elektrik, durağan ya da devingen yüklü parçacıkların yol açtığı fiziksel olgu. Elektrik yükü, maddenin ana niteliklerinden biridir ve temel parçacıklardan kaynaklanır. Elektrik olgusunda rol oynayan temel parçacık, yükü negatif işaretli olan elektrondur. Elektriksel olgular çok sayıda elektronun bir yerde birikmesiyle ya da bir yerden başka yere hareket etmesiyle ortaya çıkar.
TARİHİ
Elektriğe ilişkin olarak gözlenen ve incelenen ilk olgu, durağan yüklerin oluşturduğu statik elektriklenmedir. Eski Yunanlılar, kehribarın bir kürk parçasına sürtülmesi sonucunda kuştüyü gibi hafif cisimleri çekme özelliği kazandığını gözlemişlerdi. Elektrik sözcüğünün kaynağı “kehribar” anlamına gelen Yunanca elektron sözcüğüdür. Elektriği ciddi olarak inceleyen ilk bilim adamı olan William Gilbert, 16. yüzyılın sonlarında, statik elektrikle magnetizma arasındaki ilişki üzerinde araştırmalar yaptı. Benjamin Franklin 1752’de gerçekleştirdiği ünlü uçurtma deneyiyle yıldırımın bir elektrik olgusu olduğunu gösterdi. Elektrik yüklerinin artı ve eksi olarak belirlenip adlandırılmasını da Franklin gerçekleştirdi.
- yüzyılın ortalarına gelindiğinde, maddeler, elektriksel özellikleri açısından iki temel sınıfa ayrılıyordu: Sürtünme sonucunda pozitif ya da negatif bir yüzey yükü kazanan ve bu yükü saklayan yalıtkanlar ile sürtünmeyle elektriklenme özelliği göstermeyen, ama elektriklenmiş bir yalıtkandaki yükü başka bir noktaya iletebilen ve çoğunu metallerin oluşturduğu iletkenler, iletken bir cismin, çevresinden yalıtılmış durumdayken, elektrik yükünü saklayabildiği de gözlenmişti (bir yahtkanda yüzey yükü oluşmasının nedeninin, atomlarının dış katmanlarından birer elektron kaybederek net pozitif yüklü duruma, ya da birer elektron kazanarak net negatif yüklü duruma gelmeleri olduğu bugün bilinmektedir). 1767’de Joseph Priestley, elektrik yüklerinin birbirlerini, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak çektiklerini buldu. Elektrostatiğin bir bilim olarak gelişmesine Henry Cavendish, Charles-Augustin de Coulomb ve Siméon-Denis Poisson önemli katkılarda bulundu.
- yüzyılın başında İtalyan fizikçi Alessandro Volta, elektrik pilini icat etti; başka araştırmacılar bu buluşu geliştirdi, böylece pratik bir elektrik akımı kaynağı elde edilmiş oldu. Pilin icadını izleyen 20 yıl içinde elektrik akımı ile statik elektriğin aynı olgunun farklı görünümleri olduğu ortaya çıkarıldı. 1807’de Sir Humphry Davy, erimiş potastan oluşan bir elektrolitten elektrik akımı geçirerek potasyum metalini ayırmayı başardı. Bu alandaki araştırmalar, elektrikli kaplama, elektrolitik arıtma ve elektrokimya sanayisinin öteki yöntemlerinin geliştirilmesine yol açtı. Davy, 1808’de elektrik akımı taşıyan iki kömür elektrotu birbirinden ayırarak bir ark oluşturmayı başardı ve böylece elektriğin ışık ya da ısı enerjisine dönüşebileceğini gösterdi. 1820’de Hans Christian 0rsted, içinden elektrik akımı geçen bir iletkenin yakınındaki bir mıknatıs iğnesinin saptığını gözlemleyerek, elektrik akımının iletken çevresinde bir magnetik alan oluşturduğu sonucuna vardı. 1831’de Michael Faraday bunun tersi olan olguyu, yani bir magnetik alanın, içinde hareket eden bir iletkende bir elektromotor kuvvet indüklediğini buldu. Bu buluş, dinamo, elektrik motoru ve transformatörün geliştirilmesine yol açtı. James Clerk Maxwell’in 1864’te yayımladığı alan denklemleriyle, elektrik, magnetik ve optik olguları elektromagnetizma adı verilen tek bir evrensel olguda birleştirmesi, 19. yüzyıl biliminin en önemli başarısını oluşturdu.
Elektriğin laboratuvar duvarlarını aşıp sanayideki ve günlük yaşamdaki yerini alması süreci 19. yüzyılın ikinci yarısında başladı. 1873’te Zenobe-Theophile Gramme, elektrik enerjisinin havai hatlar aracılığıyla etkin bir biçimde iletilebileceğini gösterdi. Thomas A. Edison’m 1879’da akkor lambayı icadı ve ilk elektrik üretim merkeziyle dağıtım şebekesini 1881’de New York’ta kurması, elektrik enerjisinin evlerde ve sanayide yaygın olarak kullanılmasının başlangıcı oldu. Telgraf ve telefonun bulunmasıyla, elektrik, iletişim alanına etkin olarak girdi.
1895’te Sir Joseph John Thomson’un elektronu bulması, 1904’te diyotun, 1907’de de triyot lambanın icadı, elektroniğin ayrı bir bilim dalı olarak gelişmesinin başlangıcı oldu.
ELEKTROSTATİK
Durağan elektrik yüklerinin, bu yükler arasında etkiyen kuvvetlerin ve bir elektrik yükü çevresinde oluşan ve başka elektrik yükleri üzerinde kuvvet etkiyen bölge olarak tanımlanan elektrik alanlarının incelenmesi, elektrostatiğin konusunu oluşturur. Elektrik yükü yalnızca büyüklüğü olan, doğrultusu ve yönü bulunmayan (skaler) bir niceliktir. Buna karşılık, kuvvet ve elektrik alanı, büyüklüğü, doğrultusu ve yönü olan (vektörel) niceliklerdir.
