Elektrik nasıl oluşur?

Elektrik, etrafımızdaki her şeye, cep telefonlarımıza, bilgisayarlarımıza, ışıklarımıza, ev aletlerimize ve klimalarımıza güç veren bir teknolojidir. Modern dünyamızda elektriksiz kalmak ve ondan uzak yaşamak mümkün değil. Elektrikten kaçmaya çalıştığınızda bile, şimşeklerden vücudumuzdaki sinapslara kadar doğada her yerde elektrik yükü bulmamız mümkün. Peki, elektrik nasıl oluşur? 

Bunun cevabını vermeden önce elektriğin tanımını yapalım.

Elektrik kısaca elektrik yükünün akışı olarak tanımlanır.

Ancak bu basit ifadenin arkasında çok karmaşık bir yapı var. Bu yükler nasıl oluşuyor? Onları nasıl hareket ettiririz? Nereye taşınırlar? Elektrik yükü nasıl mekanik harekete neden olur ve dünyamızı aydınlatır? Bu soruların cevabını bulabilmek için madde ve moleküllerin ötesine, yaşamdaki her şeyi oluşturan “atomları” incelememiz gerekiyor.

Elektrik nasıl oluşur?

Atomlar, hidrojen, karbon, oksijen ve bakır gibi kimyasal elementler olarak yüzlerce farklı formda bulunur. Pek çok türde atom, fiziksel olarak görebileceğimiz ve dokunabileceğimiz maddeyi oluşturan moleküller oluşturmak için birleşebilir. Atomlar çok çok küçük parçalardır. Yaklaşık 300 pikometre uzunluğundadırlar (3×10-10 veya 0.0000000003 metredir). Atom bile elektriğin işleyişini açıklayacak kadar küçük değildir. Bir seviye daha derine inmeli ve atomların yapı taşları olan protonlar, nötronlar ve elektronlara bakmalıyız.

Yazının başında da belirttiğimiz gibi, elektrik enerjisi elektrik yükünün akışı olarak tanımlanır. Yük, maddenin kütlesidir ve ölçülebilirdir. Bir şeyin ne kadar kütlesi olduğunu ölçebildiğiniz gibi, ne kadar yüke sahip olduğunu da ölçebilirsiniz. Yük iki biçimde oluşur pozitif (+) veya negatif (-) olarak.

Elektrostatik kuvvet

Elektronlar daima negatif bir yük taşır, protonlar ise daima pozitif yüklenir. Nötronlar ise nötrdürler. Hem elektronlar hem de protonlar aynı miktarda yük taşır, sadece farklı polaritelerde.  Elektronların ve protonların yükü önemlidir; çünkü bir kuvveti oluştururlar. Buna elektrostatik kuvvet diyoruz.

Elektrostatik kuvvet (Coulomb Yasası olarak da bilinir) yükler arasında çalışan bir etkidir. Bu yasa aynı polariteye sahip yüklerin birbirlerini ittiğini, zıt polaritelerin birbirini çektiğini açıklar.

İki yüke etki eden kuvvet miktarı, birbirlerinden ne kadar uzakta olduklarına bağlıdır. İki yük ne kadar yakınlaşırsa, kuvvet o kadar artar.

Elektrostatik kuvvet sayesinde, elektronlar diğer elektronları uzaklaştırır ve protonlara çekilir. Bu kuvvet, atomları bir arada tutan “tutkalın” bir parçasıdır, aynı zamanda elektronların akışını da sağlar.

Artık yük akışını sağlamak için tüm her şeye sahibiz. Atomlardaki elektronlar yük taşıyıcımız olabilir, çünkü her elektron negatif yük taşır. Bir elektronu bir atomdan serbest bırakıp onu harekete zorlarsak, elektrik üretebiliriz.

En iyi iletkenlerden biri olan bakırın atomik modeline bir göz atalım. Bakır, dengeli durumda çekirdeğinde 29 protona ve çevresinde dönen eşit sayıda elektrona sahiptir. Elektronlar atomun çekirdeğinden farklı mesafelerde yörüngededirler. Çekirdeğe daha yakın olan elektronlar, merkezdeki uzak yörüngede olanlardan daha güçlü bir çekim hissederler. Bir atomun en dış elektronlarına değerlik elektronları denir, bunları bir atomdan serbest bırakmak için en az miktarda güç yeterlidir.

Değerlik elektronu üzerinde yeterli elektrostatik kuvvet uygulanarak – onu başka bir negatif yükle iterek veya pozitif bir yükle çekerek – elektronu atom etrafındaki yörüngeden çıkarabiliriz.

Şimdi bir sayısız bakır atomu ile tıka basa dolu bir bakır iletken düşünün. Serbest elektronumuz atomlar arasındaki boşlukta yüzdüğü için, bu alanı çevreleyen yükler tarafından çekilir ve itilir. Bu karışık ortamda serbest elektron eninde sonunda eşleşecek yeni bir atom bulur. Bunu yaparken, bu elektronun negatif yükü atomdan başka bir değerlik elektronu çıkarır. Şimdi de bu yeni bir elektron aynı şeyi yapmak isteyecek ve boşlukta sürüklenecektir. Bu zincirleme akış, elektrik akımı adı verilen bir elektron akışı oluşturmak için sürekli olarak devam edecektir.

