TYT elektrik akımı, devreler, Ohm yasası ve elektriksel güç konusu; yük akışını, devre elemanlarının görevlerini, direnç bağlantılarını ve elektrik enerjisinin kullanım hızını birlikte yorumlamayı gerektirir. Bu yazıda akımın mikroskobik anlamından ampermetre–voltmetre bağlantılarına, seri ve paralel devrelerden lamba parlaklığı ile enerji tüketimine kadar sınavda gerekli ilişkiler ayrıntılı biçimde ele alınacaktır.
ELEKTRİK AKIMI, POTANSİYEL FARKI VE DİRENÇ
Elektrik Akımı ve Yük Taşıyıcılarının Yönü
Elektrik akımı, bir iletkenin herhangi bir kesitinden birim zamanda geçen net yük miktarıdır. Bir kesitten Δt sürede Δq kadar yük geçiyorsa ortalama akım I = Δq / Δt bağıntısıyla bulunur. Akımın SI birimi amperdir ve 1 A = 1 C/s anlamına gelir. Akım, “iletkendeki toplam elektron sayısı” değil; belirli bir kesitten gerçekleşen düzenli net yük geçişinin hızıdır.
Metallerde hareketli yük taşıyıcıları serbest elektronlardır. Elektronlar elektrik alan yokken ısıl hareketleri nedeniyle düzensiz yönlerde hareket eder. İletkenin uçları arasında potansiyel farkı kurulunca bu düzensiz harekete küçük bir sürüklenme hareketi eklenir ve net yük akışı oluşur. Geleneksel akım yönü, pozitif yüklerin hareket edeceği yön olarak tanımlanır. Bu nedenle metal telde elektronların sürüklenme yönü ile geleneksel akım yönü birbirine zıttır.
Bir doğru akım kaynağının dış devresinde geleneksel akım pozitif kutuptan çıkar, devre elemanlarından geçerek negatif kutba yönelir. Elektronların net sürüklenmesi ise negatif kutuptan pozitif kutba doğrudur. Anahtar kapatıldığında lambanın yanması için aynı elektronun pilin bir kutbundan çıkıp bütün devreyi dolaşması gerekmez; devrenin her yanında zaten bulunan yük taşıyıcıları, iletken boyunca kurulan elektrik alanın etkisiyle sürüklenmeye başlar.
I. Dış devrede geleneksel akım pilin pozitif kutbundan negatif kutbuna yönelir.
II. Metal telde elektronların net sürüklenme yönü geleneksel akımın tersidir.
III. Devre tamamlandığında lambanın tepki vermesi, tek bir elektronun pilin bir kutbundan çıkıp bütün devreyi dolaşmasını beklemeyi gerektirmez.
Yargılarından hangileri doğrudur?
Akım Şiddeti ve Geçen Yük Miktarı
I = Δq / Δt bağıntısı, akım–yük–zaman sorularının temelidir. Akım sabitse geçen yük Δq = I·Δt olur. Süre saniyeye çevrilmeli; miliamper kullanılıyorsa 1 mA = 10−3 A dönüşümü yapılmalıdır. Yükü taşıyan elektron sayısı istenirse N = |Δq| / e kullanılır ve temel yük büyüklüğü e = 1,6 × 10−19 C alınır.
Akım zamanla değişiyorsa toplam yük, her zaman aralığında geçen yüklerin toplamıdır. Akım–zaman grafiğinde eğrinin altında kalan alan geçen yükü verir. Grafiğin eksenin altında bulunduğu bir aralık, seçilen pozitif yöne göre akımın ters yönlü olduğunu gösterir; alanlar işaretleriyle toplanır.
Potansiyel Farkı ve Üretecin Görevi
Elektriksel potansiyel farkı, birim yük başına aktarılan enerjiyle ilişkilidir. İki nokta arasında q yükü taşınırken W kadar enerji dönüşümü oluyorsa potansiyel farkının büyüklüğü V = W/q olur. Bir volt, bir coulomb yük başına bir joule enerji anlamına gelir: 1 V = 1 J/C.
Pil veya güç kaynağı, devredeki yükleri yoktan üretmez. Kaynak; kimyasal, mekanik ya da başka bir enerji türünü elektriksel potansiyel enerjiye dönüştürerek uçları arasında potansiyel farkı oluşturur ve bu farkı sürdürür. Kapalı iletken yol bulunduğunda elektrik alan, hareketli yük taşıyıcılarının net sürüklenmesini sağlar.
→
→
Direnç ve Direnci Etkileyen Değişkenler
Elektriksel direnç, bir devre elemanının akıma karşı gösterdiği zorluğun ölçüsüdür. Düzgün kesitli bir telin direnci R = ρL/A bağıntısıyla modellenir. Burada ρ öz direnç, L telin uzunluğu ve A kesit alanıdır. Aynı madde ve sıcaklıkta tel uzadıkça direnç artar; kesit alanı büyüdükçe direnç azalır.
