Elektrik

Elektrik, negatif yüklü bir atomdan görece pozitif yüklü bir atoma doğru gerçekleşen elektron akışını ve bu akıştan elde edilen enerjiyi tanımlamak için kullanılan genel bir kavramdır.

Günlük dilde “elektrik” kelimesi, elektrik yükü, elektrik akımı ve elektrik enerjisi gibi terimlerin tümünü birden ifade etmek amacıyla kullanılır.

“Elektrik nedir ?” sorusunun cevabını tam olarak anlayabilmek için daha derine inmemiz gerekiyor. Öncelikle elektrik ile ilgili temel terimleri inceleyelim.

Elektrik Yükü

Kararlı bir atom, eşit sayıda proton ve elektrona sahiptir. Herhangi bir dış etki sonucunda atomun sahip olduğu elektron sayısı proton sayısından fazla olursa, bu atom “negatif yüklü” olarak kabul edilir. Tam tersi bir şekilde proton sayısı elektron sayısından fazla olursa, bu kez “pozitif yüklü” olarak kabul edilir. Kararlı atomlar ise elektrik yükü bakımından “nötr” olarak kabul edilir.

Elektrik yükü birimi Coulomb’dur ve “C” ile gösterilir. 1 Coulomb, yaklaşık 6,24 x 10¹⁸ elektrona eşittir.

Elektrik Akımı

Negatif yüklü bir atom, üzerindeki fazla elektronları atarak kararlı hale gelme eğilimindedir. Bu nedenle farklı yüklere sahip iki atom birbirine yaklaştığında, elektronlar negatif yükü fazla olandan düşük olana doğru akarak denge durumuna gelmeye çalışır.

Daha büyük ölçekte incelendiğinde, negatif yüklü atomlar barındıran bir cisim üzerindeki fazla elektronlardan kurtulma eğilimindedir. Direk yada bir iletken kullanarak negatif yüklü bir cisim görece pozitif yüklü olan bir başka cisme temas ettiğinde, elektronlar negatif yükü büyük olandan küçük olana doğru akmaya başlar. Bu elektron akışına “elektrik akımı” adı verilir.

Elektron akışının yönü negatif yükün yüksek olduğu yerden düşük olduğu yere yani negatiften görece pozitif olana doğru iken, elektrik akımının yönü pozitif(+) yükten nagatif(-) yüke doğru olarak kabul edilir.

Elektrik akım şiddeti birimi Amper’dir. 1 saniyede iletken üzerinden geçen 1 Coulomb’luk yük (6,24 x 10¹⁸ elektron) akışı, 1A (1 Amper) olarak kabul edilir.

Elektrik Potansiyeli – Volt

Volt, “iki nokta arasındaki potansiyel fark” olarak ifade edilmektedir. En basit tanımı ile, buradaki “potansiyel fark”; Elektronun ayrıldığı atomda sahip olduğu enerji ile ulaşacağı atomda sahip olacağı enerji arasındaki farktır.

Kavramın tam olarak anlaşılabilmesi için yukarıdaki ifadeyi biraz açmamız gerekiyor. (sonraki paragraflarda yapılan açıklamalar temel seviyede de olsa kuantum mekaniği bilgisi gerektirmektedir.)

Kuantum mekaniğine göre, bir atomun elektronları farklı enerji seviyelerinde bulunabilirler. Elektronların bulunduğu enerji seviyesi, temel olarak atomun toplam elektron sayısı ile bağlantılıdır. Burada bizi asıl ilgilendiren son yörüngede bulunan elektronların (valans elektronlar) hangi enerji seviyesinde olduğudur.

Elektronların harekete başladığı atomdan ulaşacağı atoma doğru hareketi sırasında atomun cinsine yada uyarılmışlık durumuna göre valans elektronların sahip olduğu enerji seviyeleri farklı olabilir. Bu iki enerji seviyesi arasındaki fark elektronun dışarı vermeye hazır olduğu enerji potansiyelini yani “volt” kavramını ifade eder.

