilir. Alanın belli bir noktadaki büyüklüğü o noktaya konacak 1 Coulomb’luk bir test yüküne ne kadar kuvvet uygulayacağıyla belirlenir, alanın yönü kuvvetin yönüdür. Elektrik alan, yoğunluğunun büyüklüğü alan büyüklüğünün karesiyle doğru orantılı elektriksel enerjiye sahiptir. Elektrik alanın yükle ilişkisi yerçekimi ivmesinin kütleyle ilişkisinin ve kuvvet yoğunluğunun hacimle ilişkisi gibidir.

Zamana göre değişen bir elektrik alan (mesela hareketli bir yüklü parçacık nedeniyle) yerel manyetik alana sebep olur. Bu, elektrik ve manyetik alanların birbirinden bağımsız olmadığını gösterir; bir gözlemcinin yalnızca elektrik alan olarak gözlemlediğini başka bir referansa göre başka bir gözlemci bir elektrik ve manyetik alan karışımı olarak gözlemleyebilir. Bu nedenle elektrik ve manyetik alanlardan ayrı ayrı bahsetmek yerine bu ikisi “elektromanyetizma” ya da “elektromanyetik alan” olarak, birlikte incelenir. Kuantum mekaniğinde elektromanyetik alandaki değişmeler foton olarak adlandırılır ve fotonun enerjisi kuantize olmuştur.
 

Tanım

Elektrik alan alan içinde belli bir noktada sabit duran noktasal yüke uygulanan, yük başına düşen kuvvet olarak tanımlanır:

F parçacık tarafından hissedilen elektriksel kuvvet, q parçacığın yükü, E parçacığın konumundaki elektrik alan.

Literal olarak alındığında bu denklem elektrik alanı yalnızca alanda durağan yükler olduğunda tanımlar. Dahası, alandaki yükler elektrik alanı değiştireceğinden, herhangi bir q yükünün varlığındaki elektrik alan o yük olmadığında olandan daha farklı olacaktır. Fakat, verili bir yük dağılımından kaynaklanan elektrik alan bu alanı hissedecek hiçbir parçacık olmasa dahi tanımlıdır. Bu tanımlılık alana varsayımsal olarak yerleştirilen test yükü ile sağlanır. Bu sayede elektrik alan test yükü sıfıra yaklaşırken yükün hissedeceği kuvvet ile tanımlanır:

Bu ifade elektrik alanın yalnızca kaynak yük dağılımına bağlı olmasını sağlar.
Tanımdan anlaşılabilceği üzere elektrik alanın yönü pozitif yüklü parçacığın hissedeceği kuvvetin yönüyle aynı, negatif yüklü parçacığın hissedeceği kuvvetin yönünün zıttıdır. Aynı yükler birbirini çekip zıt yükler birbirini iteceğinden (aşağıda formülü verilmiştir), pozitif yüklerin etrafındaki alanların dışarıyı gösterdiğini ve negatif yüklerin etrafındaki alanların içeriye doğru yöneldiğini söyleyebiliriz.
Coulomb yasasına dayanarak, uzayda tek bir noktasal yük tarafından üretilen elektrik alanı yazabiliriz: E=1/4pi… q elektrik alanı üreten parçacığın yükü, r elektrik alanı hesapladığımız nokta ile q yükü arasındaki uzaklık, r q yükünden elektrik alanın hesaplandığı noktayı gösteren birim vektör, epsilon yalıtkanlık sabiti.
Birden fazla noktasal yükün ürettiği elektrik alan yüklerin teker teker ürettiği elektrik alanların süperpozisyonudur:


Alternatif olarak, Gauss yasası uzayda sürekli bir yük yoğunluğu dağılımının ürettiği elektrik alanı hesaplamamızı sağlar.

ρ pozisyona bağlı olarak yük yoğunluğunu verir.
Coulomb yasası esasen elektrik yük dağılımı ile bu dağılımdan kaynaklanan elektrik alan arasındaki ilişkiyi gösteren Gauss yasasının özel bir halidir. Gauss yasası elektromanyetik teoriyi oluşturan dört Maxwell denklemlerinden biridir.

Elektrik alan çizgileri
 

Elektrik alanını zihinde daha kolay canlandırmak için elektrik alan çizgileri kullanılır. Elektrik alan çizgilerinin özellikleri şunlardır:
E elektrik alan vektörü, elektrik alan çizgisine her noktada teğettir.
Alan çizgileri birbirine yakın olduğunda E büyük, uzak olduğunda küçüktür.
Alan çizgileri bir artı yükten çıkıp bir eksi yükte son bulmalıdır.
Alan çizgilerinin sayısı yük miktarıyla orantılıdır.
İki alan çizgisi birbirini kesmez.