COULOMB YASASI. İki cisim birbirine sürtülür ve sonra birbirinden ayrılırsa, özellikle kuru havada ve sürtülen cisimlerin farklı maddelerden yapılmış olması durumunda, bu iki cisim arasında bir çekme kuvvetinin varlığı gözlenebilir. Bu durumda, bu cisimlerin elektriklenmiş olduklarından söz edilir. Elektriklenmiş iki cisim arasındaki çekme kuvveti, bunlar birbirinden uzaklaştırıldığında hızla azalır. Aynı maddeden yapılmış iki cisim (örn. iki plastik çubuk) bir başka cisme (örn. kuru bir ipek mendil) sürtülürse, çubukların birbirini ittiği, ama ipek mendili çektiği gözlenir. Böylece elektriklenmenin hem itme, hem de çekme kuvvetlerine yol açtığı anlaşılır. Elektriklenmiş cisimler arasında hem itme, hem de çekme kuvvetinin var olabilmesi, artı ve eksi elektrik olarak anılan iki tür elektriğin varlığına işaret eder. Aynı işaretle elektriklenmiş cisimler birbirini iter, farklı işarette olanlar ise çeker. Bir cisimdeki elektriklenme, değme yoluyla bir başka cisme geçebilir; aynı cisme dokundurulmak yoluyla elektriklenmiş cisimler birbirini iter. Elektriklenme, elektriklenmiş bir cisimden elektriklenmemiş bir cisme metal tel aracılığıyla aktarılabilir. Bu gözlemlerden, ayrıca deneysel bulgulardan yola çıkılarak, elektrostatiğin temel yasaları şöyle sıralanabilir:
- Elektriklenmiş A ve B cisimleri arasında etkiyen kuvvet, bunların merkezlerini birleştiren doğru boyunca etkir. Bu kuvvetin büyüklüğü A ile B arasındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır.
- Etki ile tepki birbirini dengeler. A’nın B’ye uyguladığı kuvvet, B’nin A’ya uyguladığı kuvvete büyüklükçe eşittir, ama bu kuvvetlerin yönleri terstir.
- A ve B cisimleri, kendilerine eşit uzaklıkta bulunan bir C cismine sırasıyla Fac ve Fbc kuvvetlerini; aynı A ve B cisimleri kendilerine eşit uzaklıkta bulunan bir başka D cismine sırasıyla FAd ve Fbd kuvvetlerini uyguluyorsa, FAcIFbc=FadI Fbd eşitliği geçerlidir.
Bu üç gözlem, her cisme, o cismin elektriklenme miktarını belirleyen bir sayı atama olanağını sağlar. Bu sayıya, söz konusu cismin elektrik yükü(*) denir. Elektrik yükü q harfiyle gösterilir. Bir cismin elektrik yükü, hem başka cisimlere uyguladığı, hem de başka cisimlerin kendisine uyguladığı kuvveti belirler. Eğer itme kuvveti pozitif, çekme kuvveti de negatif olarak tanımlanırsa, yükleri sırasıyla q(A) ve q(B), aralarındaki uzaklık da r olan A ve B cisimlerinin birbirlerine etkidikleri kuvvetin büyüklüğü (F),
q (A) q(B)
F=k——————–
r2
eşitliğiyle belirlenir. Burada k, bir sabittir. Bu eşitlik Coulomb yasası olarak anılır; yüklü iki cisim arasında etkiyen bu kuvvete de Coulomb kuweti(*) denir. Eğer iki cismin yükü aynı işaretli ise, bu kuvvet bir itme kuvveti (F pozitif), farklı işaretli ise çekme kuvvetidir (F negatif). Metre-kilo- gram-saniye ve SI birimler sisteminde kuvvet birimi newton (N), yük birimi coulomb (C), uzaklık birimi de metredir (m). Bu birim sistemlerinde k, boyutu olan bir sayıdır ve değeri vakumda (boşlukta) 8,98xl09 Nm2/C2’ye eşittir.
- Bir yüke etkiyen bütün kuvvetler toplanır. Kuvvet vektörel bir nicelik olduğundan burada toplam, vektör toplamı olarak anlaşılmalıdır.
- Elektrik yükü korunumludur, bir başka deyişle, dışarıyla yük alışverişinde bulunmayan bir sistemde bütün yüklerin toplamı sabittir.
ELEKTROSTATİK ALAN. Bir elektrik yükünün çevresinde bu yükün başka yüklere kuvvet uyguladığı bir bölge oluşur. Bu bölgeye, bu yükün oluşturduğu elektrik alanı(*) denir. Bir noktadaki elektrik alanı, o noktadaki birim pozitif yüke etkiyen kuvvete eşittir. Kuvvet vektörel bir nicelik olduğundan, bu tanımdan, elektrik alanının da vektörel bir nicelik olduğu anlaşılır. Bir noktadaki elektrik alanı şiddeti E ise, bu noktadaki bir q yüküne etkiyen kuvvetin büyüklüğü F=Eq eşitliğiyle belirlenir. SI birimler sisteminde elektrik alan şiddeti birimi newton/coulomb (N/C) ya da bunun eşdeğeri olan volt/metre’dir (V/m).
Bir elektrik alanında depolanmış enerjinin bu alanın belirli bir noktasına ilişkin değeri, elektrik potansiyeli(*) kavramıyla belirlenir. Bir elektrik alanında her noktanın bir potansiyeli vardır, bu potansiyel, birim pozitif elektrik yükünü alanın dışından (çok
uzaktan) bu noktaya getirmek için yapılması gereken iş olarak tanımlanır. Potansiyeli sıfır olarak kabul edilen bu “çok uzak” nokta, pratik ölçümlerde Yer olarak alınır ve “toprak” olarak adlandırılır. Bu işin değeri, birim yükü bu noktaya getirmekte izlenen yoldan bağımsızdır. İş (enerji) ska- ler bir nicelik olduğundan, potansiyel de skalerdir. Bir q yükünü elektrik alanındaki bir A noktasına getirmek için W işini yapmak gerekiyorsa, A noktasının potansiyeli VA=W/q eşitliğiyle verilir. SI birimler sisteminde iş (enerji) birimi joule, yük birimi de coulomb olduğundan, elektrik potansiyeli birimi joule/coulomb olacaktır. Bu birime kısaca volt adı verilir. Uygulamada, bir elektrik alanındaki (ya da bir elektrik devresindeki) iki noktanın potansiyellerinin farkı önem kazanır. Bu değere, o noktalar arasındaki “potansiyel farkı” ya da “gerilim” denir.
1895’te eksi elektrik yüklü en küçük parçacık olan elektronun bulunması, elektriksel olguların yeni bir anlayışla ele alınmasına yol açtı. Bir elektronun yükü (e) temel elektrik yükü olarak kabul edilir; e, en küçük elektrik yükünü temsil ettiğinden, doğadaki bütün elektrik yükleri e’nin tam katları kadardır. Elektronlar, atomda, artı yüklü çekirdeğin çevresinde dolanır. Çekirdeği oluşturan parçacıklardan nötronlar elektriksel olarak yüksüz, protonlar ise artı yüklüdür ve bir protonun yükü bir elektronun yüküne (işaret farkıyla) eşittir. Çekirdek çevresinde dolanan elektronların sayısı, çekirdekteki protonların sayısına eşit olduğundan, atom, dışarıya karşı yüksüz (nötr) görünür. Bir ya da birkaç elektron kaybetmiş ya da kazanmış bir atom, dışarıya karşı e (ya da bunun birkaç katı) kadar artı ya da eksi yüklü görünür, böyle bir atoma iyon denir. Elektrik olayları, elektrik yüklü parçacıkların (genellikle elektronların ve iyonların) durumlarının, davranışlarının ve yer değiştirmelerinin sonucudur.
