Elektrik Yükleri: Yüklenme, Coulomb Kuvveti ve Elektrik Alan

Konu Özeti

Elektrik yükleri, maddelerin elektriksel özelliklerinin temelidir. Bu konuda yüklenme yolları, iletken ve yalıtkanlarda yük dağılımı, Coulomb kuvveti ve elektrik alan birlikte ele alınır. Atomun yapısını bilmek, yük kavramını anlamanın anahtarıdır. Her kavram bu notta örneklerle açıklanmıştır.

Temel Kavramlar

Atomda protonlar (+) çekirdekte, elektronlar (−) çekirdek çevresindedir. Yük aktarımı yalnızca elektronlarla olur; protonlar çekirdekten ayrılmaz. Nötr bir cisimde proton sayısı elektron sayısına eşittir. Elektron alan cisim (−), elektron veren cisim (+) yüklenir.

q = ±n·e (e = 1,6·10⁻¹⁹ C, yükün birimi coulomb (C))

• Yükün korunumu: yalıtılmış sistemde toplam yük değişmez.
• Yük kuantumludur: yük, e’nin tam katlarıdır.
• Aynı cins yükler birbirini iter, zıt cins yükler birbirini çeker.
• Nötr cisimler yüklü cisimlerce çekilir; ilk etkileşim çekme şeklindedir.

Yüklenme üç yolla olur: sürtünme, dokunma ve etki (indüksiyon). Aşağıdaki tabloda üç yolun farkları özetlenmiştir.

İletken ve yalıtkanlarda yük dağılımı farklıdır. Bu farkı tablo ve kurallarla birlikte düşünmek konuyu kolaylaştırır.

• Küre biçimli iletkende yük yüzeyde düzgün dağılır.
• Sivri uçlu iletkende yük yoğunluğu sivri uçlarda en fazladır; paratoner bu nedenle kullanılır.
• Yüklü iletken küre içinde (boşlukta) elektrik alan sıfırdır.
• Yüklü yalıtkan çubuğu elle tutup sürterek yüklemek mümkündür; iletkeni yüklemek için ise yalıtkan sap gerekir.

Elektroskop: Nötr elektroskopun topuzuna yüklü cisim dokunmadan yaklaştırılırsa yapraklar, topuzdaki zıt yük ile yapraklarda aynı işaretli yük toplandığı için açılır. Cisim uzaklaştırılınca yapraklar kapanır. Topuza dokunulursa yapraklar kalıcı olarak açık kalır.

Noktasal iki yük arasındaki elektriksel kuvvetin büyüklüğü yüklerin çarpımıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Kuvvet, yükleri birleştiren doğru boyuncadır ve etki-tepki çiftidir; iki yüke de eşit büyüklüktedir.

F = k·q₁·q₂ / d² (k = 9·10⁹ N·m²/C²)

• Uzaklık 2 katına çıkarsa kuvvet 1/4’üne iner; yarıya inerse 4 katına çıkar.
• Yüklerden biri 2 katına çıkarsa kuvvet 2 katına çıkar.
• Üç veya daha fazla yük varsa bir yüke etki eden net kuvvet, diğer yüklerin kuvvetlerinin vektörel toplamıdır.
• Aynı doğru üzerinde kuvvetler zıt yönlüyse çıkarılır, aynı yönlüyse toplanır.

Yüklü bir cismin çevresinde, başka yüklere kuvvet uygulayabildiği bölgeye elektrik alan denir. Alan şiddeti birim pozitif yüke etki eden kuvvettir ve vektörel bir büyüklüktür. Birimi N/C’dir.

E = F / q ve noktasal yük için E = k·Q / d²

• Alan yönü, pozitif deneme yüküne etki eden kuvvetin yönüdür.
• (+) yükün alanı yükten dışa doğru, (−) yükün alanı yüke doğrudur.
• Alan çizgileri (+) yükten çıkar, (−) yüke girer; birbirini kesmez. Çizgilerin sıklığı alan şiddetini gösterir.
• Deneme yükü q üzerindeki kuvvet F = q·E ile bulunur. q (+) ise kuvvet alanla aynı yönlü, (−) ise zıt yönlüdür.
• Birden fazla yükün oluşturduğu alan, her bir yükün alanlarının vektörel toplamıdır.
• Alan şiddeti uzaklığın karesiyle ters orantılıdır; alanı oluşturan Q yükü büyüdükçe alan artar ve deneme yükünden bağımsızdır.

Çözümlü örnek: Q = +4 μC yükünden 2 m uzaktaki noktada E = 9·10⁹·4·10⁻⁶ / 2² = 9·10³ N/C olur ve yön yükten dışa doğrudur. Bu noktaya −1 μC yük konursa F = 1·10⁻⁶·9·10³ = 9·10⁻³ N olur ve yön yüke doğrudur (alana zıt).