Elektrostatik

Elektrik yükü

Maddeyi oluşturan atomlar, pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşan bir çekirdek ile çekirdeğin çevresindeki negatif yüklü elektronlardan oluşur. Bir proton ile bir elektronun yükleri eşit büyüklükte ve zıt işaretlidir. Normal bir atomda proton ve elektron sayıları eşittir; atom nötrdür. Elektriklenme, bir cismin elektron kazanması ya da kaybetmesi sonucu proton ve elektron sayıları arasındaki dengenin bozulmasıdır:

• Elektron kazanan cisim negatif yüklenir.
• Elektron kaybeden cisim pozitif yüklenir.

Elektriklenmede yer değiştiren her zaman elektronlardır; protonlar çekirdekte sıkıca bağlıdır ve hareket etmez. "Pozitif yük aktı" denildiğinde aslında elektronların ters yönde gittiği kastedilir.

Yükün birimi coulomb (C)'dur. Bir elektronun yükü \(e = 1{,}6 \times 10^{-19}\) C'dur ve bilinen en küçük serbest yüktür. Bu yüzden her cismin yükü bu değerin tam katıdır (\(q = n\,e\)); yük kuantumludur. 1 C, yaklaşık \(6{,}25 \times 10^{18}\) elektronun yüküdür; gündelik elektrostatik olaylarda yükler genellikle mikrocoulomb (\(1\ \mu\text{C} = 10^{-6}\) C) ya da nanocoulomb mertebesindedir.

Yükün en temel özelliklerinden biri korunmasıdır: yalıtılmış bir sistemin toplam yükü değişmez. Yük yoktan var edilemez, yok edilemez; yalnızca bir cisimden diğerine aktarılır. Sürtünen iki cisimden biri ne kadar negatif yüklenirse diğeri o kadar pozitif yüklenir.

Aynı işaretli yükler birbirini iter, zıt işaretli yükler birbirini çeker. Yüklü bir cisim nötr bir cismi de çeker: yüklü bir tarak küçük kâğıt parçalarını çeker, çünkü taraktaki yük kâğıdın içindeki yükleri hafifçe ayırır ve yakın taraftaki zıt yük çekilir.

İletkenler ve yalıtkanlar

Yüklerin içinde kolayca hareket edebildiği maddelere iletken denir: metaller, tuzlu su, insan vücudu ve toprak iletkendir. Metallerde atomlara gevşekçe bağlı serbest elektronlar yükün taşınmasını sağlar. Yüklerin hareket edemediği maddelere yalıtkan denir: cam, plastik, kauçuk, kuru tahta, kâğıt ve hava yalıtkandır. Silisyum gibi bazı maddeler ise iletkenliği koşullara göre değişen yarı iletkenlerdir ve elektroniğin temelidir.

İletken bir cisme verilen yük, yükler birbirini ittiği için birbirinden en uzak olacakları yere, yani iletkenin dış yüzeyine dağılır. Yalıtkanda ise yük, verildiği ya da sürtündüğü yerde kalır.

Elektriklenme yolları

Sürtünmeyle elektriklenme: İki farklı cins yalıtkan birbirine sürtülünce elektronlar birinden diğerine geçer; cisimler eşit miktarda ve zıt işaretli yüklenir. Hangi cismin elektron alacağı maddelerin cinsine bağlıdır: ipekle sürtülen cam çubuk pozitif, yünle sürtülen ebonit (sert kauçuk) çubuk negatif yüklenir. Kazağı çıkarırken duyulan çıtırtı, şişirilmiş balonun duvara yapışması ve kuru havada kapı koluna dokununca çarpılmak sürtünmeyle elektriklenmenin sonuçlarıdır.

Hangi maddenin sürtünmede elektron vereceğini gösteren sıralamaya elektriklenme (tribo-elektrik) dizisi denir. Dizide üstte olan maddeler (insan saçı, cam, yün, ipek) elektron vermeye, altta olanlar (plastik, kauçuk, PVC, teflon) elektron almaya yatkındır. İki madde sürtüldüğünde dizide üstte olan pozitif, altta olan negatif yüklenir. Bu yüzden ipek, camla sürtülünce negatif; plastikle sürtülünce pozitif yüklenebilir: bir maddenin hangi işaretle yükleneceği, neye sürtüldüğüne bağlıdır.

Elektriklenme cismin kütlesini de değiştirir ama bu değişim ölçülemeyecek kadar küçüktür: bir elektronun kütlesi yaklaşık \(9{,}1 \times 10^{-31}\) kg'dır. Bir cismi 1 µC yükle negatif yüklemek için gereken \(6{,}25 \times 10^{12}\) elektronun toplam kütlesi yalnızca yaklaşık \(5{,}7 \times 10^{-18}\) kg'dır.