Sabit alanlar

Her noktada aynı değere sahip olan elektrik alana sabit elektrik alan denir.İki paralalel iletken levhaya potansiyel fark uygulanarak yaklaşık olarak elde edilebilir.Yaklaşık olmasanın sebebi elektrik alanın köşelerde düzenli halinden uzaklaşmasıdır.Bu etkenleri ihmal edersek eşitlik

V levhalar arası voltaj farkı
d levhalar arası uzaklık
Bu eşitlik sadece elektrik alanın büyüklüğünü vermektedir.Elektrik alanın yönü ise pozitif yüklü levhada negatif yüklü levhaya doğrudur.


+ yüklerin dışa doğru, – yüklerin içe doğru elektik alanı oluşturduğu, nötr cisimlerinse alan oluşturmadığı kabul edilir.


Sabit alanlar iki paralel levhanın bir pile bağlanmasıyla elde edilir.

Sabit alanda yüklü parçacığın hareketi

m kütleli, q yüklü bir cismi E elektrik alanına koyarsak, bu cisme kadarlık bir net kuvvet etki eder, dolayısıyla cisim ivmeli hareket yapar.(Newton’ın hareket yasaları) Yani cismin ivmesi


Elektrik alan çizgileri + yükten çıkıp – yüke girer.

Zamana bağlı alanlar

Elektrik alan durağan bir yük tarafından üretilebileceği gibi değişen manyetik alanın sonucu olarak da oluşurlar. Sonuç olarak,

phi skaler elektrik potansiyeli, A manyetik vektör potansiyeli.
Aynı zamanda vektörü manyetik debi yoğunluğunu verir. Elektrik alan denkleminin curl’ünü alırsak,

Bu denklem Maxwell denklemlerinden biridir, Faraday-Lenz yasası olarak bilinir.
Elektrostatik durağan yükleri çevreleyen elektrik alanların bilimiyken manyetik alanın değişmesiyle oluşan elektrik alanlar elektrodinamik ve elektromanyetik konusudur.


Giriş

Manyetik alan hareket eden elektrik yükleri tarafından,zamanla değişen elektrik alanlardan veya temel parçacıklar tarafından içsel olarak üretilir. Manyetik alan iki farklı alanı kast edebilir. Manyetik alan vektörel bir büyüklüktür yani herhangi bir noktada yönü ve kuvveti ile tanımlanır. Manyetik alan en genel şekilde hareket eden elektrik yüküne etki eden Lorentz kuvveti ile tanımlanır. Manyetik alan, elektrik alan, akım ve onları yaratan yükler arasındaki bağlantı maxwell denklemleri ile açıklanır. Özel görelilik kuramında elektrik ve manyetik alan bir nesnenin birbiriyle alakalı iki özelliğidir.Kuantum fiziğinde ise elektromanyetik etkileşimler foton değişimi sonucunda oluşur. Manyetik alanın bir çok kullanımı vardır. Dünya kendi manyetik alanını üretir ve bu manyetik alan pusulanın temel çalışma prensibini oluşturur. Dönen manyetik alan elektrik motorlarında ve jeneratörlerde kullanılır.Manyetik kuvvetler bir malzeme içerisindeki yük taşıycılarının sayısı hakkında bilgi verir(hall etkisi)

Mıknatıssal veya manyetik alan, bir mıknatısın mıknatıssal özelliklerini gösterebildiği alandır. Mıknatısın çevresinde oluşan çizgilere de, mıknatısın o bölgede oluşturduğu manyetik alan çizgileri denir. Manyetik alan çizgilerinin yönü Kuzeyden (K) Güneye doğrudur.

  • Pusula iğneleri manyetik alan çizgilerine paralel dururlar.

Çubukta ok yönünde akan akım (I) çubuğun çevresinde bir manyetik alan () oluşturur. Bu alanın yönü sağ el kuralı ile saptanır.

