Aslında “Elektrik” dediğimiz fenomen doğanın temel kuvvetlerinden birisidir. Bir maddenin atom düzeyindeki yüklerinin birbirlerine uyguladıkları çekme yada itme kuvvetidir. Doğada daha doğrusu evrende, evreni evren yapan 4 tane temel kuvvet vardır. Bu kuvvetler sırasıyla şunlardır.
- Kütle çekimi kuvveti
- Güçlü çekirdek kuvveti
- Zayıf çekirdek kuvvet
- Elektromanyetik kuvvet
Bu kuvvetlerden en tanıdık olan kütle çekimi kuvvetidir. Neticede yer çekimini hepimiz biliyoruz. Güçlü ve zayıf çekirdek kuvvetleri ise atomik düzeydeki kuvvetlerdir. Aynı yüklü oldukları için atomun çekirdeğinde birbirlerine itme kuvveti uygulamalarına rağmen protonları bir arada tutan kuvvet güçlü çekirdek kuvvetidir. Zayıf çekirdek kuvveti ise radyoaktif bozunmalarda etkin olan bir kuvvettir. Bu üç kuvvet dışında bizim ilgimizi çeken kuvvet elektromanyetik kuvvettir. Kütle çekimi kuvvetinden sonra insanoğluna en tanıdık gelen kuvvet budur.
Doğada elektronların ve protonların yükü vardır. Bunlar temel yüklerdir. Aynı yükler bir birini iter, zıt yükler birbirini çeker. İşte bu itme yada çekme kuvveti basitçe elektriksel kuvvettir. Yani elektriksel kuvveti oluşturan etki cisimlerin yükleridir. Elektriksel yük kavramının keşfedildiği dönemlerde elektronların varlığı bilinmediğinden elektriksel yük birimi için elektron bazında bir birim geliştirilememiş ve yerine Coulomb (C) birimi kullanılmıştır. Fakat ilerleyen dönemlerde atomun yapısı hakkında derinlemesine bilgiler elde edilip temel yüklü parçacıklar keşfedilince yük biriminde değişiklik yapılmamış Coulomb kullanılmaya devam edilmiştir. Yapılan araştırmalar neticesinde 6,242×1018 tane elektronun 1 Coulomb (C) yüke denk geldiği bulunmuştur. Tersten gidersek 1 elektronun yükü 1 / 6,242×1018 C yani 1,602×10-19 C ‘dur.
Coulomb yasasına göre, birinin elektriksel yükü q, diğerinin ise elektriksel yükü Q olan iki noktasal yükün r1 mesafesi üzerinden birbirleri üzerine uyguladığı kuvvet aşağıdaki bağıntı ile gösterilir.
k: Coulomb sabiti [Nm2/C2]
q: Birinci yük [C]
Q: İkinci yük [C]
r1: Yükler arasındaki uzaklık [m]
İşte olayın sihri bu yasada yatmaktadır. Birbirleri üzerinde kuvvete sebep olan bu yükler potansiyel birer enerjiye sahiptir. Uygun düzenekler altında bu yüklerin faydalı iş yapması sağlanabilir.
Tıpkı yerçekimi kanunda olduğu gibi. Siz bir kayayı yerden alıp 10m yükseğe bir tepeye çıkardığınızda artık o kayanın üzerinde potansiyel enerji birikmiştir. Ya da bir yayı gerdiğiniz yay üzerinde potansiyel enerji depolanmıştır. Kaya tepeden aşağıya düştüğünde veya yayı boşalttığınızda potansiyel enerji, başka bir formda enerjiye dönüşecek ve iş yapacaktır.
Q yükü yerinde sabit dursun ama q yükünü r1‘den r2’ye getirelim. (Tıpkı bir yayı kurmak gibi) q yükünün potansiyel enerjisinde nasıl bir değişim olur?