Dokunmayla elektriklenme: Yüklü bir iletken başka bir iletkene dokundurulunca yükler paylaşılır. Toplam yük korunur ve dokunmadan sonra iki cisim aynı işaretli yüklenir (ya da biri nötr kalır). Paylaşım, iletkenlerin sığalarına, küreler için yarıçaplarına göre yapılır:

• Özdeş küreler dokunduğunda toplam yük eşit bölünür: \(q_1' = q_2' = \dfrac{q_1 + q_2}{2}\).
• Yarıçapları \(r_1\) ve \(r_2\) olan küreler dokunduğunda yükler yarıçaplarla orantılı paylaşılır: \(\dfrac{q_1'}{q_2'} = \dfrac{r_1}{r_2}\).

Etkiyle (indüksiyonla) elektriklenme: Yüklü bir cisim nötr bir iletkene dokundurulmadan yaklaştırılırsa, iletkendeki serbest elektronlar yer değiştirir: yüklü cisme yakın tarafta zıt işaretli, uzak tarafta aynı işaretli yük toplanır. İletkenin toplam yükü yine sıfırdır; yüklü cisim uzaklaştırılınca yükler eski dağılımına döner. Kalıcı yük elde etmek için iletken, yüklü cisim yakındayken topraklanır, toprak bağlantısı kesilir ve sonra yüklü cisim uzaklaştırılır. Bu yolla iletken, yaklaştırılan cisme zıt işaretli yüklenir.

Topraklama

Yerküre, çok büyük bir iletken olarak düşünülebilir; ona bağlanan yüklü bir iletken yükünü yere aktarır ve nötrleşir. Negatif yüklü bir cisim topraklanınca fazla elektronlar toprağa akar; pozitif yüklü bir cisim topraklanınca topraktan elektron gelir. Evlerdeki prizlerin topraklama hattı, cihazın gövdesine kaçan yükü insan yerine toprağa ileterek çarpılmayı önler. Akaryakıt tankerlerinin arkasında yere değen zincirler ve uçak lastiklerinin iletken katkılarla yapılması, sürtünmeyle biriken yükün güvenle boşaltılması içindir.

Elektroskop

Elektroskop, bir cismin yüklü olup olmadığını ve yükünün işaretini anlamaya yarayan bir alettir. Metal bir topuz, metal bir çubuk ve ucundaki iki ince metal yapraktan oluşur. Elektroskop yüklenince yükün bir kısmı yapraklara gelir; aynı işaretli yüklenen yapraklar birbirini iter ve açılır. Yük ne kadar büyükse açılma o kadar büyüktür.

Yüklü bir elektroskopa yaklaştırılan cismin etkisi:

• Aynı işaretli yüklü bir cisim yaklaştırılırsa topuzdaki yükler yapraklara itilir; yaprakların açıklığı artar.
• Zıt işaretli yüklü bir cisim yaklaştırılırsa yapraklardaki yük topuza çekilir; yaprakların açıklığı azalır. Cismin yükü yeterince büyükse yapraklar önce kapanır, sonra zıt yükle yeniden açılabilir.
• Nötr bir iletken yaklaştırılırsa yaprakların açıklığı bir miktar azalır.

Yaprakların açılması yükün işaretini değil, büyüklüğünü gösterir; işaret, bilinen yüklü bir cisim yaklaştırılarak anlaşılır.

Coulomb yasası

1785'te Charles-Augustin de Coulomb, bir burulma terazisiyle iki noktasal yük arasındaki kuvveti ölçtü. Aralarındaki uzaklık \(d\) olan \(q_1\) ve \(q_2\) yükleri arasındaki elektriksel kuvvet:

Kuvvet yüklerin çarpımıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. İki yük birbirine eşit büyüklükte ve zıt yönde kuvvet uygular; bu, yükler farklı olsa da geçerlidir (Newton'un üçüncü yasası). Birden fazla yükün bir yüke uyguladığı net kuvvet, kuvvetlerin vektörel toplamıyla bulunur. Elektriksel kuvvet çok güçlüdür: bir hidrojen atomunda elektron ile proton arasındaki elektriksel çekim, aralarındaki kütle çekiminden yaklaşık \(10^{39}\) kat büyüktür.

