YKS Fizik – Elektrik

Elektrik Yükleri

 

– Benjamin Franklin yaptığı deneylerde birbirine sürtünen cisimlerin elektrikle yüklendiğini ve kıvılcımlar çıkardığını gördü. Şimşek ve yıldırımda bu şekilde olabileceğini düşünen Franklin, ünlü uçurtma deneyi ile bunu kanıtladı.

 

– En küçük yük elektron yükü olduğu düşünüldüğünden bu yüke temel yük ya da elementer yük (ey) denir. Yükün değeri 1,6 . 10⁻⁹ C (coulomb’dur)

 

– Elektriğin iletilebildiğini kanıtlayan ilk deneyler Stephen Gray tarafından yapılmıştır. Gray’ın bu deneyleri daha sonra Du Fay tarafından doğrulandı ve insan vücudu dahil birçok cismin elektriği ilettiği kanıtlandı. 1745’te Pieter Can Nusschenbroek, Lieden şişesi ismini verdiği buluşu ile kıvılcım miktarını elektrik yüklerinin bir uçtan diğer uca sıçrarken görünür hale geldiğini ispatlamıştır.

 

– Kristal yapılı bazı maddeler doğal durumunda yalıtkan olduğu halde ısıtma; üzerine üşük düşürme gibi bazı çevre koşulları değiştirilince iletken hale gelebilir.

 

– Bazı yalıtkan maddeler: porselen, ebonit, kauçuk, cam, teflon, mika..

 

– Dış etki olmayan yüklü bir iletkendeki elektrik cismin her tarafına dağılır. Yalıtkanlarda ise bir bölgede (+) bulunurken bir bölgede (-) bulunabilir. İletkenlerde yükler hareketli olduğu için bu durum mümkün değildir.

 

 

 

Sivri uçlarda yüklerin toplanması

 

 

İletkende yükler birbirini iterek dağılımlarını tamamlar. Böylece yük akışı durur. Bu duruma “yükler elektrostatik dengeye geldi” denir. Yüklerin dengelenmesiyle elektriksel alan sıfır olur. Bunu ilk fark eden Michael Faraday olmuştur.

 

– Chester Carlson 100 yıl önce belgelerin daha kolay kopyalaması için fotokopi makinasını icat etti. Fotokopi makinası elektrstatik dengeye göre çalışmaktadır.

 

 

Yüklü Cisimler Arası Etkileşim

– Maddesel parçacıkların birbirine kütle çekim kuvveti haricinde hem çekme hem de itme türünde olan kuvvetlere elektriksel kuvvet denir.
– Birbirine yakın duran iki yüklü cisim düşünelim. Bu cisimler birbirlerine bir elektriksel kuvvet uygulayacaklar. Uygulanan bu elektriksel kuvvet, cisimlerin yük miktarına, aralarındaki uzaklığa ve bulundukları ortama bağlıdır.

 

 

Bu olayın matematiksel ifadesi:

 

Şeklindedir.

 

F: Bize lazım olan itme veya çekme kuvvetidir.
d : Uzaklık,
k : ortam sabitidir. Ortam değiştirdikçe buda değişir.
SI birin sisteminde q₁ve q₂ C (coulomb), r’yi metre (m) ve F’yi N (Newton) olarak aldığımızda k otomatikman N.m²/c² olur.
Boşlukta k = 9.10⁹ N.m²/c² dir.

 

 

Elektrostatik

– İki yüklü kürenin dokunduktan sonra yüklerinin bulunması:

 

Elektroskop (-) yüklü, K cismi (+) yüklü olsun.
K çubuğunu elektroskoba yaklaştırdığımızda:
1- Çubuk elektroskobun (-) yüklerini yukarıya çıkar ve yapraklar biraz kapanır.
2- Çubuk yeterince yüklüyse yaklaştırma sonucu elektroskobun elektroskobun tüm yükleri yukarıya çıkıp yapraklar tamamen kapanabilir.
3- Çubuk ultra yüklüyse K cismini yaklaştırdığımızda elektroskobun yapraklarındaki fazla (-) yükleri çekerek yaprakları nört yapar. Daha sonra doymadığı için nötr halde bekleyen (+) ve (–) lerin (-) yüklerini de çekerek yaprakların (+) yüklenmesine neden olabilir.

 

– İçi boş kürelere dıştan dokundurursak, normal dokundurma yaptığımız gibi çözeriz. İçten dokundurma yaparsak, dokundurulan cisime yazık olur ve tüm fazla yüklerini kaybederek nötrleşir.

 

Eğer yüklü cisimleri şekildeki gibi dokundurursak yükler yarıçaplar oranında paylaşılır. Yani her iki şekilde dıştan dokunma ile elektriklenme gözlenir. Bunun sebebi cisimlerin içi boş kürelerin dışında bulunmasıdır.

