Merhaba.
Bildiğiniz gibi Elektrik elde etme yöntemleri ders kitaplarında yalın olarak ve asıl oluşma durumları göz önüne alınmadan daha basit olarak anlatılmaya çalışır ve buradan bir sonucun çıkarılması da tamamen okuyucuya bırakılır.Bu makalede değişik elektrik elde etme yöntemleriyle,elektriğin nasıl ve hangi prensiplerle oluşabildiğini birlikte incelemeye ve öğrenmeye çalışacağız.
Elektrik olayını tam olarak anlayabilmek için atomun yapısını kaba hatlarıyla tanımlayalım isterseniz.Bildiğimiz gibi atom,yörüngesinde dönen bir veya daha fazla sayıda elektronla,merkezinde çekim gücü yaratarak onu çeken ve merkezkaç kuvvetiyle dengelenen çekirdek kısmından oluşuyor.Çekirdekte de farklı sayıda proton ve nötron parçacıkları,değişik atomlara,elementlere has olarak bulunuyor.Nötron parçacıkları nötr yani yüksüz,protonlar ise + yüklü olup çekirdeğin asıl toplam yükünün de + olabilmesini sağlıyor.Elektronlar ise her zaman – yüklü konumdalar..elektronların kütlesi proton ve nötronu içeren çekirdeğe göre daha küçük,buna karşılık çekirdek yörüngesinde dönüş hızları da daha yüksektir.Elekrik akımının esası,atomun bu çekirdek ve elektronlarının çaşitli yollarla ayrışarak hareketiyle oluşan bir olay.Tüm elektrik olaylarında bunları göz önüne alıp ayrıca birlikte inceleyeceğiz.
Elektriğin fiziksel anlamda ve uygulaması bulunan iki ayrı çeşidi vardır: Statik elektrik ve akan (Yani bugün evlerimizde kullandığımız) elektriktir.Elektrik akımı keşfedilmeden önce statik elektrik bulunmuştu biliyorsunuz.
Statik elektrik; yalnızca + veya – yüklerin tekil olarak uygun bir ortamda depolanması ile oluşan ve uygulamada daha az kullanılan(Toz,sprey bazlı bazı boyaların yüzeylere düzgün şekilde kaplanarak boyanmasında,klima filtrelerinde,fotokopi,lazer printerlerin tamburlarında,vb.)bazı ortam ve cihazlarda da olması hiç istenmeyen bir elektrik türüdür.Bulutlarda hava içindeki sürtünmeyle,giysilerin ,halıların sürtünmesi ile ve tv tüplerinin ekranlarının ön yüzeyinde yüksek enerjili katot ışınlarının tüpün ön yüzeyine çarpması ile birikebilen,ancak eletrokoskoplarla varlığı anlaşılabilen bir elektrik türüdür.İki cismin birbiriyle olan sürtünme kuvvetiyle değişik malzemelerin atomlarındaki bu ayrışımı ile,yani elektron ve çekirdek kısımlarının koparak ayrılması ile veya çok yüksek gerilim kaynaklarında,örneğin 25 kV’lık bir tv tüpünün,ön Ekran yüzeyinde,ayrıca yine hava iyonize edici cihazlarının kaskat gerilim çoklayıcı çıkışlarındaki dış ortamla temaslı,metalik ve sivri olan yüzeylerinde yine,yüksek gerilimle çalışan ateşleme bujilerinin metalik olan dış yüzeylerinde özel olarak da oluşabiliyor.Statik elektrikten sonra akan elektriği değişik üretme yollu kaynaklarıyla bir bir inceleyelim isterseniz.
Kimyasal Yoldan Elektrik Üretim Kaynakları(Piller, şarj olan piller,akümülatörler):Bu kaynakların tümünde de elektrik akımı,yalnızca kimyasal yoldan,elemenlerin veya bileşiklerin,başka bileşiklere dönüşürken redoks(İndirgenme-yükseltgenme) olayıyla,elektron alışverişlerini kendi aralarında yaparken,bunu elektrik teli üzerinden elektron ve çekirdeklerin akışı şeklinde kanalize edebilmemiz sayesinde gerçekleşir.Basit bir örnek olarak,sülfirik asitle seyreltilmiş bir suya bir çinko(Zn) plakası daldırıldığında,çimko ile asit arasında,çinko yüzeyiyle sülfirik asit arasındaki kimyasal tepkimeyi başlatmış oluruz.bu tepkime nedeniyle ikisi arasında bir elektron alışverişi başalmış olur,ama biz bundan faydalanamayız.Bir potansiyel farkı çinko ile asit içindeki herhangi bir yüzeyde her zaman tepkime sürdüğü sürece vardır.Biz bu elektriği toplayacak bir kollektör görevini bakır(Cu) başka bir plakaya verebiliriz.O zaman bakır ve çinko elektotlara(Plakalara) elektrik iletkeni bağlayarak dış devreden,yani atomların bileşik yapmak için redoksla elektron alışverişini özelden kendi içinden değil de,genelden yani kablolar ile dışardan yaptırmak suretiyle faydali bir elektrik akımı elde ediyoruz.Diğer şarj oabilen piller,aküler için de ayni durum geçerlidir,prensip ayni olup değişmez..
