Elektrostatik Elektrostatik 1 1. BÖLÜM ELEKTROSTAT İK Yazar: Dr. Tayfun Demirtürk E-posta: tdemirturk@pau.edu.tr 2 ELEKTROSTAT İK: Durgun yüklerin etkilerini ve aralarındaki etkile şmeleri inceler. • Do ğada iki çe şit elektrik yükü bulunur: • Do ğada bulunan en küçük elektrik yükü, bir Elektronun yüküdür ve tüm yükler bir elektron yükünün tam katları şeklindedir. 1 e - = 1.6x10 -19 Coulomb (C) q=n.e • Elektrik yükleri arasında meydana gelen elektriksel kuvvet kendisini itme veya çekme kuvveti olarak gösterir. Basit Atom Modeli: P n e - e - e - e - e - e - e - e - e - e - (+) Yükler (-) Yükler proton (p) elektron (e - ) pozitron (e + ) • Zıt i şaretli elektrik yükler birbirini çeker, • Aynı i şaretli elektrik yükler birbirlerini iterler. • 1 e - = -1.6x10 -19 Coulomb (C) • 1 e + = +1.6x10 -19 Coulomb (C) • 1 p = +1.6x10 -19 Coulomb (C) • 1m e - = 1m e + ve 1m p = 1m n • 1m p /1m e ? 1840 Nötr bir atomda: n proton = n elektron Z(atom numarası) = n proton A(kütle numarası) = n proton + n nötron 3 Durgun elektrik yüklerinin etrafında bir elektrik alan vardır ve bu elektrik alan çizgileri: Zıt yükler birbirlerini çekerler: zıt yüklerin elektrik alan çizgileri sonsuz uzayda birle şirler. Aynı i şaretli yükler birbirlerini iterler: aynı i şaretli yüklerin elektrik alan çizgileri sonsuz uzayda asla birle şmezler, birbirlerinden uzakla şırlar. • Do ğadaki tüm elektriksel olaylar elektronlar tarafından gerçekle ştirilir. Sakın protonları ya da atom çekirde ğini hareket ettirmeyin, niye? • Maddeleri elektrik geçirgenliklerine göre 3 sınıfa ayırabiliriz. • Üç tür elektriklenme çe şidi vardır. Bunlar: etkiyle, dokunmayla ve sürtünmeyledir. - + + - + + 1. İletkenler: metaller,......... 2. Yarı iletkenler: Si, Ge,........ 3. Yalıtkanlar: ka ğıt, cam, plastikler 4 Yüklerin Korunumu Kanunu: Kapalı bir sistemde toplam yük daima sabittir, yani: Kapalı bir sistemde etkile şmeden önceki yüklerin toplamı, etkile şmeden sonraki yüklerin toplamına e şittir. İşte bu olaya yüklerin korunumu kanunu denir. ?q önce = ?q sonra Elektrik yükü skaler bir ifadedir. Yüklerin toplamı i şleminde yüklerin i şaretini i şlemin içine dâhil ederiz. Tüm skaler i şlemlerde de yüklerin i şareti i şleme dâhil edilirler ancak vektörel i şlemlerde vektörün büyüklü ğü hesaplanırken yüklerin i şareti i şleme dâhil edilmezler sadece yön tayininde kullanılırlar. Elektroskop: Bir cismin yüklü olup olmadı ğını veya sınama yükü yardımıyla yüklü cismin yükünün cinsini (i şaretini) tanımamıza yardımcı olan alete denir. Topuz hangi cins elektrik yükü ile yüklenirse yapraklarda aynı cins elektrik yükü ile yüklenir ve açılırlar, açıklık miktarı yük miktarı ile do ğru orantılıdır. Topraklama: Yüklü ve iletken bir cismin üzerindeki elektrik yüklerinin, cisim ve dünya (toprak) arasında ba ğlanan iletken bir kablo aracılı ğıyla nötr yapılması olayına topraklama denir. Topraklama bir nevi çok küçük yarıçaplı iletken ve yüklü bir kürenin çok büyük yarıçaplı iletken yüklü veya yüksüz iletken bir küreye dokundurulması sonucu yüklerinin tamamını bu küreye aktarması olayına benzetilebilir. Topuz (Metal) Metal gövde ve yapraklar Yalıtkan ayak Cam fanus Topraklama sembolü Ayrıca toprak daima nötr kabul edilir. + - + - + - + - + - 5 Tekrar hatırlatıyorum tüm elektriksel olaylar elektronlar tarafından meydana getirilir. • İletken ve yüklü bir cismin yükleri daima iletken cismin dı ş yüzeyine (e ş-potansiyel, cismin içindeki elektrik potansiyel yüzeye kadar sabit ve her yerde aynı, olarak) da ğılırlar, cisim ister dolu olsun isterse bo ş. İletken bir cismin içindeki toplam yük daima sıfırdır, dolayısıyla elektrik alanda. • Nötr bir cisim e - kazanırsa cisim (-) yüklenir • Nötr bir cisim e - kaybederse cisim (+) yüklenir Sürtünme