fiz112 fizik-ıı

FİZ112
FİZİK-II
Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Biyoloji Bölümü A- Grubu
2016-2017 Bahar Yarıyılı
Bölüm-6 ve Bölüm-7 Özetleri
18.05.2017 Ankara
Aysuhan OZANSOY
Bölüm 6: Akım, Direnç ve Devreler
1. Elektrik Akımı ve Akım Yoğunluğu
2. Direnç ve Ohm Kanunu
3. Özdirenç
4. Elektromotor Kuvvet ve Devreler
5. Elektrik Devrelerinde Güç ve Enerji
2
A.Ozansoy
18.05.2017
1. Elektrik Akımı ve Akım Yoğunluğu
1.1. Elektrik akımı
Bu ve sonraki bölümde hareket halindeki yükleri inceleyeceğiz.
 Birim zamanda, belli bir kesit alanından geçen yük miktarına elektrik
akımı ya da kısaca akım denir.
Şekil [1]’ den alınmıştır.
I ort
Q

t
I  I ani
I  lim t 0
3
Q dQ

t
dt
A.Ozansoy
18.05.2017
v d  v s: sürüklenme hızı
Akım:[Coulomb/Saniye][A]
A:Amper
 Elektrik akımının yönü; pozitif
yüklerin akış yönüdür. Akımın
yönünü belirlemedeki bu seçime
konvensiyonel akım denir.
 Akımın yönüyle ilgili bu seçim
tamamen keyfidir.
 Akımın yönünden bahsetmiş olsak
da elektrik akımı skaler bir
niceliktir.
 İletken içinde elektronlar sürekli
hareket halindedir. Buna rağmen, bir
kesitten geçen net yük sıfır olur. Ancak ,
bir potansiyel farka bağlanırsa yük akışı
olur.
4
A.Ozansoy
18.05.2017
Bazı Akım Değerleri
5
Akımın bulunduğu yer
Akım (A)
Bilgisayar devrelerinde
10-12-10-6
TV tüpündeki elektron ışını
10-3
İnsan için tehlikeli
10-2-10-1
El feneri
0.5-1
Otomobil marş motoru
200
Yıldrımda tepe akımı
104
A.Ozansoy
18.05.2017
1.2. Madde İçinde Akımlar
Yükün madde içindeki hareketini maddenin özellikleri belirler (iletken,
yalıtkan, yarıiletken, süperiletken.)
 Yüklerin madde içinde nasıl taşındığına bakalım:
a) Elektrostatik Durumda: İletken içinde her yerde elektrik alan sıfırdır
(E=0) ve akım yoktur. Bu, tüm yüklerin durgun olduğu anlamına gelmez. Bir
iletkende serbest elektronlar rastgele hareket ederler. Elektronların
hareketi rastgele olduğundan belli bir yönde net yük akışı olmaz.
Elektronların rastgele hareketlerinin sürati vr ~ 106 m/s
b) İletkenin iki ucu bir güç kaynağına bağlanırsa: İletken üzerindeki tüm
noktaların potansiyeli aynı değildir. Bir potansiyel fark yaratılmış olur, bu
durumda iletkende bir elektrik alan oluşturulur ( E 0). Bu alan elektronların
rastgele hareketini değiştirir. Alan, elektronlar üzerine bir kuvvet uygular.
Elektronlar kuvvetle zıt yönlü bir sürüklenme kazanırlar. Bu sürüklenme hızı vd ~
10-4 m/s mertebesindedir.
6
A.Ozansoy
18.05.2017
Elektronun,
elektrik
alanın varlığında kazandığı
ivmeden dolayı, yörüngesi
hafif
bir
kavis
kazanmıştır. Sürüklenme
hızından dolayı, net bir
yer değiştirme vardır.
sürüklenme hızı vs vd
7
A.Ozansoy
18.05.2017
1.3. Akım Yoğunluğu
 Yükün genel hareketi, bu hareketin ayrıntıları dikkate alınarak
incelenir. Bu nedenle akım yoğunluğu tanımlanır.
Akım yoğunluğu; birim kesit alanına düşen akım demektir.
dq
dq  qnAvs dt , I 
dt
 I

