Son 400 yıldaki en dikkat çekici ve yeni keşiflerden biri elektriktir. “Elektrik bu kadar uzun süredir mi var?” diye sorabilirsiniz. Cevabımız “evet ve aslında daha uzun bir süre önce” olacaktır. Günümüzdeki kullanım şekli ile elektrik 1800’lerin ortalarından sonlarına kadar olan süre içinde ve ilk başta sınırlı olarak hizmetimize sunulmuştur. Dikkat çeken ilk uygulamaları kamu hizmetlerinde görülür, 1882’de Berlin’deki sokak ışıkları, 1893’te Chicago Dünya Fuarı’nı 250.000 ampulle aydınlatılması ve Paris 1900 Dünya Fuarı sırasında Seine nehri üzerindeki bir köprünün aydınlatılması bunun örneklerindendir.
Aslında elektriğin kullanımı daha da eski tarihlere gider. 1936’da Bağdat yakınlarında bir demiryolu inşa ederken işçiler bugün Bağdat Pili olarak da bilinen çok eski tarihlerde yapılmış bir pil gibi görünen şeyi ortaya çıkardılar. Bulunan nesnenin Part imparatorluğuna kadar uzandığı ve tahminen 2.000 yaşında olduğuna inanılıyor. Nesne içine bakır bir silindirle çevrili bir demir çubuğun yerleştirildiği bir sirke çözeltisi ile doldurulmuş bir kil kavanozdan oluşuyordu. Bataryaların atası sayılan bu nesne 1,1 ila 2,0 volt elektrik ürettiyordu. Şekil 1, Bağdat Pili‘ni göstermektedir
Bağdat Pili. Tarih öncesinden kalan bu pil bir kil kavanozu içinde bakır silindirle çevrili bir demir çubuğu tutar. Sirke veya elektrolitik çözelti ile doldurulduğunda, kavanoz 1.1 ila 2 volt üretir.
Günümüzde yaşamış ve yaşayan bilim adamlarının tümü Bağdat Pilini bir enerji kaynağı olarak kabul etmiyorlar. Bu cihazın bir yüzeye bir altın veya diğer değerli metaller katmanı eklenmesi için, yani elektrokaplama için, kullanılmış olması ihtimal dahilindedir. Mısırlıların 4.300 yıl önce bakır üzerine elektrokaplama yöntemi ile antimon kapladıkları söylenir. Arkeolojik kanıtlar, Babillerin, taşları üzüm suyuna dayalı bir elektrolit kullanarak altın levha ile kaplayıp mücevher üretiminde ilk kez galvanik bir tekniği keşfettiklerini ve kullandıklarını gösteriyor. Bağdat’ı yöneten Part’lar da (yaklaşık MÖ 250), gümüşü elektrolize etmek için pil kullanmış olabilirler.
Modern zamanlarda elektrik üretmek için kullanılan en eski yöntemlerden biri statik bir yük oluşturmaktı. 1660 yılında Otto von Guericke, ovalandığında ve döndüğünde tüy ve küçük kağıt parçaları çeken büyük bir kükürt küresi kullanan bir elektrikli makine inşa etti. Guericke, üretilen kıvılcımların doğadaki elektrik olduğunu kanıtlayabildi.
1744 yılında Ewald Georg von Kleist, statik yükü içinde ve dışında metalik folyo ile kaplı bir cam kavanozda depolayan Leyden kavanozunu geliştirdi. Hollanda’daki Leyden şehrindeki profesör Peter van Musschenbroek de dahil olmak üzere birçok bilim insanı, elektriğin sıvı halinde bir şişeye konulabileceğini düşünüyordu. Aslında kabın içine ve dışına yerleştirilen iki metalik folyonun bir kondansatör oluşturduğunu anlayamamışlardı.
Pratikte elektriğin kullanımı “Elektrikli tabanca” da denilen Alessandro Volta’nın (1745-1827) buluşu olan düzenek, içine elektrik teli konulduktan sonra metan gazı doldurulan bir şişeden oluşuyordu. Telden bir elektrik kıvılcımı yollandığında, kıvılcım metan gazını ateşleyerek şişenin patlamasına yol açıyordu.
