ELEKTRİK AKIMI
İnsanoğlunun en çok ihtiyaç duyduğu konuların başında enerji gelir. Elde ettiğimiz enerjinin büyük bir kısmını günlük yaşantımızda kullandığımız elektriksel araçlar için elektrik enerjisine dönüştürürüz. Elektrik enerjisini kullandığımız cihazların çalışabilmesi için, düzenli ve sürekli akan bir elektrik akımına ihtiyaç vardır. Elektrik akımı; elektriksel yüklerin (artı ve eksi yükler) hareketine denir. Elektrik akımının oluşabilmesi için, iki nokta arasında elektriksel potansiyel fark oluşturmak gerekir. Yani iki nokta arasında farklı miktarda yük yoğunluğu oluşturulmalıdır. Bu durumda iki nokta arasında yük yoğunluğu eşit oluncaya kadar yük akışı yani elektrik akımı meydana gelir.
Elektrik akımını basit bir örnekle ifade edelim. Sürekli kullandığımız piller elektrik akımı üretecidirler. Bildiğiniz gibi pillerin artı(+) ve eksi(-) olmak iki kutbu (ucu) bulunur. Artı(+) kutbunda artı yük yoğunluğu, eksi(-) kutbunda eksi yük yoğunluğu bulunur. iletken bir telle bu iki uç birbirine bağlanırsa, eksi(-) kutbundan eksi yükler artı kutba doğru hareket eder. Bu akış her iki uç nötr oluncaya kadar devam eder.
Piller iki kutbu arasında ki potansiyel farkından dolayı elektrik yüklerine kuvvet uygulayarak hareket etmelerini sağlar. İki nokta arasında ki potansiyel fark (gerilim) sabit tutulursa, sürekli ve uzun ömürlu bir akım oluşturulur.
Pil ve akü gibi üreteçler, bir devrenin iki ucu arasında potansiyel farkını sabit tutmak için geliştirmiş araçlardır.
Akım Şiddeti
İletken bir ortamın brim kesitinden brim zamanda geçen toplam elektriksel yük miktarına elekktrik akım şiddeti denir. Akım şiddeti " I " sembolü ile gösterilir. SI birim sisteminde birimi "Amper (A)" dir.
ne= Birim kesitten geçen negatif yük (elektron) sayısı
np= Birim kesitten geçen pozitif yük (proton) sayısı
1 tane elektron ve protonun yük değeri 1,6.10-19 C olduğuna göre,
q = ( ne + np ) . 1,6.10-19
Elektrik akımı katı maddelerde (İletkenlerde yani metal ve yarımetallerde) serbest elektronlar sayesinde oluşur.s
Sıvılarda elektrik akımı, sıvı içinde artı ve eksi yüklü iyonlar tarafından gerçekleşir.
Gaz ortamı genel olarak nötr olduklarından elektrik akımını iletmez, ancak Plazma halindeki gaz ortamında artı ve eksi iyonlar bulunduğundan elektrik akımı bu yüklü iyonların hareketiyle oluşur.
Elektrik devrelerinde elektrik akımının yönü pozitif yüklerin hareket yönü kabul edilmiştir. Ancak katı iletkenlerde artı yükler hareket etmediği için, yine akımın yönü eksi yüklerin (serbest elektronların) hareketinin tersi yönü kabul edilir.
Potansayel Fark (Gerilim)
Bir elektrik devresinde yüklerin hareketini sağlamak için iletkenin uçları arasında bir elektriksel potansiyel enerji farkı oluşturmak gerekir. Hareketi sağlanan birim yükün iki nokta arasında ki enerji farkına, potansiyel fark veya gerilim düşmesi denir. Potansiyel fark'ın sembolü "V" ile gösterilir. SI 'de ki (uluslar arası birim sistemi) birimi Volt (V) tur.
Direnç
İçinden akım geçen iletken tel veya devre elemanlarının akımın hareketine karşı gösterdiği engel ve zorluğa direnç denir. Direnç "R" sembolü ile gösterilir Direncin SI 'de ki (uluslar arası birim sistemi) birimi OHM dur. Devre elemanlarında veya iletkenlerde oluşan direnç, üretecin potansiyel enerjisinin bir kısmını ısı enerjisine dönüştürür. Bu durum elektriksel devrelerde genelde istenmeyen, verimi düşüren durumdur.
