Elektrik yükü; Kütle, uzunluk, zaman ve sıcaklık gibi, fiziksel dünyanın temel ölçülerinden biridir. Diğerlerinin aksine elektrik yükü, fiziksel olarak doğrudan algılayamadığımız bir büyüklüktür. Dışarıdan baktığımızda bir cismin kütlesi, boyutları ve sıcaklığı hakkında bir fikir yürütebilmemize rağmen o cismin yükü hakkında bir şey söyleyebilmemiz çok zordur.
Birçok ticari ürün, elektrik yüklerinin birbirini çekmesi etkisini kullanır. Örneğin birçok kontakt lensin plastik maddesi (etafilkon), gözyaşındaki protein moleküllerini elektriksel olarak kendine çeken moleküllerden oluşur. Bu sayede lens, yabancı bir cisim olarak algılanmaz, böylece rahatça kullanılabilir. Kozmetik makyaj malzemelerinde ve hatta sanayide elektrostatik boyama işlemlerinde bu esas kullanılır.
Maddeyi oluşturan atom; (+) yüklü protonlar, (-) yüklü elektronlar, yüksüz nötronlar ve diğer atomaltı parçacıklardan oluşur. Protonlar atomun çekirdeğinde nötronlarla beraber bulunur ve sabittir. Elektronlar ise atomun çevresinde belirli yörüngelerde, çekirdek ile aralarındaki elektromanyetik bir dengede dönmektedirler.
Atomun çekirdeğine daha yakın olan elektronlar, çekirdeğe daha kuvvetli bir bağ ile bağlıdırlar. Atomun en dış yörüngesindeki elektronlar ise çekirdeğe en az kuvvet ile bağlıdırlar. Maddenin fiziksel özelliklerini bu en dış yörüngedeki elektronlar belirler. En dış yörüngedeki bu elektronlara valans elektronları adı verilir.
Normal koşullarda bir atomda elektron ve proton sayıları birbirine eşittir. Böyle atomlara nötr atomlardenir. Ancak valans elektronları başka atomlarla etkileşime geçerek bağlı bulundukları atomdan kopabilir ve başka bir atoma eklenebilir. Bir atom elektron kaybettiğinde o atomdaki proton sayısı elektron sayısından fazla olacağından o atom pozitif yüklü olur. Bir atom elektron kazandığında ise negatif yüklü hale gelir. Pozitif veya negatif yüklü atomlara iyon adı verilir. Bu model, bir maddenin neden hiçbir elektriksel özellik taşımadığını veya hangi şartlar halinde yüklü duruma geçebileceğini açıklar.
Elektrik yükü Q (veya q) ile gösterilir. Birimi coulomb (C)‘dur. 1 coulumb, 624x 1016 adet elektron veya proton yüküne eşittir. Bir elektron veya protonun yükü en küçük (elemanter) yük olup 1,6×10-19 coulomb’dur.
COULOMB KANUNU
Elektrik yüklerinin birbirileri ile olan etkileşimleri, Coulomb kanunu ile açıklanır. Coulomb kanunu, aşağıdaki gibi ifade edilir:
F: Yükler arasındaki kuvvet [newton]
Q1, Q2: Elektrik yükleri [coulumb]
r: Yüklerin arasındaki uzaklık [metre]
k: yüklerin bulunduğu ortama ve kullanılan birim sistemine bağlı bir katsayıdır. Aşağıdaki gibi hesaplanır:Â
Burada ε0, boşluğun dielektrik katsayısı adını alır ve değeri;
εr ise ortamın bağıl dielektrik katsayıdır. εr katsayısı, birimsiz bir büyüklük olup bir ortamın dielektrik katsayısının boşluğunkinden ne kadar büyük olduğunu gösterir.
Bu bağıntılara göre elektrik yüklerinin davranışı aşağıdaki gibi özetlenebilir:
►Elektrik yükleri arasında bir kuvvet vardır.
►İki çeşit yük vardır. Aynı yükler birbirini iter, farklı yükler birbirini çeker.
►Yükler üzerindeki kuvvet, yükleri birleştiren çizgi doğrultusundadır.
►İki yük arasındaki kuvvet, aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır.
►İki yük arasındaki kuvvet, yüklerin büyüklüklerinin çarpımı ile doğru orantılıdır.
►Yükler arasındaki kuvvet, yüklerin bulunduğu ortama bağlıdır.
Yüklerin birbirlerini itme ve çekme özelliklerinin yanında bir başka özellikleri de bulundukları ortama ‘homojen olarak yayılma’ özellikleridir. Pozitif ve negatif yükler doğaları gereği birbirlerini nötrleme eğilimindedirler. Birbirinden farklı iki noktadan birinde negatif yüklerin miktarı artmış ise, bu iki nokta arasında yük miktarı açısından ‘potansiyel bir fark’ oluşmuş demektir.