Daha sonraları Volta bu buluşunu uzak mesafeler arasında haberleşme amacı ile (tabi ki yalnızca bir işaret iletebilen) kullanmayı düşündü. Düşüncesine göre İtalya’nın Como ve Milano şehirleri arasında tahta direkler üzerinde bakır tel çekilecek ve bir tarafında kıvılcım üreteci, diğer tarafında da metan dolu şişe bulunacaktı.
Taraflar arasında kararlaştırılmış bir olay gerçekleştiğinde de kıvılcım jeneratörü çalıştırılıp öteki uçtaki şişe patlatılacak ve böylece olayın gerçekleştiği mesajı iletilmiş olacaktı. Fakat bu iletişim hattı hiç bir zaman gerçeğe dönüştürülmedi.
1791’de, Bologna Üniversitesi’nde çalışırken, Luigi Galvani, bir kurbağa kasının metalik bir nesneye dokunduğunda büzüldüğünü keşfetti. Bu olgu hayvan elektriği olarak bilinir hale geldi. Bu deneylerden etkilenen Volta, pozitif plakalar (katot) olarak çinko, kurşun, kalay ve demir ve negatif plakalar (anot) olarak bakır, gümüş, altın ve grafit kullanarak bir dizi deney başlattı. Bu buluş ile Galvanik elektriğe olan ilgi kısa sürede yaygınlaştı.
İlk Bataryalar
Volta, 1800 yılında belirli sıvıların iletken olarak kullanıldığında sürekli bir elektrik enerjisi akışı üreteceğini keşfetti. Bu keşif, daha yaygın olarak pil olarak bilinen ilk voltaik hücrenin icadına yol açtı. Volta ayrıca, voltaik hücreler üst üste istiflendiğinde voltajın artacağını farketti. Şekil 3, böyle bir seri bağlantıyı göstermektedir.
Gümüş (A) ve çinko (Z) plakalar kaplar içindeki elektrolitik sıvıya batırılıyor ve uçları birbirlerine seri olarak bağlanıyor
Gümüş ve çinko plakalar (elektrodlar) aralarında elektrolitik sıvıya doyurulmuş kağıt ayırıcılarla birbirlerine seri olarak bağlanıyor.
|Figure 3: Volta’nın 1796 yılında elektrik bataryası ile yaptığı deneyler.|
Bir bataryadaki metaller farklı elektron çekme gücüne sahiptir. Volta, benzeşmeyen metallerin voltaj potansiyelinin, taşınan çekim gücü sayıları birbirinden farklılaştırıldıkça daha da güçlendiğini fark etti.Aşağıda listelenen metallerdeki yanındaki ilk sayı, elektronları çekme gücünü gösterir, ikincisi ise oksidasyon (elektron kaybı) katsayısıdır.Çinko = 1.6 / -0.76 V
Kurşun = 1.9 / -0.13 V
Teneke = 1.8 / -1.07 V
Demir = 1.8 / -0.04 V
Bakır = 1.9 / 0.159 V
Gümüş = 1.9 / 1.98 V
Altın = 2.4 / 1.83 V
Karbon = 2.5 / 0.13 VKullanılan metaller bataryanın üreteceği gerilimi belirler ve aralarında da tuzlu suya doyurulmuş kağıt ya da karton ayırıcılar bulunur.
