Tesla Gücü: Elektrik ve Alternatif Akım Nedir?

Nikola Tesla 100 yıldan önce evlerimize güç veren alternatif akımı, Thomas Alva Edison da akıllı telefon, laptop ve Tesla elektrikli otomobilleri çalıştıran doğru akımı geliştirdi. Peki elektrik ve alternatif akım nedir? Şebeke elektriğinde neden AC kazandı ve DC kaybetti? Tesla otoların doğru akımla çalışmakla birlikte genellikle alternatif akımlı şebeke elektriğiyle şarj olduğuna dikkat edersek bu soru önemli. Nitekim Tesla ile Edison arasındaki rekabet efsanedir ve ünlü Avustralyalı hard rock grubu AC/DC’nin adına da esin kaynağı olmuştur. Elektrik akımı, güç ve voltajın ne olduğunu görelim.

Elektrik saçan buluşçu Tesla

Elektrik şebekesinin en büyük başarısı yüksek voltajlı elektriği yüzlerce kilometre uzağa taşıyarak konutlardan fabrikalara dek bütün yapılara güç sağlamasıdır. Üstelik yalıtkanların elektrik akımına direnç gösterip ısınarak enerjiyi boşa harcaması yüzünden bunu yapmak hiç de kolay değildir. Bugün elektrik günlük yaşamın o kadar yaygın bir parçası ki adını anmasak hatırlamayacağız.

Oysa her ay fatura gelene kadar bedava kullandığımızı sandığımız AC elektriği Tesla geliştirdi ve böylece modern teknolojik yaşamın önünü açtı; ancak Edison gibi keskin iş zekasına sahip olmayan Tesla neredeyse 5 kuruşu olmadan yaşama gözlerini yumdu. Tesla New York’ta inşa ettiği Wardenclyffe Kulesi’yle okyanus aşırı ses ve görüntü taşıyacak olan kablosuz internet ile kablosuz enerji aktarımının öncüsü oldu ama biz onu uzak mesafelere elektrik iletilmesini sağlayan alternatif akımla biliriz.

Alternatif akımın dünya çapında benimsenmesi ise Edison’ın doğru akımı geliştirmesi ve Tesla’nın projelerine köstek olması yüzünden uzun yıllara yayılan zorlu bir savaş oldu. Edison dünyayı AC’nin zararlarına ikna etmek için sokakta elektrikle at öldürmeye çalışmaktan ölüme mahkum bir suçluyu elektrikli sandalye ile idam etmeye kadar birçok acımasızlık yaptı. Oysa AC kazandı; çünkü bilimsel olarak daha verimli bir teknolojiydi ve evrende her zaman bilimsel gerçekler kazanır. Peki AC neden DC’den üstün? Bunun için önce elektriğin ne olduğunu açıklayalım:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Elektrik akımı nedir?

Elektriği bakır telden akan enerji gibi düşünebilirsiniz ama bu kolay anlaşılmakla birlikte yalnızca basit bir örnektir. Gerçekte elektriğin kaynağı elektronlardır. Bakır tel söz konusu olduğunda ise atomlar devreye girer. Atomların pozitif çekirdeği ve onu saran negatif elektronları vardır. Elektromanyetik kuvvette zıt yükler birbirini çeker ve bu da elektronların çekirdek çevresinde dönmesini sağlar.

Öte yandan elektronlar belirsizlik ilkesi nedeniyle kesin yörüngelerde değil, olası yörünge aralıklarında bulunarak yörüngemsiler oluşturur. Bunlara elektron olasılık bulutu veya elektron kabuğu deriz. Atomların en dış yörüngesindeki elektronlar VALANS KABUĞUNU oluşturur ve elektromanyetik kuvvet nedeniyle dış yörüngelerdeki elektronlar atomdan kopabilir. Valans kabuğundan, yani kimyasal bağlar oluşmasını sağlayan kabuktan kopan elektronlara SERBEST ELEKTRONLAR deriz.

Bakır tel üzerinde ip gibi yan yana dizilen atomlar gibi özel şartlarda bir atomdan kopan elektronlar hemen yandaki diğer atoma sıçrayabilir. Bu da otobüs kuyruğundaki insanların otobüse binerken birer adım öne gitmesi gibi bir domino etkisi yaratır. Böylece telin içinden akan elektrik akımı oluşur. Oysa tele akım verdiğiniz zaman akımı oluşturan elektronlar telin bir ucundan girip öbür ucundan çıkmaz. Bunun yerine teldeki elektronlar birer atom öne geçer.

Dolayısıyla elektromanyetik kuvvet ışık hızıyla yayılmakla birlikte telefon kablosundaki elektrik sinyalleri saniyede 108 metre ve elektrik akımını oluşturan tek tek elektronlar da saatte yalnızca 36 cm hızla akar. 60 Hz salınımlı alternatif akım taşıyan bir telde ise tek tek elektronların akış hızı milyonda 23 m/saniyedir.

İletkenler ve yalıtkanlar

Bakır tel gibi elektron akışına pek direnç göstermeyen materyallere iletken ve yüksek direnç gösteren materyallere de yalıtkan deriz. Bakır çok iyi bir iletkendir; çünkü şemasına bakarsanız bu atomun en dış yörüngesinde bir VALANS ELEKTRONU olduğunu görürsünüz. Bu elektronu kolayca hemen yandaki atoma kaydırarak elektrik akımı oluşturabilirsiniz. Şimdi elektriğin üç temel kavramını görelim:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

Elektrik ve Ohm Yasası

Elektriği anlamak için akım, voltaj ve direnci anlamamız gerekiyor. Bu üçü arasındaki ilişkiyi adını Alman fizikçi Georg Ohm’dan alan Ohm Yasası verir: VOLTAJ = AKIM x DİRENÇ. Biz de elektriğin akışını görmek için bunu suyun akışıyla gösterelim. Gözünüzde bir su tankı ve altından çıkan bir boruyu canlandırın. Tankın dibinden akan suyun hızı (elektrik akımı) amperle ölçülür. Amper elektrik yükünün akış hızını gösterir. Elektriğin akması için uygulanan kuvvete voltaj deriz ve bunu voltla ölçeriz.

Direnç ise içinden elektrik geçen materyallerin elektrik akışına gösterdiği dirençtir. Örneğin tankın dibine dar boru takarsanız darboğaz oluşur ve suyun boşalma hızı yavaşlar. Öte yandan suyun basıncını, yani voltajı yeterince artırırsanız bakırdan daha dirençli bir materyalde bile güçlü elektrik akımı oluşturabilirsiniz. Kısacası direnç arttıkça voltaj da artar. Peki voltajın AC/DC ile ne ilgisi var?

Edison’ın öncülük ettiği doğru akım hortumdan tek yönde ve sabit basınçta akan suya benzer. Alternatif akımda ise suyun akış yönü saniyede 50 ila 60 kez (50-60 Hz) ileri geri değişir. Alternatif akım uzun mesafede elektriği iletmek için en verimli teknolojidir. Peki güç ile voltaj arasındaki fark nedir?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Elektrik ve kontrollü güç

Voltaj elektrik akımı başlatmak için gereken kuvvet (teldeki iki nokta arasındaki yük farkı), güç ise elektrik akımının hacmidir. Örneğin elektrik şebekesinin 10 bin voltluk voltajı şebeke üzerindeki kaç hatta taşıyabildiği güçle gösterilir. Keza biri geniş biri dar iki su borusundan eş basınçta su akıyorsa geniş olan borunun gücü fazla olacaktır. Özetle AKIM x VOLTAJ GÜCE EŞİTTİR. Gücü (watt) aynı zamanda saniyede aktarılan enerji miktarı olarak gösterebiliriz (joule/saniye). Elektrik şebekesi ne kadar yüksek voltajla ne kadar akım sağlıyorsa fabrikalar ve konutlara o kadar güç sağlar.

Sorun şu ki güç kablolarının boyu uzadıkça ve elektrik hattının uzunluğu arttıkça güç azalır. Sonuçta bakır iyi bir iletkendir ama elektriği dirençsiz aktaran süperiletken değildir. Bakır telin uzunluğu artarken kütlesi de artar ve bu da telin toplam direncini artırır.

Direncin artması elektronların atomdan atoma sıçramak yerine elektrik akımıyla kazandığı enerjiyi uzaya foton yayarak kaybetmesine yol açar. Kısacası direnç artarken tel ısınır ve atık ısı ekonomik değer taşımayan ama küresel ısınmaya neden olan güç kaybına yol açar. Aynı zamanda elektrik hattının aşırı ısınarak yanmasına neden olur. Peki bu sorunu alternatif akımla nasıl aşarız?

Öncelikle voltajı ne kadar yükseltirseniz elektrik akımını o kadar uzağa taşıyabilir ve o kadar uzağa güç sağlayabilirsiniz. İşte bu yüzden şehirlerarası elektrik hatları yüksek voltajlıdır. Örneğin Türkiye’de konut voltajı 50 Hz 230 volt, şehirlerarası voltaj ise 66, 154, 380 ve 400 bin volttur. 52 bin – 300 bin volt arası yüksek voltaj olup ekstra yüksek voltaj 300 – 800 bin volt aralığındadır.

Türkiye’nin gücü

Bunun üstündeki ultra yüksek voltajı ABD, Rusya, Japonya, İtalya, Çin gibi gelişmiş ülkeler 60’lar, 70’ler ve 80’lerden beri kullanıyor ama bizde UHV kullanılmıyor. 2015’ten beri süregelen ekonomik krizde son durum nedir bilmiyorum ama 2015 itibariyle Türkiye’nin 2023’e dek toplam şebeke gücünü yüzde 30 artırması bekleniyordu. Buna göre mevcuda 34 gigavat (GW) hidroelektrik güç, 20 GW rüzgar gücü, 5 GW güneş enerjisi gücü, 1 GW jeotermal güç ve 1 GW biyokütle gücü (tezek vb.) eklenmesi planlanıyordu. Mevcuda derken şubat 2020 itibarıyla Türkiye’nin kurulu şebeke gücü 91,41 GW’tır.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Alternatif akım elektrik

Büyükşehirlere yüksek güç taşımak istiyorsanız ya yüksek akımla düşük voltaj sağlayacaksınız ya da yüksek voltajla düşük akım sağlayacaksınız ki verimlilik sebebiyle endüstride yüksek voltaj tercih ediliyor. Oysa evdeki elektrikli ve elektronik aygıtların yanmaması için yüksek voltaj 230 voltluk standart voltaja indirgeniyor. Yüksek voltajla ısı arasındaki ilişkiye gelince; ısı gücün karesiyle direncin çarpımının voltajın karesine bölümüne eşittir: ISI KAYBI = (GÜDz x DİRENÇ) / VOLTAJ² (P²R)/V².

İşte bu yüzden voltajı artırmanız gerekir. Voltajı düşük tutup akımı artırırsanız ısıyı, yani şebeke elektriğinde güç kaybını artırırsınız. Dahası Nikola Tesla’nın geliştirdiği alternatif akım yüksek voltajı konut voltajına indirgemekte doğru akımdan çok daha verimlidir. Bunun için bobinlere (metal halka üzerindeki tel sargılara) bakalım: Bobin üzerinden sürekli ileri geri giden alternatif akım (AC) geçirirseniz sürekli değişen bir manyetik akış oluşur.

Bu da dinamo etkisi yaratır; çünkü Maxwell’in elektromanyetik denklemlerine göre, değişen elektrik akınları manyetik alanlar ve değişen manyetik alanlar da elektrik akımları üretir. Nitekim bobinin içinden demir halka geçirirsek bu halka sürekli değişen manyetik akışı kendi içinde yoğunlaştırabilir. Dahası halkanın diğer yanına başka bir bobin sararsak elektrik üretebilir ve yeni bobine voltaj aktarabiliriz. Dediğim gibi değişen manyetik alanlar da elektrik alanları üretir.

Bobin gücü

İşin ilginci ikinci bobinde oluşturduğumuz voltajın değeri demir halkanın çevresine sardığımız tel sayısıyla orantılıdır. Öyle ki bu yöntemi kullanarak ikinci bobinde birinci bobinden daha yüksek voltaj üretiriz. Santralde üretilen elektriğin voltajını şehirlerarası şebeke voltajına yükselten ve ev voltajına düşüren transformatörler böyle çalışır. Demir halkaya sarılı bobin sargılarının sayısı artarsa voltaj artar ve azalırsa voltaj azalır. Oysa bu tür transformatörler yalnızca alternatif akımla çalışır:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Alternatif akım DC’ye karşı

Tesla’nın zamanında doğru akımın voltajını ayarlamanın kolay bir yolu yoktu. Dahası 20. yy’daki ilk elektrikli otomobilleri saymazsak akıllı telefonlar, küçük piller ve laptoplar gibi DC kullanan aygıtlar da yoktu. Bu cihazlarda DC kullanıyoruz; çünkü AC’nin ana avantajı uzun mesafede güç aktarımıdır. Küçük akıllı telefonunuz, piliniz ve laptopunuzun ise AC’ye ihtiyacı yoktur.

Peki AC/DC cihazlar için bir fark yaratır mı? Artık kullanımdan kalkmaya başlayan klasik ampuller AC/DC arasında fark gözetmez. Sonuçta bunlar birer dirençtir ve elektrik akımını aktarmaya direnerek ampul telindeki enerji fazlasını ışığa çevirir. Yok, enerji fazlasını ısıya çevirirse elektrikli soba olur.

Öyleyse DC başarısız mı oldu? Özellikle pille çalışan elektrikli cihazlara ve DC LED’lere bakarsanız DC’nin iç mekan kullanımında çok yaygın olduğunu görürsünüz. DC yalnızca uzun mesafelerde ve yüksek güç isteyen makinelerde AC’ye yenilmiştir. Bunun dışında 1000 km’den uzun hatlarda DC kullanımı (HVDC) AC kullanımından ucuza geliyor. Yüksek hızlı bir trenin 25 bin voltla çalıştığına ve uzun mesafeler kat ettiğine bakarsanız HVDC ihtiyacı olduğunu görebilirsiniz.

Birkaç yüz kilometrelik mesafelerde DC transformatörleri onlarca milyon dolara mal olduğu için pahalıdır (AC transformatörlerden bin kat pahalı) ama Hızyuvarı (Hyperloop) gibi kurşun trenler ile diyamanyetik (yatay manyetik yastıklar üzerinden giden maglev trenler) yaygınlaştıkça sadece trenlerde değil, ultra uzun mesafeli şebekede de DC ihtiyacı artacaktır. Dolayısıyla +1000 km’lik şebekelerde değişken manyetik alanlar kullanmayan DC transformatörler, AC’den daha ucuza geliyor.

Edison geri mi dönüyor?

Ampul, kömürlü telefon ahizesi ses aktarıcısı, otomatik telgraf, fonograf, sinema kamerası, ilk elektrikli otomobiller, trenler ve denizaltılarda kullanılan hafif alkalin pil gibi sayısız kritik buluşuyla Edison’un tarihteki önemi tartışılmazdır. Anlaşılan DC konusunda da mezarından çıkıp karşı saldırıya geçiyor. Sonuçta 2030’larda Çin’i Londra’ya bağlayacak olan ultra hızlı tren gibi hatlarda DC öne çıkabilir. Tesla’yı ise zamanın çok ötesinde çılgınca buluşları ve hayalleriyle tanıyoruz:

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Elektrik ve Tesla’nın mirası

1856 yılında eski Avusturya-Macaristan İmparatorluğu’nda, bugünkü Hırvatistan’da doğan Sırp asıllı Tesla 29 yaşında cebinde sadece 4 sentle ABD’ye geldikten sonra Dünya’yı ikiye bölmek ve nötr atom akışını ölüm ışınlarına çevirerek her atışta binlerce uçak yok eden ışın silahları yaratmaktan söz etti. Oysa o bir deli değildi. Tek suçu zamanın ötesinde bir dahi olması, ticari zekaya sahip olmaması ve kadınlardan hoşlanmadığı çekinik bir hayat sürdüğü için eşcinsel olduğu söylentisiyle dışlanmasıydı.

Tesla ABD’ye fakir geldi ama cebindeki öneri mektubu sayesinde Edison’ın yeni DC akım üreteçlerini tasarlamak üzere New York’taki fabrikalarından birinde iş buldu. Bir yıl sonra da işten ayrılıp kendi AC jeneratörlerini tasarlamaya başlayarak tarihe altın harflerle geçti. Biz de böylece elektrik nedir sorusunu yanıtlayarak alternatif akımı görmüş olduk.

Peki elektronlar neden sol elli? Onu da solak elektronlar yazısında görebilir, elektronun küre şeklinde olmasının fizikçileri neden üzdüğüne göz atabilir ve elektronun kara delik olup olmadığını şimdi araştırabilirsiniz. Kendinizi cesur hissediyorsanız enerjinin ne olduğuna ve enerjinin korunumu yasasına da bakabilirsiniz. Hepinize şimdiden dinamik ve üretken bir hafta dilerim.

Tesla’nın hayatı

¹Tesla Transformer Based 500 Kv Pulser For Low Emittance Test Stand At Paul Scherrer Institute (pdf)
²On the construction of Tesla transformers (pdf)
³A  tractable  ellipsoidal  approximation  for  voltage  regulation  problems (pdf)
⁴Generation of dc, ac, and second-harmonic spin currents by electromagnetic fields in an inversion-asymmetric antiferromagnet