NOT: Bu ders notundaki veriler internet ortamındaki kaynaklardan derlemedir.
Atom
|
Atom
|
|
Helyum atomunun orantılı bir gösterimi. Elektron bulutunun koyuluğu 1s elektron orbitalinin olasılık fonksiyonu üzerinden alınmış bir "görüş çizgisi" integraline karşılık gelmektedir. Büyütülmüş resimdeki çekirdek şematiktir ve protonlar pembe, nötronlar ise mor ile gösterilmiştir. Gerçekte, çekirdeğin (ve her bir nükleonun) dalga fonksiyonu küresel simetriye sahiptir (ancak, daha karmaşık çekirdekler için durum farklıdır).
|
|
|
|
Sınıflandırma
|
|
Bir elementin en küçük bölümü
|
|
|
Özellikler
|
|
Kütlesi
|
≈ 1.67 × 10-27 kg (H) ~
≈ 395.13 × 10-27 kg (U)
Kaynak: İngilizce Wikipedia [1][2]
|
|
Çapı
|
25 pm (H) ~ 260 pm (Cs)
Kaynak: İngilizce Wikipedia [3]
|
|
Elektrik yükü
|
Sıfır (eğer atomdaki elektronların sayısı protonlarınkine eşitse)
|
|
Atom Yunanca atomos, bölünemez anlamına gelir. Bir kimyasal elementin bütün özelliklerini taşıyan en küçük parçacığıdır. Gözle görülmesi imkânsız, çok küçük bir parçacıktır ve sadece taramalı tünel mikroskobu (atomik kuvvet mikroskobu) ile incelenebilir. Bir atomda, a yapılı çekirdeği saran negatif yüklü bir (elektron) bulutu vardır. Çekirdek ise pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşur. Atomdaki proton sayısı elektron sayısınına eşit olduğunda atom elektriksel olarak yüksüzdür. Elektron ve proton sayıları eşit değilse bu parçacık iyon olarak adlandırılır. İyonlar oldukça kararsız yapılardır ve yüksek enerjilerinden kurtulmak için ortamdaki başka iyon ve atomlarla etkileşime girerler.
Bir atom, sahip olduğu proton ve nötron sayısına göre sınıflandırılır: atomdaki proton sayısı kimyasal elementi tanımlarken, nötron sayısı da bu elementin izotopunun tanımlar. Her elemetin radyoaktif bozunma veren en az bir izotopu vardır.
Elektronlar belirli enerji seviyelerinde bulunur ve foton salınımı veya emilimi yaparak farklı seviyeler arasında geçişlerde bulunabilirler. Elektron, elementin kimyasal özelliklerini belirlemesinin yanısıra atomun manyetik özellikleri üzerinde de oldukça etkilidir.
Atom'un Tarihi
Aristoteles'in (M.Ö. 384-322) maddeye bakışı, kendinden önce yaşamış olan filozoflara olan tepkisini ifade eder. O, Empedocles'in düşüncesine katılmış ve her şeyin dört ana maddeden yapıldığını savunmuştur. Bu dört ana madde ateş, su, toprak ve havadır. Bu dönemi izleyen çağlarda bu düşüncelere bir ilave yapılmadı, ilk kez 19. yüzyılda John Dalton modern atom kavramını ortaya attı. Dalton, kimyasal reaksiyonlarda maddenin tam sayılarla belirlenen oranlarda tepkimeye girdiğini gösterdi ve dolayısıyla, maddelerin atom denen sayılabilir ama bölünemez parçalardan oluştuğunu ifade etti. Buna ek olarak, atomların kütlelerini ortaya koyan bir tablo hazırladı.
J.J. Thomson 1897 yılında elektronu keşfetti. 1900'lü yılların başlarında Ernest Rutherford günümüz atom modelinin temelini teşkil eden yapıyı ortaya koydu: atomun, kütlesinin büyük bir kısmını oluşturan bir çekirdek ve bu çekirdek etrafında dönen elektronlardan oluşmaktadır. Rutherford çekirdeği oluşturan pozitif yüklü parçacığa proton adını verdi.
1932 yılında James Chadwick nötronu (adı; elektrik yükü 0 olduğundan, yani nötr olduğundan nötron olmuştur.) buldu ve bu sayede 1935'te Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Daha sonra kuantum teorisi doğrultusunda Niels Bohr, Bohr atom modelini ortaya attı ve elektronların belli yörüngelerde bulunabildiğini ve bunun Planck sabiti ile ilgili olduğunu ifade etti. Bohr'un modelinin üzerinde, daha sonraki deneylerde bulunanlarla örtüşmesi için birçok ekleme ve çıkarma yapıldı. Bohr modelinin "yamalı bohça" lakabını alması bundan ileri gelmektedir.
Yapısı
Niels Bohr'un modeli ise modern atom teorisine en yakın modeldir.Bohr'a göre elektronlar çekirdeğin çevresinde rastgele yerlerde değil,çekirdekten belirli uzaklıklarda bulunan katmanlarda döner.Bohr da tasarladığı bu modelle Nobel ödülüne de layık görüldü.
Atomun yapısını açıklayan ve bugün için kabul edilen son teori Kuantum Atom Teorisi'dir.Kuantum Atom Teorisi'ne göre atom modeli Bohr atom modelinden farklıdır.Bohr Atom Modeli'ne göre atomun merkezindeki çekirdeğin etrafında elektronlar çember şeklindeki yörüngelerde dolanmaktadırlar. Herbir çember yörünge belli enerji seviyesine sahiptir. Yörüngeler arası elektronik geçişler atomun renkli görünmesine neden olur. Ancak belli bir zaman sonra Bohr atom modelinin birçok spektrumu açıklayamadığından yetersizliği ortaya çıkmıştır.
Kuantum Atom Modeli'ne göre ise atomun merkezinde bulunan çekirdeğin etrafındaki elektronlar belli bölgelerde yani orbitallerde bulunurlar. Belli enerji seviyelerine sahip orbitaller atomu oluşturan küresel katmanlarda bulunur. Portakal kabuğu şeklinde iç içe geçmiş küresel katmanlardaki orbitallerin belli şekilleri ve açıları(yönelmeleri) mevcuttur. Orbitallerin bulunduğu katmanların enerji seviyelerinin başkuantum sayısı belirler. n = 1,2,3,. . .gibi tam sayılarla ifade edilir. Orbitallerin şeklini ise l yan kuantum sayıları belirler. l = 0(s), 1(p), 2(d),. .(n-1) e kadar değerler alır. Orbitallerin doğrultularını(açılarını) veren ml yan kuantum sayısı ml=-l. . .0. .+l değerlerini alır. Elektronların spini gösteren ms kuantum sayısı da +1/2 veya -1/2 değerlerini alabilir.
Bir atomun çapı, elektron bulutu da dahil olmak üzere yaklaşık 10 − 8 cm mertebesindedir. Atom çekirdeğinin çapı ise 10 − 13 cm kadardır. Atomlar, boyutlarının görünür ışığın dalga boyundan çok küçük olması sebebiyle optik mikroskoplarla görüntülenemezler. Atomların pozisyonlarını belirleyebilmek için elektron mikroskobu, x ışını mikroskobu, nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi gibi araç ve yöntemler kullanılır..
Yalnız elektronlar çekirdek çevresinde ancak belirli enerji seviyelerine sahip yörüngelerde dönerler, konumları ancak bir olasılık fonksiyonu ile ifade edilebilir. Elektronlar çekirdeğin etrafında bulutsu bir şekildedir.
Atomaltı parçacıklar
Sadece proton parçacığının bulunup tekli işlev gördüğü Bohr Atom Modeli
Atomların içi dolu ve bölünmez olduğu fikrini savunan John Dalton'un ilk atom modeli ve atom hakkında ilk bilimsel yaklaşımı (1808).
Atom sözcüğü her ne kadar “daha küçük parçacıklara bölünemeyen” gibi bir anlam taşısa da, çağdaş bilimde atom “atomaltı parçacıkların birleşimi” olarak tanımlanırAtomdaki üç temel parçacık elektron, proton ve nötrondur. Bütün elementlerin atomlarında bu üç parçacık mutlaka bulunur; tek istisnası hidrojen-1 atomudur ki bu atomda nötron yoktur. Ayrıca herhangi bir hidrojen katyonunun elektronu da yoktur. Bundan dolayı hidrojen-1 atomunun katyonuna proton da denir.
Helyum atomunun sadeleştirilmiş haliyle atom modeli: İki protondan (kırmızı) ve iki nötrondan (yeşil), ayrıca etrafında dönen (sarı) elektronlar.
Negatif yüklü olan elektron, bu parçacıklar arasında 9.11−31 kg ile en hafif olanıdır. Boyutlarının ölçümü mevcut tekniklerle mümkün değildir. Proton pozitif yüklüdür ve kütlesi, 1.6726−27 kg, yani elektronun kütlesinin 1836 katıdır. Protonun kütlesi, atomdaki bağlanma enerjisine göre değişiklik gösterip azalabilir. Nötron ise yüksüz bir parçacıktır ve kütlesi 1.6929−27kg’dır. Nötron ve protonların boyutları, her ne kadar yüzeyleri tam olarak tanımlanamasa da, birbirlerine yakın değerdedir.
Standart modele göre, proton ve nötronlar kuark adı verilen temel parçacıklardan oluşurlar. Kuarklar bir çeşit fermiyondur ve maddenin iki temel bileşeninden (diğer bileşen leptondur) biridir. Herbiri +2/3 veya -1/3 yüklü olan altı çeşit kuark vardır. Protonlar iki yukarı kuark bir tane de aşağı kuarkdan oluşur. Böylece yükü " 2.(+2/3) + 1.(-1/3)= +1 ", yani pozitif olur. Nötronlar ise iki aşağı kuark bir de yukarı kuarktan oluşur ve " 1.(+2/3) + 2.(-1/3) = 0 " sonucu yüksüz olurlar. (Bu hesaplarda +2/3 yukarı kuark, -1/3 ise aşağı kuarkları gösteriyor). Bileşimlerindeki bu farklılık yüklerinin yanısıra kütlelerinin de değişik olmasına neden olur. Kuarkları, gluonlar aracılığıyla, güçlü çekirdek kuvveti bir arada tutar. Gluon, fiziksel kuvvetleri sağlayan gauge bozonlarından biridir. .
Çekirdek
Çekirdeği bir arada tutmak için gerekli olan enerjinin izotoplara göre değişimini gösteren bir grafik
Bir atomdaki bütün proton ve nötronlar, atomun boyutuna kıyasla çok küçük bir alana sahip olan çekirdektedir. Proton ve nötronun ikisi birden nükleon olarak adlandırılır. Bir çekirdeğin yarıçapı, toplam nükleon sayısı A olan bir atomda fmdir. Nükleonları residual stonrg force adı verilen kısa menzilli bir çekici güç birarada tutar. Bu kuvvet 2.5 fmden daha kısa uzaklıklarda, pozitif yüklü protonların birbirlerini itmelerine neden olan elektrostatik güçten çok daha güçlü bir kuvvettir.
Bir atomdaki proton sayısına atom numarası denir. Bir elementin bütün atomlarındaki proton sayısı aynıdır. Örneğin demirin atom numarası 26’dır ve dolayısıyla 26 proton bulunduran bütün atomlar demir elementine aittir. Bir elementin atomları arasında nötron sayısı farklılık gösterebilir. Farklı nötron sayılarına sahip aynı element atomlarına izotop denir. Nötron sayısının proton sayısına oranı çekirdeğin kararlılığını belirler.
Nötron ve protonlar farklı fermiyon türleridir. Kuantum mekaniğinin kurallrından Pauli dışarlama ilkesine göre iki benzer fermiyon aynı zaman içinde aynı kuantum durumunda bulunumaz. Yani her proton ve nötron farklı bir yerde bulunmalıdır. Bu yasak, aynı kuantum durumda bulunan bir proton ve nötron için geçerli değildir.
Barındırdığı nötron ve proton sayılarının çok farklı olduğu bir çekirdek, radyoaktif bozunmaya uğrayıp daha düşük bir enerji seviyesine geçerek nötron ve proton sayılarını birbirine yakın değerlere çeker. Birbirine yakın sayıda proton ve nötron içeren çekirdekler radyoaktif bozunmaya karşı daha kararlıdır. Ancak atom numarası arttıkça, protonların birbirlerine uyguladıkları elektrostatik itme kuvvetleri artacağından, protonlar arasına girerek bu itmeleri azaltan nötron sayısı giderek çoğalır. Bunun sonucunda atom numarası 20’nin üzerinde (20, kalsiyumun atom numarasıdır) nötron ve proton sayıları eşit kararlı çekirdekler bulunmaz. Atom numarası arttıkça, kararlı bir çekirdek için gerekli olan nötron/proton oranı 1.5’e doğru kayar.
İki protonun füzyona uğrayarak bir nötron ve bir protona dönüşmesini gösteren bir çizim. Füzyon sonucunda pozitron(e+) ve elektron nötrinosu salınır.
Atom çekirdeğindeki proton ve nötron sayıları değiştirilebilse de bu çok büyük bir enerji gerektirir ve bu olay sonucunda, çekirdeğin değişmesi için emilen enerjiden daha fazla enerji dışarı salınır. Çekirdeğin daha az sayıda nükleon içeren çekirdeklere bölünmesine fisyon denir. Birden fazla çekirdeğin birleşerek daha çok nükleon içeren çekirdeklere dönüşmesine ise nükleer füzyon denir ve füzyonun gerçekleşmesi için gerekli olan enerji, nükleer fizyon için gerekli enerjiden çok daha fazladır. Yine füzyon sonucunda ortaya çıkan enerji, fisyonun ortaya çıkardığı enerjiden de fazladır. Yıldızlardaki muazzam enerji salınımının kaynağı füzyondur. Düşük enerjili yıldızlarda küçük atom numaralı çekirdekler (hidrojen, helyum), yüksek enerjili yıldızlarda ise daha büyük atom numaralı (karbon, oksijen) çekirdekler füzyona uğrar. Yıldızdaki çoğu çekirdek demire dönüştüğünde, demirin füzyonu için gerekli yüksek enerji sağlanamadığından yıldız kütlesine göre bir beyaz cüce, kızıl dev veya kara deliğe dönüşür.
Molekül
Molekül kimyada genel olarak en az iki atomun değişik durumlarında beraber durmasıyla oluşan, bütün şekline denir. Genel olarak bir molekül, saf kimyasal maddenin kendi başına bütün kimyasal bileşimini ve özelliklerini taşıyan en küçük parçasıdır. Bazı katı ve sıvı kimyasal maddelerde (örneğin; metaller, eriyik durumundaki tuzlar, kristaller, vb) bu tanım her zaman geçerli değildir ve böyle kimyasal maddelerin farkedilebilir moleküllerden değil atomlardan oluştuğu söylenmelidir. Moleküler fizikte ise bir molekül, iki ya da daha fazla atomdan oluşan, yeterli düzeyde değişmez, elektriksel olarak nötr bir oluş biçimidir. Tekatomlu molekül genel düşüncesi, asal gazlardaki gibi tek atomlu moleküller, neredeyse tek başına gazların kinetik teorisinde açıklamada kullanılır. Çok atomlu iyonlar bazen işe yarar bir şekilde elektirksel olarak yüklenmiş moleküller şeklinde düşünülebilirler.
Hidrojen ve oksijen elementlerinde olduğu gibi atomların oluşturduğu atom kümesi molekül olarak adlandırılır. Atom ve molekül maddelerin özelliğini taşıyan en küçük birimdir. Yüzden fazla çeşit atom vardır. Bazı moleküller tek çeşit atomdan oluşurken, bazı moleküller farklı çeşit atomlar içerebilir...
Madde
Madde, boşlukta yer kaplayan (hacim), kütlesi olan tanecikli yapılara denir.
Kendi çapında saf madde ve saf olmayan madde (karışım) olarak ikiye ayırdığı zaman saf maddeleri elementler ve bileşikler oluşturur. Saf maddenin belirli özellikleri vardır ve bu özellikleri hiç değişmez. Tam saf madde yok gibidir. Bir madde içinde bulunan yabancı maddeler, kimya usulleri ile anlaşılmayacak kadar az olunca, bu maddeye, saf denir. Saf süt demek, kimya bakımından doğru bir söz değildir. Çünkü süt belli özellikler taşıyan tek bir madde değildir.
Karışımları ise homojen ve heterojen olarak incelemek gerekir. Maddenin şekil almış haline cisim denir.
Maddede daima değişiklikler olduğunu bilmekteyiz. Maddede meydana gelen değişikliklere olay denir. Bu ise genel olarak fiziksel ve kimyasal olmak üzere ikiye ayrılır:
- Fiziksel olay: Bir madde üzerinde meydana geldiği vakit, o maddenin hüviyetini, yapısını değiştirmeyen olaydır. Mesela kağıdın yırtılması, fiziki bir olaydır. Çünkü kağıdın şekli değişmiş fakat özü yine kâğıttır.
- Kimyasal olay: Bir madde üzerinde meydana geldiği vakit, o maddenin hüviyet ve yapısını değiştiren olaydır. Mesela kağıdın yanması gibi.
Atomların çekirdeklerinde değişmeler, parçalanmalar olduğu, radyoaktif denilen elementlerden anlaşılmaktadır. Atomların ortasında bulunan çekirdeklerin bu parçalanmasında, bir elementin başka bir elemente dönüştüğü anlaşılmıştır. Ayrıca, Albert Einstein'in izafiyet kuramına göre madde ve enerji birbirine eşdeğerdir. Bu sebeple madde enerjiye, enerji de maddeye dönüştürülebilir. Mesela bir uranyum çekirdeğinin veya başka bir ağır atom çekirdeğinin ikiye ayrılmasıyla meydana gelen çekirdek bölünmesinde madde enerjiye dönüşür. Bileşik cisimlerde olduğu gibi, elementler de hep değişmekte, bir halden başka hale dönmektedir.
Maddenin ortak özellikleri
- Kütle
- Hacim
- Atom ve Moleküller
- Ağırlık
Madde türleri
- Baryonik Madde
- Ters Madde
- Karanlık Madde
Maddenin hâlleri
Maddenin halleri
Maddenin ayırt edici özellikleri
|
|
Katı
|
Sıvı
|
Gaz
|
|
Özkütle
|
+
|
+
|
+
|
|
Özhacim
|
+
|
+
|
+
|
|
Çözünürlük
|
+
|
+
|
+
|
|
Özısı
|
+
|
+
|
+
|
|
Genleşme Katsayısı
|
+
|
+
|
-
|
|
Esneklik katsayısı
|
+
|
-
|
-
|
|
Kaynama noktası
|
-
|
+
|
-
|
|
Erime noktası
|
+
|
-
|
-
|
|
Yoğunlaşma noktası
|
-
|
-
|
+
|
|
Erime ısısı
|
+
|
-
|
-
|
|
Buharlaşma noktası
|
|
|
|
Elektriksel yük
Elektriksel yük, atom altı parçacıkların sahip olduğu ve onun elektromanyetik ile olan etkileşimini tayin eden, temel bir özelliktir. Elektrik yüklü bir parçacık elektromanyetik alandan etkilenir, elektromanyetik alan yaratır. Yük ve alanın etkileşimi dört temel kuvvetten biri olan elektromanyetik kuvvetin kaynağını oluşturur.
Elektriksel yüklerin varlığı eski Yunan zamanından beri biliniyordu, ancak ayrıntılı deneysel araştırmalar 1600 yıllarında Gilbert tarafından yapılmaya başlandı. Elektriksel yük hakkında bilinen genel deneysel gerçekler aşağıdaki gibi özetlenebilir:
- Elektriksel yük, madde içinde taşınır.
- Geleneksel olarak pozitif ve negatif olarak isimlendirilen 2 tür yük vardır: Genellikle cisimler, taşıdıkları negatif ve pozitif yükler birbirlerini dengeledikleri için yüksüz görünürler. Cisimlerde pozitif yükler protonlar, negatif yükler elektronlar tarafından taşınırlar. Doğuda yükler daima (+e), (-e) olarak toplam yük sıfır olmak üzere yeralırlar.
- Durgun iki nokta yük arasındaki kuvvet noktaları birleştiren doğru boyuncadır.
- Kuvvetin büyüklüğü, r iki nokta arasındaki uzaklık olmak üzere r-n ile orantılıdır. n = 2 ± 1 · 10-9 olarak bilinmektedir; n = 2 olduğuna inanmamak için hiçbir neden yoktur.
- Elektrostatik kuvvet, qa ve qb nokta yüklerin taşıdığı yük miktarları olmak üzere qaqb ile orantılıdır. (qaqb) negatif ise kuvvet çekici; (qaqb) pozitif ise iticidir.
Coulomb yasası
Elektriksel yükü tanımlayan yasa, Fransız fizikçi Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) adını taşır. Bu yasa ile iki elektrik yükü arasındaki kuvvet şu şekilde hesaplanır:
Burada F kuvvet, r iki yük arasındaki mesafe, q1 ve q2 elektrik yüklerdir. MKS sisteminde birimler kuvvet için Newton (nt), uzaklık için metre (m), elektrik yük için de coulomb ( C ) dir. ( Askat olarak bütün MKS birimlerinde olduğu gibi pico,nano, mikro, mili, santi, desi; üskat olarak ta deka, hekto kilo vb.birimler kullanılır.)
Coulomb sabiti adını alan ke katsayısı ise bir başka katsayı cinsinden verilir.
Burada ε dielektrik sabiti denilen bir sabittir .MKS sisteminde ve noktadan sonra 6 ile basamak gösterilirse, boşlukta 8.854 188 • 10-12 değerine sahiptir.