Aynı yıl Volta, Londra Kraliyet Akademisi’nde sürekli bir elektrik kaynağı keşfettiğini açıkladı. Artık deneyler bir saniyeden daha kısa süren kıvılcımların kısa bir gösterimi ile sınırlı değildi ve sonsuz bir elektrik akımı akışı artık mümkün görünüyordu. Fransa, Volta’nın keşiflerini resmen tanıyan ilk ülkelerden biriydi. O yıllar Fransa’nın bilimsel ilerlemelerin zirvesine yaklaştığı bir dönemdi. Ülkenin siyasi gündemini de desteklemeye yardımcı oldukları için yeni fikirler yönetim tarafından büyük destek görüyordu. Bu süre içinde Volta Fransa Bilim Enstitüsünde bir dizi konferans verdi ve konferanslarda yaptığı deneylerin birine Napolyon Bonapart dinleyici olarak katıldı. Bu deneylerde Volta batarya uçları arasında kıvılcım çıkardı, çelik bir teli eritti ve suyu elementlerine ayrıştırdı (bkz. Şekil 4).
Şekil 4: Volta’nın Fransa Bilim Enstitüsü’ndeki deneyleri.
Volta’nın keşifleri dünyayı o kadar etkilemişti ki Kasım 1800’de Fransa Bilim Enstitüsü onu Napolyon Bonapart’ın katıldığı etkinliklerde ders vermeye davet etti. Volta, Napolyon’nun da yardımcı olduğu deneylerde, aküden kıvılcım çıkarıyor, çelik bir teli eritiyor, elektrikli bir tabancayı boşaltıyor ve suyu elemanlarına ayrıştırıyordu.
1800 yılında, güvenli madenci lambasının mucidi Sir Humphry Davy elektriğin kimyasal etkilerini test etmeye başladı ve elektrik akımını maddelerden geçirirken bozunmanın meydana getirdiğini keşfetti. Bu işleme daha sonra elektroliz adı verildi.
Davy dünyanın en büyük ve en güçlü elektrik bataryasını Londra Kraliyet Enstitüsü’nün kasalarında geliştirerek yeni keşifler yaptı ve ardından bataryayı kömürden yapılmış elektrotlara bağlayarak ilk elektrik (ark) ışığını üretti. Olaya tanıklar olanlar ark lambasının “o güne kadar görülen en parlak ışık kemeri”ni ürettiğini anlattılar.
1802 yılında William Cruickshank seri üretim için ilk elektrik bataryasını tasarladı. Eşit boyutlu çinko levhalarla kare bakır levhaları uzun dikdörtgen ahşap bir kutuya düzenle yerleştirdi ve bunların çıkışlarını birbirine lehimledi. Kutudaki oluklar metal plakaları yerinde tutuyordu. Kapatılan kutu daha sonra bir tuzlu su elektroliti veya sulandırılmış asit ile dolduruldu. Bu, bugün hala kullandığımız su dolu akülere benziyordu. Şekil 5, batarya atölyesini göstermektedir.
Şekil 5: Cruickshank ve ilk plakaları sıvıya daldırılmış bataryası.
Şarj Edilebilir Pilin Bulunuşu
1836’da İngiliz bir kimyager olan John F. Daniell, daha önce denenmiş olan elektrik enerjisi depolama girişimlerinden daha istikrarlı bir akım üreten gelişmiş bir batarya geliştirdi. 1859’da Fransız doktor Gaston Planté, bugün de hala kullanılmakta olan bir sistem olan kurşun aside dayalı ilk şarj edilebilir bataryayı icat etti. O zamana kadar, tüm bataryalar ilksel idi, yani şarj edilemezlerdi.
1899’da, İsveçli Waldmar Jungner, nikeli pozitif elektrot (katot) ve kadmiyum’u negatif (anot) olarak kullanan nikel-kadmiyum (NiCd) bataryayı icat etti. Ama kurşuna kıyasla yüksek olan malzeme maliyetleri nikel-kadmiyum (NiCd) bataryanın kullanımını sınırlandırmıştır.
İki yıl sonra Thomas Edison kadmiyumu demirle değiştirdi ve bu bataryaya nikel demir (NiFe) denidi. Düşük özgün enerji, düşük sıcaklıkta zayıf performans ve kendi kendine hızlı deşarj, nikel demir bataryanın başarısını sınırladı. 1932’ye kadar geçen zaman içinde ise Schlecht ve Ackermann daha yüksek yük akımları elde etti ve sinterlenmiş kutup plakasını icat ederek NiCd’nin ömrünü uzattı. 1947’de Georg Neumann hücreyi kapalı bir kap içine yerleştirmeyi başardı.