Ampermetre
Devrede ki akım şiddetini ölçen aletlere ampermetre denir. Ampermetreler iç direnci çok küçük olduğu için devreye seri bağlanır.
Voltmetre
Voltmetre, bir devrede ki devre elemanlarının uçları arasındaki potansiyel farkını ölçen aletlerdir. Voltmetrelerin iç dirençleri çok büyük olduğundan devreye paralel bağlanır.
OHM YASASI
Ohm Yasası, bir elektrik devresinde akım ile gerilimin bir birleri ile ilişkisini anlatmaya çalışan durumddur. Ohm yasasına göre, bir elektrik devresinde, herhangi bir devre elemenının veya iletken telin uçları arasında ki gerilimin (potansiyel farkın) devre elemenın üzerinden akan akıma oranı sabittir. Bu sabit değer, ölçülen uçlar arasındaki direnç değerine eşittir.
DİRENÇ ve ÖZDİRENÇ
Direncin, elektrik akımına karşı gösterilen zorluk olduğunu biliyoruz. Ancak her maddenini akıma karşı gösterdiği zorluk farklıdır. Bazı maddeler elektrik akımını kolaylıkla geçirirken(iletken), bazı maddeler elektrik akımın geçirmezler, yalıtkanlar gibi. Yalıtkanların direnç büyüklüğü sonsuzdur. İletkenlerin akıma gösterdiği direnç yapısına bağlı olarak farklı değerdir. İletkenlerin bu karesterik değerine "Özdirenç (ρ)" denir. Özdirenç; Bir iletkenin, 1 metre uzunluğunda ki ve 1 m2 lik kesitlik kısmının direncine denir. Özdirenç her madde için farklı değerde olduğundan, maddeler için ayrıt edici bir özelliktir.
İletken teller silindir şeklinde olduğundan, silindirin kesitide daire dir. A = π.r2
Bir iletkenin direnci, ortamın sıcaklığına bağlı olarak değişir. Direnç, sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişir.
REOSTA
Reostalar, genelde akım değerini ayarlamak amacıyla kullanılan devre elemanlarıdır. Sürgülü kolu sayesinde direnç değeri ayarlanabilen reostalar, akım değerinin artırılması istendiğinde direnç değeri azaltılır, akım değeri düşürülmek istendiğinde ise direnç değeri yükseltilir.
Günlük hayatımızda akım değeri artırılıp azaltılarak eletriksel güç ayarlaması yapılan cihazlarda kullanılmaktadır. Örneğin fırınlarda ısı ayarı düğmeleri, radyoların ses ayar düğmeleri gibi düğmeler reostalardır.
Elektrik devrelerinde reoastalar, şekildeki gibi direnç üzerinde okla ifade edilir.
DİRENÇLERİN BAĞLANMA ŞEKİLLERİ
Dirençler elektrik veya elektronik devrelerde seri ve paralel bağlama adıyla adlandırılan iki ana tip şeklde bağlanır. Seri ve paralel bağlamaların bir arada kullanıldığı bağlama şeklinede karışık bağlama adı verilir.
Dirençlerde Seri Bağlama
Bir iletken üzerinde birden fazla direncin aynı hat üzerinde bağlanma şekline denir.
Seri bağlı dirençler aynı hat üzerinde olduğundan, üzerilerinden aynı miktarda akım geçer. Bu akım değeri anakol akıma (üreteçten çıkan akım) eşittir.
İ = İ1 = İ2 = İ3 = ...
Eş değer direnç, devrede birden fazla direncin toplam değerine denir. Seri bağlı dirençlerin eşdeğeri, dirençlerin cebirsel toplamı kadardır.
Reş = R1 + R2 + R3 + ...
Seri bağlı dirençlerin uçları arasındaki potensiyel farklarının (gerilim değeri) toplamı, devreye bağlı üretecin gerilimine eşittir. (üretecin iç direnci sıfır kabul edildiğinde)
V = V1 + V2 + V3 + ...
Dirençlerde Paralel Bağlama
Paralel bağlı dirençler, farklı akım kolları üzerinde veya birer kolları ortak bağlı dirençlerin oluşturduğu bağlanma şekline denir.
Anakoldaki akım paralel kollara, kollardaki dirençlerin büyüklüklerinin tersi oranında paylaşılır. Anakoldaki akım, paralel kollardaki akımların toplamına eşittir.
İ = İ1 + İ2 + İ3 + ...