Coulomb yasası ile kütle çekim yasası

Coulomb yasası, Newton'un kütle çekim yasasına çok benzer: ikisinde de kuvvet etkileşen büyüklüklerin çarpımıyla doğru, uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Ama önemli farkları vardır:

Büyük cisimler yaklaşık olarak nötr olduğu için elektriksel kuvvetler birbirini dengeler ve gök cisimlerinin hareketini kütle çekimi belirler. Atomların bir arada durması, kimyasal bağlar, sürtünme ve tepki kuvvetleri ise aslında elektriksel kuvvetlerin sonuçlarıdır.

Elektrik alana ilk bakış

Bir yükün çevresinde, başka bir yüke kuvvet uygulayabildiği bölgeye elektrik alan denir. Bu fikir, iki yükün birbirine dokunmadan nasıl kuvvet uyguladığını anlamayı kolaylaştırır: yük çevresinde bir alan oluşturur, öteki yük bu alanın içinde kuvvet hisseder. Alan, birim pozitif yüke etki eden kuvvetle tanımlanır: \(E = F/q\); birimi N/C'dur. Alanı göstermek için alan çizgileri kullanılır: çizgiler pozitif yükten çıkar, negatif yüke girer; çizgilerin sık olduğu yerde alan şiddetlidir ve çizgiler birbirini kesmez. Elektrik alan konusu AYT'de ayrıntılı işlenir; TYT'de genellikle yalnızca nitel bilgi istenir.

Yük dağılımı ve sivri uç etkisi

İletken bir cisimde yükler dış yüzeye dağılır ama bu dağılım her yerde eşit değildir: yükler cismin sivri ve dar kavisli kısımlarında yoğunlaşır. Bu sivri uç etkisi, sivri uçlardaki yoğun yükün çevredeki havayı iyonlaştırıp yükün kolayca boşalmasına yol açar. Paratonerler (yıldırımsavarlar) bu ilkeyle çalışır: binanın en yüksek noktasındaki sivri metal uç, kalın bir iletkenle toprağa bağlanır ve yıldırımın binaya değil, bu yola düşmesini sağlar.

İletken bir cismin içinde elektrik alan sıfırdır; yükler dış yüzeyde toplandığı için içerideki bir nokta dış yüklerin etkisinden korunur. Bu kapalı metal yapıya Faraday kafesi denir. Michael Faraday 1836'da bunu kendi üzerinde denedi: metal levhalarla kaplı bir odaya girdi ve odanın dış duvarlarına güçlü elektrik boşalmaları uygulattı. Elindeki hassas elektroskop içeride hiçbir yük göstermedi; dışarıda kıvılcımlar uçuşurken Faraday hiçbir şey hissetmedi. Yıldırım düşen bir otomobilin içindeki yolcuların zarar görmemesi, asansörde ve metal binalarda telefonun çekmemesi, mikrodalga fırının metal ağlı kapağının dalgaları içeride tutması ve hassas elektronik cihazların metal kutularla korunması bu ilkeye dayanır.

Statik elektriğin tehlikeleri

Statik elektrik çoğu zaman zararsız bir çıtırtıdır ama bazı ortamlarda ciddi tehlike oluşturur. Bilgisayar kartları ve çipler, insan vücudundan gelen küçük bir kıvılcımla bile bozulabilir; bu yüzden elektronik fabrikalarında çalışanlar topraklı bileklik takar ve parçalar iletken poşetlerde taşınır. Un, şeker ve kömür tozu gibi havada asılı ince taneciklerin bulunduğu ortamlarda tek bir kıvılcım toz patlamasına yol açabilir; bu tesislerde makineler topraklanır ve nem kontrol edilir. Ameliyathanelerde iletken zemin ve özel ayakkabılar kullanılır. Kuru havada statik yük daha kolay birikir; nemli havada ise havadaki su molekülleri yükün yavaşça boşalmasını sağlar. Kışın kaloriferli odalarda daha sık "çarpılmamızın" nedeni budur.

Günlük hayatta elektrostatik

• Fotokopi makinesi ve lazer yazıcı: Işığa duyarlı bir silindir yazının olduğu yerlerde yüklü kalır; zıt yüklü toner tozu yalnızca bu bölgelere yapışır ve kâğıda aktarılır.
• Elektrostatik boya: Boya damlacıkları yüklenir, boyanacak metal parça zıt yüklenir; boya parçaya her yönden eşit yapışır ve israf azalır.
• Fabrika bacalarındaki filtreler: Duman parçacıkları yüklenir ve zıt yüklü levhalara tutunur; böylece havaya karışmaz.
• Yıldırım: Fırtına bulutlarında buz kristalleri ve su damlacıklarının çarpışmasıyla yükler ayrılır; bulut ile yer arasındaki büyük yük farkı, havanın yalıtkanlığını yenerek dev bir kıvılcım oluşturur.