Hemen her gün elektrik akımının birçok etkisi ile yüz yüze gelmekteyiz. Evlerimizdeki lambalar, ısıtıcılar, telefon, televizyon… hepsi elektrik akımının bir etkisinden faydalanılarak geliştirilmiş cihazlardır.
Isı Etkisi
Soğuk havalarda hepimizin üşüdüğümüzde ellerimizi bir birine sürterek ısındığımız olmuştur. Peki, böyle yaptığımızda ne oluyor da ısınıyoruz? Sürtünme sonucu ellerimizdeki atomların kinetik (hareket) enerjisini arttırıyoruz. Yani aslında sadece bir enerji dönüşümü gerçekleştiriyoruz. Elektrik akımının ısı etkisinden faydalanılarak işlerimizi kolaylaştıran birçok cihaz yapılmaktadır. Evlerimizdeki elektrikli ocaklar, ısıtıcılar, fırınlar bunlara örnek gösterilebilir.
Elektrik enerjisinin ısı etkisinden evlerimizde faydalandığımız gibi farklı endüstri kollarında da kullanımı çok yaygındır, ancak elektrik akımının ısı etkisinin istenmediği durumlar da söz konusudur. En basitinden kullanımı gittikçe azalsa da evlerimizdeki akkor flamanlı lambalar iyi bir örnek teşkil edebilir. Bu lambaların kullanım amacı aydınlatma olmasına karşın ışık verimlerinin %10 civarında olması ve enerjinin çoğunu ısıya dönüştürmeleri istenmeyen bir durumdur.
Benzer şekilde bilgisayarınızın güç kaynağında fan bulunmaktadır, çünkü akım geçen devre elemanları fazlaca ısınmakta ve soğutulmazlarsa bozulma riski bulunmaktadır. Yine trafolar, elektrik motorları vb. birçok elektrikli makinelerde ısınma, hem enerji kaybına hem de soğutma zorunluluğu yüzünden ekstra harcamalara neden olmaktadır.
• Akım Geçiren İletkenlerin Isınması
Aslında ellerimizi sürterek ellerimizi ısıtmamız ile bir iletkenden akım geçirilince iletken telin ısınması sırasında aynı olaylar geçekleşmektedir. Tek farkla ki iletken telde bu işi elektrik akımı yapmaktadır. Bir iletkenden akım geçirilince elektronların atomlarla ve başka elektronlarla çarpışmaları sonucu iletken telin toplam kinetik enerjisinin artmasına neden olmaktadır. İletken telde artan (oluşan) ısı ise daha az ısıya sahip olan ortama yayılmaktadır.
İletkenlerin ısınma düzeyleri, iletkeni oluşturan atom ya da moleküllerin elektrik akımına (elektronların geçişine) izin verme oranına bağlıdır. Yani akım bir iletkenden daha kolay geçiyorsa iletken tel daha az ısınır. Daha zor geçiyorsa, (sürtünme ve çarpışmalardan dolayı) iletken tel daha çok ısınır.
• İletkenlerin Kabul Edilebilir Isınma Düzeyleri
Isıtıcı yapımında kullanılan iletkenlerin tersine, akım taşıyan iletkenlerin ısınması istenmez, çünkü iletken ısınınca enerji kaybına neden olur. Bunun da ötesinde aşırı ısınmayla eriyerek yangın gibi istenmeyen olaylara sebebiyet verebilir. Yine de üzerinden akım geçen her iletken bir miktar ısınır. İletkenlerin ısınma miktarları, yapıldıkları maddenin cinsine göre farklılık arz eder.
Yine yapıldıkları malzemenin cinsine göre her iletkenin dayanabileceği azami bir sıcaklık değeri vardır. Bu sınır sıcaklığı, iletkenin erime sıcaklığı da göz önünde bulundurularak yalıtım malzemesinin erime sıcaklığına göre belirlenir.
