Elektrik Yükleri

Fiziğin durgun elektrik yükleri ve bununla ilgili kavramları inceleyen dalına elektrostatik denir.

Elektrik yüklerinin kaynağı atomun yapısında bulunan elektronlar ve protonlardır. Maddeler atomlardan, atomlar elektron, proton ve nötrondan oluşur. Elektronlar çekirdek çevresinde dönerken, proton ve nötronlar atomun çekirdeğinde hareketsiz halde bulunmaktadır. Elektronun yükü eksi(-), protonun yükü artı (+) ve nötron yüksüz (nötr) kabul edilir.

• Nötr (yüksüz) madde ; Üzerindeki pozitif yük (proton) sayısı, negatif yük (elektron) sayısına eşit olan maddelerdir.
• Pozitif yüklü madde; Dışarıya elektron ( – ) vererek yapısında (+) yük proton fazlalığı bulunduran maddelere denir.
• Negatif yüklü madde; Dışarıdan elektron ( – ) yük alarak yapısında elektron ( – ) yük fazlalığı bulunduran maddelerdir.

Elektron alarak veya vererek yük dengesinin bozulması olayına elektrikle yüklenme denir.

Elektron ve proton miktarı tam sayılar ile ifade edilebileceği için yük miktarı da bu sayıların farkı olan tam sayının katı kadardır. En küçük yük miktarı elektron veya proton yükü kadardır. Bir elektron ya da protonun yüküne birim yük (elementer yük) denir. 1 e.y (elementer yük) = C (Coulomb)

Atomlar arası elektronlar aktarılabilir fakat proton ve nötron aktarılamaz. Elektrikle yüklenmenin tek yolu elektron alışverişidir. Nötr madde elektron kazanarak ”-” yükle, elektron kaybederek ”+” yükle yüklenmiş olur.

Elektrik yüklerini ileten maddelere iletken madde, bu yüklerin hareketini engelleyen maddelere de yalıtkan madde denir.

Elektrikle Yüklenme

Elektrikle yüklenme; sürtünme, dokunma ya da etki yoluyla gerçekleşir.

Sürtünme ile Elektriklenme

Nötr haldeki iki yalıtkan maddenin birbirine sürtünerek elektron alışverişi yapması sonucu oluşan elektriklenme çeşididir. Sürtünen cisimler eşit miktarda ama zıt yükle yüklenir.

Yün kumaşa sürtünen ebonit çubuk elektron alarak negatif yükle yüklenirken ipek kumaşa sürtünen cam çubuk elektron vererek pozitif yüklenir.

Dokunma ile Elektriklenme

Yüklü iletken bir cismin nötr veya yüklü başka iletken cisme dokundurulması sonucu, yük paylaşımı sonucu oluşan elektriklenme çeşididir. Dokunma ile elektriklenmede yük paylaşımı olduğu için ya her iki cisim de aynı yükle yüklenir ya da nötr olurlar.

Yük paylaşımı dokundurulan cisimlerin büyüklükleri ile doğru orantılıdır. Yarıçapı r₁, r₂ yükleri q₁, q₂ olan cisimler dokundurulur ise yükleri aşağıdaki gibi hesaplanır. q₁‘, q₂‘ dokunduktan sonraki yüklerdir.

q₁‘=

q₂‘=

Etki ile Elektriklenme

Yüklü bir cisim nötr durumdaki iletken bir cisme dokundurulmadan, yüklerini etkileyecek kadar yaklaştırıldığında nötr cismin yükleri yer değiştirir ve kutuplaşma gözlenir. Bu şekilde oluşan elektriklenmelere etki ile elektriklenme denir.

Etki ile elektriklenmede eşit miktarda zıt işaretli yük hareket eder. Yaklaştırılan cisimler temas etmediği sürece yük akışı cisimler arasında gerçekleşmez.

Elektroskop

Bir cismin yüklü olup olmadığını, yüklü ise hangi cins yüke sahip olduğunu gösteren alete elektroskop denir.