J    nqvs
A
Akım
yoğunluğu
Birim hacimdeki
parçacık sayısı
I
J
Skaler
Vektörel
Uzunlamasına bir
nesnenin içindeki
yük akışı?
Bir noktadaki yük
akışı nasıl?
Bir devre için değeri
sabit
Bir devrede J’ nin
değeri her yerde
aynı olmayabilir.
(+) yük için J ve vs aynı yönlü
(-) yük için J ve vs zıt yönlü
8
A.Ozansoy
18.05.2017
Doğru Akım (D.C.) ve Alternatif Akım (A.C)
Büyüklüğü ve yönü zamanla değişmeyen akıma doğru akım, büyüklüğü ve
yönü zamanla değişen akıma alternatif akım denir.
9
A.Ozansoy
18.05.2017
2. Direnç ve Ohm Kanunu
 Yükün madde içinde ne kadar kolaylıkla hareket ettiğini, o maddenin
elektriksel direnci belirler.
 Düzgün kesit alanına sahip bir iletkende,
J her kesit alanında sabittir.
 İletkenin uçları arasına bir potansiyel
fark uygulanırsa, iletken içinde bir E ve bir
J oluşur. Potansiyel fark sabitse akım da
sabit olacaktır.


J  E
 Bir çok maddede akım yoğunluğunun
elektrik alana oranı sabittir. Buna OHM
KANUNU denir. Orantı katsayısına da
iletkenlik katsayısı denir.
Mikroskopik Ohm Yasası
İletkenlik katsayısı
10
A.Ozansoy
18.05.2017
3. Özdirenç

1

Özdirenç(): [.m]
 Özdirenç, maddenin cinsine ve sıcaklığa bağlı bir niceliktir.
Mükemmel bir iletkenin özdirenci sıfır, mükemmel bir yalıtkanın özdirenci sonsuzdur.
Yarıiletkenlerin özdirençleri iletkenler ve yalıtkanlar arasındadır. Bu maddelerin
iletkenlikleri, sıcaklıklarındaki ve saflıklarındaki en küçük bir bozulmadan
etkilendiklerinden dolayı oldukça önemlidirler.
a)
Tüm değerler
20C’ de dir.
b) Nikel-krom
alaşımı. Isıtma
elemanlarında
yaygın olarak
kullanılır.
Tablo, Kaynak[3]’ ten
alınmıştır.
11
A.Ozansoy
18.05.2017
Bu kesim, Kaynak [1]’ den alınmıştır.
L
L
R

