EĞİTİM FAKÜLTESİ FEN BİLGİSİ ÖĞRETMENLİĞİ PROGRAMI GENEL FİZİK LABORATUARI - II DENEY KILAVUZU HAZIRLAYANLAR YRD. DOÇ. DR. HARUN ÇELİK ARŞ. GÖR. HÜSEYİN MİRAÇ PEKTAŞ KIRIKKALE 2012 1 İÇİNDEKİLER A) DERS ÖNCESİ HAZIRLIK AŞAMASI 1. FEN BİLGİSİ LABORATUARI İMZA ÇİZELGESİ 2. DENEY RAPORLARININ HAZIRLANMASI 3. LABORATUARDA DİKKAT EDİLECEK HUSUSLAR 4. DENEYLERDE KULLANILAN ARAÇ-GEREÇLER VE ÖZELLİKLERİ B) DERS SÜRECİNDE YAPILACAK OLAN DENEYLER 1. SUYUN ELEKTROLİZİ VE YÜK MİKTARI İÇİN BİR ÖLÇÜ 2. ELEKTROLİZ 3. ELEKTRİK DEVRE ELEMANLARININ KULLANIMI VE ÖNEMİ 4. WHEATSTONE KÖPRÜSÜ YÖNTEMİ İLE DİRENÇ ÖLÇÜMÜ 5. OHM YASASI 6. GRAFİK METODU İLE DİRENÇ VE ELEKTROMOTOR KUVVETİ ÖLÇÜLERİ 7. KİRCHHOFF YASASI 8. TRANSFORMATÖRLERİN AKIM VE GERİLİME ETKİSİ C) KAYNAKÇA 2 FEN BİLGİSİ LABORATUARI İMZA ÇİZELGESİ Öğrencinin; Adı Soyadı Numarası Deney No: NOT : : Deneyin adı: Tarih İmza : YIL SONU SINAVINA GİREBİLMEK İÇİN, EN AZ DENEYLERİN %80’ İNDEN İMZA ALINMIŞ OLMASI ŞARTTIR. 3 DENEY RAPORLARININ HAZIRLANMASI Deney raporları deneyin yapıldığı haftayı takip eden haftanın son iş günü ilgili öğretim elemanında olacak şekilde hazırlanıp teslim edilecektir. ( Deney raporları beyaz çizgisiz A4 kağıdına tükenmez kalemle yazılıp teslim edilecektir.) Raporları aşağıda belirtilen başlıklar altında hazırlayınız: Deneyin Adı Amaç Araçlar Teorik Bilgi Deneyin Yapılışı Deneyin Sonucu ve Yorumu -Deneyde Alınan Veriler -Deneyle İlgili Hesaplamalar ve Grafikler -Hata Hesabı Sorular ve Cevaplar Son olarak rapor aşağıda belirtilen formatta tamamlanır; Adı Soyadı :………………………….. Tarih :……… /…………/ 2012 Sınıf / No :………./………… 4 LABORATUARDA DİKKAT EDİLECEK HUSUSLAR Laboratuarda dikkat edilmesi istenilen noktalar öğrenciler için belki birer yasalar zinciri gibi gözükebilir, öyle düşünmemek gerekir. Aslında bunlar bir laboratuar kültürüdür. O kültürü ve alışkanlıkları kazanabilmek için aşağıdaki noktalara dikkat edilmelidir. Laboratuar dışarıdan bakıldığında tehlikeli bir yermiş gibi gözükür, aslında tehlikeli bir yer değildir. Ancak deney yapan kişi bu yerin güvenli bir yer olarak kalmasını sağlamak için bir takım uygun tedbirler almalıdır, bazı noktalara dikkat etmelidir. Bunları sıralarsak; Laboratuarın ciddi çalışma yapılan bir yer olduğunu hiçbir zaman aklınızdan çıkarmayınız. Kesinlikle laboratuara geç gelmeyiniz. Laboratuarda konuşmayınız. Deney esnasında aralarda dolaşmayınız. Yapmanız gerekli olan deneyle meşgul olunuz. Öğretim elemanına danışmadan deneyi yarıda bırakmayınız. Laboratuara önlüksüz girmeyiniz, aksi halde deneye alınmayacağınızı unutmayınız. Laboratuara gelmeden önce hazırlayacağınız deneyi deney föyünden mutlaka okuyunuz. Laboratuar araçları ile yersiz şakalar yapmayınız. Laboratuarda deney masalarını ve deney aletlerini her zaman temiz tutmayı unutmayınız, deneyinizi bitirince deney malzemelerini aldığınız gibi bırakınız. Deney sırasında gerekli bütün tedbirleri alarak deneyde belirtilenleri sırasını değiştirmeden ve düşünerek uygulayınız. Söylenmedikçe kimyasal maddelere elinizle dokunmayınız. Bir yere veya üzerinize asit veya başka bir aşındırıcı kimyasal bir madde dökülürse hemen bol su ile yıkayınız. Kimyasal maddeler kullanıldıktan sonra eller mutlaka yıkanmalıdır. Laboratuardaki cihazları büyük bir itina ile kullanınız. Cihazları çalışır vaziyette bırakıp laboratuardan ayrılmayınız. UNUTMAYINIZ ki; bir dikkatsizlik hayati önem taşır. Isıtılmış cam malzemelerin soğumasını beklemeden elle dokunmayınız. Unutmayınız ki; görünüşte sıcak bir camın soğuk bir camdan farkı yoktur. Hiçbir zaman bir kimyasal madde yada çözeltinin tadına bakmayınız. Bir maddenin kokusuna bakmak istiyorsanız, bunu, yüzünüzü kabın üzerine yaklaştırarak yapmayınız. Biraz uzakta durunuz ve kabın üzerindeki bir miktar buharı elinizle yelpazeleyerek burnunuza doğru yavaş yavaş göndererek koklayınız. Bir şişeden madde almadan önce, şişeniz üzerindeki etikete dikkat ediniz. Kullanmadığınız maddeleri hiçbir zaman tekrar şişeye koymayınız. Hiçbir zaman bir dereceli silindiri veya bir şişeyi ısıtmayınız. Hiçbir zaman kuvvetli bir asit içine su dökmeyiniz. Her zaman kuvvetli asidi suyun içerisine yavaşça dökerek devamlı karıştırınız. DENEYLERİNİZDE BAŞARILAR DİLERİZ 5 ELEKTRİK LABORATUARINDA KULLANILAN ARAÇ-GEREÇLER VE ÖZELLİKLERİ GÜÇ KAYNAĞI :Devreyi besleyen ve devreye elektriksel güç veren aletlerdir. Pil, akü, batarya, adaptör vb. aletlerdir. Sabit bir değerde gerilim verenlerin yanında değişik değerlerde ve AC(Alternatif akım) ve DC(Doğru akım) gibi iki değişik akım verenleri de vardır. REOSTA:Devre akımını ayarlamaya yarayan aletlerdir. Devreye seri bağlanır. Devre direncini değiştirerek güç kaynağından çekilen akımın azalmasını yada çoğalmasını sağlar. Aslında ayarlı birer dirençtirler. Üzerlerine sarılan direncin değerini değiştirmek için devrede bulunan boyunun değiştirilmesi esası ile çalışır. Şekilde görüldüğü gibi olanların yanında daha küçük yapıda olanları da vardır. ANAHTAR: Devre akımını akıp kapamaya yarar. Ayrıca devre güvenliğinde de yardımcı olan basit yapılı araçlardır. İLETKEN: Elektrik akımı iletimini sağlayan, genelde bakır, alüminyum, demir gibi malzemelerden yapılan yardımcı deney araçlarıdır. YALITKAN: Elektrik akımını iletmeyen ve yayılmasını önleyen plastik, porselen, cam gibi malzemeden yapılan maddelerdir. BAĞLANTI KABLOSU: Deney aletlerini birbirine bağlamaya yarayan fişli yada timsah ağızlı (krokodil) yalıtılmış iletkenlerdir. SİGORTA: Herhangi bir tehlike anında devre akımını kesen aletlere sigorta denir. Her elektrik devresinde, devrede akması gereken maksimum akım dikkate alınarak buna uygun bir sigorta seçilmeli ve mutlaka kullanılmalıdır. BOBİN: Bir yalıtkan üzerine, yalıtılmış bir iletkenin sarılmasıyla oluşturulan sistemdir. AMPERMETRE : Ampermetre devrede bağlı olduğu koldan geçen akımı ölçen aletlerdir. Devreye seri bağlanırlar. VOLTMETRE: Devreye bağlı bulunduğu iki nokta arasındaki gerilimi ve potansiyel farkı ölçer. Devreye paralel bağlanırlar. GALVANOMETRE: Bu aletlere mili ampermetre de denir. Sıfır noktası ortada olan bu aletler her iki tarafa da saparak (+) ve (-) yöndeki akımı da gösterebilirler. AVOMETRE: Akım, gerilim ve direnç ölçen anlamına gelen Amper-Volt-Ohm birimlerinin ilk harflerinden oluşturulmuş ve ölçme anlamına gelen metre eklenerek avometre adını almıştır. Skalalı veya dijital olanları vardır. DİRENÇ: Elektrik akımına karşı gösterilen zorluk olarak tanımlanabilir. Her maddenin kendine göre bir elektriksel direnci vardır. Maddelerin birim uzunluğunun elektriksel direncine öz direnç denir. Maddelerin direnci; maddelerin yapıldığı cismin özelliğine, boyuna ne kesitine bağlıdır. R= & . l . A ile ifade olunur. Sıcaklığın elektriksel direnci etkisi göz ardı edilemeyecek kadar çoktur. Maddelerin sıcaklığı değiştiğinde direncinin de değiştiği bilinmektedir. PUSULA: Basit bir iğne mıknatıstan oluşan ve ortamdaki bileşke magnetik alanın yönünü gösteren bir alettir. ELEKTROLİT: Elektriğin sıvılar içine verilmesini ve alınmasını sağlayan iletken parçalardır. 