Michael Faraday, araştırmaları neticesinde maddelerin, manyetik alana tepki verdiğini ve bu tepki sonucunda etkileşimin olduğunu ortaya koydu. Verdikleri tepkiye göre maddeleri üç grupta toplanabildiğini gösterdi;

  1. Diyamanyetik maddeler: Zayıf bir şekilde etkilenenler; Bağıl manyetik geçirgenlikleri µr < 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana dik şekilde kendilerini yönlendirirler. Diyamanyetizma, tek sayıda elektronlara sahip ve tamamlanmamış içi kabuğu olmayan maddelerde görünür. Radyum, potasyum, magnezyum, hidrojen, bakır, gümüş, altın ve su diamanyetik gruba girerler.
  2. Paramanyetik maddeler : Bağıl manyetik geçirgenlikleri µr> 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana paralel şekilde kendilerini yönlendirirler. Paramanyetizma çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Hava, alüminyum ve silisyum paramanyetik gruba girer.
  3. Ferromanyetik maddeler: Kuvvetli bir şekilde mıknatıslardanetkilenen maddelerdir, Demir, nikel, kobalt ve alaşımlarını içeren maddeler bu gruba girer.

Bir mıknatısta:

  • Aynı işaretli kutuplar birbirini iterlerken, zıt işaretli kutuplar birbirini çekerler.
  • İtme ya da çekme kuvvetleri kutup şiddeti ile doğru, aradaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır.
  • Elektriksel yük konusundaki coulomb kuvveti gibi kutupların birbirlerine uyguladıkları manyetik kuvvet skaler olarak birbirine eşit, fakat zıt yönlüdür.
  • Bir mıkantısın ikiye bölünmesi sonucu bölünen her bir parçanın KG biçiminde yeniden kutuplaştığı görülür. Buradan çıkaracağımız sonuç, atomik boyutlara inildiğinde dahi tek kutuplu mıknatıs elde edilemeyeceğidir.

 

Elektrik potansiyeli

Elektrik potansiyeli (veya Elektrostatik potansiyel), bir elektriksel alan içerisindeki herhangi bir noktada birim Elektriksel yük (+1 C) başına düşen Elektriksel potansiyel enerji'dir. Herhangi bir noktadaki elektriksel potansiyel olarak da tanımlanır.

Skaler bir büyüklüktür. Uluslararası Birimler Sisteminde geçerli olan birimi Volttur(V).

 

Elektriksel yük

Negatif ve pozitif yüklü noktaların elektrik alanı

Hydrogen atom is just an electron and a proton. This image is not to scale.

 

Elektriksel yük, bir maddenin elektrik yüklü diğer bir maddeyle yakınlaştığı zaman meydana gelen kuvvetten etkilenmesine sebep olan fiziksel özelliktir. Pozitif ve Negatif olmak üzere iki tür elektriksel yük vardır. Pozitif yüklü maddeler, diğer pozitif yüklü maddeler tarafından itilirken, negatif yüklü olanlar tarafından çekilir; negatif yüklü maddeler de negatif yüklüler tarafından itilir ve pozitif olanlar tarafından çekilir. Bir cisim çok fazla elektrona sahipse, negatif yüklüdür; aksi durumdaysa pozitif yüklüdür ya da yüksüzdür. Uluslararası Bilimler Sistemi (SI) elektrik yükünü coulomb (C) olarak adlandırırken, elektrik mühendisliğinde amper-saat (Ah) olarak ve kimyada da elemanter yük (e) olarak adlandırmak mümkündür. Q sembolü genellikle yükü ifade etmek için kullanılır. Yüklü cisimlerin birbirleriyle nasıl iletişimde olduklarını anlatan çalışma klasik elektromanyetizmadır ve kuantum mekaniğinin göz ardı edilebildiği ölçüde doğrudur.

Elektriksel yük, elektromanyetik ilişkilerini düzenleyen bazı atomaltı parçacıkların temel korunan özelliğidir. Elektrik yüklü maddeler hem elektromanyetik alanlardan etkilenirler, hem de elektromanyetik alan yaratırlar. Hareket eden bir yük ve elektromanyetik alan arasındaki ilişki elektromanyetik kuvvetin kaynağıdır ve bu güç 4 temel kuvvetten biridir. (Bir diğeri; manyetik alan).

20. yüzyılda yapılan deneyler, elektriksel yükün nicelendirildiğini göstermiştir, bu, temel yük diye adlandırılan her bir küçük parçanın çoklu katsayılarına ulaşmaktır. Temel yük, e, yaklaşık olarak 1.602×10^−19 coulomb'a eşittir. (kuark diye adlandırılmış, tam katsayısı e/3 ile yüklenen parçacıklar hariç). Proton e yüküne sahiptir, elektronlar ise –e yüküne sahiptir. Yüklü parçacıklarla yapılan çalışmalar ve onların fotonlar tarafından düzenlenen ilişkileri kuantum elektrodinamiğidir.

