Konu anlatımı
Evdeki lambadan telefonunun şarj aletine kadar bütün elektrikli aletler, içlerinden geçen elektrik akımıyla çalışır. Bir elektrik devresinde üreteç yükleri harekete geçirir, iletken teller onları taşır, lamba ya da ısıtıcı gibi dirençler elektrik enerjisini ışığa, ısıya ya da harekete dönüştürür.
Bu sayfada elektrik akımını ve iletimi, direnci, Ohm yasasını, seri ve paralel bağlı dirençleri, ampermetre ve voltmetreyi, kısa devreyi, elektriksel gücü ve lamba parlaklığını, üreteçleri ve elektrik güvenliğini göreceksin. TYT'de Ohm yasası, eşdeğer direnç, akım, gerilim ve direncin gücü sayısal olarak hesaplanır; direncin ρ·L/A bağıntısıyla hesabı, iç direnç hesabı ve Kirchhoff yasaları programda yoktur.
Elektrik akımı
Bir iletkenin kesitinden birim zamanda geçen yük miktarına elektrik akımı denir: I = q/t. Akımın birimi amperdir (A); 1 A, saniyede 1 C yükün geçmesidir. Metallerde akımı serbest elektronlar, tuzlu su gibi sıvılarda pozitif ve negatif iyonlar, iyonlaşmış gazlarda ve plazmada iyonlar ve elektronlar taşır. Devrede akımın yönü, üretecin dışında + kutuptan − kutba doğru kabul edilir; bu yön elektronların hareket yönünün tersidir.
Gerilim ve direnç
Üreteç, devrenin iki ucu arasında potansiyel farkı (gerilim) oluşturarak yükleri harekete geçirir; gerilimin birimi volttur (V). Bir iletkenin akıma karşı gösterdiği zorluğa direnç denir; birimi ohm'dur (Ω). Katı bir iletkenin direnci boyu arttıkça artar, kesit alanı arttıkça azalır ve maddenin cinsine bağlıdır: R = ρ·L/A. TYT'de bu bağıntı yalnızca değişkenleri yorumlamak için kullanılır.
Ohm yasası ve eşdeğer direnç
Bir direncin uçları arasındaki gerilim ile içinden geçen akım doğru orantılıdır: V = I·R. Seri bağlı dirençlerden aynı akım geçer ve eşdeğer direnç dirençlerin toplamıdır: R = R₁ + R₂. Paralel bağlı dirençlerin uçları arasındaki gerilim aynıdır ve eşdeğer direnç 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ bağıntısıyla bulunur; paralel bağlı dirençlerin eşdeğeri en küçük dirençten de küçüktür.
Ölçüm aletleri ve kısa devre
Akım ampermetreyle ölçülür; ampermetre devreye seri bağlanır ve direnci çok küçüktür. Gerilim voltmetreyle ölçülür; voltmetre ölçüm yapılacak elemana paralel bağlanır ve direnci çok büyüktür. Bir devre elemanının uçları direnci önemsiz bir telle birleştirilirse akım o elemanı atlayıp telden geçer; buna kısa devre denir. Kısa devre olan lamba söner. Üretecin uçları doğrudan birleştirilirse çok büyük akım geçer ve teller ısınarak yangına yol açabilir.
Elektriksel güç ve lamba parlaklığı
Bir direncin birim zamanda harcadığı elektrik enerjisine elektriksel güç denir: P = V·I = I²·R = V²/R; birimi watt'tır. Mekanik güçte olduğu gibi elektriksel güç de enerjinin ne hızla dönüştürüldüğünü gösterir. Lambaların parlaklığı harcadıkları güce bağlıdır. Seri bağlı lambalardan aynı akım geçtiği için direnci büyük olan, paralel bağlı lambalarda gerilim aynı olduğu için direnci küçük olan daha parlak yanar.
Üreteçler
Piller ve aküler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Özdeş üreteçler seri bağlanırsa gerilimleri toplanır ve devreden daha büyük akım geçer; ters bağlanan üretecin gerilimi toplamdan çıkar. Özdeş üreteçler paralel bağlanırsa toplam gerilim tek bir üretecinkine eşit kalır, ama üreteçler daha geç tükenir. Gerçek üreteçlerin bir iç direnci vardır; akım çekildikçe pil ısınır. TYT'de iç dirençle ilgili hesap yapılmaz.