Elektriksel alanlar

Elektronların maddede elektrik oluşturmak için nasıl aktığını anladık. Şimdi elektronların akışını indüklemek için bir kaynağa ihtiyacımız var. Bu elektron akışının kaynağı bir elektrik alanından gelecektir.

Özellikle elektrik alanlarını anlamaya çalışırken, Dünya’nın yerçekiminin nasıl çalıştığını hatırlayın, her iki alan da birbirine çok benzer yapıda çalışıyor. Yerçekimi alanları kütlelere kuvvet uygular; elektrik alanları ise yüklere kuvvet uygular. Elektrik alanının gücü veya yoğunluğu, tüm noktalarında aynı değildir. Alanın kaynağından ne kadar uzaksanız, alanın etkisi o kadar az olur. Tıpkı dünyanın merkezinden uzaklaştıkça, Dünya’nın yerçekimi alanının büyüklüğünün azalmasında olduğu gibi.

Elektrik alanları, yükler arasındaki boşlukta çekme veya itme kuvvetini tanımlarlar. Dünya’nın yerçekimi alanıyla karşılaştırıldığında, elektrik alanlarının büyük bir farkı vardır: Dünya’nın alanı genellikle yalnızca diğer kütleleri çekerken, elektrik alanları yükleri çekerler ve iterler.

Negatif bir yükün yakınında pozitif bir test yükü getirirseniz, test yükü negatif yüke doğru çekilir. Yukarıdaki tek biçimli elektrik alan, pozitif yüklerden negatif yüklere doğrudur. Elektrik alana düşen küçük bir pozitif test yükünün olduğunu hayal edin; bu yük de okların yönünü takip edecektir. Görüldüğü gibi, elektrik genellikle elektrik alanlarına karşı akan elektronların-negatif yüklerin-akışını içerir.

Elektrik alanları bize mevcut akışı sağlamak için gereken itici gücü sağlar. Bir devredeki elektrik alanı, bir elektron pompasına benzer: devre boyunca pozitif yüke doğru akacak elektronları itebilen büyük negatif yük kaynağı.

Buradan da elektrik potansiyeli kavramına geçiş yapalım:

Elektrik potansiyeli

Elektrik potansiyeli, elektrik alanların davranışını modellememize yardımcı olan başka bir kavramdır. Elektrik potansiyeli, volt (V) olarak tanımladığımız coulomb (J / C) başına joule cinsinden ifade edilir. Herhangi bir elektrik alanında, iki farklı elektrik potansiyeli noktası vardır. Pozitif bir yükün mümkün olan en yüksek potansiyel enerjiye sahip olacağı bir yüksek potansiyel noktası ve bir yükün mümkün olan en düşük potansiyel enerjiye sahip olacağı bir düşük potansiyel noktası.

Elektrik enerjisinde en çok kullanılan terimlerden biri gerilimdir. Bir gerilim, bir elektrik alanındaki iki nokta arasındaki potansiyel farktır. Gerilim bize bir elektrik alanın ne kadar itme kuvveti olduğuna dair bir fikir verir.

Az çok elektronların mantığını anladıktan sonra şimdi bir devre oluşturmanın zamanı geldi.

Bunun için kapalı bir devreye ihtiyacımız var. Açık devre kullanılması durumunda elektronlar bir yere kadar hareket edebilecek ve devreyi tamamlayamadıklarından dolayı akış duracaktır. Devreyi tam anlamıyla oluşturabilmemiz için kapatmamıza ve elektronları düşük potansiyelli enerjiden yüksek potansiyelli enerjiye iten bir elektrik kaynağına yani bataryaya ihtiyacımız vardır. Batarya bağlandıktan sonra negatif uç tarafından itilen ve pozitif uç tarafından çekilen bakırdaki elektronlar, atomdan atoma sıçrar ve elektrik olarak bildiğimiz yük akışını oluşturur.

Akım akışının belli bir saniyesinden sonra devrede akışı yavaşlatan veya tüketen bir şey olmadığından dolayı üretilen enerji akışı çok büyük olur. Saf bir iletkeni doğrudan bir enerji kaynağına bağlamak, kötü bir fikirdir. Enerji sistemde çok hızlı bir şekilde hareket eder ve kabloda ısıya dönüşür, bu da bir süre sonra teli eritir ve yangına dönüşebilir.

Tüm bu enerjiyi boşa harcamak, pil ve kabloyu yok etmek yerine, devreye bir lamba ekleyelim ve elektronların enerjisini ışığa çevirelim. Böylelikle elektronların hareketini kendi işimize yarayacak forma dönüştürmüş olduk.