6 7 8 9 DENEY NO :2 DENEYİN ADI: ELEKTROLİZ Amaç Belirli Bir Süre İçinde Bakır Elektrotlu ve CuSO4 Elektrolitli Bir Elektroliz Kabının Katodunda Açığa Çıkan ve Anodunda Çözünen Bakır Miktarını Ölçerek, Faraday Elektroliz Kanunları Yardımıyla Akım Şiddetini Hesaplamak. Araçlar Güç kaynağı, reosta, ampermetre, cam kap, bakır elektrotlar, bakır sülfat ( CuSO4 ) çözeltisi, bağlantı kabloları, zımpara, kronometre ve birkaç ölçek NaCl… Anot Katot _ + Cu Katyonlar Cu _ Anyonlar A + Reosta + _ Şekil-2.1 Elektrolizde kurulacak deney düzeneği Teorik Bilgi Şekilde görüldüğü gibi bakır sülfat çözeltisinin içerisine yerleştirilmiş olan iki bakır çubuk (elektrot) ile devreden akım geçmesi sağlanır. Bir elektrolitten akım geçirildiği zaman meydana gelen olaya elektroliz adı verilir. Örnek olarak CuSO4 çözeltisinin bakır elektrotlarla elektrolizini gözden geçirelim. Katı haldeki bakır sülfat bir iyon bileşiğidir. Bakır, 2 elektron kaybettiği için +2 değerlikli,sülfat grubu bakırdan 2 elektron aldığı için -2 değerliklidir. Dışarıya karşı nötr (yüksüz) olan bileşikte, Cu+2 iyonları ile SO4-2 iyonları arasındaki elektriksel çekim kuvveti bunları bir arada tutar. Fakat bakır sülfat tanecikleri su içine atılırsa iyonlar arası elektriksel bağ çözülür. Böylece ; CuSO4 Cu+2 + SO4-2 denklemi uyarınca bakır sülfat bileşiği iyonlarına ayrılmış olur ve her iyon diğerinden bağımsız olarak rast gele termik hareketler yapmaya başlar. Eğer çözelti içine yerleştirilen elektrotlar arasına bir potansiyel farkı uygulanırsa meydana gelen elektrik alanda + yüklü iyonlar – işaretli elektrota (katoda), - yüklü iyonlarda + işaretli elektrota (anoda) doğru harekete geçerler. + yüklü iyonlara katyon, - yüklü iyonlara da anyon adı verilir.Cu+2 iyonları katoda erişince ikişer elektron alarak serbest 10 bakır atomu haline geçerler ve katodun yüzeyinde toplanırlar. Bu yüzden katodun kütlesi elektroliz süresince artar. Cu+2 + 2e- = Cu Her SO4-2 iyonun anoda varması ile bu elektrotu meydana getiren Cu atomlarından biri dış devreye 2 elektron verip Cu+2 iyonu olarak çözeltiye geçer. Bu yüzden de anodun kütlesi elektroliz süresince azalır. SO4-2 + Cu = Cu+2 + SO4-2 + 2 e - Yukarıda anlatıldığı gibi, bir elektrolitte elektrik yükleri iyonlar tarafından taşınmaktadır ve her iyonun ilgili elektrota erişmesi ile iyonun ve elektrotun cinsine bağlı bir kimyasal olay meydana gelmektedir. Örnek olarak, incelediğimiz düzenekte katotta bakır açığa çıkmakta ve buna karşılık anotta aynı miktarda bakır çözeltiye geçmektedir. Elektroliz olayı ile ,ilgili olarak Faraday tarafından iki önemli yasa ortaya atılmıştır. Faraday’ ın birinci kanununa göre; Elektroliz olayı esnasında katotta toplanan madde miktarı ( m ), devreden geçen yük miktarı ( i ) ve zamana ( t ) bağlı olarak değişir. Bu değişkenler arasındaki ilişki; şeklinde ifade edilir. Bu bağıntıdaki K orantı katsayısı, elektrolizde ayrılan maddenin elektrokimyasal eşdeğeri olarak adlandırılır. K katsayısı farklı maddeler için farklı değerler alır. Faraday’ ın ikinci kanununa göre; Devreden 96500 coulomb’ luk yük geçtiği zaman, katotta kimyasal eşdeğer kadar madde toplanır. Bunu; bağıntısı ile ifade etmek mümkündür. ( Bağıntıdaki A; katottaki elementin atom ağırlığı, n; değerlik elektronu sayısıdır. ) 11 Deneyin Yapılışı Elektroliz olayını gerçekleştirmemizi sağlayacak olan CuSO4 çözeltisini hazırlayınız. Bakır elektrotları zımpara ile temizleyerek, birini katot olarak seçiniz. Seçtiğiniz elektrotu tartınız. ( Zımparalanan bakır elektrotların yüzeylerini elle tutmamaya dikkat ediniz.) Şekildeki devreyi kurarak, katot olarak seçtiğiniz elektrotu üretecin ( - ) ucuna bağlayınız. Devreye 10 volt’ luk akım vererek aynı anda kronometreyi çalıştırınız. 20 dakika boyunca devreye sürekli olarak akım veriniz.( 3 – 5 dakikada bir çözeltiyi yalıtkan bir çubukla hafifçe karıştırınız.) Belirtilen süre sonunda devreye gelen akımı keserek, elektroliz olayını tamamlayınız. Katot olarak seçtiğiniz bakır elektrotu yüzeyine dokunmadan alarak, tartınız. Elde ettiğiniz ölçüm sonuçlarından yararlanarak ; bağıntısıyla devreden geçen akım miktarını hesaplayınız . ( ACu=63,52 , nCu=2 ) Bulduğunuz akım değeri ile devreye bağlı olan ampermetredeki değeri karşılaştırınız ve yaptığınız hata oranını hesaplayınız. Elektrolizde ayrılan maddenin elektrokimyasal eşdeğeri olarak adlandırılan K orantı katsayısını Faraday’ ın birinci kanunundan yola çıkarak deneysel sonuçlarla bulunuz ve teorik sonucu ile karşılaştırınız. Bulduğunuz değerin hata oranını hesaplayınız. Sonuç ve Yorumlar Sorular ve Cevaplar 1) Bu deneyde bakır sülfat çözeltisi yerine başka bir çözelti kullanabilir miydiniz? Bu durumda deney düzeneğinde ne gibi değişiklikler yapmak gerekir? 2) Çözeltiyi deney esnasında yalıtkan bir çubukla karıştırmanızın sebebini açıklayınız. 3) Elektrolit nedir, tanımlayınız. 4) İyonlar arası elektriksel bağın çözülmesine etki eden faktörleri yazınız. 5) Deneyde elektrik akımının kullanılmasının sebebini araştırınız. 6) Bu deneyden edindiğiniz bilgileri kullanarak bozuk bir parayı bakır kaplayabilir misiniz? Nasıl bir düzenek hazırlardınız? 7) Farklı yükler birbirini çekerler yargısı elektrotta gerçekleşen olaylar için söylenebilir mi? Araştırınız. 