Konu anlatımı
Kazağını çıkarırken duyduğun çıtırtı, tarağın küçük kâğıt parçalarını çekmesi ve bir arabanın kapısına dokununca çarpılman durgun elektrik yüklerinden kaynaklanır. Elektrostatik, durgun elektrik yüklerini, cisimlerin nasıl yüklendiğini ve yüklerin birbirine uyguladığı kuvvetleri inceler.
Bu sayfada elektrik yükünü ve birim yükü, sürtünme, dokunma ve etki ile elektriklenmeyi, topraklamayı, elektroskobu, iletken ve yalıtkanlarda yük dağılımını, Coulomb yasasını ve elektrik alanı göreceksin. TYT'de sayısal hesap Coulomb yasasında noktasal yüklerle ve tek doğrultuda, ayrıca dokunan özdeş kürelerin yük paylaşımında yapılır; elektrik alan nitel olarak işlenir.
Elektrik yükü
Maddeyi oluşturan atomlarda pozitif (+) yüklü protonlar ve negatif (−) yüklü elektronlar vardır; nötronlar yüksüzdür. Proton ve elektron sayıları eşit olan cisim nötrdür. Elektron kaybeden cisim (+), elektron kazanan cisim (−) yüklenir; katılarda yer değiştiren yalnızca elektronlardır. Yükün birimi coulomb'dur (C). En küçük yük miktarı bir elektronun ya da protonun yüküdür ve birim yük olarak adlandırılır: e = 1,6·10⁻¹⁹ C. Elektriklenmede yük yoktan var olmaz, yok olmaz; toplam yük korunur.
Elektriklenme çeşitleri
Farklı cinsten iki yalıtkan birbirine sürtülünce birinden öbürüne elektron geçer; ikisi eşit büyüklükte ve zıt işaretli yüklenir (sürtünme ile elektriklenme). Yüklü bir iletken başka bir iletkene dokundurulunca toplam yük iki cisim arasında paylaşılır ve cisimler aynı işaretli yüklenir (dokunma ile elektriklenme). Yüklü bir cisim nötr bir iletkene dokunmadan yaklaştırılınca iletkendeki yükler yer değiştirir; yakın uçta zıt, uzak uçta aynı işaretli yük toplanır (etki ile elektriklenme).
Topraklama ve elektroskop
Dünya çok büyük bir iletken gibi davranır. Yüklü bir iletken toprağa bağlanınca fazla yükünü toprağa verir ya da topraktan eksiğini alır ve nötrleşir; buna topraklama denir. Elektrikli cihazların topraklı prize takılması ve binalardaki paratonerler bu ilkeye dayanır. Elektroskop, bir cismin yüklü olup olmadığını ve yükünün işaretini anlamaya yarayan araçtır: metal topuzu, iletken bir çubuğu ve çubuğun ucunda iki ince metal yaprağı vardır; yüklenen yapraklar birbirini iterek açılır.
Yük dağılımı ve Faraday kafesi
İletkenlerde yükler serbestçe hareket edebildiği için birbirini iterek iletkenin dış yüzeyine dağılır; küresel iletkende düzgün dağılan yük, sivri uçlarda yoğunlaşır. Yalıtkanlarda ise yük, verildiği bölgede kalır. Kapalı bir iletken yüzeyin, örneğin metal bir kafesin içinde dışarıdaki yüklerin elektriksel etkisi hissedilmez; bu düzeneğe Faraday kafesi denir. Yıldırım düştüğünde metal gövdeli bir arabanın içinin güvenli olması bu yüzdendir.
Coulomb yasası
Aynı işaretli yükler birbirini iter, zıt işaretli yükler birbirini çeker. Noktasal iki yük arasındaki elektriksel kuvvetin büyüklüğü yüklerin çarpımıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır: F = k·q₁·q₂/d². Havada ve boşlukta k = 9·10⁹ N·m²/C²'dir. İki yük birbirine eşit büyüklükte ve zıt yönlü kuvvetler uygular; bu kuvvetler bir etki-tepki çiftidir.