 

 

Eğer bu şekilde dokundurma yaparsak içten dokundurma yapmış gibi olur ve K ve M cisimleri nötr olur. Bunun sebebi de cisimlerin içi boş kürelerin içinde bulunmasıdır.
– Nötr iletken bir cisim (+) ve (-) yüklü başka bir cisme yaklaştırılırsa her ikisini de çeker.
Akım, Potansiyel Fark, Direnç
– Bir elektrik devresinden geçen yük miktarını ölçmenin yollarından birisi suyun elektrolizidir.

 

Devreden 2 elektron geçince bir molekül H₂ gazı açığa çıkar. Elektron sayısı 2 katına çıkarılırsa H₂ miktarı da 2 katına çıkar. Burada H₂ gazı miktarı bize devrenden geçen yük miktarını verir.
Tüpte t sürede q coulomb yük birikmiş ise akım şiddeti (i) i = q/t olur.
– Direnç, adı üstünde elektrik akımına direnme gücüdür.

 

R = ρ . L / A
ρ (ro) : Metalin cinsine göre belirlenen bir sabittir. Bir nevi coulomb yasasındaki k (k orada ortamı temsil ediyordu) sabiti gibidir. Eğer direnci büyük olan bir metal almışsak ρ değeri büyük olur.
L : Telin uzunluğudur. Uzunluk arttıkça rastlanacak sorun sıkıntı artar, dolayısıyla direnç artar.
A : Kesit alanının artması başta direncin artması gerektiğini düşündürse de, genişlik arttıkça elektronlar daha rahat geçeceğinden A arttıkça direnç azalır, elektronlar rahatlar.
– Gümüşün iyi bir iletken olsa bile pahalı olduğu için doğada daha çok bulunan ve ucuz olan bakır kullanılır. Bu yüzden elektrik kablolarında bakır kullanılır.
– Tam tersine eğer elektrikli soba yapılacaksa direnci çok olan teller seçilmeli. Elektrikli soba, su ısıtıcısı, akkor lamba gibi bazı aletlerde öz direnci büyük olmasından dolayı tungsten veya nikrom teller tercih edilir.

 

 

 

EMK’ lı Devreler

– Birim yükün devreyi tamamen dolanabilmesi için üretecin ürettiği enerjiye elektromotor kuvvet (emk) denir.
– Elektrik enerjisi üreten emk kaynakların karşıtı gibi düşünülen ve akımı ısıdan başka enerjiye dönüştüren elektrik motoru gibi aletlere “almaç” denir. Bunlar “zıt elektromotor kuvveti” olarak ifade edilir. Birimi volttur.

 

Bir üretecin ürettiği enerji W = ε . I . t olduğundan motorun harcadığı enerji W = ε’ . I .t olur.
– Direncin harcadığı enerji ise W = I² . R . t ile hesaplanır.
– Motorun ürettiği mekanik enerji: ε’ . I . t (direncini düşünmediğimizde kullandığı enerji)
– Motorun tükettiği toplam enerji ε’. I . t + I² . r’ . t ( normal harcadığı enerjiye birde direncinin harcadığı enerji eklendi)
– Motorun mekanik gücü : ε’ . I
– Motorun Toplam Gücü: ε’.I + I².r’ olarak bulunur.
– Motorun verimi, toplam tükettiği enerjinin ne kadarını yapması gereken ise harcadığının göstergesidir.
Verim = ε’ / ε’ + I.r’ olarak bulunur.
– Üretecin verimi aynı mantık ile ürettiği enerjinin ne kadarını dışarıya verebiliyor. Yani iç direnci onu ne kadar engelliyor?
Verim = (ε – I.r) / ε ile hesaplanır.

 

 

Elektriksel Alan

 

Yukarıda coulomb yasasını anlattık. Charles Auqustin Coulomb, burulma terazisi ile yüklü iletken cisimler arasındaki kuvvetin matematiksel modelini çıkardı:
Bu model ile elektriksel kuvvet F = k .q1.q2 / d² ile hesaplanıyordu. Burada
Ke = 8,9875 . 10⁹ N.m²/c² ‘ dir. Ancak genel olarak 9. 10⁹ N.m²/c² alınır.
– Herhangi bir q yükünü elektriksel alan içine koyduğumuzda etki eden kuvvet F = q.E ile hesaplanır. Burada E bir q yükünün kendi etrafında oluşturduğu alandır. E = k.q /d²
İle hesaplanır.