Buna göre, Coulomb denklemi (yaklaşık olarak) şu şekilde yazılabilir.
Yukardaki denklem her biri 1 coulomb değerinde ve 1 metre uzaklıkta iki elektrik yük arasında yaklaşık olarak 9 •109 nt kadar bir kuvvet olduğu anlamına gelir. Şayet yüklerin işareti aynı ise kuvvet itici, şayet yüklerin işareti ters ise yükler çekicidir. ( 9 • 109 nt un çok büyük bir kuvvet olduğu görülmektedir. Bu her biri 900 kg lik bir milyon adet otomobilin ağırlığına denk bir kuvvettir.)
Temel elektrik yük
Doğadaki temel elektrik yük, yani mümkün olan en küçük elektrik yük bir elektron üzerindeki yük olarak tarif edilmiştir. Bu yüklün en küçük elektrik yük olduğu ve cisimler üzerindeki elektrik yükün bu yükün üst katı olduğu varsayılmıştır. Gerçi günümüzde kuark adı verilen parçacıkların 1/3 veya 2/3 gibi daha da düşük bir elektrik yüke sahip olduğu saptanmıştır. Ama kuarklar hep üçlü gruplar oluşturduğu için, en küçük temel yük görüşü değişmemiştir. Bununla birlikte, en küçük elektrik yük mühendislik ve fizikte karşılaşılan problemlerin çözümü için çok küçük ve elverişsiz bir birim olduğundan, MKS ölçü sisteminde coulomb birimi kullanılmağa devam edilmektedir.
Elektronların elektriksel yükü negatiftir. Aynı mutlak değere sahip proton elektrik yükü ise pozitiftir. Normal koşullarda yük taşıyıcı elektrondur. Bir cismin elektrik yükü açısından pozitif olması o cismin elektronlarından bir bölümünü kaybettiği, negatif oluşu ise o cismin dışardan başka elektronlar kazandığı şeklinde yorumlanır. Bir coulomb 6.241 512•1018 elektronun elektrik yüküne denk olduğuna göre, coulomb cinsinden elektron elektrik yükü;
Elektron yük kütle oranı
Coulomb yasası ile Isaac Newton'un (1643-1727) evrensel çekim (gravitasyon) yasalarının formülasyonu çok benzer.
İlk yasada kuvvetin elektrik yük ile, ikinci yasada ise kütle ile orantılı olduğu görülmektedir. Elketron için yük/kütle oranı hesaplanırsa;
Fiziki boyut olarak elektrik yükü
Fizikte kullanılan çok sayıda büyüklük bazı temel büyüklüklerden üretilmiştir. (Kütle, uzunluk, zaman gibi) Bu gibi temel büyüklüklere
boyut da denilebilir. Elektrik yük te boyut olmağa adaydır. Ne var ki, boyutların çok büyük duyarlıkla ölçülebilmeleri gerekmektedir. Oysa, elektrik yükünü duyarlı ölçü yapabilecek kadar miktarda toparlamak çok zordur.Çünkü aynı işaretli yükler birbirini ittiğinden, deney ortamında çok düşük derişimli yükten fazlası bir araya getirilemez. Bu sebepten, uluslar arası birimleri saptamankla görevlendirilen
Comité international des poids et mesures (CIPM) adlı komite 1954 yılında temel büyüklük olarak elektrik yükü değil, elektrik yük ile yakın ilgili bir başka büyüklüğü, yani elektrik akım şiddetini almıştır. Elektrik akımı birim zamanda iletkenden geçen elektrik yüküdür. Birimi
amperdir. Akım şiddetinin kısaltması
I, amper birimini kısaltması
A dır. Buna göre
t zamanında iletkenden geçen akım;
Daha genel haliyle;
Elektrik alanı
Coulomb yasası iki yük arasındaki kuvveti verir. Elektrik alanı sanal birim elektrik yük üzerindeki kuvvet olarak tanımlanabilir. Elektrik alanını bulmak için, Coulomb kuvveti birim yüke bölünmelidir. Elektrik alanı E ile gösterilir. Birimi nt/C. veya V/m. dir.Şayet sanal birim yük qoise;
Elektrik alanı ile yakından ilgili bir başka büyüklük te elektrik akı yoğunluğu (ya da elektrik yer değiştirme alanı) adını alan büyüklüktür. Bu büyüklük D ile geösterilir. Birimi C/m2 dir.
Bu denklem kapalı bir hacmin duvarlarından geçen yoğunluk çizgileri toplamının o hacim içersindeki elektrik yüküne eşit olduğunu göstermektedir. Denklemin en genel hali Maxwell denklemlerinden biri olan Gauss denklemi dir.
Elektriksel gerilim
Elektriksel gerilim veya elektriksel potansiyel, birim yükün elektriksel alandan kaynaklanan potansiyel enerjisidir ve Volt ile ölçülür.
İki konum arasındaki elektriksel gerilim farkı, artı yüklü bir
noktasal yükü bu iki konum arasında ilerletmek için (elektriksel güce karşı) üretilen
iş (yani enerji farkı) olarak tanımlanır. Bu iki konumdan biri sıfır gerilim noktası olarak düşünüldüğü takdirde, çevresindeki her hangi bir konumun gerilimi, noktasal bir yükün oraya ulaşması için gereken iş olarak tanımlanabilir. Tek yüklerin geriliminin hesaplanabilmesi için, ikinci konumun sonsuzda yer aldığı varsayılır. Elektriksel gerilimin ölçüm birimi volt'tur (1 volt = 1 joule/coulomb).
Bu kavram, sıcaklığa benzetilebilir. Uzayın her hangi bir konumu için bir sıcaklık değeri söz konusudur, ve iki konum arasındaki fark ısının hangi yön ve miktarda değiştiğini gösterir. Benzer biçimde, uzayın her konumu elektriksel gerilim değerine sahiptir, ve iki konum arasındaki gerilim farkı, bu kavramın arkasındaki gücün yön ve şiddetini gösterir.
Elektriksel alan
Kıvıl alan, elektriksel alan veya elektrik alanı, elektriksel yükü çevreleyen uzayın bir özelliği olup, içerisinde bulunan yüklü nesnelere elektriksel güç aracılığı ile etki eder.
-3 Boyutta Gerilim ve Elektrik Alan İfadeleri
|
Düzlemsel
|
Küresel
|
Silindirsel
|
Bilinmesi gereken diğer ifadeler
|
Elektrik alan elektrik yüklerinin 1coulomb değerindeki pozitif bir yüke uyguladığı kuvvettir. Yüklerin çevresinde elektrik alan çizgileri vardır. Yükler bu alan çizgileri yardımıyla birbirine kuvvet uygularlar. Eğer nötronda olduğu gibi, yükün elektrik alan çizgileri yoksa,elektriksel kuvvetten etkilenmez. Elektrik alan çizgileri pozitif yükten negatif yüke doğrudur.
|
Elektrik akımı
Elektrik akımı veya elektriksel akım, en kısa tanımıyla elektriksel yük taşıyan parçacıkların hareketidir. Bir kesit üzerinden birim zamanda geçen yük miktarı elektrik akımını verir. SI birimi Amper'dir (kısaltması A). Herhangi bir kesit üzerinden bir saniye içerisinde bir Coulomb'luk yük geçmesi bir Amper'lik akıma tekabül eder. Ohm Kanunu'na uyan maddeler üzerinden geçen akım bu maddenin direnci ile ters orantılı, akımı oluşturan gerilim ile doğru orantılıdır. Doğadaki çoğu madde Ohm Kanunu'na büyük oranda uyar, ancak akım ve gerilim arasındaki bağıntı çok daha karışık olabilir. Yarı iletkenler bu duruma güzel bir örnektir.
Elektrik akımının fiziği
Çeşitli ortamlarda elektrik akımı
Metaller üzerindeki akım
Katı iletken metal, hareketli veya serbest elektronlara sahiptir. Bu elektronlar metalin kristal yapisina bağlıdirlar, fakat herhangi bir atoma bağlı değillerdir. Herhangi bir dış elektriksel alan uygulamadan bile bu elektronlar ısı enerjisinden dolayı rastgele hareket ederler. Fakat normalde bir metaldeki net akım sıfırdır. Herhangi bir zamanda metal objenin herhangi bir kesitinde bir yönden diğerine geçen elektronların sayısı aksi yönde geçiş yapanlarınkine ortalamada eşittir. Bir metal telin iki ucu arasına batarya gibi bir DC kaynağı bağlandığında iletkende bir elektrik alanı oluşur. Bu elektrik alanı metaldeki serbest elektronların alanın tersi yönünde sürüklenmesine sebep olur. Ortalamada bir yöne daha fazla hareket eden elektronlar elektrik akımını yaratmış olurlar.
Elektrolitler üzerindeki akım
Elektrolitler içlerinde elektrik akımını mümkün kılacak serbest iyonlar bulunduran maddelerdir. Elektrokimyasal hücreler bir elektrolit ve bu elektrolide yerleştirilmiş elektrotlardan oluşur. Bu hücreler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çevirmek (pil) yada elektrik enerjisi kullanarak bir kimyasal tepkimeyi gerçekleştirmek için (elektroliz) kullanılırlar. Her iki durumda da elektrotların çevresinde iyonlar oluşur yada yok olur. Bu tepkimeler sırasında elektrolit içerisinde birbirini nötrleyen yada birbirinden ayrılan
anyon ve katyonlar (negatif ve pozitif yüklü iyonlar) elektrotlara doğru yada aksi yönde hareketleri sırasında elektrik akımını oluştururlar. Örnek olarak, sıkça rastlanan kurşunlu pillerde elektrik akımı pozitif yüklü hidrojen iyonlarının bir yöne negatif yüklü sülfat iyonlarının diğer yöne hareket etmesinden meydana gelir.
Diğer ortamlar
Vakumda elektronlardan yada iyonlardan meydana gelmiş bir ışın elektrik akımına neden olabilir. Benzer şekilde kıvılcım ve plazmalarda elektrik akımı hareket eden elektronlar ve pozitif yada negatif yüklü iyonlardan meydana gelir. Yarı iletkenler üzerinde elektrik akımı, elektronların yanısıra, pozitif yüklü elektron boşlukları (Yarı iletken kristali üzerinde eksik olan değerlik elektronlar) tarafından da taşınır. P tipi yarı iletkenlerde elektrik akımı büyük oranda bu şekilde oluşur.
Elektromanyetizma
Elektrik akımı bir manyetik alan meydana getirir. Bu manyetik alan, akım geçiren teli çevreleyen dairesel alan çizgileri olarak gözde canlandırılabilir.
Elektrik akımı bir galvanometre yardımıyla doğrudan ölçülebilir, ama bu yöntem devrenin koparılmasını gerektirmektedir, bu da bazi durumlarda zorluk yaratır. Akım, devreyi koparmadan, meydana getirdiği manyetik alan sayesinde de ölçülebilir. Bu amaçla kullanılan cihazlar arasında Hall etkisi sensörleri, akım transformatörleri ve Rogowski bobinleri de vardır.
Özel görelilik kuramı kullanılarak manyetik alan, akımı taşıyan parçacıklarla aynı hızda giden bir gözlemci için durağan bir elektrik alan dönüştürüllebilir. Zaten akımın kendisi de ölçüldüğü referans sistemine bağlıdır, çünkü akım, parçacıkların hızına ve bu da referans sistemine bağlıdır.
Matematiksel Modeller
Akım miktarının hesaplanması
Sabit bir akım I amper olarak şu şekilde hesaplanabilir:
burada
ölçülen süre boyunca kesitten geçen elektrik yükü, coulomb (amper saniye) olarak ve
zaman, saniye olarak
Devamında:
ve
Ohm yasası
Ohm kanunu, ideal bir direnç veya diğer omik aygıtlarda uygulanan gerilimin akıma oranıdır.
burada
I akım, birimi Amper'dir
U gerilim, birimi Volt'dur
R direnç, birimi Ohm'dur
Akım yoğunluğu
Elektrik akımı yoğunluğunun bir ölçümüdür. Bu elektrik akımının seçili alana oranını veren bir vektörel büyüklüktür SI birimlerinde, akım yoğunluğu amper bölü metrekare ile ölçülür.
Elektrik yüklerinin hızı
Bir iletkenin içinde gezinen yüklü parçacıklar sürekli olarak rastgele yönlere doğru hareket ederler. Yükte net bir akış olabilmesi için, parçacıklar birlikte hareket etmelidirler. Elektronlar metalde taşıyıcıdırlar ve kararsız yolla akarlar (atomdan atoma sıçrarlar), fakat genellikle elektriksel alan yönünde akarlar. Akış hızları şöyle hesaplanabilir:
burada
elektrik akımı
yüklü parçaçıkların sayısı birim hacim
iletkenin kesit alanı
akış hızı ve
her bir parçacığın yükü.
Katı maddedeki elektrik akışı tipik olarak çok yavaştır. Örneğin, 0.5 mm² kesitli bir bakır
tel 5 A lik bir akım taşırken elektronların akım yönündeki ortalama hızı saniyede milimetreler mertebesindednir. Buna karşılık katot ışınlı tüplerin içerisindeki neredeyse vakum ortamda elektronlar neredeyse doğrusal rotalarda ışık hızının onda birine yakın hızlarda hareket ederler.
Elektriksel yük taşıyan parçacıklar hızlı yada yavaş da hareket etse, iletkenin yüzeyinde oluşan elektriksel sinyaller genelde ışık hızına yakın hızlarda ilerlerler. Bu sonuca Maxwell denklemlerinin çözümüyle varılabilir. İlk bakışta sezgiye aykırı görünen bu durum bilardo toplarının çok hızlı hareket etmediklerinde bile çarpışmanın etkisini neredeyse anında iletmelerine benzetilerek açıklanabilir.
Doğru akım ve alternatif akım
Doğru akım elektrik yükünün hep aynı yönde akmasıyla oluşur. Buna karşılık alternatif akımda eşit zaman aralıklarıyla akım yönü tersine döner. Bunların üretilmesi, iletilmesi ve kullanılması çok farklı özellikler gösterirler. Çeşitli elektronik devre elemanları kullanılarak bu iki akımı birbirine dönüştürmek mümkündür.
Elektrik enerjisi, çeşitli yöntemlerle diğer enerji çeşitlerinin dönüştürülmesiyle üretilir. Ortaya çıkan akım doğru yada alternatif akım olabilir. Doğru akım en yaygın olarak kimyasal pillerde, güneş pillerinde ve dinamolarda(doğru akım motoru) üretilir. Alternatif akım ise genellikle alternatif akım motorlarında üretilir.
Kullanılan elektriğin büyük çoğunluğu herhangi bir enerji çeşidinin önce hareket enerjisine, ordan elektrik enerjisine çevrilmesiyle elde edilir. Alternatif akım motorları genel olarak doğru akım motorlarından daha ucuza mal olurlar, bakımları daha kolaydır ve daha yüksek verimde çalışırlar. Dolayısıyla alternatif akım büyük miktarda üretime daha uygundur. Bunun yanında alternatif akımın iletimi de çeşitli nedenlerden çok daha ucuz ve verimli bir şekilde yapılabilir. Elektrik şebekesinin alternatif akım taşıması bu nedenlerden ötürüdür. Buna karşılık elektrik şebekesinden uzak yada taşınabilir uygulamalarda piller yardımıyla doğru akım elde etmek daha kolaydır.
Elektrik enerjisinin hareket enerjisine dönüştürülmesinde de alternatif akım motorları benzer avantajlara sahiplerdir. Bu yüzden hareket enerjisi gerektiren uygulamalarda (örneğin elektrikli ev aletleri) alternatif akım tercih edilir. Öte yandan, doğru akım, elektronik cihazların (özellikle dijital) çalışması için çok daha uygundur.
Görüldüğü yerler
Doğada karşılaşılan elektrik akımları arasında yıldırımlar, Güneş rüzgârları ve kuzey ışıkları vardır. İnsan yapımı elektrik akımlarına örnek olarak da metal tellerde akan elektronlar örnek gösterilebilir. Bu duruma uzun mesafelere elektrik enerjisi dağıtan elektrik iletim hatlarında yada elektrikli ve elektronik aletlerin içlerindeki tellerde rastlanabilir. Akıma Elektronik bilimi dahilinde farklı yerlerde de rastlanabilir. Bunların arasında dirençlerin üzerinden geçen akımlar, vakumlu tüplerdeki vakumdan geçen akımlar, pillerin yada sinir hücrelerinin içinde akan iyonlar ve bir yarı iletkenden akan elektron boşlukları da vardır.
Tehlikeler
Elektrik akımından kaynaklı en ciddi zararlar elektrik çarpmalarıdır. Elektrik çarpmasının etkileri pek çok etkene dayanır. En onemli etkenler akımın şiddeti, elektriksel temasın yapısı, etkilenen uzuvların durumları, akımın vücutta takip ettiği yol ve akım kaynağının gerilimidir. Çok zayıf bir akım sadece bir karıncalanmaya neden olurken, deriden geçen şiddetli akımlar ciddi yanıklara hatta kalpten geçen akımlar kalp krizine bile sebep olabilir.
Kontrol dışı elektrik kaynaklı ısınmalar da tehlikeli sonuçlar doğurabilir. Fazla güç taşıyan kablolar yaygın bir yangın sebebidir. Cepte birlikte taşınan madeni paralar ve bir AA Pil kadar küçük bir güç kaynağı bile kısa devre sonucu hızlıca ısınıp deride yanıklara sebep olabilir.
Gerilim
Gerilim (elektrik potansiyel farkı) elektronları maruz kaldıkları elektrostatik alan kuvvetine karşı hareket ettiren kuvvettir. Bir elektrik alanı içindeki iki nokta arasındaki potansiyel fark olarak da tarif edilir:
Potensiyel
Gerilim U = ΔV = V(x1) − V(x2)
Gerilimin sembolü U veya E harfleridir, birimi ise V harfiyle gösterilen Volt tur
Doğru akım üreteçleri (piller, aküler ve bunların gurupları) genellikle 1.5- 110 V gerilime sahiptirler.
Evlerimizde kullanılan alternatif akım enerjinin etkin gerilimi 220 V, sanayide kullanılan alternatif akımın gerilimi ise 380 V'tur. Gerilim miktarı arttıkça gerilime maruz kalan kişinin can güvenliği azalır. Yüksek gerilimlerin izolasyonu daha zordur. O yüzden pratikte kullanılabilir enerji gerilimi, alçak gerilim olarak tabir edilen ve her türlü elektrikli alıcı (cihaz) nın çalışma gerilimi olan 110-380 V arasıdır.
Ancak enerjinin uzak yerlere taşınması ve dağıtılması için de gerilimin yükseltilmesi gerekir. Türkiye'de en yüksek gerilime sahip iletim hatları ve transformatörler 380 000 V= 380 kV olup en uzun mesafeli ve en güçlü hatlardır.
Genel olarak 1000 V'a kadar alçak gerilim, 1000-15000 V arası orta gerilim, 15000 V'un üzeri ise yüksek gerilim olarak adlandırılır.
Kapasite
Yapılan incelemelere göre bir kondansatör'ün üzerindeki yük potansiyel farkı ile doğru orantılıdır. Q coulomb türünden elektrik yükü, V ise kondansatörün bağlı olduğu potansiyel farkı, C orantı sabiti olamak üzere.
eşitlikleri düşünüldüğünde kondansatör yüzeyleri arasındaki sığa
şeklinde bulunur.
S: Yüzey alanı, d : yüzeyler arasındaki uzaklık.
C sabitine fizik anlamda, kondansatörün sığa’sı denilmektedir. Sığa, değeri her zaman pozitif olan fiziksel bir niceliktir. S I birim sisteminde sığa birimi Farad ' dır.
Sığa birimi Farad yerine onun alt katlarının kullanılması gerektiğinde
Endüktans
Vikipedi, özgür ansiklopedi
Endüktans L [Henry] Birimi İle Gösterilir. ZL = jωL formülü ile bulunur. Burada ω=2(pi)f konacaktır. f=frekansdır. ZL ye Endüktif direnç de denilmektedir.Sarım şeklinde iletkenler bir direnç oluşturur. Omik direnç (R) ten farklıdır. Bobin içinde oluşan manyetik alandan doğar.
Akım akan bir iletken telin etrafında manyetik alan oluşur. Eğer bu AC bir akım ise telin uçlarında akımın değişimine tepki gösteren bir gerilim oluşur; buna telin endüktans etkisi denir. Bu özellikli elemanlara da endüktans elemanı adı verilir.
Öz direnç
Empedansın grafiksel gösterimi
AC devrelerinde direncin eşdeğeri olarak empedans kavramı kullanılır. İçinde kondansatör ve endüktans gibi zamanla değişen değerlere sahip olan elemanlar olan devrelerde direnç yerine empedans kullanılmaktadır. Aşağıda görüldüğü gibi empedans, biri reel diğeri sanal iki kısımdan oluşan kompleks bir sayıdır.
Devreye bağlı bulunan saf omik dirençlerin eşdeğeri kısmına (reel), kondansatör ve endüktansların eşdeğeri ise kısmına (sanal) yazılır. Bundan sonra AC gerilimin uygulandığı devrelerde direnç ( ) yerine empedans ( ) kavramı kullanılacaktır. Yani geçerli formül AC analizde aşağıdaki ifadeye dönüşür.
|
bir kompleks sayı olduğundan,
bir genliğe ve açıya bağlı olarak da ifade edilebilir.
Aşağıdaki ifadelerle empedansın
çeşitli büyüklükleri incelenebilir.
|
Bu bilinenler ışığında gerilimin ifadesi
aşağıdaki gibi çıkartılabilir.
|
|
|
|
Şebeke geriliminin faz açısının olduğunu düşünürsek ifade basitleşecektir.