İletkenlerin ısınma düzeyleri normal çalışma ve kısa devre durumunda farklılık arz eder. İletkenler (malzeme cinsi ve kalitesine bağlı olarak) çok kısa bir süre yüksek sıcaklıklara dayanabildikleri için kısa devre sınır sıcaklık değerleri normal çalışma sınır sıcaklığından daha yüksektir.
İletken üretim firmaları farklı amaçlara yönelik, farklı çeşitlerde iletkenler üretmektedirler. Firmalar, çeşitli hesaplar ve testler sonucunda bir iletkenin taşıyabileceği azami akımı, dayanabileceği azami sıcaklığı vb. bilgileri kablo kataloglarında belirtirler.
İletken seçimi, iletkenin hangi amaçla, nerede ve hangi şartlarda kullanılacağının tespiti yapıldıktan sonra kataloglardan yararlanarak yapılabilir.
• Joule Kanunu
Joule kanunu, bir iletkende üretilen (dönüştürülen) ısı miktarının nelere bağlı olduğunu ortaya koyar. Joule kanununa göre bir iletkende ortaya çıkan ısının miktarı, iletkenin direncine bağlı olarak üzerinden geçirilen akımın karesi ve akımın geçme süresi ile doğru orantılıdır. Matematiksel ifadesi Q = I² . R . t (Joule) dir.
Eşitlikteki sembollerin anlamları ve birimleri aşağıdaki gibidir:
Q: İletkendeki ısı miktarı (Joule – J)
I: İletkenden geçen akım (Amper – A)
R: İletkenin direnci (Ohm – Ω)
t: Akımın geçme süresi (Saniye – sn)
Isı birimi olarak günümüzde genellikle kalori (Calori-Cal) kullanıldığı için joule, kaloriye dönüştürülür ve formül de Q = 0.24 . I2 . R . t şeklindedir.
• Isı Etkisinin Endüstride Kullanım Yerleri
Evlerimizdeki ısıtıcılardan, ütülerden, fırınlardan tutun da endüstrinin birçok kolunda elektrik akımının ısı etkisinden faydalanılmaktadır. Elektrik akımının ısı etkisi endüstriyel fırınlarda, döküm işlerinde, kaynak işleri vb. işlerde direkt olarak kullanılmaktadır.
Ayrıca elektrik akımının ısı etkisi dikkate alınarak ya da ondan faydalanılarak birçok kontrol elemanı ya da aygıtı yapılmakta ve kullanılmaktadır. Örneğin, evinizdeki elektrikli sobanın yaydığı ısı, akımın ısıtıcı telinden geçmesi ile ilgiliyken ayarladığınız sıcaklıkta ısıtıcının devre dışı kalması (çalışmasının durması) bir kontrol elemanı olan termistör ya da termostatla ilgilidir. İşte bu elemanlar elektrik akımının ısı etkisi dikkate alınarak yapılmış elemanlardır.
Yukarıdaki örneğe benzer şekilde elektrik akımının ısı etkisi dikkate alınarak sigorta, termik röle gibi çeşitli devre koruma elemanları, termik ölçü aletleri gibi ölçme aletleri ve termistörler, termostatlar gibi kontrol elemanları yapılmakta ve endüstride kullanılmaktadır. Bu elemanların bir kısmı evlerimizde de kullanılmaktadır.
• Elektrikli Isıtıcı Hesapları
Elektrik akımı metallerden geçerken metalin cinsine göre farklı miktarlarda ısı üretir. Özdirençleri yüksek teller daha çok ısı üretirler. Isıtıcı tel (rezistans) olarak ısıya dayanaklı teller tercih edilmektedir. Verim/dayanıklılık oranı göz önüne alındığından ısıtma teknolojisinde genellikle krom-nikel teller kullanılmaktadır. Krom-nikel tellerin tercih edilme sebebini anlamak için krom-nikelin öz direnç değeri olan bazı metallerin özdirenç değerleri ile karşılaştırmak yeterlidir.
