A-Elektrik Akımının İletken Metallerde İletilmesi Olayı
Daha önce elektrik akımının çeşitli yöntemlerle üretim yollarını beraberce inceleyip öğrenmeye çalışmıştık.Bu yazıda ise iletilmesinde kullanılan kablolardaki davranışlarını inceleyeceğiz.Bunun için yine atomun basit yapısını tekrar hatırlamamız gerekecektir.
Bildiğiniz gibi tek bir atomun yapısında serbestçe kulon çekim gücü ve merkezkaç kuvvetiyle dengelenerek dönebilen elektron(Kütlesi çekirdeğe göre çok küçüktür) ile merkezinde sabit durumda yer alan çekirdek(Proton=+ yüklü parçacık+nötron=Yüksüz parçacık) yer alır.
Elektrik akımını ileten bakır,alüminyum gibi iletkenlerden yapılan kablolar yalnızca tek bir metal atomundan oluşmazlar.Ayni görevi yapmak üzere(Hücrelerin dokuyu,organları oluşturması gibi) bir araya gelerek metalik bir yapı oluştururlar.Daha önce fizik,kimya derslerinde gördüğümüz kovalent(Elektronların ortak kullanılması) ve iyonik(Bazı atomların dış yörüngesini 8’e tamamlamak için elektron alması(-) ve diğer atomun bu elektronu vermesi(+) ile oluşan,bu + ve – elektik yüklü atom parçalarının birbirlerine çekim gücü oluşturması) bağlardan ayrı olarak farklı yapıda bir “metalik bağ” bu kablolarda,saç plaklarda,yani metallerde oluşum olarak vardır.
Peki nedir bu metalik bağ?Birden fazla atom, ayni görevi yapmak için bir araya geldiklerinde, + yüklü çekirdek kısımları,tıpkı bal peteği gibi kümeleşerek toplanır, - yüklü elektronlar ise, yine ayni çekirdeklerin bu kümeleşmesindeki gibi, bir araya gelerek,yüzen bir yapıda toplanarak kümeleşirler ki, bir bulutu andıran bu yapılarına “elektron bulutu” ismi benzetimle verilmektedir.İşte elektrik akımını oluşturan ve iletken metallerde serbestçe hareket eden elektronlar,bu elektron bulutu içindeki yapı(Kafes) içinde,serbestçe metalik yapının bir ucundan diğer ucuna iletilebilirler.Katı metal iletkenlerde,elektrik akımının sadece elektron parçacığı olarak,iletken sıvı(Elektrolit),gaz(İyonlaşmış gaz) ve plazma(Maddenin 4. halindeki özel ve çok sıcak hali) ortamlarında ise, + ve – yüklü parçacıklar şeklinde iletildiğini ayrıca biliyoruz.
Bu katı yapı çok saf,yani yüzde 100 bakır,alüminyum,gümüş gibi elektriği iyi ileten metal atomlarından oluşmazsa,kafes yapıda yer alan bu yabancı atomlar,bu elektron bulutu vasıtasıyla,elektronların(Elektrik akımının) iletilmesini güçleştirir,elektronların geçişine bir mukavemet(Direnç) gösterirler.Bu elektriğe karşı istenmeyen bir direnç demektir.Çünkü bu geçiş esnasında elektronların kinetik enerjilerinin bir kısmı yavaşlatılarak,voltaj düşümü meydana gelmiş olacaktır.Bu da istenmeyen bir güç yitirilmesi,yani ek kayıp demektir.Bu nedenle kablo yapımında kullanılan metallerin çok saf olması(Yüzde 99,99 gibi)istenildiğinden çoğunlukla elektrolitik bakır metali,elektroliz yöntemiyle diğer elektrotta biriktirilerek elde edilir.
B-Elektrik Akımının Voltajı,Amperi Ne demektir?
