Temel Elektriksel Miktarlar: Akım, Voltaj, Güç

Gerilim (Voltaj) ve akım elektrik bilimindeki temel kavramlardır. Öncelikle bu temel kavramlar üzerine bazı zihinsel modeller oluşturacağız. Ayrıca gerilim ile akımın etkileştikleri zaman ortaya çıkan güç hakkında da konuşuyor olacağız.

Elektrik kavramı, doğanın gözlemlenmesinden doğar. Cisimler arasında bir kuvvet gözlemleriz. Bu kuvvet tıpkı yerçekimi gibi belirli bir mesafeden etki gösterir. Bu kuvvetin kaynağına yük ismi verilmiştir. Elektrik kuvvetinin en fark edilebilir özelliği, yer çekimi kuvvetinden çok daha büyük olmasıdır. Yerçekiminin tersine, iki çeşit elektrik yükü vardır. Zıt yükler birbirini çekmekte ve aynı yükler birbirini itmektedir. Yerçekiminin ise sadece bir çeşidi vardır: sadece çeker, asla itmez.

İletkenler, bu bakır atomunun resminde de görüleceği üzere, dış (valans) elektronlarının çekirdeğe nispeten daha zayıf bir şekilde bağlandığı atomlardan oluşur. Bir grup metal atomu birlikte olduklarında, dış elektronlarını birbirleri ile paylaşırlar ve herhangi bir atom çekirdeği ile bağlantısı olmayan bir elektron "sürüsü" oluştururlar. Çok küçük bir elektrik kuvveti bile bu elektron sürüsünün hareket etmesini sağlayabilir. Bakır, altın, gümüş ve aluminyum iyi iletkenlerdendir. Deniz suyu da öyle.

Aynı zamanda zayıf iletkenler de vardır. Ampul filamentleri için kullanılan bir metal olan tungsten ve elmas formundaki karbon zayıf iletkenlerdir, çünkü elektronları çok da fazla hareket etmezler.

Yalıtkanlar dış elektronları çekirdeğe çok daha sağlam bir şekilde bağlı olan malzemelerdir. Düşük düzeydeki elektrik kuvvetler, bu atomlardaki elektronların serbest kalmasını sağlayamaz. Elektrik kuvveti uygulandığında, atomlar etrafındaki elektron bulutları gerilir ve deforme olur, ancak kopmazlar. Cam, plastik, taş ve hava yalıtkan cisimlerdendir. Yalıtkanlar için bile, elektrik kuvvetinin şiddeti yeterince artırılıp elektronların kopması sağlanabilir. Buna çözünme denir. Bir kıvılcım gördüğünüzde, hava moleküllerine olan şey budur.

Yarı iletken maddeler de yalıtkan ve iletken maddelerin arasında bir yerdedir. Bunlar genellikle yalıtkan gibi davranır, ancak bazı durumlarda iletken olmalarını sağlayabiliriz. En bilinen yarı iletken madde silikondur (atom numarası $14$‍). Silikonun yalıtkan ve iletken özelliklerini kontrol etmemiz sayesinde bilgisayar ve cep telefonu gibi modern çağa ait gereçler üretebiliyoruz. Yarı iletken cihazların atom düzeyinde nasıl çalıştığı, kuantum mekaniğinin kuramlarıyla belirlenir.

Akım yükün akışıdır.

Yük akımla akar.

Akım, bir sınırdan birim zaman içerisinde geçen yük sayısı olarak ifade edilir. Bir tel üzerinde boydan boya bir sınır çizdiğinizi hayal edin. Kendinizi bu sınıra yakın bir yerde konumlandırın ve geçen yüklerin sayısını sayın. Bir saniye içerisinde sınırdan ne kadar yük geçtiğini belirleyin. Artı yükün hareket edeceği yönde giden akıma Artı işareti veririz.

Akım, bir sınırdan belirli bir zaman dilimi içerisinde geçen yük miktarı olarak tanımlandığı için, matematiksel olarak aşağıdaki denklem ile ifade edilebilir.

Kısaca akımı böyle ifade edebiliriz.

Akımı metal içinde ne taşır? Elektronlar metal içerisinde serbestçe hareket edebildikleri için, metal içinde akımı oluşturan da bu hareket eden elektronlardır. Metal atomları içindeki artı yüklü çekirdek yerinde sabittir ve akıma katkıda bulunmaz. Elektronların yüklerinin eksi olmasına ve elektrik devrelerinde hemen hemen tüm işi yapmalarına rağmen, artı yükün hareket ettiği yönü artı akım olarak tanımlarız. Bu çok eski ve tarihi bir gelenektir.