Isıtıcı hesaplarında kullanılacak telin cinsi belirlendikten sonra hangi güçte bir ısıtıcı yapılacağına karar verilir. Bu kararı ihtiyaçlar ya da pazar durumları belirler. Isıtıcının çalışma gerilimi de göz önünde bulundurularak belirlenen gücün elde edilebilmesi için telin uzunluğu ve çapının hesabına geçilir.
Işık Etkisi
Elektrik akımı bazı metallerden veya gazlardan geçerken bu maddelerden ışık yayıldığı görülür. Elektrik akımının geçtiği maddelerin ısındığını biliyoruz. Akım geçen ortamın (iletkenin) atomları ısındığında, elektronları ekstra bir enerji kazanırlar. Toplam enerjileri çekirdeğin çekim gücünü yendiği takdirde bir üst enerji bandına sıçrarlar.
Atomu uyaran etki geçtiğinde ya da azaldığında atom çok kısa bir sürede soğumaya başlar ve elektronların enerjileri de azalmaya başlar. Enerjileri azalarak çekirdeğin çekim gücüne yaklaşınca eski enerji bandına dönmek zorunda kalırlar. Ancak enerjileri hala ilk enerji miktarından fazladır. İşte elektronlar eski yörüngelerine dönerken bu (artık) enerjiyi foton parçacıkları halinde etrafa yayarlar.
Milyarlarca atomdaki milyarlarca elektronun yaydığı milyarlarca foton birleştiğinde etrafı aydınlatan ışık üretilmiş olur. Elektrik enerjisinin ışık etkisinden faydalanma alanı oldukça geniştir. Aydınlatmadan tutunda eğlence sektörüne, teşhis ve tedavi amaçlı tıp uygulamalarından haberleşme teknolojisine, baskı teknolojilerinden güvenlik uygulamalarına, otomatik kontrol uygulamalarından bilimsel amaçlı test ve ölçüm uygulamalarına kadar birçok alanda kullanılmaktadır.
Örneğin, evler ve iş yerlerindeki aydınlatma amaçlı lambalar, televizyon ve benzeri cihazların kumandaları, hemen bütün cihazlarda bulunan ve çalışıp çalışmadığını gösteren ledler daha somut örnekler olarak sıralanabilir.
Manyetik Etkisi
Demir, nikel, kobalt gibi metalleri çekme özelliği gösteren metallere mıknatıs dendiğini biliyoruz. Mıknatıslar doğal ve yapay olmak üzere iki çeşittir. Doğal mıknatıs, demirin (Fe) oksijenle (O2) oluşturduğu Fe3O4 bileşiğidir. Yapay mıknatıslar ise demir, nikel, kobalt gibi malzemelerin alaşımlarının mıknatıslandırılması (mıknatıs etkisine sokulması) ile elde edilir.
Mıknatısın etkisinin görüldüğü alana manyetik alan denir. Manyetik alan, kuvvet çizgileri şeklinde de ifade edilir. Dünyamız da kendisini çevreleyen bir manyetik alana sahiptir ve pusulanın çalışmasını bu alana borçluyuz.
Üzerinden akım geçirilen iletkenlerde de manyetik alan oluşmaktadır. Elektrik akımının manyetik etkisinin kullanım alanı oldukça geniştir. Gerilim dönüştürücü ve daha başka amaçlı trafolar, elektrik motorları, haberleşme sinyallerinin üretimi, iletimi ve alınması, indüktif sensörler, mikro dalga uygulamaları, elektrik akımının manyetik etkisini kullanır. Sektörel anlamda, enerji, haberleşme, güvenlik, tıp vb. alanlarda kullanımı yaygındır.
• Manyetik Maddeler
Manyetik alandan etkilenen ya da manyetik alanı etkileyen maddelere manyetik maddeler denir.
