Voltaj, akım, direnç kavramlarını kafamızda nasıl canlandırabiliriz?

[taydin]

Bunun için birçok değişik benzetmeler yapılabilir. En basit benzetme olan sulama barajına bakalım.

Bir sulama barajını düşünelim. Barajın duvar yüksekliği 50 m. Baraj duvarının dibinde de ayarlı bir kapak var ve bu kapağı az veya çok açıp barajdaki suyu boşaltabiliyoruz. Barajda 20 m yükseklikte su var ve kapak tam olarak kapalı.

Sonra baraj görevlisi aşağıdaki kapağı %50 açıyor ve barajda birikmiş olan su, bu kapaktan akmaya başlıyor.

Burada, barajdaki su seviyesi, dolayısıyla birikmiş suyun potansiyel enerjisi, elektriksel gerilimi (voltajı) ifade ediyor.

Baraj duvarındaki kapaktan akan su, elektrik akımını ifade ediyor.

Baraj duvarındaki kapağın açıklık derecesi, elektriksel direnci ifade ediyor.

 

[taydin]

Ohm kanunu formülüne bakalım:

I = V / R

Yani geçen akım, gerilim ile doğru orantılı, direnç ile de ters orantılıdır. Gerilim artarsa, akım artar. Direnç artarsa, akım azalır.

Şimdi baraj örneğine bunu uygulayalım:

Baraj kapağından akan su miktar, barajdaki suyun yüksekliği ile doğru orantılı, kapağın yarattığı daralma ile ters orantılıdır. Baraja daha fazla su koyarak su yüksekliğini artırırsak, su kütlesinin kapağa yarattığı su basıncı artar ve bu basıncın etkisiyle daha yüksek miktarda su boşalır. Ama eğer barajın dibindeki kapağın ağzını daraltırsak, daha az miktarda su boşalır.

Bu benzetme, akım, gerilim ve direnç arasındaki ilişkiyi ortaya koyuyor ve kafada canlandırılmasına yardımcı oluyor. Ama fiziksel olarak bir iletkende olan olaylara %100 karşılık geliyor da diyemeyiz. Örneğin kapaktan akan suyun akış hızı, barajdaki su yüksekliğine göre ve kapak darlığına göre değişecektir. Çok yüksek su varsa, kapak da dar ise, su çok büyük bir hızla fışkıracaktır. Ama elektrik iletkenlerinde, elektronların akış hızı aşağı yukarı sabittir. Bir de iletkenlerin içinde bir sıvı akışı gibi birşey de yoktur, elektron hareketi vardır.

 

[taydin]

O yüzden şöyle bir benzetme yaparsak, hem gene Ohm kanunu ilişkilerini ortaya koyuyoruz, hem de fiziksel olaylara daha yakın bir modelleme yapıyoruz:

Bir karpuz tarlası düşünelim. Bu tarladaki karpuzların kamyonlara yüklenip şehre götürülmesi lazım. Bu amaçla işçiler tekli bir sıra oluşturuyorlar ve tarlada toplanıp bir yere yığılmış olan karpuzları elden ele vererek kamyona aktarıyorlar. Bu şekilde, belli bir süre sonra tüm karpuzlar kamyona yüklenir. Eğer işi hızlandırmak istiyorsak, işçilerden bir sıra daha oluştururuz ve iki sıra aynı anda yükleme yapar. Sıra sayısını artırarak karpuzların yüklenme süresini azaltabiliriz.

İşte burada, işçilerden oluşan sıra sayısı, elektriksel gerilime (voltaja) karşılık geliyor.

Tarladan kamyona giden karpuzlar, elektrik akımı oluyor.

İşçilerin ortalama haylazlığı da elektrik direnci oluyor

Bu model, elektrik iletimini daha iyi açıklıyor, çünkü bir elektrik iletkeninde de elektronlar, atomların dış yörüngelerinden kopar, bir sonraki atomun dış yörüngesine girerler. Yani bir atomdan diğerine atlaya atlaya ilerler. Eğer elektriksel gerilim artarsa, daha fazla elektron, atomların dış yörüngesinden kopacaktır ve akımın akış yönünde ilerleyecektir. Atomu işçi, elektronu da karpuz olarak düşünün. Ayrıca her bir karpuzun kamyona gidiş hızı sabittir. Değişen nedir? işçi sıra sayısı ve işçi haylazlığı.

 

[taydin]

Elektron akış hızı sabittir ve ışık hızına eşdeğer kabul edilmektedir.
Kapak benzetmesindeki tek kriter akan elektron miktarı olabiilir.
Elektron akış miktarı akım miktarını temsil ettiğine göre benzeşim doğru olacaktır.

Elektronların atomdan atoma ilerlemesi oldukça yavaştır. DC akım için, akım değerine ve iletkenin kesitine bağlıdır. Örneğin 1mm² lik bir iletkenden 14 Amper akım geçiyorsa, elektronların hızı saniyede 1 mm gibidir

Ama enerji aktarımı ışık hızındadır. Şöyle düşünelim: Bir çeşmeye, içi tamamen su ile dolu olan bir hortum taktık. Sonra da çeşmeyi hafifçe açtık. Su akışı çok yavaş olacaktır, ama hortumun ucunda suyun hareketi ile çeşmedeki suyun hareketi neredeyse aynı anda başlayacak.

Elektrik iletkende enerji aktarımı bir elektromanyetik dalga ile oluyor ve bu dalganın hızı da ışık hızıdır. Neden öyle olduğu ise çok derin bir konudur ve beni aşıyor Elektromanyetik alan teorisinin temeli olan Maxwell denklemlerini üniversitede gördük, ama kısmi diferansiyel denklemlerle aram çok iyi olmadığı için olaya biraz uzak kaldım.

 

[taydin]

Dışarı akan suyun hızı çok geniş bir aralıkta değişir. saniyede birkaç santimetre de olabilir, saniyede yüzlerce metre de olabilir. Ama elektron hızı çok dar bir aralıkta değişir, o yüzden az çok sabittir dedim.

Elektron hızı (mm/s olarak, oda sıcaklığında, bakır için):

hız = akım / (14 * kesit)

Örnekler:

kesit = 1mm² ve 14 Amper akım geçiyorsa, elektronların hızı saniyede 1 mm gibidir.

380 kV luk bir havai hatta diyelim 200 mm² lik bakır kullanılıyor ve 2800 Amper akım geçiyorsa, elektronların hızı gene saniyede 1 mm gibidir.

İletkenin kesiti her zaman içinden geçen akıma göre seçileceği için, Pay ve payda hep aynı yönde değişecek, o yüzden de elektron hızı çok dar aralıkta değişecektir.