1. elektrik ve devre kavrami elektriğin Gereği ve Önemi

DOĞRU AKIM VE ALTERNATİF AKIM

1. Doğru Akım

Elektronların bir iletken içindeki yönlü ve vurgulu (impuls) hareketi, elektrik akımını meydana getirir. Eğer birim zaman içinde bu akımın yönü (elektron akış yönü) ve şiddeti değişmiyorsa bu akıma doğru akım denir. Akımın yönü daima üretecin bir kutbundan (+ kutbundan), diğer kutbuna (- kutba) doğrudur.

Kimyasal yolla elektrik enerjisi üreten pil ve akümülatörler, ısı enerjisini elektrik enerjisine çeviren termokupllar, ışık enerjisini elektrik enerjisine çeviren fotoseller doğru akım kaynaklarıdır. Diğer taraftan mekanik etkiyle manyetik yoldan elektrik enerjisi üreten dinamolar da doğru akım kaynağı olarak sayılabilir.

1. Doğru Akım Enerji Kaynakları

Piller, akümülatörler ve dinamolar bağlıca doğru akım kaynaklarıdır.

Piller

Piller, depo ettikleri kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren araçlardır. Basit olarak pilin yapısı, akım geçirmeyen bir kap, elektrolit ve kaptaki elektrolit içine daldırılmıŞ ve birer uçlarına iletken bağlanmıŞ cinsleri farklı iki ayrı metalden oluŞur. Elektrolit içindeki cinsleri farklı iki metal parça bir iletkenle birleŞtirildiğinde parçalar arasında bir potansiyel fark EMK (gerilim) meydana geldiği ve araya bir voltmetre bağlanacak olursa voltmetrenin de saptığı görülür.

Şekil 3.2‟de görüldüğü gibi bir çinko kabın içinde etkin kimyasal madde olarak amonyum klorür (nışadır) bulunur. Çinko kabın ortasında bir karbon çubuğu vardır. Kömür çubuğun etrafında magnezyum oksit, çinko klorür ve karbon tozlarından oluşan kimyasal karışım bulunur. Çinko kabın üstü yalıtkan bir kapak ile kapatılmıştır. Bu yapıda bir pilin dış çinko kabı ile kömür çubuğu arasında yaklaşık olarak 1,5 voltluk bir elektromotor kuvvet meydana gelir. Birçok değişik yapı ve özellikte piller üretilmiŞtir (Volta pili, Löklanşe pili gibi).

Akümülatörler

Piller gibi kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çeviren aynı zamanda elektrik enerjisini kimyasal enerji olarak depo edebilen ve pillere göre daha yüksek akım verme özelliğine sahip doğru akım kaynaklarıdır. Akümülatörlerin şarj edilebilme özelliği yanında uzun ömürlü olması ve istenilen süreli yüksek akımları karşılayabilmesi, onların çok geniş bir alanda kullanılmasını sağlamıştır. Özellikle bütün ulaştırma araçlarında, otomasyon gerektiren sistemlerde, güvenlik sistemlerinde ve haberleşme hizmetlerinde kullanılan doğru akım kaynaklarıdır.

Basit olarak akümülatör; elektrolit, elektrotlar ve elektrotları birbirinden ayıran separatörlerden oluşur. Şekil 3.3‟te kurşun akümülatörün iç yapısı görülmektedir.

Elektrolit: DeriŞimi (yoğunluğu) % 10 olan sülfürik asit çözeltisidir. Genelde bu derişim bome derecesi ile ölçülür. Kurşunlu akümülatörlerde bome derecesi 25, yoğunluğu ise 1,21 g/cm³ civarındadır.

Elektrotlar: Kurşun plakalardan yapılmıştır. Plakalar üzerine kafes şeklinde delikler açılmıştır. Pozitif plakanın bu deliklerine kurşun dioksit (PbO₂) sıvanarak preslenmiştir. Negatif plakalara da aynı şekilde saf kurşun plakalar preslenmiŞtir.
Bir akümülatörde bir göz, yaklaşık olarak 2 volt civarında bir EMK üretir. Örneğin, 6 gözü seri bağlı bir akümülatör, 6 x 2 = 12 voltluk bir EMK (elektromotor kuvvet) üretir.