Küçük bir pilin,akünün voltajı ile,şehir şebekesi(220 volt ac.) voltajı,bu farklılığını nereden almaktadır diye de kendi kendimize sorabiliriz.Bu tamamen elektronların iletken içindeki hızları(Kinetik enerjileri) ile yakından ilgili bir olaydır.Elektronun,bir elektrik akımını oluştururken tel içinde hareket ederken sahip olup kazandığı bir kinetik enerjisi(Hızı) özel olarak vardır ve bu voltaj ne kadar büyükse,sahip olduğu kinetik enerjisi de o kadar büyük demektir.3 adet yuvarlak AA pilini arka arkaya ekleyip tek bir batarya oluşturduğumuzda, + ve – yükler birbirlerine bağlantı sağlayarak 3*1.5=4,5 voltluk yeni voltajlı(Daha yüksek kinetik enerjili,ancak seri bağlantıda ayni akım şiddetinde olan) bir elektrik akım kaynağını elde ederiz.
Ek=1/2 mV2 ‘dir.Yani elektronun kinetik enerjisi(Ek),elektron kütlesi(m)ile, elektron hızının (V) karesinin çarpımına eşittir,kinetik enerjinin bu formülüne göre.Elektron parçacığı ne kadar hızlıysa,voltaj da o kadar yüksek demektir.220 volt ac, akımında kabloda hareket eden
elektronlar,12 voltluk bir aküyle kablo içinde hareket ettirilen serbest elektronların hızından daha yüksek,yani kinetik enerjileri 19-20 kat daha büyüktür,Bu oranda da faydalı güçte kendilerini göstererek bir iş ortaya çıkarırlarken bu farkı açıkça da ortaya koymuş olurlar.
Elektrik akımının akım şiddeti amperi ise,birim zamanda iletken kesitinden geçen elektrik yükü(Kulon) miktarı(Elektron sayısı) demektir.Yani 1 amper=1 Kulon/1 saniye’dir.Bir saniyede bakır bir iletkenin kesitinden geçen 1 kulonluk bir yük bulunuyorsa,telden 1 amper şiddetlinde bir akım geçiyor demektir.
C-Telden Geçen Elektrik Akımının Isı Etkisi (Joule Olayı) Nasıl Oluşur?
Metalik bağlarda, kafes içinde yer alan istenmeyen yabancı atomların elektrik akımının geçişini(Elektronların serbestçe elektron bulutu vasıtasıyla sağlanan geçişi) elektronların bu yabancı atomlar yüzünden serbest hareketini yavaşlatan bir frenleme etkisi(Direnç olayı) yapabildiğini görmüştük.Direnç(Rezistans) olarak kullanılmak istenen günlük uygulamalardaki elektrik malzemelerinde,ayrıca bu istenmeyen durum öne çıkarılır.yani yabancı atom sayısı,değişik metallerden alaşımlar yapılmak suretiyle oluşturulur.Krom ne nikel metalleri alaşım yapılarak ni-krom alaşımlı bir direnç teli malzemesi oluşturulur.Oluşturulan bu telde,belirli bir uzunluk ve kesitte,elektrik akımını oluşturan elektronlar,telin bir ucundan diğer ucuna doğru giderlerken oluşan bu direnç olayını birlikte inceleyelim isterseniz.
Elektronlar telin ilk başlarında çok hızlıdır,kinetik enerjileri çok yüksektir.Direnç teli içinde akarlarken bu enerjilerini kademe kademe yitirerek,en sonda bulunan tel ucundan ise,çok yavaşlamış olarak çıkarlar.Bunun sebebi,alaşımlı ni-krom teldeki metalik kafes yapısında,elektronla çarpışmaları,elektronların bir bakır iletkende olduğu gibi,kayıpsız,yani kinetik enerji yitirmeden hareket etmemesi,metalurjik kafes yapısı içindeki atomlarla çarpışmaları,enerjilerini giderek kaybetmeleridir.Bu çarpımlar sonucunda,elektron dirençten geçerken sürtünme ve çarpışmalarla da bir ısı enerjisi(Atomların bu kafes yapı içinde oynadığı,titreşim yapabildiği özel durum) açığa çıkararak,elektrik enerjisi ısı enerjisine bu şekilde dönüşmüş olur.