Bir kurşun-asit akümülatörde,asit çözeltisine batırılmış biri kurşun(Pb) diğeri kurşun dioksit(PbO2)olan iki plaka vardır.Sülfirik asitin(H2SO4) seyreltilmiş çözeltisi bu plakalara ancak kurşun ve kurşundioksit olarak kaldıklarında etki edemez.asitin kimyasal karekteri bu özelliktedir.Bu şarjlı durumudur.Bu durumunda bir elektrik iletkeni ile iki plaka birleştirilirse,her iki plaka arasında bir kimyasal tepkime başlamış,redoks olayı start almış,elektron göçü,bir plakadan diğerine başlamış olur.Redoks neticesi her iki plaka da,ilk başlangıç aşamasında kurşunoksit (PbO) olur ve bu durumda sülfirik asitin kimyasal reaksiyonuna açık hale gelir.Her iki plakada farklı türden kimyasal reaksiyonlar neticesndei dış elektrik devresinde,elektronlar – kutuptan + ya,çekirdekler + kutuptan – ye doğru çekilerek bildiğimiz elektrik akımını ortaya çıkarmış olurlar.Dış devrede elektrik akımı bu şekilde akıp dolaşırken,akünün içinde (Çözeltide) ise – yüklü SO4 katyonları ve + yüklü H anyonları,kendilerine göre ters işaretli kutuplara doğru çekilirler.İlk etapta PbO haline dönen her iki plakada da, PbO+H2SO4=PbSO4+H2O’yu denkleme göre oluşturur.Böylece akü boşaldıkça da H2SO4 yüzdesi(Boume oranı) gittikçe düşer.
Akü tam boşaldığında her iki plaka da kurşunsulfat (PbSO4)’a dönüşür ve kimysal reaksiyon,iki plaka arasında fark kalmadığından dolayı sona ererek elektrik de kesilir.Bu durumda akü şarj olmadan,her iki plakanın da, PbSO4 olarak beklemesi durumunda,küçük kristallerin büyük monoblok(Tek )bir yapıya dönüşmesi riski,yani tamamen sağır,şarj olamaz bir duruma gelebilme riski de vardır.Buna meydan vermemek için, hücre gerilimi 1.8 voltun aşağısına düşmeyecek şekilde,belirli periyotlarda bir tampon şarj da,uzun süreli muhafazalarda gerekir ki bu şekilde bir sulfatlaşma veya sağırlaşma da önlenebilmiş olsun.Şarj sırasında her iki plakadan farklı gazların(Hidrojen ve oksijen))çıkması sebebiyle kuşunsulfat (PbSO4) – plakada redüklenerek kurşuna, + plakada ise kurşundioksite (PbO2) yeniden dönüşmüş olur.Her iki plakanın reaksiyonunda sülfirik asit çözelti olarak zenginleşir,miktarı da artmış olur.Gazlar tamamen boşa çıkmaya başladığında,ölçülen Boume yeterli veya hücre gerilimi 2.5 volt olduğunda akü tam dolmuş olur.
Bir çinko-karbon-amonyumklorür=nişadır çözeltili kuru pilin(Löklanşe pilinde) elektrik akımının üretebilmesi de ayni benzer prensiplerle gerçekleşir.Reaksiyon sırasında karbon çubuk üzerinde hidrojen birikmesi,ayrıca kutuplaşmaya neden olup,bu nedenle de elektriğin kesilmemesi için hidrojen giderici olarak mangandioksit (MnO2) kullanılır.Çinko kap(Zn),amonyumklorür=nişadır(NH4Cl) içinde redoks esnasında eriyip çözeltiye karışırken,elektrik iletkeni yoluyla karbon çubuğa – yüklü elektronları gönderir,karbon çubuktaki + yüklü çekirdekler de ters yönde çinko kaba doğru akar.Bunun neticesi de yine + ve – yüklü taneciklerin,elektron ve çekirdeklerin ters istikametlerde göçü olan bir elektrik akımıdır.Pilin iç cephesinde ise, - yüklü Cl katyonları çinko kaba etkiyrek Zn+2Cl=ZnCl2’yi denkleme göre yaparak,çinkonun pil elektrik verdiği sırada eriyip çözeltiye karışmasına neden olur.NH4 anyon kökü ise kömür çubukta ayrışarak,NH3(Amonyak) ve H2 gazı şeklinde çıkarlar.H2 gazı kutuplaşmayı,gaz toplanıp birikmesini önleyen,çubuk etrafına kömür tozuyla karıştırılıp yerleştirilen mangandioksit(MnO2) sayesinde bloke edilerek,pilin elektrik veriminin düşmesi önlenir.Bu reaksiyonda kabın dışını oluşturan çinko(Zn),tamamen eriyerek çinkoklorür(ZnCl2) şeklinde çözeltiye geçtiğinde, pilin kimyasal reaksiyonu,yani elektrik (Pilin ömrü de) üretimi de bitmiş olur..Karbon(Grafit) çubuk ise eriyip de çözeltiye karışamaz,sağlam olarak kalmış olur.Burada da elektrik,yine tamamıyle bir redoks,yani çeşitli bileşiklerin ve elementlerin,kimyasal reaksiyonla,dışarıya elektrik vermesi esnasında üretiliyor.Biz bu kendi aralarında alışverişte kullanmış oldukları elektriği,dış devreden bir iletken telle alıp kullanmaktayız.Yani pillerin,akülerin kendi içlerinde oluşan bir dizi redoks olayıyla,yani bileşik veya elementlerin indirgenmesi (Redüksiyon) ve yükseltgenmesi (Oksidasyon) olayıyla elektrik akımı dış devrede üretilmektedir.
Manyetizma Yoluyla(Mekanik Kuvvetlerle) Elektrik Üretimi Kaynakları:Alternatörler(Senkron jeneratör),Dinamolar,(AC ve DC. Üretim Kaynakları):
Bu konuyu tam anlayabilmek için öncelikle ferromanyetizma (Ferromıknatısiyet)li demir grubuna ait elementlerin çekim gücünün sırrını anlamamız icap eder.