Demir gibi yumuşak malzemeler kolay mıknatıslanırlar ancak mıknatıs etkisinden uzaklaşınca manyetik (mıknatıs) özelliklerini kolay kaybederler. Nikel ve kobalt gibi sert malzemeler ise daha zor mıknatıslanırlar ancak mıknatıslık özelliklerini yumuşak malzemelere göre daha uzun süre koruyabilirler.
Alüminyum, nikel ve kobaltın alaşımından yapılan yapay mıknatıs ise mıknatıslandıktan sonra bu özelliğini hiç kaybetmez.
Manyetik maddeler özelliklerine göre üç başlık altında incelenebilir.
Ferromanyetik Madde: Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den çok büyük olan maddelerdir. Böyle maddeler manyetik alana konursa mıknatıslanırlar ve bölgedeki manyetik alan şiddetini alırlar. Kobalt, nikel, demir gibi maddeler ferromanyetik maddedir.
Paramanyetik Madde: Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den biraz büyük olan maddelerdir. Bunlar manyetik alana konursa çok az mıknatıslanırlar ve bulundukları bölgede alan şiddetini biraz arttırırlar. Alüminyum, manganez gibi maddeler paramanyetik maddedir.
Diyamanyetik Madde: Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den biraz küçük olan maddelerdir. Bunlar manyetik alana konulduklarında alana zıt yönde ve zayıf olarak mıknatıslanırlar. Bulundukları bölgedeki manyetik alan şiddetini azaltırlar.Bakır, gümüş, bizmut ve karbon gibi maddeler diyamanyetik maddelerdir.
• Manyetik Olmayan Maddeler
Manyetik alandan etkilenmeyen maddelere manyetik olmayan maddeler denir. Manyetik olmayan maddeler, kağıt, lastik, plastik, cam, mika, seramik, tahta vb. şeklinde sıralanabilir.
• Mıknatıs Kutupları
Mıknatısın itme ya da çekme kuvvetinin en yoğun olduğu bölgeler, mıknatısın kutuplarıdır. Bir mıknatısın N (North) ve S (South) olmak üzere iki kutbu vardır. Bir mıknatıs parçalara bölündükçe her bir parça yine iki kutuptan oluşan bir mıknatıs özelliği gösterir. Farklı iki mıknatıs birbirlerine yaklaştırıldığında aynı kutupların (N-N ya da S-S) birbirini ittiği, zıt kutupların (N-S ya da S-N) ise birbirlerini çektiği görülür.
• Manyetik Alan
Manyetik alan, bir mıknatısın kuvvetinin etkili olduğu alandır. Bu etki, bir mıknatısın etrafına demir tozları döküldüğünde tozların, kutupların bölgesinde yoğun olmak üzere mıknatısın etrafında çizgiler meydana getirmesinden anlaşılır. Bu nedenle manyetik alan, alan çizgileri ya da manyetik kuvvet çizgileri şeklinde de ifade edilmektedir.
• Manyetik Kuvvet Çizgilerinin Özellikleri
- Kuvvet çizgileri kapalı bir devre oluşturacak şekilde ilerlerler.
- Kuvvet çizgileri birbirlerini iterler (birbirlerine paralel ilerler) ve bu nedenle de kesişmezler.
- Kuvvet çizgilerinin yönü dışarıda N kutbundan S kutbuna doğrudur.
- Manyetik kuvvet çizgileri her maddeyi etkilemese de her maddeden geçerler.
- Zıt yöndeki kuvvet çizgileri birbirlerini zayıflatırlar.
- Aynı yöndeki kuvvet çizgileri, manyetik alanı kuvvetlendirir.
• İletken Etrafında Oluşan Manyetik Alan ve Bunun Zararlı Olduğu Ortamlar
Bir iletkenden akım geçirilince iletken etrafında bir manyetik alan oluşur. Tıpkı mıknatısta olduğu gibi bu alanın da itme ve çekme özelliği vardır.
İletken etrafında oluşan alanın yönü sağ el kuralı ile bulunur. Kurala göre iletken avuç içine alacak şekilde tutulduğunda ve başparmak akımın yönünü, kalan dört parmak ise iletkende oluşan manyetik alanın yönünü gösterir.