12 DENEY NO DENEYİN ADI :3 : ELEKTRİK DEVRE ELEMANLARININ KULLANIMI VE ÖNEMİ A) Dirençlerin Seri, Paralel ve Karışık Bağlanması Deneyin Amacı: Bu deneyin amacı Ohm kanununu araştırmak, bir direncin değerini bulmak, paralel ve seri bağlı dirençlerin eşdeğer dirençlerinin nasıl değiştiğini hesaplamak. Bu deney sonucunda dirençler, seri ve paralel bağlı devler hakkında bilgi edinilmesi beklenmektedir. Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler: Güç kaynağı, ampermetre, voltmetre ve reosta. Teorik Bilgi Devre, elektrik akımının izlediği yoldur. Bu yol güç kaynağından başlayıp yine güç kaynağında biter. Güç kaynağının kutuplar olarak adlandırılan iki ucu vardır. Elektrik bu iki kutup arasında metalden, örneğin bakırdan yapılmış teller aracılığıyla akar. Bir direncin iki ucu arasında bir potansiyel fark yaratılmasıyla içinden akım geçeceği ve ortaya V=I·R (1) denkleminin çıkacağı, seri bağlı dirençlerin eşdeğer direncinin 2 nolu formül ile bulunabileceği, paralel bağlı dirençlerin eşdeğer direncinin 3 nolu formülü kullanarak bulunabileceği tahmin edilmektedir. Reş R1 R2 ... R N (2) 1 1 1 1 ... (3) Reş R1 R2 RN Deneyin Yapılışı-1: Şekil 1 Şekil 1 deki devre kurularak 1kΩ’luk direncin farklı voltajdaki amper değerleri ve voltmetrede okunan voltaj değerleri elde edilecek ve sonuçlar tablo 1’e eklenecektir. 13 Tablo 1 Uygulanan Voltaj (volt) Ölçülen Voltaj (volt) Ölçülen Akım (mA) Hesaplanan Direnç (kΩ) Hatalar Farklı gerilimler uygulanarak bulunan akım değerlerini kullanarak bir V-I grafiği oluşturunuz ve grafikten yararlanarak direnç değerlerini hesaplayınız. Deneyin Yapılışı-2: Bilinen iki direnç ve bilinmeyen bir direnç değerinden yola çıkarak Şekil 2’ deki devreyi kurunuz. Şekil 2 Devrenin eşdeğer direncini ölçerek bilinmeyen direnci bulunuz. Bu işlemler sonucunda hesaplanan direnç ile ölçülen direnci karşılaştırınız. Bulduğunuz değerin hata hesabını yaparak sonucu yorumlayınız. 14 B) İndüksiyon Akımı, Elektrik Motoru, Elektrik Zili Ve Dinamoyu Tanıma Amaç 1.İndüksiyon akımını elde edebilme, indüksiyon akımının şiddetinin ve yönünün nelere bağlı olduğunu görebilme. 2. Elektromıknatıs oluşturabilme tanıyabilme ve çalışma prensiplerini anlayabilme 3.Elektrik motorunu tanıyabilme ve çalışma prensiplerini anlayabilme 4.Elektrik zilini tanıyabilme ve çalışma prensiplerini anlayabilme Araçlar Elektrik motor modeli, elektrik zil modeli, çubuk mıknatıs, bağlantı kabloları, basit anahtar, güç kaynağı, ampermetre, bobin(800 sarımlık) Teorik Bilgi Herhangi bir iletken halkadan geçen magnetik alan şiddetine magnetik akı denir. Magnetik akı A yüzey alanı bulunan çerçeveden geçen magnetik alan çizgileri ile doğru orantılıdır. A.B. cos a ile ifade edilir. Kapalı bir halka içinde magnetik alan şiddetini yani magnetik akıyı değiştirirsek bu iletken halka üzerinde bir akım oluşur. Bu akıma indüksiyon akımı denir. İndüksiyon akımının oluşmasına indüksiyon elektromotor kuvveti etki eder. İndüksiyon motor kuvveti şeklinde ifade t edilir. Herhangi bir iletken halka üzerindeki magnetik akıyı herhangi bir yolla değiştirdiğimizde iletken üzerinde bir indüksiyon akımı doğuyorsa bu iletken üzerinden bir elektrik akımı geçirildiğinde bu iletken halka içerisinde demir çekirdek varsa bu demir mıknatıs olur ve oluşan bu mıknatısa elektromıknatıs denir. Sabit bir mıknatıs içinde sürekli değişen bir mıknatıs oluşturulursa mıknatısların birbirlerini itmesi sonucunda hareketli mıknatıs döner. Bu basitçe bir elektrik motoru olarak adlandırılabilir. Mıknatıs kutupları arasında yer alan sargıların bulunduğu çerçevenin dönmesinin nedeni, sargılardan akım geçince sargıların mıknatıslanmasıdır. Sargıların N kutbu ile mıknatısın S kutbu aynı hizaya gelinceye kadar döner. Bu noktada akımın girdiği bilezik değişir. Akım ters yönden sargılara girer. Böylece sargıların kutupları değişir. Aynı isimli kutuplar (mıknatıs ve bobin kutupları) tekrar karşı karşıya gelerek itme kuvvetiyle çerçeveye döner. Elektrik zili, elektrik akımıyla çalışan bir haberleşme aracıdır. Basit bir elektrik zili modelinde bobin, demir çekirdek (armatür), palet ve paletin ucunda tokmak, çan ve palet ayarlama vidası, paletin arkasında bir yay bulunur. Devre kapatıldığında demir çekirdek elektro mıknatıs özelliği kazanarak paleti çeker. Paletin ucundaki tokmak çana bir kez vurur. Bu esnada palet, değme vidasından ayrılarak devreden akım kesilmesine neden olur. Devreden akım geçmediğinde demir çekirdek elektromıknatıslık özelliğini kaybeder ve paleti bırakır. Palet yay görevi yapan şerit sayesinde tekrar değme vidasına dokunarak devreden akım geçmesini sağlar. Tekrar mıknatıslık özelliği kazanan demir çekirdek paleti çeker ve tokmak çana bir kez vurur. Bu olay devre kapalı olduğu sürece periyodik olarak devam eder. Deneyin Yapılışı ( Elektromagnetik indüksiyon) 1. İki bobini, bağlantı kabloları ile birbirine bağlayınız. Bobinleri birbirinden uzaklaştırınız ve delikleri birbirine dik gelecek şekilde yerleştiriniz. 2. Pusulayı, plastik levhanın üstüne koyunuz ve deliği yatay duran bobinin yanına şekilde görüldüğü gibi getiriniz. Serbest halde pusula ibresi, bobinin delik eksenine dik durmalı, bunun için bobin durumunu ayarlayınız. 15 3. Mıknatısı elinize alınız ve deliği düşey duran bobinin deliği hizasına getiriniz. Hızlıca bobin içine sokarken pusula ibresini gözleyiniz. İbre sapar ve tekrar yerine gelir. 4. Mıknatısı hızlıca geri çekiniz. Pusula ibresi tersyönde sapar ve eski yerine gelir. 5. Mıknatısın diğer kutbu ile deneyi tekrarlayınız. İbre öncekilerin tersine sapar. 6. Şimdi mıknatıs soktuğunuz bobin yerine elektrik motoru modelini takınız. Kablosunu, motorun iki yarım bilezik tarafına (motor olarak kullandığınız uçlara) takınız. Mıknatısı motorun üzerine koyunuz. 7. Motoru elle yarım devir yaptırırken pusulayı izleyiniz, ikinci yarım devirde de izleyiniz, pusula hep aynı yöne sapar. (DC üretir.) motoru hızla döndürmek pusulanın daha çok saptığını, yani üretilen akımın arttığını gösterir. Bu yapıya dinamo denir. Dinamo ile motor aynı yapıya sahiptir. 