Ferromıknatısiyet atomlar içindeki elektron yapısının bir sonucudur.yalnız başına basit bir atom yapısında bilindiği gibi ilk enerji katında en çok iki elektron bulunur.Mıknatısiyetin oluşmadığı elementlerdeki atom yapılarında,bu iki elektronun kendi etraflarındaki dönüş yönü birbirine ters yönlerdedir.Her dönen elektron da çok düşük bir mıknatıs gibidir,dönüş esnasında oluşturduğu ,kuzey ve güney kutupları ayrı ayrı da mevcuttur.Ters yöne dönen bu iki elektron da netice olarak birbirlerinin mıknatısiyetini sıfırlar,yani bu durumda bir manyetiklik de oluşamaz.Valans altı kabukları elektronla dolu olmayan,yani yörüngelerinde bazı elektronları eşit sayıda bulunmayan elementlerin veya bileşiklerin atomlarında(Mağnetit,(mıknatıs taşı),sert mıknatıs çeliği,neodiyum mıknatıs gibi) ise, bir yöne dönen elektronların sayısı,diğer yöne dönen elektronların sayısından daha fazladırBu nedenle bu eşitsizlik atomun dışında da etkin olabilen bir döndürme momenti (Spin) etkisiyle bir mıknatısiyet oluşturur.Bu sebeple bu elementlerin veya bileşimlerin sahip oldukları bu manyetik moment, en küçük atomsal parçasını bile,birer küçük mıknatıs yapar.Alfa demiri (Fe),kobalt (Co) ve gadolinyumda bu manyetik kuvvetler yeteri kadar kuvvetlidir ve yandaki atomlarla kendilerini tek bir manyetik hizaya getirme etkisini de yapacak kadar atomlar birbirine yakındırlar.İşte bu durum ferromıknatısiyeti oluşturur.Ayni şekilde NiFe2O3 ve Ba2Fe12O19 gibi bazı seramik malzemeler de bu özelliklere sahip bulunduklarından manyetiktirler.
Manyetikliğin oluşma şartlarını atomsal bazda bu şekilde kavradıktan sonra,alternatör veya dinamolarda elektriğin sargılarda nasıl oluştuğunu birlikte inceleyelim isterseniz.
Elektrik akımının oluşabilmesi için geleneksel bilgilerimiz olan değişken bir manyetik alanda,manyetik akı kuvvet çizgilerinin 90 derece ile ani kesilmesiyle,sargılarda bir elektrik akımı oluşabildiğini biliyoruz.Oluşan bu elektrik akımı sargıyı oluşturan izoleli bakır,alüminyum,vb. iletkenlerin sargıları içinde,bu manyetik moment etkili elektronların,yani çekirdek etrafında çok hızlı,sağdan sola veya soldan sağa,ayni dünyanın hem kendi,hem de güneş etrafundaki dönüşüne benzer şekliyle dönerlerken,bu dengesiz sayıdaki,yani aksi dönüş yönleriyle eşleşip birbirlerinin mıknatısiyet etkisini gideremedikleri bir malzeme yapısıyla,elektronların manyetik momentleri(Spinleri) sargılara,mıknatıs veya mağnetik alan, hareketsiz iken değil,ancak sargıların içinden mıknatıs veya başka yolla geçen manyetik kuvvet çizgilerinin,ani olarak değişip de bir şok etkisi yapabildiğinde,sargı içindeki elektrik iletkeninin iki ucu arasında, jeneratör yapısına bağlı olarak ac. veya dc. elektrik akımının,potansiyel farkının doğup,sargıdaki iki ucu,ayrıca bir iletken telle birleştirildiğinde,yine elektron ve çekirdeklerin ters istikamette bir hareketine, yani + ve – yüklü parçacık hareketlerine neden oluyor. + yüklü parçalar, sargının – kutbuna, + yüklü çekirdekler de sargının – olan ters kutuplarına doğru giderken,tel içerisinde olan bu gidiş gelişleri esnasında faydali bir elektrik akımını da elde etmiş oluyoruz.Bunu yapabilmek için mekanik bir güç(Döndürme gücünü) harcıyor,atomları ayni statik elektrikteki oluşma sebebi gibi,ama farklı olarak da, daha verimli ve yoğun şekilde ayrıştırıyor,sonra ayrıştırmak için verdiğimiz bu gücü,yine iletken kablolar aracılığıyla alıp,birleştirdiğimizde,bunu dış devrelerde akan faydalı bir elektriğe,akan elektriğe dönüştürüp kullanmış oluyoruz.
Ultraviyole, Işığı,Normal Işık (Elektromanyetik Enerji) Yoluyla Oluşturulan Elektrik:Işığın bir enerji türü olduğunu ve doğal yollar,güneş dışında,suni olarak da elektrik ampulleri yoluyla oluşturulabildiğini de bilmekteyiz.Elektromanyetik enerji çeşidi olan,gözle görünen ve görünmeyen tayf açılımına da sahip bulunan ışık enerjisi,elbette ki başka enerji türüne,elektriğe de dönüştürülebilmektedir.
Fotosel (Fotoelektrik) Lambası: Lambalı triyot lambanın bulunduğu yıllarda tesadüfen,üzerine ışık düşen havası boşaltımış bir cam tüpün içinde bulunan plaklara(Bir plakası toprak alkali metali,yüksek enerjili olan ışıkla elektron kopartılmasına çok uygun olan bir metaldir,örneğin sezyum,potasyum,sodyum,lityum gibi),ızgaralar üzerinden u plakaya ışık düştüğünde,devreye seri bağlı olan pil,akü devresinden galvonometre ile ölçülebilen küçük bir akımın geçtiği Heinrich Rudolf Hertz tarafından görüldü.Bu nedenle bu olaya “Hertz Etkisi” de denilir.Bu olaya normalde “Fotoelektrik Olayı” ismi verilmektedir.Einstein, E=h*V formülünün foton enerjisiyle olabildiğini net olarak da açıklayabilmıştır.Burada h,Planck sabiti,V,ışığın frekansıdır.Işığın frekansı ne kadar yüksekse, alkali metal plakadan elektronun,gelen fotonun kinetik enerjisiyle daha kolayca koparılması ,yani yüksek enerjiyle gelen bu fotonun,elektron koparma kabiliyetinin de o kadar yüksek olduğu söylenebilir.