Dinamolar

Elektrik enerjisi kaynaklarını incelerken bunlardan bir tanesinin de manyetik alan içine sokulmuş bir iletkende bir gerilimin indüklendiği ve elektrik akımının oluştuğunu söylemiştik. Dinamo ve jeneratörler mekanik etki, yani döndürme hareketiyle manyetik yoldan elektrik enerjisi üreten makinelerdir. Doğruger ilim veren jeneratör lere dinamo, alternatif akım veren jeneratö rlere alternatör denir. Temel çalışma prensipleri aynı olmakla beraber dinamolar; özel bir düzenle alternatif gerilimi, doğru gerilime çevirir. Şekil 3.4‟te görüldüğü gibi iyi bir iletken, bir manyetik alan içine sokulur veya çıkarılırsa manyetik alanın etkisi iletken atomlarının dış elektronlarını serbest duruma sokar ve bunları belirli bir yönde hareket etmeğe zorlar. Böylece iletkenin iki ucu arasında bir potansiyel farkı meydana gelir. Bu Şekilde küçük bir mıknatıs ve bir iletkenle işe yarar bir elektromotor kuvvet (elektrik enerjisi) elde edilemez. Bunun için çok miktardaki iletkenin bobin hâlini aldığı kangallar, belirli özellikteki sacdan yapılmış bir rotorun oyuklarına yerleştirilir. Bir gövde içine yerleştirilmiş mıknatıslar sabittir. Her iki ucundan yataklanmış rotorun mıknatısların oluşturduğu manyetik alan içinde döndürülmesiyle iŞe yarar bir EMK elde edilir.

Özel hazırlanmış bir bobin düzeneği (Şekil 3.5), kuzey (N) ve güney (S) kutuplarından oluşan daimî bir manyetik (mıknatıs) alan içinde bir yönde döndürülecek olursa bobinin uçları arasında bir gerilimin indüklendiği ve elektrik akımının meydana geldiği görülür. Bu endüksiyon akımı, düzenekteki fırçalar yardımıyla dış devreye alınır. Dış devreye alınan bu akım, devrenin manyetik alan Şiddeti ve bobinin dönme hızı değişmediği sürece hep aynı yön ve Şiddette, doğru akım olacaktır. Bu nedenle dinamo bir doğru akım kaynağıdır. Bir dinamodaki gerilimin değeri; bobindeki sarım sayısına (spir), bobin devir sayısına (dev/dk.) ve bobine uygulanan manyetik alan Şiddeti ile orantısal olarak artar veya azalır.

Bir dinamo dört kısımdan oluşur.

1. 
   Endüktör: Manyetik alanı oluşturan bobin kısmı (endüksiyon bobini)
   
2. 
   Endüvi: Bobinlerin sarılı olduğu döner hareketli kısmı
   
3. 
   Fırçalar: Endüksiyon yoluyla oluşan akımı dış devreye ileten parçalar
   
4. 
   Kapaklar ve yataklar: Endüksiyon bobini ve endüvinin aynı merkezli yataklanmasını sağlar.
   

Bu gerilim rotor üzerindeki bobin uçlarının bağlı olduğu kolektör tarafından fırçalara iletilerek dış devreye alınır. Bu akım, dış devrede her zaman bir yöndedir ve şiddeti de sabittir. Çünkü endüksiyon akımı yön değiştirince fırçalar da (komütatör yapısı ile) dilim değişmesi yapar, akım tek yönde doğar. Yönü ve şiddeti belli olan bu akım doğruakımdır. Bu nedenle dinamolar doğru akım üreteci, yani doğru akım jeneratörüdür (Şekil 3.5).

