Elektrik Yükü ve Elektromanyetizma Nedir?

Elektrik yükü ve elektromanyetizma nedir? Elektromanyetik alan nasıl çalışır ve plastik tabanlı ayakkabıyla yünlü kazak giydikten sonra otomobil kapısına dokunduğunuzda neden elektrik çarpar? Elektromanyetik alanı ele alan yeni yazı dizimize elektrodinamikle giriş yapacak ve diğer bölümlerde mıknatıslardan Maxwell denklemlerine dek birçok konuyu ele alacağız. Elektromanyetizmanın STEM eğitimlerinde fiziğe yeni başlayanlara nasıl anlatıldığını göreceğiz.

Elektrik yükü ve statik elektrik

Elektrik yükü bir özelliktir ve bunun nasıl işlediğini kuantum mekaniği gösterir. Elektrik yükünün tam olarak ne olduğunu sorarsanız bilmiyoruz; çünkü kuantum mekaniği doğanın nasıl işlediğini gösteriyor ama neden öyle olduğunu söylemiyor. Bunun için bütün evreni açıklayan her şeyin teorisini geliştirmemiz gerekiyor. Oysa elektromanyetik kuvveti anlamak üzere elektriğin tıpkı kütle, hız ve sıcaklık gibi fiziksel bir özellik olduğunu bilmemiz yeterli.

Buna ek olarak elektrik elektronların madde içinde yer değiştirmesiyle aktarılır. Örneğin yünlü kazağın iplikleri birbirine sürtünürken elektronlar bir iplikten diğerine geçer. Buna statik elektrik deriz fakat plastik tabanlı ayakkabı yalıtkan olduğun için elektriğin vücudunuzdan yere boşalmasını önler. Oysa otomobilin metal kapısıyla temas ederseniz devreyi tamamlarsınız. Elektrik aniden metal kapıya sıçrar ve “çarpılırsınız”.

Peki statik elektrik plastik torba, saç telleri ve plastik balonları birbirine nasıl çeker ve tutkal gibi nasıl yapıştırır? Bu plastik yüzeylerdeki elektron sayısının artması ve azalmasıyla gerçekleşir. Atom çekirdeklerinde protonlarla nötronlar güçlü nükleer kuvvetle birbirine bağlıdır ve bu kuvvet elektromanyetizmadan güçlü olduğu için bunları sökemezsiniz (zaten sökerseniz nükleer patlamaya yol açmış olursunuz). Öte yandan elektronlar hafiftir ve çekirdeğin yörüngesinde döner.

Elektrik yükü ve Dünya gezegeni

Elektronlar iki plastik yüzey arasında gidip gelebilir veya birikebilir (statik elektrik) ki elektromanyetik kuvvette zıt yükler birbirini çeker. Elektronların yer değiştirmesi yüzünden plastik yüzeylerden biri pozitif ve diğeri de negatif elektrik yük kazanır. Bu da statik elektriğin cisimleri çekmesini sağlar. Dünya çakıl taşlarından nasıl oluştu yazısında anlattığım gibi Güneş Sistemi’ndeki toz tanecikleri statik elektrik çekimiyle birbirine yapışıp birleşerek 4,54 milyar yıl önce Dünyamızı oluşturmuştur.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Elektrik yükü neden pozitif ve negatiftir?

Bu tercihe bağlı bir adlandırmadır. Elektrik yüküne yukarı-aşağı da diyebilirdik ama matematik denklemlerini çözmek üzere pozitif ve negatif olarak adlandırdık. Elektromanyetizmada sadece zıt yüklerin birbirini çekmesi ve eş yüklerin itmesi önemli olup dikkat etmemiz gereken şey yük dengesizliğidir. Bir atomun elektron sayısı proton sayısından az ise o atom pozitif iyondur. Keza elektronlar protonlardan fazlaysa bu kez negatif iyondur.

İster pozitif olsun ister negatif, net elektrik yükü olan iyonlar ve parçacıklar birbirini çeker veya iter. Bu da kimyanın, yani atomların birbirine bağlanarak moleküller oluşturmasının temelidir. Oysa elektronların daha küçük parçacıklardan oluşmadığı halde net negatif elektrik yükü olduğunu biliyoruz. Bu nedenle elektron yükü atomlarda olduğu gibi azalması veya artmaz.

Öyleyse neden elektronların elektrik yükü protonlara zıttır (pozitif yerine negatiftir)? Bu soru bizi elektromanyetik alana getiriyor. Net elektrik yükünü anlamanın yolu elektromanyetik alanı anlamaktan geçiyor. Elektrik yükü elektrik alanlarını, elektrik akımı ve manyetik momenti olan temel parçacıklar da manyetik alanları üretir. İkisi ayrılmaz bütündür. Hareket halindeki elektronlardan oluşan elektrik akımı manyetik alan üretir ve manyetik alanın değişmesiyle elektrik üretilir.

Elektromanyetik alanı elektronların içinde dolaştığı bir oyun sahası olarak düşünebilirsiniz. Elektronlar manyetik alanda hareket ederken yalnızca elektrik akımı üretmez. Aynı zamanda foton soğurup (emip) yayınlayarak (salarak) manyetik alan da üretir, manyetik alanın şekli ve şiddetini değiştirir. Sonuçta fotonlar elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır. Buraya dek sadece elektromanyetik alanın çalışma prensibini anlattık ve şimdi gerçekten nasıl çalıştığını görelim.

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

 

Elektrik yükü ve manyetik alan

Önce fizikte alan tanımını yapalım. Alan uzaydaki her noktaya atanabilen bir değer veya bir dizi değerdir. Her nokta derken evrenin maksimum çözünürlüğü Planck uzunluğu olduğu için elektromanyetik değer(ler) uzayı dolduran Planck birimlerine atanır. Bir alanı tek değerle tanımlayabiliyorsanız ona skalar alan denir (Bkz. kuantum alanları).

Öte yandan elektromanyetik alan uzaydaki farklı noktalarda farklı değerler alır. Örneğin Güneş’in manyetik alanı Dünya’nın manyetik alanından güçlüdür. Bu da elektromanyetik alanın farklı noktalarda farklı değerler alabildiğini gösterir. Her ne kadar yerçekiminde eş yükler birbirini çekse de elektromanyetik alanı yerçekimi alanıyla gösterelim. Elektrodinamiği, yani elektronların elektrik alanında ve manyetik alanda nasıl hareket ettiğini anlamak böyle daha kolay olacaktır.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

İşte size Dünya

Resme bakınız: Dünya’nın çevresindeki uzay Planck uzunluğu çapındaki noktalarla sarılmış ve bütün noktalara birer vektör (hareket yönü) oku bağlanmıştır. Bu vektörler Dünya’nın yerçekiminin cisimleri hangi yönde çektiğini gösterir. Bu nedenle Dünya’yı saran geniş bir alanda yerçekimi vektörlerinin gezegenimizi gösterdiğini görürsünüz. Biraz matris ve integral hesabı yaparak bütün bu noktasal vektörleri toplu halde hesaplasınız ortaya ne çıkardı? Bir enerji alanı oluşturmuş olurdunuz!

Bu örnekte vektörler yerçekimini oluşturmaktadır fakat matematiksel olarak yerçekimi alanı uzayda kütle olmasa da var olur. Nasıl ki matematikte derinlik, genişlik, yükseklik dediğimiz üç boyut aslında nesnelerin uzayda hareket edebileceği yönleri gösterir, yerçekimi alanı da kütlenin uzayda hareket edebileceği yönleri gösterir. Aynı zamanda kütlenin oluşturduğu yerçekimi alanını sınırlandırır. Uzayda kütle yoksa yerçekimi alanının değeri sıfır olacak ama bu alan var olmaya devam edecektir.

Bunu anlamak için kütlenin nesnelerin bir özelliği ve yerçekiminin de uzayın bir özelliği olduğunu düşünmek yararlıdır. Keza elektrik yükü manyetik momenti olan parçacıkların bir özelliği olup manyetik alan da uzayın bir özelliğidir. Daha net söylersek elektrik yükü parçacıklarla tanımlanır ve gösterilir.

Manyetik alan ise uzayın içinde tanımlanır ve uzayla gösterilir. Manyetik alan başka manyetik çift kutupluluk olmak üzere, manyetik momenti olan parçacıkların elektromanyetik alanla etkileşime girmesiyle ortaya çıkar. Yerçekimi alanında kütleyle alan arasındaki ilişki kütleli cisimlerle, manyetik alanla elektrik yükü arasındaki ilişkiyi ise elektron ve fotonlarla gösteririz. Şimdi anlatılanlara yakından bakalım:

İlgili yazı: Nükleer Füzyon Nedir ve Ne Zaman Gelecek?

 

Elektrik yükü ve alan çizgileri

Kütle yerçekimi ile cisimleri kendine çekerken yerçekimi alanı içinde bu alanın kütlesiz baz değerinden daha yüksek bir yerçekimi potansiyeli, yani alan içinde daha güçlü bir yerçekimi alanı oluşturur. Bunu örneğin kütleli Dünya’ya dönük vektör oklarıyla gösteririz. Bu durumda Dünya’ya doğru akan bir yerçekimi alanı oluştur.

Manyetik momenti olan elektronlar çift kutupludur, yani manyetik kuzey ve güney kutbu vardır. Elektronlar manyetik alan içinde kuzey ve güney kutuplarına yönelen manyetik akış oluşturur. Bu akışı da manyetik alan çizgileriyle gösteririz. Buraya dek elektromanyetik alanla yerçekimi arasında bir benzetme yaptık. Oysa elektromanyetik alan yerçekiminden çok daha karmaşıktır. Şöyle ki:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Gauss Yasası

Elektromanyetik alanı elektromanyetik tensörle tanımlayabiliriz, yani bu alanın yer aldığı uzaydaki her noktayı bileşik vektörel değişkenler içeren bir matriste, görseldeki gibi gayet karmaşık bir sayı dizisiyle gösterebiliriz. Oysa elektronların elektromanyetik alanda nasıl hareket ettiği ve bu alanın elektrik akımına göre nasıl değiştiğini tensörle göstermek zordur. Bunun yerine elektromanyetik alanı elektrik alanı ve manyetik alan olarak ikiye böleriz. Böylece her alanı tek tek vektörlerle gösteririz.

Vektör alanlarında işlem yapmak tensör alanlarından kolaydır. Bu durumda uzaydaki her noktaya iki vektör ekleriz. Bunların biri elektrik alanını ve diğeri manyetik alanı gösterir. Siz de elektrik yükü uzayda hareket ederken manyetik alan vektörlerinin nasıl değiştiğini resimdeki protonla görebilirsiniz. Proton hareket etmiyorsa manyetik alan vektörleri sıfırlanır ve geriye protonun net pozitif yükünün yarattığı kalıcı elektrik alanı vektörleri kalır.

Bugün elektrik alanına odaklanarak manyetik alanı gelecek yazıya bırakacağız. Elektrik alan vektörlerini Gauss Yasası ile gösteririz. Resimde protondan elektrik alanına uzanan elektrik akışını (elektrik alanı) görebilirsiniz. Burada Maxwell’in elektromanyetik alan denkleminin zarafeti ortaya çıkar. Elektrik alanını ölçmek için tek tek proton ve elektronları ölçmenize gerek yoktur. Bunun yerine alanın tamamını ölçer ve nerede ne kadar yük var (proton, elektron vb.) öğrenirsiniz. Ayrıca elektrik alanı içindeki proton ve elektronların hangi yönde ne hızla gittiğini gösterir.

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Toparlarsak

Elektrik yükü dediğimiz şey net yükü olan nesnelerle temel parçacıkları kopmaz bir şekilde elektromanyetik alana ve bu alanın yer aldığı uzaya bağlayan fiziksel bir özelliktir. Pozitif ve negatif olmak üzere iki elektrik yükü olup fiziksel sistemlerin toplam yükü korunur; yani elektrik yükünü yaratamaz veya yok edemez ama elektrik alanıyla hesaplayabilirsiniz. İşte statik elektrik ve elektrodinamiğin temeli budur.

Peki atomların net elektrik yükü neden sıfır ve bunlar neden nötrdür? Onu da kuantum mekaniği ile elektron mikroskobunda okuyabilir ve enerji nedir diye sorabilirsiniz. Enerjinin korunumunu ele alıp boşluğun enerjisine göz attıktan sonra alternatif ve doğru akımı anlatan Tesla Gücü’ne geçebilirsiniz. Sonbahar yağmurları başlarken sağlıcakla ve bilimle kalın. 😊

Elektrik yükü ve statik elektrik

¹Counting Photons in Static Electric and Magnetic Fields
²The electromagnetic momentum of static charge-current distributions