Fotoelektrik olayında da elektrik üretimindeki mantık,yine plaka metalinin atomlarındaki elektron ve çekirdeklerinin, tüp içindeki serbest olarak ters yöndeki plakalara,boşluk ortamındaki anyon ve katyon yapısındaki(Akü içindeki sıvı çözeltideki gibi değil de,seyreltilmiş iletken olan hava(Gaz) çözeltisindeki hareketinin sonucunda, farklı kutuptaki plakalara çekilerek,bir elektrik akımının oluşabilmesidir.)
Foton enerjisi,sezyum gibi alkali bir metal üzerine belirli bir eşik frekansından(Çok düşük frekans değerinde)daha düşük geldiğinde ise,bu fotonların kinetik enerjisi yetersiz kalmakta,fotosel lamba içinde bir akım geçişine de ayrıca neden olmamaktadır.
Bu zayıf elektrik akımı,görüldüğü üzere yalnızca ışıkta geçiyor,karanlıkta,yani ışık enerjisi tam kesikken ise geçemiyordu.Bugün günümüzde sinema makinelerinde,film kenarında bulunan ışıklı şeritten ses üretilmesinden,fotodiyot,fototransistör,EPROM’ların hafızalarındaki bilgilerin ultraviyole ışık yoluyla silinmesinde,güneş pilleri,fotoelektrikli kapılar,bariyerler,vb. Elektronik sanayisinde geniş bir kullanım alanı mevcuttur.
Yukarıdaki E=h*V formülünden jonksiyon(Birleşim) yerlerine düşen morötesi veya x ışını gibi yüksek enerjiyle gelen foton(ışık taneciklerinin) bir güneş pilinde daha fazla elektrik üretimine neden olabileceği de sonuç olarak çıkmaktadır.Gerçekten de uzay ortamında yüksek enerjili ve daha yoğun olan ultraviyole(Morötesi)ışınları güneş pilinin enerji verimliliğini de oldukça arttırabilmektedır. P ve N bölgesi birleştirilip hazırlanan, genellikle güneş pillerinin galyum arsenit (GaAs) ve silikon (Si) kullanılan iki yaygın kullanım tipi vardır.Galyum arsenit uzay ortamında yüksek verimle elektrik üretebilmekte olduğundan,uzay araçlarında kullanımı daha çok tercih edilebilmektedir.
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çok kristalli pilde, laboratuvar şartlarında % 17,7 ve enerji üretim amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise % 10,2 verim elde edilmiştir.
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17’nin, pil verimi ise %30’un üzerine çıkabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden de elde edilebilir.
Termoelektrik(Isı Enerjisi) Yoluyla Elde Edilen Elektrik:İki farklı metalin iki ayrı bölgede kalan jonksiyon(Birleşim) yerlerinin bir ısı kaynağından verilen ısı enerjisiyle ısıtılmasıyla,diğer ucunun da soğutulması veya oda sıcaklığında bırakılmasıyla ,iki ucu arasından bir elektrik akımı geçecektir.Bu etkiye “Peltier Etkisi” denilmektedir.Bu sistem bir dinamo gibi tersinirdir.Yani elektrik akımı tarsine peltier devre grubuna verildiğinde,bir yüzey ısınırken,diğer yüzey soğumaktadır.Bu özellikten yararlanılarak portatif soğutma cihazları,pc soğutması,vb.çeşitli uygulamaları vardır.1. dünya savaşında bu tür sistemin,tek birleşim yerinin gaz lambasına monte edilip ısıtılmasıyla da üretilen elektrikle(Elektrik güç kaynağı) lambalı tipte eski radyolarda başarıyla kullanılmıştır.Eski tip bu radyolarda besleme güç kaynağı olmuştur.
Çalışma prensibi ise,ısı enerjisinin de bir enerji çeşidi olup,termopilin farklı birleşim yerlerinde,değişik atomal yapıya sahip metallerin(Demir+manşon alaşım çifti gibi)yine,birleşim noktalarında, elektron ve çekirdek ayrışımının,yani – yüklü elektron ile + yüklü çekirdeğe ayrışmasıyla,bir elektrik akımının çıkış bağlantı uçlarından elde edilebilmesidir.İki farklı metalin,bir volta pilindeki gibi,farklı çözünme hızları,metal olarak da farklı elektrot potansiyelleri yüzünden, birbirine değmeden, ancak iletken bir çözeltiden geçen anyonlar,katyonlar yoluyla üretilebilmesinde olduğu gibi,birleşim yerlerinde,oluşan termopil(Peltier) olayının,seri bağlantılarla sağlanan batarya sistemi gibi, bu tek olan birimlerin,çıkış voltajı ihtiyacı duyulanı kadarı,seri bağlanmak suretiyle arttırılarak,çeşitli uygulamalarda (Örneğin elektrik bulunmayan fenerlerde,ısı jeneratörü olarak) güç kaynağı olarak da yararlanılabilmektedir.Termokuplların ise,çok yüksek fırın sıcaklıklarının,aşırı yüksek sıcaklıkların ölçülmesinde de,çok yararlı olan bir kullanım yeri ayrıca vardır.
Saygılarımla.
Referanslar:
1.Malzeme Bilimine Giriş,Lawrance H Van VLACK, İTÜ Maden Fak, İstanbul,1981, Türkçe çeviriyi yapan:Recep A.SAFOĞLU (Basılı Kitap,Kipaş Dağıtımcılık)
Bu kitaptan yalnızca “Ferromıknatısiyet” konusu alıntılı ve ayrıca ek yorumludur.
2.İnternet medya; www.wikipedi.org/wiki
Yalnızca Fotoelektrik,güneş pili ve termopil için emin olunmak için okunup,farklı türlü değerlendirilmiştir.Aslından tamamen farklıdır.