İletken metal baş ve çubuk, iletken yapraklar, yalıtkanlardan oluşan elektroskop genel hatlarıyla aşağıdaki gibi modellenebilir.

Cismin yüklü olup olmadığını anlamak için nötr elektroskopa cismi yaklaştırmak yeterlidir. Eğer yapraklar açılıyor ise cisim yüklüdür.

Yük Dağılımı

Yalıtkan cisimlerde yük sadece maddenin yüklenen bölgesinde bulunurken, iletken cisimlerde yük tüm yüzeye dağılır. İletken cisimlerde yüklerin birbirini itmesi sonucu en uzak noktalara dahi yük dağılır.

Küresel iletken cisimlerde yük dağılımı düzenliyken küresel olmayan ve çıkıntılı geometriye sahip cisimlerde yük dağılımı düzenli olmaz. Yük çıkıntılı kısımlarda daha çok bulunur.

Nesnelerin elektromanyetik etkileşimini engellemek için iletken bir kafes ile tamamen sarılır. Böylece elektrik akımı ya da elektromanyetik dalgaların dışarıdan içeriye veya içeriden dışarıya iletimi engellenir. Bu yönteme Faraday kafesi denir. Uçak veya otomobillerin dışının metal olması yolcuların dış elektromanyetik etkilerden korunmasını sağlar.

Topraklama

Yüklü cisimler daima nötr olmak ister. Pozitif yüklü cisimler bir iletken ile toprağa bağlandığında toprakta bolca bulunan serbest haldeki elektronlar cisme geçer ve cisim nötr olur.

Negatif yüklü cisimler iletken ile toprağa dokundurulur ise Dünya’nın büyüklüğü cismin büyüklüğünden oldukça büyük olduğu için fazla olan negatif yük toprağa(Dünya’ya) geçer ve cisim nötrleşir.

Bu anlatılan durumlara topraklama denmektedir.

Elektriksel Kuvvet

Aynı işaretli yükler birbirini iterken, zıt işaretli yükler birbirini çeker. Yüklü cisimler arasındaki bu itme veya çekme kuvvetini Charles Augustin de Coulomb ifade etmiştir ve Coulomb Yasası olarak bilinmektedir.

Aşağıdaki cisimler yüklerine sahiptir ve aralarında d mesafesi vardır. Cisimler arasındaki etkileşme kuvveti aşağıdaki formülle hesaplanır. Cisimler üzerinde oluşan kuvvet eşit ve zıt yönlüdür.

• Birinci cismin yükü (C)
• İkinci cismin yükü (C)
• d: Yükler arası mesafe (m)
• F: Yükler arasında oluşan elektriksel net kuvvet (N)
• k: Coulomb sabitidir ve değeri dir.

Ayrıntılı konu anlatımı için aşağıdaki videoyu izleyebilirsiniz (Ayarlar kısmından altyazıyı Türkçe yapabilirsiniz).

Elektrik Alanı

Pozitif birim yük başına düşen elektriksel kuvvete elektrik alanı denir. Vektörel bir büyüklüktür ve ile gösterilir. Birimi N/C veya V/m dir.

Elektrik alan hesaplanırken hesaplanacak noktada +1 C(q’) yük varmış gibi hesaplama yapılır. Noktasal yük üzerinde oluşan elektrik alan aşağıdaki gibi hesaplanır.

Pozitif ve negatif yüklerin d uzaklığında bulunan noktadaki elektrik alanı eşit fakat zıt yüklü olacaktır.

Üç boyutlu uzayda elektrik alan kuvvet çizgileri pozitif (+) yük merkezinden dışa, negatif (-) yüklerde ise yük merkeze doğrudur.

Elektrik Alan Çizgilerinin Özellikleri

• Sonsuz sayıdadırlar ve birbirilerini kesmezler.
• Şiddeti büyük olduğunda çok, az olduğunda daha seyrektirler.
• Üç boyutlu uzayda pozitif yüklerde yük merkezinden dışa, negatif yüklerde içe doğrudurlar.
• Pozitif ve negatif yükler karşılaştırıldığında yönü pozitiften negatife doğrudur.