Uzun yıllar boyunca, NiCd taşınabilir uygulamalar için tek şarj edilebilir batarya olarak hakimiyetini korudu. Ama 1990’larda, Avrupa’daki çevreciler NiCd bataryaların dikkatsizce bertaraf edildiğinde ortaya çıkan zarardan endişe duymaya başlamışlardı. Avrupa Birliği’nde çıkarılan 2006/66 / EC Akü Direktifi artık alternatifi olmayan özel endüstriyel kullanımlar dışında NiCd akülerinin satışına kısıtlamalar getirmektedir. Bu bataryanın alternatifi ise NiCd’ye benzer daha çevre dostu bir pil olan nikel-metal-hidrittir (NiMH).
Günümüzde çoğu araştırma faaliyetleri, ilk olarak 1991 yılında Sony tarafından ticarileştirilen lityum tabanlı sistemlerin geliştirilmesiyle ilgilidir. Li-ion, elektrikli araçlar ve uydular için de kullanılmaya başlanmıştır. Pilin, özellikle yüksek özgün enerjisi, basit şarjı, düşük bakım gereksinim ve maliyeti, ve çevreye zararsız olması gibi birçok avantajı vardır.
Manyetik alan kullanarak elektrik elde etmek
Manyetik alan kullanarak elektrik elde etmek yaşamımıza diğer kaynaklara nispeten daha geç geldi. 1820’de André-Marie Ampère (1775-1836), elektrik akımı taşıyan tellerin zaman zaman birbirlerinden etkilendiğini, biribrlerini bazen çekip bazen de ittiğini fark etti. 1831’de Michael Faraday (1791-1867), bir bakır diskin güçlü bir manyetik alanda dönerken nasıl sabit bir elektrik akışı sağladığını ortaya çıkardı. Humphry Davy ve araştırma ekibine yardımcı olan Faraday, bir bobin ve mıknatıs arasındaki hareket devam ettiği sürece sonsuz bir elektrik gücü üretmeyi başardı. Ve bu, elektrik jeneratörünün yanı sıra işlemi tersine çevrilmesi ile de elektrik motorunun icadına yol açtı.
Bundan kısa bir süre sonra, alternatif akımı (AC) istenen gerilime dönüştüren transformatörler geliştirildi. 1833 yılında Faraday, Faraday yasasının dayandığı elektromanyetizmanın temelini oluşturdu. Transformatörler, bobinler (indüktörler) ve birçok tipte elektrik motoru ve jeneratör Faraday tarafından bulunan elektromanyetizma kavramı ile çalışırlar. Manyetizma ile ilişki anlaşıldıktan sonra sabit bir elektrik akışı üretmek için daha büyük jeneratörler inşa edildi. Bunu mekanik hareketlere izin veren motorlar izledi. Ve sonunda Thomas Edison’un ampulü karanlığı fethetti.
İlk elektrik santralleri doğru akım (DC) üretebiliyorlardı, ancak bu gerilim tesisten en fazla 3 km dağıtım uzaklığına erişebiliyordu. 1886 civarında, Niagara Şelalesi Enerji Şirketi (NFPC) uzun mesafeden elektrik iletme yönteminin bulunması için 100.000 dolar ödül teklif etti. Çok fazla tartışma ve başarısız teklifin ardından, dünyanın en parlak zihinleri Londra, İngiltere’de bir araya geldi ve ödül AC iletim sistemini oluşturan bir Sırp göçmen olan Nikola Tesla‘ya (1856-1943) verildi. Niagara Şelalesi Enerji Şirketinde (NFPC) danışman olarak işe de başlayan Tesla ile NRPC yeni Niagara güç istasyonundan Buffalo, NY’ye kadar güç sağlayan çok fazlı bir AC sistemi inşa etti.