Uyarı:Bu çalışma+derleme;yalnızca www.kontrolkalemi.com sitesinin değerli üyeleri için,çoğu da kendi yorumumla ve sonuçta emek verilerek hazırlanmış olup,ilk defa da yalnızca bu sitede paylaşılmıştır.Kaynak gösterilmeden hiçbir şekilde alıntı (İktibas) yapılması söz konusu olamaz.Tüm hakları gizlidir
Bildiğiniz gibi Elektrik elde etme yöntemleri ders kitaplarında yalın olarak ve asıl oluşma durumları göz önüne alınmadan daha basit olarak anlatılmaya çalışır ve buradan bir sonucun çıkarılması da tamamen okuyucuya bırakılır.Bu makalede değişik elektrik elde etme yöntemleriyle,elektriğin nasıl ve hangi prensiplerle oluşabildiğini birlikte incelemeye ve öğrenmeye çalışacağız.
Elektrik olayını tam olarak anlayabilmek için atomun yapısını kaba hatlarıyla tanımlayalım isterseniz.Bildiğimiz gibi atom,yörüngesinde dönen bir veya daha fazla sayıda elektronla,merkezinde çekim gücü yaratarak onu çeken ve merkezkaç kuvvetiyle dengelenen çekirdek kısmından oluşuyor.Çekirdekte de farklı sayıda proton ve nötron parçacıkları,değişik atomlara,elementlere has olarak bulunuyor.Nötron parçacıkları nötr yani yüksüz,protonlar ise + yüklü olup çekirdeğin asıl toplam yükünün de + olabilmesini sağlıyor.Elektronlar ise her zaman – yüklü konumdalar..elektronların kütlesi proton ve nötronu içeren çekirdeğe göre daha küçük,buna karşılık çekirdek yörüngesinde dönüş hızları da daha yüksektir.Elekrik akımının esası,atomun bu çekirdek ve elektronlarının çaşitli yollarla ayrışarak hareketiyle oluşan bir olay.Tüm elektrik olaylarında bunları göz önüne alıp ayrıca birlikte inceleyeceğiz.
Elektriğin fiziksel anlamda ve uygulaması bulunan iki ayrı çeşidi vardır: Statik elektrik ve akan (Yani bugün evlerimizde kullandığımız) elektriktir.Elektrik akımı keşfedilmeden önce statik elektrik bulunmuştu biliyorsunuz.
Statik elektrik; yalnızca + veya – yüklerin tekil olarak uygun bir ortamda depolanması ile oluşan ve uygulamada daha az kullanılan(Toz,sprey bazlı bazı boyaların yüzeylere düzgün şekilde kaplanarak boyanmasında,klima filtrelerinde,fotokopi,lazer printerlerin tamburlarında,vb.)bazı ortam ve cihazlarda da olması hiç istenmeyen bir elektrik türüdür.Bulutlarda hava içindeki sürtünmeyle,giysilerin ,halıların sürtünmesi ile ve tv tüplerinin ekranlarının ön yüzeyinde yüksek enerjili katot ışınlarının tüpün ön yüzeyine çarpması ile birikebilen,ancak eletrokoskoplarla varlığı anlaşılabilen bir elektrik türüdür.İki cismin birbiriyle olan sürtünme kuvvetiyle değişik malzemelerin atomlarındaki bu ayrışımı ile,yani elektron ve çekirdek kısımlarının koparak ayrılması ile veya çok yüksek gerilim kaynaklarında,örneğin 25 kV’lık bir tv tüpünün,ön Ekran yüzeyinde,ayrıca yine hava iyonize edici cihazlarının kaskat gerilim çoklayıcı çıkışlarındaki dış ortamla temaslı,metalik ve sivri olan yüzeylerinde yine,yüksek gerilimle çalışan ateşleme bujilerinin metalik olan dış yüzeylerinde özel olarak da oluşabiliyor.Statik elektrikten sonra akan elektriği değişik üretme yollu kaynaklarıyla bir bir inceleyelim isterseniz.
Kimyasal Yoldan Elektrik Üretim Kaynakları(Piller, şarj olan piller,akümülatörler):Bu kaynakların tümünde de elektrik akımı,yalnızca kimyasal yoldan,elemenlerin veya bileşiklerin,başka bileşiklere dönüşürken redoks(İndirgenme-yükseltgenme) olayıyla,elektron alışverişlerini kendi aralarında yaparken,bunu elektrik teli üzerinden elektron ve çekirdeklerin akışı şeklinde kanalize edebilmemiz sayesinde gerçekleşir.Basit bir örnek olarak,sülfirik asitle seyreltilmiş bir suya bir çinko(Zn) plakası daldırıldığında,çimko ile asit arasında,çinko yüzeyiyle sülfirik asit arasındaki kimyasal tepkimeyi başlatmış oluruz.bu tepkime nedeniyle ikisi arasında bir elektron alışverişi başalmış olur,ama biz bundan faydalanamayız.Bir potansiyel farkı çinko ile asit içindeki herhangi bir yüzeyde her zaman tepkime sürdüğü sürece vardır.Biz bu elektriği toplayacak bir kollektör görevini bakır(Cu) başka bir plakaya verebiliriz.O zaman bakır ve çinko elektotlara(Plakalara) elektrik iletkeni bağlayarak dış devreden,yani atomların bileşik yapmak için redoksla elektron alışverişini özelden kendi içinden değil de,genelden yani kablolar ile dışardan yaptırmak suretiyle faydali bir elektrik akımı elde ediyoruz.Diğer şarj oabilen piller,aküler için de ayni durum geçerlidir,prensip ayni olup değişmez..