Elektrik güvenliği
İnsan vücudundan geçen akım kas kasılmalarına, yanıklara ve kalp ritminin bozulmasına yol açabilir. Sigortalar aşırı akımda devreyi keser; kaçak akım rölesi, vücut üzerinden toprağa akım kaçtığında elektriği keser; topraklama, cihazın metal gövdesine geçen akımı toprağa iletir. Islak elle prize ya da cihaza dokunmamak, bir prize çok sayıda cihaz bağlamamak ve hasarlı kabloları kullanmamak basit ama hayati önlemlerdir.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. R₁ = 4 Ω ve R₂ = 12 Ω dirençleri birbirine paralel bağlanmış; bu ikili R₃ = 6 Ω'luk dirençle seri olarak, gerilimi 18 V olan ve iç direnci önemsiz bir üretece bağlanmıştır. Ana koldan geçen akımı, her direncin akımını ve R₃'ün gücünü bulunuz.
Çözüm. Paralel ikilinin eşdeğeri 4·12/(4 + 12) = 48/16 = 3 Ω'dur. Devrenin eşdeğer direnci 3 + 6 = 9 Ω, ana kol akımı 18/9 = 2 A'dir; bu akım R₃'ten de geçer. Paralel ikilinin gerilimi 2·3 = 6 V olduğundan R₁'den 6/4 = 1,5 A, R₂'den 6/12 = 0,5 A geçer. R₃'ün gerilimi 2·6 = 12 V, gücü P = I²·R = 2²·6 = 24 W'tır. Kontrol: üretecin verdiği güç 18·2 = 36 W, dirençlerin güçleri toplamı 9 + 3 + 24 = 36 W'tır.
Örnek 2. Bir direncin uçları arasındaki gerilim 12 V iken direnç üzerinden 3 A akım geçiyor. Direncin değeri nedir? Gerilim 20 V'a çıkarılırsa akım ne olur?
Çözüm. Ohm yasasına göre R = V/I = 12/3 = 4 Ω'dur. Direnç sabit kaldığı için gerilim 20 V olunca akım I = 20/4 = 5 A olur. Gerilim 12 V'tan 20 V'a çıkarken akım da aynı oranda artmıştır; ohmik bir dirençte gerilim ile akım doğru orantılıdır.
Örnek 3. Özdeş L₁ ve L₂ lambaları birbirine seri bağlanarak iç direnci önemsiz bir üretece bağlanmıştır. L₂'nin uçlarına, başlangıçta açık olan bir anahtar bağlıdır. Anahtar kapatılınca lambaların parlaklıkları nasıl değişir?
Çözüm. Anahtar açıkken akım iki lambadan da geçer ve lambalar aynı parlaklıktadır. Anahtar kapatılınca L₂ kısa devre olur: akım direnci önemsiz olan anahtar üzerinden geçer ve L₂ söner. Devrede yalnız L₁ kaldığı için eşdeğer direnç yarıya iner ve L₁'den geçen akım iki katına çıkar. Güç akımın karesiyle orantılı olduğundan L₁'in gücü dört katına çıkar ve L₁ daha parlak yanar.
Örnek 4. Bir öğrenci önce ampermetreyi bir dirence paralel bağlıyor; başka bir denemede de voltmetreyi aynı dirence seri bağlıyor. Her durumda ne olur?
Çözüm. Ampermetrenin direnci çok küçük olduğu için dirence paralel bağlanınca direnci kısa devre eder; akımın neredeyse tamamı ampermetreden geçer, ampermetre ve üreteç zarar görebilir. Voltmetrenin direnci çok büyük olduğu için seri bağlanınca devreden neredeyse hiç akım geçmez ve voltmetre yaklaşık olarak üretecin gerilimini gösterir. Doğru bağlantıda ampermetre seri, voltmetre paralel bağlanır.
Sık yapılan hatalar
- Seri bağlı dirençlerde akımın her dirençte azaldığını sanmak; seri bağlı dirençlerden aynı akım geçer.
- Paralel bağlı dirençlerin eşdeğerini dirençlerin toplamı sanmak; eşdeğer, en küçük dirençten de küçüktür.
- Ampermetreyi paralel, voltmetreyi seri bağlamak.
- Lamba parlaklığını yalnızca direncin büyüklüğüyle yorumlamak; seri ve paralel bağlamada sonuç terstir.
- Direnci ρ·L/A bağıntısıyla sayısal olarak hesaplamaya çalışmak; TYT'de bu bağıntı nitel olarak kullanılır.
- I = q/t; 1 A = 1 C/s.
- V = I·R; gerilim düşey eksendeyse gerilim-akım grafiğinin eğimi direnci verir.
- Seri: R = R₁ + R₂ ve akım aynı; paralel: 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ ve gerilim aynı.
- Ampermetre seri, voltmetre paralel bağlanır.
- P = V·I = I²·R = V²/R; lamba parlaklığı güce bağlıdır.
- Özdeş üreteçler seri bağlanınca gerilim artar, paralel bağlanınca tükenme süresi uzar.