Paralel devrenin eş değer direnci;
1/Reş = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... bağıntısıyla hesaplanır.
Paralel kollardan geçen akım ile direncin çarpımı sonucu çıkan gerilim değerleri birbirine aynı zamanda devreye bağlı üretecin gerilimine eşittir.
V = V1 = V2 = V3 = ...
KISA DEVRE
Direncin akıma karşı gösterdiği zorluk olduğunu biliyoruz. Bu nedenle gelen akımın iki kola ayrılan noktada direnci en az yoldan çok, direnci büyük olan yoldan az akımın geçmesine neden olacaktır.
Elektrik devresinde devre elemanlarının uçları arasına (direnç veya lamba) bir iletken tel bağlanırsa, akım dirençli yol yerine direnci çok daha küçük olan iletken tel üzerinden akar, bu olaya kısa devre denir.
(not:Aslında iletken telde bir direnç değerine sahiptir, Ancak telin direnç değeri devre elemanının direnç değerinden çok daha küçük olsa bile kısa devre durumunda akımın tamamı iletken tel üzerinden akmaz. Akımın çok büyük kısmı iletken tel üzerinden akarken, kayda değer olmayan kısmıda devre elemanının üzerinden akar. Yani geçen akım devre elemanını çalıştırabilecek güce sahip olamaz.)
DOĞRU AKIM ENERJİ KAYNAK ÜRETEÇLERİ
Elektrik devrelerinde elektrik akımının oluşmasını sağlayan araçlardır. Genel olarak doğru akım (D.C) ve alternatif akım (A.C) olmak üzere iki grupta incelenir.
Evlerimizde priz ve lambalarda (akımın yön ve değeri sürekli değişen) kullandığımız akım alternatif akımdır.
Doğru akım kaynakları, daha çok elektronik devre ve cihazlarda kullanılan, akımın sürekli sabit bir değerde ve yönde olduğu pil, batarya, akü, ... gibi cihazlardır.
Cep telefonlarımızı şarj etmek veya bilgisayarlarımızı çalıştırmak için kullandığımız cihazlar (adaptörler) alternatif akımı doğru akıma dönüştürürler.
Günümüzde kullandığımız pillerin doğuşu, 1800 yılında İtalyan fizikçi olan Alessandro VOLTA nın tuzlu su çözeltisi içine daldırdığı iki metal çubukla elektrik akımı elde etmesiyle başlamıştır.
Üreteçler devrelerde () şekli ile gösterilirler.
İçinden akım geçmeyen bir pilin iki kutbu arasında gerilim (potansiyel fark) değerine elektromotor kuvveti (emk) denir. Veya elektrik yükünün devreyi bir kez dolaşması için üretecin harcadığı enerji miktarıdır. Elektromotor kuvveti "ε" ile sembolize edilir.
Her devre elemanında olduğu gibi üreteçler de (pil) akıma direnç gösterirler. üreteçlerin bu direncine "iç direnç" denir ve "r" ile sembolize edilir. Dirençlerin eş değeri hesaplanırken iç direnç pil'e seri bağlı direnç gibi düşünülür. ()
Bilgi: Bataryalar birden fazla pilin bir araya gelerek oluşturduğu pil sistemleridir.
Üreteçlerin Seri Bağlanması
Üreteçlerin Düz Seri Bağlanması
εT = ε1 + ε2 + ε3 + ...
bağıntısı ile hesaplanır.reş = r1 + r2 + r3 + ...
bağıntısı ile hesaplanır.εT = İ.(Reş + reş) olur.
Üreteçlerin Ters Seri Bağlanması
εT = ε1 - ε2 + ε3 + ...
bağıntısı ile hesaplanır. (Pillerin toplam gerilim değeri hesaplanırken, yönleri aynı olan pillerin gerilimleri kendi aralarında toplanıp, çıkan sonuçların farkı alınır.)reş = r1 + r2 + r3 + ...
bağıntısı ile hesaplanır. Ters bağlı pillerin iç direçleri, toplam iç direnç değerinden düşülmez.εT = İ.(Reş + reş) olur.
Üreteçlerin paralel Bağlanması
εT = ε
1/reş = 1/r1 + 1/r2 + 1/ r3 + ...
εT = İ.(Reş + reş) olur.
