11. Sınıf Fizik: Elektrik, Manyetizma ve İndüksiyon Akımı

Konu Özeti

Elektrik yüklerinin birbirine uyguladığı kuvvet, yüklerin çevresindeki elektrik alan ve akımın oluşturduğu manyetik alan bu ünitenin temel konularıdır. Bu konuda elektrik ve manyetizmanın birbirine nasıl bağlı olduğunu öğreneceksin. Mıknatıslar, akım taşıyan teller ve bobinler arasındaki ilişki indüksiyon akımına ve transformatöre kadar uzanır. Coulomb yasasından başlayarak transformatöre kadar giden mantıksal bir yol izleyeceğiz.

Temel Kavramlar

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

F = k·q₁·q₂ / d² (k = 9·10⁹ N·m²/C²)

Bir yükün çevresinde oluşturduğu etki alanına elektrik alan denir. Elektrik alan, birim pozitif yüke etki eden kuvvet olarak tanımlanır. Alan çizgileri pozitif yükten dışarı, negatif yüke doğru yönelir.

E = F / q ve E = k·Q / d²

• Alanın birimi N/C'dir.
• E, kaynak yük Q ile doğru, uzaklığın karesiyle ters orantılıdır.
• Birden fazla yükün alanı vektörel toplanır.
• Eşit büyüklükte ve aynı cins iki yükün tam ortasında alan sıfırdır.

Yalıtılmış iletken bir cismin yükleri dış yüzeyinde toplanır ve iç bölgedeki net elektrik alan sıfırdır. İletken bir kafesle çevrelenmiş bölge dış elektrik alanlardan etkilenmez. Bu düzeneğe Faraday kafesi denir. Araba ve uçağın metal gövdesi, paratoner ve kablo ekranlama bu ilkeye dayanır.

Mıknatısların aynı kutupları birbirini iter, farklı kutupları çeker. Manyetik alan çizgileri mıknatısın dışında N kutbundan S kutbuna doğrudur. Mıknatıslar kırılsa bile her parça iki kutuplu olur.

Akım geçen düz telin çevresinde telle eş merkezli çember şeklinde manyetik alan oluşur. Yön sağ el kuralıyla bulunur: başparmak akım yönünü gösterirken kıvrılan dört parmak alanın yönünü verir.

B = k'·i / d (k' = 2·10⁻⁷ T·m/A)

• B, akımla doğru, telden uzaklıkla ters orantılıdır.
• Manyetik alanın birimi tesla (T)'dır.

Akım makarasının (N sarımlı, yarıçapı r olan çembersel tel) merkezinde alan, sağ el kuralıyla bulunur. Dört parmak akım yönünü, başparmak merkezdeki alanı gösterir.

B = 2π·10⁻⁷·N·i / r

Elektromıknatıs, demir çekirdek etrafına sarılmış telden akım geçince oluşan geçici bir mıknatıstır. Akım kesilince mıknatıslık büyük ölçüde kaybolur. Vinç, elektrik zili, hoparlör, elektrik motoru ve kapı kilidi bu ilkeyle çalışır.

Manyetik alanda akım taşıyan düz tele etki eden kuvvet aşağıdaki bağıntıyla bulunur. Kuvvet, hem alana hem akıma diktir. Tel alana dik olduğunda kuvvet maksimum, paralel olduğunda sıfırdır.

F = B·i·ℓ·sinθ

• θ, tel ile manyetik alan arasındaki açıdır.
• Yön sağ el kuralıyla bulunur: dört parmak B yönünü, başparmak akım yönünü gösterirken avuç içi kuvvet yönünü verir.
• Elektrik motorları bu kuvvetten yararlanır: akım ve alan arttıkça kuvvet artar.

Bir yüzeyden geçen manyetik akı, alan şiddeti ile yüzey alanının ve alan ile yüzey normali arasındaki açının kosinüsünün çarpımına eşittir. Akının birimi weber (Wb)'dir ve 1 Wb = 1 T·m² dir.

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

• Alan çizgilerine dik yüzeyde akı en büyük, paralel yüzeyde sıfırdır.
• Akıyı etkileyen etmenler: B, A ve α.

Faraday yasasına göre bir halkadaki akı değişirse halkada indüksiyon emk'sı oluşur. N sarımlı bobinde gerilim sarım sayısıyla doğru orantılıdır. Eksi işaret Lenz yasasını gösterir: indüksiyon akımı, kendisini oluşturan akı değişimine karşı koyacak yöndedir.

ε = −N·ΔΦ / Δt

B alanına dik, ℓ boyunda bir iletken çubuk v hızıyla hareket ederse çubuğun uçlarında ε = B·ℓ·v gerilimi oluşur.

Düzgün manyetik alanda dönen bir iletken halkada akı sürekli değişir ve yönü periyodik olarak değişen alternatif akım (AC) oluşur. Bu düzenek jeneratördür. Şehir şebekesinde frekans 50 Hz'dir.

• Alternatif akımın yönü ve şiddeti zamanla periyodik değişir.
• Gerilim maksimum değerine ulaşır, sonra sıfırdan geçerek yön değiştirir.
• Etkin değerler: Ieff = Imax/√2 ve Veff = Vmax/√2.
• Ampermetre ve voltmetreler etkin değeri ölçer.
• Doğru akımın yönü sabittir; alternatif akımın yönü değişir.

Transformatör, ortak demir çekirdek üzerine sarılmış primer (giriş) ve sekonder (çıkış) bobinlerinden oluşur. Yalnızca alternatif gerilimin değerini değiştirir. Doğru akımla çalışmaz, çünkü akı değişmez.

Vp / Vs = Np / Ns (ideal: Vp·Ip = Vs·Is)

• Ns > Np ise gerilim yükselticidir; Ns < Np ise düşürücüdür.
• İdeal transformatörde güç korunur: gerilim artarsa akım azalır.
• Enerji nakil hatlarında kayıpları azaltmak için yüksek gerilim kullanılır.
• Kayıplar telin direncinden ve çekirdekteki girdap akımlarından oluşur; çekirdek ince yalıtılmış levhalardan yapılarak azaltılır.