Yıldırımlarla gökyüzünü, lambalarla odalarımızı aydınlatan elektriğin kaynağı, maddenin atom olarak adlandırılan temel yapı taşındadır. Atomun, alt parçacıklarından protonlar ve nötronlar atomun çekirdeğinde, sürekli ve çok hızlı hareket eden elektronlar ise çekirdeğin çevresinde yer alırlar. Atomun elektriksel açıdan nötr parçası olan nötronların dışında, protonlar pozitif, elektronlar negatif yüklüdür ve zıt yükler birbirlerini çektiklerinden elektronlar çekirdeğin çevresinde dönerler, ancak bir atomdan diğerine de geçebilirler. Protonların ve elektronların bu etkileşimi elektriği üretir ve “elektronların akışı” olarak da adlandırılabilir.
Statik Elektrik
Statik yük, bir elektronun negatif yüklü bir nesneden pozitif yüklü bir nesneye aktarılmasıdır. Akım değil de yük olarak adlandırılmasının nedeni, bir elektron akışının olmamasıdır. İletken olmayan malzemeler (plastik, kauçuk, cam) birbirine sürtündüğünde, genellikle bir elektron transferi söz konusudur. Bu transfer, iki malzeme arasındaki yük dengesizliği ile sonuçlanır.
Bir balon, küçük kağıt parçaları ve yünlü bir kumaşla yapılacak bir deneyde bu durum açıkça görülebilir. Balon kağıtların üzerinde gezdirildiğinde herhangi bir hareket gözlenmez. Aynı balon bir süre yünlü kumaşa sürtülüp yeniden kağıtlara yaklaştırıldığında, kağıt parçaları balona çekilerek üzerine yapışır. Deneyin başlangıcında, balon ve kağıt parçalarındaki yüklerin dengede olması nedeniyle, balon ve kağıt parçaları arasında bir itme ya da çekme hareketi oluşmamaktadır.
Balonun yünlü kumaşa sürtünmesi sırasında, iki yüzey arasındaki sürtünme ısı enerjisi üretir. Balondaki ısınma, negatif yüklü elektronların daha serbest hareket etmesine neden olur ve bazı elektronların yünden balona geçmesiyle, yün daha az negatif yüke sahip ve balon daha fazla negatif yüke sahip duruma gelir. Balon yeniden kağıt parçalarına yaklaştırıldığındaysa, negatif yüklü balonla pozitif yüklü kağıtlar birbirlerini çekerler.
Elektriklenme
Yukarıdaki balon örneğinde de görüldüğü gibi, elektriklenmeye neden olan yükler, negatif (-) ve pozitif (+) yüklerdir ve cisimlerin birbirini itmeleri ya da çekmeleri elektriklenmeyle açıklanır.
Temasla elektriklenme ve etkiyle elektriklenme olmak üzere iki tür elektriklenme vardır: Temasla elektriklenme, sürtünme ve dokunma yollarıyla olmaktadır.
Sürtünme ile elektriklenmede, örneğin, nötr bir ebonit çubuk yün bir kumaşa sürtüldüğünde, çubuk yünden negatif yük alarak negatif yükle yüklenirken, yün negatif yük kaybettiğinden pozitif yükle yüklenmektedir. Aynı deney nötr bir cam çubukla yapıldığında ise, cam çubuktan kumaşa negatif yük geçişi olmakta ve cam çubuk pozitif yük ile yüklenmektedir. Her iki deneydeki cisimler yeniden birbirlerine değdirilirse nötr duruma geçerler. Alınan yük ile verilen yük eşittir.
Dokunma ile elektriklenmede, elektrik yüklü bir cisim nötr bir cisme değdirildiğinde, yükünün bir kısmını nötr cisme aktarır ve o cisimde elektrikle yüklenmiş olur. Eğer, nötr cisme dokundurulan cisim negatif yüklüyse, her ikisi de negatif yüklü olur. Eğer, nötr cisme dokundurulan cisim pozitif yüklüyse, nötr cisimden pozitif yüklü cisme bir miktar negatif yük geçişi olur ve sonuçta her ikisi de pozitif yüklü duruma gelir. Her iki cisim de eşit ve pozitif ve negatif zıt yüklüyse, her ikisi de nötr duruma geçer. Birbirine değdirilen cisimler hiç bir zaman zıt yüklerle yüklenmezler. Her ikisi de nötr, her ikisi de pozitif, her ikisi de negatif olabilir. Hareket edenler daima negatif yüklerdir, pozitif yükler hareket etmezler.
