Elektrik yükü
Elektrik yükü nedir?
Elektrik yükü atom altı parçacıkların sahip olduğu ve onun elektromanyetik ile olan etkileşimini sağlayan temel bir özelliktir. Elektrik yüklü bir parçacık elektromanyetik alandan etkilenir, elektro- manyetik alan oluşturur. Yük ve alanın etkileşimi dört temel kuvvetten biri olan elektromanyetik kuvvetin kaynağını oluşturur.
Atomların normal şartlarda proton ve elektron sayıları eşittir. Yani bir etki ile karşı karşıya kalmamış maddeler yüksüz (nötr) durumdadırlar. Bir maddeyi meydana getiren atomların bir kısmı veya tamamında elektron sayıları ile proton sayıları arasında sayısal bir fark varsa bu madde elektriksel olarak yüklü bir maddedir.
Eğer madde atomları elektron kaybetmişse pozitif (+) yüklü, elektron kazanmışsa negatif (-) yüklü olacaktır. Pozitif (+) elektrik yüklü iyonlara katyon, negatif (–) elektrik yüklü iyonlara anyon denir. Bir cismin yükü doğal olarak kendi atomlarının yük ortalamasına eşit olacaktır.
Yandaki gümüş atomunun atom modeline göre atomun son yörüngesinde bir elektron vardır. Gümüş atomu bu şekilde kararlı bir durumda yani yüksüzdür. Bu atomlardan meydana gelen gümüş elementi veya maddesi yüksüz durumdadır.
Elektrik Yükü ve Elektrik Yükü Birimi
Madde, atomlardan meydana gelir. Bir maddeyi meydana getiren atomlar bir etki ile elektron kaybetmişler ise pozitif yükle yüklenmişler, pozitif iyon durumuna, yine bu atomlar elektron kazanmışlar ise negatif iyon durumuna geçmişlerdir.
Yüklü atomlardan meydana gelen bir madde de yüklü bir maddedir. Bu maddenin yük miktarı kendisini oluşturan atomların yüklerinin toplamına eşittir. Bu halde elektrik yükü, bir maddedeki atomların yüklerinin toplamı denilebilir.
Elektrik yükü, Q veya q harfleri ile gösterilir. Elektrik yükü birimi Coulomb (Kulon) dur ve C ile gösterilir.
Not: Cisimlerin atomları iyon durumuna geçtikleri zaman elektrik yükü depolamış olurlar.
Yukarıdaki şekildeki gümüş atomu yüksüz (nötr) olduğu için sadece Ag ile gösterilir. Eğer gümüş atomlarında fazladan birer elektron bulunsaydı bu atomlar Ag– şeklinde gösterilirdi. Yani, gümüş atomu nötr halde iken 47 proton ve 47 elektrona sahiptir. Nötr gümüşe elektrik akımı verildiğinde – 1 değerlikli negatif iyon durumuna geçmiş olup 47 proton ve 48 elektrona sahip olur. Eğer gümüş atomu bir elektron kazanacağı yerde kaybetmiş olsa idi o zaman Ag+ şeklinde gösterilirdi.
Alınan veya verilen elektron sayısı birden fazla olduğunda gösterim E∓x şeklinde olmaktadır. E harfi element veya molekülü temsil ederken x harfi pozitiflik veya negatifliğin miktarını belirtmektedir.
Örnek olarak, suya karıştırılan bakır sülfat (CuSO4) tuzu, suda Cu+2 ve SO4 -2 şeklinde iyonlarına ayrışır. Ama iyonlaşma sonucu elde edilen parçacıklar nötr durumda değildir. Bakır (Cu) iki elektron kaybetmiş ve pozitif iyon (katyon) haline geçmiştir. Sülfat ise (SO4) iki elektron kazanarak negatif iyon (anyon) meydana gelmiştir. Bu durumda sülfat iki elektron kaybettiği için SO4 -2 ve bakır iki elektron kazandığı için Cu+2 şeklinde gösterilecektir.
1 Kulon 624×1016 adet elektron ya da protonun yüküne eşittir.
Not: 20 W’lık bir lambadan 1 saniyede yaklaşık 5676.1014 (567.600.000.000.000.000) elektron geçer.