 

İçindekiler

 

Genel Bakış

Alan çizgilerini ve negatif yüklü bir parçacığın elektronlar etrafındaki eş potansiyelini gösteren bir diagram. Elektrik olarak nötr olan bir atomda, elektronların sayısı protonların (pozitif yüklü) sayısına eşittir, bu da sonuçta net sıfır yüke sahip olmak demektir.

Yük,bir maddenin diğer maddeyle elektrostatik itme ya da çekme meydana gelmesi durumunda ortaya çıkan temel özelliktir. Elektriksel yük, birçok atomaltı parçacığının karakteristik bir özelliğidir. Serbest parçacıkların yükleri, temel yüklerin (e) tam katlarıdır, ve daha önce de söylendiği gibi, elektriksel yük nicelendirimiştir. Michael Faraday, yaptığı elektroliz deneyleriyle elektriksel yükün kesin olduğunu gösteren ilk kişidir.  Robert Millikan’ın yağ damlası deneyi bu gerçeği direkt olarak göstermiş, ve temel yükü ölçmüştür.

Sonuçlara göre, elektronun yükü -1, protonun ise +1 dir. Aynı yüke sahip parçacıklar birbirini iterken, zıt yüke sahipler birbirini çeker. Coulomb’un kuralı iki parçacık arasında elektrostatik kuvvetin, parçaların sahip olduğu kuvvet ve aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olduğunu göstermiştir. Karşıt parçacığın yükü, benzer parçacığınkine eşit, ama karşı işarettedir. Kuarklar −1⁄3 ya da +2⁄3 gibi kısmi bir yüke sahipken, serbest kuarkların yükü şimdiye dek gözlemlenememiştir (bu teorik gerçeğin sebebi asimptotik serbestliktir.)

Makroskobik bir nesnenin yükü, nesneyi meydana getiren parçacıkların elektriksel yükünün toplamıdır. Bu yük genellikle azdır, çünkü madde atomlardan meydana gelir ve atomlar genelde eşit miktarda proton ve elektronlara sahiptir, bu durumda da yükleri sıfırlanır, ve atomu nötr hale gelir.
 

İyon; bir ya da birkaç elektron kaybedip, tek bir pozitif yük (katyon) almış, veya bir ya da birkaç elektron kazanıp, tek bir negatif yük (anyon) almış bir atomdur ( atom grubudur). Bir atomlu iyonlar tek atomlardan oluşurken, çok atomlu iyonlar bir ya da birkaç atomun birbirine bağlanması ile oluşur. Her iki durumda da, iyonun pozitif veya negatif bir yük kazancı söz konusudur.


Pozitif elektrik yüküyle tetiklenen bir elektrik alanı (soldaki) ve negatif elektrik yüküyle tetiklenen bir alan (sağdaki)

Makroskobik nesnelerin oluşum sürecinde, genellikle atom bileşenleri ve iyonlar öyle bir biçimde birleşir ki, elektrik olarak nötr atomlara bağımlı, nötr iyonik bileşimler oluştururlar. Bu yüzden makroskobik nesneler genel olarak nötr olmaya meyillidirler ancak nadiren tam olarak nötr olabilirler.

Makroskobik nesnelerin materyaller tarafından dağıtılan, sıkı sıkıya yerine bağlı, nesneye tam negatif ya da pozitif yük veren iyonlar içerdiği zamanlar vardır. Bunun yanı sıra, makroskobik nesneler iletken elementlerden oluşur, hemen hemen elektronları kolaylıkla (elemente bağlı olarak) alıp verebilirler, ve belirsiz bir şekilde tam negatif ya da pozitif yük oluştururlar. Tam elektrik yüklü bir nesne sıfırdan farklı ve hareketsizse, bu olay statik elektrik olarak bilinir. Bu durum, amber ve kürk ya da cam ve ipek gibi iki farklı nesneyi birbirine sürterek kolaylıkla oluşturulabilir. Böylelikle, iletken olmayan nesneler negatif ya da pozitif olarak önemli ölçüde yüklenebilirler. Bir nesneden alınan yük, aynı boyutta karşıt bir yükü arkasında bırakarak diğer nesneye taşınır. Yük korunumu kanunu daima uygulanabilir, bir nesneye, negatif bir yük, aynı boyutta pozitif bir yük alarak verilir. Bu, tam tersi durumlar için de geçerlidir.