8. Bu defa kablo uçlarını motorun diğer tarafındaki iki tam bilezik uçlarına takınız. Motorun her yarım devrinde pusula ibresini izleyiniz. İbre her iki yana da sapar. Dalgalı akım veren bu üretece ALTERNATÖR denir. Şehir akımı üreteçleri buna benzer. (Elektromıknatıs) 1. Elektrik zilinden bobin ve çekirdeği çıkarınız. Güç kaynağının bir ucunu kısa bağlantı kablosuyla basit anahtara bağlayınız. 2. Uzun bağlantı kablolarıyla basit anahtarın diğer ucunu, bobinin bir ucuyla bobinin diğer ucunuysa güç kaynağının diğer ucuyla birleştirerek devreyi tamamlayınız. 3. Anahtara basmadan (devre açıkken) bobin içindeki çekirdeği toplu iğne grubuna yaklaştırınız. Çekme olmadığını gösteriniz. 4. Bu anda anahtara basarak devreyi kapatınız. Toplu iğne kümesi, elektromıknatıs tarafından kuvvetlice çekilir. Anahtarı bırakarak devreyi açınız. Toplu iğne yere dökülecektir. Akım kesilince elektromıknatısın mıknatıslığı kaybolur. (Örneğin; elektrik zili, telgraf, elektrikli vinç v.b.) (Elektrik motoru) 1. Kablolardan birinin bir ucu güç kaynağının + kutbuna, diğer ucunu da motor modelinin tek bilezikli makaranın bulunduğu taraftaki yuvalardan birine takınız. Diğer fiş yuvasına takacağınız kablonun öteki ucunu anahtara takınız. 2. Kısa kabloyu, anahtarın boş kalan fiş yuvası ile güç kaynağının – kutbu arasına bağlayınız. Böylece elektrik devresini tamamlamış oldunuz. 3. Mıknatısı motorun üzerine düzgün bir şekilde koyunuz. Güç kaynağını 6 V düzeyine getiriniz. Bir eliniz anahtara basarken, diğer elinizle motorun ortasında dönen rotora ilk hareketi veriniz. Ardından kabloların bağlantı yerlerini ve mıknatısın yönünü değiştirerek akım yönünün ve dönüş yönünün değiştiğini gözleyiniz. (Elektrik zili) 1. Bağlantı kablosunu bobinin bir ucu ile dik duran hayal vidalı metalin üzerindeki fiş yuvasına takınız. Kablolardan biri ile güç kaynağının bir kutbunu, paleti taşıyan metaldeki yatay fiş yuvasına birleştiriniz. Üçüncü kablonun bir ucunu, bobinin diğer ucuna; diğer ucunu ise anahtara bağlayınız. Son kablo ile de anahtarı güç kaynağına bağlayınız. Devreyi tamamlamış oldunuz . 2. Güç kaynağını 6V kademesine ayarlayınız ve anahtara basarak zili çalıştırınız. Sonuçlar ve Yorumlar Yukarıda verilen bilgiler doğrultusunda elde ettiğiniz gözlemlerden faydalanarak aşağıda verilen maddeleri yorumlayınız. 16 1. Dinamo ile alternatör arasında yapı bakımından ne gibi farklar vardır? ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… …………………………… 2. Elektromagnetik indüksiyonu etkileyen faktörleri kısaca açıklayınız. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… …………………………… 3. Alternatif akım ile doğru akım arasındaki farkları yazınız. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 4. Elektromıknatısın çekim kuvveti ile doğal mıknatısın çekim kuvvetini karşılaştırınız. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……………………… 5. Elektromıknatısın çekirdeği niçin yumuşak demirden yapılır? Çelikten yapılsaydı ne olurdu? ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 6. Elektromotor kuvvetin yönü ve manyetik alanın yönünü tespit ediniz. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……………………… 7. Zilin çalışmasına dayanak oluşturan elektrik ve manyetik olguları belirtiniz. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……………………… 17 DENEYİN KURULUŞ ŞEKİLLERİ Elektromagnetik indüksiyon Dinamo modeli Elektromıknatıs Elektrik motoru Elektrik zili 18 DENEY NO :4 DENEYİN ADI : WHEATSTONE KÖPRÜSÜ YÖNTEMİ İLE DİRENÇ ÖLÇÜMÜ Amaç Değeri bilinmeyen dirençlerin Wheatstone köprüsü düzeneği yardımıyla değerinin hesaplanması. Araçlar DC güç kaynağı, multimetre, reosta, standart direnç, tel sürgülü Wheatstone köprüsü ve dirençler. Teorik Bilgi Direnç ölçümünde kullanılan bir çok yöntem vardır. En dolaysız ölçme yöntemi ampermetre-voltmetre yöntemidir. Bu metotla yapılan ölçmelerin duyarlılığı için, ampermetre ve voltmetrenin uygun ölçme aralıkları olması ve ayrıca doğru okuma yapan bu aletlerden en az birinin iç direncinin bilinmesi gerekir. Hem bir karşılaştırma ve hem de bir sıfırlama yöntemi olduğu için, bu deneyde kullanılan Wheatstone köprü yönteminin ampermetre-voltmetre yöntemine göre, açık bir üstünlüğü vardır. Köprü devresine bağlanmış olan galvanometredeki sapmanın sıfır yapılmasıyla, direnci bilinmeyen bir eleman bilinen standart bir dirençle karşılaştırılır. D R G X L 100-L B A C Rh E Şekil – 1 wheatstone köprüsü 19 A ve B noktaları arasında 1 metrelik bir düzgün direnç teli bulunmakta. Değeri bulunacak olan X direnci ise A ve D noktaları arasına yerleştirilmiştir. Direnç kutusu ise D ve B noktaları arasında bulunmakta. Ayrıca galvanometre ise D ve C noktaları arasına bağlanmış durumda ve galvanometrenin bir ucu ise serbest halde A-B düzgün direnç teli üzerinde hareket edebilecek şekildedir. Güç kaynağı açıldığında devreden galvanometre de dahil olmak üzere tüm tellerden ve dirençlerden akım geçer. Ancak galvanometreden geçen akımın sıfır olduğu bir C noktasını bulmak olasıdır. Galvanometreden geçen akım sıfır olduğu anda köprü dengede demektir. Böyle bir denge durumunda A-D noktaları arası potansiyel fark A ve C noktaları arası potansiyel farka, D ve B noktaları arası potansiyel fark ise B ve C noktaları arası potansiyel farka eşit olur. X ve R dirençlerinden geçen akım I1 olarak alınır ve düzgün direnç telinden geçen akım ise I2 olarak alınırsa şu denklem kurulabilir : I1.X = I2.RAC (4.1) I1.R = I2.RCB (4.2) İki denklem düzenlenirse şu sonuç ortaya çıkar: X R AC .R RCB (4.3) Köprü teli düzgün kabul edilirse denklemdeki tel üzeri direnç oranları uzunluk oranları olarak da yazılabilir : R AC L RCB 100 L X R L 100 L (4.4) şeklinde yazılabilir. X 'in ölçülmesinde yapılacak hatanın en az olması için köprünün dengesi, olabildiğince köprü telinin ortalarında bir noktada sağlanmalıdır. Başka bir değişle ölçmelerde duyarlı ğı artırmak için R olabildiğince X 'e yakın bir değerde seçilmelidir. Bu yöntem kullanılarak çok geniş bir aralıkta direnç ölçmesi yapılabilir. Yani uygun bir R sağlandığı taktirde 1Ω 'dan 1000 Ω basamağına kadar dirençler ölçülebilir. Çok düşük ve çok yüksek değerde dirençlerin ölçülmesi için köprüde değişiklik yapılması gerekir. 