Temel Kavramlar Elektrik Nedir?
advertisement
Temel Kavramlar Elektrik Nedir? Elektrik nedir? “Elektrikler geldi, gitti”, “çarpıldım” derken neyi kastederiz? 1 Elektriksel Yük Elektrik yükü bu dış yörüngede dolanan elektron sayısının çekirdekteki proton sayısından fazla ya da az olmasını ifade etmektedir. Birimi “Coulomb” olarak belirlenmiştir Coulomb Kuvveti Elektriksel yükün varlığı, iki elektriksel yüklü maddenin yan yana geldiğinde birbirine kuvvet uygulamasıyla gözlemlenir Fe = ± k e ke = q1q2 [N ] d2 ⎡ Nm2 ⎤ = 8.987 × 10 9 ⎢ 2 ⎥ 4πε 0 ⎣ C ⎦ 1 Coulomb Sabiti Bu kuvvet Coulomb Kuvveti olarak adlandırılır. + veya – işareti yüklerin benzer veya ters olmasına göre değişir. 2 Elektroskop Elektriksel yük miktarı elektroskop ile ölçülür. Elektrik Enerjisi Eldesi Elektriksel yüklenmeye ve elektronların hareketine sebep olan temel etkiler. 3 Elektrik Akımı Bir iletkenin belirli bir kesitinden birim zamanda geçen elektrik yükü (elektron)miktarına akım denir. Bir iletkenden belirli bir zaman içinde ne kadar çok elektron geçerse, akımda o oranda şiddetli olur. Elektrik akımı “I” harfi ile gösterilir. I= dQ ⎡ C⎤ ⎢ A = ⎥ dt ⎣ s⎦ Akım şiddetini elektronların sayısıyla göstermek için çok büyük rakamları kullanmak gerekir. Bu sebep ile bir saniye içerisinde bir iletkenin kontrol kesitinden geçen 6,2415e18 adet elektron 1 ampere eşit kabuledilmiştir. Elektrik Akımı Akım elektronların hareketiyle ortaya çıkar. Elektronların hareket yönü elektronların çok olduğu negatif kutuptan daha az elektronun olduğu pozitif kutuba doğru olur. Ancak, kabul görmüş yaygın gösterim elektrik akımını pozitif (+) kutupdan negatif (-) kutba doğru akıyormuş şeklindedir. Bu kabul edilmiş bir yaklaşımdır.(ekvatorun sıfırıncı paralel kabul edilmesi gibi) 4 Elektriksel Potansiyel Fark (Voltaj, gerilim) Elektrik akımı da diğer bütün akış sistemlerine benzer şekilde bir potansiyel farkından doğmaktadır. Su borusu içinden suyun akabilmesi için mutlaka bir basınç farkı gereklidir. Örneğin bir su pompası ile su basılmalıdır ki su borudan akabilsin. Benzer bir şekilde elektrik devresinden de akımın akması için mutlaka bir kuvvete ihtiyaç vardır. Elektriksel Potansiyel Fark (Voltaj, gerilim) Benzer bir şekilde elektrik devresinden de akımın akması için mutlaka bir kuvvete ihtiyaç vardır. Bu kuvvet olmadığı takdirde serbest elektronlar hareket edemez yani elektrik akımı akmaz. Serbest elektronları hareket ettirerek devreden elektrik akımının akmasına sebep olan elektriksel potansiyeller arasındaki farktır. Bu fark gerilim/voltaj olarak adlandırılır ve birimi Volt’tur. Kısaca (V) veya (E) harfi ile gösterilir 5 Elektriksel Potansiyel Fark (Voltaj, gerilim) Kullanış alanlarındaki farklılıklar ve elektrik enerjisinin iletimi gibi sebeplerden dolayı yaygın olarak iki değişik gerilim/akım şekli mevcuttur Doğru akım elektrik yükünün hep aynı yönde akmasıyla oluşur. Alternatif akımda eşit zaman aralıklarıyla akım yönü tersine döner. Doğru Akım / Alternatif Akım 380kV 220V •Üretim biçimleri: Pil, Dinamo-AC Jeneratörler •Taşınma kayıpları: Düşük gerilimden yüksek akımdan-yüksek gerilim düşük akıma ve tam tersine çevrim-- Trafolar •Kullanım DC motorlar-AC motorlar 6 Elektriksel iletkenlik ve ya Direnç Bir maddenin elektriksel iletkenliği o maddenin üzerinden akan elektrik akımının ne kadar kolay aktığının bir ölçüsüdür. Genelde kullanılan terim ise bu durumun tersinden ifadesi olan dirençtir. Direnç bir maddenin üzerinden geçen elektrik akımına karşı gösterdiği direnme etkisidir Elektriksel iletkenlik ve ya Direnç Sabit kesitli bir iletkenin üzerinden geçen akıma karşı gösterdiği direnç, o iletkenin yapıldığı maddenin özdirenci ve uzunluğu ile doğru orantılı, kesiti ile ters orantılıdır R=ρ L ⎡ m⎤ = Ωm 2 ⎥ A ⎢⎣ m ⎦ Bir madde ve ya sistemin direncinin deneysel olarak belirlenmesi ise madde/siteme uygulanan gerilimin devre üzerinden akan akıma bölünmesi ile olur. Bu sabit oran Ohm Kanunu olarak bilinir. R= V ⎡ V⎤ = ⎢Ω = ⎥ I ⎣ A⎦ Metallerde direnç etkisi büyük oranda atomik seviyedeki kuvvetlerden ve moleküllerin iç enerjilerinden kaynaklanmaktadır. Bu yüzden metallerin direnci ortam sıcaklığına bağımlıdır. 