Bir kurşun-asit akümülatörde,asit çözeltisine batırılmış biri kurşun(Pb) diğeri kurşun dioksit(PbO2)olan iki plaka vardır.Sülfirik asitin(H2SO4) seyreltilmiş çözeltisi bu plakalara ancak kurşun ve kurşundioksit olarak kaldıklarında etki edemez.asitin kimyasal karekteri bu özelliktedir.Bu şarjlı durumudur.Bu durumunda bir elektrik iletkeni ile iki plaka birleştirilirse,her iki plaka arasında bir kimyasal tepkime başlamış,redoks olayı start almış,elektron göçü,bir plakadan diğerine başlamış olur.Redoks neticesi her iki plaka da,ilk başlangıç aşamasında kurşunoksit (PbO) olur ve bu durumda sülfirik asitin kimyasal reaksiyonuna açık hale gelir.Her iki plakada farklı türden kimyasal reaksiyonlar neticesndei dış elektrik devresinde,elektronlar – kutuptan + ya,çekirdekler + kutuptan – ye doğru çekilerek bildiğimiz elektrik akımını ortaya çıkarmış olurlar.Dış devrede elektrik akımı bu şekilde akıp dolaşırken,akünün içinde (Çözeltide) ise – yüklü SO4 katyonları ve + yüklü H anyonları,kendilerine göre ters işaretli kutuplara doğru çekilirler.İlk etapta PbO haline dönen her iki plakada da, PbO+H2SO4=PbSO4+H2O’yu denkleme göre oluşturur.Böylece akü boşaldıkça da H2SO4 yüzdesi(Boume oranı) gittikçe düşer.
Akü tam boşaldığında her iki plaka da kurşunsulfat (PbSO4)’a dönüşür ve kimysal reaksiyon,iki plaka arasında fark kalmadığından dolayı sona ererek elektrik de kesilir.Bu durumda akü şarj olmadan,her iki plakanın da, PbSO4 olarak beklemesi durumunda,küçük kristallerin büyük monoblok(Tek )bir yapıya dönüşmesi riski,yani tamamen sağır,şarj olamaz bir duruma gelebilme riski de vardır.Buna meydan vermemek için, hücre gerilimi 1.8 voltun aşağısına düşmeyecek şekilde,belirli periyotlarda bir tampon şarj da,uzun süreli muhafazalarda gerekir ki bu şekilde bir sulfatlaşma veya sağırlaşma da önlenebilmiş olsun.Şarj sırasında her iki plakadan farklı gazların(Hidrojen ve oksijen))çıkması sebebiyle kuşunsulfat (PbSO4) – plakada redüklenerek kurşuna, + plakada ise kurşundioksite (PbO2) yeniden dönüşmüş olur.Her iki plakanın reaksiyonunda sülfirik asit çözelti olarak zenginleşir,miktarı da artmış olur.Gazlar tamamen boşa çıkmaya başladığında,ölçülen Boume yeterli veya hücre gerilimi 2.5 volt olduğunda akü tam dolmuş olur.
Bir çinko-karbon-amonyumklorür=nişadır çözeltili kuru pilin(Löklanşe pilinde) elektrik akımının üretebilmesi de ayni benzer prensiplerle gerçekleşir.Reaksiyon sırasında karbon çubuk üzerinde hidrojen birikmesi,ayrıca kutuplaşmaya neden olup,bu nedenle de elektriğin kesilmemesi için hidrojen giderici olarak mangandioksit (MnO2) kullanılır.Çinko kap(Zn),amonyumklorür=nişadır(NH4Cl) içinde redoks esnasında eriyip çözeltiye karışırken,elektrik iletkeni yoluyla karbon çubuğa – yüklü elektronları gönderir,karbon çubuktaki + yüklü çekirdekler de ters yönde çinko kaba doğru akar.Bunun neticesi de yine + ve – yüklü taneciklerin,elektron ve çekirdeklerin ters istikametlerde göçü olan bir elektrik akımıdır.Pilin iç cephesinde ise, - yüklü Cl katyonları çinko kaba etkiyrek Zn+2Cl=ZnCl2’yi denkleme göre yaparak,çinkonun pil elektrik verdiği sırada eriyip çözeltiye karışmasına neden olur.NH4 anyon kökü ise kömür çubukta ayrışarak,NH3(Amonyak) ve H2 gazı şeklinde çıkarlar.H2 gazı kutuplaşmayı,gaz toplanıp birikmesini önleyen,çubuk etrafına kömür tozuyla karıştırılıp yerleştirilen mangandioksit(MnO2) sayesinde bloke edilerek,pilin elektrik veriminin düşmesi önlenir.Bu reaksiyonda kabın dışını oluşturan çinko(Zn),tamamen eriyerek çinkoklorür(ZnCl2) şeklinde çözeltiye geçtiğinde, pilin kimyasal reaksiyonu,yani elektrik (Pilin ömrü de) üretimi de bitmiş olur..Karbon(Grafit) çubuk ise eriyip de çözeltiye karışamaz,sağlam olarak kalmış olur.Burada da elektrik,yine tamamıyle bir redoks,yani çeşitli bileşiklerin ve elementlerin,kimyasal reaksiyonla,dışarıya elektrik vermesi esnasında üretiliyor.Biz bu kendi aralarında alışverişte kullanmış oldukları elektriği,dış devreden bir iletken telle alıp kullanmaktayız.Yani pillerin,akülerin kendi içlerinde oluşan bir dizi redoks olayıyla,yani bileşik veya elementlerin indirgenmesi (Redüksiyon) ve yükseltgenmesi (Oksidasyon) olayıyla elektrik akımı dış devrede üretilmektedir.
Manyetizma Yoluyla(Mekanik Kuvvetlerle) Elektrik Üretimi Kaynakları:Alternatörler(Senkron jeneratör),Dinamolar,(AC ve DC. Üretim Kaynakları):
Bu konuyu tam anlayabilmek için öncelikle ferromanyetizma (Ferromıknatısiyet)li demir grubuna ait elementlerin çekim gücünün sırrını anlamamız icap eder.
