1. elektrik ve devre kavrami elektriğin Gereği ve Önemi

1. ELEKTRİK VE DEVRE KAVRAMI

1. Elektriğin Gereği ve Önemi

Günlük hayatımızda su, hava gibi alıŞtığımız ancak yokluğunda önemini anladığımız elektrik; kullanımı en kolay ve en temiz enerji kaynağıdır. Çevrenize bir bakın; elektriğin kullanılmadığı araç-gereç ve makine hemen hemen yok gibidir. Günümüzde tornavidada, daktiloda, buzdolabında, klimada, hassas ölçmenin arandığı ölçme araçlarında, elektrik enerjisi kullanılmaktadır. Çoğumuzun kolundaki saat bile elektrik enerjisiyle çalıŞmakta ve daha güvenilir bir ölçme yapmaktadır. Bu örnekleri çoğaltmak mümkündür. Bir an için elektrik enerjisinin hiç var olmadığını düŞünün. Gelinen nokta, ilkel bir yaŞantı olacaktır.

1. Elektrik Enerjisinin Tanıtımı

Elektrik enerjisi, bir atomun elektronlarının yer değiştirilmesiyle oluşan yönlü bir hareketin doğurduğu sonuçtur.

Bunu açıklayalım:

Özellikle iletken maddelerde çok sayıda serbest elektron bulunduğunu ve bir elektronun bir kuvvet etkisi ile kendi yörüngesinden çıkıp diğer komşu atomun yörüngesine girdiğini söylemiştik. İyi iletkenlerde atomlar birbirine o kadar yanaşık durumdadır ki atomların dış yörüngeleri birbirini örter ve bir atomun dış yörüngesindeki elektron, diğer atomların da etkisi ile kendi yörüngesinden çıkıp komşu atomun dış yörüngesine girer. Komşu atomun dış yörüngesine giren elektron, bu atomun dış yörüngesindeki atoma çarpar ve onu yörüngesinden dıŞarı iter. Böylece serbest elektronlar iletken içinde sürekli olarak dolaşır. Ancak elektronların bu hareketleri belirli bir yönde değildir, rastgeledir, bir arı kovanındaki arıların hareketine benzer.

Eğer bir iletkenin bir ucuna pozitif diğer ucuna negatif elektrik yükü uygulanırsa negatif yükler elektronları iter, pozitif yükler elektronları çeker. Bu yüzden elektronların hareketi rastgelelikten çıkar ve belirli bir yön alır. Bir iletkende pek çok sayıda atom bulunduğundan çok sayıda da serbest elektron bulunur. Bu serbest elektronların dışarıdan verilecek bir etkiyle bir yönde hareket etmelerinden düzenli bir elektron akışı meydana gelir.
Her elektron enerji taşır. Bir elektron kendi yörüngesinden çıkıp diğer komşu atomun yörüngesine girdiğinde taŞıdığı enerjiyi komŞu atomun en dış yörüngesindeki elektronuna aktarır ve onu kendi yörüngesinden dışarı iter. Bu elektron ve bu elektronun etkileyeceği diğer elektronlar aynı işlemi tekrarlar. Böylece vurgu, teknik deyimi ile (impuls) itki biçimindeki enerji aktarılışı, bütün iletken boyunca itkiler (itici güç) hâlinde sürer gider.
Anlaşılacağı üzere bir elektron taşıdığı enerjiyi, iletkenin bir ucundan diğer ucuna kendi başına taşımamaktadır. Elektrik enerjisinin iletimi, elektrik yükünün elektrondan elektrona aktarılması yolu ile gerçekleŞmektedir. Bu nedenle elektrik akımının hızı çok büyüktür. Bunu basit bir örnekle açıklayabiliriz. Çok sayıda aynı çaplı bilyeleri veya misketleri, yan yana (temas hâlinde) bir dizi oluşturacak Şekilde sıralayalım (Şekil 1.2). Bu dizinin bir ucundaki bilyeye başka bir bilyeyi çarptıralım. Bilyenin çarpması ile dizinin diğer ucundaki bilye, hemen hemen o anda diziden ayrılır. Fakat arada kalan diğer bilyelerin çok az yer değiştirdikleri görülür.
Bir iletkende de elektrik enerjisi, iletkenin uçlarına uygulanan pozitif ve negatif elektrik yüklerinin etkisi ile elektrondan elektrona aktarılarak iletilmektedir. Burada da yukarıdaki örnekte olduğu gibi elektronlar daha az bir hızla hareket ettikleri hâlde elektrik akımının iletimi saniyede 300.000 kilometrelik büyük bir hızla oluŞmaktadır.