Elektronun elektrik yükü ilk kez 1912’de ABD’li fizikçi Robert A. Millikan tarafından ölçüldü. Bir elektronun yükü e, l,6021892xl0′19 coulomba eşittir, bir başka deyişle, bir coulombluk elektrik yükü, 6,24146xl018 tane elektronun yüküne eşittir.
Elektrik yüklü bir cismin yakınında (bir başka deyişle, bir elektrik alanında) bulunan bir cisimdeki yüklü parçacıklar, yüklü cismin (alanın) etkisiyle yer değiştirir. Örneğin, eksi yüklü bir A cismi, nötr (yüksüz) bir B cismine yaklaştırılırsa, A’da- İö yükün etkisiyle, B’nin A’ya yakın tarafındaki eksi yüklü parçacıklar uzak tarafa itilir, böylece B’nin A’ya yakın yanı artı, uzak yanı eksi yüklü duruma gelir. Bu olgu, elektrostatik indükleme(*) olarak adlandırılır. Yüklü cisimden uzaklaştırılan indük- lenmiş cisim, eski nötr durumuna döner; ama indüklenmiş durumdayken yük kazanmış taraflarından biri kısa bir süre için topraklanırsa (bir iletkenle Yer’e bağlanırsa), o taraftaki yükler toprağa kaçacağı için, cisim, öteki tarafındaki yükle yüklenmiş olarak kalır.
İçinde elektronların serbestçe hareket edebildiği cisimler iletken olarak tanımlanır. Yüklü bir iletken cisimde bütün elektrik yükü iletkenin yüzeyinde bulunur. Bunu, örneğin eksi yüklü, bir başka deyişle elektron fazlalığı olan bir iletkenin içindeki elektronların, birbirlerini itmesinden ve serbestçe hareket edebilmelerinden ötürü, cismin yüzeyinde toplanacakları biçiminde
açıklamak olanaklıdır. İletkenin içinde elektrik alan şiddeti sıfırdır; iletkenin her noktasının potansiyeli aynıdır.
ELEKTRİK SIĞASI, SIĞAÇLAR. Yalıtılmış ve başka cisimlerden uzakta bulunan yüklü bir iletken cismin potansiyeli, üzerindeki yükle orantılıdır. İletkenin yükü (q) ile potansiyeli (V) arasındaki orana, bir başka deyişle iletkende birim potansiyel oluşması için iletkene verilmesi gereken yüke, iletkenin sığası (kapasitans) denilir. Sığa C olarak gösterilirse, C=qlV yazılabilir.
SI birimler sisteminde yük birimi coulomb, potansiyel birimi de volt olduğundan, sığa birimi coulomb/volt’tur. Bu birim, kısaca farad olarak adlandırılmıştır; farad, çok büyük bir sığaya karşılık gelir (9 milyon km yarıçaptı bir iletken kürenin sığası yaklaşık olarak 1 farada eşittir); bu nedenle pratikte faradm l/l(Fsına eşit olan mikrofarad ve l/1012’sine eşit olan pikofarad (pF) kullanılır.
Birbirinin yakınına konmuş ve birbirine değmeyen iki iletken cismin birinden bir q yükü ötekine geçirilirse, cisimlerden biri q, öteki — q yüküyle yüklenir, ve bu iki cisim arasında bir V potansiyel farkı oluşur. İki iletkenden oluşan böyle bir sisteme sığaç (kapasitör ya da kondansatör) denir. Bir sığacın sığası, benzer biçimde, bu iletkenlerden birindeki yükün, iletkenler arasındaki potansiyel farkına oranına eşittir: C=q/V (bak. elektrik sığası).
Uygulamada, aralarında uygun bir dielek- trik (yalıtkan) bulunan karşılıklı iki levhadan oluşmuş sığaçlar kullanılır. Dielektrik olarak genellikle hava, mika, seramik ya da kâğıttan yararlanılır. Böyle bir sığacın levhalarında elektrik yükü yok iken, bu levhalar arasında bir V potansiyel farkı uygulanırsa, C sığacın sığasını göstermek üzere, levhalarda q—CV elektrik yükü birikir, bu durumda sığaç “doldurulmuş” olur. Dolu bir sığaçta elektrik enerjisi depolanmış durumdadır. Bu enerjinin değeri W=qVI2= CW2’ye eşittir. Sığacın levhaları bir iletkenle birbirine bağlanırsa, bu iletkenden q yükü geçer, levhalar yüklerini yitirir ve aralarındaki potansiyel farkı sıfıra iner; sığaçta depolanmış enerji de levhaları birbirine bağlayan iletkende ısıya dönüşerek harcanmış olur.
Bir sığacın sığası, karşılıklı duran levhaların alanıyla doğru orantılı, levhalar arasındaki uzaklıkla ters orantılıdır. Levhalar arasındaki dielektriğin cinsi de sığa değerini etkiler; levhaları arasında dielektrik bulunan bir sığacın sığası, aynı sığacın vakumdaki sığasından büyüktür. Belirli bir dielektrik türü için, sığanın vakuma oranla kaç katına çıkacağını belirleyen katsayıya, o dielektriğin “dielektrik katsayısı” denir. Havanın
dielektrik katsayısı 1,00059, kâğıdın 2-2,5, mikanın yaklaşık 6, camın yaklaşık 7’dir.
Bir Cı sığacıyla bir C2 sığacınm levhaları birbirine bağlanırsa (çizim 1, solda), bunlar birbirine paralel bağlanmış olur. Bu durumda sığaçların uçlarındaki (levhaları arasındaki) potansiyel farkı birbirine eşittir (V). Cı’de CıV kadar, C2’de de CıV kadar yük birikeceğinden, toplam yük (C1+C2)I/ olur; buradan, paralel bağlamayla elde edilen eşdeğer sığanın C=Cı+C2 olacağı anlaşılır. Çizim l’in sağında iki sığacın seri bağlanışı görülmektedir. Burada, iki sığaçtaki yükler birbirine eşittir (q). Toplam potansiyel farkı, iki sığaçtaki potansiyel farklarının toplamına eşittir, yani:
|Cı C2|
Buradan, eşdeğer sığa (C) için:
q q 1 CıC2
V q q 11 Cı+C2
7â+~c2 cf + cT
elde edilir.