Pillerin Ömrü
Piller sahip oldukları kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. Bu kimyasal enerji bittiğinde pillerin ömrü de tükenmiş olur. Pillerin ömrü yani tükenme süreleri, pilin boyutlarına bağlı olduğu gibi yapısında kullanılan kimyasal maddelerin özelliklerine de bağlıdır. Aynı zamanda pillerin iç direnci küçük olmasına rağmen, uzun süreli akım çekildikçe pilin ısınması, pilden çekilen akımın değişmesine neden olur. Bu gibi etkenlerden dolayı pilin tam olarak ömrünün hesaplanmasını zorlaştırmaktadır. Ancak bu etkenleri gözardı edip, pillerin özdeş kabul eder ve pillerin tükenme sürelerinin sonuna kadar üzerinde çekilen akım değerini sabit kaldığını kabul edersek, pillerin ömrünü kolaylıkla hesaplayabiliriz.
Pillerin ömrü bu şartlar altında üzerinden çekilen akımın büyüklüğünün tersi oranındadır. Yani çakilen akım nekadar büyükse, pilin ömrü de o oranda kısalır veya çekilen akım ne kadar az olursa, pilin ömrü de o oranda uzun olur.
Örneğin farklı devrelerde ve özdeş kabul edilen iki pilden, üzerinden 2 Amperlik akım çekilen pilin ömrü 10 saat olduğunu varsayarsak, diğer devredeki pilden 4 Amperlik akım çekilirse ömrü 5 saat olur.
Devrede İki Nokta ve ya Devre Elemanları Arasında Voltmerenin Gösterdiği Değer
KİRCSHHOFF YASALARI
Kirchhoff'un akımlar ve gerilimler yasaları kullanılarak kapalı bir elektrik devresinde devre elemanlarından geçen akımı, devre elemanlarının gerilim ve direnç değerleri hesaplanabilir.
Akımlar Yasası
Bir elektrik devresinde düğüm noktalarına gelen akımların toplamı, düğümden çıkan akımların toplamına eşittir.
Gerilimler Yasası
Kapalı bir devrede seçilen yönlerde gerilimlerin toplamı, gerilim düşmelerine eşittir. Σ = Σİ.R
(Seçilen yön üretecin verdiği akımla aynı yönlüyse ε pozitif, ters ise negatif alınır.)
ELEKTRİKSEL ENERJİ VE ELEKTRİSEL GÜÇ
Elektriksel Enerji
Elektrik devrelerinde yüklerin hareketi sonucu farklı devre elemanlarında farklı elektriksel enerji olarak açığa çıkar. Örneğin elektrik motorlarında hareket enerjisine, dirençlerde ısı enerjisine, lambalarde ısı ve ışık enerjisine ... dönüşür.
Direnci "R", uçları arasındaki gerilimi "V" olan devre elemanı'nın "t" sürede harcadığı enerji; W = V.İ.t = İ2.R.t = (V2 / R ).t bağıntıları ile hesaplanır. Enerjinin (SI) birimi joule (J)'dur.
Elektriksel Güç
Bir elktrik devresindeki devre elemanının, örneğin direncin birim zamanda ürettiği ısı enerjisi miktarına, yani birim zamanda harcadığı enerji miktarına "elektriksel güç" denir.
Elektriksel güç "P" sembolü ile gösterilir. SI (Uluslar arası) daki birimi Watt (W)'tır.
Elektriksel güç; P = W / t olduğundan bağıntı; P = V.İ = İ2.R = V2 / R şeklinde ifade edilir.
Elektriksel Enerjisinin Isı Enerjisine Dönüşümü
Dirençlerin açığa çıkardığı ısı enerjisi özelliği sayesinde günlük hayatımızda fırınlarda, su ısıtıcı gibi ısıtıcılarda kullanırız.
Enerji kaybının olmadığı düşünüldüğünde, direncin harcadığı Enerjinin (W) tamamı Isı'ya (Q) dönönüşüyorsa; W = Q eşitliğinden söz edileblir. (1 cal= 4,18 joule)
Lambalar
Günlük hayatta karanlık ortamları aydınlatma da kullandığımız devre elemanlarına lambalar denir. Üzerinden elektrik akımı geçtiği zaman lamba ışık verir. Bir lambanın parlaklığı, o lambanın gücü ile alakalıdır. Lambanın gücü ne kadar büyükse lamba da o kadar parlak yanar. (Elektriksel güç ile ilgli bilgiyi yukarıda vermiştik.)