Bir nesnenin net yükü sıfır olsa da, yük düzensiz bir nesneden de dağıtılabilir. (örneğin dış elektromanyetik alan veya polar bağlı moleküller). Bu gibi durumlarda, nesne polarize edilmiştir. Kutuplaşma yüzünden oluşan yük bağlı yük olarak bilinir; nesnenin dışarısından kazanılan ya da kaybedilen elektronlar tarafından oluşturulan yük ise serbest yük olarak adlandırılır. İletken metallerdeki elektronların belirli bir yöne doğru hareketi elektrik akımı olarak bilinir.

Birimler

Uluslararası Birimler Sistemi’nin elektriksel yük değeri coulomb'dur, bu değer de yaklaşık 6.242×10^18 e’ ye eşittir ( e=proton yükü). Bu yüzden, bir elektronun yükü yaklaşık olarak −1.602×10^−19 C’ dir. Coulomb, bir saniyede bir amper taşıyan elektriksel iletkenin enine kesitinden geçen yükün değeri olarak tanımlanır. Q sembolü genellikle elektriğin ya da yükün değerini belirtmek için kullanılır. Elektrik yükünün miktarı bir elektrikölçer ile direkt olarak, balistik galvanometre ile de dolaylı yoldan ölçülebilir.

Yükün nicemlenmiş karakterini bulduktan sonra, George Stoney 1891 yılında elektron biriminin, elektriksel yükün temel birimi olduğunu öne sürmüştür. Bu iddia, J.J. Thomson tarafından 1897 yılında yapılan parçacık keşfinden önce meydana gelmiştir. Günümüzde bu birim pek de kullanılmamakta, bunu yerine “elemanter yük”, “yükün temel birimi”, ya da en basit haliyle “e” gibi farklı ifadeler kullanılmaktadır. Yükün miktarı, elemanter yük (e) miktarının katı olmalıdır, ölçüm yüksek bile çıksa, yük gerçek miktarındaymış gibi davranır. Bazı noktalarda, örneğin kondansatör ve kesirli kuantum Hall etkisindeki gibi, yükün fraksiyonlarından bahsetmek mümkündür.

Tarihi

Elektriksel yük

yıllarda Yunan filozof Thales’in de söylediği gibi, kürk, amber gibi bir maddeye sürtülerek yük (ya da elektrik) toplanabilir. Yunanlar, yüklü amber düğmelerin saç gibi hafif objeleri kendine çekebildiğini yazmışlardır. Ayrıca, eğer amberin yeterince sürtülürse, elektrik kıvılcımı bile yayabileceğini not etmişlerdir. Bu özellik sürtünme ile elektriklenme etkisinden gelmektedir.


1600’de, İngiliz bilimadamı William GilbertDe Magnete adlı eserinde bu konuya değinmiş, , Yunanca amber, İngilizce’de de sonları “elektrik” , “elektriksel” gibi terimlerin doğmasına yol açan Yeni Latince terim electrius “ηλεκτρον (elektron)”u para olarak bastırtmıştır. Otto von Guericke 1660 yılında bunu takiben, elektrostatik jeneratörü üreten ilk kişi olmuştur. Diğer Avrupalı öncülerden Robert Boyle, elektriksel çekim ve itimin bir vakum gibi davranabileceğini iddia etmiş, Stephen Gray, 1729 yılında maddeleri iletken ve yalıtkan olarak sınıflandırmış ve C. F. Du Fay, 1733’de[1] elektriğin birbirini yok eden iki varyasyona sahip olduğunu öne sürmüş, bu olayı da ikili sıvı teorisi ile açıklamıştır. Du Fay’ın dediğine göre; cam ipeğe sürtüldüğünde, cam pozitif cam elektriğiyle yüklenir ve amber kürke sürtüldüğünde, amber de reçineli elektrikle dolar. 1839 yılında, Michael Faraday statik elektrik, akım elektriği ve biyoelektrik arasındaki ayrımın yanlış olduğunu, hepsinin tek tür bir elektriğin zıt kutuplarda gösterdiği davranışların sonucu olduğunu göstermiştir. Kutup ister pozitif ister negatif olsun, bu durum değişmemektedir. Pozitif yük cam çubuğun ipeğe sürüldükten sonra solunda kalan yük olarak tanımlanabilir.[2]

18. yüzyılın elektrik konusunda uzman kişilerin en önemlilerinden biri elektriğin tek sıvı teorisini savunan Benjamin Franklin’dir. Elektriğin bütün maddelerin içinde bulunan, görünmeyen bir sıvı olduğunu hayal etmiş; Leyden kavanozunda biriken yükü tutan şeyin cam olduğuna inanmıştır. Yalıtkan yüzeylerin birbirine sürtülmesiyle bu sıvının yer değiştirdiğini ve bu sıvı akışının elektrik akımı oluşturduğunu varsaymıştır. Ayrıca, çok az sıvı içeren maddenin negatif, çok fazla sıvı içeren maddenin ise pozitif olarak yüklenmiş olduğunu söylemiştir. Belirtilmeyen bir sebepten ötürü, pozitif yükü cam elektriği, negatif yükü de reçine elektriği ile açıklamıştır. O sıralarda, William Watson da aynı tanımlamalarda bulunmuştur.