20 Şekil-2 Wheatstone köprüsü için kurulacak deneyin gösterimi Deneyin Yapılışı Şekil' deki devreyi kurunuz. Multimetrenin bir ucunu sürgü tel üzerinde değişik konumlara değdiriniz. Multimetrenin ibresi ya sağa doğru ya da sol doğru sapma gösterecektir. Denge durumuna ulaşıncaya kadar sürgünün konumunu değiştirmeye devam ediniz. Multimetrenin akım değerini sıfır gösterdiği yer denge konumu olarak kabul edilir. Denge konumuna ulaşınca L uzunluğunu not ediniz. R1= 1 , R2= 10 ve R3= 100 direnç değerlerini kullanarak, (4.4) bağıntısını kullanarak bilinmeyen X direncini hesaplayınız. Bu üç direnci seri ve paralel bağlayarak bilinmeyen X direncini hesaplayınız. Bütün sonuçlarınızı Tablo 4.1 'e kaydediniz. Sonuçlarınız için hata hesabını yapınız. Tablo 4.1 X1 X2 X3 R (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) Xs Xs Xp Xp (hesapla) (deneysel) (hesapla) (deneysel) (Ω) (Ω) (Ω) (Ω) 21 Sorular ve Cevaplar 1. (4.3) eşitliğinde hiç bir değişiklik yapmadan Şekil-1 'deki multimetre ile pilin yerlerini değiştirmenin mümkün olduğunu gösteriniz. 2. Eğer Şekil-1 'de X ve R' nin yerlerinin değiştirilmesiyle denge noktasının kayması d ise; X 100 d R 100 d olduğunu gösteriniz. Sonuçlar ve Yorumlar 22 DENEY NO DENEYİN ADI :5 : OHM YASASI Amaç 1- Farklı kesitlere sahip dört konstantan telin üzerindeki akım ve voltajın ölçülmesi 2- Farlı uzunluktaki iki konstantan telin üzerindeki akım ve voltajın ölçülmesi 3- Pirinç ve konstantan telleri üzerindeki akım ve voltajın ölçülmesi 4- Ampermetre ve voltmetre kullanımını öğrenerek, Ohm yasasına uyan devre elemanlarının akım-gerilim karakteristiklerini elde edilmesi ve iletkenin direncini bulunması. Araçlar 0-12 V DC güç kaynağı, ampermetre, voltmetre, multimetre, dirençler ve bağlantı kabloları. Teorik Bilgi Bir iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkının (V), iletkenden geçen akım şiddetine (i) oranı sabittir. Bu sabite, iletkenin direnci denir ve R ile gösterilir. Buradan iletkenin direnci RV (1) I olur. Bu ifadeye, George Simon Ohm (1789-1854) tarafından bulunduğu için Ohm kanunu adı verilmiştir. Burada potansiyel farkı volt, akım şiddeti amper alındığında direnç birimi (volt /amper) veya ohm (Ω) olur. 1 ohm, uçları arasına 1 voltluk potansiyel farkı uygulandığı zaman 1 amperlik akım geçiren iletkenin direncidir. Bir iletkenin direnci, İletkenin boyuna, kesitine ve yapıldığı maddenin cinsine bağlıdır. O halde bir iletkenin direnci, RL A (2) bağıntısıyla ifade edilir. Bağıntıdaki L iletkenin boyu, A kesiti, p ise iletkenin yapıldığı maddenin cinsine bağlı bir katsayıdır. Buna iletkenin özdirenci adı verilir. Bir direncin uçları arasında sabit potansiyel farkı elde etmek için, elektromotor kaynağı denilen bir alet kullanılır. Bu alet basit bir batarya olabileceği gibi bir güç kaynağı da olabilir. Bilindiği gibi batarya kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çevirir. Piller bunlara örnek verilebilir. Güç kaynağı ise elektronik bir alettir ve 220 Volt'luk alternatif (AC) şehir gerilimini alçak ve doğru (DC) gerilime çevirir. Deneyin Yapılışı Şekil-1 Ohm yasası için kurulacak deneyin gösterimi 23 Deneyin yapılışı şekil-1’de gösterilmektedir. Şimdi aşağıda sizlere verilen bilgiler doğrultusunda deneyleri yapınız. 1- =1mm olan konstantan teline ampermetreyi seri, voltmetreyi ise paralel bağlayarak devreyi tamamlayınız. a- 0V – 0,4V arasında gerilimi 0,1’er V artırarak, gerilimlere karşılık gelen okuduğunuz akım ( I ) değerlerini tablo-1’e yazınız. b- Aynı uygulamayı 0V–0,8V arasında gerilimi 0,2’er V artırarak =0,7mm olan konstantan teli için, 0V– 1,6V arasında gerilimi 0,4’er V artırarak =0,5mm olan konstantan teli için ve son olarak 0V-3,2V arasında gerilimi 0,8’er V artırarak =0,35mm olan konstantan teli için tekrarlayıp, gerilimlere karşılık gelen okuduğunuz akım ( I ) değerlerini tablo-1’e yazınız. 2- =0,7 mm olan konstantan teli üzerinden devreyi tamamlayarak, L=1m uzunluğundaki tel için 0V – 1V arasında gerilimi 0,2’er V artırarak, gerilimlere karşılık gelen okuduğunuz akım ( I ) değerlerini tablo-2’ye yazınız. Sonrasında aynı uygulamayı L=2m uzunluğundaki konstantan teli için 0V – 2V arasında gerilimi 0,4’er V artırarak, karşılık gelen akım ( I ) değerlerini tablo-2’ye yazınız. 3- =0,5 mm olan tellerden önce konstantan teli için, 0V – 0,5V arasında gerilimi 0,1’er V artırarak, gerilimlere karşılık gelen okuduğunuz akım ( I ) değerlerini tablo-3’e yazınız, sonra 0V – 2V arasında gerilimi 0,4’er V artırarak, gerilimlere karşılık gelen okuduğunuz akım ( I ) değerlerini tablo-3’e yazınız. 4- Farklı kesitler, farklı uzunluklar ve farklı malzemeler için bulduğunuz akım-gerilim değerlerinden yararlanarak akım-gerilim (I-V) grafiklerini çiziniz ve yorumlayınız. 5- L=1m uzunluklardaki konstantan tellerinin farklı kesitleri için çizdiğiniz I-V grafiğinden yararlanarak farklı kesitlere ait direnç değerlerini tespit ediniz ve tablo-4’e yazınız. 6- Farklı uzunluklar için çizdiğiniz I-V grafiğinden yaralanarak farklı uzunluklara ait direnç değerlerini tespit ediniz ve tablo-5’e yazınız. 7- Farklı malzemeler (konstantan-pirinç) için çizdiğiniz I-V grafiğinden yaralanarak farklı malzemelere ait direnç değerlerini tespit ediniz ve tablo-5’ya yazınız. 8- Tablo-4’ten yararlanarak R(Ω) - A(mm2) grafiğini çiziniz ve bir iletkenin direncinin, iletkenin kesitinden nasıl etkilendiğini yorumlayınız. (Grafik çizmeden) Bir iletkenin direncinin, iletkenin uzunluğunun değişiminden nasıl etkilendiğini yorumlayınız. 9- Grafik- 4 ve tablo-6’dan yararlanarak konstantan ve pirinç malzemeden yapılan iletkenin özdirencini (2) denkleminden elde ediniz. 