12 volt 100 amperlik akünün bir telde geçerken verdiği kayıp ısı enerjisi,220 volt,100 amper taşıyan bir havai hatta,ayni tel kesitinde vermiş olduğu ısı enerjisiyle eşit olur.Eişt olmasaydı,220 volt ve 12 voltluk devrede kullanabildiğimiz 250 volt/2 amper etiketki bir açma-kapama anahtarı(Siviç) malzeme yapısı olarak,bu 19-20 kat fazla geçen güç toplanı yüzünden 19-20 kat daha akıma dayanıklı(ısınmadan geçebilmesi için) yapılması gerekirdi.Oysa biz 12 voltluk devrede ve 220 voltluk devrede de ayni 2 amper etiketli olan anahtarı rahatça da kullanabiliriz.Bunun sebebi ise aslında şu basit olaydır:440 watt.lık bir lambayı çalıştıran 2 amper etiketli anahtardan geçen 220 volt ac. akımın anahtarda oluşturacağı ısı enerjisi ile,24 watt.lık bir oto ampulden akan12 voltluk dc. akımın,ayni anahtarda oluşturacağı ısı enerjisi ayni olacaktır.Çünkü elektriği oluşturan elektronlar,220 voltluk lambanın flamanında da,12 voltla çalışan lambanın flamanında da,ayni şekilde direnç etkisiyle kinetik enerjileri yavaşlatılan ve zayıflatılan şekilde,flamanların diğer ucundan çıktıktan sonra,anahtar metalinden ayni hızda(Kinetik enerjide) geçerler.Ayni hızda geçen elektronların da,her iki anahtarın farklı voltajlardaki kullanımında,ısınma durumu ayni olacaktır.Çünkü ayni hızla,enerjiyle anahtara girerken,anahtardaki metalik bağlarda,ayni ısı etkisini gösterirler.
Ama her iki flaman devresinin bilerek kısa devre yapılması durumunda,220 voltluk durumda,anahtardan,12 voltluk duruma göre 19-20 kat daha şiddetli(Hızı,kinetik enerjisi fazla)olan akım(Güç) geçmiş ve anahtara da bununla doğru orantıda bir etkiyi(Hasarı) vermiş olurlar.Çünkü kısa devrede 220 volt 2 amperlik güç yüzünden anahtar,19-20 kat daha fazla bir elektrik gücü ile karşı karşıya kalacaktır.
D-AC. Elektrik Akımının Çekirdeksiz ve Çekirdekli Bobinlerdeki Farklı Etkisi
220 volt ac. akımı,bu voltaja uygun sarılan 220 voltluk bir bobinde ortada mağnatik kuplajın sağlanarak değişken bir mağnetik akının,kapalı devre şeklinde tam kuplaj sağladığı bir bobinde,ısınmadan ve belirli bir indüktans değerinde ısınmadan dayanır.ayni ac. akımı bu defa kapalı mağnetik kuplaj özel çelik saç demetinden oluşmuş nüvesiz 220 volt ac. uyglandığında,elektriğe daha düşük direnç göstererek kısa sürede ısınarak yanmaktadır.Buna neden olan sebebi açıklamaya çalışalım isterseniz.