Statik Elektrik ve Elektrik Akımı

Statik elektrik ve elektrik akımı iki ayrı olaydır, ikisi de elektrik yükü içerir ve aynı maddede aynı zamanlarda gerçekleşebilirler. Statik elektrik, bir maddenin elektrik yüküyle ilişkilendirilir ve denk olmayan iki madde bir araya geldiğinde oluşan elektrostatik deşarjla bağlantılıdır. Bir elektrostatik deşarj her iki maddenin de yüklerinde değişim meydana getirir. Elektrik akımı ise elektrik yükünün bir madde içinden herhangi bir yük kaybı ya da kazanımına neden olmadan geçmesi demektir.

Sürtünme ile Elektriklenme

Herhangi bir elektriksel özellik içermeyen bir parça camı ve bir parça reçineyi birbirine sürtüp, sürtünen bölgeleri etkileşim içinde bırakalım. Hala hiçbir elektriksel özellik göstermeyeceklerdir. Bu kez iki maddeyi ayıralım. Ayırdığımızda, birbirlerini çekeceklerdir.

Diğer bir cam parçası yine diğer bir reçineye sürtüldüğünde ve birbirlerinden ayırıp, daha önceki ayrılmış maddelerin yakınlarına konduğunda, bunlar gözlemlenebilir: 1. İki cam parçası birbirlerini itebilir. 2. Her bir cam parçası, her bir reçineyi çekebilir. 3. İki reçine parçası birbirini itebilir.

Bu itme ve çekme olayları elektriksel olaylar olarak adlandırılır, ve bu olaylarda yer alan maddeler “elektriklenmiş”, ya da “elektrikle yüklenmiş” şeklinde isimlendirilir.

Maddeler, sürtünmenin yanı sıra başka şekillerde de elektriklenebilirler. İki cam parçasının elektriksel özellikleri birbirine benzerdir fakat reçinelerinkinden farklıdır: Cam, reçinenin ittiklerini çekerken, reçinenin çektiklerini iter.

Herhangi bir şekilde elektriklenmiş bir madde cam gibi davranırsa, yani camı iter ve reçineyi çekerse, maddenin “camsı” bir yükle yüklendiği, ve camı çeker ve reçineyi iterse de “reçinemsi” bir yükle yüklendiği söylenebilir. Tüm elektriklenmiş maddeler camsı ya da reçinemsi bir şekilde elektriklenmiştir.

Bilimsel bir komite, camsı elektriklenmenin pozitif, reçinemsi elektriklenmenin negatif olduğunu belirtmiştir. Bu iki tür elektriklenmenin tamamen zıt özelliklere sahip olması, onları zıt kutuplarla ilişkilendirmenin doğru olduğunu kanıtlamaktadır. Ancak pozitif kutbun negatife oranla tatbiki gelişigüzel uyuşma olarak düşünülmelidir, tıpkı matematiksel grafikteki uyuşmada sağ ele olan pozitif uzaklığının hesaba katıldığı gibi.

Çekme ya da itme, hiçbir güç elektriklenen ve elektriklenmeyen maddeler arasında gözlemlenemez.[3]


Aslında, bütün maddeler elektriklenir, ancak bu olay yakın çevresindeki benzer yüklü maddelerle gerçekleşmeyebilir. Bir madde ya elektriklenir ya da yakınındaki maddelerde yükler eşitlenene kadar eşit yahut zıt yük yaratır. Çekme etkisi yüksek voltajlı durumlarda gözlemlenebilir, düşük voltajlı olayların etkileri zayıftır ve bu yüzden daha az belirgindir. Çekme ve itme kuvvetleri Coulomb’un kurallarında kodlanmıştır (çekme, uzaklığın tam ortasında azalır, ki bu yerçekimi alanın ivmesinin bir sonucudur ve bu da yerçekiminin ölçek olarak zayıf yüklerin arasındaki elektriksel olay olduğunu ortaya koyar.). Dahası için: Casimir kuvveti.
 