Örneğin; Alessandro Volta tarafından yapılan ve ilk pil olarak kabul edilen bakır-çinko pil, standart şartlar altında 1,1 volt’luk elektrik potansiyeline sahiptir. (bu konu elektro kimyasal piller incelenirken daha detaylı olarak ele alınacak)

Bu örneği analiz edecek olursak; Anot’taki (çinko levha) valans elektronların sahip olduğu enerji ile, katot’taki (bakır levha) valans elektronların sahip olduğu enerji arasındaki fark (elementin sahip olduğu elektron sayıları ve bulundukları enerji seviyeleri nedeni ile) elektron başına 1,1 eV (elektron volt) ‘tur. Elementlerin valans elektronlarının sahip olduğu bu farklı enerji seviyeleri “standart elektrot potansiyeli” olarak isimlendirilir.

Sonuç olarak, elektron başına 1 eV enerji potansiyeline sahip, 1 Columb’luk yükün sahip olduğu toplam potansiyel fark, 1 Volt’ tur.

Elektriksel Güç – Watt

Güç, birim zamanda harcanan enerji olarak tanımlananır. SI (Uluslar Arası Birim Sistemi)’ne göre temel güç birimi Watt’tır ve ismini buharlı makinenin mucidi James Watt’tan alır.

1 saniyede 1 joule enerji harcayan bir cihazın gücü 1 Watt olarak kabul edilir. Aynı şekilde 1 saniyede 1 joule enerji verme potansiyeline sahip bir enerji kaynağının gücü de 1 Watt’tır.

Bir elektrik kaynağının gücü, kaynaktan çıkan akım ve volt’un çarpımı ile elde edilir ve P ile gösterilir.

P = V x I

1 Volt potansiyele ve 1 Amper elektrik akına sahip bir elektik kaynağının gücü;

P = 1 x 1
P =1 Watt,  olarak hesaplanır.  

Elektrik Enerjisi

Enerji, en basit haliyle “bir sistemin iş yapabilme kapasitesi” olarak tanımlanır.

Elektrik enerjisi birimi Joule’dur. Elektrik gücün zamanla çarpımı ile elde edilir. Başka bir değişle elektrik gücünün zaman içinde yaptığı iştir.

W = P x t

1 Watt güce sahip bir elektrik kaynağının 1 saniyede yapabilme kapasitesine sahip olduğu iş yani sahip olduğu enerji 1 Joule’dur.

Daha detaylı bir ifade ile; her biri 1 elektron volt potansiyel enerjiye sahip olan, 1 colomb’luk elektron yükünün, 1 saniyelik hareketinden elde edilen enerji (iş yapabilme potansiyeli) 1 Joule’dur.

Günlük hayatımızda elektrik enerjisi; ışık, ses, ısı ve hareket gibi farklı enerji türlerine çevrilerek kullanılır.

Elektrik enerjisini anlamanın ve iş başında görmenin en kolay yollarından biri, sürtünme ile elektriklenme fenomeni incelemektir.

Şişirdiğiniz bir balonu kazak gibi yünlü bir objeye yada saçımıza sürttüğünüzde, kazakta bulunan elektronlar koparak balona geçer. Elektron kazanan balon artık elektriksel olarak negatif yüklüdür.

Negatif yüklü bu balon küçük parçalara ayrılmış kağıda yaklaştırıldığında, kağıt parçalarının hareket ederek balona yapıştığı gözlemlenecektir. Burada gerçekleşen şey; negatif yüklü balonun etkisi ile nötr yüke sahip olan kağıt parçalarındaki elektronların, balonun aksi yönüne itilmesi ve sonuç olarak balona yakın bölgede kalan pozitif yüklerin, negatif yüklü balon tarafından çekilmesidir.

Bu fenomende hareket eden kağıt parçalarının yaptığı iş elektrik enerjisinin bir sonucudur.