11. Sınıf Fizik: Elektrik ve Manyetizma Konu Notu

Konu Özeti

Bu konuda elektrik yüklerinin birbirine uyguladığı kuvvet, elektrik alanı ve manyetik alanın temel kuralları ele alınır. Elektrik akımının manyetik alan oluşturması, manyetik alanın akıma kuvvet uygulaması ve bunların sonucu olan indüksiyon olayı birlikte incelenir. Transformatörün çalışma ilkesi ve Faraday kafesinin neden koruma sağladığı da bu ünitenin konusudur. Bu notu okuduktan sonra hesap yapabilir ve günlük hayatla bağlantı kurabilirsin.

Temel Kavramlar

Noktasal iki yük arasındaki elektriksel kuvvet Coulomb yasasıyla hesaplanır. Kuvvet, yüklerin çarpımıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Aynı cins yükler birbirini iter, zıt cins yükler çeker.

F = k·q₁·q₂ / r² (k = 9·10⁹ N·m²/C²)

Elektrik alanı, yüklü bir cismin çevresinde oluşan ve başka yüklere kuvvet uygulayan bölgedir. Birim pozitif yüke etki eden kuvvet alan şiddetini verir. Alan çizgileri + yükten çıkar, − yükte biter.

E = F / q = k·Q / r² ve F = q·E

• Alan şiddeti birimi N/C'dir.
• Alan bir vektördür; birden fazla yükün alanları vektörel toplanır.
• Uzaklık 2 kat artarsa kuvvet ve alan 4 kat azalır.

Faraday kafesi: İletken bir kafes veya kapalı iletken kabuğun içindeki elektriksel alan sıfırdır. Yükler iletkenin dış yüzeyinde toplanır. Bu yüzden kafesin içindeki kişi ve cihazlar dış elektriksel etkilerden korunur.

• Yıldırım düşen araç ve uçakların içindeki yolcuların korunması
• Paratoner ve yıldırımdan korunma sistemleri
• Hassas elektronik cihazların ve ölçü aletlerinin zırhlanması
• Koaksiyel kablonun dış iletken kılıfı
• Asansör ve metal gövdeli araçlarda radyo ve telefon sinyalinin zayıflaması

Temel Kavramlar (devam): Manyetik Alan

Mıknatısların aynı kutupları birbirini iter, farklı kutupları çeker. Manyetik alan çizgileri mıknatısın dışında N kutbundan S kutbuna doğrudur ve kesişmez. Çizgilerin sık olduğu yerde alan şiddeti büyüktür. Manyetik alan birimi tesla (T) ile gösterilir.

Akım geçen düz telin çevresinde, tele dik düzlemde halkalar biçiminde manyetik alan oluşur. Yönü sağ el kuralıyla bulunur: Sağ elin başparmağı akım yönünü gösterirken kıvrılan dört parmak alanın yönünü verir.

B = k'·i / d (k' = 2·10⁻⁷ T·m/A)

• B, akım şiddeti i ile doğru orantılıdır.
• B, telden uzaklık d ile ters orantılıdır.

Akım makarasının (çembersel akım halkasının) merkez ekseninde alan, sarım sayısı N ile orantılıdır. Yönü yine sağ el kuralıyla bulunur: Dört parmak akım yönünde kıvrılırsa başparmak alan yönünü gösterir.

B = π·k'·N·i / r (merkezde, N sarımlı makara; B = μ₀·N·i / 2r)

Elektromıknatıs: Yumuşak demir çekirdek etrafına sarılmış, akım taşıyan bobindir. Akım kesilince mıknatıslık büyük ölçüde kaybolur. Akım şiddeti ve sarım sayısı arttıkça alan güçlenir.

• Vinçler (hurda kaldırma)
• Elektrik zili ve röleler
• Elektrik motorları ve hoparlörler
• Hastanelerde manyetik rezonans (MR) cihazları
• Hızlı trenler (manyetik levitasyon)

Manyetik Kuvvet, Manyetik Akı ve İndüksiyon

Manyetik alan içindeki akım taşıyan düz tele kuvvet etki eder. Kuvvetin yönü sağ el kuralıyla bulunur: Dört parmak alan yönünü, başparmak akım yönünü gösterirse avuç içi kuvvet yönünü verir. Tel alana paralel ise kuvvet sıfırdır.

F = B·i·ℓ·sinθ (θ: tel ile alan arasındaki açı)

Manyetik akı, bir yüzeyi dik geçen manyetik alan çizgilerinin sayısının ölçüsüdür. Birimi weber (Wb)'dir. Yüzey alana dik olduğunda akı en büyük, paralel olduğunda sıfırdır.

Φ = B·A·cosα (α: yüzey normali ile B arasındaki açı)

İndüksiyon (Faraday-Lenz): Bir iletken halkadan geçen manyetik akı değişirse halkada emk indüklenir. Devre kapalıysa indüksiyon akımı oluşur. Lenz kuralına göre indüksiyon akımı, kendisini oluşturan akı değişimine karşı koyacak yöndedir.

ε = −N·ΔΦ / Δt

Düzgün manyetik alanda ℓ uzunluğundaki iletken çubuk v hızıyla alana dik hareket ettirilirse uçları arasında ε = B·ℓ·v emk oluşur. Alternatif akım, halka manyetik alanda döndürüldüğünde akı sürekli değiştiği için üretilir. Evlerdeki şebeke akımı alternatif akımdır.

Transformatör: Ortak demir çekirdek üzerine sarılmış primer ve sekonder bobinlerden oluşur. Yalnızca alternatif akımda çalışır, çünkü akı değişimi gerekir. İdeal transformatörde güç korunur.

V₁/V₂ = N₁/N₂ ve V₁·i₁ = V₂·i₂

• N₂ > N₁ ise gerilim yükseltici, N₂ < N₁ ise gerilim düşürücüdür.
• Kullanım: enerji iletim hatları, adaptör ve şarj cihazları.
• İletimde yüksek gerilim kullanılır, çünkü akım azalır ve ısı kaybı küçülür.