Ama öncesinde fizik derslerinden bildiğimiz o meşhur terimlerimizi hatırlayalım:
Kuvvet Nedir? Kuvvet, kütlesi olan bir cismin hareket etmesini sağlayan etkidir. F=ma [kgm/s2]=[N] Yani, 1 N kuvvet, 1 kg lık cismi 1 saniye sonra 1m/s hıza ulaştırır, 2 saniye sonra 2 m/s hıza 3 saniye sonra 3m/s hıza ulaştırır. Yani her saniye, 1 kglık cismin hızının 1 m/s artmasını sağlar.
Enerji nedir? Enerji, iş yapabilme kapasitesidir. İş ve enerji, özünde aynı şeylerdir. İş dediğimiz şey ise basitçe yer değiştirme eylemidir. Yani kuvvet uygulayıp bir cismin yerini değiştiriyorsak enerji harcamışız ve iş yapmışız demektir. İş (W), uygulanan kuvvet ve yerdeğişim miktarının çarpımına eşittir. W=F.r [Nm]=[J] Buradan hareketle 1 N kuvvet uygulayarak bir cismi 1 metre öteye götürmüşsek 1 Joule(J) iş yapmış oluruz. Aynı zamanda 1J enerji harcamış oluruz. Eğer 10m öteye götürmüşsek, 10J iş yapmış oluruz.
Güç nedir? Güç aslında enerjiyi harcama hızımızdır. İş yapma hızımızdır. Eğer bir makine, enerjiyi çok hızlı harcayabiliyorsa o makine güçlüdür. O kadar fazla iş yapıyordur. Güç (P), enerjinin birim zamana oranıdır. P=E/t [J/s]=[W]. Yani 1 saniyede 1 J’luk iş yapıyorsam 1 W (Watt) gücüm var demektir. Mesela 4 saniye sürede cismi 10m ötelemiş ve 10J enerji harcamışsak, enerji harcama hızım 10/4=2,5 J/s yani 2,5W ‘tır.
Tekrar yüklerimize geri dönelim. Enerjinin(E), dolayısıyla İşin(W) formülü kuvvet ve mesafenin çarpımı idi. Yani W=F.r idi. Ancak bu noktada kafa karıştıran bir durum var. F, r’nin bir fonksiyonudur. Yani r mesafesinin her değişiminde F kuvveti de değişecek, sabit kalmayacaktır. Bu sebeple potansiyel enerji değişimini kalkülüs ile bulmamız gerekir. (q noktasını Q ya yaklaştırmak için ters kuvvet uyguluyor olduğumuzdan kuvvetin önüne eksi(-) gelmiştir)
Sonuç olarak, elektrik potansiyel enerjisi farkı
Bu büyüklük skaler bir büyüklüktür. Birimi Joule (J)’ dur. U, elektrik potansiyel enerjiyi ifade etmek üzere, aşağıdaki tanımı yapabiliriz.
Gerilim
Sonda söyleyeceğimizi başta söyleyelim: Birazdan voltaj, gerilim, elektrik potansiyel ifadelerine gireceğiz. Voltaj bir kuvvet değildir, yoksa birimi Newton olurdu. Voltaj enerji de değildir, yoksa birimi Joule (J) olurdu. Voltaj bunlardan başka bir şeydir. Devam edelim….
U harfi ile ifade ettiğimiz elektik potansiyel enerjilerini q yük değerine bölersek, her bir Coulomb yükün elektrik potansiyel enerjisini buluruz. Ki buna artık “enerji” kelimesini atarak elektrik potansiyeli deriz. İki yük arasındaki farka da elektrik potansiyel farkı yani voltaj deriz. Birimi Joule/Coulomb olur. Bu büyüklüğe ise kısaca Volt [V] denir.
olur. Yani q yükünün Q yükü ile arasındaki mesafeyi r1 ‘den r2’ ye getirmekle sistemde V12 kadar voltaj oluşur. Eğer başlangıçta q yükü Q yükünden çok uzakta olsaydı, yani r1 çok büyük bir rakam olsaydı V1 terimi çok küçülecekti. Hatta r1 teorik sonsuz olsaydı, bu terim sıfır olacaktı.