Sol tarafın faz açısı 'dır. Dolayısıyla sağ tarafın da faz açıları toplamı olmalıdır. Bunun gerçekleşme şartı ise empedans ve akımın faz açılarının değer olarak birbirlerine eş, işaret olarak birbirine ters olmasıdır.
Kapasitif bir yükün empedansında, sanal kısım ters yönde döner ve empedansın faz açısı negatif çıkar.
Akım ve gerilim fazörlerinin birbirine göre durumu.
Kapasitif yüklerde akım fazörü gerilim fazörünün faz farkı kadar önünden ilerler.
Empedans, AC devrelerinde direncin eşdeğeridir. Direnç sadece reel kısımdan oluşan bir büyüklük olmasına rağmen, empedansın sanal kısmı bulunur. Kondansatör, ifade edilirken türev ifadesini de yanında getirir ve empedans kavramının açıklanmasını gerekli kılar. Empedans aşağıdaki gibi tanımlanır.
Bu ifadede saf direnç eşdeğerini belirtir, ise devrede bulunan kondansatör ve endüktansların reaktanslarının eşdeğerini belirtir. Kondansatörün reaktansı , endüktansın reaktansı ise 'dir. Bu durumda empedansın sanal kısmı kondansatörün üst bölümlerde açıklanan frekans domeni ifadesine göre aşağıdaki gibi olur.
Saf kondansatör bağlı bir devreyi inceleyeceğimizden olarak kabul edilir ve yukarıdaki ifade aşağıdaki hale dönüşür.
Bir direnç ve bir kondansatörün bağlı olduğu devre göz önüne alındığında empedans, aşağıdaki gibi olur.
Bu ifade bize oldukça fazla bilgi verir. Empedansın içerisinde sanal kısmın önünde bulunan işaret 'ye dönüştü. Bu da yandaki empedans diyagramında olduğu gibi kapasitif reaktansın ters yönde dönmesine neden olur. Dolayısıyla, kondansatör empedansının faz açısı negatif yönde çıkar. Aşağıdaki grafikten de kapasitif bir yükün empedansının fazör diyagramı görülür.
Bu ifadeden anlaşılan, gerilimin faz değerinin, akımla empedansın faz değerlerinin toplamı olduğudur. Kapasitif devrede empedansın faz değeri negatif olduğundan aşağıdaki eşitlikler çıkartılır.
Son ifade akımın faz açısının gerilimin faz açısından büyük olduğunu ifade etmektedir. Yani akım fazörü, gerilim fazörüne göre önde ilerler. Kapasitif devrelerde akım gerilimden ileridedir ve empedansın sanal kısmı negatif değer alır.
Elektromanyetik alanlar
Fizikte elektromanyetik alan elektrik yükü olan parçacıkların çevrelerinde yarattıkları ve diğer yüklü parçacıklar üzerinde kuvvet uygulayan bir etkidir. Bu kuvvet çekme itme veya aradaki doğruya dik yönde olabilir.
Dört temel nicelik
Elektromanyetik alan dört ayrı nicelikle tanımlanır. Bunlar E, D, H, B harfleriyle gösterilirler
E: Elektrik alanı
D: Elektrik akı yoğunluğu
H: Manyetik alan
B: Manyetik akı yoğunluğu
İrdeleme :H ve B nicelikleri mühendisler ve fizikçiler tarafından farklı farklı adlandırılır. Yukarıdaki tanım mühendislik tanımıdır. Fizikçiler ise B yi manyetik alan olarak, H ye yardımcı manyetik alan olarak tanımlamayı tercih ederler.
Birimler
Aşağıda gerek dört niceliğin gerekse geçirgenliklerin birim ve temel birim cinsinden birim karşılıkları gösterilmiştir.(A amper, kg kilogram,s saniye,m metre, V volt, C coulomb, T tesla, F farad, H henri )
|
Nicelik
|
Birim
|
Birim (SI Temel Birimlerle)
|
|
E
|
V/m
|
m•kg/(A•s3)
|
|
D
|
C/m2
|
A•s/m 2
|
|
H
|
A/m
|
A/m
|
|
B
|
T
|
kg/(A•s 2)
|
|
ε
|
F/m
|
A 2 • s 4/(kg•m 3)
|
|
μ
|
H/m
|
kg•m/(A 2•s 2)
|
Maxwell denklemleri
18. ve 19. yüzyılda elektrik ve manyetizma alanında pek çok buluş yapılmıştı. Bu buluşlar İngiliz (İskoçyalı) bilim adamı James Clerk Maxwell (1831-1879) tarafından derlendi. Maxwell yasaları dört tanedir.Ama bu yasalar aynı zamanda bu yasaları geliştirenlerin adıyla da bilinir.
1. Gauss yasası (elektrik alan için)
Alman bilim adamı Carl Friedrich Gauss’un (1767-1855) bu yasası aslında Fransız bilim adamı Charles Augustin de Coulomb’un (1736-1806) iki elektrik yükü için geliştirdiği yasanın genelleştirilmiş halidir. Bu denklemde ρ ile elektrik yük yoğunluğu gösterilmiştir.(C/m3) Yasaya göre,içinde elektrik yük olan bir hacmin duvarlarından geçen elektrik akısının (D) toplamının elektrik yüke eşit olduğu belirtilmektedir.
2. Gauss yasası (manyetik alan için)
Bu yasada elektrik alan yasasının manyetik alana uygulanmış halidir. Ne var ki, manyetik kutuplar daima çift çift bulunurlar. İzole edilmiş bir manyetik kutup bulmak mümkün olmadığından, her hangi bir hacim içersinde artı kutup ve eksi kutbun etkileri birbirlerini ortadan kaldırır. Sonuç olarak hacmin duvarlarından net akı geçişi olmaz.
3. Faraday yasası
İngiliz bilim adamı Michael Faraday (1791-1867) tarafından geliştirilen bu yasaya göre manyetik alandaki değişiklik elektrik alan meydana getirir.
4. Ampere yasası
Fransız bilim adamı Andre Marie Ampere'in (1775-1836) daha sonra Maxwell tarafından revize edilmiş bu denleminde J akım yoğunluğu, yani iletkenin birim kesit alanından akan akımdır. Yasaya göre, manyetik alanı iki unsur meydana getirir; bir iletkenden akım geçmesi ve elektrik alanının değişikliği.
(Bu yasaların integral hali için Maxwell denklemleri maddesine bakınız)
Geçirgenlik
Dört nicelik birer katsayı ile ikiye indirilebilir.
(İkinci ilişki manyetize olmamış maddeler için geçerlidir.)
Burada ε elektrik geçirgenlik (dielektrik sabit,permittivity) ve μ da manyetik geçigenliktir (permeability) .
Elektrik geçirgenlik değeri boşlukta
(0 altsimgesi boşluktaki değer anlamına gelir.)
Elektromanyetik dalga
Boşlukya, yani elektrik yük ve akımlarının uzağında, Maxwell denklemlerindeki iki nicelik yani ρ ile gösterilen yük yoğunluğu ve J ile gösterilen akım yoğunluğu 0 a eşit olur.Bu durumda , Birinci denklemin sağ tarafı da 0 a eşitlenir. Ayrıca, diğer iki denklem de simetrik hale gelir.
Bu durum Işık (ve gözün göremediği diğer radyasyonu) ifade etmektedir.Bu sebeple gerek ışık, gerekse gözün göremediği diğer radyasyon elektromanyetik dalga olarak nitelendirilir. Elektromanyetik dalgada elektrik ve manyetik alanlar birbirlerine ve ışığın gidiş yönüne diktirler.Basitleştirerek örneklemek gerekirse, kartezyen koordinatlarda polarize edilmiş ışık x ekseni boyunca yol alırken, elektrik alanı y ekseni üzerinde ve manyetik alan da z ekseni üzerindedir. Bu sebepten, ışığın sürati ve iki geçirgenlik katsayısı arasında bir ilişki kumak mümkündür.
Buna göre μ atanmış, yani değeri ε ye dayandırılmış bir katsayıdır. Elektrik ve manyetik geçirgenlik ile ışık hazı arasında şu ilişki vardır:
Burada c ışık hızıdır.
olduğundan,
Yaklaşık değerler
Fazla duyarlı olmayan hesaplar için bazı yaklaşık değerler alınabilir:
Madde içinde geçirgenlik
Dielektrik madde içinde elektrik geçirgenlik boşluktakinden, daha büyük değerler alır. Çeşitli maddeler içindeki geçirgenlik değerleri tablolar halinde hazırlanmıştır. Ancak uygulamada boyutsuz bağıl geçirgenliği bilmek yeterlidir.
Burada ε madde içinde geçirgenlik, εr bağıl gheçirgenlik ve ε0 da boşluktaki geçirgenliktir. Mesela plastik maddelerde bağıl elektrik geçirgenlik 5 dolaylarındadır.
Manyetik geçirgenlik te madde içinde boşluktakinden farklı değerler alabilir. Bu değerler paramanyetik maddelerde büyük, ferromanyetik maddelerde çok büyük, diyamanyetik maddelerde ise boşluktakinden küçüktür. Mesela demir için bağıl manyetik geçirgenlik 5000 i geçebilir.Manyetik geçirgenlik için de bağıl değer gösterimi vardır.
Kırılma indisi
Işığın kırılması ile ilgili katsayı kırılma indisidir. Kırılma indisi şu şekilde verilir:
Elektromanyetik tayf
Elekromanyetik spektrum ve bazı ışınım (radyasyon) türlerinin tayf üzerindeki yaklaşık yerlerini gösterir ilüstrasyon. İnsan gözünün algılayabildiği tek radyasyon tipi olan görünür ışık elektromanyetik tayfta çok ince bir aralık bandında bulunmaktadır.
Elektromanyetik tayf veya elektromanyetik spektrum (EMS), evrenin herhangi bir yerinde fizik kurallarınca mümkün kılınan tüm elektromanyetik radyasyonu ve farklı ışınım türevlerinin dalga boyları veya frekanslarına göre bu tayftaki rölatif yerlerini ifade eden kavramdır. Herhangi bir cismin elektromanyetik tayfı veya spektrumu, o cisim tarafından çevresine yayılan karakteristik net elektromanyetik radyasyonu tabir eder.
Elektromanyetik tayf, dalgaboylarına göre atomaltı değerlerden başlayıp (bkz. Gama ışını veya X-ışını) binlerce kilometre uzunlukta olabilecek radyo dalgalarına kadar birçok farklı radyasyon tipini içerir. Elektromanyetik tayf teoride sonsuz ve sürekli olsa da, pratikte kısa dalgaboyu (yüksek frekans) ucunun limitinin Planck uzunluğuna, uzun dalgaboyu (alçak frekans) ucunun limitinin ise evrenin tümünün fiziksel büyüklüğüne eşit olduğu düşünülmektedir.
Elektromanyetik tayfın genişliği
Elektromanyetik tayf binlerce kilometreden atomaltı uzunluklara kadar geniş bir yelpazedeki dalgaboylarında ışınımları kapsar. 30 Hz ve altındaki frekansların (uzun-dalga) radyoastronomide bazı nebulalar tarafından üretildiği ve bu yapıların araştırılmasında kullanıldığı, 2.9 * 1027 Hz değeri civarında frekanslara sahip ışınımların da çeşitli kozmik kaynaklardan yayıldığı bilinmektedir.
Boşlukta, belirli bir dalgaboyundaki (λ) elektromanyetik enerjinin bu dalgaboyu ile orantılı bir frekansı (f) ve proton enerjisi (E) bulunmaktadır. Bu yüzden elektromanyetik tayf bu üç değerden herhangi biri kullanılarak ifade edilebilir. Değerler birbirine aşağıdaki formüller ile bağlıdır:
frekans x dalgaboyu veya , ve veya
Burada; m/s (ışık hızı) ve de Planck sabiti 'dir.
Buna göre;
- Yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar yüksek enerjiye ancak kısa dalgaboyuna,
- Düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar ise düşük enerjiye ancak uzun dalgaboyuna
sahiptirler. Görünür ışık veya başka bir elektromanyetik türü belli bir madde içerisinde yaratılır veya içerisinden geçerse (örneğin atmosfer), bu ışınımın dalgaboyu düşecek, dolayısıyla frekansı yükselecektir. Bu değişiklikten dolayı, ışınımların elektromanyetik tayf değerleri ile ilgili rakamsal bilgiler verilirken genellikle söz konusu ışınımlar uzaydaki (boşluk) sayısal değerleri ile ifade edilir.
Spektroskopi ile insan gözünün algılayabildiği 400 ile 700 nm'lik dalgaboyları arasındaki görünür ışık bandı dışındaki diğer ışınım aralıkları da algılanabilir. Normal bir laboratuvar spektroskobu 2 nm ile 2500 nm arasındaki dalgaboylarını kolayca algılayabilir. Cisimlerin, gazların ve hatta yıldız ve galaksilerin fiziksel özellikleri ile ilgili birçok veri bunlardan yayılan elektromanyetik ışınım bir spektroskop yardımıyla analiz edilerek öğrenilebilir. Örneğin hidrojen atomları 21.12 cm'lik dalgaboyunda spesifik bir radyo dalgası yayar. Söz konusu ışınım algılandığında, mesela uzak bir gezegenin atmosferinde hidrojen gazı da bulunduğu anlaşılabilir. Bu teknik astrofizik araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Elektromanyetik
radyasyon başlıca yedi kategoride incelenir. Bunlar düşük frekanstan yüksek frekansa doğru radyo dalgaları, mikrodalga, kızılötesi, görünür ışık, morötesi,
X-ışınları ve Gama ışınlarıdır.
Tayf kategorileri
Yukarıda verilen sınıflandırma genelde doğru olsa da, söz konusu kategoriler arasında kesin sınır çizgileri yoktur ve bazı durumlarda aslında belirli bir kategoride yer alan bir ışınım, bir başka kategorinin dalgaboyu aralığında bulunabilir. Örneğin, bazı az enerjili gama ışınları aslında bazi yüksek enerjili X-ışınlarından daha uzun dalgaboyuna sahiptir. Bunun sebebi, "gama ışını" teriminin nükleer bozunum veya başka bir atomaltı işlem sonucu oluşan fotonlar için kullanılırken X-ışınlarının atom çekirdeğine yakın yüksek enerjili iç elektronların orbital değişimleri sonucu oluşmasıdır. Sonuç itibariyle, X-ışınları ile gama ışınları arasındaki belirleyici fark dalgaboylarında degil, söz konusu ışınımları yaratan kaynaklardadır. Ancak gama ışınları genellikle X-ışınlarından daha yüksek frekanslı ve dolayısıyla daha yüksek enerjilidir ve bu yüzden kendi kategorilerinde değerlendirilir.
Başlıca elektromanyetik tayf bantları ve yaklaşık sayısal değerleri:
Sınıf Frekans (f) Dalgaboyu (λ) Enerji (E) Açıklama
Y 300 EHz - 30 EHz 1 pm - 10 pm 1.24 MeV - 124 keV Gama ışınları
HX 30 EHz - 3 EHz 10 pm - 100 pm 124 keV - 12.4 keV Sert X-ışınları
SX 3 EHz - 30 PHz 100 pm - 10 nm 12.4 keV - 124 eV Yumuşak X-ışınları
EUV 30 PHz - 3 PHz 10 nm - 100 nm 124 eV - 12.4 eV Uzak morötesi
NUV 3 PHz - 300 THz 100 nm - 1 μm 12.4 eV - 1.24 eV Yakın morötesi
VIS* Görünür ışık aralığı*
NIR 300 THz - 30 THz 1 μm - 10 μm 1.24 eV - 124 meV Yakın kızılötesi
MIR 30 THz - 3 THz 10 μm - 100 μm 124 meV - 12.4 meV Orta kızılötesi
FIR 3 THz - 300 GHz 100 μm - 1 mm 12.4 meV - 1.24 meV Uzak kızılötesi
EHF 300 GHz - 30 GHz 1 mm - 1 cm 1.24 meV - 124 μeV Aşırı yüksek frekans
SHF 30 GHz - 3 GHz 1 cm - 1 dm 124 μeV - 12.4 μeV Süper yüksek frekans
UHF 3 GHz - 300 MHz 1 dm - 1 m 12.4 μeV - 1.24 μeV Ultra yüksek frekans
VHF 300 MHz - 30 MHz 1 m - 10 m 1.24 μeV - 124 neV Çok yüksek frekans
HF 30 MHz - 3 MHz 10 m - 100 m 124 neV - 12.4 neV Yüksek frekans
MF 3 MHz - 300 kHz 100 m - 1 km 12.4 neV - 1.24 neV Orta frekans
LF 300 kHz - 30 kHz 1 km - 10 km 1.24 neV - 124 peV Alçak frekans
VLF 30 kHz - 3 kHz 10 km - 100 km 124 peV - 12.4 peV Çok alçak frekans
VF/ULF 3 kHz - 300 Hz 100 km - 1 Mm 12.4 peV - 1.24 peV Ses frekansı
SLF 300 Hz - 30 Hz 1 Mm - 10 Mm 1.24 peV - 124 feV Süper alçak frekans
ELF 30 Hz - 3 Hz 10 Mm - 100 Mm 124 feV - 12.4 feV Aşırı alçak frekans
Radyo dalgaları
Radyo dalgaları el telsizlerinden gelişmiş uzay haberleşme sistemlerine kadar birçok platform tarafından kullanılmaktadır.
Radyo dalgaları binlerce kilometreden yaklaşık bir milimetreye kadar dalgaboylarındadır ve sahip oldukarı rezonansa uygun antenler ve modülasyon teknikleri kullanarak analog veya sayısal veri aktarımı kanalları olarak değerlendirilebilirler. Televizyon, cep telefonu, MRI, kablosuz bilgisayar ağları ve benzeri uygulamalar radyo dalgalarını kullanır.
Radyo dalgalarının veri taşıma özellikleri dalga yüksekliği, frekans ve faz belirli bir bant aralığında modüle edilerek belirlenir. Elektromanyetik spektrumun bu bölümünün kullanımı birçok ülkede çeşitli resmi kuruluşlar tarafından kısıtlanmakta ve denetlenmektedir. Elektromanyetik radyasyon bir iletkene empoze edildiğinde, iletkenin yüzeyindeki atomların elektronlarını daha enerjik kılarak iletken yüzeyinde küçük bir elekrik akımı oluşmasını sağlar. Radyo antenlerinin çalışma ilkesi bu etkiye dayanır.
Mikrodalga
Mikrodalgalar tipik olarak uygun çap ve şekilde metal dalga klavuzu tüpler kullanabilecek kadar kısadırlar ve magnetron veya klistron tüpler kullanarak istenilen faz ve frekansta üretilebilirler. Mikrodalga üretimi TED ve IMPATT gibi katı yapılı diyotlar kullanılarak da yapılabilir. Çeşitli frekanslardaki mikrodalga enerjisi bazı materyaller tarafından emilebilir ve bu süreç sonucunda ısı açığa çıkar. Mikrodalga fırınlar su moleküllerinin bu özelliğini kullanır. Wi-Fi gibi kablosuz sinyal aktarımında da düşük yoğunluklu mikrodalga kullanılır. Mikrodalga fırınlar bu yüzden çalışır durumda ve yeterince yakın mesafede olduklarında cep telefonu ve diğer bazı elektronik cihazları etkileyebilirler.
Terahertz radyasyon
Terahertz (THz) radyasyon, elektromanyetik tayfta uzak kızılötesi ile mikrodalgalar arasındaki frekans bandında bulunur. Yakın zamana kadar spektrumun bu bölgesi büyük oranda ihmal edilmişti ancak günümüzde bu milimetre-altı bant özellikle haberleşme, doku gösterimi ve savunma teknolojilerinde kullanılmaya başlanmıştır. Bu bandın askeri amaçlı uygulaması şimdilik düşman askerleri üzerine yansıtılan terahertz ışınımı suretiyle derilerinde yanma hissi yaratarak bu tehditleri etkisizleştirme uygulaması ile sınırlıdır. Aynı ışınım söz konusu hedeflerin elektronik eküpmanını da iş göremez hale getirecektir.
Kızılötesi radyasyon
Kızılötesi radyasyon yaklaşık olarak 300 GHz ile 400 THz frekansları ve 1 mm ile 750 nm arasındaki dalgaboylarını kapsar. Üç ana kategoride incelenir:
- Uzak kızılötesi, 300 GHz (1mm λ) ile 30 THz (10 μm λ) arasındadır. Bu bandın alt bölümleri için mikrodalga da denilebilir. Bu radyasyon tipik olarak spin yapan gaz molekülleri, sıvılarda moleküler akışkanlık ve katılarda fotonlar tarafından emilir. Dünyanın atmosferindeki yaklaşık %1 su buharı tarafından emilen uzak kızılötesi ışınım, atmosferin saydam olmasında büyük rol oynamaktadır. Astronomide 200 μm ile birkaç mm arasındaki dalgaboylarına genellikle milimetre altı denir ve "uzak kızılötesi" tanımı 200 μm'nin altındaki dalgaboyları tarafından kullanılır.
Atmosferin hangi dalga boylarını geçirip hangilerini bloke ettiğini özetler bir ilüstrasyon.
- Orta kızılötesi, 30 THz (10 μm λ) ile 120 THz (2.5 μm λ) arasında bulunur. Sıcak cisimler bu sıklıkla bu aralıkta ışınım yayarlar. Orta kızılötesi ışınım normal moleküler titreşim tarafından emilebilir. Bu frekans aralığına bazen parmak izi bandı da denir.