Franklin/Watson modelinin temelinde doğru olduğu gerçeği bilinmemektedir. Bu modelde, sadece tek tür bir elektrik yükü vardır ve yükün ölçümünü yapabilmek için tek bir değişken gerekmektedir. Diğer yandan, sadece yükü bilmek de durumun tanımlanması için yeterli değildir. Madde, farklı yüklere sahip parçacıklardan oluşur ve bu parçacıklar yalnızca yük değil, başka özelliklere de sahiptir.

En yaygın yük taşıyıcısı pozitif yüklü protonlar ve negatif yüklü elektronlardır. Bu yüklü parçacıkların herhangi birinin hareketi elektrik akımı oluşturur. Birçok durumda, klasik elektrik akımının pozitif yük tarafından elektrik akımına doğru taşındığı ya da negatif yük tarafından zıt yöne doğru ilerletildiği hesaba katılmaksızın klasik elektrik akımından bahsetmek mümkündür. Bu makroskopik bakış açısı elektromanyetik kavramları ve hesaplamaları kolaylaştıran bir yaklaşımdır.

Zıt noktada, mikroskobik durumlara bakıldığında, elektrik akımı taşımanın elektron akımı dahi birçok yolu olduğu görülür. Elektron akımı delikleri pozitif parçacıklar gibi davranır ve negatif ve pozitif parçacıklar (iyonlar ya da diğer yüklü parçacıklar) elektroliz çözeltisi ya da plazma içinden zıt yöne doğru akarlar.
 

Şundan kaçınmalı ki, metalik kabloların yaygın ve önemli bir durumunda, klasik elektrik akımının yönü normal yük taşıyıcılarının sürüklenme hızının tersi yöndedir, örneğin elektronlar. Bu, başlangıç seviyesindekilerde kafa karışıklığı çıkaran bir kaynaktır.

Özellikler

Parçacık Fiziğinden Bazı Seçmeler
Seçilmiş Kuantum Numaraları
  • Izospin: I or I3
  • Kuantum Numarası: C
  • Yabancılık:S
  • Üstlük: T
  • Altlık: B

İlgili Kuantum Numaraları

  • Baryon Numarası: B
  • Lepton Numarası: L
  • Zayıf Izospin: T or T3
  • Elektriksel Yük: Q
  • X-Yük: X

Kombinasyonlar

  • Hiperyük: Y
    • Y = (B + S + C + B′ + T)
    • Y = 2 (QI3)
  • Zayıf hiperyük: YW
    • YW = 2 (QT3)
    • X + 2YW = 5 (B − L)

Seçilmiş Kombinler
  • CKM Matrisi
  • PMNS Matrisi
  • Seçilmiş Tamamlayıcılık


Makalelerde elektromanyetizma hakkında bahsedilen özelliklerin yanı sıra, yük bir göreli değişmezdir. Yani, Q yüküne sahip herhangi bir parçacık, ne kadar hızlı giderse gitsin, yükü daima Q olur. Bu özellik deneysel bir biçimde kanıtlanmıştır: Bir helyum çekirdeğinin yükü (bir çekirdekte birbirine bağlı ve yüksek hızda etrafta hareket eden iki proton ve iki nötron) iki döteryum çekirdeğini (birbirine bağlı, ve eğer helyum çekirdeğinde olsa daha yavaş hareket edecek bir proton ve bir nötron) yüküyle aynıdır.

Elektrik Yükünün Korunması

Yalıtılmış sistemin toplam elektrik yükü sistemin kendi içinde olan değişimlere bakmaksızın sabit kalır. Bu kural fizikte bilinen bütün süreçlerin esasında vardır ve dalga fonksiyonunun yerelleştirilmiş bakışım kuramından ortaya çıkmıştır. Yük korunumu yük-akım süreklilik denkleminin bir sonucudur. Daha genel manada, birleşme miktarı V içindeki yük yoğunluğunun ρ net yükü, akım yoğunluğundaki
 J bütün alanın kapalı alanı boyunca olan yüküne eşittir S = ∂V. Ki bu yük de nihayetinde net akıma eşittir.

Elektrik korunumu, süreklilik denkleminde açıklandığı gibi, şu sonucu verir:

ve zamanları arasındaki yük transferi iki tarafı da etkileşime sokarak elde edilir:

Kapalı yüzey boyunca olan net dış akım I ın oluştuğu yerdir ve Q yüzey tarafından belirtilen yerin miktarından elde edilen elektrik yüküdür.