24 Sonuçlar ve Yorumlar TABLO-1 : (L=1m) Eşit uzunluklara sahip farklı Kesitlerdeki konstantan teller için akım-gerilim değerleri =1,0 mm =0,7 mm 2 2 =0,5 mm =0,35 mm A=0,8 mm A=0,4 mm A=0,2 mm2 A=0,1 mm2 V/V V/V V/V I/A I/A I/A V/V I/A Grafiğin yorumu: Grafik 1 TABLO-2: ( =0,7 mm) Eşit kesitlere sahip farklı uzunluklardaki konstantan teller için akım-gerilim değerleri L=1 m L=2 m V/V I/A V/V I/A Grafiğin yorumu: Grafik 2 25 TABLO-3 :( =0,5 mm ve L= 1 m) Eşit uzunluklara ve kesitlere sahip konstantan ve pirinç teller için akım-gerilim değerleri Konstantan Pirinç V/V I/A V/V I/A Grafiğin yorumu: Grafik 3 TABLO-4 : Farklı kesitlere ait direnç değerleri (Konstantan teli) A / mm2 R/Ω 0,1 0,2 0,4 0,8 Grafiğin yorumu: Grafik 4 TABLO-5 : Farklı uzunluklara ait direnç değerleri (Konstantan teli) 26 L/m R/Ω 1m 2m TABLO-6 : Farklı malzemelere ait direnç değerleri (Konstantan – pirinç teli) Malzeme R/Ω Pirinç Konstantan Hata Hesabı Sorular ve Cevapları 1. Katılarda elektrik akımı nasıl iletilmektedir? 2. Metallerin, özdirencini sıcaklık nasıl etkilemektedir. 27 DENEY NO :6 DENEYİN ADI :GRAFİK METODU İLE DİRENÇ VE ELEKTROMOTOR ÖLÇÜLERİ KUVVETİ Amaç Grafik metoduyla değeri bilinmeyen direncin, değerinin bulunması ve pilin elektromotor kuvvetinin hesaplanması. Araçlar Direnç kutusu, voltmetre, ampermetre, bağlantı kabloları ve pil. Torik Bilgi Bir iletkenden geçen akım şiddeti, iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkı ile orantılıdır. Başka bir ifadeyle, iletkenin uçları arasındaki potansiyel farkının geçen akım şiddetine oranı, söz konusu iletken için sabittir (Ohm kanunu).Bu sabit orana, iletkenin direnci denir. Direnci R olan iletkenin uçları arasına V voltluk potansiyel farkı uygulandığında geçen akım şiddeti I ise, bu üç büyüklük arasında Ohm kanununa göre, V=IR (3.1) bağıntısı vardır. (3.1) denkleminde V volt, I amper cinsinden ölçülürse direncin birimi olur. Eldeki mevcut dirençlerden daha büyük bir direnç yapmak için bu dirençler uç uca bağlanır.(Şekil 3.1). Bu şekildeki bağlamaya seri bağlama denir. R1 R2 R3 A B Şekil 3.1 Seri bağlı R1 ,R2, ,R3 dirençlerinin eşdeğer direncini bulmak için A ve B noktaları arasına bir potansiyel farkı uygulanırsa, her bir dirençten I şiddetinde akım geçer. Bu durumda A, B arasındaki potansiyel farkı, dirençler üzerindeki potansiyel farklarının toplamına eşit olur. A ile B arasındaki direnci R ile gösterirsek, VAB =IR IR =IR1 + IR2 + IR3 R = R 1 + R2 + R3 yazabiliriz. Buradan ; (3.2) elde edilir. Genel olarak n tane direnç seri olarak bağlanırsa eşdeğer direnç; R = R1 + R2 + R3 + …..+ Rn (3.3) olur. Daha küçük bir direnç elde etmek için dirençler Şekil 3.2’ de görüldüğü gibi paralel olarak bağlanır. I1 R1 I2 R2 I3 R3 A B Şekil 3.2 28 A ve B noktaları arasındaki eşdeğer direnci bulmak için A ve B noktaları arasına bir potansiyel fark uygulanır. Bu durumda akım dirençler üzerinde Şekil 3.2’ de görüldüğü gibi kollara ayrılır. A, B noktaları arasındaki potansiyel farkı (VAB), her bir direncin uçları arasındaki potansiyel farkına eşit olacağından R eşdeğer direnç olmak üzere VAB = IR = I1R1 = I2R2 = I3R3 (3.4) yazabiliriz. Kirchhoff’ un 1.kanununa göre I = I1 + I 2 + I 3 (3.5) yazabiliriz. (3.4) ve (3.5) bağıntılarından V AB V AB V AB V AB R R1 R2 R3 bağıntısı ve bu bağıntıdan da, 1 1 1 1 R R1 R2 R3 (3.6) elde edilir. Genel olarak n tane direnç paralel bağlanırsa eşdeğer direnç 1 1 1 1 1 + ….+ R R1 R2 R3 Rn (3.7) bağıntısından hesaplanır. Şekil 3.3’de görüldüğü gibi elektromotor kuvveti (emk) denen bir elektrik enerji kaynağı kullanılmak suretiyle kapalı bir devrede sabit bir akımın kurulabileceğini gördük. Emk kaynağı devrede dolaşan yüklerin potansiyel enerjisini artırabilecek olan (batarya, jeneratör, pil vs.) bir devre elemanıdır. İki nokta arasında bir elektriksel potansiyel fark oluştuğunda, kaynak, yükleri düşük potansiyelden yüksek bir potansiyele hareket eder. Bir kaynağın emk’ sı, , birim yük başına yapılan iş olarak tanımlanır. Böyle bir düzeneğin dW emk’sı şeklinde tanımlanır. Emk’ nın birimi Joule/ Coulomb’ dur; buna özel olarak dq volt adı verilir. Bir bataryanın pozitif ucu negatif ucundan daha yüksek potansiyele sahiptir. Şayet bataryanın kendi iç direnci ihmal edilseydi, bataryanın uçları arasındaki potansiyel farkı( çıkış voltajı), bunun emk’ sına eşit olur. Ancak gerçek bir batarya her zaman r ile göstereceğimiz bir iç dirence sahip olduğundan,güç kaynağınız çıkış voltajı emk’ sına eşit değildir. Buna göre güç kaynağının emk’ sı; IRi IR (3.8) olarak hesaplanır. Buradan görülüyor ki basit bir devreden geçen akım hem güç kaynağına bağlı dirence hem de güç kaynağının iç direncine bağlıdır. 29 Deneyin Yapılışı Kısım I: Direnç Ölçüleri Şekil 3.3’ deki deneyi kurunuz. A, B noktaları arasına farklı değerlerde dirençler bağlayarak her bir direnç üzerinden geçen akım şiddetini ampermetreden okuyarak sonuçlarınızı Tablo 3.1’ e kaydediniz. R A B mA - + I Şekil 3.3 Bu sonuçları kullanarak I = f(R) grafiğini çiziniz. Şimdi A, B noktaları arasına bilinmeyen X1 ve X2 dirençlerini ayrı ayrı bağlayınız. Bu dirençlerden geçen I1, I2 akımlarını ampermetreden okuyunuz. Bundan sonra X1 ve X2 dirençlerini A ve B noktaları arasına önce seri sonra paralel bağlayarak devreden geçen Is (seri bağlı dirençten geçen akım) ve Ip (paralel bağlı dirençten geçen akım) akımlarını ampermetreden okuyunuz. Ölçülerinizi Tablo 3.2’ ye yazınız. I1 I2, I3, Is ve Ip akımlarına karşı gelen dirençler I = f(R) grafiğinden bulunuz ve Tablo 3.2’ deki “grafikten okunan R değerleri” sütununa yazınız. X1 ve X2’ nin grafikten okunan değerlerini kullanarak (3.3) ve (3.7) bağıntıları yardımıyla Xs ve Xp’ yi bulunuz. Hesapladığınız değerleri, Tablo 3.2’ ye kaydediniz ve grafikten bulduğunuz değerlerle karşılaştırınız. Sonuçları yorumlayınız. V(volt) E Vi = IRi V I (mA) Şekil 3.4 Kısım II: Pilin Elektromotor Kuvvetinin ve İç Direncinin Bulunması Tablo 3.1’ deki değerler yardımıyla V = f( I ) grafiğini çiziniz. Bu grafiğe, kullanılan pilin akım-gerilim karakteristiği denir. Bu grafik Şekil 3.4’ deki gibi bir doğrudan ibarettir. Denklem (3.8)’ e göre ; = IRi + IR 30 dir. Burada pilin elektromotor kuvveti, I devreden geçen akım, Ri pilin iç direnci, R dış devrenin direncidir. (A ve B noktaları arasındaki direnç). I = 0 için grafiğin ordinat eksenini kestiği nokta dur. Seçilen herhangi bir I değerine karşılık gelen V = IR potansiyel farkını grafikten okuyunuz. Daha sonra pilin iç direncini (3.8)’ den hesaplayınız. Sonuçlar ve Yorumlar R ( Ohm ) 100 200 300 400 500 600 I ( Amper ) V = IR ( Volt ) 700 800 900 1000 Tablo 3.1 Dirençler I (amper) Grafikten okunan R (ohm) Hesapla bulunan R (ohm) X1 X2 Xs ( seri) Xp( paralel) E= Rİ = Tablo 3.2 Sorular ve Cevaplar Potansiyelle emk arasında fark var mıdır? Açıklayınız. Ampermetre ve voltmetre ne işe yarar, bunlar devreye nasıl bağlanırlar? 