ile elektriklenme: Nötr iki cisim birbirlerine sürtülürse, sürtünme sırasında cisimlere bir ısı enerjisi aktarılır, aktarılan bu enerji cisimlerin birindeki zayıf ba ğlı ya da serbest durumdaki elektronların bir kinetik enerji kazanmasına sebep olur, i şte serbest kalan bu elektronlar di ğer cisme geçerek bir cismin elektron kaybetmesine (cismin + ile yüklenmesine) bu elektronu alan cisminde elektron kazanmasına (cismin – ile yüklenmesine) sebep olurlar. Bu olayda yüklerin korunumu kanununa göre: kaybedilen elektron sayısı, kazanılan elektron sayısına e şit olmalıdır. Y a n i , ?q önce = ?q sonra ?q iç =0 V iç =sabit E iç =0 + + + + + + + + + + + + + + + + + - + - + - + - + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - 6 Etki ile elektriklenme: Elektriksel bir kuvvetin etkisi altında kalan yüklü cisimler ve elektrik yükleri harekete zorlanır, üzerine etkiyen bile şke kuvvet do ğrultusu ve yönünde. Örnekler: + + + + + + + + + - + - + - + - + - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + - + - + - + - + - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + - + - + - + - + - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + - + - + - + - + - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + - + - + - + - + - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + - + - + - + - + - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + - + - + - + - + - + + + + + + + + + - + - + - + - + - - - - - - - - - + - + - + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7 - - - - - - - - - - - - + - + - + - + - + - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + - + - + - + - + - + + + + + + + + + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - - - - - - - - - - - - - + - + - + - + - + - - - - - - - - - - - - - + - + - + - + - + - + + + + + + + + + - + - + - + - + - - - - - - - - - - - - - + - + - + - + - + - + + + + + + + + Not: Yüklü bir cisim yüksüz iletken bir cismi çeker, nasılmı? 8 • Yüklü iletken bir cismin Elektrik Alan ve Elektrik Potansiyeli: Dokunma ile elektriklenme: • Birbirlerine dokundurulan farklı yüzey potansiyellerine sahip, yüklü ve iletken iki cisim birbirlerine sadece dı ş yüzeyleri temas edecek şekilde dokundurulurlarsa, dokunma noktalarında ortak bir potansiyele sahip oluncaya kadar aralarında bir yük (elektron) geçi şi olur. • Cisimler ortak potansiyele ula ştıklarında aralarındaki yük (elektron) geçi şide durur. İşte bu durumda cisimlerin yüzeylerindeki elektrik potansiyelleri birbirine e şittir. • Dolayısıyla, e ğer dokunma olayı gerçekle şmeden önce cisimlerin yüzey potansiyelleri birbirine e şit ise bu cisimler birbirlerine dokundurulduklarında aralarında bir yük (elektron) geçi şi olmayacaktır. • Elektron daima alçak potansiyelden yüksek potansiyele do ğru hareket eder. • E ğer, yüklü ve iletken bir (A) cisminin dı ş yüzeyi yüklü ya da yüksüz iletken ba şka bir (B) cisminin iç yüzeyine dokundurulursa, cisimlerin geometrik yapıları ve yüklerinin miktarı ne olursa olsun A cismi yüklerinin tamamını B cismine aktarır. • Yüklü ve iletken bir cisim yüksüz ve iletken bir cisme dokundurulursa, ba şlangıçta yüksüz olan cisimde aynı cins elektrik yükü ile yüklenir. • Tüm yukarıdaki olayların gerçekle şmesi esnasında yüklerin korunumu kanununa uyulur yani toplam yük daima sabit kalır. V = sabit -r ? d ? +r d q k V = r d ± > ? q iç = 0 V iç = sabit E iç = 0 V E d d +r +r -r -r E = 0 -r < d < +r 2 d q k E = r d ± ? 9 Dokunma ile elektriklenme: Küresel ve iletken cisimlerin dı ş yüzeylerinin birbirine temas ettirilerek elektriklenmesi: q A r A q B r B q A ’ r A q B ’ r B V A =V B r A ?r B V ortak q A r A q B r B q A ’ r A q B ’ r B V A ?V B r A =r B V ortak q A r A q B r B q A ’ r A q B ’ r B V A ?0 ve V B =0 r A <