Elektrik alanlarının yol açtığı başka olaylar ve maddenin yapısına etkileri konusunda elektriksel kutuplanma(*), elektrik di- polü(*), elektriksel yer değiştirme(*), ferro- elektrik etki(*), piezoelektrik etki(*) ve piroelektrik etki(*) anılabilir.
DOĞRU AKIMLAR
ELEKTRİK ÜRETEÇLERİ. Elektrik yüklerinin (elektronların) iletkenlerden akışı elektrik akımını oluşturur. Elektrostatikte tanımlanan elektrik potansiyeli kavramına karşılık, elektrik akımları söz konusu olduğunda potansiyel farkı (gerilim) kavramı önem kazanır. Uçları arasında bir potansiyel farkı (elektromotor kuvvet, emk) oluşturarak bu uçlar arasına bağlanan bir iletkende ya da iletkenlerden oluşan bir devrede, elektronların akışını sağlayan üreteçler, başka bir enerji türünü (örn. kimyasal ya da mekanik enerjiyi), elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlardır.
Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren üreteçler piller(*) ve akümülatörler- dir(*)- Bu üreteçler bir elektrolit içine konmuş iki metal elekrottan oluşur. Elektrotların birinde yükseltgenme, ötekinde indirgenme biçiminde ortaya çıkan kimyasal tepkimeler, elektrotlar arasında bir potansiyel farkının (gerilim) oluşmasına yol açar. Üretecin bir elektrotundan elektronlar salı-
nır; bunlar dış devreden geçerek üretecin öteki elektrotuna ulaşır. Bu süreç, üreteçte tepkimeye giren maddelerden biri tükenin- ceye kadar sürer. Pil bir kez boşaldıktan sonra bir daha kullanılamaz; akümülatör ise, boşaldıktan sonra içinden boşalma yönünün tersine akım geçirildiğinde yeniden eski durumuna gelir. Yaygın olarak kullanılan piller genellikle yaklaşık 1,5 volt, akümülatörler ise yaklaşık 2 voltluk bir gerilim üretir. Daha yüksek gerilimler gerektiğinde üreteçler seri bağlanır (bir üretecin artı kutbu bir sonrakinin eksi kutbuna bağlanarak bir dizi oluşturulur). Bir üretecin emk’sı V ise, seri bağlanmış n tane birbirinin eşi üretecin emk’sı nV olur.
Mekanik enerjiyi doğru akım elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlara genellikle dinamo(*) denir. Günümüzde bunlar özellikle elektrikli kaplama işlerinde ve elektrik arkı kaynağında kullanılır. Güneş pili gibi üreteçlerde, elektrik enerjisi, ışık enerjisinden fotovoltaik etki(*) aracılığıyla elde edilir. Fotoelektrik etki(*) aracılığıyla ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren fotoseller(*) ile termoelektrik etki(*) aracılığıyla ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren ısılçiftler(*) de başka enerji biçimlerinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinin örnekleri olarak anılabilir.
Bir devrede akan akımın yönü, elektronların akış yönünün tersi olarak kabul edilir. Gerçekte var olan akış, elektronların üretecin eksi kutbundan çıkarak devreyi dolaşıp üretecin artı kutbuna dönecek biçimdeki akışıdır. Ama akımın, üretecin artı kutbundan çıkıp eksi kutbuna geri döndüğü kabul edilir. Bir iletkenden birim zamanda geçen elektrik yüküne akım şiddeti denir ve I harfiyle gösterilir. SI birimler sisteminde yük birimi coulomb, zaman birimi de saniye olduğundan, akım şiddeti birimi de cou- lomb/saniye olacaktır. Bu birim kısaca amper olarak adlandırılmıştır ve A harfiyle gösterilir.
DOĞRU AKIM DEVRELERİ. Direnç ve Ohm Yasası. Uçlarına V gerilimi uygulanmış bir iletkenden geçen akım şiddeti (/), uygulanan gerilimle doğru orantılıdır. Bir iletken-
R /?2
————– VMM———————— VMM—————–
s,
-VWWV
h
———– VWWV
<—– v ____ »
Çizim 2: Dirençlerin seri ve paralel bağlanması: (üstte) seri bağlı /?ı ve f?2 dirençleri;
(altta) paralel bağlı R- ve Rz dirençleri
den birim akım şiddeti geçirmek için iletkenin uçlarına uygulanması gereken gerilime, o iletkenin direnci (R) denir. Bir iletkenin uçlarındaki gerilim, iletkenin içinden geçen akım ve iletkenin direnci, Ohm yasası gereğince V=RI bağıntısıyla belirlenir. Direnç birimi, uçlarında 1 voltluk gerilim varken içinden 1 amper şiddetinde akım
geçen iletkenin direnci olarak tanımlanır ve ohm olarak adlandırılır (simgesi D). Tel ya da çubuk biçiminde bir iletkenin direnci, o iletkenin boyuna, kesitine ve iletkenin yapıldığı malzemeye bağlıdır. Bir malzemenin elektriğe karşı direniminin malzemeye özgü bir ölçüşü olarak özdirenç değerinden söz edilir. Özdirenç(*), birim kesitli ve birim uzunluktaki bir iletkenin direnci olarak tanımlanır. Bu tanıma göre, özdirenci P , kesiti A, uzunluğu da l olan bir iletkenin direnci,
l
R=p ———-
A
olarak verilir. SI birimler sisteminde özdirenç birimi ohm-metredir. Çeşitli malzemeler çok farklı özdirenç değerlerine sahiptir. İyi bir iletken olan bakırın özdirenci 1,8Xİ0′8 ohm-metre, çeliğin özdirenci 20×10’* ohm-metre, elektrikli ısıtıcılarda kullanılan nikrom alaşımının özdirenci 110xl0‘8 ohm-metredir. Buna karşılık, elektriği çok kötü ileten kimi yalıtkanlar için özdirenç değeri 1012 ile 1020 ohm-metre arasında olabilir. Belli bir direnç değeri göstermek üzere özel olarak yapılan ve elektrik devrelerinde kullanılan devre elemanları da direnç (rezistör) olarak adlandırılır. Dirençlerin (sığaç, indüktans gibi öteki devre elemanlannın da), içlerinden aynı akım geçecek biçimde bağlanmalanna seri bağlantı adı verilir (bak. çizim 2a). Dirençleri Rı ve R2 olan iki direncin seri bağlanmasında oluşacak eşdeğer direnç R=R1+R2’ye eşittir. Seri bağlı dirençler için direnç değerlerinin toplanacağrna ilişkin bu kural Ohm yasasından kolaylıkla elde edilebilir ve ikiden daha çok sayıda direnç için de geçerlidir. Devre elemanları birbirine, uçlarındaki gerilim aynı olacak biçimde bağlanırsa, bu bağlantıya paralel bağlantı denir (bak. çizim 2b). Dirençleri Rı ve Rı olan iki direnç paralel bağlandığında, eşdeğer direnç, R,
1 1 1
——– =——– +——–
R R Rı
biçiminde hesaplanır; bu kural da Ohm yasasından kolaylıkla elde edilebilir ve ikiden çok direnç için de geçerlidir.