A
A
12
 Direnç birimi Ohm ()’ dur.
George Simon Ohm (1789-1854),
Alman fizikçi ve matematikçi
A.Ozansoy
18.05.2017
Özdirenç ve Sıcaklık
  0 1   (T T 0)
T0’ daki
özdirenç
13
Özdirencin
sıcaklık
katsayısı
A.Ozansoy
18.05.2017
Metallerde: Sıcaklık arttıkça özdirenç artar. Sıcaklık arttıkça
serbest elektronlar örgü iyonları ile daha çok çarpışır ve örgü iyonları
daha çok titreşir. Böylece özdirenç artar.
Yarıiletkenlerde: Sıcaklık arttıkça yarıiletkenin daha çok elektronu
serbest duruma geçer, yük taşıyıcıların yoğunluğu artar. Bu nedenle
özdirenç azalır.
Süperiletkenlerde: Belli bir kritik sıcaklığın (Tc) altında özdirenç sıfır
olur. Tc ‘ nin değeri kimyasal bileşime, moleküler yapıya ve basınca
bağlıdır. Süperiletkenlerin önemli bir özelliği bunlara bir kez akım
uyguladıktan sonra voltaja gerek kalmadan akımın devam
edebilmesidir.
14
A.Ozansoy
18.05.2017
4. Elektromotor Kuvvet (EMK) ve Devreler
Bir elektrik devresi, en basit anlamıyla elektrik akımın aktığı yoldur. Bir güç
kaynağı, iletken teller ve bir devre elemanı ile (ampul, direnç vs) basit bir devre
yapılabilir. Elektrik devrelerinde enerji bir noktadan başka bir noktaya aktarılır.
 Bir iletkenin düzgün bir akıma sahip olabilmesi için kapalı bir devre olması
gerekir.
Çünkü, kapalı bir devrenin parçası olmayan bir iletkende E
uygulandığında sadece çok kısa bir süre akım akar.
 Elektrik devrelerinde akımı
sabit tutabilmek için elektromotor
kuvvet kaynağına ihtiyaç vardır.
15
A.Ozansoy
18.05.2017
 Yükler, direnci olan bir malzeme içerisinden geçerken potansiyel
enerjide her zaman bir azalma olur. Bu nedenle devrenin bir
parçasında potansiyel enerjinin sürekli yükselmesi gerekir.
EMK kaynağı, devrede yüklerin hareketini sağlayan, yüklerin
potansiyel enerjilerini artırabilecek olan pil, batarya, jeneratör benzeri
aygıtlardır. EMK kaynağını bir yük pompası olarak düşünebiliriz.
EMK bir kuvvet değil, bir potansiyel farktır.
Devrelerde
 ile gösterilir.
sembolü ile gösterilir.
EMK kaynakları, başka enerji türlerini kullanarak
potansiyel fark oluştururlar.
elektriksel
• Pil, batarya, akü : kimyasal enerjiyi
• Jeneratör : Mekanik enerjiyi
• Güneş pili : ışık enerjisini
16
kullanır.
A.Ozansoy
18.05.2017
Elektrik Pili
• Luigi Galvani (1737- 1798): 1780’lerde kurbağa bacağına farklı metaller
sokulması sonucu kasılması ile ilgili deneyler yapıyor  « hayvansal
elektrik»
• Alessandro Volta(1745 - 1827):
- Galvani’ nin sonuçlarında kuşku duyuyor. Elektriğin kaynağı hayvanın
kendisi değil, farklı metaller olduğu sonucuna vardı.
- 1800 yılında ilk pili yaptı.
- Batarya oluşturdu. Gümüş ve çinko metaller arasına tuz çözeltisi ya da
seyreltilmiş asit emdirilmiş bez parçası koydu.
Volta’ nın makalesinde kullandığı
resim. Kaynak [2]’ den alınmıştır.
17
A.Ozansoy
18.05.2017
En basit bataryada,
-Benzer olmayan iki adet metal
(elektrot olarak adlandırılır)
bulunur.
- Elektrotlar, elektrolit olarak
adlandırılan seyreltilmiş bir
çözelti içerisindedir.
- Metallerin çözelti dışında
kalan kısımlarına uç
(terminal) denir.
Şekil, Kaynak [2]’ den alınmıştır.
18
A.Ozansoy
18.05.2017
Kendi bataryanızı yapın:
Gerekli malzemeler: Bakır para,
alüminyum folyo, tuzlu suda
ıslatılmış mukavva (ya da kağıt
havlu), iletken tel.
 Alüminyum
folyoları
ve
mukavvaları (ya da kağıt
havluları)
bakır
paralar
büyüklüğünde disk şeklinde
kesin.
 Bir bakır para, arasında tuzlu
suda ıslatılmış mukavva ve
üstünde
alüminyum
folyo
üçlüsü bir pili oluşturacaktır.
Bu kesim Kaynak[4]’ ten alınmıştır.
19
 Bu üçlüden 8-10 tanesi üst
üste
yerleştirildiğinde
bataryayı oluşturur. İletken
telleri bataryaya bağlayıp
uçlarını değdirdiğinizde küçük
bir kıvılcım oluşur.
A.Ozansoy
18.05.2017
Bu kesim, Kaynak [1]’ den alınmıştır.
Vb-Va=+
b ucu daha yüksek potansiyelde
Vc-Vb=-Ir
c ucu b ucundan daha düşük potansiyelde
Va-Vc=-IR
20
a ucu c ucundan daha düşük potansiyelde.
Direnç üzerinden akım yönünden geçerken potansiyel –IR kadar azalır.
A.Ozansoy
18.05.2017
Potansiyelin konuma göre değişim grafiği
Terminal Voltaj (Uç Voltajı)
5. Elektrik Devrelerinde Güç ve Enerji
P=V I
P=I2R=V2/R Dirençte harcanan (ısıya dönüşen) güç
P=I- I2r (Kaynaktan güç çıkışı)
P=I+ I2r (Kaynağa güç girişi)
21
A.Ozansoy
18.05.2017
Bölüm 7: Doğru Akım Devreleri
1. Dirençler
2. Elektrik Ölçü Aletleri
3. Kirchhoff Kuralları
4. Akımın Biyolojik Etkileri
5. Güç Dağıtım Sistemleri
22
A.Ozansoy
18.05.2017
1.Dirençler
Uçları arasında belli bir değerde direnç
bulunan devre elemanına direnç denir. Elektrik
devrelerinde
bulunan
dirençler
silindir
şeklindedir ve üzerinde direncin değerini
gösteren renkli şeritler yer alır.
Dirençlerin Bağlanması
II)Paralel Bağlı Dirençler
I) Seri Bağlı Dirençler
I=I1=I2=I3
V=V1+V2+V3
Reş=R1+R2+R3
23
V=V1=V2=V3
I=I1+I2+I3
1/Reş=1/R1+1/R2+1/R3
A.Ozansoy
18.05.2017
2. Elektrik Ölçü Aletleri:
• Akım ölçmekte kullanılır.
• Akım ölçülecek yere seri olarak bağlanır.
• Ampermetrenin hassas ölçüm yapabilmesi
için RA direncinin çok küçük (neredeyse