Girişte de değinildiği gibi elektrik akımının manyetik etkisinden faydalanma alanları oldukça fazladır. Buna karşın birçok zararlı etkileri de söz konusudur. Manyetik alanın ve elektrik alanının yaydığı dalgalara elektromanyetik dalga denmektedir.
Bazı dalgaların canlılar üzerinde birtakım olumsuz etkileri olmaktadır. Halâ tartışmalar sürse de bu dalgaların insanın bağışıklık sistemini zayıflattığı ve kanser türü hastalıklara neden olduğu söylenmektedir.
Bir sistemin manyetik alanı, iyi bir manyetik yalıtım yapılmazsa başka sistemlerin çalışmasını olumsuz etkileyebilir. Örneğin, televizyon ya da bilgisayarın yanında cep telefonu faaliyete geçince hem parazit sesleri duyulur hem de ekran görüntülerinde bozulmalar olur.
Benzer şekilde, yakından geçen bir arabanın yaydığı manyetik alanlar sonucu radyonun alıcı devresini etkilemesi ve üretilen seslerin bozulması da bir örnek olabilir. Özellikle elektronik yöntemlerle hassas sistemlerde ve hassas ölçümlerin yapıldığı yerlerde bu etki sakıncalı sonuçlar doğurabilir. Örneğin, birtakım önlemler sonucunda cep telefonları birçok ulaşım aracında kullanılabilse de hala cep telefonlarının kullanımının sakıncalı (yasak) olduğu toplu taşıma araçları bulunmaktadır.
Manyetik alanın sakıncalarını maddeler halinde sıralayacak olursak:
- Canlı metabolizmasını bozarak halsizlik, yorgunluk ve bir takım hastalıklara sebebiyet verebilir.
- Ölçüm cihazlarını etkileyerek yanlış ölçümlere neden olabilir.
- Bazı elektronik cihazların çalışmaları üzerinde olumsuz etkileri görülebilir.
• Elektromıknatıs ve Kullanım Alanları
Elektromıknatıs, bir manyetik nüve ve nüvenin üzerine sarılan bir bobinden oluşur. Bir iletkenden akım geçirildiğinde etrafında bir manyetik alanın oluştuğunu biliyoruz. Bir bobinden akım geçirildiğinde ise etrafında daha güçlü bir manyetik alan oluşur ve bu alan, nüve üzerinden dolaşarak nüvenin mıknatıs özelliği göstermesini sağlar.
İletken telin üst üste sarılmasının nedeni birim alandaki manyetik alan şiddetini artırmaktır, çünkü oluşan manyetik alan miktarı telin boyu ile doğru orantılıdır. Düz bir elektromıknatısta alanın yönü sağ el kuralına göre bulunur. Sağ elin dört parmağı akımın yönünü gösterecek şekilde tutulduğunda başparmak alanın yönünü (N kutbunu) gösterir.
Elektromıknatıslar, evlerde iletişim araçlarının mikrofon ve hoparlörlerinde, çamaşır makinesi, buzdolabı gibi cihazların motorlarında, birçok elektronik cihazın adaptörlerinde, kaçak akım ve aşırı akım rölelerinde, sigortalarda, kumandanda röleleri ve kontaktörlerde vb. yerlerde kullanılır.
Elektromıknatısın kullanım alanlarından bazılarını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz.
- Radyo, televizyon, müzik çalar gibi cihazların hoparlörlerinde, mikrofonlarda,
- Evlerdeki tokmaklı kapı zilinde; buzdolabı, çamaşır makinesi gibi cihazların motorlarında, araba marş motorlarında, evlerde, iş yerlerinde ve endüstrinin hemen her kolunda kullanılan çok değişik tipteki motorlarda,
- Evlerdeki adaptörlerin trafolarında, enerji iletiminde kullanılan gerilim dönüştürücü trafolarda ve yine hemen her cihazda kullanılan gerilim uygunlaştırıcı trafolarda kullanılır. Ölçme (ölçme alanını genişletme) amaçlı trafolar da kullanılabilir.