Aynı yüklerin birbirilerini itmesi ve farklı yüklerin birbirilerini çekmesi özelliklerinin yanında elektrik yüklerinin bir diğer özelliği de birbirilerini nötrleştirmeye olan eğilimleridir. Eğer bir noktada elektronlar fazlalık oluşturmuşlarsa, o bölgede bir “gerilim” oluşur. Fiziksel olarak engellenmedikleri sürece bu yükler, etraflarında daha az elektrona sahip olan yüklere doğru yayılmak isterler. Fiziksel olarak ifade etmek gerekirse bu gerilim, elektron sayısı farklı olan bölgeler arasındaki ‘potansiyel farkı’ ifade eder.
Potansiyel fark, şüphesiz farklı yüklere sahip noktalar arasındaki potansiyel enerjiden kaynaklanmaktadır. Elektrik yükleri arasındaki bu ilişkiyi anlayabilmek için öncelikle mekanik dünyadaki potansiyel enerji kavramına kısaca bir göz atalım.
Herhangi bir cismi yerden yukarıya kaldırdığımızda, cismin kütlesine ve yerden yüksekliğine bağlı olarak cisimde bir ‘potansiyel enerji’ oluşur. Bu enerji, cismin kaldırıldığı yükseklikten yere doğru düşmeye olan eğilimini gösterir.
Burada g yerçekimi ivmesi, cismin yerçekimi etkisi ile yere doğru ivmelendiğini gösterir.
m kütleli cismi h yüksekliğine çıkarmak için yapılan iş W’dir. Enerjinin korunumu kanunu gereği yapılan iş, cismin potansiyel enerjisine eşittir:
Burada; cismin h yüksekliğinde U potansiyel enerjisine sahip olması, yerin cisme yerçekimi kuvveti ile etki etmesinden kaynaklanır. Cisim, yerin ‘yerçekimi alanı (gravitasyonel alan)’içerisindedir.
Elektrik yükleri için potansiyel enerjiyi ele alacak olursak; bir E elektrik alanı (mekanik dünyada yerçekimi alanının karşılığı) içerisinde bulunan A ve B gibi iki farklı nokta düşünelim. A noktasındaki elektron sayısı, B noktasındaki elektron sayısından fazla olsun (mekanik dünyada A noktasının, B noktasından daha yüksekte olması durumu).
Bu durumda A noktasındaki yükler, B noktasına göre bir potansiyel enerjiye sahiptirler. Bu potansiyel enerji, herhangi bir Q yükünün A noktasından B noktasına gitmesi için yapılan işe eşittir (mekanik dünyada h yüksekliğindeki cismin potansiyel enerjisinin, o cismin yerden h yüksekliğine çıkarılması için yapılan işe eşit olması).
İşte gerilim veya potansiyel fark denilen kavram burada ortaya çıkmaktadır. A noktasından B noktasına taşınan birim yük başına yapılan işe gerilim (potansiyel fark) denir.
Dolayısıyla potansiyel fark, birim yük başına yapılan işin bir ölçüsüdür. V ile gösterilir. Birimi volt (V)’tur. SI birim sistemin göre; Â
1 V = 1 joule / coulombÂ
olur.
A noktasının gerilimi VA ve B noktasının gerilim VB ise bu iki nokta arasındaki potansiyel fark; Â
V = VA – VB
ile ifade edilir.
İfadelerden de anlaşılacağı üzere, potansiyel farktan bahsedebilmemiz için aralarında yük farkı bulunan iki noktanın bulunması gerekir. A noktasının gerilim VA = V ve B noktasının gerilimi VB = 0 ise bu iki nokta arasındaki potansiyel fark:
V = VA – VB = V-0 = V
olur. Bu durum, A noktasının, B noktasına göre gerilimini ifade eder. Dolayısıyla potansiyel farktan bahsedebilmemiz için bir ‘referans’ noktasının belirtilmesi gerekir. Mekanikte referans noktası yer veya zemindir. Elektrikte ise referans noktası ‘nötr veya toprak‘tır.Toprak, pozitif ve negatif yüklerin birbirini nötrlediği ve her türlü elektriksel etkileşimin soğurulduğu ‘sıfır potansiyeli’ni temsil eder. Elektrik tesislerinde ise nötr noktası; üç fazlı yıldız bağlı transformatörlerde, faz gerilimlerinin vektörel toplamlarının sıfır olduğu ortak uç noktasıdır. Bu durumda, ‘A fazının gerilim 220 V’ dediğimizde, A fazının geriliminin, nötr noktasına göre 220 V olduğu anlaşılmalıdır. Diğer yandan pillerde durum farklıdır. ‘Pilin gerilimi 1,5 V’ dediğimizde, pilin iki ucu arasındaki gerilim farkının 1,5 V olduğu anlaşılmalıdır.