Birinci durumda bobinin indüktans değeri,yalnızca bobinin içinden geçerken,yeterli direnç 220 volt ac.ye karşı oluşturulamadığından,yani elektriğe karşı bu direnci çok düşük kaldığından sargılar yanmaktadır.İkinci durumda ise,ortasından tam bir kuplajla kapalı mağnetik alan geçmesi durumunda ise,elektrik akımına gösterdiği direnç istenen omajda olacağından,saatlerce yanmadan çalışabilecektir.Bunun nedeni ise,elektrik akımının ferromıknatısiyet etisiyle,değişken bir mağnetik akıyla geçtiği nüveden,bakır bobinler üzerindeki elektronların geçişi sırasında oluşturduğu yavaşlatma,enerjisini azaltma nedenidir.Bildiğimiz gibi ferrromıknatısiyette,belirli bir yöne yörüngede dönen elektronler küçük bir mıknatıs gibi davranmakta,çekim gücünün nedenini oluşturmaktaydı.ayni şekilde belirli bir yöne dönen bu elektronlar,bobin içindeki metalik bağdan geçmekte olan elektrik akımının elektron parçacıklarına mağnetik momentleri nedeniyle bir yavaşlatma,frenleme etkisi yapar.Bu yavaşlatılan elektronlar bobinin bitim ucuna geldiklerinde ise,çakirdeksiz durumda bobinin maruz kaldığı dirençsiz olarak şebekeye tepkisiz kalmazlar.Çekirdekli bu durumda,içlerinden geçen mağnetik kuplajdaki ferromıknatısiyet olayındaki elektronların yavaşlatma etkisiyle daha büyük bir elektrik direncini şebekeye gösterebilmiş ve ısınıp kısa sürede yanmaktan korunmuş olurlar.Zaten elektriğe olan direnci(Empedansları) bu kuplajlı nüve kısmı var olan şekliyle hesaplanarak üretilmişlerdir.Çekirdek yokluğunda,başka bir empedans değeri göstererek yanmaları söz konusu olur.
Bu bobinlerin özel durumu,transformatörlerin primer ve sekonder sarımlarında uygulama alanı bulmakta,ayni bir jeneratör gibi elektrik üretebilmekte olup,bunu tamamıyla statik yapılarıyla oluşturabilen yararlı elektrik makinalarıdır.Sekonder sarımlarının kısa devre yapılmasında ise,ayni asenkron motorların kısa devreli rotorlarında oluşan e.m.kuvvetler(İndüksiyon akımları) nedeniyle,bir döndürme momentiyle dönen rotor kısımları gibi,trafoların da sekonder sarımlarında oluşan e.m. kuvvetler(İndüksiyon akımı),kısa devre durumunda geçen akımla sargıların dönememesi nedeniyle,içlerinde yanmaya neden olabilecek yüksek ısı enerjisinin oluşmasına neden olabilecektir.Ancak belirli bir çekilen nominal akımlı değerlerinde,trafo normal akım-gerilim değişimi görevini aşırı ısınmadan başarıyla yapabilecektir.
E-Elektrik Akımı Bir Kondansatörde Elektrik Yükleri Şeklinde Nasıl Depolanır?
Bir düzlemsel kondansatörde elektrik akımı,bir kondansatörün uçlarına uygulandığında,akımdaki - yükler, - yüklü kondansatör plakasına, + yükler ise + kutbun bulunduğu kondansatör plakasına giderler.İki plaka aralarındaki uzaklığın (d) karesiyle ters,yüklerinin(Q1,Q2) büyüklüğüyle doğru orantılı olarak birbirlerine Fk=Q1*Q2/d2 Kulon çekim kuvveti gereğince bir çekim gücü yaratırlarBu çekim gücü,aradaki dielektrik yalıtkanın veya hava boşluğunun arasından geçerek,aslında iki zıt yüklü plakaların birbirlerine uyguladıkları indüksiyon etkisi ile,plakalardaki bu + ve – yüklü parçacıkların,elektrik akımı kesilse bile plakalar üzerinde kalabilmelerini,zıt yüklerin birbirlerine uyguladığı zıt yüklerin kulon çekim kuvveti(Fk) gücüyle ve birbirlerine göre farklı işaretli olan yüklerin,özel olarak uyguladıkları bir indüksiyon etkisi ile plakalar üzerinde sürekli kalabilmeleri,birikmeleri sonucu oluşur.