- Yakın kızılötesi, 120 THz (2500 μm λ) ile 400 THz (750 μm λ) arasındadır. Görünür ışığa benzer fiziksel işlemler tarafından üretilir ve benzer optik kurallara tabidir.
Görünür ışık
Beyaz ışığın bir prizma yardımıyla farklı renklere ayrılması.
İnsan gözünün ışık veya renk olarak algıladığı aralığa denk gelen elektromanyetik enerjidir. Beyaz ışık bir prizmadan geçirildiğinde bileşenleri olan diğer dalgaboylarına ayrılabilir. Her dalgaboyu farklı bir frekansa sahiptir ve göz tarafından farklı bir renk olarak algılanır.
Morötesi radyasyon
Dalgaboyu görünür ışıktan daha kısadır. Oldukça enerjik olduğu için morötesi (UV) ışınım kimyasal bağları bozup çeşitli molekülleri iyonize edebilir veya katalizör etkisi gösterebilir. Güneş yanıkları morötesi radyasyonun insan derisi üzerindeki yıkıcı etkisine örnek olarak verilebilir. Bazı durumlarda kanserojen etki yapabilir. UV ışınım ayrıca etkin bir mutajendir ve hücrelerin DNA yapısını bozarak kontrolsüz mutasyona sebep olabilir. Dünya'ya güneşten gelen UV radyasyonun büyük bir kısmı yüzeye ulaşmadan önce atmosferdeki ozon tabakası tarafından emilir.
X-ışınları
X-ışınları, morötesi ışınlardan daha kısa dalgaboyuna, dolayısı ile daha yüksek frekans ve enerjiye sahiptir. Çeşitli materyallerin içinden geçebildikleri için tıpta organ ve kemiklerin görüntülenmesinde sıkça kullanıldığı gibi, ayrıca yüksek-enerji fizik ve gökbilim uygulamalarında da kullanım alanı bulmuştur. X-ışınlarının bir başka adı Röntgen ışınlarıdır.
Gama ışınları
Gama ışınları 1900 yılında Villiard tarafından bulunmuştur. Bilinen en enerjik elektromanyetik radyasyon türü olan gama ışınları nükleer aktivite ve çeşitli kozmik kaynaklar tarafından üretilirler.
Faraday-Lenz yasası
Faraday kanunu ;
Şiddeti değişen bir manyetik alan içersinde, sabit duran bir iletkende elektrik akımı indüklenir. (Meydana gelir).
Şiddeti sabit bir manyetik alan içersinde, hareket ettirilen bir iletkende elektrik akımı indüklenir. (Meydana gelir)
Elektrik üreteçleri için uygulanan Faraday kanunu, elektrik motorları için de geçerlidir. Sabit bir manyetik alan içersindeki bir iletkene elektrik akımı uygulanırsa iletken hareket eder.
Elektriksel iletkenlik
Elektriksel iletkenlik bir iletken malzemeye uygulanan elektriksel alan etkisinde yük taşıyıcılarının uzak mesafeli hareketleri sonucu oluşur. Dört tür yük taşıyıcısı vardır.
- Elektronlar
- Yayınan katyon
- Yayınan anyon
- Elektron deliği
Metallerde serbest elektronlar eksi kutuptan artı kutba doğru hareket eden negatif yük taşıyıcılarıdır.
Kovalent bağlı bazı malzemelerde (Si gibi) bağdan kopan elektronlar artı kutba giderek eksi yük taşıyıcısı olur. Ancak arkasında bıraktığı delikte diğer bir elektron tarafından doldurulunca eksi yönde başka bir delik oluşur. Bunun yarattığı hareket sonucu elektron deliğide bir yük taşıyıcısı ama pozitif bir taşıyıcıdır.
Genelde sıvı eriyiklerde görülen iyonsal iletkenlikte ise pozitif yüklü anyonlar ve negatif katyonlar (bunlar elektron değil molekül veya atomdur) elektriksel alan etkisi altında ortamda hareket ederek iletkenliği sağlarlar.
Bir elektronun taşıdığı
birim yük 1,6 x 10
-19 kulondur. (q = 1,6 x 10
-19C) Elektron deliği +q yük taşır. İyonarlın ise iyonlaşma derecesine göre değişir. Na+1 için +q ve SO
4-2 için -2q yük taşınır.
l (cm) boyunda A (cm²) kesitli iletken için Ohm kanunu gereği
V = I x R
Burada gerilim V(volt) ve akım A(amp) birbirlerine bir orantık katsayısı direnç R(ohm) ile bağlıdır. Ve ortamın iletkenliğini belirler. Burada
R = ρ . l/A
olur. ρ ortama göre değişen bir katsayıdır. Birimi ohm.cm dir.
Lorentz kuvveti
Ekrandan dışarı yönelimdeki bir B mıknatıssal alanının etkisi altındaki farklı q yüklerine sahip parçacıkların izlediği yörüngeler
Mıknatıssal alan etkisinde dairesel yörüngeler izleyen elektronlar. Elektronların yolu boyunca yayınlanan pembe ışık, elektronların tüp içindeki gaz molekülleri ile çarpışmaları sonucu ortaya çıkmaktadır.
Fizikte, Lorentz kuvveti, elektromıknatıssal alanlar tarafından hareketli bir noktasal yüke etkiyen kuvvettir. Bu kuvvet matematiksel olarak, elektrik ve mıknatıssal alanlar cinsinden aşağıdaki gibi ifade edilir:
F : Kuvvet (newton)
E : Elektrik alan (volt/metre)
B : Manyetik alan (tesla)
q : Parçacığın elektriksel yükü (coulomb)
v : Parçacığın anlık hızı (metre/saniye)
× : Vektörel çapraz çarpım
Ya da bu denkleme eşdeğer olan vektörel ve skaler potansiyeller cinsinden başka bir denklem:
şeklinde ifade edilir. Burada,
∇ ve ∇ × sırayla gradiyent ve curl operatörleridir.
A ve ɸ sırayla E ve B ile aşağıda gösterildiği üzere ilişkili olan mıknatıssal vektör potansiyel ve elektrostatik potansiyeldir:
Görüldüğü üzere bunlar vektörel denklemlerdir: Kalın harfler ile belirtilen tüm nicelikler vektörel niceliklerdir. (öreneğin F, E, v, B, A gibi).
Lorentz kuvvet yasası, Faraday'ın indükleme yasası ile çok yakın bir ilişki içerisindedir.
Pozitif yüklü bir parçacık E elektrik alanı içinde bulunduğunda alan ile aynı yönde ivmelenirken, bir v anlık hızı ile B mıknastıssal alanı içinde bulunduğunda hem anlık hızına hemde mıknatıssal alana dik yönde bir kuvvete maruz kalacaktır. Kuvvetin yönü sağ el kuralı ile bulunabilir : Sağ elin dört parmağı parçacığın hızı yönünü gösterecek şekilde tutulur ve daha sonra mıknatıssal alanın yönüne doğru kıvrılır, bu sırada baş parmağın gösterdiği yön parçacık üzerine etkiyen kuvvetin yönüdür.
qv ifadesi mıknastıssal kuvvet olarak adlandırılırken, qE ifadesi elektriksel kuvvet olarak adlandırılır. Bazı tanımlamalara göre "Lorentz kuvveti" elektriksel ve mıknatıssal kuvvetlerin toplamı olarak değil sadece mıknatıssal kuvvet olarak tanımlanır:
Elektromotor kuvvet
Elektromotor kuvvet, elektrik geriliminin eş anlamlısı yani, elektronları hareket ettiren kuvvettir. Elektriksel olaylar sonucu ortaya çıkan kuvvet.
EMK’LI ve MOTORLU DEVRELER
Elektromotor kuvveti (emk) E, iç direnci r olan bir üreteç, R direncine şekildeki gibi bağlanmış olsun. K anahtarı açık iken devreden bir akım geçmez ve voltmetre üretecin emk değerini gösterir. Eğer, K anahtarı kapatılırsa devreden bir akım geçer. Bu durumda voltmetre, üretecin ya da R direncinin uçları arasındaki potansiyel farkını gösterir. Devreden geçen i akımı, üretecin sağladığı enerjidir, i şiddetindeki akımın t süresince geçirmek için üreteç W = 6. i. t kadar enerji harcar. Bu enerji R direncinde ve üretecin iç direnci olan r direncinde ısı enerjisine dönüşür. Enerjinin korunumundan, E.i.t = i2.R.t + i2.r.t = i. R + i. r dir. Bu bağıntıya göre, R direncinin uçları arasındaki potansiyel farkı ile iç direncin uçları arasındaki potansiyel farklarının toplamı üretecin elektromotor kuvvetine (emk sına) eşittir. R direncinin uçları arasındaki potansiyel farkı aynı zamanda üretecin uçları arasındaki potansiyel farkına eşittir. Yukarıdaki bağıntıya göre devreden geçen akım şiddeti, E = i.(R + r)
Genel olarak ise,
olur. Emk Direnç Akım Şiddeti S R, r i Volt Ohm Amper Bu bağıntıya kapalı devreler için ohm kanunu denir. Zıt Elektromotor Kuvvetli Devre
Elektromotor kuvveti E', iç direnci r' olan bir motor şekildeki gibi R direnciyle beraber üretece bağlanmış olsun. Devreden i akımı geçtiğinde motor çalışır ve üreteçten aldığı enerjinin bir kısmını mekanik enerjiye dönüştürür. Yine enerjinin korunumuna göre üretecin verdiği enerjinin bir kısmı mekanik enerjiye, geri kalan kısmı ise R, r1 ve r dirençlerinde ısı enerjisine dönüşmektedir. Enerji korunumundan, E.i.t = E’.i.t + i2.R.t + i2.r'.t + İ2.r.t E = E' + i. (R + r’ + r)
olur. Burada ?E, emk lerin cebirsel toplamıdır. Şekildeki motorun L ucu üretecin (+) kutbuna bağlı olduğu için (+), M ucu ise üretcin (-) kutbuna bağlı olduğundan (-) olur. Dolayısıyla üreteç ile motor ters bağlı iki üreteç gibi davrandığından, motora zıt emk li motor denir. Motorun mili sıkıştırılarak çalışması engellenirse, motordan mekanik enerji alınamaz ve E’ emk değeri sıfır olur. Bu durumda motorun yerinde yalnız r' direnci varmış gibi olur. Bu durumda devreden geçen akım,
olacağından, devrede motorun çalışması halindeki akıma göre daha büyük bir akım oluşur. MotorunVerimi Motor mekanik enerji sağlarken harcadığı enerjinin bir kısmı da iç direncinden dolayı ısı enerjisine dönüşür. Bu yüzden motorun verimi düşer. Eğer motorun iç direnci sıfır olsaydı verim % 100 olurdu. Bu ise gerçekte mümkün değildir. . Motora t sürede E'. i. t + i2. r. t kadar enerji verilir. Motordan ise E'. i. t kadar mekanik enerji alınır. Verim, motordan alınan enerjinin, motora verilen enerjiye oranı olduğundan,
olur. Birim zamanda harcanan enerji güç olduğundan verim, motordan alınan mekanik gücün motora verilen güce oranı olarak da tanımlanabilir. Yukarıdaki verim bağıntısında t = 1 alınırsa, Motordan alınan mekanik güç ; Pmek = E'. i dir. Motorun gücü ; Pmot.= E'. i + i2. r' dür. Motorda ısıya dönüşen güç ; Pısı = i2. r' dür. Üretecin Verimi Üreteç, motorda olduğu gibi, enerjisinin hepsini devreye veremez. Üretecin de iç direncinden dolayı enerjisinin bir kısmı ısıya dönüşür. Yine verim bağıntısından, üretecin verimi;
olur.
Manyetik alan
Mıknatıssal veya manyetik alan, bir mıknatısın mıknatıssal özelliklerini gösterebildiği alandır. Mıknatısın çevresinde oluşan çizgilere de, mıknatısın o bölgede oluşturduğu manyetik alan çizgileri denir. Manyetik alan çizgilerinin yönü Kuzeyden (K) Güneye doğrudur.
- Pusula iğneleri manyetik alan çizgilerine paralel dururlar.
Çubukta ok yönünde akan akım (I) çubuğun çevresinde bir manyetik alan ( ) oluşturur. Bu alanın yönü sağ el kuralı ile saptanır.
Michael Faraday, araştırmaları neticesinde maddelerin, manyetik alana tepki verdiğini ve bu tepki sonucunda etkileşimin olduğunu ortaya koydu. Verdikleri tepkiye göre maddeleri üç grupta toplanabildiğini gösterdi;
- Diyamanyetik maddeler: Zayıf bir şekilde etkilenenler; Bağıl manyetik geçirgenlikleri µr < 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana dik şekilde kendilerini yönlendirirler. Diyamanyetizma, tek sayıda elektronlara sahip ve tamamlanmamış içi kabuğu olmayan maddelerde görünür. Radyum, potasyum, magnezyum, hidrojen, bakır, gümüş, altın ve su diamanyetik gruba girerler.
- Paramanyetik maddeler : Bağıl manyetik geçirgenlikleri µr > 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana paralel şekilde kendilerini yönlendirirler. Paramanyetizma çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Hava, alüminyum ve silisyum paramanyetik gruba girer.
- Ferromanyetik maddeler: Kuvvetli bir şekilde mıknatıslardan etkilenen maddelerdir, Demir, nikel, kobalt ve alaşımlarını içeren maddeler bu gruba girer.
Bir mıknatısta:
- Aynı işaretli kutuplar birbirini iterlerken, zıt işaretli kutuplar birbirini çekerler.
- İtme ya da çekme kuvvetleri kutup şiddeti ile doğru, aradaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır.
- Elektriksel yük konusundaki coulomb kuvveti gibi kutupların birbirlerine uyguladıkları manyetik kuvvet skaler olarak birbirine eşit, fakat zıt yönlüdür.
- Bir mıkantısın ikiye bölünmesi sonucu bölünen her bir parçanın K, G biçiminde yeniden kutuplaştığı görülür. Buradan çıkaracağımız sonuç, atomik boyutlara inildiğinde dahi tek kutuplu mıknatıs elde edilemeyeceğidir.
Manyetik Kutuplar
Bir mıknatısı kütle merkezinden astığımızda bir ucunun kuzeyi diğer ucunun güneyi gösterdiğini gözleriz. Kuzeyi gösteren uca mıknatısın kuzey kutbu (N) , güneyi gösteren uca ise mıknatısın güney kutbu (S) denir.Mıknatısın aynı kutupları birbirini iter, zıt kutupları ise birbirini çeker.
Pusula bir noktadaki manyetik alanın yönünü gösterir. Pusula ince bir mıknatısın bir iğne üzerinde serbestçe dönebilmesiyle oluşur. Bir mıknatıs pusulaya yaklaştırıldığında pusula iğnesi sapma yapar.
Yerin Manyetik Alanı
Yerin Manyetik Alanı yaklaşık bir çift kutuptur. Coğrafi olarak da kuzey ve güney kutuplar olarak adlandırılırlar.
Yerin manyetik alanı, dünyanın sıvı dış çekirdeğindeki konveksiyon akımları ile oluşur. Dış çekirdekteki konveksiyon hareketleri, zaman içinde manyetik alanı oluşturur. Bu konveksiyon hareketlerinin dünyanın oluşumundan beri meydana geldiği düşünülmektedir. Yeryüzü çekirdeğinin içi katı , dışı sıvı demir termal hareketlerle kendi manyetik alanlarını oluşturur. Atomların yeterli bir güçle ve düzenli bir şekilde yer değiştirmesi ve yönlendirmesi kalıcı mıknatıslanmaya neden olduğundan dünyanın kabuğunda kalıcı mıknatıslanma yaratır. Dünyayı, etrafı manyetik alanla çevrelenmiş büyük küresel bir mıknatıs gibi düşünebiliriz.
Dünya manyetik alanı, kuzey ve güney kutupları olan, merkezde yerleşmiş bir dipol mıknatıs çubuk olarak ta tanımlanır. Dünyanın dönüş ekseni ile dipolün ekseni arasında yaklaşık olarak 11 derece fark vardır. Bu kuzey ve güney coğrafi kutuplarla, manyetik kutupların üst üste gelmediğini gösterir. Herhangi bir noktadaki yer mıknatıssal alanı, ölçülen bileşen ve yön ile belirtilir. Yerin içindeki dev mıknatıs Coğrafi kuzey-güney doğrultusuyla yaklaşık 11-15 derece lik bir açı yapacak şekilde konumlandığından pusulanın gösterdiği yön tam olarak coğrafi kuzey yönü olmayıp 11-15 derece arasında sapma yapar.
Manyetik Alan Çizgileri
Sağ el kuralı olarak adlandırılan yöntem, çeşitli mıknatıslarda ve içinden akım geçen tel çubuklarda akımın, kuvvetin ve manyetik alanın yönünü bulmamıza yardımcı olur.
- Manyetik alan çizgileri mıknatısın N kutbundan S kutbuna doğrudur.
- Sürtünme yolu ile, dokunmayla ve etki ile geçici mıknatıslık elde edilebilir.
manyetik akı
Birim yüzeyden geçen manyetik alan çizgileri sayısının ölçüsüne manyetik akı denir.
Düzgün B manyetik alanına konulmuş bir yüzeyde N ile gösterilen ve yüzeye dik gelen vektör yüzeyin normalidir. B vektörü mıknatıssal alanın yönünü gösterir.
Yanda verilen şekilin manyetik akısını bulmak için:
Em.akı= B.Alevhanın alanı.cosa formulü kullanılır.
Manyetik alanın ortamdan geçişi ==
- Yumuşak demir gibi maddeler ferromanyetiktirler; mıknatısın kutupları arasına yerleştirildiklerinde manyetik alan çizgilerini sıklaştırırlar.
- Manyetik alan çizgilerini zayıflatan maddeler manyetik özellik göstermemektedirler.
Mıknatıslık
Mıknatıslık (veya manyetizm(a), Fransızca magnétism), fizikte (doğabilimde), aracılığı ile gereçlerin diğer gereçler üzerine çekici veya itici güç uyguladıkları olgulardan biridir. Kolayca saptanabilen mıknatıssal özelliklere sahip gereçlerden bazıları, demir, çeliğin birkaç türü, ve manyetit bileşikleridir; ancak, tüm gereçler, mıknatıssal alanların varlığından farklı derecelerde etkilenirler.
Tarihçe
Manyetiklik ile ilgili ilk yazılı kayıtlardan biri Çin'in M.Ö. 4. yüzyılına dayanır, ve Şeytan ovası ustasının kitabı (鬼谷子) adlı eserdir. Bu eserde: "Manyetit demiri çekebilir veya itebilir." yazmaktadır. İğneler ile ile ilgili en erken deneylere ise, M.S. 20 ile 100 yılları arasında rastlanır, (Louen-heng): "Manyetit iğneyi çeker.". 12. yüzyıla varıldığında ise, Çinlilerin manyetit tabanlı pusulayı yönleyim (navigasyon) için kullandıkları biliniyordu.
Fiziksel (doğabilimsel) açıdan mıknatıslık
Çubuk bir mıknatısın kâğıt üzerinde demir kırıntıları ile oluşan mıknatıssal çizgileri.
Mıknatıssal güçler, elektriksel yüklerin hareketlerinden doğarlar. Maxwell'in denklemleri ile Biort-Savart yasası bu güçlerin kökenini ve onları yöneten alanların yasalarını açıklarlar. Bir diğer deyişle, elektriksel yükler hareket ettiğinde, mıknatıslık olgusu ortaya çıkar. Örneğin bu devinim veya hereket, elektrik akımı içindeki eksicikler olabilir, dolayısı ile sonucu da elektromanyetiklikdir; veya eksiciklerin yörüngesel devinimi de olabilir, ki onun sonucu da doğal mıknatıslardır.
Einstein'a göre, mıknatıssal güç, elektrik alanı içerisinde gerçekleşen bir huzursuzluğun (eksicik devinimi), yüklere dik olarak etki edip onları eski konumlarına iter. Bu yüzdendir ki, mıknatıslık da, Görelilik kuramı'nın doğrudan bir sonucu olarak, temelde bir elektriksel olgu olarak ele alınır...
Mıknatıssal alanda yüklü parçacık
Elektriksel yüke sahip bir parçacık B mıknatıssal alanında hareket ettiğinde (veya devindiğinde), ona F gücü etki eder:
burada parçacığın yükü, parçacığın hareket (veya devinim) yöneyi, ve mıknatıssal alandır.
Çapraz (veya yönel) çarpım olması nedeniyle, ortaya çıkan güç, hem parçacığın devinimine hem mıknatıssal alana diktir. Dolayısıyla, bu güç, parçacık üzerine her hangi bir iş gerçekleştirmez; devinim yönünü değiştirebilir, ancak yavaşlamasına veya hızlanmasına neden olamaz.
Mıknatıslı tornavida etrafındaki demir parçacıkları.
Hareket eden bir yüklü parçacığın hız yöneyini "V", mıknatıssal alanı "B" ve parçacığa etki eden gücü "F" bulmanın bir yolu, sağ elimizin baş parmağını "F", orta parmağı "B" ve işaret parmağını "V" olarak tanımlayıp, elimizi "silah" gibi doğrulatarak her üç parmağı birbirine dik olacak biçimde konumlandırmaktır. Bu yöntem ayrıca sağ el kuralı olarak da bilinmektedir.
Mıknatıslılığın nedeni
Doğabilimsel açıdan, elektrik akımlarının aksine, nesnelerin mıknatıslılığı, atom (veya öğecik) düzeyindeki eksicik deviniminden kaynaklanır (öğeciksel çift kutuplusu). Ayrıca mıknatıssal moment olarak da bilinen atom düzeyindeki bu devinimler iki türdendir. Birincisi, eksiciklerin atom çekirdeği yörüngesindeki devinimidir, çok daha güçlü olan ikincisi ise, kendi çevrelerindeki devinimleridir (spin).