Akım artı yükler tarafından taşınabilir mi? Evet. Buna birçok örnek vardır. Tuzlu suda akım hem artı hem de eksi yükler tarafından taşınır. Sıradan sofra tuzunu suyun içine koyarsak, iyi bir iletken olur. Sofra tuzu sodyum klorür'dür (NaCl). Tuz su içerisinde çözünür ve serbestçe yüzen Na${}^{+}$‍ ve Cl${}^{-}$‍ iyonlarına dönüşür. Her iki iyon da elektrik kuvvetine yanıt verir ve tuzlu su çözeltisinin içinde, zıt yönlere doğru hareket eder. Bu durumda, akım sadece serbest elektronlardan değil, artı ve eksi yüklü iyonlar olan hareketli atomlardan oluşur. Vücudumuz içinde de, elektrik akımı hem artı hem de eksi yüklü olan hareketli iyonlardır. Akımın tanımı hâlâ geçerlidir: Belirli bir zaman dilimi içerisinde geçen yüklerin sayısını sayın.

Akımı ne oluşturur? Yüklü cisimler, elektrik ve manyetik kuvvetler nedeniyle hareket ederler. Bu kuvvetler elektrik ve manyetik alanlardan gelir, bu alanlar da diğer yüklerin konumu ve hareketinden oluşur.

Akım sürati nedir? Genellikle akım ile ilgili sürat konusunda pek konuşmayız. "Akımın akış hızı nedir?" sorusunu yanıtlamak için karmaşık bir fiziksel olguyu bilmemiz gerekir ve konu ile de çok alakalı değildir. Akım, saniyede gidilen metre gibi ifade edilemez, saniyede akan yük ile ifade edilir. Genelde de "Ne kadar akım akıyor?" sorusuna yanıt verilir.

Akım hakkında nasıl konuşuruz? Akım ile ilgili konuşurken, içinden ve içinde ifadelerini kullanmak daha mantıklıdır. Akım bir direncin içindenakar; akım bir telin içindeakar. "Şunun karşısına geçen akım ...." gibi bir ifade duyarsanız, bu pek de doğru bir ifade olmaz.

Voltaj konusuna başlayabilmek için, öncelikle bir benzetmeye bakalım.

Bir $m$‍ kütlesinin yüksekliğinde ($h$‍) olan bir değişiklik, kütlenin potensiyel enerjisinde bir değişikliğe neden olur, $\mathrm{\Delta }U=mg\mathrm{\Delta }h$‍.

Yüklü bir parçacık $q$‍ için, $V$‍ voltajı potansiyel enerjideki bir değişim anlamına gelir, $\mathrm{\Delta }U=qV$‍.

Elektrik devresindeki voltaj, $g\cdot \mathrm{\Delta }h$‍ formülünün sonucuna benzemektedir. Bu formüldeki $g$‍ yer çekimi ivmesini, $\mathrm{\Delta }h$‍ yükseklikteki değişimi ifade etmektedir.

Bir tepenin en yüksek yerinden bir top aşağı yuvarlanır. Top yolun yarısına vardığında, potansiyel enerjisinin yarısını kaybetmiş olur.

Voltaj "tepesi"nin en yüksek yerindeki bir elektron "aşağıya doğru" kabloların ve devrenin içinden geçer. Yolu üzerinde ilerlerken devreyi çalıştırdığı için, postansiyel enerjisini harcar. Elektron tepenin yarı yoluna geldiğinde ise, potansiyel enerjisinin yarısını harcamış veya "kaybetmiş" olur.

Hem top için hem de elektron için, tepenin üzerinden aşağıya iniş kendiliğinden olur. Her ikisi de daha düşük bir enerji hâline doğru kendi kendisine gelir. Aşağıya iniş yolu üzerinde, topun karşısına ağaçlar veya ayılar gibi üzerlerinden zıplayabileceği birçok şey çıkabilir. Elektronların yönünü ise kabloları kullanarak değiştirebilir, elektronik bileşenlerin içinden akmasını sağlayabilir -devre tasarımı- ve çok ilginç şeyler yapmalarını sağlayabiliriz.

Voltaj, bir yükün enerjisinde iki nokta arasında olan değişikliğin matematiksel ifadesidir.

Bu kısaca voltajın sezgisel bir açıklamasıdır.

Güç zaman içinde dönüştürülen veya transfer edilen enerji oranıdır ($\text{U}$‍). Gücü, watt olarak da bilinen joule/saniye birimi üzerinden ölçeriz.

($1\text{watt}=1\text{jul}/\text{saniye}$‍)

Elektrik devreleri gücü aktarabilirler. Akım, yükün akışının oranıdır ve voltaj da her bir birim yük üzerinden aktarılan enerjiyi ölçer. Bu tanımları kuvvet formülüne ekleyebiliriz:

Elektrik gücü, watt biriminde voltaj ve akımın çarpımıdır.

Akım ve voltaj için bahsedilen bu zihinsel modeller, her türlü elektrik devresi için bir temel oluşturmamızı sağlayacak.

Voltajın bu sezgisel açıklamasının ötesine geçmek isterseniz, daha resmi ve matematiksel olan şu açıklamayı okuyabilirsiniz: Elektrik potansiyeli ve voltaj