Sonuçta, voltaj dediğimiz şey, +1 C değerindeki yükü çok uzaklardan (teorikte sonsuzdan) Q yükünün r2 kadar yakınına getirilmesi için yapılan iştir. Başka bir deyişle Q yükünün x noktasındaki voltajı, x ile sonsuz arasındaki potansiyel farkıdır.
Hep potansiyelden bahsediyoruz. İster sonsuzdan getir ister başka bir yerden getir, iki yük arasında bir potansiyel fark oluyor ve sistemde birikmiş bir potansiyel enerji oluyor. Tıpkı serbest bir yayı kurmak gibi. Yayı kurduk ama bir yerde bunu kullanmazsak bir anlamı olmaz. Yükleri birbirine yaklaştırarak sistemde biriktirdiğimiz potansiyel enerjiyi bir yerde kullanmak lazım. Basit şöyle bir sistem hayal edelim.
İki yük arasında bir iletken olsun. Bu durumda ne olacak? Yükler üzerlerindeki yüklerden kurtularak yüksüz duruma geçmek isteyecekler. İki yük arasında bir denge oluşuncaya kadar elektron alışverişi olacaktır. Bu elektron alışverişi sistemde biriken potansiyel enerji bitene kadar devam edecektir. İletkende oluşan bu akımı değerlendirip potansiyel enerjiyi başka bir faydalı işe çevirmek mümkün olmaktadır.
Akım
Neticede, elektronları bir noktadan diğer bir noktaya hareket ettirip elektrik enerjisi elde ediyoruz. Ortaya çıkan bu elektron akışı bildiğimiz “Akım”dır. Ancak şu fark vardır: Elektrik teorisinin yeni yeni keşfedildiği dönemlerde elektronların varlığı ve hareketleri bilinmediğinden akımın yönü yanlış yön referans alınmıştır. Daha sonra elektronların varlığı ve hareketi bilinmeye başlasa bile bu yön değiştirilmemiştir ve akım yönü olarak hep elektro akışının zıt yönü kabul edilegelmiştir.
Akım(I) tanım olarak, t süresince belli bir kesitten geçen yük(q) miktarıdır. Birimi Coulomb/saniye’dir. Ama bunun yerine Amper birimi kullanılır.
Güç
Güç, yapılan iş ya da harcanan enerjinin süreye oranı idi. Bir anlamda enerji harcama hızıdır demiştik. Yukarıda, İş(W) yada Enerji(E) için ulaştığımız formül şöyleydi.
Güç(P) ifadesine ulaşmak için, tanım gereği bu ifadeyi t değerine bölmemiz gerekiyor.
Pay ve paydayı q değerine bölelim ve ifadeyi sadeleştirelim.
Sonuçta o meşhur ifadeye ulaşılır : P = I V
Eektrikte güç, akım ve gerilimin çarpımıdır. Bir de birimler açısından bakalım:
Akımın birimi Amperdir ama aslında Coulomb/saniyedir[C/s]. Gerilimin birimi Volttur ama aslında Joule/Coulombdur [J/C]. Formül gereği bu 2 ifadeyi birbiriyle çarpalım.
Görüldüğü gibi gücün birimi joule/saniye [J/s] olmaktadır. Bu büyüklüğe de zaten kısaca Watt[W] denilmektedir.
Sonuçta, elektriksel güç dediğimiz büyüklük fizikte kullanageldiğimiz güçten farklı bir büyüklük değildir. Aynı kavrama dayanmakta ve aynı formülü kullanmaktadır. Doğanın bize bir armağanı olan elektromanyetik kuvvet sayesinde bazı yüklü parçacıklar arasında oluşan potansiyel enerji sayesinde akla hayale gelmeyen işler yapılmakta büyük teknolojik atılımlar gerçekleştirilmektedir.
Kaynaklar:
https://www.khanacademy.org/science/electrical-engineering/ee-electrostatics/ee-fields-potential-voltage/a/ee-electric-potential-voltage