7 Elektriksel iletkenlik ve ya Direnç Metallerde direnç etkisi büyük oranda atomik seviyedeki kuvvetlerden ve moleküllerin iç enerjilerinden kaynaklanmaktadır. Bu yüzden metallerin direnci ortam sıcaklığına bağımlıdır. R(T ) = R0 (1 + α (T − T0 )) Elektriksel İletkenlik veya Direnç İzmir Çeşme yakınlarındaki bir bağ evine en yakın elektrik direğinden 100m 2x2.5 lik kablo çekilerek elektrik bağlanacaktır. Hava sıcaklığının 20 derece olduğu bir bahar gününde çekilen hattın direnci ne olacaktır? 8 Elektriksel İş ve Güç Elektriksel iş, bir devrede elektriksel potansiyeli farklı ”V” iki nokta arasında belirli bir miktar “Q” yükünün taşınması için gerekli enerji miktarıdır. W = QV = [Joule = Coulomb × Volt] Güç, birim zamanda yapılan iş ya da sarf edilen / depolanan enerji olarak tanımlanmaktadır. W= dQ Joule Coulomb ⎡ ⎤ V = IV ⎢Watt = = × Volt⎥ dt saniye saniye ⎣ ⎦ Çoğu elektrikli cihazın dokümanları içinde tükettikleri güç miktarı yazılıdır. Ücretlendirlen iş değeri bu gücün çalışma saati ile çarpımıyla bulunmaktadır. Elektriksel İş ve Güç Çoğu elektrikli cihazın dokümanları içinde tükettikleri güç miktarı yazılıdır. Ücretlendirlen iş değeri bu gücün çalışma saati ile çarpımıyla bulunmaktadır. Wt = dQ V .t = IVt [Watt.saniye] dt Bu birimin yaygın olarak kullanılan şekli ise [KWh: Kilowatt saat]’dir. Elektriksel güç ölçümü Wattmetre kullanılarak yapılmaktadır. Soru: Bir evde 3 adet 60 W lık ampül ve 9000 BTU/h luk bir klima her gün 6 saat çalışmaktadır.Bu evin Kasım ayı enerji sarfiyatı kaç KWh’dir? 9 Devre analizinde kullanılan temel yasalar Ohm kanunu: Bir elektrik devresinde iki nokta arasındaki iletken üzerinden geçen akım, o iki nokta arasındaki potansiyel farkla (gerilim ile) doğru, dirençle ters orantılıdır. I= V R Kirchhoff Voltaj Kanunu (KVK): Kapalı bir göz (çevre, loop) içerisindeki toplam gerilim düşümü sıfırdır. ∑V k − Vh = 0 Devre analizinde kullanılan temel yasalar Kirchhoff Akım Kanunu (KAK) Bir düğüme giren akımların toplamı, çıkan akımların toplamına eşittir. Ya da bir düğüme giren ve çıkan akımların toplamı sıfırdır şeklinde ifade edilir. ∑i = ∑i g ç 10 Temel elektriksel büyüklüklerin ölçümü Elektriksel ölçümlerin temel prensibi elektrik akımının algılanmasıdır. Günümüzde yaygın olarak elektronik sistemler bu iş için kullanılsa da temel fiziksel ilkeleri en iyi döner bobinli ölçme aletleri ortaya koyar Galvanometre Manyetik alan içerisine yerleştirilmiş dönebilir bir bobin üzerinden bir elektrik akımı geçirildiğinde, bobinin üzerine bu akım ile doğru orantılı bir tork etki eder. Eğer sisteme bir de rotasyon yayı eklenirse sistemde oluşan tork bu yayı sıkıştırarak kontrollü bir hareket yapar. Bu anlatılan sistem elektromekanik bir algılayıcı sistemdir. Bu algılayıcı sisteme “galvonometre” denir. 11 Ampermetre Ampermetreler iletken üzerindeki akışı ölçecekleri için elektronların yolu üzerinde olmalılardır bu yüzden devreye seri bağlanırlar. Bu yüzden ampermetrelerin dirençlerinin düşük olması istenir. Voltmetre Voltmetreyi devrenin iki noktası arasındaki gerilim düşümünü ölçümde kullanırız. Bunun için voltmetreler devreye paralel bağlanır ve yüksek iç dirençli olurlar 12 Ohmmetre Direnç ölçümünün temeli, direnci ölçülecek elemana sabit ve bilinen bir gerilim uygulayıp üzerinden geçen akıma göre Ohm kanunu kullanarak bir ölçekleme yapılmasıdır. Ohmmetreler devreden ayrılmış elemanlara seri bağlanılarak ölçüm yapılır. Ohmmetre ile devre üzerinde gerilim varken ölçüm yapmak hem cihazın yanmasına hem de devrenin zarar görmesine sebep olur. AVOmetre AVOmetre Tasarımı ve video 13 Devre Analizi Vk Vk=4V, R1=5 Ω, R2=8 Ω, R3=12 Ω ise devre üzerinden geçen akımları ve elemanlar üzerine düşen gerilimleri hesaplayınız. 14