2. Pil ve Akümülatör Bağlantıları

Pil ve akümülatörler bir elektrik devresindeki bağlantıları; seri, paralel ve karışık devre (seri, paralel) olarak bağlanabilir. Bu bağlantılarda amaç, istenilen gerilim ve akım değerlerinin elde edilmesidir.

Pil ve akümülatörlerin seri bağlanması

Bu bağlantı gerilimi artırmak amacıyla yapılır. Seri bağlamada iki veya daha fazla üreteç (akım kaynağı) birincisinin negatif (-) ucuna diğerinin pozitif (+) ucu temas sağlayacak Şekilde bir sıra hâlinde bağlanır.

Seri bağlantıda gerilim, seri bağlanan her üretecin geriliminin toplanmasıyla bulunur.

E_T = E₁ + E₂ + E₃ + E₄ + ...........+ En Şeklinde hesaplanır.

Örnek problem 1. Bir el radyosu 4 adet 1,5 voltluk seri bağlı pilin gerilimiyle beslenmektedir. Toplam besleme gerilimi bulunuz.
E_T = E₁ + E₂ + E₃ + E₄= 1,5 + 1,5 + 1,5 + 1,5 = 6 V veya E_T = 4 x 1,5 = 6 V bulunur.

Pil ve akümülatörlerin paralel bağlanması

Bir elektrik devresinde akım değerini artırmak için devre üzerindeki pil veya akümülatörler devreye paralel bağlanır. Böyle bir bağlantıda üreteçlerin gerilimlerinin eŞit olması aranır. Aksi takdirde düŞük gerilimli pil veya akümülatör devrede almaç gibi görev yapacaktır.

Paralel bağlantı için her üretecin pozitif (+) uçları birbirine, negatif uçları da birbirine bağlanır.

Paralel bağlanmış bir bataryada bataryayı oluşturan üreteç gerilimleri eşit olmak kaydıyla;

1. 
   batarya gerilimi bir üretecin gerilimine eşit olur.
   

E_T = E₁ = E₂ = E₃ = E₄ = ........ = E_n

2. 
   batarya akımı devreye bağlı üreteç sayısı kadar artar.
   

I_T = I₁ + I₂ + I₃ + I₄ + ....+ = I_n

Örnek problem 2. 12V, 55A‟lik 3 adet akümülatör paralel bağlanmıştır. Bataryanın gerilimi ve akımını bulunuz.
E_T= E₁=E₂=E₃= 12V,

I_T = I₁ + I₂+ I₃ = 55 + 55 + 55 = 165A bulunur.

Pil ve akümülatörlerin seri-paralel, karışık bağlanması

Hem gerilimin hem de akımın artması istendiği durumlarda üreteçler seri, paralel gruplar hâlinde bağlanır. Pratikte nadiren seri-paralel bağlantı uygulaması görülür. Çünkü bu yöntemde üreteçlerdeki bir miktar enerji üreteçlerin iç direnci üzerinde tüketilir ki bu kayıp enerjidir. Bu nedenle bu bağlantı şekli pek kullanılmaz.

Diğer taraftan paralel bağlanan üreteçlerin EMK‟lerinin de eşit olma zorunluluğu vardır. Aksi takdirde EMK‟si büyük olan diğer üreteç üzerinde boşalır.

Örnek problem 3. Şekil 3.11‟de her üretecin EMK = 1,5 V ve akım değeri I = 0,5 A eŞit olduğuna göre devrenin toplam EMK ve devrenin toplam akım değerini hesaplayınız.

Paralel bağlanan almaçların gerilim değeri değiŞmeyeceğinden ve aynı zamanda bir üretecin gerilim değerine eşit olacağından o da 1,5 V olur.

Devrenin gerilim değeri ise birbirine seri bağlı iki paralel grup için;

EMK, = 1,5 V + 1,5 V = 3 V olur.

Akım Şiddeti ise paralel bağlamada her bir üretecin akım değeri toplanacağından;

I_T = I₁ + I₂ + I₃ + I₄ = 0,5 A + 0,5 A + 0,5 A + 0,5 A = 2 A bulunur.

2.