Bir atomun (veya öğeciğin) toplam mıknatıssal momenti ise, her eksiciğinin mıknatıssal momentinin toplamına eşittir. Ancak eksiciklerin çekirdek çevresindeki konumlarına göre, birbirlerinin mıknatıssal momentlerini etkisiz hâle getirebilmeleri söz konusudur. Dolayısıyla atomun mıknatıssal açıdan davranışı ancak etkin olan eksicikleri tarafından belirlenir. Bunun sonucunda, eksicik yapılandırmasına göre doğada farklı mıknatıslık özellikleri taşıyan maddelere rastlanır:
- Diamıknatıslık (diamanyetizm)
- Paramıknatıslık (paramanyetizm)
- Özdeciksel mıknatıs (moleküler mıknatıs)
- Feromıknatıslık (Feromanyetizm)
- Antiferromıknatıslık (Antiferromanyetizm)
- Ferrimıknatıslık (Ferrimanyetizm)
- Metamıknatıslık (Metamanyetizm)
- Spin camı
- Superparamıknatıslık (Superparamanyetizm)
Mıknatıssal çift kutuplular (dipollar)
Olağan şartlar altında mıknatıssal alanlar, çift kutuplu (veya dipol) olarak görülürler. Bu kutuplara, uzlaşımsal olarak Güney kutbu ve Kuzey kutbu denmektedir. Bu isimler, geçmişte mıknatısların pusula olarak Dünya'nın mıknatıssal alanı ile etkileşip kutupları göstermek için kullanılmalarına dayanır.
Mıknatıssal bir alan, erke (enerji) içerir, ve dolayısıyla bu tür düzenekler, en düşük erke düzeyinde dengeye erişmeye uğraşırlar. Böylece, "mıknatıssal bir çift kutuplu" kendisini bulunduğu alanın kutuplarına göre ters olarak konumladırmaya uğraşır. Bu konumlandırma sayesinde, düzeneğin toplam erkesini en aza indirir. Örneğin, iki çubuk mıknatıs olağan olarak kuzeyden güneye doğru konumlandırılırlar, ve bu konumlandırmayı değiştirmek için ek güç gerekmektedir. Bu yönde harcanın güç ise ortaya çıkan düzeneğin mıknatıssal alanında yığılıdır.
Mıknatıssal tek kutuplular (monopollar)
Günümüz mıknatıslık anlayışı, tüm mıknatıssal etkilerin aslında göreceli etkiler olduğu üzerine kuruludur. Bu görelilik, gözlemci ile yüklü parçacıkların arasındaki göreceli devinime (veya harekete) dayalıdır. Aslına bakılırsa, tüm mıknatıslık etkilerin devinen elektriksel yüklerden kaynaklandığını düşünürsek, tüm mıknatıslar birer elektromıknatıstır.
Atomların (veya öğeciklerin) bile kendilerine özel mıknatıssal alanları vardır. Günümüzde geçerli olan atom kuramına göre, eksicikler çekirdeğin yörüngesinde devinirler, ve dolayısıyla mıknatıssal bir alan oluşur. Doğal mıknatısların ölçülebilir derecede güçlü mıknatıssal alanları ise, atom ve hatta özdeciklerin (moleküllerin) alanlarının aynı doğrultuda olup, birleşip güçlenmelerinden kaynaklanır.
Paul Dirac'ın 1931 yılındaki gözlemleri, mıknatıssal tek kutupluların varlığını öngürür. Ayrıntıya girmek gerekirse, bu öngörü iki temel olguya dayanır: a) eksicik ve artıcıkların ters ve eşit miktarda yüklü parçacıklar olarak varlığı ve b) elektrik ve mıknatıslılık arasındaki bakışım (veya simetri). Dolayısıyla, Güney ve Kuzey olarak mıknatıssal tek kutupluların da doğada varlığının olası olduğu iddia edilmektedir. Ancak, artıcık ve eksiciklerin tersine, tek kutupluluk savını destekleyecek her hangi bir kanıt henüz bulunamamıştır.
Elektrik
Elektrik akım boşalması
Elektrik elektriksel yükün varlığı ve akışından meydana gelen çeşitli olguları tanımlayan sözcüktür. Mıknatıslık (manyetizma) ile birlikte doğadaki temel etkileşimlerden biri olan elektromıknatıslığı oluşturur. Yıldırım, elektrik akımı ve alanı gibi yaygın olarak bilinen birçok olguyu bünyesinde barındırmanın yanı sıra, en önemli endüstriyel uygulamaları arasında elektronik ve elektrik gücü sayılabilir.
Elektriğin çoğu özellikleri 19. yüzyıl esnasında anlaşılmış olup, sanayi devriminin önemli etkenlerinden biridir. Günümüzde ise, elektrik uygarlığın ayrılmaz parçası konumundadır.
Tarihçesi
Antik Yunan'da kehribarın (Yunanca ήλεκτρον-ilektron) sürtünmesi ile diğer nesneleri çektiğini gözlemlemiş ve bu güce elektrik adını vermişlerdir.
Yüzyıllar sonra, 1752'de, Benjamin Franklin elektrik üzerine deneyler gerçekleştirmiş ve yıldırım ile dural elektrik (statik elektrik) arasındaki bağı tanınmış uçurtma deneyi ile incelemiştir. Bilimsel toplulukta elektriğin tekrar ilgi odağı olması ile, Luigi Galvani (1737-1798), Alessandro Volta (1745-1827), Michael Faraday (1791-1867), André-Marie Ampère (1775-1836), ve Georg Simon Ohm (1789-1854) çalışmaları ile önemli katkıda bulunmuşlardır.
19. ve 20 yüzyılların sonunda ise, elektrik mühendisliği tarihinin en önemli isimlerinden bazıları belirmiştir: Nikola Tesla, Samuel Morse, Antonio Meucci, Thomas Edison, George Westinghouse, Werner von Siemens, Charles Steinmetz, ve Alexander Graham Bell.
Temel kavramlar
Elektriksel yük
Kütle gibi, elektriksel yük de soyut bir özellik olup, fizikçiler tarafından maddenin davranışlarını tanımlamak için kullanılır. Bir diğer deyişle, hiç kimse doğrudan bir elektriksel yük görmemiştir, ancak bazı parçacıkları inceleyerek benzerliklerin varlığı saptanmıştır.
Kütlenin tersine, biri diğerinin tersi davranışlar sergileyen iki tür elektriksel yükten söz edilir, ve uzlaşımsal (konvansiyonel) olarak, artı (veya pozitif) ve eksi (veya negatif) diye adlandırılırlar.
| |
|
|
farklı türden iki yük ise birbirini çeker
|
aynı türden iki yük ise birbirini iter
|
Eşit miktarda artı ve eksi yüke sahip parçacıklar ise, biri diğerini elediğinden, yüksüz veya nötr olarak adlandırılırlar. Parçacıklar arasındaki bu gücün nicel değerlendirilmesi ise Coulomb yasası ile hesaplanmaktadır.
Elektrik alanı
Michael Faraday, elektrikli motor teknolojisinin temelini oluşturduğu
Elektrik alanı kavramı ilk kez Michael Faraday tarafından kullanılmıştır. Kütlelere etki eden yerçekimi gücü gibi elektrik alanı gücü de elektrik yüklerine etki etmektedir. Ancak aralarında birkaç farklılık söz konusudur. Yerçekimi gücü ancak nesnelerin kütlelerine bağlıyken, elektik alanı gücü bu nesnelerin elektrik yüklerine bağlıdır. Yerçekimi gücü iki kütleyi her zaman yaklaştırmaya uğraşırken, elektrik alanı gücü, söz konusu yüklerin türüne göre, nesneleri yaklaştırabilir veya tam tersine uzaklaştırabilir.
Elektriksel gerilim (potansiyel)
İki konum arasındaki elektriksel gerilim farkı, artı yüklü bir noktasal yükü bu iki konum arasında ilerletmek için (elektriksel güce karşı) üretilen iş olarak tanımlanır. Bu iki konumdan biri sıfır gerilim noktası olarak düşünüldüğü takdirde, çevresindeki her hangi bir konumun gerilimi, noktasal bir yükün oraya ulaşması için gereken iş olarak tanımlanabilir. Tek yüklerin geriliminin hesaplanabilmeksi için, ikinci konumun sonsuzda yer aldığı varsayılır. Elektriksel gerilimin ölçüm birimi volt'tur (1 volt = 1 joule/coulomb).
Bu kavram, sıcaklığa benzetilebilir. Uzayın her hangi bir konumu için bir sıcaklık değeri söz konusudur, ve iki konum arasındaki fark ısının hangi yön ve miktarda değiştiğini gösterir. Benzer biçimde, uzayın her konumu elektriksel gerilim değerine sahiptir, ve iki konum arasındaki gerilim farkı, bu kavramın arkasındaki gücün yön ve şiddetini gösterir.
Elektrik akımı
Elektrik akımı, elektriksel yükün akışı olup, şiddeti amperdir (ampermetre ) ile ölçülür. Örnek olarak elektriksel iletme ele alınabilir. Bu durumda, elektronlar (eksicikler), metal tel gibi bir iletken içerisinde hareket ederler. Veya bir diğer örnek, elektrolizdir (kıvılkesim). Bu durumda artı yüklü atomlar sıvının içerisinde hareket ederler. Her ne kadar parçacıkların hızı genelde yavaş olsa da, onları iten elektrik alanı (kıvıl alan) ışık hızına yakın hızda ilerler.
Parçacıkların maddelerdeki akış ilkelerini kullanan aygıtlara elektronik aygıtlar denir.
Düz akım , yüklerin tek yönlü hareketini tanımlarken, dalgalı akım (alternatif akım, AC) düzenli olarak akış yönünün tersine çevirildiği akımı tanımlar. Ohm yasası elektrik akımı ile gerilimi bağlayan önemli bir bağıntıdır.
Doğada elektrik
Her ne kadar elektriğin doğada gözle görünen hâlleri sayı olarak sınırlı olsa da, elektrik (veya kıvıllık) doğanın en temel olguları arasında yer alır. Mıknatıslık ile birlikte evrenimizin yapı taşları arasında sayılırlar.
Yıldırım, elektrik yükünün atmosferden yeryüzüne aktarılmasıdır.
Yıldırım
Yıldırım, sürtünme ile üretilen elektriğe örnek olarak sayılabilir. Bu sürtünme, bulutlar arasında gerçekleşip, su buharı kümelerinin elektrik yükü edinmesine neden olur. Olağan şartlar altında, hava yalıtkan olarak işlev görür, ve bu yük bulutlarda bulunmaya devam eder. Ancak bulutlar birikip elektrik yükleri arttığında, havanın yapısını yerel olarak değiştirip plazmaya dönüştürürler. Ve bu plazma aracılığı ile yüklerini yeryüzüne iletirler; sonuç yıldırımdır.
Özdek (madde) yapısı
Özdeğin yapı taşları olan atomlar, kendi aralarında birleşip özdecikleri (molekülleri) oluşturmaları, elektrik sayesinde gerçekleşir. Örneğin kristal ve tuzlarda atomları elektrik bir arada tutar.
Ayrıca gezegenimizin de elektromıknatıssal alanı, çekirdeğinde yer alan elektrik akımlarından doğar.
Büyük Okyanus'tan elektrik akımı üretebilen balık türü.
Hayvanlar
Birçok balık türü, kendilerini yönlendirmek, korumak ve hatta iletişimde bulunmak amacıyla kullandıkları elektrik akımı üretebilirler. Göreceli olarak yüksek sayılan bu gerilimi, kasa benzer yapılar ile üretip, genelde avlarını sersemletmek için kullanırlar.Özellikle köpek balıkları gibi kıkırdaklı balıklar baş bölgelerinde bulunan elektrik akımına duyarlı bölgeler sayesinde avlarının yerini tespit edebilirler. Bu duruma en iyi örnek çekiç başlı köpek balığıdır son derece geniş olan burun bölgesinde bulunan duyarlı noktacıklar sayesinde son derece keskin bir elektriksel algılamaya sahiptir.
İnsanlar
NASA tarafından, çok sayıda resim bir araya getirilerek oluşturulmuş, yeryüzünün birleşik gece görüntüsü. Parlak ışıklı bölgelerde insan eliyle yapılmış aydıntlatmalar görülüyor. Avrupa kıtası, Hindistan, Japonya, Nil boyu ve Amerika ile Çin'in doğu kesimlerindeki yoğun nüfuslanma net olarak anlaşılabilirken Orta Afrika, Orta Asya, Amazonlar ve Avustralya'da seyrek yerleşimler göze çarpıyor.
Aslında, çoğu canlı türü elektrik üretir, ve bu elektrik kasları hareket ettirmek ve sinir hücreleri arasında iletişimi sağlamak için kullanılır.
Elektrik üretimi
- Termik santraller
- Hidroelektrik santralleri
- Nükleer santraller
- Rüzgar santralleri
- Voltaik paneller
- Doğalgaz santralleri
- Jeotermik santraller
- Güneş Enerjisi
Elektrostatik
Electrostatik duran veya çok yavaş hareket eden elektrik yüklerini inceleyen bir bilim dalıdır.
eski devirlerden beridir bilinen kehribar gibi bazı maddelerin sürtünmeden sonra bazı hafif maddeleri çektiği bilinirdi. Yunanca kehribar(amber,elektron),) elektrik kelimesinin kaynağıdır. Elektrostatik elektrik yüklerinin bir birine kuvvet uygulamasıyla doğar ve Coulomb yasası ve Gauss yasası ile incelenir. Elektrostatiksel olarak oluşturulan kuvvet zayıf olarak düşünülse de, hidrojen atomundaki elektron ile proton arasındaki elektrostatik kuvvet yerçekimi ile hidrojen arasındaki kuvvetin büyüklük olarak 40 katıdır.
Elektriksel yük
Elektriksel yük, atom altı parçacıkların sahip olduğu ve onun elektromanyetik ile olan etkileşimini tayin eden, temel bir özelliktir. Elektrik yüklü bir parçacık elektromanyetik alandan etkilenir, elektromanyetik alan yaratır. Yük ve alanın etkileşimi dört temel kuvvetten biri olan elektromanyetik kuvvetin kaynağını oluşturur.
Elektriksel yüklerin varlığı eski Yunan zamanından beri biliniyordu, ancak ayrıntılı deneysel araştırmalar 1600 yıllarında Gilbert tarafından yapılmaya başlandı. Elektriksel yük hakkında bilinen genel deneysel gerçekler aşağıdaki gibi özetlenebilir:
- Elektriksel yük, madde içinde taşınır.
- Geleneksel olarak pozitif ve negatif olarak isimlendirilen 2 tür yük vardır: Genellikle cisimler, taşıdıkları negatif ve pozitif yükler birbirlerini dengeledikleri için yüksüz görünürler. Cisimlerde pozitif yükler protonlar, negatif yükler elektronlar tarafından taşınırlar. Doğuda yükler daima (+e), (-e) olarak toplam yük sıfır olmak üzere yeralırlar.
- Durgun iki nokta yük arasındaki kuvvet noktaları birleştiren doğru boyuncadır.
- Kuvvetin büyüklüğü, r iki nokta arasındaki uzaklık olmak üzere r-n ile orantılıdır. n = 2 ± 1 · 10-9 olarak bilinmektedir; n = 2 olduğuna inanmamak için hiçbir neden yoktur.
- Elektrostatik kuvvet, qa ve qb nokta yüklerin taşıdığı yük miktarları olmak üzere qaqb ile orantılıdır. (qaqb) negatif ise kuvvet çekici; (qaqb) pozitif ise iticidir.
Coulomb yasası
Elektriksel yükü tanımlayan yasa, Fransız fizikçi Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) adını taşır. Bu yasa ile iki elektrik yükü arasındaki kuvvet şu şekilde hesaplanır:
Burada F kuvvet, r iki yük arasındaki mesafe, q1 ve q2 elektrik yüklerdir. MKS sisteminde birimler kuvvet için Newton (nt), uzaklık için metre (m), elektrik yük için de coulomb ( C ) dir. ( Askat olarak bütün MKS birimlerinde olduğu gibi pico,nano, mikro, mili, santi, desi; üskat olarak ta deka, hekto kilo vb.birimler kullanılır.)
Coulomb sabiti adını alan ke katsayısı ise bir başka katsayı cinsinden verilir.
Burada ε dielektrik sabiti denilen bir sabittir .MKS sisteminde ve noktadan sonra 6 ile basamak gösterilirse, boşlukta 8.854 188 • 10-12 değerine sahiptir.
Buna göre, Coulomb denklemi (yaklaşık olarak) şu şekilde yazılabilir.
Yukardaki denklem her biri 1 coulomb değerinde ve 1 metre uzaklıkta iki elektrik yük arasında yaklaşık olarak 9 •109 nt kadar bir kuvvet olduğu anlamına gelir. Şayet yüklerin işareti aynı ise kuvvet itici, şayet yüklerin işareti ters ise yükler çekicidir. ( 9 • 109 nt un çok büyük bir kuvvet olduğu görülmektedir. Bu her biri 900 kg lik bir milyon adet otomobilin ağırlığına denk bir kuvvettir.)
Temel elektrik yükü
Doğadaki temel elektrik yük, yani mümkün olan en küçük elektrik yük bir elektron üzerindeki yük olarak tarif edilmiştir. Bu yüklün en küçük elektrik yük olduğu ve cisimler üzerindeki elektrik yükün bu yükün üst katı olduğu varsayılmıştır. Gerçi günümüzde kuark adı verilen parçacıkların 1/3 veya 2/3 gibi daha da düşük bir elektrik yüke sahip olduğu saptanmıştır. Ama kuarklar hep üçlü gruplar oluşturduğu için, en küçük temel yük görüşü değişmemiştir. Bununla birlikte, en küçük elektrik yük mühendislik ve fizikte karşılaşılan problemlerin çözümü için çok küçük ve elverişsiz bir birim olduğundan, MKS ölçü sisteminde coulomb birimi kullanılmağa devam edilmektedir.
Elektronların elektriksel yükü negatiftir. Aynı mutlak değere sahip proton elektrik yükü ise pozitiftir. Normal koşullarda yük taşıyıcı elektrondur. Bir cismin elektrik yükü açısından pozitif olması o cismin elektronlarından bir bölümünü kaybettiği, negatif oluşu ise o cismin dışardan başka elektronlar kazandığı şeklinde yorumlanır. Bir coulomb 6.241 512•1018 elektronun elektrik yüküne denk olduğuna göre, coulomb cinsinden elektron elektrik yükü;
Elektron yük kütle oranı
Coulomb yasası ile Isaac Newton'un (1643-1727) evrensel çekim (gravitasyon) yasalarının formülasyonu çok benzer.
İlk yasada kuvvetin elektrik yük ile, ikinci yasada ise kütle ile orantılı olduğu görülmektedir. Elketron için yük/kütle oranı hesaplanırsa;
Fiziki boyut olarak elektrik yükü
Fizikte kullanılan çok sayıda büyüklük bazı temel büyüklüklerden üretilmiştir. (Kütle, uzunluk, zaman gibi) Bu gibi temel büyüklüklere boyut da denilebilir. Elektrik yük te boyut olmağa adaydır. Ne var ki, boyutların çok büyük duyarlıkla ölçülebilmeleri gerekmektedir. Oysa, elektrik yükünü duyarlı ölçü yapabilecek kadar miktarda toparlamak çok zordur.Çünkü aynı işaretli yükler birbirini ittiğinden, deney ortamında çok düşük derişimli yükten fazlası bir araya getirilemez. Bu sebepten, uluslar arası birimleri saptamankla görevlendirilen Comité international des poids et mesures (CIPM) adlı komite 1954 yılında temel büyüklük olarak elektrik yükü değil, elektrik yük ile yakın ilgili bir başka büyüklüğü, yani elektrik akım şiddetini almıştır. Elektrik akımı birim zamanda iletkenden geçen elektrik yüküdür. Birimi amperdir. Akım şiddetinin kısaltması I, amper birimini kısaltması A dır. Buna göre t zamanında iletkenden geçen akım;
Daha genel haliyle;
Elektrik alanı
Coulomb yasası iki yük arasındaki kuvveti verir. Elektrik alanı sanal birim elektrik yük üzerindeki kuvvet olarak tanımlanabilir. Elektrik alanını bulmak için, Coulomb kuvveti birim yüke bölünmelidir. Elektrik alanı E ile gösterilir. Birimi nt/C. veya V/m. dir.Şayet sanal birim yük qoise;
Elektrik alanı ile yakından ilgili bir başka büyüklük te elektrik akı yoğunluğu (ya da elektrik yer değiştirme alanı) adını alan büyüklüktür. Bu büyüklük D ile geösterilir. Birimi C/m2 dir.
Bu denklem kapalı bir hacmin duvarlarından geçen yoğunluk çizgileri toplamının o hacim içersindeki elektrik yüküne eşit olduğunu göstermektedir. Denklemin en genel hali Maxwell denklemlerinden biri olan Gauss denklemi dir.
Maxwell denklemleri
Maxwell denklemleri, James Clerk Maxwell' in toparladığı dört denklemli, elektrik ve manyetik özelliklerle bu alanların maddeyle etkileşimlerini açıklayan bir settir. Bu dört denklem sırasıyla, elektrik alanın elektrik yükler tarafından oluşturulduğunu (Gauss Yasası), manyetik alanın kaynağının, manyetik yükün olmadığını, yüklerin ve değişken elektrik alanların manyetik alan ürettiğini (Ampere-Maxwell Yasası) ve değişken manyetik alanın elektrik alan ürettiğini (Faraday' ın İndüksiyon Yasası) gösterir.