Öz direnç maddenin cinsine ve sıcaklığa bağlıdır. Metallerde sıcaklık yükseldiğinde örgü titreşimleri artar ve elektronların düzenli sürüklenmesi zorlaşır; çoğu metal için direnç artar. Bu yüzden R = ρL/A ile oran kurulurken maddelerin ve sıcaklıkların aynı olup olmadığı kontrol edilmelidir.
Bir tel hacmi korunarak uzatılırsa yalnız uzunluk değil kesit alanı da değişir. Örneğin telin uzunluğu iki katına çıkarılıp hacmi sabit tutulursa kesit alanı yarıya iner; dirençteki toplam çarpan 2 ÷ (1/2) = 4 olur.
I. Telin yeni direnci 4R olur.
II. Telden geçen akım ilk değerinin dörtte birine iner.
III. Telin elektriksel gücü ilk değerinin dörtte birine iner.
Yargılarından hangileri doğrudur?
Ohm Yasası ve Akım–Gerilim Grafikleri
Sıcaklığı ve fiziksel koşulları sabit tutulan ohmik bir iletkende uçlar arasındaki potansiyel farkı, iletkenden geçen akımla doğru orantılıdır. Bu ilişki V = I·R biçimindeki Ohm yasası ile gösterilir. Direnç sabitse gerilim iki katına çıktığında akım da iki katına çıkar.
Grafiğin eksenleri dikkatle okunmalıdır. Düşey eksen V, yatay eksen I ise doğrunun eğimi V/I = R değerini verir. Düşey eksen I, yatay eksen V ise eğim I/V = 1/R olur. Bu nedenle “daha dik doğru her zaman daha büyük dirençtir” denemez; önce eksenlerin yerleri belirlenir.
I. RK = 4 Ω ve RL = 2 Ω‘dur.
II. Kaynaktan çekilen toplam akım 9 A‘dır.
III. Devrenin toplam gücü 108 W‘tır.
Yargılarından hangileri doğrudur?
ELEKTRİK DEVRELERİ VE ÖLÇÜ ARAÇLARI
Devre Elemanları, Anahtar ve Üreteç Bağlantıları
Bir elektrik devresi; üreteç, bağlantı telleri, anahtar ve enerjiyi kullanan direnç, lamba veya motor gibi alıcılardan oluşabilir. İdeal bağlantı tellerinin ve kapalı ideal anahtarın direnci sıfır kabul edilir. Açık anahtar ise devre yolunu keser ve üzerinden akım geçmez.
Özdeş ideal piller seri ve aynı yönlü bağlanırsa eş değer elektromotor kuvvetleri toplanır. Pillerden biri ters bağlanırsa elektromotor kuvvetler birbirini azaltır. Özdeş ideal piller paralel ve aynı yönlü bağlandığında eş değer gerilim tek pilinki kadar kalır; ideal modelde amaç gerilimi artırmak değildir. Gerçek kaynaklarda iç direnç ve çalışma süresi ayrıca önem taşır ancak TYT devre sorusunda aksi söylenmedikçe kaynak ideal kabul edilebilir.
Ampermetre ve Voltmetre Bağlantısı
Ampermetre, bir devre kolundan geçen akımı ölçmek için ölçülecek kola seri bağlanır. İdeal ampermetrenin iç direnci sıfırdır; böylece devrenin akımını değiştirmediği kabul edilir. Ampermetre ideal bir gerilim kaynağının uçlarına doğrudan paralel bağlanırsa sıfır dirençli bir yol oluşturur ve kısa devreye neden olur.
Voltmetre, iki nokta arasındaki potansiyel farkını ölçer ve ölçülecek devre elemanına paralel bağlanır. İdeal voltmetrenin iç direnci sonsuzdur; üzerinden akım geçmediği kabul edilir. Voltmetre bir kola seri bağlanırsa o kolu açık devre gibi keser.
+
=
I. Ampermetre ölçülecek kola seri bağlanır ve iç direnci sıfır kabul edilir.
II. Voltmetre ölçülecek devre elemanına paralel bağlanır ve iç direnci sonsuz kabul edilir.
III. Ampermetrenin ideal üretecin uçlarına doğrudan paralel bağlanması kısa devre oluşturur.
Yargılarından hangileri doğrudur?
DİRENÇ BAĞLANTILARI VE DEVRE ÇÖZÜMÜ
Seri Bağlı Dirençler ve Gerilim Paylaşımı
Dirençler uç uca bağlanmış ve aralarındaki düğümlerde akımın ayrılabileceği başka yol yoksa seri bağlıdır. Seri devrede bütün dirençlerden aynı akım geçer. Kaynak gerilimi dirençlerin uçlarındaki gerilimlerin toplamıdır ve eş değer direnç Reş = R1 + R2 + … olur.
Seri devrede gerilim dirençle doğru orantılı paylaşılır: V1/V2 = R1/R2. İdeal anahtarla bir direnç sıfır dirençli telle köprülenirse o direnç kısa devre kalır; uçları arasındaki gerilim sıfır ve üzerinden geçen akım ideal modelde sıfır olur.