Elektrik akımının kablo metalinde,metal iletkenlerde + yüklü çekirdek parçası olan kısımlarının hızının ihmal edildiği,sadece – yüklü elektron hareketinin olduğunu kabul edebilmemiz nedeniyle, aslında olayın bir başka türlü oluşabildiği de öngörülebilir.Uygulanan elektrik akımındaki elektronların kinetik enerjisiyle, başlangıçta yüksüz yani nötr durumda olabilen metal plakaların,birindeki metalik bağlardaki elektron bulutundan kopan elektronlar,
diğer nötr durumda bulunan metal plakadaki metalik bağla oluşmuş yapıda birikerek, bu plakayı – yükle zengin yani – plaka, diğer elektron kaybeden yüksüz plakanın da,eksik elektronları nedeniyle,onun da + yük zengini,yani + yüklü çekirdeklerden oluşmuş yapıya dönebilmesine sebebiyet verir.Yani uygulanan elektrik akımı,bir şekilde plakaları + ve – yüklü 2 ayrı kutba ayrıştırmakta, kulon elektrik çekim alanının ve indüksiyon kuvvetlerinin etkisiyle de,elektrik akımı kesilse bile,plakalardaki bu yük ,mevcudiyetini bu özel çekim gücü ve kuvvetlerle sürdürebilmektedir.
Bir elektrolitik kondansatörde ise,yüklerin depolanması işlemi elektroliliz etkisiyle alüminyum plakalardan birinde oluşan alüminyum oksit tabakası ile elektrolitik sıvı arasındaki(Aslında bir “leyden” şişesinin bir çalışma ilkesidir.)etkileşimle oluşan bir kondansatör türüdür.Kap içindeki sıvıdan doğrudan elektrik kutbunu alamayacağımız için,bir başka alüminyum elekrotla kollekte edilip prensip olarak çalışabilmektedir.İkinci plaka üzerindeki bu oksit tabakasının kalınlığı milimetrenin binde biri kadar incedir.Bu ince tabaka ayni zamanda elektrolitik kondansatörün sığasını da belirleyen önemli bir etkendir.Ancak kutuplar ters bağlandığında,yani – kutba, + elektrik tatbik edildiğinde, - kutup üzerindeki alüminyum oksit tabakası hasar görecek ve elektrolitik kondansatör devreden elektrik çekmeye devam edecek, tam şarjla dolsa da sızıntı akımını akıtabilecektir.Non-polar yani kutupsuz yapıda üretilen elektrolitik kondansatörlerde, bu çift yapıda oluşturulmuş alüminyum oksit tabakaları olduğundan,her iki bağlantı şeklinde de bir bozulma,akım sızdırma durumu oluşmayacaktır.
Elektrolitik kondansatörlerin plaka yüzeyleri,ayni bir akümülatördeki plakaların kapasitesinin arttırılması için süngersi,içi aşındırılmış oksit ve kurşun yapısındaki gibi,alüminyum plakalar da,özel bir işlemle asitle işlenerek, iç yapılarındaki gözenek durumu,tıpkı bir kok kömürü(Gaz maskelerinde filtre olarak çok geniş bir yüzey alanı oluşturulmasında olduğu bu özel,gözenekli bir aktif kömür türü gibi,çok geniş bir yüzey elektrolitik sıvı ile metal plakanın temas yüzeylerinde oluşturulmuştur.Bu şekliyle de,ayni akülerdeki gibi,yüksek bir kapasitenin (Sığanın) elde edilebilmesi de sağlanabilmiştir.
F-Elektrik Akımı Işık Haline Nasıl Dönüşür?
Işık elektromanyetik dalgaya dönüşmüş bir enerji çeşididir.Uzaydan atmosferi geçerek bazen ultraviyole,gama,x ışını,vb. yüksek enerjili kısa dalgalı ve yüksek frekanslı formlarıyla dünyamıza kadar gelebilmektedir.bir enerji çeşidi olan ışık,elektrik enerjisi verilerek değişik lamba türleriyle,foton yani tanecik yapısında ve dalga yapısında olarak elde edilebilmektedir.