Özet
|
Yasa Adı
|
Diferansiyel form
|
Integral form
|
|
Gauss Yasası:
|
|
Manyetizma için Gauss Yasası
(manyetik alanın kaynağı yoktur):
|
|
Faraday' ın indüksiyon yasası:
|
|
Ampère Yasası
(Maxwell'in eklemesiyle):
|
Bu tablodaki semboller ve onlara karşılık gelen SI birimleri:
|
Sembol
|
Anlamı
|
SI Birimi
|
|
Elektrik alan
|
|
|
Manyetik Alan
|
|
|
|
coulomb/metrekare
|
|
manyetik akı yoğunluğu
veya manyetik indüksiyon
veya manyetik alan
|
tesla, veya eşdeğeri,
weber/metrekare
|
|
serbest elektrik yük yoğunluğu,
bağlı yükleri içermez
|
coulomb/metreküp
|
|
|
ampere/metrekare
|
|
|
metrekare
|
|
S yüzeyini kapatan diferansiyel V hacmi
|
metreküp
|
S yüzeyini çevreleyen C kontürünün teğetsel diferensiyal vektör elemanı
|
metre
|
|
|
1/metre
|
|
rotasyon operatorü
|
1/metre
|
Fiziksel Anlamlar
Gauss Yasası
Bu denklemin anlamı elektrik alanın skaler kaynağının yük yoğunluğu olduğudur veya elektrik alanın noktasal olarak yüklerde sonlandığını belirtmektedir. Aynı zamanda Gauss yasası olarak da bilinir. Herhangi bir kapalı yüzeydeki elektrik alanın akısı o yüzeyin içindeki toplam yükle doğru orantılıdır.
Magnetik Alan için Gauss Yasası
Bu denklemin anlamı magnetik alanın skaler kaynağının olmadığıdır(magnetik yük yoktur) veya magnetik alanın hep kendi üzerine sonlandığıdır. Herhangi bir kapalı yüzeydeki magnetik alanın akısı sıfırdır...
Faraday Yasası
Bu denklemin anlamı elektrik alanın vektörel kaynağının, zamanla değişen magnetik akı olduğudur. Herhangi bir kapalı eğri üzerinde elektrik alanın sirkülasyonu(dolaşımı), eğrinin çevrelediği yüzey üzerindeki magnetik akının negatifinin zamanla değişimine eşittir.
Ampère Yasası
Magnetik alanın kapalı bir halka boyunca çizgisel integrali, o halka içinde kalan akım ile orantılıdır.
Coulomb'un burulma terazisi
Coulomb yasası, elektrik yüklü iki parçacık arasındaki kuvvetin büyüklüğü, yüklerin çarpımı ile doğru, yüklerin arasındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır şeklinde ifade edilir.
Bu tanım, Newton'un, mekanik harekete ilişkin üçüncü yasasına benzerdir. Colulomb yasasının formülasyonu, Newton'un yerçekimi yasası ile aynı formdadır: Bir kütlenin, ikinci kütleye uyguladığı elektriksel kuvvet, ikincinin birinciye uyguladığına eşittir.
Sayısal form
burada:
uygulanan kuvvetin büyüklüğü,
birinci kütlenin yükü,
diğer kütlenin yükü,
aralarındaki mesafe,
8.988×10
9 N m
2 C
-2 (veya m F
-1)
elektrostatik sabit veya
Coulomb kuvvet sabiti,
ve
8.854×10-12 C2 N-1 m-2 (veya F m-1) elektrik sabiti'dir.
cgs sisteminde, yük birimi statcoulomb olarak tanımlanır ve böylece Coulomb kuvvet sabiti 1 olur.
MKS gibi daha sık kullanılan birimlerle ölçüldüğünde, Coulomb kuvvet sabiti, k, nümerik olarak, yerçekimi sabiti G den çok daha büyük olacaktır ve dolayısıyla bu durumda yerçekimi kuvveti ihmal edilebilirdir.
F kuvveti, yüklü iki kütleyi birbirine bağlayaı yüke sahip kütleler bu hat üzerinde birbirini iterler, zıt yüklü kütlelerse birbirini çekerler.
Vektörel form
Kuvvetin hem yönünü hem de büyüklüğünü aynı anda hesaplayabilmek için, yasanın vektörel versiyonunu kullanmak gerekebilir.
burada
; elektrostatik kuvvet vektörü,
q1 ; kuvvetin uygulandığı yük,
q2 ; yük,
; iki yük arasındaki mesafe vektörü,
; q1'in konum vektörü,
; q2'nin konum vektörü, ve
; yönüne bakan birim vektördür.
Bu vektör denklemi, zıt yüklerin birbirini çektiğini, aynı yüklerinse birbirini ittiğini gösterir. negatif olduğunda çeken, pozitif olduğunda ise iten bir kuvvet söz konusudur.
Gauss yasası
Gauss yasası, başlıca fizik (doğabilim) ve
matematiksel çözümleme alanlarında kullanılır. Elektrik bağlamında, bu yasa kapalı bir yüzeyin dışına akan elektriksel akı ile, yüzey içerisinde kalan elektriksel yük arasındaki bağıntıyı tanımlar. Elektrik ile sınırlı kalmayıp
ters kare kök yasasının etkin olduğu her duruma uygulanabilir. Örneğin,
yerçekimsel güçler söz konusu oldu mu, benzer biçimde yüzey içerindeki kütle ile dışa akan yerçekimsel akı arasındaki bağıntıyı tanımlar.
Elektromıknatıslık kuramının tabanını oluşturan dört denklemden biridir.
GAUSS YASASI: Kısa mantığı her hangi bir kapalı yüzeyden geçen elektrik akısı, yüzeyin sarmaladığı £0'a bölümüdür. Gauss kanununun uygulanabilmesi için yük etrafında uygun kapalı yüzeyler seçilmelidir.
Ampère yasası
İçinden akım geçen bir telin etrafında oluşturduğu manyetik alanı açıklayan yasa olup, elektrikteki Gauss yasasının manyetik alandaki karşılığıdır.
Alternatif akım
Git ve: kullan, ara
Sinüzoid dalga
Üç fazlı alternatif akım
AC dalga şekilleri
Alternatif akım (AA ve AC İngilizce: Alternating current), genliği ve yönü periyodik olarak değişen elektriksel akımdır. En bilinen AC dalga biçimi sinüs dalgasıdır. Yine de farklı uygulamalarda üçgen ve kare dalga gibi değişik dalga biçimleri de kullanılmaktadır. Bütün dalgalar birbirlerine elektronik devreler aracılığı ile çevrilebilirler. Devrede kondansatör, diyotlar, röle ler ile bu çevrim yapılabilir.
AA güç genellikle sanayi ve konutlarda kullanılır. Santrallerde üretilen enerjinin sevkinde de AA kullanılmaktadır. Deniz altına yapılan enerji nakil hatlarında üretilen AA elektrik, dalga yapısında bozulmalara sebep verilmemesi için DC' ye dönüştürülerek taşınmaktadır. HVDC ismi verilen uygulama ile okyanus ya da deniz altından nakil hatları işlenebilmektedir.
Günümüzde havadan ve kablo üzerinden taşınan, ses ve radyo dalgalarının karışmama sebebi de alternatif akımın farklı sinüzoidal yapılarda olmasından kaynaklanmaktadır.
Tarihi
İlk AC sistem
İzolasyonlu kablolar arasındaki alternatif akım etkisini pratikte ilk dizayn eden William Stanley' dir. İndüksiyon bobini adını verdiği ve transformatör'ün atası olan sistemle alternatif akımla ilgili çalışmalarına başlamıştır. Bugün kullanılan haliyle alternatif akım ilk olarak Nikola Tesla tarafından 1886 yılında laboratuar ortamında üretilmeye başlanmıştır. Tesla daha sonra patentini George Westinghouse' a satmıştır. O yıllarda Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens ve diğer bazı bilim adamlarıda, bu alanda çalışmalar yapmışlardır.
Endüstriyel amaçlı üç faz (İngilizce: Three-phase) AC elektrik akımı üreten ilk santral ise, 1893 yılında Almirian Decker tarafından Kaliforniya' daki Mill Creek hidroelektrik santralinde kurulmuştur. Decker' in tasarladığı sistem 10.000 volt ve 3 fazlı bir sistemdir. Bu gerilimi kullanan sistemler günümüzde hala motorlarda ve bazı nakil hatlarında bulunmaktadır.
Alternatif akım 19. yüzyılın sonları ile 20. yüzyılın başlarında geliştirilerek kullanılmaya başlanılmıştır.
Üretimi, İletimi ve Dağıtımı
Üretimi
Atatürk Barajı
Bilindiği gibi içerisinden elektrik akımı geçen bir kablo etrafında manyetik alan meydana getirir. Tersinir olarak, manyetik alana maruz kalan bir kabloda da elektrik akımı oluşur. Bu ilkeden yola çıkılarak sabit stator ve hareketli rotor dan oluşan bir sistem dizayn edilmiştir. Çeşitli güçlerle(hidroelektrik santraldeki yüksekten düşen su, termik santraldeki buhar gücü vb) döndürülen rotor statorda sarılı haldeki kablolar üzerinde elektrik akımı oluşturur. Daire biçimindeki statorun 120° lik açı ile 3 tarafından üretilen elektrik enerjisi alınır. Üç faz oluşmuş bulunmaktadır. AC' deki sinüs dalgasının sebebi ise her faza düşen manyetik alanın, döner haldeki rotor sebebiyle sürekli değişmesinden kaynaklanmaktadır.
İletimi
Manyetik alan
Alternatif akımın gücü bilindiği gibi transformatörlerle arttırılabilir veya azaltılabilir. İletim sırasında nakil hatlarında oluşan gerilim düşümünü indirgemek için yüksek gerilimler kullanılır. Türkiye için iletim hatlarında 154 ve 380 kV(kilovolt) kullanılır. Burada iletim hattından kasdedilen santral ile şehir şebeke girişleri arasıdır.
Bir iletim hattındaki kayıp güç iletkendeki akımın karesi ve direncinin çarpımı ile bulunur. olarak formülüze edilir. Bunun anlamı; eğer iletkendeki akım 2 katına çıkarsa güç kaybı 4 kat artacaktır demektir.
Ancak yüksek gerilimlerinde dezavantajları vardır. Bunlar;
- Taşıma tehlikeleri
- Hatta oluşan yüksek manyetik alandan dolayı etkileşim
- Hatta oluşan yüksek manyetik alandan dolayı kablolarda ters gerilimler oluşması ve gerilim saflığının bozulması(günümüzde hat başından hat sonuna 3 kere çaprazlama yapılarak giderilmektedir.)
Günümüzde HVDC sistemler, yani yüksek gerilimli doğru akım iletim sistemleri bu etkileri ortadan kaldırmıştır, ancak uygulanması ve işletme maliyetleri çok yüksektir. Bu sistemde santralde üretilen AC güç, doğrultucu devreler yardımıyla DA güce çevrilir ve DA olarak taşınır. Hat sonunda tekrar AA güce çevrilir.
Hatta 3 faz taşımak esastır. Çünkü dünyadaki elektrik santrallerinin tamamına yakını 3 faz elektrik üretir. Bunun sebebi jeneratörün statorundaki 120°'lik açıyla dizilmiş hat çıkışlarıdır.
Dağıtımı
Transformatör örnek şeması
Şehirlerarası nakil hatları sonlar ile şehir şebekesi başlangıçları arasında indirici merkezler bulunur. Bu merkezlerin görevi gelen yüksek gerilimi dağıtım planlarına göre orta gerilim veya düşük gerilime çevirmektir. Bu merkezlerdeki transformatörler bu görevi yüklenirler. Temel olarak bir indirici merkezde, transformatör, kesici, ayırıcı, gerilim trafosu, kumando panoları bulunur.
AC Matematiği
Sinüs dalgası
Alternatif akım, alternatif gerilimle beraber incelenir. Alternatif akım genellikle sinüzoidaldir. Sinüs değeri 0° için 0, 90° için +1, 180° için 0, 270° için -1' dir. AC gerilim (V) matematiksel olarak aşağıdaki formül ile ele alınabilir;
,
Burada;
- pik yani tepe gerilimini (birim: volt),
- rms değeri ölçülen ya da hissedilen değerdir. Türkiye için 220 volttur.
- açısal frekansını (birim: saniye başına radyan)
- Açısal frekans fiziksel frekansa bağlı olmak üzere, , saniyede ki yenileme sayısı (birim= hertz), eşitlikle .
- ise zamanı (birim: saniye).
Pik-pik(tepeden tepeye) değeri AC gerilim için pozitif tepe değeri ve negatif tepe değeri arasındaki değerdir. için en büyük değer olan +1 ile ve en düşük değer -1 arasında, AC gerilim pik değerleri and arasında değişir. Pik-Pik değeri genellikle, or şekillerinde yazılır, , ile formülize edilir.
AC güç frekansları
Elektriğin frekansı ülkelere göre değişiklik gösterebilir. En çok kullanılan frekanslar 50 ve 60 hertzdir. Askeri alanlarda, denizaltılarda, tekstil endüstrisinde, bazı merkez bilgisayarlarda, uçaklarda ve uzay araçlarında 400 hertz kullanılmaktadır. Aşağıdaki tabloda ülkelere göre frekans ve gerilim değerleri bulunmaktadır.
Enerji
Yıldırım, enerji aktarımının oldukça görülebilir bir biçimidir...
Enerji, bir cisim ya da sistemin iş yapabilme yeteneği, "n güç" anlamındadır. Doğrudan ölçülemeyen bir değer olup fiziksel bir sistemin durumunu değiştirmek için yapılması gereken iş yoluyla veya enerji türüne göre değişik hesaplamalar yoluyla bulunabilir. Sözcük, Eski Yunan dilindeki εν = aktif ve εργον = iş kelimelerinden türemiştir, bu açıdan anlam olarak 'işe dönüştürülebilen' bir şey olduğu söylenebilir. Fizikte kullanılmaya başlamadan önce genel anlamda güç kelimesi yerine kullanılmaktaydı. Enerjinin başka bir tanımı ise, iş ailesinden olup bir fiziksel sistemin ne kadar iş yapabileceğini ya da ne kadar ısı değiş tokuşu yapabileceğini belirleyen bir durum fonksiyonudur. Birimi, iş birimi ile aynıdır. (N.m=J)
Albert Einstein kütle ile enerjinin eşdeğer olduğunu çok bilinen E=mc² formülü ile göstermiştir. Enerji korunumlu bir büyüklüktür aynı zamanda biçim değiştirebilir. Bunun en sıradan örneği Hidroelektrik Santrallerinde elektrik enerjisine dönüştürülen, suyun potansiyel enerjisidir. Bu dönüşüm işlemi pratikte birebir olamaz, kayıplar oluşur. Enerji korunumlu bir büyüklük olmasına rağmen diğer biçime dönüştürülemeyen ve dolayısıyla ısı olarak etrafa yayılan enerji, teknik terimle kayıp olarak nitelendirilir. Enerjinin korunduğunu ilk gösteren James Prescott Joule' dur. Joule, deneyinde m kütleli bir cismi, bir makaraya bağlayarak belirli bir yükseklikten aşağıya bırakmıştır. Makara aynı zamanda termal olarak yalıtılmış bir ısı kutusunun içindeki çarklara bağlıdır. Cisim aşağıya indikçe kutunun içindeki çarklar döner ve içerdeki sıvının sıcaklığını ölçen termometrede ΔT kadar bir artış gözlemlenir. Isı kutusunun özısısına ve makaranın sürtünmesine harcanan enerji bu dönüşümdeki kayıplar olarak varsayılırsa, enerjinin biçim değiştirebildiği ve korunumlu olduğu bu sayede gösterilmiş olur.
Enerji birimleri
Enerji kullanıldığı yerlere göre farklı birimlerde ele alınır.
- Newton metre (Nm); 1 Nm =kg m2/sn2
- Joule (J); 1 Nm = 1 J
- Kalori (cal); 1 J = 0.239 cal, 1 cal=4,18 J, 1 kcal=4184 J
- Elektronvolt (eV)
- British Thermal Unit (BTU); 1 BTU=1,055 J, 1 kWh=3412 BTU, 1 BTU=0.0002931 kWh
- Watt-saat (Wh) 1Watt hours (Wh) = 3,600 J ,
- Kilo Watt-saat (kWh)1 kWh = 1,000 Wh , 1 kWh = 3,600,000 J
- erg (Yunanca ergon: iş) 1 erg= 1 g cm2 s−2, 1 erg = 1.0×10−7 J.
- Foot - pound (ft lb), 1 ft lb = 1.356 Nm
- litre-atmosfer (l.atm)
Enerji Çeşitleri
Enerji çeşitli şekillerde bulunabilir. Fakat bu şekillerin tamamı iki ana başlığa incelenebilir. Bunlar kinetik enerji ve potansiyel enerjidir.
- Potansiyel enerji: Bir nesnenin konumundan dolayı, diğer nesnelere bağlı olan enerjisidir.Depolanmış enerji Isı sebebi ile oluşan enerji olup, aslında molekül ve atomların kinetik enerjisi olarak da adlandırılır.
- Yer çekimi Potansiyel Enerjisi: Bir kütle, bulunduğu yerden düşey konumdaki alt bir noktaya göre yüksekte ise, sahip olduğu enerjiye Yer çekimi Potansiyel Enerjisi denir
- Isı (Termal) Potansiyel Enerji: Kömür, petrol, linyit, doğalgaz gibi yakıtların yakılmasıyla ısı enerjisi ortaya çıkmaktadır. Elde edilen ısı enerjisi ilk önce türbinler yardımıyla mekanik enerjiye, daha sonra da jeneratörler yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. Evlerimizde, kışın ısınmak, mutfak ve banyoda sıcak su elde etmek, yemek pişirmek için ısı enerjisinden sıkça faydalanmaktayız.
- Elektrik Potansiyel Enerjisi: Elektrik yüklemesi sebebi ile ortaya çıkan enerjidir.Yüklenmiş partiküllerin hareket enerjisidir.
- Kimyasal Potansiyel Enerji: Kimyasal tepkime sonucunda ortaya çıkan enerjiye kimyasal enerji adı vermekteyiz. Günlük hayatımızda sıkça kullandığımız pil ve aküler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir. Pil ve akülerde elektrik enerjisinin depolanması kimyasal yöntemlerle yapılmaktadır. Kimyasal enerji; mekanik, ısı ve ışık enerjisine dönüştürülebilmektedir.
- Nükleer Potansiyel Enerji: Atom çekirdeklerinin kararsızlığı nedeni ile oluşan enerjidir. Bu durumdaki nesne, elektromanyetik dalga veya ışık yaydığı için yayınım enerjisi olarak da adlandırılır. Atom çekirdekleri tarafından depolanmış enerjidir.
- Manyetik Potansiyel Enerji:Mıknatısın manyetik kuvvetinden dolayı oluşan enerjidir.
- Elastik Potansiyel Enerji:
- Kinetik enerji: Hareketin sebep olduğu enerjidir.
- Mekanik Enerji: Faydalı iş yapabilen hareket enerjisidir. Hareket enerjisi (kinetik enerji) bir iş yaptığında mekanik enerji olarak ortaya çıkmaktadır. Elektrik santrallerinde türbine çarpan suyun mekanik enerjiye dönüştüğü gibi pense ile kablo keserken, tornavida ile vida sıkarken vb. durumlarda da mekanik enerji üretilmiş olmaktadır. Elde edilen mekanik enerji ile her hangi bir iş yapılabileceği gibi elektrik enerjisi de üretilebilmektedir.
Enerjinin korunumu
Kapalı bir sistemde, potansiyel enerji’nin, kinetik enerjiye veya kinetik enerji’nin, potansiyel enerjiye dönüşümünde, her birindeki artma, diğerindeki azalmaya eşittir. Kapalı bir sistemde enerji korunacağından sabit bir değeri vardır. Dolayısıyla enerjideki değişim sıfırdır. T kinetik enerji, U da potansiyel enerji olmak üzere formüle edilirse:
veya diğer bir şekilde ifade edilirse
enerji korunum yasası olur.
Elektrik enerjisi
Elektrik enerjisi farklı anlamlara gelebilir. Bunlar:
- Elektrik alan içerisinde biriken enerji
- Yüklü bir parçacığın elektrik alan altında sahip olduğu potansiyel enerji
- Elektrik tarafından kullanılan enerji
Hepsi için geçerli olan SI birimi jouledur. Çoğu elektirk dağıtım şirketi bu birim yerine kilowatt-saat (kWh) kullanmayı tercih eder.
Elektrik alan içerisinde biriken enerji
Elektrik alan içerisinde birim alan başına düşen elektrik enerjisi şu ifade ile gösterilir:
,
burada maddenin dielektrik sabiti ve E ise elektrik alan vektörüdür. Elektrik alana, etraftaki gerilim hatlarında hatlarında, kondensatörler ve indüktörlerde ve uzayda elektromanyetik radyasyon olarak yayılan alanlarda rastlanır.
Yüklü parçacığın potansiyel enerjisi
Elektrik enerjisi elektrik yükünün elektrik alan içerisindeki konuma bağlıdır. Q yüküne sahip bir parçacığın, V elektrik potansiyeli içindeki elektrik potansiyel enerjisi, QV çarpımına eşittir. Aynı ifade, parçacığın V potansiyeli içerisindeki hareketinden doğan dönüşümü de ifade eder.