Coulomb Kanunu (Kulon Kanunu)
İki cisimden birinin yükü diğerinden farklı ise, biri pozitif yüklü iken diğeri negatif yüklü ise bu iki cisim arasında çekme kuvveti vardır. İki cisimden ikisinin yükü de aynı ise, ikisi de pozitif veya ikisi de negatif yüklü ise iki cisim arasında bir itme vardır. Coulomb Kanunu, cisimlerin elektriksel yüklerinin birbirlerine etkisini anlatır.
Elektrik yükleri arasındaki itme veya çekme kuvvetleri ilk kez Fransız Fizikçi Coulomb tarafından bulunmuştur. Havada elektrik yüklü cisimler arasındaki itme veya çekme kuvvetinin değeri; yük miktarı ile doğru, cisimler arasındaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. Bu kanuna Coulomb Kanunu denir.
Buna göre:
- Elektrik yükleri arasında bir itme veya çekme kuvveti vardır
- Pozitif ve negatif olmak üzere iki cins elektrik yükü vardır. Aynı yükler arasında bir itme kuvveti, farklı cins yükler arasında ise bir çekim kuvveti vardır.
- Yükler arasındaki kuvvet, yükleri birleştiren hat doğrultusundadır.
- İki yük arasındaki kuvvet, yükler arasındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.
- İki yük arasındaki kuvvet, yüklerin çarpımlarıyla doğru orantılıdır.
- Yükler arasındaki kuvvet, yüklerin bulunduğu ortamdan etkilenir.
Kulon Kanunu’ na göre iki yük arasındaki kuvvet; yüklerin cinsine ve miktarına, aralarındaki uzaklığa ve yüklerin bulunduğu ortama bağlıdır, denir.
Coulomb Kanunu’na göre iki cisim arasındaki çekme kuvvetinin büyüklüğü, cisimlerden her birinin yüklerinin cinsi ve büyüklüğü ile doğru orantılı, aralarındaki uzaklıkla ise ters orantılıdır. Bu değerlere göre eşitlik aşağıdaki gibi meydana getirilmiştir.
Formüldeki simgelerin anlamları ve birimleri;
- F : Yükler arasındaki kuvvet (Newton-N) Q1,
- Q2 : Elektrik yükleri (Kulon-C)
- r : Yükler arasındaki uzaklık (metre-m)
- ε r : Yüklerin bulunduğu ortamın bağıl dielektrik katsayısı
- 9.109 : MKS birim sistemine dönüşüm sayısı
Formülde εr , yüklerin bulunduğu ortamın bağıl dielektrik katsayısını simgeler. Değişik ortamların dielektrik katsayıları aşağıdaki tablo da görüldüğü gibidir.
Şayet cisimlerin bulunduğu ortam boşluk ya da hava ise formül aşağıdaki gibi olur.
Yukarıda verilen formülün doğruluğunu iki mıknatıs ile kısmen test edebiliriz. Mıknatısların zıt kutuplarını birbirlerine yaklaştırdığımız zaman bu mıknatısları ayrı tutmakta zorlandığımızı hissederiz. Aynı kutupları yaklaştırdığımız zaman da birleştirmekte zorlanırız. Mıknatısları birbirlerinden uzaklaştırdığımız zaman ise aralarındaki kuvvetin azaldığını görürüz.
Yükler Arasındaki Kuvvetler
Soru: Şekilde aralarında 1 metre bulunan iki yük arasında 10 N’ luk çekme kuvveti vardır. Buna göre aynı yüklere sahip ama aralarında 2 metrelik mesafe bulunan iki yükün aralarındaki kuvvetin büyüklüğü ne olur?
Çözüm: Kulon Kanunu’na göre iki cisim arasındaki çekme kuvvetinin büyüklüğü, cisimlerden her birinin yüklerinin cinsi ve büyüklüğü ile doğru orantılı, aralarındaki uzaklıkla ise ters orantılıdır.
Buna göre;
F = 10 / 22 = 10 / 4 = 2.5 N
Soru: Aralarında 2 m uzaklık bulunan 3 C ve 4 C’ luk iki yük (yukarıdaki şekilde) arasındaki kuvvet nedir? (Ortam camdır.)