- Koruma amaçlı röleler, şalterler ve kumanda amaçlı röle ve kontaktörlerde, sigortalarda kullanılır.
- Haberleşmede ses ve görüntü iletiminde,
- Arama ve güvenlik amaçlı endüktif dedektörlerde,
- Hızlı (manyetik) trenlerde,
- Metal ayıklama sistemlerinde ve vinçlerde,
- Atom laboratuarlarında parçacık hızlandırıcılarda kullanılır.
Elektromıknatıs nüvesi yumuşak demirden ya da aynı özellikteki saçlardan yapılır. Çünkü elektromıknatısın akımı kesildiğinde nüvenin de manyetik özelliğinin sona ermesi gerekir.
Kimyasal Etkisi
Elektrik akımı bazı sıvı bileşiklerden geçirilince (asitli bazlı tuzlu su) sıvı iyonlarına ayrılır ve bu iyonlar elektron taşıyıcısı durumuna geçerek sıvıdan elektrik akımının geçmesini sağlarlar.
• Elektroliz
Elektrolizin, özellikle metalürji ve galvanoteknikte olmak üzere birçok kullanım alanı vardır. Elektroliz düzeneği, bazı metallerde değişiklikler meydana getirmek ve bazı gazların üretimi için kullanılır. Metallerin saflaştırılması, sertleştirilmesi, kaplanması vb işlemlerin bir kısmı elektrolizle de yapılmaktadır.
• Piller
Piller, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren kaynaklardır. Pillerden doğru akım (DA/DC) elde edilir. Piller, günümüzün (düşük güçlü mobil cihazlar için) vazgeçilemez enerji kaynaklarından biri durumuna gelmişlerdir. Artık şarjlı (yeniden doldurulabilen) ve şarjsız (yeniden doldurulamayan) piller çok değişik tiplerde üretilmekte ve bunlardan en az birini nerdeyse her an yanımızda taşımaktayız.
Pillerin yapımında kullanılan elektrot ve bileşik çeşitleri geniş bir yelpaze teşkil etmektedir. Özellikle yeniden doldurulabilen pillerin birçoğunun elektrolitleri ve içerdikleri bileşiklerin oranları nerdeyse ticari bir sır niteliğindedir. Birçok pilin tek bir kap içerisinde seri bağlanmasıyla elde edilen pil grubuna batarya denmektedir ve daha yüksek gerilim ve kapasite isteyen cihazlarda bunlar kullanılmaktadır.
Kullanılmayan pil kullanılandan daha önce ömrünü tamamlar. Piller hayatımızı bunca kuşatmışken onları daha iyi tanımalı, nasıl kullanacağımızı, kullanım süreleri bitince nasıl davranacağımızı bilmemiz gerekmektedir. Ticari piller şarj edilebilir olup olmamasına göre iki grupta incelenebilir.
Tek kullanımlık piller (birincil piller) üreten firmaya, içerisindeki malzemeye bağlı olarak gerilimleri aynı olmakla birlikte farklı enerji potansiyellerine sahiptirler. Tekrar doldurulabilen (şarjlı) piller (ikincil piller) ise yine üretilen firma ve yapımında kullanılan malzemeye bağlı olmak üzere farklı gerilimlere ve farklı enerji kapasitelerine sahiptirler.
Piller kullanıldıktan ya da ömürlerini tamamladıktan sonra içerdikleri zararlı bileşikler nedeniyle çöpe atılmamalı, geri dönüşüm kutularına bırakılmalıdırlar. Pil alacağımız zaman ihtiyacımızı iyi belirler ve pilleri de iyi tanıyarak seçimimizi ona göre yaparsak daha ekonomik ve daha akıllı davranmış oluruz.