Güç
Sinüsoidal Kaynakta Anlık Güç
Bir devrede bir elemanın anlık gücünü belli bir anında uçları arasındaki gerilim ve o anda üzerinden geçen akımın çarpımıyla elde edebiliriz. Gerilimi , akımı da birimlerinden alırsak, anlık gücün birimini olarak buluruz. Anlık gücün genel ifadesini aşağıdaki gibi yazabiliriz.
Gerilim ve akımın anlık değerlerini bildiğimize göre ifademizi açıp genişletebiliriz. Gerilim fazörünün açı değeri , akım fazörünün açı değeri ise kabul edilecektir. Akımı referans olarak alıp, akım fazına dersek gerilim fazı olur. Bu genel bir yaklaşımdır. Bulduğumuz anlık güç ifadesini hem kapasitif, hem endüktif hem de resistif yükler için kullanabiliriz. Elimizde olması gereken bilgi faz farkının değeridir. Hesaplamamıza başlayalım...
Yukarıdaki ifadede bulunan çarpımını çarpımına benzetip trigonometrik dönüşüm yaparsak aşağıdaki formülasyonu elde ederiz.
Bu trigonometrik dönüşümlerin ardından anlık güç formulasyonunu tekrar yazalım...
Anlık güç formülasyonunda bulunan ifadesini trigonometrik dönüşümüne göre açarsak, anlık gücün aşağıdaki ifadesini elde ederiz.
Bu trigonometrik eşitliğin sonrasında anlık güç aşağıdaki şekilde ifade edilebilir.
Son çıkan anlık güç ifadesinde bir şey dikkatimizi çekmektedir. Bu da faz farkının ve fonksiyonlarının içinde gelmesidir. Bundan sonra içinde bulunan ifade Aktif Güç (P), olan ifade Reaktif Güç (Q) olarak tanımlanacaktır. Bu tanımdan sonra formülasyonu basitleştirirsek anlık güç aşağıdaki şekle dönüşür.
Sinüsoidal Kaynakta Anlık Güç
Elektronvolt
Elektronvolt (sembolü eV) bir enerji birimidir. Bir elektronun, boşlukta, bir voltluk elektrostatik potansiyel farkı katederek kazandığı kinetik enerji miktarıdır. Diğer bir deyişle, 1 volt çarpı elektronun yüküne eşittir.
Kütle-Enerji denkliği yasasına göre aynı zamanda kütle değerleri için de kullanılır. Mesela proton'un ağırlığı yaklaşık 1 GeV'dir.
Oldukça küçük bir enerji birimidir:
1 eV = 1.602 176 53(14)×10
−19 J. (veya yaklaşık 0.160
aJ)
Katı hal fiziği ve Atom fiziğinde sıkça kullanılır. SI standart birimlerinden olmadığı halde kilo, mega, giga gibi standart SI öneklerini alır.
1 keV = 1 kiloelektronvolt = 103 eV
1 MeV = 1 megaelektronvolt = 106 eV
1 GeV = 1 gigaelektronvolt = 109 eV
1 TeV = 1 terraelektronvolt = 1012 eV
Elektronik devre elemanları
Pasif Devre Elemanları, bir elektronikçinin başarılı bir çalışma yapabilmesi için, öncelikle kullanacağı devre elemanlarının özelliklerini iyi bilmesi gerekir.
Aktif devre elemanları, ise özel amaçlı elemanlardır. Kullanılacak devrenin özelliğine göre, aktif devre elemanlarının özellikleri ve türleri de değişmektedir.
Elektronik Devre Elemanları İki Gruba Ayrılır:
1) Pasif Devre Elemanları
2) Aktif Devre Elemanları
Direnç
Direnç sembolleri
Direnç, elektrik akımının akışına direnç gösteren, bu esnada Ohm kanununa göre uçları arasında gerilim düşümüne sebep olan devre elemanıdır. Elektriksel direnci, uçlarındaki gerilim düşümünün üzerinden geçen elektriksel akıma bölünmesiyle bulunur.
"R" veya "r" harfi ile gösterilir ve birimi Ohm(Ω)'dur. Direnç, iletken yol yüzeydirenci - ısıl direnç gibi yönlere ayrılır: Teoride, direnç ısıyla doğru orantılıdır.
Dikkesit alanı S (metre kare), uzunluğu L (metre) ve özdirenci ρ (ohm.metre) olan bir iletkenin direnci,
ile hesaplanır.
Bir U (Volt) gerilimi R (Ohm) büyüklüğündeki bir dirence uygulanırsa, direnç üzerinden geçen I (Amper) akımı, Ohm kanununa göre;
olur.
Bir direncin üzerinde harcanan güç ise, "P" (Watt) olmak üzere:
P = U.I ya da başka deyişle P = R.I2
olur.
Direnç türleri
Elektrik güçlerine göre dirençler ikiye ayrılır:
- Büyük güç: (2 W'ın üzerindeki dirençler)
- Küçük güç: (2 W’ın altındaki dirençler)
Kullanım gereksinimlerine göre dirençler farklı biçim yapı ve güçlerde üretilirler.
- Sabit direnç: Sabit direnç değerleri gerektiren uygulamalarda kullanılır. Bu tür dirençlerin değer hassasiyetleri yüksektir.
- Ayarlı direnç: Değişken direnç değerlerinin gerekli olduğu, hassasiyetin çok önemli olmadığı durumlarda kullanılır.
- Termistör: Isı etkisi ile değeri değişen direnç.
- PTC direnç (İng: Positive Temperature Coefficient): Pozitif ısıl katsayılı direnç. Isı etkisi ile değeri artan direnç.
- NTC direnç (İng: Negative Temperature Coefficient): Negatif ısıl katsayılı direnç. Isı etkisi ile değeri düşen direnç.
- Foto direnç : Işık etkisi ile değeri değişen direnç.
Sabit dirençler
Sabit dirençler kullanılan malzeme cinsine göre üçe ayrılır:
- Karbon dirençler
- Telli dirençler
- Film dirençler
- İnce film dirençler
- Kalın film ve metal film dirençler
Karbon karışımı dirençler
Karbon karışımı veya karbon direnç, toz halindeki karbon ve reçinenin ısıtılarak eritilmesi yolu ile elde edilir. Karışımdaki karbon oranı direncin değerini belirler. Büyüklüklerine göre ¼, ½, 1, 2, 3 W / 1? dan 22 M?'a kadar değerlerde üretilirler. Bu tür dirençlerin değer hassasiyetleri %5-%20 aralığındadır. Halen en yaygın kullanılan türdür.
Telli dirençler
Nikel-krom, nikel-gümüş gibi alaşımlardan tellerin genellikle seramik gövde üzerine bir veya iki katlı olarak sarılması ve üzerlerinin yalıtkan bir malzeme ile kaplanması sureti ile üretilirler. Sabit veya ayarlanabilen biçimlerde olabilirler. Ayarlı tiplerde bir hat boyunca tellerin üzerindeki yalıtkan kazınır. Genellikle 10 Ω ile 100 kΩ arasında 30 W'a kadar güçlerde üretilirler.
Telli dirençler yüksek güç gerektiren uygulamalarda kullanılırlar. Tellerin çift katlı sarılmasıyla endüksiyon etkisi yokedilebildiğinden yüksek frekans devrelerinde de tercih edilirler.
Küçük güçlüleri ısınmayla çok az direnç değişimi gösterdiğinden, ölçü aletlerinin ayarında örnek direnç olarak da kullanılırlar. Maliyetlerinin yüksek olması, çok yer kaplamaları ve büyük güçlü olanlarının ısınması gibi olumsuz yönleri vardır
Film dirençler
Film dirençler; cam veya seramik gibi yalıtkan bir taşıyıcı üzerine ince bir tabaka direnç malzemesi olarak üretilirler. Film kalınlığına göre: İnce ve kalın film dirençler olarak sınıflandırılırlar.
İnce film dirençler
Porselen veya seramik vb. silindirik taşıyıcı çubuk üzerine; karbon, nikel-krom, tantal nitrit, metal oksitler gibi direnç malzemeleri ve cam tozu karışımı püskürtme yoluyla kaplanır. Püskürtülen bu direnç maddesi, çok ince bir elmas uçla veya lazer ışınıyla ya da foto-litografik yöntemler belirli bir genişlikte, spiral şeklinde kesilerek şerit sargılar haline dönüştürülür. Şerit sargıdan biri çıkarılarak diğer sargının sarımları arası izole edilir. Şerit genişliği istenilen şekilde ayarlanarak istenilen direnç değeri elde edilir.
Toleransları %1'den daha küçük olabilir. Yüksek ısıl kararlılıkları ve düşük toleransları ile bir çok uygulamada kullanılır.
Kalın film (cermet) dirençler
Kalın film dirençler, seramik ve metal tozları karıştırılarak yapılır. Seramik ve metal tozu karışımı bir yapıştırıcı ile hamur haline getirildikten sonra, seramik bir gövdeye şerit halinde yapıştırılır fırında yüksek sıcaklıkta pişirilir. Bu yöntemle, hem sabit hem de ayarlı dirençler yapılmaktadır. Film dirençlerin toleransları %1-5 civarındadır.
Ayarlı dirençler
Ayarlı dirençler, direnç değerinde duruma göre değişiklik yapılması veya istenilen bir değere ayarlanması gereken devrelerde kullanılırlar. Karbon, telli ve kalın film yapıda olanları vardır.
Ayarlı dirençler iki ana gruba ayrılır:
- Reostalar
- Potansiyometreler
Reostalar
Reostalar,iki uçlu ayarlanabilen(değişken direnç) dirençlerdir. Bu iki uçtan birine bağlı olan kayıcı uç, direnç üzerinde gezdirilerek, direnç değeri değiştirilir.
Reostaların da karbon tipi ve telli tipleri vardır. Sürekli direnç değişimi yapan reostalar olduğu gibi, kademeli değişim yapan reostalarda vardır.
Laboratuvarlarda etalon direnç olarak, yani direnç değerlerinin ayarlanmasında ve köprü metodunda direnç ölçümlerinde, değişken direnç gerektiren devre deneylerinde, örneğin diyot ve transistor karakteristik eğrileri çıkarılırken giriş, çıkış gerilim ve akımlarının değiştirilmesinde ve benzeri değişken direnç gerektiren pek çok işlemde kullanılır. Ve reostalar yukarı da da belirttiğimiz gibi ayarlı dirençlere dahildir.
Potansiyometreler
Potansiyometreler üç uçlu ayarlı orta uç, direnç üzerinde gezinebilir
Potansiyometreler, direnç değerinin değiştirilmesi yoluyla gerilim bölme, diğer bir deyimle çıkış gerilimini ayarlama işlemini yapar.
Devre direncinin çok sık değiştirilmesi istenen yerlerde kullanılır.Potansiyometreler radyo gibi cihazlarda ses kontrolü için kullanılır. Sesin açılıp kapanması için kullanılır.
Potansiyometreler aşağıdaki üç grup altında toplanabilir.
- Karbon potansiyometreler
- Telli potansiyometreler
- Vidalı potansiyometreler
Karbon potansiyometreler
Karbon potansiyometreler, mil kumandalı veya bir kez ön ayar yapılıp, bırakılacak şekilde üretilmektedir. Ayar için tornavida kullanılır. Bu türdeki potansiyometreye "Trimmer potansiyometre" (Trimpot) denmektedir
A: Lineer potansiyometre çıkış gerilimindeki değişim
B: Logaritmik potansiyometre çıkış gerilimindeki değişim
Şekil 1.10 'da gösterilmiş olduğu gibi karbon potansiyometreler. Lineer (doğrusal) veya logaritmik (eğrisel) gerilim ayarı yapacak şekilde üretilir.
Şeklin köşesinde karakteristik eğrileri çıkarılan potansiyometre görülmektedir.
Yatay koordinat ekseni, potansiyometre fırçasının "a" ucuna göre dönüş açısını, gösteriyor.
Düşey koordinat ekseni ise, a-s uçlarından alınan Vas geriliminin , a-e uçları arasındaki Vae gerilimine oranını (Vas/Vae) göstermektedir.
Aynı şeyleri direnç değerleri üzerinde de söylemek mümkündür.
Şekilde, noktalı olarak çizilmiş olan A doğrusu, lineer (doğrusal) potansiyometreye, B eğrisi ise logaritmik potansiyometreye aittir.
Potansiyometre fırçası "a" ucunda iken Vas çıkış gerilimi sıfır 'dır.
Fırçanın 90° döndürülmüş olduğunu kabul edelim:
Potansiyometre lineer ise; Vas = 32/100*Vae = 0,32Vae olur.
Potansiyometre logaritmik ise; Vas = 8/100*Vae = 0,08Vae olur.
Yükselteçlerde volüm ve ton kontrolünde logaritmik potansiyometrelerin kullanılması uygun olur.
Dirençlerin hangi türden olduğunun anlaşılmasını sağlamak için, omaj değerinden sonra "lin" veya "log" kelimeleri yazılır.
2. Telli potansiyometreler
Telli potansiyometreler, bir yalıtkan çember üzerine sarılan teller ile bağlantı kuran fırça düzeninden oluşmaktadır. Bu tür potansiyometrelerin üzeri genellikle açıktır. Tel olarak Nikel-Krom veya başka rezistans telleri kullanılır.
3. Vidalı potansiyometreler
Vidalı potansiyometrede, sonsuz vida ile oluşturulan direnci taramaktadır. Üzerinde hareket eden bir fırça, kalın film (Cermet) yöntemiyle oluşturulan direnci taramaktadır. Fırça potansiyometrenin orta ayağına bağlıdır. Böylece orta ayak üzerinden istenilen değerde ve çok hassas ayarlanabilen bir çıkış alınabilir.
Potansiyometrelerin başlıca kullanım alanları: Potansiyometreler elektronikte başlıca üç amaç için kullanılırlar;
- Ön ayar için
- Genel amaçlı kontrol için
- İnce ayarlı kontrol için
Standart direnç renk kodları, EIA
Dirençlerin değer ve toleransları büyük çoğunlukla üzerlerine çizilen renk şeritleri ile belirtilir.
Renk kodlarını okumak için şu kural geçerlidir AB*10^C
|
Renk
|
1. band
|
2. band
|
3. band (çarpan)
|
4. band (tolerans)
|
Isıl katsayısı
|
|
|
0
|
0
|
×100
|
|
|
|
|
1
|
1
|
×101
|
±1% (F)
|
100 ppm
|
|
|
2
|
2
|
×102
|
±2% (G)
|
50 ppm
|
|
|
3
|
3
|
×103
|
|
15 ppm
|
|
|
4
|
4
|
×104
|
|
25 ppm
|
|
|
5
|
5
|
×105
|
±0.5% (D)
|
|
|
|
6
|
6
|
×106
|
±0.25% (C)
|
|
|
|
7
|
7
|
×107
|
±0.1% (B)
|
|
|
|
8
|
8
|
×108
|
±0.05% (A)
|
|
|
|
9
|
9
|
×109
|
|
|
|
|
|
|
×0.1
|
±5% (J)
|
|
|
|
|
|
×0.01
|
±10% (K)
|
|
|
Boş
|
|
|
|
±20% (M)
|
|
Not: Renkler kırmızıdan mora, kırmızı düşük, mor yüksek enerji olmak üzere temsil etmektedir.
Kondansatör
Farklı boyut ve kapasitelerde kondansatör çeşitleri...
Kondansatör, elektronların kutuplanarak elektriksel yükü elektrik alanın içerisinde depolayabilme özelliklerinden faydalanılarak, bir yalıtkan malzemenin iki metal tabaka arasına yerleştirilmesiyle oluşturulan temel elektrik ve elektronik devre elemanıdır. Piyasada kapasite, kapasitör, sığaç gibi isimlerle anılan kondansatörler, 18. yüzyılda icat edilip geliştirilmeye başlanmış ve günümüzde teknolojinin ilerlemesinde büyük önemi olan elektrik - elektronik dallarının en vazgeçilmez unsurlarından biri olmuştur. Elektrik yükü depolama, reaktif güç kontrolü, bilgi kaybı engelleme, AC/DC arasında dönüşüm yapmada kullanılırlar ve tüm entegre elektronik devrelerin vazgeçilmez elemanıdırlar.
Kondansatörlerin karakteristikleri olarak;
- plakalar arasında kullanılan yalıtkanın cinsi,
- çalışma ve dayanma gerilimleri,
- depolayabildikleri yük miktarı
sayılabilir. Bu kriterler göz önünde bulundurulduktan sonra gereksinime uygun olan kondansatör tercih edilir. Kondansatörlerin fiziksel büyüklükleri, çalışma gerilimleri ve depolayabilecekleri yük miktarına bağlıdır. Tasarım açısından ise çeşitlilik boldur, hemen hemen her boyut ve şekilde kondansatör temin edilebilir.
Küçük boyutlu değişik tipteki kondansatörler.
Üstte solda 8'li grup entegre devrelerde kullanılan SMD tipi seramik, altta solda 4'lü grup SMD tipi tantalum, üstte sağda batırma tipi tantalum, altta sağda ise batırma tipi elektrolitik kondansatörleri görebilirsiniz. Aralarında en büyük boyutlusunun ölçüleri cm düzeyindedir.
Daha büyük boyutlu kondansatörler.
Dört büyük kondansatör, kapasite ve çalışma gerilimleri yüksek elektrolitik kondansatörlerdir. Küçüklerden en soldaki aksiyal uçlu iken, onun sağındaki radyal uçlu, en sağdaki iki kondansatör seramik disk, sağdan üçüncü ise mikalı bir kondansatördür.
Tarihi
Leyden şişesi
Elektrik konusunun gelişmesi 18. yüzyılda statik (durgun) elektriğin incelenmesiyle başlamıştır. Statik elektriğin bir ip boyunca iletilebilmesi, elektrik yükünün temasla paylaşılabilmesi ve depolanabilmesi özellikleri araştırmacı bilim adamları tarafından keşfedilmeye başlanmıştı. 1745 yılında Ewald von Kleist elektriği küçük metal bir şişede depolamayı başarmıştı. Ancak kondansatörün asıl gelişmesi, Leiden'de elektrik üzerinde deneyler yapan Pieter van Musschenbroek'in çalışmaları sonucu gerçekleşmişti. Musschenbroek bir rastlantı sonucu Kleist'in çalışmalarını doğrular nitelikte sonuçlara erişti. Musschenbroek içi ve dışı metalle kaplı cam bir şişe tasarladı. Şişenin bir kısmı suyla doldurulmuş ve ağzı hava - sıvı geçirmeyecek şekilde bir mantarla tıkanmıştı. Mantarın ortasından bir iletken bir ucu şişe dışında bir ucu suyun içinde olacak şekilde yerleştirilmişti. İletkene statik elektrik üretici temas ettiğinde Leiden şişesi yük depolamakta, elektriği ileten başka bir malzeme temas ettiğinde boşalmaktaydı. Bu şişeler aynı zamanda ilk kondansatörlerdi. Öyleki, şu anda Farad olan kapasite birimi ilk zamanlarda jar (şişe) olarak kabul edilmişti ve bu birim bugün 1 nF kapasiteye tekabül eder.
Pieter van Musschenbroek
Denemeler sonucunda metal kaplamalar arasındaki cam inceldikçe yayılan kıvılcımın büyüdüğü gözlendi. Leiden şişelerinde depolanan yük büyük değerler alabiliyordu ve birbirine tellerle bağlanmış Leiden şişelerinden boşalan elektriğin hayvanları öldürebileceği gözlenmişti. Bu ilginç alet Ewald von Kleist'in keşfi, Pieter van Musschenbroek'in geliştirmesiyle ortaya çıkmıştır. Amerikalı devlet ve bilimadamı Benjamin Franklin, cam yalıtkanın Leyden şişesinden farklı olarak oval değil düzlemsel olmasının aynı işlevi gördüğünü bulmuş, Franklin'in düzlemsel cam yalıtkanlı kondansatörüne Franklin Düzlemleri adı verilmiştir. Ardından Alessandro Volta ve Nikola Tesla gibi birçok bilim adamı tarafından incelenen kondansatör geliştirilerek günümüzdeki şeklini almıştır. Kondansatörler ismini, İtalyanca condensatore kelimesinden alır. Kapasite birimi ise jar'dan sonra, İngiliz bilim adamı Michael Faraday'ın isminden hareketle Farad seçilmiştir.
Kapasite değerinin okunması
Kondansatörlerde temel olarak iki değişken, tüketici için seçme olanağı sunar ve kondansatörler arasındaki farkları oluşturur. Bunlar, kondansatörün çalışma - dayanma gerilim değeri ve depolayabileceği yük miktarıdır ve bunlar her kondansatörün üzerinde belirtilmiş olmak zorundadır. Kimi kondansatörlerin üzerinde çalışma değerleri doğrudan yazılı iken kiminde rakamlar ve renkler kullanılır. Direk değerleri yazılı olanlar kolay okunmasına karşın, rakam ve renk kodlu olanların okunması belli standartlara bağlıdır.
Rakam Kodları
Kapasite, kondansatör üzerindeki rakam kodlarından hesaplanabilir.
Üstteki iki kondansatörün çalışma değerleri
→ Mavi: 400 Volt - 2.2 mikroFarad = 2.2 µF
→ Sarı: 222J = 2200 pikoFarad ± % 5 = 2.09 nF < C < 2.31 nF
Rakam kodlarının standartları bir liste şeklinde verilebilir.
- Kondansatörün üzerinde kapasite değeri 3 rakam ve toleransı ise bir harf ile belirtilir.
· Rakam kodlu kondansatörlerde son rakam kadar sıfır, ondan önce gelen rakamların yanına eklenir ve değer pikoFarad (pF) olarak bulunur. Yandaki resimde 103 yazan kondansatörün kapasitesi hesaplanırken, son rakam 3 kadar sıfır, kalan diğer sayı olan 10'un yanına eklenir ve kapasite
10000 pF = 10 nF olarak bulunur.