Bir tungsten flamanlı akkor lambaya elektrik verildiğinde,tungsten metalinden geçen elektronlar metali çok yüksek derecelere kadar ısıtarak,uygulana voltajın büyüklüğüyle doğru orantılı olarak,(Kızılötesi=enfraruj,normal olarak görünen beyaz ışık=gün ışığı,morötesi=ultraviyole) değişik dalga boylarında ve değişik ışık enerjisi tiplerinde verilebilmesini sağlamaktadır.ama kazanılan ışık enerjisinin verimi bu lambalarda yalnızca yüzde 15-20 kadardır,geriye kalan enerji ise(Yüzde 80’i),istenmeyen enfraruj(Kızılötesi) formuyla da bu lambada ısı enerjisi şeklinde yok olur.
Çalışma prensibi şu şekilde olabilmektedir.Elektriğin ısı etkisiyle,erime sıcaklığına yakın yüksek dercelere çıkan tungsten metalinden oluşan fitil kısmındaki tungsten atomlarındaki en dış yörüngede bulunan eletronlar,bir alt yörüngeden bir üst yörüngeye sıçrama yaparak gelir.En dıi yörüngeye bir enerji ile gelen bu elektronlar,tekrar ebir alt yörüngelerine dönerlerken,almış,soğurmuş oldukları bu elektrik enerjisini elektromanyetik ışık dalgaları şeklinde,foton tanciği şeklinde atomdan dışarıya doğru neşredebilmiş,vermiş olurlar.Isı enerjisinin indirekt olarak verildiği,tüple ısıtılan toryum bazlı yanmaz fitillerde de ayni prensiple ışık bu şekilde üretilir.Yalnızca burada fitil elektrik yerine lpg gazıyla yani bir alevle ısıtılmış olur.
Fülüoresan,yani düşük basınçta çalışan civa buharlı lambalar,flamanlı lambalar gibi direk olarak değil,indirek yani ikincil prensiple ışık verirler.(Lüminesans olayı)Bu lambalarda başlangıçta ısıtılınca kolayca elektron veren bir malzeme her iki baştaki tungsten fitil üzerinde toz olarak yer alır.Starter çalışıp da elektrik akımı bu fitilleri kızdırınca,bu maddeler serbestçe elektron vermeye uygun olur.tarter kontakları açılıp kapanınca balast(Şok) bonininden gelen anlık yüksek değerdeki bir öz-indüksiyon gerilimi (250-300 volt) bu iki ısınan ve elektron vermeye hazır hale gelen tungsten fitiller arasından atlar.Atlayan bu gerilim değeri,düşük basınçtaki civa buharını ateşleyip de iyonlaştıramaz,ama cam tüp içinde bulunan başka bir gaz (Neon) ateşlenerek gaz deşarjının başlangıcı başlar,bu deşarjın ısısı civa buharını ayrıca ısıtarak iyonize haline getirir ve civa buharı deşarjı aslında o zaman tam olarak başlatılmış olur.Oluşan bu deşarj ışığı görünmeyen morötesi(Ultraviyole) ışık verir.Zaten morötesi mikrop öldürücü lambalar da bu şekilde çalışırlar,yalnız tüpün iç kısmında, beyaz ışığa ikincil olarak dönüşüm yapacak özel bir kaplama maddesi toz olarak sıvalı değildir.Direk olarak camdan dışarıya verilir ve gözle de görünemezler.Normal günışığı(Daylight) veren flüoresan lambalarda bu baryum platina siyanür tabakasına,cam tüpün iç yüzünden emilen morötesi ışınlar,ayni akkordaki gibi, dış yörüngelerindeki elektronlar,yüksek bantlı yörüngeye çıkar,daha alt banttaki yörüngelerine geri dönerlerken de,almış oldukları bu morötesi ışınım enerjisini,görünür beyaz ışık şeklinde ikincil olarak tüpün dış yüzeyinden verirler.Tüp iç kaplamasına değişik malzemeler katkısıyla değişik,daha yumuşak,sıcak renk sıcaklığında olan flüoresan ışıkları da elde edilebilir.
Saygılarmla.
Son düzenleme:
