Elektrodinamik Nedir ve Elektrik Akımı Akar mı?
Baştan bir ipucu vereyim mi? Pilli bir başucu saatini çalıştıran enerjiyi veya Tesla elektrikli aracın motorunu çalıştıran gücü aslında pil ya da batarya sağlamaz! En azından doğrudan sağlamaz; çünkü elektrik ve enerji aynı şey değildir. Peki elektrik akımı ve enerji akışı arasındaki fark nedir? Alternatif akım nasıl çalışır? Alternatif akımda elektronlar ileri geri gidiyor ama aslında telden ışık hızında çıkıp yer değiştirmiyorsa AC elektrik akımı nasıl oluşuyor? Telden geçen elektrik prizden çıkarak fişi takılı cihazlara nasıl enerji sağlıyor?
Elektrodinamik yazı dizimizin ilk bölümünde elektrik yükleri nedir ve statik elektrik nasıl oluşur sorularını yanıtladık. İkinci bölümde alternatif ve doğru akım arasındaki farkı görerek elektrik şebekesinin nasıl çalıştığını inceledik. Bu bölümde ise elektrik akımının nasıl çalıştığını göreceğiz. Elektrik devrelerinin işleyişi hakkında beyninizi yakacak olan heyecan verici bir yazı vaat ediyorum:
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Alternatif elektrik akımı
AC akımda elektrik yükleri ileri geri gitmekten aslında hiçbir yere gitmiyorsa alternatif akım nasıl çalışıyor? Bunun için önce elektrikle enerjiyi birbirine karıştırmamak gerekiyor. Elektrik derken de elektrik yüklerinin hareketiyle enerjinin hareketini karıştırmamak gerekiyor. Bu yüzden her ikisini de çok dikkatli bir şekilde tanımlayalım. Elektrik akımı veya sadece akım pozitif yüklerin akışıdır. Şimdi diyeceksiniz ki ama hocam elektriği eksi yüklü elektronlar üretir. Nasıl olur da elektrik akımı pozitif yüklerin akışı olur? Valla o konuda Benjamin Franklin’e kızacaksınız ama kızmayın bence:
1740’ların sonunda statik elektrikle ilgili deney yapan ve Frankenstein romanına da esin kaynağı olan Franklin’in zamanında elektronlar bilinmiyordu. Oysa pozitif yükler hakkında bilgimiz vardı. Ondan 150 yıl sonra J.J. Thomson elektrik akımını elektronların oluşturduğunu buldu. Öte yandan pozitif yük olarak da protonları bulmuştuk. Dahası Franklin sayesinde elektrik akımını pozitif yükle göstermeye alışmıştık. Dolayısıyla elektrik akımını elektronlar oluşturur ama biz bunu elektronların akış yönüne ters yönde akan pozitif yüklerle tanımlarız. Bu bilimde kemikleşmiştir. Peki elektrik akımı nedir ve nasıl ölçülür?
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Elektrik akımı ve enerji akışı
Öncelikle elektrik akımı ile enerjinin akış hızı aynı değildir. Bunu ayrı bir Starbasekozan videosunda ele alacağım ama enerji ışık hızında akarken elektrik buna göre çok yavaş akar. Üstelik akım hızı bakır tel gibi bir ortamın fiziksel özellikleri ve hatta sıcaklığına bağlıdır. Yine de akım hızı denklemini vereyim: ________I_______ Q * e * R^2 * pi = 0,0023 cm/saniye veya 8,4 cm/saat [#12 bakır telde 1,0 A ile]. Buradaki A amperdir ki elektrik akımını amperle ölçeriz. Bizim Türkiye’de elektrikler kesildi şeklinde ifade ettiğimiz ama doğrusu gücü kes / güç kesildi olan deyişteki “güç” de enerji akışıdır. Enerji akışına güç deriz ve onu da joule/saniye veya watt ile ölçeriz (kilovattaki vat budur).
Diğer yandan “alternatif akımda elektronlar ileri geri gitmekten telde ışık hızında yer değiştirmiyorsa AC akım elektrikli cihazlara nasıl güç sağlıyor” sorusuna gelince… Bunun yanıtı güçle değil yönle ilgilidir. Nitekim yukarıdaki denklem bize yön hakkında bilgi vermiyor. Elbette ki hareket halinde olan yükler (elektronlar) enerji taşır (buna kabaca elektrik deriz). Oysa bu akımla gücün aynı yönde “aktığı” anlamına gelmez. Neden derseniz:
Evrende bütün parçacıkların enerjisi vardır; çünkü enerji parçacıkların bir özelliğidir ve parçacıklardan türer. Buna karşın oyuncak arabaya pil takınca onu çalıştıran enerji pildeki elektronların enerjisinden gelmez. Bunun için klasik bir akkor ampule bakalım. Hani şu LED ampuller çıkmadan önce kullandığımız tungsten telli ampullerden birine… Şimdi anlatacağım şey elektrikli sistemlerin çalışma prensibi olup en karmaşık elektrik devreleri için bile geçerlidir.
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Ampul yakan elektrik akımı
Diyelim ki bu ampulü bir pille yakıyoruz ve bunun da artı ve eksi ucu var. Pozitif uçta enerji negatif uçtan yüksektir (ipucunu fark ettiniz mi?). Bu durumda pildeki yüklere yol verirseniz bunlar artı uçtan eksi uca akıp (elektrik akımı) daha düşük bir enerji düzeyine ulaşacaktır. Sonuç olarak ampul yandıkça ve ısıyla ışık saçtıkça pil tükenir. Resimde elektrik akımının yönünü görüyorsunuz. Oysa bir de enerji akımının yönü var. Bunu da Poynting Vektörüyle gösteririz.
Bu da adını John Henry Poynting adlı fizikçiden alır. Denklemdeki E, elektrik alanı ve B, manyetik alandır. Mu ise burada önemli olmayan bir sabit olup denklemin doğru sonuç vermesini sağlar. Bu denklem bize belirli alandan saniyede geçen enerji miktarını gösterir. Vektörler de enerji akışının yönünü gösterir. Resimdeki ampulün ışığı ve ısısı (ampulün yaydığı enerji) dört bir yönde dağılır. Bunu da 360 derece vektör oklarıyla gösteririz. Işık elektrik akımı ile enerji akışı arasındaki farkı anlamak için iyi bir örnektir.
Sonuçta ışık elektrik ve manyetik alan dalgalarının birbirine dik açı yaptığı bir elektromanyetik dalgadır. Öyle ki bu iki alandan birini bozunca (enerji yükleyince örneğin) ışığı oluşturan foton parçacıkları ortama enerji akışı başlatır (ikinci ipucunu fark ediyor musunuz?). Özetle Poynting vektörü sadece ışık değil, bütün elektromanyetik dalgalar, elektrik alanı ve manyetik alanlar için geçerlidir. Peki bu alanlar nasıl çalışır?
İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu
Elektrik akımı nasıl oluşur?
Bu kez kuantum elektrodinamiği ve kuantum alanlarını anlatmaya gerek yok. Bu işi aramızda klasik fizikle çözeceğiz… Statik elektrik yükleri elektrik alanını etkiler ve hareket eden yükler de (mesela elektrik akımı yaratan elektronlar) manyetik alanı etkiler. Klasik fizikte bu alanlar yüklerden etkilenir ve yükleri etkiler (yönünü, hızını vb. değiştirir). Öte yandan bu iki alan yüklere yapışık değildir ve aslında sonsuz bir faz uzayını doldurur. Özetle elektrik alanı ve manyetik alanın oluşturduğu elektromanyetik alan uzaya yapışıktır. Hareket eden yükler de resimdeki gibi akışlar yaratır.
Biz de manyetik alan, elektrik alanı ve enerji akışı yönlerini (bildiniz), Poynting vektörleriyle gösteririz. Elektromanyetik alan parçacıklara yapışık değildir derken kastımsa şudur. Elektromanyetik alanda hiçbir parçacık yoksa bu alan yok olmaz. Sadece değeri sıfır olur. Aynı şey ampul yakan, oyuncak araba ve başucu saati çalıştıran piller için de geçerlidir. Bir pili birbirine bağlı iki zıt yük gibi düşünebilirsiniz. Bu yükler elektrik alanını etkiler. Oysa Poynting vektörlerinde gördüğümüz gibi salt elektrik alanıyla enerji akışı olmaz. Bunun için manyetik alan da gerekir.
Elektrikli devre mantığıyla açıklarsak… Kendi başına duran bir pil durduk yere boşalmaz. En azından hızla ve belirli bir oranla boşalmaz. Bunun için pilin ampule takılı olması gerekir. Nitekim resimdeki kapalı devrede pilden çıkan elektrik akımını görüyorsunuz. Elektrik akımı yükleri hareket ettiriyor ve hareket halindeki yükler de manyetik alan oluşturuyor ama dikkatli bakın! Elektrik alanı ve manyetik alan birbirine dik açı yapıyor ama enerji akışı her ikisine birden dik açı yapıyor! Peki bu alternatif akım sorusu için ne anlama geliyor?
İlgili yazı: Hiçliğin Fiziği: Sıfır Noktası Enerjisi Nedir?
Elektrik akımı vektörleri
Poynting vektörleri bize enerjinin elektromanyetik alanla aynı yönde akmayacağını gösteriyor. Bu durumda evet, telden yavaş bir hızla akan elektronların enerjisi vardır. Oysa ampulü yakan enerji, pilden tele ve ampule akan elektronlardan, yani elektrik akımından gelmez. Elektrik akımı pil–tel–ampul kapalı devresiyle ortam arasında enerji farkı yaratır. Öyle ki elektrik akarken pil ortama enerji yayar ve pili deşarj eden asıl şey budur! Telefonu pilin elektronları çalıştırsa pil nasıl şarj olurdu?
Pil boşalır ve şarj olurken elektronları iki ucu arasında taşıyan bir kapalı devre değil mi? İçindeki elektronları tümüyle dışarı aktarmıyor ki! Bunun yerine pil elektrik akımı yaratırken yararlı bir iş yapıyor (termodinamik anlamda). Bu sırada ortamdaki elektromanyetik alana enerji veriyor. Öte yandan bu, ortamda enerji fazlasına yol açıyor ve kapalı devredeki ampulün de ortamdan enerji çekmesini sağlıyor. Ampul pilden değil, ortamdan enerji çakarak yanıyor! Tüm ipuçları bunu gösteriyor. 😊
Sonsöz
Yine de bunun için ampulün pilden elektrik akımı çekmesi gerekiyor. Özetle pil ampule elektrik akımı sağlarken dolaylı yollardan da enerji sağlıyor. Nitekim elektrik şebekesini düşünün. Elektromanyetik alan sonsuz olup evrenin tamamını sarar. Eğer TV’nizi çalıştıran enerji doğrudan şebeke elektriğinden, örneğin Keban Barajının elektronlarından gelseydi, düğmeyi basınca TV’nin açılması için kabaca 17 bin yıl beklemeniz gerekirdi. Sözün özü cihazları elektrik değil, elektromanyetik alan çalıştırır.
Siz de enerji nedir diye şimdi sorabilir ve enerjinin korunumu yüzünden neden acıkıyoruz konusunu merak edebilirsiniz. Evren hiçlikten mi oluştu sorusundan yola çıkarak kara delik termodinamiğine bakabilirsiniz. Yolda kuantum entropiye, Boltzmann beynine ve hatta Maxwell şeytanına uğrayabilirsiniz. Kendinizi cesur hissediyorsanız evreni genişleten vakum enerjisi nedir başlığını da inceleyebilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊
NASA, DART ile asteroit avlayacak
1Electric current
2Mechanism of Electric Power Generation from Ionic Droplet Motion on Polymer Supported Graphene
The Electrodynamics of Free and Bound Charge Electricity Generators using Impressed Sources and the Modification to Maxwell’s Equations
3Comparison of different methods of spatial disaggregation of electricity