Bir elektrik üreteci akım sağladığı devreye elektrik enerjisi verir. Bu enerji, üretecin devreye sağladığı elektrik yükü ile bu yükü “zorladığı” gerilimin (potansiyel farkı) çarpımına eşittir: W=Vq. Akan elektrik yükü, akım şiddetiyle zamanın çarpımına eşit olduğundan, bu enerji W= Vlt olarak yazılabilir. Buradan, üretecin devreye verdiği gücün, bir başka deyişle birim zamanda sağladığı enerjinin, P=V1 olduğu anlaşılır. SI birimler sisteminde, enerji birimi joule (volt-coulomb) ve güç birimi de joule/ saniye, ya da volt-amperdir. Bu güç birimi
kısaca watt olarak adlandırılmıştır. Elektrik üretecinin sağladığı enerji, devredeki dirençler tarafından harcanır, bir başka deyişle, ısıya dönüşerek sistemden çıkar. Uçlarında V gerilimi bulunan ve içinden I akımı geçen bir dirençte P=VI gücü harcanır Ohm yasası yardımıyla, bu güç, P=V2/R=RI2 olarak ifade edilebilir.
Kirchhoff Yasaları. Bir doğru akım devresinde, devreye enerji sağlayabilen bir ya da daha çok sayıda üreteç ile bu enerjiyi kullanan aygıtlar (lambalar, elektroliz kaplan, motorlar vb) bulunur. Bunlar birbirine iletken teller aracılığıyla bağlanmış durumdadır. İçinden akım geçen bir aygıtta, akımın girdiği uç daha yüksek potansiyelde olmak üzere bir potansiyel düşüşü oluşur. İçinden geçen akımın şiddeti I iken uçlarında bir V potansiyel farkı oluşan bir aygıt, devredeki akım ve gerilimleri hesaplama açısından R=VII değerinde bir direnç olarak göz önüne alınabilir. Elektrik devrelerinde, Kirchhoff yasaları olarak bilinen iki devre yasası geçerlidir. Bu yasalar yardımıyla devrenin çeşitli dallarından geçen akımların hesaplanması olanaklıdır.
Kirchhoff un birinci yasası, iki ya da daha fazla iletkenin bağlı olduğu bir noktaya (düğüm) gelen akımların toplamının bu düğümden çıkan akımların toplamına eşit olduğunu ifade eder. Kirchhoff’un ikinci yasası ise, bir kapalı çevrede elektromotor kuvvetlerinin cebirsel toplamının, gerilim düşümlerinin cebirsel toplamına eşit olduğunu ifade eder. Birinci yasa elektrik yükünün korunumu, ikinci yasa ise enerjinin korunumu ilkesinin bir sonucudur. Bir devredeki üreteçlerin emk’ları ve dirençlerin değerleri biliniyorsa, Kirchhoff yasalarına dayanarak, yeterli sayıdaki düğüm ve çevre için düğüm ve devre denklemleri yazılır ve bu denklem sistemi çözülürse bütün dal akımları bulunmuş olur.
Çizim 3’te görülen devrede üreteçlerin E, Eı ve £3 emk’ları ile R. R2, £3 dirençlerinin değerleri bilindiğine göre h, I2, I3 dal akımlarının değerleri aranmaktadır (bu akımların yönleri, çizimde gelişigüzel seçilmiştir). Birinci yasanın A düğümüne uygulanması ile,
h+h=h
elde edilir. İkinci yasanın I. ve II. kapalı çevrelere uygulanmasıyla da,
E — E2=R]I + R3I3 £3=£2/2+£3/3
denklemleri elde edilir. Çevreler için çizimde gösterilen dönme yönleri de gelişigüzel seçilmiştir. Ne var ki, eşitliğin sol yanına yazılan emk’lar seçilen dönme yönünde ise artı, tersi yönde ise eksi işarette; sağ yana yazılan gerilim düşüşleri seçilen dönme
yönünde ise artı, ters yönde ise eksi işaretle yazılacaktır. Elektromotor kuvvetlerin ve dirençlerin değerleri yerlerine konursa,
h+h~h 16=2 h+513 3=7I2+5h
denklem sistemi elde edilir. Bu sistemin çözümüyle de,
Iı=3A, I2–IA ve h=2A
bulunur. Burada, /2’nin çizimde gösterilen yönün tersi yönde akacağı anlaşılmaktadır. Ayrıca, E2 ve £3 üreteçlerinden (£1 üretecinin etkisiyle) normal olarak akıtmaları gereken yönün tersi yönde akım geçtiği görülmektedir.
ELEKTRİK AKİMININ MAGNETİK ETKİLERİ. Bir iletkende akan elektrik akımı, iletkenin çevresinde bir magnetik alan oluşturur. Bu olguyu ilk gözlemleyen DanimarkalI fizikçi Hans Christian 0rsted olmuştur (1820). İletkenin çevresinde oluşan magnetik alanın kuvvet çizgileri iletkeni çembersel biçimde sarmalar. Başparmak akım yönünü göstermek üzere iletken sağ avuç içine alındığında öteki parmakların yönü magnetik alanın yönünü gösterir. Bir iletken elemanındaki (kısa iletken dilimi) akımla bu akımın oluşturduğu magnetik alan arasındaki nicel ilişki Biot-Savart yasasıyla belirlenmiştir. Akım, halka biçiminde bir iletkenden geçtiğinde, oluşan magnetik alan, halkanın merkezinde, halka düzlemine dik doğrultudadır; alanın yönü, halka, akım yönü parmaklar yönünde olmak üzere sağ avuç içine alındığında başparmağın gösterdiği yöndür. Bu alanın şiddeti halkadan geçen akım şiddetiyle doğru orantılı, halkanın yarıçapıyla ters orantılıdır. Halka birden çok sarımı olan bir bobinse, alan şiddeti ayrıca sarım sayısıyla orantılıdır, içinden akım geçirilen böyle bir halka, bir magnetik alan içine konursa, kendi oluşturduğu magnetik alanı dış magnetik alanla aynı yöne getirmeye çalışan bir kuvvetin etkisinde kalır. Döner bobinli ölçü aygıtları ve elektrik motorlarımn(*) çalışması bu olguya dayanır. Elektrik akımlarının oluşturduğu magnetik alanlardan elektromıknatıslarda^), hoparlörlerde ve kulaklıklarda, rölelerde ve daha birçok aygıtta yararlanılır.