31 DENEY NO: 7 Deneyin Adı : KİRCHOFF YASASI Deneyin Amacı: Çeşitli devrelerde ölçülen akım ve gerilimleri Kirchhoff yasalarını kullanarak hesaplanan değerlerle karşılaştırmak Araçlar: -DC güç kaynağı -ampermetre -voltmetre -bağlantı kabloları -dirençler Torik Bilgi Aşağıdaki iki maddede Kirchoff yasaları açıklanmakta ve bulunmaktadır. 1- Bir devrenin herhangi bir noktasına gelen toplam akım o noktadan çıkan toplam akıma eşittir. 2- Bir devrenin herhangi iki noktası arasındaki potansiyel fark, bu noktaları birleştiren herhangi bir yol için aynıdır. Örnek Devre İncelenmesi Şekil – 1’deki devre Kirchoff yasalarından yararlanarak incelenecek olursa; Rasgele bir başlangıç noktasından başlayıp tekrar başlanılan noktaya gelinirse, potansiyel değişimi sıfır olur. Devrede potansiyeli Va olan a noktasından saat yönünün tersi şekilde hareket edilir. Başlanılan nokta üretecin düşük potansiyelde olan kısmı olur ve üreteç ideal alınabilir. Üretecin iki ucu arası potansiyel fark ε’ye eşit olur. Üreteci a noktasından başlayarak geçtiğimizde potansiyel değişim +ε olur. Hareke devam ettirilir ve direncin yüksek potansiyelli kısmına – yani üst kısma gelinir. Buraya kadar gelindiğinde potansiyeldeki değişim tekrar sıfırdır çünkü telin direnci sıfır alınır. Direnç geçilince değişim –iR kadar olur. Tekrar a noktasına geri gelinir. Sonuç olarak başlangıç noktası a’dan tekrar a’ya gelince potansiyel değişim toplam sıfır olur. i yüksek potansiyel + ε B - R i a düşük potansiyel i Şekil – 1 Giriş – örnek Kirchhoff yasaları ile devre incelemesi 32 Va + ε - iR = Va Va’lar sadeleşirse, ε - iR = 0 Çember kuralına göre kapalı bir devrede bir noktadan başlayıp hareket edilirse toplam potansiyel değişim o noktaya gelindiğinde sıfır olur. Direnç kuralına göre akım yönünde hareket ederek direnç üzerinden geçilirse potansiyel değişim –iR olur, zıt yönde hareket edilirse +iR olur. emk kuralına göre güç kaynağından (ideal) aynı yönde hareket edilirse potansiyel değişimi +ε, ters yönde hareket edilirse – ε olur. Kirchhoff’un iki yasası Şekil – 2’deki devreye uygulanırsa ; birinci yasaya göre; V1 = I . R1 V2 = I . R2 V3 = I . R3 a ve b noktaları arası potansiyel fark : V = V1 + V2 + V3 = I . (R1 + R2 + R3) Bir güç kaynağının iç direnci çok küçük olursa kaynağın elektromotor kuvveti üretecin uçları arası potansiyel farka eşit olur. Bu yüzden a ve b noktaları arası potansiyel fark ε olur. V = ε ise; I R1 R2 R3 i a + R1 ε - i R2 R3 b Şekil – 2 Giriş – seri bağlı 3 direnç “n” tane seri bağlı direnç değeri 33 R = R1 + R2 + … + Rn olan tek bir direnç gibi davranır. Şekil 3’teki devrede akım paralel olan üç kola ayrılır. I = I1 + I2 + I3 i + ε R1 I1 R2 I2 R3 I3 Şekil – 3 Giriş – paralel bağlı 3 direnç Kirchhoff’un birinci yasasından yukarıdaki denklem bulunur ikinci yasasından ise yukarıda da belirtilen nedenlerden dolayı şu denklemler elde edilir : I1 = ε / R1 I2 = ε / R2 I3 = ε / R3 Yazılan bütün bu denklemler, son dördü, toplanırsa tek bir denklem elde edilir : 1 1 1 I I1 I 2 I 3 R R R 2 3 1 “n” tane paralel bağlı direncin eşdeğer direnci R ise şu formülle bulunur : 1 1 1 1 ... R R1 R2 Rn 34 i + ε R2 R1 I1 I2 R3 Şekil – 4 Giriş – seri bağlı iki direnç ile paralel bağlı bir direnç Tekrar, Kirchhoff yasası Şekil 4’teki devrede uygulanırsa, I1 = ε / R1 I2 = ε / (R2 + R3) 1 1 Toplam I akımı ise, I I 1 I 2 R1 R 2 R3 Şekil 5’teki devre ise devreler hesaplanarak incelenir. (R’)-1 = (R2)-1 + (R3)-1 i + R1 ε I2 R2 I3 R3 Şekil – 5 Giriş – paralel bağlı iki direnç ile seri bağlı direnç 35 R’ direnci R1 ile seri olduğundan toplam direnç R = R’ + R1 olur. Akım ise şöyle bulunur : I R R R1 2 3 R2 R3 R2 ve R3’ten geçen akımlar ise şöyledir : R1 R2 R1 I3 R3 I2 Deneyin yapılışı R1, R2 ve R3 olmak üzere 3 adet direnç verildi. Güç kaynağı, ampermetre ve voltmetre ile Şekil 1’deki gibi bir düzenek kuruldu ve her direnç için akımın direncin uçları arasındaki gerilimin farklı birkaç değeri için ölçünüz. Ardından, her dirence ait V-I grafikleri çiziniz ve dirençlerin değerleri bulunuz. R1 Gerilim (V) Akım (mA) R1 : Ω R2 Gerilim (V) Akım (mA) R2 : Ω R3 Gerilim (V) Akım (mA) R3 : Ω Reşdeğer | devre2 : Ω Reşdeğer |devre3 : Ω Reşdeğer | devre4 : Ω Tablo – 1 Direnç Değerleri bulunması aşaması için deney verileri - Şekil 2’deki gibi seri bağlı dirençleri güç kaynağın bağlayınız ve devredeki I akımı, dirençlerin uçları arası V gerilimlerini ve güç kaynağının emk’sını ölçünüz. - Şekil 3’teki gibi paralel bağlı üç direnç bağlayınız. Ana kol akımı ve her direnç üzerinden geçen akımlar olmak üzere toplam 4 adet akım değeri bulunuz ve güç kaynağının emk’sını ölçünüz. - Şekil 4’teki gibi üç direnç güç kaynağına bağlayınız ve şekilde gösterilen tüm akımlar ve R2 ve R3 dirençleri uçları arası gerilimleri ve emk değerini ölçünüz. 36 - Şekil 5’teki gibi üç direnç tekrar güç kaynağına bağlayınız ve şekilde gösterilen tüm akımlar ve R1 ve R2 dirençleri uçları arası gerilimlerini ve emk değerini ölçünüz. Alınan tüm verileri Tablo - 2’de gösterilen yerlere kaydediniz. Verilerin Analizi devre no 1 2 3 ε (V) I (mA) ε (V) I (mA) ölçülen V1 V2 (V) (V) I1 (mA) V3 (V) I2 (mA) ε (V) I I1 (mA) (mA) I2 (mA) V2 (V) ε (V) I I2 (mA) (mA) I3 (mA) V1 (V) I3 (mA) V3 (V) V2 (V) ε (V) hesaplanan I V1 V2 (mA) (V) (V) V3 (V) ε (V) I (mA) I3 (mA) ε (V) I1 (mA) I I1 (mA) (mA) ε I I2 (V) (mA) (mA) I2 (mA) I2 (mA) I3 (mA) V 2 V3 (V) (V) V1 (V) V2 (V) 4 Tablo – 2 Deney Veri Tablosu Yorumlar------------------------------------------------------------------------------------ devre (no) Iana (%) I1 (%) I2 (%) I3 (%) V1 (%) V2 (%) V3 (%) 1 2 3 4 Tablo – 3 Hata Hesaplamaları Sorular--------------------------------------------------------------------------------------- 37 DENEY NO: 8 DENEYİN ADI: TRANSFORMATÖRLERİN AKIM VE GERİLİME ETKİSİ Amaç 5- Çeşitli sarım sayılarına sahip primer ve sekonder sargıları kullanıp, primer (giriş) voltajından yararlanıp sekonder (çıkış) voltajının ölçülmesi 6- Çeşitli sarım sayılarına sahip primer ve sekonder sargıları kullanıp, primer (giriş) akımından yararlanıp sekonder (çıkış) akımının ölçülmesi (Not: ampermetre devreye paralel bağlandığı için çıkış akımı net olarak alınır.) 