Etki (tesir) ile elektriklenmede ise, örneğin negatif yüklü bir A cismi nötr bir B cismine yaklaştırılırsa, benzer yükler birbirini iter ve A cismindeki elektronlar B cismindeki elektronların B’nin diğer yanında toplanmalarına neden olur. Böylece B’nin A’ya bakan yanında da pozitif yük fazlalığı gerçekleşir. Sonuçta, B’nin A’ya bakan yanı pozitif, diğer yanı ise negatif yükle yüklenmiştir. Bu durumda, eğer B’nin negatif yüklü yanına bir C cismi dokundurulursa, B’den C’ye bir elektron akışı başlar. A cismi uzaklaştırılmadan, B ve C yalıtkan çubuklarla birbirlerinden ayrılırsa, B cismi pozitif ve C cismi negatif yükle yüklenmiş olur. Eğer, A cismi pozitif yüklü osaydı, elektronları kendine çekeceğinden, bu kez B’nin A’ya bakan yanı negatif yüklü, diğer yanı pozitif yüklü olacaktı. Bu durumda, C’den B’ye elektron geçişi olacak ve B cismi negatif, C cismi ise pozitif yükle yüklenmiş olacaktı.
Elektrik Akımı
Elektrik akımı, akıştaki elektron sayısından bağımsız olarak, belirli bir yönde hareket halinde olan elektronlardır. Bu yön veya “yol”, bakır, gümüş ya da alüminyum gibi bir iletken olabilir. Serbest elektronlar, iletkenin bir bölgesinden diğerine geçmektedir.
Akım Yeğinliği
Akım yeğinliği, bir elektrik yükünün bir iletkendeki akış hızıdır. Başka bir anlatımla, bir saniyede belirli bir noktayı geçen elektron sayısıdır. Bu, belirli bir noktadan daha fazla elektronun geçmesi durumunda, akımın daha büyük olduğu anlamına gelir.
Sembolü “I” harfidir ve Fransızca “intensité de courant”‘dan kaynaklanmaktadır. Akım yeğinliği genellikle kısaca akım olarak adlandırılır, “amper” cinsinden ölçülür.
Voltaj (Gerilim)
Voltaj, bir devrenin iki noktası arasındaki elektrik enerjisi farkını gösterir. Voltaj, volt cinsinden ölçülür ve ‘V’ harfi ile gösterilir. Gerilim, elektrik potansiyel farkı, elektrik basıncı veya elektrik gerilimi (∆V veya ∆U olarak adlandırılır, ancak daha çok V veya U ile gösterilir), iki nokta arasındaki elektrik potansiyeli farkıdır. Elektronları, etkisi altında bulundukları elektrostatik alan kuvvetine karşı hareket ettirir. Noktalar arasındaki elektrik potansiyel farkları, statik elektrik alanlarından, manyetik alandaki elektrik akımından, değişen manyetik alanlardan veya bunların kombinasyonlarından kaynaklanabilir. Bir sistemdeki iki nokta arasındaki voltajı (veya potansiyel farkı) ölçmek için voltmetre kullanılır.
Elektrik yükü, akım ve voltajı bir boruya bağlı büyük bir su deposuyla örneklediğimizde, depodaki su elektrik yükünü temsil eder. Daha fazla su, daha fazla yük anlamına gelir. Voltaj ise “basınç” gibidir. Depodaki su ne kadar fazla olursa, borunun ucundaki basınç (voltaj) o kadar yüksek olur. Suyu bir borudan geçirmek için bir pompanın kullanılması gibi, iletkenler içindeki serbest elektronları bir “yol” boyunca bir yerden diğerine akıtacak bir batarya yani harici bir güç kaynağı (elektromotor kuvvet) kullanılabilir. Akımın bir yönde hareket etmesi “doğru akım” olarak adlandırılır. Atomlardaki elektronlar düz bir yönde hareket etmez. Yakın atomlardaki diğer elektronlarla tekrarlanan çarpışmalar yaşanır. Bu çarpışmalarda, serbest elektronlar iletkenin pozitif ucuna doğru giderler.
Direnç
Direnç iki şekilde anlaşılabilir:
– Elektronların akışı açısından, direnç, elektronların bir iletken (tel) içinde akarken karşılaştıkları zorluktur. Örneğin, ince bir tel, elektronların akması için “dar bir yol” olduğundan, birbirlerine çarptıkları anlamına gelir, bu nedenle de akış yeterince “rahat” değildir. Yani, ince bir telde daha fazla direnç vardır. Kalın bir telde ise, elektronların hareket etmesi için daha “geniş bir yol” bulunduğundan, daha az çarpışma ve bu nedenle de daha az direnç vardır.
– Bir elektrik devresinde ise, direnç, elektriğin yolu üzerindeki ampul, zil gibi şeylerdir. Elektriği kullanan bu dirençler olmadığında kısa devre oluşabilir.
İletkenler
İletken, elektriğin kolayca geçmesine izin veren bir malzemedir. İletkenlerin atomlarında daha fazla serbest elektron vardır ve atomdan atoma geçmekte serbesttirler. Yani, elektrik yükleri bir noktadan diğerine hareket etmekte serbesttir ve elektronların hareketine karşı daha az direnç vardır. Alüminyum, bakır, altın, su ve insan iletken örnekleridir. Elektrik üreticileri, üretim tesislerinden tüketicilere güç taşımak için bakır ve alüminyum teller kullanmaktadır. Bu malzemeler “yüksek iletkenliğe” sahiptir. İletkenler ayrıca ısı enerjisinin de kolayca geçmesine izin verirler.