Kapalı bir elektrik devresinden geçmekte olan magnetik akıda değişme olursa, devrede bir elektrik akımı indüklenir. Örneğin halka biçiminde bir iletken, bir mıknatısın magnetik alanı içinde döndürülürse ya da halkanın içine bir mıknatıs çubuğu sokup çıkarılırsa, halkada bir akım oluşur. İngiliz fizikçi Michael Faraday’m 1831’de bulduğu ve elektromagnetik indükleme denilen bu olgunun nicel ifadesi Faraday indükleme yasasıyla(*) belirlenir. Bir elektrik devresinde akıtılan akımın değiştirilmesiyle, bu devrenin oluşturacağı şiddeti değişen magnetik alanın içinde bulunan başka bir elektrik devresinde de akım indüklenir. Elektromagnetik indükleme, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren üreteçlerin (dinamo ve alternator), alternatif akım devrelerinde gerilimi yükseltmek ya da düşürmek amacıyla kullanılan transformatörlerine’), dinamik ve şeritli mikrofonların, magnetik gramofon pikaplarının ve hareketi ya da yer değiştirmeyi elektrik sinyallerine dönüştüren başka magnetik aygıtların çalışma ilkesini oluşturur.
ÖLÇÜM AYGITLARI. Bir iletkenden akım akıp akmadığı uygun bir akkor lamba ya da neon lambasıyla anlaşılabilir. Ama akım ya da gerilimin yön ve değerinin bilinmesi gereken durumlarda ampermetre ve voltmetreler kullanılır. Ampermetrede, içinden ölçülecek akım geçirilen bir bobin vardır. Güçlü bir mıknatısın kutupları arasına dönebilecek biçimde yerleştirilmiş olan bu bobin, içinden geçen akımın etkisiyle magnetik alanda döner; bu dönme bir yayın burulma kuvvetine karşı gerçekleşir ve bobine bağlı bir iğne, geçen akımın şiddetini gösterir. Ampermetreye uygun bir seri direnç bağlanarak voltmetre elde edilir. Ölçüm aygıtlarının, ölçülecek akım ve geri- limleri etkilememesi istenir. Bu nedenle, ampermetrelerin iç dirençleri olabildiğince küçük, voltmetrelerinki ise olabildiğince büyük olmalıdır. Bu amaçla, transistorlu yükselteçlerden yararlanan elektronik voltmetreler kullanılır. Bu tür aygıtlar ayrıca, çok küçük gerilim ve akımların ölçülmesine de olanak sağlar. Ölçülen değeri sayısal olarak gösteren sayısal elektronik ölçüm aygıtları da giderek yaygınlaşmaktadır. Direnç ölçülmesinde ise, ohmmetre olarak adlandırılan aygıtlardan yararlanılır. Ohm- metre, temel olarak, uygun bir üreteç ve dirençle seri bağlanmış bir ampermetreden oluşur. Direnç değerlerinin büyük bir duyarlıkla ölçülmesi amacıyla köprüler)*), özellikle Wheatstone köprüsü kullanılır.
ALTERNATİF AKIMLAR Elektriğin en yaygın kullanılan türü alternatif akımdır. Doğru akım, iletkende yalnızca bir yönde akar, buna karşılık alternatif akım sürekli olarak yön değiştiren bir akımdır; örneğin, evlerde kullandığımız elektrik akımı, saniyede 100 kez yön değiştirir, bir başka deyişle saniyede 50 periyottuk bir alternatif akımdır. Bir alternatif akımın (genel olarak bütün periyodik hareketlerin) saniyedeki periyot sayısına akımın frekansı (f) denir. Periyot zaman boyutunda olduğundan, frekans 1/zaman boyutundadır ve birimi “saniyedeki periyot sayısı” anlamında, hertz’dir (Hz). Birçok uygulama alanında, frekansı çok daha yüksek alternatif akımlar kullanılmaktadır, örneğin bir televizyon alıcısının anteninde indüklenen ve resim bilgisini taşıyan gerilimin frekansı 108 Hz (100 MHz) dolayındadır, yani, periyodu 10‘8 saniyedir. Alternatif akımlar hemen her zaman sinüsoidal akımlardır, bir başka deyişle, akımın (gerilimin, oluşturulan magnetik alanın vb) zamana göre değişimi bir sinüs eğrisi biçimindedir. Bir bobin, sabit bir magnetik alan içinde, dönme ekseni alan yönüne dik olmak üzere döndürülecek olursa, bobinde sinüsoidal bir alternatif akım indüklenir.
Bobinin açısal frekansı (saniyede radyan olarak döndüğü açı değeri) w ise, bobinde indüklenen akım, zamanın fonksiyonu olarak, biçiminde değişir. Bobinin saniyede / tam dönüş yapması, bir tam dönüş (360°) 2it radyana eşit olduğundan, saniyede w =2nf radyanlık açı kadar-dönmesi anlamına gelir. Eşitlikteki /o, akımın maksimum değeridir; bu değere akımın tepe değeri denir. Sinüs fonksiyonunun değeri +1 ile —1 arasında değiştiğinden, akım şiddeti de 7o ile -/o arasında değişir. Bu değişimin frekansı, « =2ırf bağıntısından ötürü, f ye eşittir. Böyle bir alternatif akımın ortalama değeri sıfırdır, bir başka deyişle, akımı taşıyan iletkenin belli bir noktasından bir yöne doğru geçen elektronların net sayısı sıfırdır; çünkü iletkende elektronlar sürekli yön değiştirerek hareket eder.
ALTERNATİF AKİMDA DEVRE ELEMANLARI. Doğru akımda kullanılan temel devre elemanı dirençtir. Dirençler, elektrik akımının akışına zorluk gösteren ve elektrik enerjisinin ısı enerjisi biçiminde harcanmasına yol açan elemanlardır. Yalnızca dirençlerden kurulu bir devrenin doğru akım ve alternatif akımdaki davranışı tümüyle birbirine benzer. V=Fosin co t alternatif gerilimi bir R direncine uygulandığında, dirençten 1= (Vo/£)sin w t akımı geçer. Alternatif akım devrelerinde yaygın olarak kullanılan öteki iki devre elemanı da sığaç ve indüktanstır.