Ferromıknatısiyet atomlar içindeki elektron yapısının bir sonucudur.yalnız başına basit bir atom yapısında bilindiği gibi ilk enerji katında en çok iki elektron bulunur.Mıknatısiyetin oluşmadığı elementlerdeki atom yapılarında,bu iki elektronun kendi etraflarındaki dönüş yönü birbirine ters yönlerdedir.Her dönen elektron da çok düşük bir mıknatıs gibidir,dönüş esnasında oluşturduğu ,kuzey ve güney kutupları ayrı ayrı da mevcuttur.Ters yöne dönen bu iki elektron da netice olarak birbirlerinin mıknatısiyetini sıfırlar,yani bu durumda bir manyetiklik de oluşamaz.Valans altı kabukları elektronla dolu olmayan,yani yörüngelerinde bazı elektronları eşit sayıda bulunmayan elementlerin veya bileşiklerin atomlarında(Mağnetit,(mıknatıs taşı),sert mıknatıs çeliği,neodiyum mıknatıs gibi) ise, bir yöne dönen elektronların sayısı,diğer yöne dönen elektronların sayısından daha fazladırBu nedenle bu eşitsizlik atomun dışında da etkin olabilen bir döndürme momenti (Spin) etkisiyle bir mıknatısiyet oluşturur.Bu sebeple bu elementlerin veya bileşimlerin sahip oldukları bu manyetik moment, en küçük atomsal parçasını bile,birer küçük mıknatıs yapar.Alfa demiri (Fe),kobalt (Co) ve gadolinyumda bu manyetik kuvvetler yeteri kadar kuvvetlidir ve yandaki atomlarla kendilerini tek bir manyetik hizaya getirme etkisini de yapacak kadar atomlar birbirine yakındırlar.İşte bu durum ferromıknatısiyeti oluşturur.Ayni şekilde NiFe2O3 ve Ba2Fe12O19 gibi bazı seramik malzemeler de bu özelliklere sahip bulunduklarından manyetiktirler.
Manyetikliğin oluşma şartlarını atomsal bazda bu şekilde kavradıktan sonra,alternatör veya dinamolarda elektriğin sargılarda nasıl oluştuğunu birlikte inceleyelim isterseniz.
Elektrik akımının oluşabilmesi için geleneksel bilgilerimiz olan değişken bir manyetik alanda,manyetik akı kuvvet çizgilerinin 90 derece ile ani kesilmesiyle,sargılarda bir elektrik akımı oluşabildiğini biliyoruz.Oluşan bu elektrik akımı sargıyı oluşturan izoleli bakır,alüminyum,vb. iletkenlerin sargıları içinde,bu manyetik moment etkili elektronların,yani çekirdek etrafında çok hızlı,sağdan sola veya soldan sağa,ayni dünyanın hem kendi,hem de güneş etrafundaki dönüşüne benzer şekliyle dönerlerken,bu dengesiz sayıdaki,yani aksi dönüş yönleriyle eşleşip birbirlerinin mıknatısiyet etkisini gideremedikleri bir malzeme yapısıyla,elektronların manyetik momentleri(Spinleri) sargılara,mıknatıs veya mağnetik alan, hareketsiz iken değil,ancak sargıların içinden mıknatıs veya başka yolla geçen manyetik kuvvet çizgilerinin,ani olarak değişip de bir şok etkisi yapabildiğinde,sargı içindeki elektrik iletkeninin iki ucu arasında, jeneratör yapısına bağlı olarak ac. veya dc. elektrik akımının,potansiyel farkının doğup,sargıdaki iki ucu,ayrıca bir iletken telle birleştirildiğinde,yine elektron ve çekirdeklerin ters istikamette bir hareketine, yani + ve – yüklü parçacık hareketlerine neden oluyor. + yüklü parçalar, sargının – kutbuna, + yüklü çekirdekler de sargının – olan ters kutuplarına doğru giderken,tel içerisinde olan bu gidiş gelişleri esnasında faydali bir elektrik akımını da elde etmiş oluyoruz.Bunu yapabilmek için mekanik bir güç(Döndürme gücünü) harcıyor,atomları ayni statik elektrikteki oluşma sebebi gibi,ama farklı olarak da, daha verimli ve yoğun şekilde ayrıştırıyor,sonra ayrıştırmak için verdiğimiz bu gücü,yine iletken kablolar aracılığıyla alıp,birleştirdiğimizde,bunu dış devrelerde akan faydalı bir elektriğe,akan elektriğe dönüştürüp kullanmış oluyoruz.
Ultraviyole, Işığı,Normal Işık (Elektromanyetik Enerji) Yoluyla Oluşturulan Elektrik:Işığın bir enerji türü olduğunu ve doğal yollar,güneş dışında,suni olarak da elektrik ampulleri yoluyla oluşturulabildiğini de bilmekteyiz.Elektromanyetik enerji çeşidi olan,gözle görünen ve görünmeyen tayf açılımına da sahip bulunan ışık enerjisi,elbette ki başka enerji türüne,elektriğe de dönüştürülebilmektedir.
Fotosel (Fotoelektrik) Lambası: Lambalı triyot lambanın bulunduğu yıllarda tesadüfen,üzerine ışık düşen havası boşaltımış bir cam tüpün içinde bulunan plaklara(Bir plakası toprak alkali metali,yüksek enerjili olan ışıkla elektron kopartılmasına çok uygun olan bir metaldir,örneğin sezyum,potasyum,sodyum,lityum gibi),ızgaralar üzerinden u plakaya ışık düştüğünde,devreye seri bağlı olan pil,akü devresinden galvonometre ile ölçülebilen küçük bir akımın geçtiği Heinrich Rudolf Hertz tarafından görüldü.Bu nedenle bu olaya “Hertz Etkisi” de denilir.Bu olaya normalde “Fotoelektrik Olayı” ismi verilmektedir.Einstein, E=h*V formülünün foton enerjisiyle olabildiğini net olarak da açıklayabilmıştır.Burada h,Planck sabiti,V,ışığın frekansıdır.Işığın frekansı ne kadar yüksekse, alkali metal plakadan elektronun,gelen fotonun kinetik enerjisiyle daha kolayca koparılması ,yani yüksek enerjiyle gelen bu fotonun,elektron koparma kabiliyetinin de o kadar yüksek olduğu söylenebilir.