Şekil 6: Nikola Tesla (1856–1943). Sırp-Amerikalı fizikçi, mucit ve mühendis.En çok bulduğu alternatif akım besleme sistemleri ve dönen manyetik alanlar için tanınır
DC sistemleri düşük voltajda çalışır, kalın ve ağır kablolar gerektirirken buna karşın AC, hafif ve ince teller üzerinden iletim için daha yüksek gerilimlere dönüştürülebiliyor ve daha sonra kullanım için tekrar azaltılabiliyordu. Yaşlı nesil DC’yi desteklerken, genç dahiler ise AC’ye doğru yöneldi. Özellikle Thomas Edison, AC’ye karşı büyük bir direnç ve karşı koyma sergiledi. Bunun nedeni olarak ta AC de elektrik çarpmasının büyük tehlikeler yaratacağını ileri sürüyordu.
Bu anlaşmazlık uzun bir süre devam etti, ancak AC Avrupa tarafından da desteklenen ve kabul edilen bir standart haline geldi. ABD de ise Amerikalı bir mucit ve üretici olan George Westinghouse, Tesla sistemini Thomas Edison’un bütün direniş ve hoşnutsuzluğuna rağmen geliştirmeye başladı.
Herkesin hayret dolu bakışları altında AC nin gücü ile 1893’te Chicago Dünya Fuarı‘nı aydınlattı (Şekil 7). Westinghouse, Niagara Şelalelerindeki su enerjisini elektriğe dönüştürmek için üç büyük jeneratör inşa etti. Tesla tarafından geliştirilen üç fazlı AC teknolojisi, büyük mesafelerde elektrik gücünün çok daha ucuz bir şekilde iletilmesini sağladı. Ve bütün bunların katkıları ile elektrik, yaşam kalitesini yükseltmek için insanlığın erişimine açık hale getirildi.
Şekil 7: 250,000 aydınlatma ampulü Şikago 1983 Dünya Fuarı’nı ışıkla gündüze çevirdi.
Demiryolları boyunca uzanan telli telekomünikasyon (Telgraf) hatları sık sık değiştirilmesi gereken birincil bataryalarla çalıştırılıyordu. Verileri iletmenin ilkel bir yolu olan telgraf bataryalarının bir dizi röleyi etkinleştirmesi yolu ile ikili bir iletişim kodlaması sağlanıyordu. Mesaj gönderme fiyatı da, mesaj için gereken röle tıklamalarının sayısına dayandırılıyordu.
1800’lerin ortalarında telgraf, genç erkekler için yeni ve geleceği açık ve yükselen bir meslek oldu. Bu cihazları çalıştıran personel, o gelişmekte olan orta sınıfa yükseldi ve böylece kir ve tehlike taşıyan değirmenlerden, madenlerden ve diğer az kazandıran ama çok emek gerektiren işlerden kurtuldu. Örneğin çelik sanayicisi Andrew Carnegie ilk günlerinde bir telgraf habercisi olarak işe başladı.
1900’lerin başında elektronik vakum tüpünün icadı, yüksek teknolojiye doğru bir sonraki önemli adımı oluşturdu. Bu icat Frekans osilatörleri, sinyal yükselticiler ve sayısal anahtarlamayı mümkün kıldı. Bu da 1920’lerde radyo yayınlarının başlaması, 1946’da ENIAC adı verilen ilk sayısal bilgisayarın yapılmasına yol açtı. 1947’de transistörün icadı, 10 yıl sonra da entegre devrenin ve ardından bilgi çağında ortaya çıkan mikroişlemcinin gelişinin yolunu açtı. Bu artık sonsuza dek yaşama ve çalışma şeklimizi değiştirdi.
Günümüzde insanlık elektriğe daha fazla bağımlı hale geldi ve hareket kabiliyeti arttıkça insanlar batarya içeren taşınabilir güç kaynaklarına yöneliyorlar. Bataryalar daha da geliştikçe, bu taşınabilir güç kaynakları ile daha fazla işlev yapılabilinmesi mümkün olacaktır.