Bunların ikisi de enerjiyi bir süre için depolayan ve sonra geri veren elemanlardır. Bir sığaca doğru gerilim uygulandığında, ilk anda sığacın dolması sırasında bir akım geçer, bundan sonra sığaçtaki gerilim, uygulanan gerilime eşit olur ve artık devreden akım akmaz. Sığaca bir alternatif gerilim uygulandığında, gerilimin sıfırdan başlayıp yükselmesi sırasında sığaç dolmaya başlar, gerilim en büyük değerini aldığında sığaç dolar, akım sıfıra düşer; gerilim düşmeye başlayınca bu kez sığaç boşalmaya başlar, devreden ters yönde bir akım geçer, bu akım en büyük değerine gerilim sıfıra düştüğünde ulaşır, gerilim yön değiştirip büyümeye başladığında bu kez sığaç ilk doluşunun tersi yönde dolmaya başlar. Böylece, sığaç- tan bir alternatif akım geçer. Bu akım, uygulanan gerilime göre 90° (17/2 radyan) faz farklıdır. Sığacın sığası (C) büyüdükçe akımın geçmesine karşı gösterdiği zorluk (reak- tans) azalır. Sığacın reaktansı, uygulanan gerilimin frekansı büyüdükçe de azalır. Xq olarak gösterilen reaktansm değeri Xç=l/ C a ’ye eşittir. Reaktans birimi, direnç birimi gibi, ohmdur. Uçlarına V=V0 sin w t gerilimi uygulanan bir sığaçtan, I=(Vo/Xc) sin (u 1+77/2)= Vo C a sin (ut+n/2) akımı geçer.
Bir bobine doğru akım uygulandığında bobinden geçen akıma yalnızca bobinin yapıldığı telin direnci karşı koyar. Oysa bu bobin, alternatif akıma ek bir zorluk gösterir. Bunun nedeni, bobinden geçen akımın bobin içinde bir magnetik akı oluşturmasıdır. Bobinden geçen akım doğru akım ise, oluşan magnetik akı durağandır ve indükleme ortaya çıkmaz; ama bobinden alternatif akım geçirildiğinde, değeri değişen bu akım değişen bir magnetik akı yaratır, bu da bobinde bir gerilim indükler.
Lenz yasasına göre bu gerilimin yönü, bobine uygulanan gerilime zıt yöndedir, bu nedenle geçen akıma karşı bir zorluk (reaktans) oluşur. Bobinde indüklenen gerilim, geçen akımın değişme hızıyla orantılıdır. Bu ikisi arasındaki orantı katsayısı, bir başka deyişle, geçen akımın birim değişme hızı başına indüklenen gerilim, bobinin özindüktansı ya da kısaca indüktans olarak adlandırılır ve L harfiyle gösterilir. SI birimler sisteminde indüktansın birimi volt/saniyede amper’dir, bu birim kısaca henry olarak adlandırılır. Bir bobinin indüktansı bobinin geometrisine, sarım sayısına ve içindeki malzemenin magnetik geçirgenliğine bağlıdır. Bobin içinde magnetik geçirgenliği yüksek bir malzeme, örneğin demir-bulunması durumunda, indüktans, hava bulunmasına oranla binlerce kat daha büyük değerler alır. İndüktans, geçen akımın değişmesine karşı gelen bir tür elektromagnetik eylemsizlik olarak düşünülebilir. Bir bobinin alternatif akıma karşı oluşturduğu reaktans (X£), indüktansıyla ve geçen akımın frekansıyla doğru orantılıdır: Xl=L u . Uçlarına
Vosin 011 gerilimi uygulanan bir indüktans- tan geçen akım, gerilime göre 90°Tik bir faz farkıyla geri kalır, bir başka deyişle gerilimin değişimini periyodun 1/4’ü kadar bir zaman farkıyla geriden izler. Bu akım, I=(Vo/Xl) sin (‘w t—ırl2)=(VolLo>) sin ( a t— îr/2) olarak ifade edilir.
Seri bağlı L ve Lı indüktanslarının eşdeğeri L=L+Lı olarak; bunlar paralel bağlı ise dirençlere benzer biçimde, 1/L= (1/Lı) + (I/L2) olarak bulunur.
REZONANS. Sığaç, içinden geçen akıma göre gerilimi geride bıraktığından, indük- tans ise gerilimin akımdan ilerde olmasına yol açtığından, seri bağlı bir sığaçla bir indüktansm eşdeğer reaktansı, iki reaktan- sın farkına eşittir: X=Xl~Xc. Belirli bir frekansta bu iki reaktans birbirine eşitlenir ve birbirinin etkisini tümüyle ortadan kaldırır. Bu olaya rezonans)*) denir. Seri bağlı bir C sığacı ile bir L indüktansından oluşan seri rezonans devresinde, Xı=Xc ise, devrenin reaktansı sıfır olur ve alternatif akıma gösterilen zorluk yalnızca bobinin çok küçük direncine indirgenir. Rezonansın oluşması için uygulanan gerilimin frekansı Xl—Xc koşulunu sağlamalıdır, bir başka deyişle, La =1 ICa olmalıdır. Buradan, rezonans frekansı (/o) için, /o=l/2ır VLC değeri bulunur. Sığaçla indüktansm paralel bağlı olması durumunda, rezonans frekansında devrenin reaktansı sonsuz (uygulamada, bobinin direncinden ötürü, sonsuz değil, çok büyük) olur. Böyle bir devre, çeşitli frekanslardaki gerilimlerin birlikte bulunduğu bir durumda, bunlardan yalnızca bir tanesinin seçilip alınmasına olanak sağlar. Örneğin radyo alıcılarında, antenden gelen ve her biri farklı bir verici istasyona ait olan birçok gerilimden yalnızca bir tanesinin seçilmesi, bir paralel rezonans devresindeki sığacın değerini (radyonun istasyon ayar düğmesi aracılığıyla) değiştirerek sağlanır.
Sığaçlar ve indüktanslar ile dirençlerin birlikte bulunduğu bir devrenin akıma gösterdiği toplam zorluk, elektriksel empe- dans(*) olarak adlandırılır. Dirençlerin uçlarında oluşan gerilimler, içlerinden akan akımla aynı fazda olduğundan, bunların direnç değerleri ile sığaç ve indüktansların reaktansları cebirsel olarak toplanamaz. Böyle devrelerde empedanslarm ve akımların hesaplanması, karmaşık sayılar kullanılarak ya da fazör diyagramı olarak bilinen vektörel gösterilimlere başvurularak sağlanır.
Güç, ETKİN DEĞER. Alternatif akım devrelerinde güç yalnızca dirençlerde harcanır. Sığaçlar ve indüktanslar enerjiyi periyodun bir bölümünde depolayıp geri kalan sürede geri verdiklerinden enerji kaybına yol açmazlar. Bir R direncine, tepe değeri Vo olan Vo sin a t gerilimi uygulandığında,dirençten (IVR)sin a t akımı geçer. Bu akımın değeri her an değiştiğinden, dirençteki ortalama gücü bulabilmek amacıyla, i akımın ani değerini göstermek üzere, Ri2 güçlerinin toplamının bir periyottaki ortalamasını almak gerekir. Tepe değeri /o olan bir sinüsoi- dal akım için bu değer P= 1/2 RPo olarak I2o hesaplanabilir. Bu, aynı dirençten /o/V~2 değerinde bir doğru akım geçmesi durumundaki güce eşittir. Bu değere alternatif akımın etkin değeri adı verilir. Alternatif akımın etkin değeri güç ve enerji hesaplarında önem taşıdığı için, akım ve gerilimleri tepe değerleriyle değil, etkin değerleriyle anmak gelenekselleşmiştir. Etkin değer, “eff” indisiyle (İngilizcede “rms” indisiyle) gösterilir. Örneğin şehir şebekesinin 220 volt olarak anılan gerilim değeri, bu şebekedeki gerilimin etkin değeridir. Demek ki şehir şebekesi geriliminin tepe değeri Vo=220.V_2=311 volttur; bu gerilimin frekansı/=50 Hz’dir ( üj=314 rad/s), öyleyse zamanın fonksiyonu olarak’ 31 İsın 314/ (volt) biçiminde ifade edilebilir.
Bir direncin (ya da enerji harcayan herhangi bir aygıtın) içinden Iefr akımı geçiyor, uçlarında da Veff gerilimi bulunuyorsa, bu dirençte birim zamanda harcanan enerji (güç), P=Veff.leff ye eşittir. Bu eşitlik yalnızca, akımla gerilim aynı fazda ise doğrudur. Eğer akımla gerilim arasında (devrede bulunabilecek indüktans ya da sığaçlarm yol açtığı) <P kadar bir faz açısı varsa, o zaman, dirençteki güç P= Vejf.Ieff eos <p olur. Bu güç etkin güç (aktif güç) olarak adlandırılır; cos ip değerine de güç çarpanı adı verilir. Bu durumda, gerçek bir güce karşılık gelmeyen Veff. leff çarpımına görünen (zahiri) güç denir; görünen güç için volt-amper (VA) birimi kullanılır. Elektrik sayaçları (voltsa- atmetre) etkin güce ilişkin enerji tüketimini ölçer. Bir elektrik tüketicisinin, şebekeden çektiği akımla şebeke gerilimi arasında büyük faz farkları oluşturmasına genellikle izin verilmez; çünkü bu durumda belirli bir etkin güç için iletilmesi gereken akım şiddeti daha büyük olacağından iletim hatlarındaki enerji kayıplan da büyük olur. Akımla gerilim arasındaki faz farkı özellikle elektrik motor- lannın indüktanslanndan kaynaklanır. Güç çarpanının, örneğin 0,8’den aşağı düşmesinin yasaklandığı ya da ek ücrete bağlandığı durumlarda, tüketiciler, güç çarpanını yükseltmek amacıyla devrelerinde özel sığaçlar kullanırlar.
TRANSFORMATÖR. Elektromagnetik indükleme ilkesi uyannea çalışan transformatörler, alternatif akımdaki gerilimin yükseltilmesi ya da indirilmesi amacıyla kullanılır. Transformatörde, uçlarına alternatif gerilim uygulanmış bir bobinin (birincil sargı, primer) oluşturduğu değişken magnetik akı, bir başka bobinde (ikincil sargı, sekonder) akım indüklenmesine yol açar. Birincil sargıya uygulanan gerilim V, bu sargının sarım sayısı n; ikincil sargının sarım sayısı da «2 ise, ikincil sargıda indüklenen gerilim: V2— Vımjriı olur. Böylece, birincil ve ikincil sargılardaki sarım sayılarını uygun seçerek, transformatörü, gerilimi yükseltici ya da indirici amaçla kullanmak olanaklıdır. Elektrik enerjisinin üretim ve iletiminde alternatif akımın büyük yaygınlık kazanmasının temel nedeni, transformatör kullanımının sağladığı olanaklardır. Enerjinin üretim merkezlerinden tüketim bölgelerine iletimini sağlayan havai hatlar ya da kablolar, dirençleri nedeniyle, enerjinin bir bölümünün harcanarak ısıya dönüşmesine yol açar. Bu da, iletimde olabildiğince düşük akımların kullanılmasını gerekli kılar. Belirli bir gücün düşük akımla iletimi ise, gerilimin yüksek olmasını gerektirir. Bu nedenle, enerji santrallannda üretilen elektrik, yükseltici transformatörler aracılığıyla çok yüksek gerilimlere (örn. 100-500 kV’a) yükseltilir, iletimden sonra da yeniden (örn. 220 volta) düşürülür.
Transformatörler gerilim değiştirmekten başka amaçlarla da kullanılır. Sarım oram nı/«2 olan bir transformatörün ikincil sargısına bağlanan bir Z empedansı, birincil sargı uçlarına Z(n/n.2)2 biçiminde yansır. Böylece maksimum güç aktarımının önemli olduğu ve gücün, aktarılacağı empedansm değerine bağımlı bulunduğu durumlarda, empedans uyarlayıcı olarak transformatörler kullanılır. Ses frekansı yükselteçlerinin çıkış katlarını hoparlörün empedansına uyarlamakta kullanılan çıkış transformatörleri bu uygulamanın tipik bir örneğini oluşturur.
Radyo ve televizyon aygıtları, başka elektronik aygıtlar, elektroliz kapları (örn. akümülatörlerin doldurulması, elektrikli kaplama kapları) doğru akıma gereksinim gösterir. Bu gibi durumlarda, şebeke geriliminin, bir transformatör aracılığıyla uygun gerilime düşürüldükten sonra, doğru akıma çevrilmesi gerekir. Bu amaçla doğrultucular)*) kullanılır. Doğrultucular (redresör), temel olarak, akımı yalnızca bir yönde geçiren ve diyotp) olarak adlandırılan devre elemanlarından oluşur. Diyotlar vakum lambalı, gaz lambalı ya da yarıiletken olabilir. Alternatif akım, diyottan yalnızca bir yönde geçebilir; böylece dalgalı doğru akıma, bir başka deyişle yönü değişmeyen, ama değeri değişen bir akıma dönüşür. Bu akım da, eğer gerekiyorsa, bir bobin (ya da bir direnç) ile bir sığaçtan oluşan bir filtreden geçirilerek doğru akım elde edilir. Alternatif gerilim ve akımların ölçülmesinde de, önce bunların doğrultulması, sonra doğru akım ölçme aygıtları ile ölçülmesi yolundan yararlanılır.