Fotoelektrik olayında da elektrik üretimindeki mantık,yine plaka metalinin atomlarındaki elektron ve çekirdeklerinin, tüp içindeki serbest olarak ters yöndeki plakalara,boşluk ortamındaki anyon ve katyon yapısındaki(Akü içindeki sıvı çözeltideki gibi değil de,seyreltilmiş iletken olan hava(Gaz) çözeltisindeki hareketinin sonucunda, farklı kutuptaki plakalara çekilerek,bir elektrik akımının oluşabilmesidir.)
Foton enerjisi,sezyum gibi alkali bir metal üzerine belirli bir eşik frekansından(Çok düşük frekans değerinde)daha düşük geldiğinde ise,bu fotonların kinetik enerjisi yetersiz kalmakta,fotosel lamba içinde bir akım geçişine de ayrıca neden olmamaktadır.
Bu zayıf elektrik akımı,görüldüğü üzere yalnızca ışıkta geçiyor,karanlıkta,yani ışık enerjisi tam kesikken ise geçemiyordu.Bugün günümüzde sinema makinelerinde,film kenarında bulunan ışıklı şeritten ses üretilmesinden,fotodiyot,fototransistör,EPROM’ların hafızalarındaki bilgilerin ultraviyole ışık yoluyla silinmesinde,güneş pilleri,fotoelektrikli kapılar,bariyerler,vb. Elektronik sanayisinde geniş bir kullanım alanı mevcuttur.
Yukarıdaki E=h*V formülünden jonksiyon(Birleşim) yerlerine düşen morötesi veya x ışını gibi yüksek enerjiyle gelen foton(ışık taneciklerinin) bir güneş pilinde daha fazla elektrik üretimine neden olabileceği de sonuç olarak çıkmaktadır.Gerçekten de uzay ortamında yüksek enerjili ve daha yoğun olan ultraviyole(Morötesi)ışınları güneş pilinin enerji verimliliğini de oldukça arttırabilmektedır. P ve N bölgesi birleştirilip hazırlanan, genellikle güneş pillerinin galyum arsenit (GaAs) ve silikon (Si) kullanılan iki yaygın kullanım tipi vardır.Galyum arsenit uzay ortamında yüksek verimle elektrik üretebilmekte olduğundan,uzay araçlarında kullanımı daha çok tercih edilebilmektedir.
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çok kristalli pilde, laboratuvar şartlarında % 17,7 ve enerji üretim amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise % 10,2 verim elde edilmiştir.
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17’nin, pil verimi ise %30’un üzerine çıkabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden de elde edilebilir.
Termoelektrik(Isı Enerjisi) Yoluyla Elde Edilen Elektrik:İki farklı metalin iki ayrı bölgede kalan jonksiyon(Birleşim) yerlerinin bir ısı kaynağından verilen ısı enerjisiyle ısıtılmasıyla,diğer ucunun da soğutulması veya oda sıcaklığında bırakılmasıyla ,iki ucu arasından bir elektrik akımı geçecektir.Bu etkiye “Peltier Etkisi” denilmektedir.Bu sistem bir dinamo gibi tersinirdir.Yani elektrik akımı tarsine peltier devre grubuna verildiğinde,bir yüzey ısınırken,diğer yüzey soğumaktadır.Bu özellikten yararlanılarak portatif soğutma cihazları,pc soğutması,vb.çeşitli uygulamaları vardır.1. dünya savaşında bu tür sistemin,tek birleşim yerinin gaz lambasına monte edilip ısıtılmasıyla da üretilen elektrikle(Elektrik güç kaynağı) lambalı tipte eski radyolarda başarıyla kullanılmıştır.Eski tip bu radyolarda besleme güç kaynağı olmuştur.
Çalışma prensibi ise,ısı enerjisinin de bir enerji çeşidi olup,termopilin farklı birleşim yerlerinde,değişik atomal yapıya sahip metallerin(Demir+manşon alaşım çifti gibi)yine,birleşim noktalarında, elektron ve çekirdek ayrışımının,yani – yüklü elektron ile + yüklü çekirdeğe ayrışmasıyla,bir elektrik akımının çıkış bağlantı uçlarından elde edilebilmesidir.İki farklı metalin,bir volta pilindeki gibi,farklı çözünme hızları,metal olarak da farklı elektrot potansiyelleri yüzünden, birbirine değmeden, ancak iletken bir çözeltiden geçen anyonlar,katyonlar yoluyla üretilebilmesinde olduğu gibi,birleşim yerlerinde,oluşan termopil(Peltier) olayının,seri bağlantılarla sağlanan batarya sistemi gibi, bu tek olan birimlerin,çıkış voltajı ihtiyacı duyulanı kadarı,seri bağlanmak suretiyle arttırılarak,çeşitli uygulamalarda (Örneğin elektrik bulunmayan fenerlerde,ısı jeneratörü olarak) güç kaynağı olarak da yararlanılabilmektedir.Termokuplların ise,çok yüksek fırın sıcaklıklarının,aşırı yüksek sıcaklıkların ölçülmesinde de,çok yararlı olan bir kullanım yeri ayrıca vardır.
Saygılarımla.
Referanslar:
1.Malzeme Bilimine Giriş,Lawrance H Van VLACK, İTÜ Maden Fak, İstanbul,1981, Türkçe çeviriyi yapan:Recep A.SAFOĞLU (Basılı Kitap,Kipaş Dağıtımcılık)
Bu kitaptan yalnızca “Ferromıknatısiyet” konusu alıntılı ve ayrıca ek yorumludur.
2.İnternet medya; www.wikipedi.org/wiki
Yalnızca Fotoelektrik,güneş pili ve termopil için emin olunmak için okunup,farklı türlü değerlendirilmiştir.Aslından tamamen farklıdır.
Uyarı:Bu çalışma+derleme;yalnızca www.kontrolkalemi.com sitesinin değerli üyeleri için,çoğu da kendi yorumumla ve sonuçta emek verilerek hazırlanmış olup,ilk defa da yalnızca bu sitede paylaşılmıştır.Kaynak gösterilmeden hiçbir şekilde alıntı (İktibas) yapılması söz konusu olamaz.Tüm hakları gizlidir