Elektrik alan
Yüklü bir cismin çevresinde, başka yüklere kuvvet uyguladığı bölgeye elektrik alan denir. Elektrik alan vektöreldir; bir noktadaki alan, oraya konan pozitif yüke etkiyen kuvvetin yük miktarına oranıdır: E = F/q ve birimi N/C'dur. Pozitif yükün alanı yükten dışa doğru, negatif yükün alanı yüke doğrudur; alan, yüke yaklaştıkça şiddetlenir. Elektrik alan bu konuda yalnızca kavram olarak işlenir; TYT'de elektrik alan hesabı yapılmaz.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. Yükleri q₁ = +2 μC ve q₂ = −3 μC olan noktasal iki cisim arasındaki uzaklık 0,3 m'dir. Cisimler arasındaki elektriksel kuvvetin büyüklüğü nedir ve bu kuvvet itme mi çekme mi? (k = 9·10⁹ N·m²/C²)
Çözüm. Yükler coulomb cinsinden yazılır: 2 μC = 2·10⁻⁶ C ve 3 μC = 3·10⁻⁶ C. Coulomb yasasıyla F = 9·10⁹·2·10⁻⁶·3·10⁻⁶/(0,3)² = (5,4·10⁻²)/0,09 = 0,6 N bulunur. Yükler zıt işaretli olduğu için kuvvet çekme kuvvetidir. İki cisim de birbirine 0,6 N'luk eşit büyüklükte ve zıt yönlü kuvvet uygular.
Örnek 2. Özdeş ve iletken K, L, M kürelerinin yükleri sırasıyla +8q, −2q ve sıfırdır. K önce L'ye dokundurulup ayrılıyor, sonra M'ye dokundurulup ayrılıyor. Kürelerin son yükleri nedir?
Çözüm. Özdeş iletken küreler dokununca toplam yük eşit paylaşılır. K ile L dokununca toplam yük +8q − 2q = +6q olur ve ayrılınca her küre +3q alır. Sonra K (+3q) ile M (0) dokununca toplam +3q eşit paylaşılır ve her biri +1,5q olur. Son yükler: K +1,5q, L +3q, M +1,5q. Kontrol: toplam +6q baştaki toplama eşittir; yük korunmuştur.
Örnek 3. Birbirine değen nötr ve iletken X ve Y kürelerinden X'e, (+) yüklü bir çubuk dokundurulmadan yaklaştırılıyor. Çubuk yerinde dururken küreler birbirinden ayrılıyor, sonra çubuk uzaklaştırılıyor. Kürelerin son yükleri nasıl olur?
Çözüm. Çubuk (+) yüklü olduğu için kürelerdeki elektronları kendine doğru çeker; elektronlar çubuğa yakın olan X'te toplanır, Y'de elektron eksikliği oluşur. Küreler bu durumda ayrılınca X (−), Y (+) yüklü kalır ve yüklerin büyüklükleri eşittir. Çubuk uzaklaştırılınca yükler kürelerde kalır. Toplam yük yine sıfırdır; yük korunmuştur.
Örnek 4. (+) yüklü bir elektroskobun topuzuna bir cisim dokundurulmadan yaklaştırılınca yaprakların biraz kapandığı görülüyor. Cisim hakkında ne söylenebilir?
Çözüm. Cisim (+) yüklü olsaydı topuzdaki pozitif yükü yapraklara doğru iter ve yapraklar daha çok açılırdı. Yaprakların kapanması, cismin yaprakların pozitif yükünü azalttığını gösterir. Bu durum cisim (−) yüklüyse de, nötr bir iletkense de görülür. Bu yüzden cismin (+) yüklü olmadığı kesindir, ama (−) yüklü mü nötr mü olduğu bu deneyle kesin olarak söylenemez.
Sık yapılan hatalar
- Elektriklenmede protonların da yer değiştirdiğini sanmak; katılarda yalnızca elektronlar hareket eder.
- Bir cismin başka bir cismi çekmesini, o cismin yüklü olduğunun kanıtı saymak; yüklü cisim nötr cismi de çeker.
- Dokunma ile elektriklenmede cisimlerin zıt işaretli yüklendiğini sanmak; dokunan iletkenler aynı işaretle yüklenir.
- Coulomb yasasında uzaklığın karesini almayı unutmak.
- Elektroskop yapraklarının kapanmasını, cismin zıt yüklü olduğunun kesin kanıtı saymak.
- Aynı işaretli yükler iter, zıt işaretli yükler çeker; toplam yük korunur.
- e = 1,6·10⁻¹⁹ C; elektron kaybeden (+), kazanan (−) yüklenir.
- Özdeş iletken küreler dokununca toplam yükü eşit paylaşır.
- F = k·q₁·q₂/d² ve k = 9·10⁹ N·m²/C².
- İletkende yük dış yüzeye dağılır ve sivri uçlarda yoğunlaşır.