Yalıtkanlar
Yalıtkanlar (izolatörler), elektriğin kolayca geçmesine izin vermeyen malzemelerdir. Yalıtkanların atomlarındaki elektronlar, atomdan atoma serbestçe hareket etmemektedir. Yani, elektrik yükleri bir noktadan diğerine serbestçe hareket etmezler. Elektronların hareketine karşı daha fazla direnç vardır. Kauçuk, plastik, ahşap ve kağıt mükemmel yalıtkan örnekleridir. Bu malzemeler aynı zamanda ısı enerjisinin de kolayca geçmesine izin vermezler.
Elektrik Yüklü Cisimlerde İtme Ve Çekme
Cisimler yük durumlarına göre üçe ayrılmaktadır. Nötr cisimlerde, pozitif ve negatif yük birbirine eşittir. Pozitif (+) yüklü cisimlerde, pozitif yük negatif yükten fazladır. Negatif (-) yüklü cisimlerde, negatif yük pozitif yükten fazladır. Nötr cisimler elektriksel açıdan birbirini etkilemez ve birbirini çekmez ya da itmez. Aynı yükle yüklü cisimler birbirini iterken, zıt yüklü cisimler birbirini çeker.
Elektroskop
Elektroskop, bir cisimdeki elektrik yükünün varlığını ve hangi cins elektrik yüküyle yüklü olduğunu tespit etmek için kullanılan bir bilimsel araçtır. İlk elektroskop, “versorium” adı verilen bir döner iğnedir ve 1600’lü yıllarda William Gilbert tarafından icat edilmiştir. Elektro-statik elektroskop ve 1787 yılında İngiliz fizikçi Abraham Bennet tarafından geliştirilen altın-yapraklı elektroskop, elektrostatik prensiplerini göstermek için fizik eğitiminde halen kullanılan iki klasik elektroskop türüdür.
Elektroskop, bir cam fanus, iletken yaprakların bağlı olduğu bir metal çubuk ve en üstte de bir metal topuzdan oluşmaktadır. Nötr durumdaki bir elektroskobun yaprakları kapalı, yüklü bir elektroskobun yaprakları ise iki yana açıktır. Yüklü bir elektroskopta, yaprakların az açık olması yükün azlığını, yaprakların çok açık olması yükün çokluğunu gösterir ve topuz ile yapraklar aynı cins yükle yüklüdür.
Negatif yüklü bir elektroskobun topuzuna bir C cismi yaklaştırıldığında, yaprakların biraz açılması, C cismi ile elektroskobun aynı cins yükle yüklü olduğunu, yaprakların biraz kapanması cisim ve elektroskobun zıt yükle yüklü olduklarını gösterir. Pozitif yüklü bir C cismi, nötr bir elektroskoba yaklaştırıldığında, topuz negatif yükle, yapraklar pozitif yükle yüklenir. Negatif yüklü bir C cismi, nötr bir elektroskoba yaklaştırılırsa, topuz pozitif yükle, yapraklar negatif yükle yüklenir.
Nötr durumdaki bir elektroskoba yüklü bir cisim dokundurulduğunda, elektroskop ve cisim aynı yükle yüklenir ve yapraklar biraz açılır. Yüklü bir elektroskoba, zıt yükle yüklü bir C cismi dokundurulursa, eğer yük miktarları eşit ise yapraklar tamamen kapanır, cismin yük miktarı fazlaysa yapraklar kapanıp açılır, elektroskobun yük miktarı fazlaysa yapraklar biraz kapanır. Yüklü bir elektroskoba, aynı cins yükle yüklü bir C cismi dokundurulduğunda, cismin yükü fazlaysa yapraklar biraz açılır, elektroskopun yükü fazlaysa yapraklar biraz kapanır.
Topraklama
Yüklü bir cisim, iletken bir telle toprağa bağlanırsa, toprakla cisim arasında bir yük alışverişi gerçekleşir ve cisim nötr duruma geçer. Cisim negatif yüklüyse, fazla negatif yük toprağa akar ve cisim nötrleşir. Eğer cisim pozitif yüklüyse, pozitif yük hareketsiz olduğundan, bu kez topraktan cisme negatif yük gelir ve cisim nötrleşir. Topraklamanın en bilinen örneği, yakıt tankerlerinin arkasındaki, yere değen zincirlerdir. Tankerlerde elektriklenme nedeniyle oluşan fazla yükleri toprağa boşaltan bu zincirler araçlarda yangın çıkmasını önlemektedir. Gene, yüksek binaların çatılarındaki paratonerler yıldırımlarla boşalan bulutlardaki elektrik yükünü toprağa aktarırlar. Evlerdeki toprak hatlı prizler de fazla akımı toprağa aktararak cihazları korumaktadır.
Kaynakça:
– Stan Gibilisco, “Electricity Demystified”, McGraw-Hill Education, 2nd ed.
Yazar: Oben Güney Saraçoğlu