2. Elektrik Enerjisi Kaynakları

Elektrik enerjisini meydana getirmenin yolunun yönlü bir elektron hareketi olduğunu öğrendik. O hâlde elektrik akımını veya elektrik enerjisini elde edebilmek için elektronları harekete geçirmemiz gerekir. Bunun için bir kuvvet kaynağına ihtiyaç vardır.

1. 
   Kimyasal yolla elektrik enerjisi elde edilebilir: Taşıtlarda kullanılan akümülatörlerle hesap makinelerinde, radyo, el feneri ve test cihazlarında kullanılan piller depo ettikleri kimyasal enerjiyi istendiğinde elektrik enerjisine çevirir.
   

2. 
   Isı etkisi ile elektrik enerjisi elde edilebilir: Malzemeleri farklı iki metal tel, uçlarından kaynakla birleŞtirildiğinde basit anlamda bir bi-metal (termokupl) elde edilir. Bu birleŞme noktasının ısıtılmasıyla uçlar arasında bir sıcaklık farkı oluşturulduğunda sıcak ve soğuk uçlar arasında yönlü bir elektron hareketi ile sonuçlanan elektriki bir voltaj (gerilim) elde edilir. Bu uçlar arasındaki sıcaklık farkı korunduğu sürece enerji akışı devam eder. Uçlar arasındaki sıcaklık farkı (ΔT C) ne kadar büyükse elektriki gerilim yani voltaj da o kadar yüksek olur. Bu olaya termoelektrik (sıcak) etki, bu işlemde kullanılan bir çift tele de termokupl denir. Endüstride birçok yerde kullanılır. Özellikle evlerimizde sıcak su üretiminde kullanılan gazlı Şofben ve kombilerin gaz yolu valflerinin kumandasında ve emniyet tertibatında güvenle kullanılmaktadır.
   

3. 
   Basnı ç etkiis ile elektrik enerjiis elde edilebilir: Kristal yapılı bazı maddeler (Örneğin, kuvartz veya baryum titanat gibi) mekanik basınç etkisi altında bırakıldığı zaman maddenin içindeki elektronlar kayarak maddenin iki yüzeyi arasında bir potansiyel farka (gerilime) neden olacaktır. Bu olaya piezzo elektrik denir. Oluşturulan gerilim miktarı, uygulanan basınçtaki değişmeye ve uygulama süresine bağlıdır. Basınç ne kadar yüksek ve bu süre ne kadar kısa olursa üretilen gerilim miktarı o kadar büyük olacaktır. Bu özellikten yararlanılarak çeşitli yanıcı gaz ateşleme sistemleri geliştirilmiştir.
   

4. 
   Manyetik etki ile elektrik enerjisi üretilebilir: Yukarıdaki konularda aynı cins elektrik yüklerinin birbirlerini ittiğini, zıt yüklerin ise çektiğini belirtmiştik. Bir doğal mıknatıs da yapısal olarak (farklı elektrik yüklerini andıran) bir ucu güney (S), diğer ucu kuzey (N) olmak üzere iki kutba sahiptir. Mıknatısın bu iki kutbu arsında oluŞan kuvvet çizgileri, manyetik alan olarak ifade edilir. Eğer bu mıknatıs çubuk, bir bakır tel bobin içinden geçirilecek olursa bobinin iki ucunda bir gerilim indüklenmesine yani yönlü bir elektron akımına neden olur. Burada mıknatısın bobin içindeki hareketi aynı zamanda mekanik bir hareketi gerektirdiğinden mekanik etkiden elektrik enerjisi elde edilmiş gibi de değerlendirilebilir.
   

5. 
   Işık etkisi ile elektrik elde edilebilir: Üzerine ışık enerjisi düşen bazı maddeler, madde atomlarındaki serbest elektronları harekete geçirerek maddenin uç noktalarında bir gerilim meydana getirir. Bu olaya fotoelektrik adı verilir. Işık da bir enerji kaynağıdır ve foton adı verilen taneciklerin hareketiyle yayılır. Fotonlar elektronlara çarparak sahip olduğu enerjinin bir kısmını bırakır. Bunun sonucunda elektronlar yönlü bir hareket kazanarak elektrik akımının oluŞmasına neden olur. Foto-transistörler, fotoseller, güneş pilleri buna örnek verilebilir.
   

1. 
   Sürtünme ile elektrik enerjisi elde edilebilir: Birçoğumuz yünlü giysilerimizi üzerimizden çıkarırken bir çıtırtının oluştuğunu fark etmişizdir. Eğer bu olayı karanlık bir ortamda yaşarsanız çıtırtıyla beraber kıvılcımları da görmeniz mümkün olacaktır. Burada bir sürtünme eylemi ve bunun sonucu oluŞmuş elektriklenme söz konusudur. Sürtünme sonucu cisimler malzeme özelliklerine göre negatif (-) ya da pozitif elektrik yükleri kazanır.
   

2.