 

 

 

İletken ve yüklü bir kürenin yükleri kürenin dışında toplanır. Kürenin içerisinde yük olmadığı için içinde elektrik alanı sıfırdır. Kürenin içinde bir nokta seçersek, bu noktaya etki eden herhangi bir elektrik alanı olmayacak ancak küre yüzeyinde seçersek, elektrik alanın kürenin merkezinden oluşuyormuş gibi davranır.
Kürenin yüzeyinde seçilen cisimlerde elektrik alanının merkezde oluşmasını sebebi basit aslında: O noktaya kürenin en arka tarafından da yani 2r uzaklıkta da yük etki ediyor, 0 noktasından da yük etki ediyor. Bu nedenle küreyi bütün olarak düşündüğümüzde bütün yükleri pratikte merkezindeymiş gibi hesaplıyoruz.
– Eğer kürenin yüzeyinden d kadar uzaklaşırsak, elektriksel alanı bulurken uzaklığı (d+r) olarak alırız.
– Coulomb kanunu noktasal yük dışındaki yük sistemlerine de uygulanır.
– Yüklü bir cisim sadece tek tip yüke (Pozitif veya negatif) sahiptir.
– Elektrik alan ve kuvvet aynıdır ve aynı doğrultudadır.
– Elektrik kuvveti yer çekimi kuvveti ile aynıdır.
– Alan çizgileri tam olarak pozitif yükten negatif yüke doğrudur ve hareketi ifade eder.

 

 

Elektriksel Potansiyel

 

– Elektrik potansiyel enerjisi, t.pk. yayda depolanan enerji gibi bir enerji fark.d.r diyebiliriz. Elektrik potansiyel enerji, elektrik alan.n.n yuklu parcac.k uzerinde yapt… i. olarak tan.mlan.r. Buradan formulu c.kartabiliriz.
Elektriksel alanda etki eden kuvveti biz F = k.q1.q2 / d2 ile buluyorduk. Yap.lan i.i ise kuvvet ile o kuvvetin etkin oldu.u yol ile carparak buluruz. Elektriksel potansiyelde yap.lan bir i. oldu.una gore F.d ile biz elektrik potansiyeli buluruz.
Yani,
Ep = (k.q1.q2/ d2) .d ile dfler sadele.ir ve Ep = k.q1.q2/ d olarak buluruz.
– Elektrik potansiyel skaler bir buyukluktur ve birimi joulefdur.
– 3 farkl. yukun toplam elektrik potansiyel enerjisini bulurken her birinin birbirne gore potansiyel enerjisi bulup toplan.r. Z.t i.aretli iki cismin potansiyel enerjisi negatif c.kacakt.r.
Bunun sebebi: Elektriksel potansiyeli i. olarak tan.mlam..t.k. Z.t i.aretli iki yuklu cisim birbirlerini cekerek sistemin potansiyelini azaltacaklar. icin negatif al.yoruz. Alm.yoruz daha do.rusu kendisi c.k.yor 😀
Elektrik Potansiyel
– Birim yuk ba..na du.en elektrik potansiyel enerjiye elektrik potansiyel denir.
Birim yuk dedi.imiz icin Elektrik potansiyeli Ep = k.q..q / d2 olarak al.rsak. Birim yuku hesaplamam.z gerekti.inden q. ile bolelim :
V = k.q/d c.kar.
– Burada enerjinin yuke oran. bulundu.undan V yerine J / C birimi de kullan.labilir

 

 

 

 

Yüklü iki küreden birbirine yük geçişi olması için kürelerin yük/yarıçap oranları farklı olmalıdır. Bu oran eşitlenene kadar yük geçişi devam eder. İki kürenin son durumunda elektrik potansiyelleri eşit olur. Buna ortak potansiyel denir.
Vort = k(q1 + q2) / (r1 + r2) ile hesaplanır.
– Elektrik potansiyel, elektrik alan yönünde gidildikçe azalır. (Çünkü potansiyel, bir fark olduğunu gösterir. Elektrik alan bu farkı azaltmak için vardır.) Tersi yönde yani elektrik alana zıt gidildikçe potansiyel artar.
– İki nokta arası potansiyel fark, elektrik devrelerinde gerilim (voltaj) olarak adlandırılır. Potansiyel fark, birim yükün A noktasından B noktasına götürürken elektriksel kuvvetlere yapılan ise eşittir.
– Gerilim enerjidir.
Elektriksel İş
– Bir Q yükünün etki alanında +q yükünü bir A noktasından B noktasına götürürken harcanan enerjiye veya elektriksel kuvvetin yaptığı işe denir.
W = q. Vab olarak gösterilir. Yani yapılan iş, taşınan yük ile taşınacak mesafe arasındaki potansiyel farkın çarpımıyla bulunur.

 

 

 

 

 

 

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Başa dön tuşu