Konu anlatımı
Bir metal küreye verilen yük kürenin her yerine yayılırken plastik bir çubuğa verilen yük sürtülen yerde kalır. Bu alt başlıkta iletken ve yalıtkanlarda yükün nasıl dağıldığını, sivri uçların önemini ve Faraday kafesinin bizi nasıl koruduğunu göreceksin.
İletkenler ve yalıtkanlar
Yüklerin kolayca hareket edebildiği maddelere iletken denir; metaller, grafit, insan vücudu ve tuzlu su iletkendir. Metallerde atomlara sıkı bağlı olmayan serbest elektronlar madde içinde hareket edebilir. Yüklerin hareket edemediği maddelere yalıtkan denir; cam, plastik, kauçuk, kuru tahta ve kuru hava yalıtkandır. Yalıtkana verilen yük, verildiği bölgede kalır; bu yüzden yalıtkanlar sürtünmeyle kolay yüklenir.
İletkende yük dağılımı ve sivri uçlar
Bir iletkene verilen yükler birbirini iterek olabildiğince uzaklaşır ve iletkenin dış yüzeyine yerleşir; iletkenin içinde net yük kalmaz. İçi boş metal bir küreye içeriden de dokundurulsa yük yine dış yüzeye gider. Küresel bir iletkende yük yüzeye düzgün dağılır. Biçimi düzgün olmayan iletkenlerde ise yük, eğriliği fazla olan sivri uçlarda yoğunlaşır ve bu uçlardan havaya kolayca boşalabilir. Yıldırımsavar (paratoner) sivri uçlu bir metal çubuktur ve bir iletkenle toprağa bağlanarak yükleri güvenle toprağa iletir.
Faraday kafesi
Metal bir kafes ya da kapalı bir iletken yüzey, dışarıdaki yüklerin elektriksel etkisini içeriye geçirmez; iletken yüzeydeki yükler yeniden dağılarak içerideki etkiyi sıfırlar. Bu düzeneğe Faraday kafesi denir. Yıldırım düşen metal gövdeli bir arabanın içi güvenlidir; bunun nedeni lastikler değil, metal gövdenin Faraday kafesi gibi davranmasıdır. Mikrodalga fırınların kapağındaki metal ağ, yüksek gerilim hatlarında çalışan teknisyenlerin iletken giysileri ve hassas cihazların metal kılıfları da bu ilkeye dayanır.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. Biri metal, biri plastik olan iki küreye birer noktadan yük veriliyor. Bir süre sonra yük her kürede nasıl dağılmış olur?
Çözüm. Metal kürede yükler serbestçe hareket eder ve birbirini iterek kürenin bütün dış yüzeyine düzgün olarak dağılır. Plastik küre yalıtkan olduğu için yük, verildiği noktanın çevresinde kalır ve kürenin öbür bölgeleri yüksüz kalır. Bu fark, iletkenlerde yüklerin hareket edebilmesinden, yalıtkanlarda edememesinden kaynaklanır.
Örnek 2. Fırtınalı bir havada açık arazide yürüyen bir kişi ile metal gövdeli bir arabanın içinde bekleyen bir kişiden hangisi yıldırıma karşı daha güvendedir? Neden?
Çözüm. Metal gövdeli araba bir Faraday kafesi gibi davranır: yıldırım arabaya düşerse yükler metal gövdenin dış yüzeyinden toprağa akar ve içerideki kişiye ulaşmaz. Açık arazide yürüyen kişi ise çevredeki en yüksek noktalardan biri olabilir ve korunmasızdır. Bu yüzden arabanın içindeki kişi daha güvendedir; ancak bu güvenliği sağlayan metal gövdedir, lastikler değildir.
Sık yapılan hatalar
- İletkene verilen yükün iletkenin içinde de bulunduğunu sanmak; yük dış yüzeye dağılır.
- Arabanın içinin lastikler yalıtkan olduğu için güvenli olduğunu düşünmek.
- Yükün sivri uçlarda değil düz yüzeylerde yoğunlaştığını sanmak.
- İletkende yük dış yüzeye dağılır; yalıtkanda verildiği yerde kalır.
- Yük sivri uçlarda yoğunlaşır; paratoner bu ilkeyle çalışır.
- Faraday kafesinin içi dışarıdaki yüklerin elektriksel etkisinden korunur.