7- Outotransformatör ile normal transformatör arsındaki farkın gösterilmesi Araçlar 1. Öğrenci Deneyleri için transformatör 2. Değişken düşük voltajlı transformatör 3. Multimetre 4. 100 cm iletken kablo Teorik Bilgi Bir devredeki karşılıklı indüklem esasına dayanarak geliştirilmiş bir araç olan transformatörler, bir demir çekirdek ya da çerçeve üzerine sarılmış ve indüksiyon oluşturan iki sargıdan meydana gelir. Bu yapı voltaj miktarını değiştirmekte kullanılmaktadır. Basit bir transformatörün “Primer” sargının bağlantı yerine “giriş”, “sekonder” sargının bağlantı yerine ise “çıkış” adı verilir. Primer sargıdaki AC akım, demir çekirdek etrafında bir AC manyetik akı oluşturur. Çekirdekteki alternatif akı sırası ile sekonder sargıda bir alternatif akım oluşturur. Yüksüz ideal bir transformatörün voltajındaki değişme, transformatörlerin fiziksel biçimine bakılmaksızın sarım sayıları oranlarına eşittir. U2 N2 U 1 N1 (I2=0 olduğunda) U1 = Primer sargının voltajı U2 = Sekonder sargının voltajı N1 = Primer sargının sarım sayısı N2 = Sekonder sargının sarım sayısı Bir ideal transformatörün kısa devre operasyonunda değişen akım, sarım sayısı ile ters orantılıdır. I 2 N1 I1 N 2 (U2=0 olduğunda) I1 = Primer sargıdaki akım I2 = Sekonder sargıdaki akım GÜVENLİK NOTLARI: 1. AC gerilimini artırırken ani yüksek voltaja maruz bırakmayınız. (Aşamalı artırımlarda bulununuz. Aksi durumda cihazların ölçme verimi 100-kat azalır.) 2. Transformatörün aşırı ısınmasından kaçınınız. Uyarılar cihazın yüzeyinde belirtilmiştir. 3. Her sarımda maksimum 15 AC voltaja izin verilebilir. 4. Maksimum 40 W’lık güç tüketimine izin verilebilir. Şekil-1 Yüksüz bir transformatörün voltaj değişim gösterilmesi için yapılan deneyin kuruluşu 38 DENEYİN KURULUŞU a) Voltaj Değişimi (Sekonder-yüksüz kenar) Şekil 1’e göre değişken düşük voltajda bir gerilim sağlayarak ve voltmetreleri bağlayarak transformatörü kurunuz. Primerin ve sekonderin sarım sayılarını değiştirerek Şekil 2; A, B ve C seçeneklerindeki gibi farklı kombinasyonlarda devreleri kurunuz. b) Akım Değişimi (Sekonder-kısa devre durumu) Şekil 3 te gösterildiği gibi primer ve sekonderin farklı kombinasyonları için devreleri kurunuz. c) İzole Edilmiş Transformatör ve Ototransformatör -İzole edilmiş transformatörü şekil 4-A daki gibi kurunuz. (Not; a1 ve d1 veya a2 ve d2 arasında görüldüğü gibi primer ve sekonder sargılar arasında bir iletim bağlantısı yoktur.) -Oto transformatörü şekil 4-B deki gibi kurunuz. ( Not: Sekonder sargı aynı zamanda primer sargının bir parçası tarafından oluşturulmuştur.) Şekil-2 : Voltaj değişimi: A) N1:N2 = 300 : 300 B) N1:N2 = 300 : 150 C) N1:N2 = 150 : 300 Şekil-3 : Akım değişimi: A) N1:N2 = 300 : 300 B) N1:N2 = 300 : 150 C) N1:N2 = 150 : 300 39 DENEYİN YAPILIŞI a) Voltaj Değişimi 1. Şekil 1 de gösterildiği gibi transformatör için alçak gerilimler kullanmak üzere güç kaynağını ve voltmetreleri bağlayarak devreyi tamamlayınız. Önce şekil 2-B kurulumu ile başlayınız. 2. U2 sekonder voltajını ölçmek için, U1 primer voltajını 0V ile 10 V arasında 1’er V arttırınız. 3. Şekil 2-A ve C için de aynı işlemleri tekrarlayınız. b) Akım Değişimi 1. Şekil 3 te gösterildiği gibi primer ve sekonderin farklı kombinasyonları için öncelikle Şek.3.B başlamak üzere aşağıda verilen adımları sağlayınız. 2. I2 sekonder akımını ölçmek için, I1 primer akımını 0 A – 1 A arasında 0.1 er amper arttırınız. (Not: Sekonderdeki akımın max. değeri ancak Imax =1.5 A olabilir.) 3. Şekil 3-A ve C için de aynı işlemleri tekrarlayınız c) İzole edilmiş transformatör ve ototransformatör 1. Şekil 4-A da gösterildiği gibi (N1:N2 = 150 : 150) izole edilmiş transformatör devresini kurunuz. (Not: Devre analiz edilirse primer ve sekonder sargılar arasında bir bağlantı yoktur. Böylece şekil 2 ve 3 teki çizilen bütün transformatörler izole edilmiş transformatörlerdir.) 2. U1 voltajını 0.1V ile 10 V arasında 1’er V artırarak, karşılık gelen U2 voltajlarını hesaplayınız. 3. Şekil 4-B de gösterildiği gibi (N1:N2 = 300 : 150) ototransformatör devresini kurunuz. 4. U1 voltajını 0.1V ile 10 V arasında 1’er V artırarak, karşılık gelen U2 voltajlarını hesaplayınız. Şekil 4: A: İzole edilmiş transformatör N1:N2 = 150 : 150 B: Ototransformatör N1:N2 = 300 : 150 SORULAR VE CEVAPLAR 40 VERİLERİN HESAPLANMASI A) VOLTAJ DEĞİŞİMİ TABLOSU: Farklı N1:N2 sarım sayıları için değişen U1 voltajına bağlı olarak değişen U2 voltajlarını tablo 1’e yazınız. B) AKIM DEĞİŞİMİ TABLOSU: Farklı N1:N2 sarım sayıları için değişen I1 akımına bağlı olarak değişen I2 akımlarını tablo 2’ye yazınız. Tablo 1 U2 – U1 grafiği Tablo 2 I2 – I1 grafiği 41 KAYNAKLAR 1. R. W. WOOD, Çev: E.BİNGÖL,(2000). “Çocuklar İçin Mekanik Değerleri”, İstanbul; Pan Yayıncılık. 2. S. ERBAŞ, R. ERGÜL, N. BLUNUZ. (2002). “İlköğretim Fen Bilgisi Laboratuar Etkinlikleri”, Bursa; Ekin Kitabevi. 3. Temel Fizik Uygulama Kılavuzu, K.T.Ü. Fatih Eğitim Fakültesi Öğretim Elemanları. Trabzon 4. Temel Fizik I Laboratuar Kılavuzu, O.M.Ü Eğitim Fakültesi Öğretim Elemanları . Samsun 5. Temel Fizik II Laboratuar Kılavuzu, O.M.Ü Eğitim Fakültesi Öğretim Elemanları . Samsun 6. Mekanik Laboratuar Kılavuzu, O.M.Ü Eğitim Fakültesi Öğretim Elemanları . Samsun 7. Elektrik Laboratuar Kılavuzu, O.M.Ü Eğitim Fakültesi Öğretim Elemanları . Samsun 8. Dalgalar Laboratuar Kılavuzu, O.M.Ü Eğitim Fakültesi Öğretim Elemanları . Samsun 9. PHYWE, EM - System – Main Furniture Catalogue M 0582 E. 10. Z. ARSLAN, H. ALVANLIOĞLU, S.G. ERGİN, (1986). “İlkokullar İçin Deney Kılavuzu”, Ankara 11. LEYBOLD DIDACTIC GMBH, 1996. 12. R. A. Serway, R. J. Beicher, (2002). Fen ve Mühendislik İçin Fizik, Palme Yayıncılık (Türkçe Çeviri Editörü: Prof. Dr. Kemal ÇOLAKOĞLU). Ankara. 13. P. M. Fishbane, S. Gasiorowich, S. T. Thornton, (2003). Temel Fizik, Arkadaş Yayınları. ( Türkçe Çeviri Editörü: Prof. Dr. Cengiz YALÇIN.) Ankara 42