sıfır) olması gerekir.
I
Voltmetre
R  RA
• Potansiyel farkı ölçmede kullanılır.
• Potansiyel
bağlanır.
fark
ölçülecek
yere
paralel
• Voltmetrenin hassas ölçüm yapabilmesi için
RV değerinin (voltmetrenin direnci) çok
büyük olması gerekir.
1
1
1


Res
R RV

Şekiller, Kaynak [1]’ den alınmıştır.
24
Res 
R
1  R RV
A.Ozansoy
V
IR
1 R / RV
18.05.2017
Açık Devrede Güç Kaynağı:
a noktasının solundaki ve A ampermetresinin
sağındaki teller hiçbir yere bağlı değildir. V
voltmetresi
idealdir.
(Yani
direnci
sonsuzdur). Bu nedenle geçen akım I=0’ dır.
Ampermetre sıfır değerini okur. I=0
olduğundan pilin uçları arasındaki potansiyel
fark emk değerine eşittir. Voltmetre 12 V
değerini okur.
Kapalı Devrede Güç Kaynağı
Ampermetre 2 A, voltmetre 8 V değerlerini
okur.

12
2A
rR 6
Vab  Va 'b'    Ir  8 V
I
25
A.Ozansoy

18.05.2017
Kısa Devre Güç Kaynağı:
Akım, her zaman iki uç arasında en kısa yoldan akar. Eğer devrede
yıpranmış ya da hasar görmüş bir yer varsa, akım devreyi tamamlamak
yerine buradan akar. Buna kısa devre denir. Bu durumda bir kıvılcım
oluşabilir. Eğer gerilim çok yüksekse, devre bir yangına neden olabilecek
kadar ısınabilir. [Kaynak 3]
Şekilde, a ve b noktaları arasında sıfır
dirençli bir yol bulunmaktadır. (Güç
kaynağının iki ucu birbirine bağlıdır, bu
bir kısa devredir).
Bu nedenle bu
noktalar arasındaki potansiyel fark
sıfırdır.  Vab: 0
Ampermetreden okunan değer;
Vab= - Ir = 0
I=  / r = 6 A
26
A.Ozansoy
18.05.2017
3. Kirchhoff Kuralları
1. Bir düğüm noktasına giren akımların toplamı çıkan akımların toplamına
eşittir.
2. Kapalı bir çevrim (ilmek) boyunca tüm potansiyel farkların toplamı
sıfırdır.
V  0
Pot. fark: + 
27
- 
+IR
A.Ozansoy
-IR
18.05.2017
Elektrik Devresi
Devre için çizim
Şekiller, Kaynak [5]’ ten alınmıştır.
28
A.Ozansoy
18.05.2017
4. Akımın Biyolojik Etkileri
29
A.Ozansoy
Bu kesim, Kaynak [2] den alınmıştır.
18.05.2017
5. Güç dağıtım sistemleri
 Elektrik, elektrik santrallerinde
(hidroelektrik, termik ya da
nükleer) jeneratör adı verilen
dev makinalarda üretilir.
(Jeneratörün ve transformatörün
çalışma prensipleri Bölüm 10’ da
anlatılacaktır).
Şekil, Kaynak [6]’ dan alınmıştır.
 Üretilen elektrik, iletim
şebekesi denen kablolar
aracılığıyla taşınır. Bu kablolar
ya yerin altına gömülür ya da
çelik dev direkler üzerinde
taşınır.
 Kabloların dirençlerinden ve
akımın kabloları ısıtmasından
dolayı, akımın azaltılıp, gerilimin
yükseltilmesi gerekir. Bu
nedenle, santrallerin çıkışında,
gerilim yükseltici
transformatörler kullanılır.
 Ev ve işyerlerinde elektrik
kullanılmadan önce gerilim
düşürücü transformatörler
kullanılarak, gerilim gerekli
seviyeye düşürülür.
30
A.Ozansoy