                 

 


Referanslar

  1. ^ Two Kinds of Electrical Fluid: Vitreous and Resinous – 1733
  2. ^ Electromagnetic Fields (2nd Edition), Roald K. Wangsness, Wiley, 1986. ISBN 0-471-81186-6 (intermediate level textbook)
  3. ^ James Clerk Maxwell A Treatise on Electricity and Magnetism, pp. 32-33, Dover Publications Inc., 1954 ASIN: B000HFDK0K, 3rd ed. of 1891


Dış Bağlantılar

 

Elektriksel iletkenlik

 

Elektriksel iletkenlik bir iletken malzemeye uygulanan elektriksel alan etkisinde yük taşıyıcılarının uzak mesafeli hareketleri sonucu oluşur. Dört tür yük taşıyıcısı vardır.

  • Elektronlar
  • Yayınan katyon
  • Yayınan anyon
  • Elektron deliği

Metallerde serbest elektronlar eksi kutuptan artı kutba doğru hareket eden negatif yük taşıyıcılarıdır.

Kovalent bağlı bazı malzemelerde (Si gibi) bağdan kopan elektronlar artı kutba giderek eksi yük taşıyıcısı olur. Ancak arkasında bıraktığı delikte diğer bir elektron tarafından doldurulunca eksi yönde başka bir delik oluşur. Bunun yarattığı hareket sonucu elektron deliğide bir yük taşıyıcısı ama pozitif bir taşıyıcıdır.

Genelde sıvı eriyiklerde görülen iyonsal iletkenlikte ise pozitif yüklü anyonlar ve negatif katyonlar (bunlar elektron değil molekül veya atomdur) elektriksel alan etkisi altında ortamda hareket ederek iletkenliği sağlarlar.
Bir elektronun taşıdığı birim yük 1,6 x 10-19  kulondur. (q = 1,6 x 10-19C) Elektron deliği +q yük taşır. İyonarlın ise iyonlaşma derecesine göre değişir. Na+1 için +q ve SO4-2 için -2q yük taşınır.

l (cm) boyunda A (cm²) kesitli iletken için Ohm kanunu gereği

V = I x R

Burada gerilim V(volt) ve akım A(amp) birbirlerine bir orantık katsayısı direnç R(ohm) ile bağlıdır. Ve ortamın iletkenliğini belirler. Burada

R = ρ . l/A

olur. ρ ortama göre değişen bir katsayıdır. Birimi ohm.cm dir.

 

Elektriksel iletken

 

Elektriksel iletken, elektriği ileten maddelere verilen ad. Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı, ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılırlar. Gümüş, bakır ve altın iyi iletkenlerdir.
Atomları 1 valans elektronlu olan metaller iyi iletkendir. Buna örnek olarak altın, gümüş ve bakır gösterilebilir.Bilinenin aksine Gümüş en iyi iletkendir [1], ikinci en iyi iletken Bakırdır[2],sonraki Altındır[3]. Bakır kablo ve tellerde gümüşe göre ucuz olması sebebiyle tercih edilir. Altın kolay oksitlenmemesi sebebiyle elektriksel kontaklarda kullanılır. Altının oksidide iletkendir. Alüminyum, altından sonra en iyi iletkendir, yüksek gerilim hat kablolarında kullanılır.

Elektromanyetik alanları kullanarak havada uçan kaldıraçlar gibi.

 

İçindekiler

 

İletken maddeler

Katılar

  • Altın
  • Alüminyum
  • Magnezyum
  • tungsten
  • Çinko
  • Demir
  • Çelik
  • Nikel
  • Krom
  • Kurşun
  • Metal
  • Sodyum
  • Grafit

Sıvılar

  • Limonlu su
  • Tuzlu su
  • Asitli su
  • Sirkeli su
  • Alkol *
  • Çeşme Suyu (Klorlu Su)*
  • Sıvı cıva

Ayrıca bakınız

  • Yarı iletken

cisimlerdeki elektriği yarı ileten maddelere verilen addır

  • Yalıtkan

 

 

Ayrıca bakınız

Kaynakça

  1. ^ Jones, D.A. (1991), "Electrical engineering: the backbone of society", Proceedings of the IEE: Science, Measurement and Technology 138 (1): 1–10, doi:10.1049/ip-a-3.1991.0001
  2. .....................................

 

 

Hiçbir yazı/ resim  izinsiz olarak kullanılamaz!!  Telif hakları uyarınca bu bir suçtur..! Tüm hakları Çetin BAL' a aittir. Kaynak gösterilmek şartıyla  siteden alıntı yapılabilir.

 © 1998 Cetin BAL - GSM: +90  05366063183 - Turkiye / Denizli