Anahtar kapatıldıktan sonra;
I. Devrenin ana kol akımı 1,5 A olur.
II. M direncinin uçları arasındaki gerilim 9 V olur.
III. M direncinin gücü 13,5 W olur.
Yargılarından hangileri doğrudur?
Paralel Bağlı Dirençler ve Akım Paylaşımı
İki direnç aynı iki düğüm arasına bağlıysa paraleldir. Paralel kollardaki potansiyel farkları eşittir; ana kol akımı düğümde kollara ayrılır ve kol akımlarının toplamı ana akımı verir. Eş değer direnç 1/Reş = 1/R1 + 1/R2 + … bağıntısıyla bulunur.
Paralel kollarda akım dirençle ters orantılı paylaşılır. İki kol için I1/I2 = R2/R1 olur. Paralel yeni bir direnç eklemek toplam iletkenliği artırır, eş değer direnci azaltır. Kaynak gerilimi sabitse kaynaktan çekilen toplam akım ve toplam güç artar.
I. İlk durumda R direncinden 4 A geçer.
II. İlk durumda 2R direncinden 2 A geçer.
III. Üçüncü direnç eklendiğinde kaynaktan çekilen toplam akım 8 A olur.
Yargılarından hangileri doğrudur?
Karışık Devreler, Eş Değer Direnç ve Kısa Devre
Karışık bir devrede önce gerçekten aynı iki düğüm arasında bulunan paralel dirençler belirlenir. Çizimde yan yana görünmek paralellik için yeterli değildir; iki elemanın her iki ucu da aynı düğümlere bağlı olmalıdır. Paralel gruplar sadeleştirildikten sonra seri parçalar toplanır ve kaynak akımından geriye doğru kol akımlarına geçilir.
Kısa devre, iki nokta arasına ideal tel gibi çok küçük dirençli bir yol bağlanmasıdır. İdeal tel ile paralel kalan devre elemanının uçları aynı potansiyelde olur; eleman üzerinde gerilim ve akım sıfır kabul edilir. Kaynağın doğrudan kısa devre edilmesi ise gerçek devrede çok büyük akım, ısınma ve yangın riski doğurabilir.
I. Kaynaktan çekilen akım ilk değerinin üç katına çıkar.
II. R direncinin gücü ilk değerinin dokuz katına çıkar.
III. 2R direncinin uçları arasındaki gerilim sıfır olur.
Yargılarından hangileri doğrudur?
ELEKTRİKSEL GÜÇ, ENERJİ VE GÜVENLİK
Elektriksel Güç ve Elektrik Enerjisi
Elektriksel güç, devre elemanında birim zamanda dönüştürülen elektrik enerjisidir. Bir elemanın uçlarındaki gerilim V ve üzerinden geçen akım I ise güç P = V·I olur. Ohmik direnç için Ohm yasası kullanılarak P = I²R ve P = V²/R biçimleri elde edilir.
Hangi güç bağıntısının kullanılacağı sabit tutulan büyüklüğe göre seçilmelidir. Aynı gerilime bağlanan dirençlerde P = V²/R nedeniyle küçük direnç daha büyük güç harcar. Aynı akımın geçtiği seri dirençlerde ise P = I²R nedeniyle büyük direnç daha büyük güç harcar.
Elektrik enerjisi E = P·t bağıntısıyla hesaplanır. Joule SI enerji birimidir. Elektrik faturalarında kullanılan kilovat-saat de enerji birimidir: 1 kWh = 3,6 × 106 J. Cihazın etiket gücü kilovata çevrilip çalışma süresi saat cinsinden kullanılırsa enerji doğrudan kWh bulunur.
I. Çalışırken çektiği akım 5 A‘dır.
II. Çalışma direnci 44 Ω‘dur.
III. Otuz günde tükettiği enerji 11 kWh‘tır.
Yargılarından hangileri doğrudur?
Lamba Parlaklığı, Sigorta ve Devre Güvenliği
Bir lambanın parlaklığı, devrede harcadığı elektriksel güçle ilişkilidir. Özdeş lambalar aynı ideal üretece paralel bağlandığında her biri kaynak gerilimini alır. Aynı lambalar seri bağlandığında gerilim paylaşılır; her lambanın akımı ve gücü azalır. Bir lambanın kısa devre edilmesi ise lambanın uçlarını aynı potansiyele getirir; lamba söner.
Sigorta ve devre kesici, izin verilenden büyük akım geçtiğinde devreyi açarak tellerin aşırı ısınmasını ve yangın riskini azaltır. Koruma elemanı devrenin ana akımını izleyebilmek için seri bağlanır. Sigortanın görevi cihazın daha az enerji tüketmesini sağlamak değil, tehlikeli akım durumunda devreyi kesmektir.
Sonraki konu: Manyetizma: Mıknatıslar, Akım ve Manyetik Alan