18.05.2017
 Evlerde, fabrikalarda ve ticari kuruluşların çoğunda alternatif akım (ac)
kullanılır.
 Eve gelen elektrik, sigorta adı verilen bir güvenlik cihazından geçer. Telli
bir sigortada, sigorta teli, erime noktası düşük iletkenliği yüksek bir
malzemeden yapılır. Akım çok fazla geçtiğinde, tel erir, devre kesilir. Buna
« sigorta atması » denir.
 Elektrik şirketinden gelen kablo çiftine hat denir. (Faz hattı ve nötr
hat)
 Evlerde çalıştırılacak olan tüm cihazlar güç kaynağına paralel bağlanır,
çünkü seri bağlı durumda cihazlardan biri kapatıldığında hepsinin kapanması
gerekir.
31
A.Ozansoy
18.05.2017
(Giancoli, örnek 25-11) Sigorta atacak mı?
Şekildeki tüm cihazların çektiği toplam akım nedir?
Tüm cihazlar için potansiyel fark 120 V
Güç: P = I V
Ampül : IA= 100 /120 = 0.8 A
Isıtıcı : II= 1800 /120 = 15 A
Radyo:
IR= 350 /120 = 2.9 A
Saç kurutma makinesi: IS= 1200 /120 = 10 A
Toplam I = IA+ II + IR + IS = 28.7 A
Şekiller, Kaynak [2]’ den alınmıştır.
32
 Eğer bu devre 20 A’ lik bir sigortaya göre
tasarlanmışsa, sigorta atar. Toplam akımı 20
A’ in altına düşürmek için cihazlardan bir ya da
birkaçını kapatmak gerekebilir.
A.Ozansoy
18.05.2017
Otomobillerde;
Doğru akım (dc) kullanılır. Güç aküden
sağlanır. (Yaklaşık 12 V) Aküyü motorun
çalıştırdığı alternatör besler. (İki kaynak aynı
kapalı devrede yer aldığında büyük emk’lı
kaynak diğerine güç verir).
Arabalarda elektrik devresinin
arabanın şasisine bağlıdır.
nötr
ucu
Aküsü boşalan bir otomobil, başka bir
otomobilin aküsü yardımıyla, atlama kabloları
kullanılarak doldurulabilir. Atlama kabloları ile,
akü ve araba arasındaki iletkenin dirençleri
vardır. Devre aşağıdaki gibi temsil edilebilir.
33
A.Ozansoy
18.05.2017
Kaynaklar
1.
http://www.seckin.com.tr/kitap/413951887 (“Üniversiteler için
Fizik”, B. Karaoğlu, Seçkin Yayıncılık, 2012).
2. Fen Bilimcileri ve Mühendisler için Fizik, D. C. Giancoli, Akademi
Yayıncılık, 2009.
3. Fen ve Mühendislik için Fizik Cilt-II, R.A. Serway ve R.J. Beichner,
(Çeviri Editörü: Prof. Dr. Kemal Çolakoğlu), 5. Baskıdan çeviri, Palme
Yayıncılık 2002, Ankara
4. Atom ve Molekül, P.R. Cox ve M. Parsonase, TÜBİTAK Popüler Bilim
Kitapları 45, Gençlik Kitaplığı 5, 2009, Ankara
5. Fizik-İlkeler ve Pratik Cilt-II, E. Mazur (Çeviri Editörleri: A. Verçin
ve A.U. Yılmazer) 1. Baskıdan çeviri, Nobel Akademik Yayıncılık, 2016.
Ankara
6. P. Adamczyk ve P.F. Law, “ Elektrik ve Manyetizma“, TÜBİTAK
Popüler Bilim Kitapları 124, Gençlik Kitaplığı 25, 1999, Ankara
7. Diğer tüm şekiller ; “Üniversite Fiziği Cilt-I “, H.D. Young ve R.A.
Freedman, 12. Baskı, Pearson Education Yayıncılık 2009, Ankara
34
A.Ozansoy
18.05.2017