· Eğer rakam kodları arasında nokta (.) kullanılıyorsa, yazılan sayı kapasiteyi doğrudan
mikroFarad (µF) olarak verir. Resimde ortadaki kondansatörde görülen 0.1 yazısı kapasitenin 0.1 µF olduğunu gösterir.
· Rakam kodlarının arasında p, n, µ, m harflerinden biri kullanılıyorsa, harfin olduğu yerde ondalık kısım devreye girer ve değer de harfin cinsinden okunur. Örneğin resimde alttaki kondansatörde yazan 5n6 ifadesi, kapasitenin 5.6 nF olduğunu belirtir.
· Üçüncü rakam bazı istisnai durumlarda farklı anlamlar taşır. Üçüncü rakam, 1 - 5 arasında koyulması gereken sıfır sayısını belirtirken, hiç bir zaman 6 & 7 değerlerini alamaz. 8 & 9 sayıları ise sırayla
0.01 & 0.1 çarpanlarını belirtir.
- Kapasite, bazı durumlarda tam yazılan değerde olmaz, bu sebeple belli oranlarda oynamalar olacağı göz önünde bulundurulur ve rakam kodlarının sonuna büyük harfler koyulur. Bu harfler de bize toleransın oranını belirtir. Aşağıdaki tabloda bu harflerin hangi tolerans değerini belirttiği sıralanmıştır.
Simetrik tolerans ifade eden kodlar
|
B = ± % 0.10
|
C = ± % 0.25
|
D = ± % 0.5
|
|
F = ± % 1
|
G = ± % 2
|
J = ± % 5
|
|
K = ± % 10
|
L = ± % 0.01
|
M = ± % 20
|
|
N = ± % 30
|
P = ± % 0.02
|
W = ± % 0.05
|
Simetrik olmayan tolerans ifade eden kodlar
|
Q = - % 10 , + % 30
|
S = - % 20 , + % 50
|
|
T = - % 10 , + % 50
|
Z = - % 20 , + % 80
|
Renk Kodları
Rakam kodlarından başka, bazı kondansatör çeşitlerinde de renk kodları kullanılır. Özellikle seramik, tantalum ve polyester kondansatörlerde renk kodları yaygındır. Aşağıdaki liste renk kodlarının anlamlarını sıralarken, yandaki resimlerde de çeşitli örnekler görülebilir.
Seramik, tantalum ve polyester kondansatörlerde renklerle çalışma değerlerinin belirlenmesi...
Renk kodları standardı
|
|
Seramik
|
Tantalum
|
Polyester
|
|
Renk
|
Değer
|
Çarpan
|
T
|
V
|
T
|
V
|
T
|
V
|
|
Siyah
|
0
|
100
|
2 pF
|
-
|
% 10
|
10 V
|
% 20
|
-
|
|
Kahve
|
1
|
101
|
% 1
|
-
|
% 1
|
-
|
-
|
100 V
|
|
Kırmızı
|
2
|
102
|
% 2
|
-
|
% 2
|
-
|
-
|
250 V
|
|
Turuncu
|
3
|
103
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
Sarı
|
4
|
104
|
-
|
-
|
-
|
6.3 V
|
-
|
400 V
|
|
Yeşil
|
5
|
105
|
% 5
|
-
|
% 5
|
16 V
|
% 5
|
-
|
|
Mavi
|
6
|
106
|
-
|
-
|
-
|
20 V
|
-
|
-
|
|
Mor
|
7
|
107
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
Gri
|
8
|
0.01
|
-
|
-
|
-
|
25 V
|
-
|
-
|
|
Beyaz
|
9
|
0.1
|
% 10
|
-
|
% 10
|
3 V
|
% 10
|
-
|
- Seramik kondansatörlerde kodlar, renk çubuklarından hangisi kenara en yakında ondan başlanarak okunur. Tantalum ve polyester kondansatörlerde mevcut renk sırası ise resimde görülüyor.
- 1 ve 2 numaralı renkler anlamlı sayı dizisidir ve aynen yazılır. Ç (çarpan) harfinin belirttiği renkler anlamlı rakamların yanına eklenecek sıfır sayısını belirtir. T (tolerans) kapasite değerindeki oynamayı, V (gerilim) ise kondansatörün çalışma gerilimini gösterir.
Harf kodları
Harf kodları kondansatörler üzerinde toleransı veya sıcaklık katsayısını belirtmek için kullanılırlar. Tolerans değeri için rakam kodunun yanına bir büyük harf yerleştirilir. Bu harflerin anlamı rakam kodları bölümünde yazmaktadır. Sıcaklık katsayısını belirtmek için ise harflerden oluşan bir dizi kullanılır.
Yalıtkan malzemelerin çoğunda sıcaklıkla kapasite değişmemesine rağmen bazı malzemelerde değişim olur. Sıcaklık katsayısı, bir malzemenin sıcaklıkla kapasite değişimini belirten katsayıdır. İngilizcesi temperature coefficient (tempco) olan bu katsayının birimi 'dir. Uygulamada ise ifadesiyle karşılaşılır. ppm sözcüğü milyonda bir katsayısının ingilizce baş harflerinden oluşturulmuştur.
Çoğu yalıtkan malzemenin sıcaklıkla kapasite değişimi eğrisi düz kabul edilebilecek şekildedir. Ancak seramik yalıtkanının kapasitesi sıcaklık değişimine çok duyarlıdır ve büyük değişimler gösterir, öyle ki seramik kondansatörlerin üstünde belirtilen değerler sadece oda sıcaklığında (25 °C ~ 77 °F) geçerlidir. Sıcaklık katsayısı kondansatörlerin üzerinde bir harf dizisi kodla belirtilir ve aşağıdaki liste bu harflerin anlamını belirtir. Yandaki resimde ise bazı sıcaklık katsayısı kodlarının anlamları ve okunuş şekilleri verilmiştir.
Seramik kondansatörlerde sıcaklık katsayısının harflerle yazılması ve okunması.
· P (positive change - pozitif değişim): Kapasite değerindeki değişimin sıcaklıkla arttığını anlatan harftir. Örneğin P100 ifadesi, sıcaklıkta milyonda bir derecelik bir artışın, kapasiteyi 100 parça artırdığını belirtir.
· N (negative change - negatif değişim): Kapasite değerinin sıcaklık arttıkça azaldığını yani sıcaklıkla kapasitenin ters orantılı olarak değiştiğini belirtir. Örneğin üzerinde N1500 yazan bir seramik kondansatörün milyonda bir derecelik sıcaklık artışında, kapasitesi 1500 parça azalır.
· NP0 (neg/pos/zero) - C0G (change zero): Sıcaklık nasıl değişirse değişsin kapasite değerinin hemen hemen sabit kaldığını belirtir.
· GMV (guaranteed minimum value): Seramik kondansatörün üzerinde belirtilen kapasite değerinin, oda sıcaklığında garantilenmiş en küçük kapasite değeri olduğunu belirtir. Yani, kondansatörün kapasitesi çok daha büyük olabilir. Kapasite değerinin öneminin olmadığı uygulamalarda bu kondansatörler kullanılabilir.
Çeşitleri
Yalıtkan cinsine göre
Belli başlı kondansatör çeşitlerinin aldıkları kapasite değerleri ve çalışma gerilimleri yelpazesi.
Kondansatörleri sınıflandırmanın en çok kullanılan yöntemi yalıtkan maddesine göre sınıflandırmadır. Malzemelerin bağıl yalıtkanlık katsayısı ve delinme gerilimleri yalıtkanlar arasındaki farklılıkları oluşturur ve bunlar kondansatörlerin özelliklerini belirleyip uygulama alanlarındaki çeşitliliği genişletir. Yandaki resimde farklı kondansatörlerin sahip oldukları farklı kapasite ve çalışma gerilim değerleri aralıkları görülmektedir. Aşağıdaki listede ise yalıtkanları farklı olan kondansatörlerin birbirlerine göre farkları sıralanır.
· Vakumlu kondansatör: İki metal plakanın arasında havasız ortam bırakılır ve genelde cam veya seramik kaplanarak oluşturulur. Özellikleri olarak düşük yük kapasitesi ( 10 ~ 1000 pikoFarad ) ve yüksek gerilime ( 10000 V'a kadar ) dayanması gösterilebilir. Genelde radyo vericilerinde ve yüksek gerilim gerektiren uygulamalarda kullanılırlar.
· Havalı kondansatör: Metal plakaları arasında hava boşluğu bırakılmasıyla oluşturulan bu kondansatörlerde, plakalar genelde alüminyum ve gümüş kaplamalı olarak tasarlanır. Hava yalıtkanının dielektrik kaybı düşüktür. Hemen hemen tüm hava aralıklı kondansatörler ayarlanabilir olarak imal edilirler ve radyo frekansı ayarlamada kullanılırlar. Ayrıca yüksek kapasite değerleri sunarlar.
· Plastik Film Kondansatör: Yüksek kaliteli polimer (polikarbonat, polyester, polipropilin ve yüksek kalite için polisülfon) tabakalarından üretilen plastik film kondansatörler sinyal ve filtre devrelerinde kullanım alanı bulurlar.Genelde kutupsuz olurlar.
· Mikalı Kondansatör: Tasarım olarak metal filmli kondansatöre benzeyen mikalı kondansatör, çoğunlukla yüksek gerilim için kullanılır. Kapasite değerleri 50 pF ile 20 nF arasındadır. tolerans değerleri yüksektir ve yüksek frekansta çalışabilme özelliği vardır.
· Kağıtlı Kondansatör: İki uzun metal tabakanın arasına yağ emdirilmiş kâğıtların yerleştirilmesiyle elde edilir. 300 pF ile 4 µF arasında kapasite değerleri alırlar ve delinme gerilimleri, çalışma gerilimlerinin 100 - 600 katı arasındadır. Eskiden radyo aksamlarında kullanılan bu kondansatör çeşidi görece yüksek gerilimlerde de kullanılır ancak kullanımı nerdeyse tamamen terk edilmiştir.
· Camlı Kondansatör: Yüksek gerilimde kullanılır ve pahalıdır. Pahalı olmasının sebebi yüksek kararlılıkta çalışması ve kapasite değerinin yüksek güvenilirliğe sahip olmasıdır. Geniş bir sıcaklık aralığında kararlı bir sıcaklık katsayısı vardır.
· Seramikli Kondansatör: Sırayla dizilmiş metal ve seramik tabakalarından oluşur. yüksek hassasiyet gerektirmeyen kuplaj ve filtreleme işlemlerinde geniş bi kullanım alanı bulurlar. Yüksek frekans için uygundurlar.
· Alüminyum Elektrolitik Kondansatör: Kutuplu olarak imal edilirler. Yapısı metal filmli kondansatöre benzemekle birlikte, daha fazla alan kaplaması açısından alüminyum plakalar asitle yakılır. Yalıtkan malzeme ise elektrolitle ıslatılır. Düşük sıcaklıklarda kapasite kaybına eğilim gösterir. Frekans karakterinin kötü olması yüksek frekanslarda kullanımını kısıtlamaktadır.
· Tantalum Elektrolitik Kondansatör: Alüminyum elektrolitik kondansatörle benzer özellikleri gösterir ancak daha düzgün frekans ve sıcaklık karakteristiklerine sahiptir. Kaçak akımı büyüktür ve düşük sıcaklıklarda performansı daha yüksektir.
· OSCON (OS-CON) Kondansatör: Yalıtkan olarak polimerleştirilmiş organik yarıiletken katı elektrolitik bulundururlar. Yüksek fiyatını uzun ömürleriyle telafi ederler.
· Süper Kondansatör: Karbon Aerojelinden imal edilir. Gayet fazla kapasite değerleri sunarlar. Bazı uygulamalarda şarj edilebilir piller yerine kullanılırlar.
· Gimmick Kondansatör: Yalıtılmış iki telin birbirine dolanmasıyla oluşturulur. Her bir tel bir plakayı temsil eder. Gimmick kondansatörü ayarlanabilir bir kondansatör şeklidir. Tellerin birbirine dolanması veya dolanmaması durumunda %20 kadar bir kapasite değişimi oluşur.
Yalıtkanları farklı olan kondansatörlerin karşılaştırılması
|
|
Tantalum
|
Alüminyum
|
Seramik
|
Film
|
|
Yalıtkan
|
Tantalum pentaoksit (Ta2O3)
|
Alüminyum oksit (Al2O3)
|
Baryum titanat türevleri
|
Polyester, polipropilin vb.
|
|
Dielektrik katsayısı
|
27
|
8 ~ 10
|
1500 ~ 15000
(Baryum titanat)
|
2.1 ~ 3.1
|
|
Şekil ve Tipi
|
Çip, batırma
|
Vida, soket, çip
|
Çip, batırma
|
Çip, batırma
|
|
Avantajları
|
Küçük boyutta görece yüksek kapasite, yarı kalıcı çalışma ömrü
|
Ucuz, küçük boyutta yüksek kapasite
|
Küçük boyut, kutupsuzluk
|
İyi karakteristik, yaygın çalışma gerilimi yelpazesi, yüksek güvenilirlik
|
|
Dezavantajları
|
Kısıtlı çalışma gerilimi yelpazesi, kutupluluk
|
Sıcak ortamda kısa çalışma ömrü, yüksek kapasite toleransı, kutupluluk
|
Kapasite değerinde sıcaklığa ve gerilime yüksek bağımlılık
|
Boyutta büyüklük
|
Kapasite değerine göre
Kimi kondansatörlerin kapasiteleri değiştirilemez ve sabit kapasiteli olarak üretilirken, kimi kondansatörlerin kapasite değerleri üzerinde oynama, değişikliğe gitme imkânı vardır.
Sabit kondansatörler
Sabit kondansatörlerin devre şemasında aldığı simgeler.
Sabit kondansatörlerin üretim aşamasında belli olan kapasiteleri sonradan kullanıcı eliyle değiştirilemediğinden devreye ince ayar yapma imkânı yoktur. Kullanıcı önceden ihtiyacı olan çalışma değerlerini belirler, ardından ona göre uygun bir kondansatör temin eder. Sabit kondansatör olarak üstteki beş örnek sayılabilir. Bu kondansatör çeşitlerinin daha ayrıntılı anlatımları yalıtkanlarına göre kondansatörler bölümünde bulunabilir. Devrede gösteriliş şekilleri ise yandadır.
Ayarlanabilir kondansatörler
Ayarlanabilir kondansatör simgeleri...
Ayarlanabilir kondansatör çeşitleri... Üstteki üç tanesi varyabl, alttaki dört tanesi trimer kondansatör çeşitleridir.
Kapasiteleri çeşitli yöntemlerle değiştirilebilen kondansatörlere ayarlanabilir kondansatör adı verilir. Bu halleriyle ince ayar yapmaya imkân tanırlar. Yandaki resim, devre üzerinde ayarlanabilir kondansatörlerin alabileceği simgelerdir. Üç çeşit ayarlanabilir kondansatörden bahsedilebilir.
Varyabl kondansatör
Birçok plakanın birbiri içine geçecek şekilde bağlanmasıyla elde edilen varyabl kondansatörler, iki parçadan oluşurlar (sabit parça
stator, hareketli parça
rotor). Rotora bağlı olan
mil sayesinde plakalar birbiri içine doğru hareket eder veya uzaklaşır. Bu şekilde plakalar arası yüzey alanı kontrol edilir ve kapasite değerinde değişim olur. Varyabl kondansatörler, çok büyük kapasite değerlerine ulaşamasalar da yüksek gerilim ve yüksek frekans değerlerinde çalışabilme olanağı sunarlar.
Trimer kondansatör
Trimerler, varyabl kondansatörlerden farklı olarak plakaların birbirine yaklaştırılması yöntemiyle kapasite değişimi sağlarlar. Küçük güç ve küçük boyutlu olup tornavida ile kontrol edilen trimerlerin kullanım alanı genel olarak telekomünikasyon devreleridir.
Varaktör
Diyot kullanılarak oluşturulmuş bir kondansatör çeşididir. Gerilim kontrollüdürler, uygulanan gerilim değeri büyüdükçe kapasite değerleri düşer. Yüksek frekansta çalışabilip telekomünikasyon alanında frekans kontrolünde kullanılırlar.
Kutup durumuna göre
Kondansatörler üretim aşamasında kutupları belirlenmiş olarak da tasarlanabilirler. Bu duruma göre kondansatörler iki gruba ayrılır.
Kutupsuz Kondansatör Devre Simgeleri
Kutupsuz kondansatör
Üretim aşamasında kutuplanmamış ve devreye bağlanma yönü önem taşımayan kondansatörlerdir. Seramik ve mika yalıtkanlı kondansatörlerlerin dahil olduğu bu grup, birkaç pikoFarad'dan mikroFarad değerlerine kadar bir yelpazede değer alır. Devre şemalarında aldığı semboller yandadır.
Kutuplu Kondansatör Devre Simgeleri
Kutuplu kondansatör
Bu kondansatörler üretilirken kutuplu olarak tasarlanır. Kondansatörün bir ve bir ucu vardır. Bu uçların devreye düzgün şekilde bağlanması gerekir. Aksi halde ciddi hasarlar oluşur çünkü ters bağlama halinde bu kondansatörler patlarlar. Kutuplu kondansatörler grubuna yalıtkanlarına göre kondansatörler bölümünde de anlatılan alüminyum elektrolitik ve tantalum kondansatörler girerler. Bu kondansatörlerin kapasiteleri birkaç pikoFarad'dan başlar Farad ve üzerine kadar uzanan geniş bir yelpazede değer alır. Devre şemalarında aldıkları semboller yanda gösterilmiştir.
Sıvı tankı modellemesi
Elektrik, elektron hareketlerinin incelendiği, en küçük yapıtaşı elektron olan bir bilimken,hidrolik sıvıların mekanik özelliklerini inceleyen bir mühendislik ve bilim dalıdır.
[4] Elektrik ile hidrolik arasındaki benzetim yöntemi hesaplama ve elektriğin gözde canlanması açısından oldukça faydalıdır. Kondansatör analizi için gereken elektriksel birimlerin hidrolikteki karşılıkları aşağıdaki tabloda verilmiştir.
|
Elektrik
|
Hidrolik
|
|
Elektron
|
Sıvı damlası
|
|
Gerilim
|
Sıvı basıncı
|
|
Akım
|
Sıvı akış hızı
|
|
Elektrik yükü
|
Sıvı miktarı
|
|
Kapasite
|
Sıvı tankının taban alanı
|
|
Frekans
|
Frekans
|
Kondansatör ile sıvı tankı benzetiminde gerilim ve basınç farkları...
Tek yönlü sıvı akışı uygulanan bir sıvı tankında basınç ve hız değişimi...
Kondansatör, elektrik yükünü depolayan bir eleman olma özelliğiyle hidrolik bilimindeki sıvı tanklarına eşdeğerdir. Her yalıtkan malzemenin farklı yük depolama kapasitesi ve farklı bozulma gerilimi olduğu gibi, her sıvı tankının da bir basınç dayanımı ve sıvı miktarı kapasitesi vardır. Kondansatörlerde yalıtkan malzeme ne kadar önemliyse, sıvı tanklarında da sıvı ve tank çeşidi o kadar önemlidir.
Kondansatör kapasitesi, uygulanan gerilim başına depolanan yük miktarı olarak tanımlanır. Sıvı tankı kapasitesi ise tanka uygulanan basınç başına depolanan sıvı miktarıdır. Kondansatör uçları arasındaki gerilim farkı, sıvı tankına bağlı iki borudan geçen sıvıların basınç farkı olarak temsil edilir. Yandaki resimde kondansatörün ucu 25 Volt, ucu ise 10 Volttur ve 15 Volt fark, kondansatöre uygulanan gerilim farkıdır. Yine aynı resimde sıvı tankına sıvı basan pompanın basıncı 5 N/m2, sıvıyı çeken pompanın basıncı ise 3 N/m2'dir, aradaki basınç farkı ise tankın uçları arasındaki basınç farkıdır. Kondansatör uçları arasındaki gerilim farkının plakalar arasında yük biriktirmesi gibi, tankın uçları arasındaki basınç farkı da tankta sıvı biriktirir. Tankın deforme olmaması için dış maddesinin, uçlar arasındaki basınç farkına dayanabilecek sağlamlıkta olması gerekir. Kondansatörlerin çalışma gerilimlerinin üzerindeki gerilimlerde deforme olmaları gibi, sıvı tankları da fazla basınçta patlarlar.
Tek yönlü sıvı akışı
Hidrolikte DC kaynak, içinden geçen sıvının basıncının, hızının ve yönünün hiç değişmediği sıvı pompasına benzetilebilir. Basınç farkı, bir tanka giren sıvı basıncıyla çıkan sıvı basıncı arasındaki farktır. Uçları arasında P sıvı basıncı olan bir tankın çıkış borusu kapalı farzedilip giriş borusundaki sıvı basıncı P olarak verilmesi benzetimi ve gerçekleşecek olaylar yandaki animasyonda verilmiştir.
Uçları arasında sıvı basınç farkı olan tankın içinde sıvı birikmesi başlar. İlk anda tank boş olduğundan, pompadan gelen sıvı basıncının önünde bir engel yoktur ve sıvı akış hızı en büyük halindedir. Tank dolmaya başladıkça biriken sıvı, ağırlığı dolayısıyla pompaya ters yönde ve zamanla artan bir basınç uygular, net basınç pompa sıvı basıncı ile tankta biriken sıvı basıncı arasındaki fark olduğundan ve basınç farkı zamanla azalır. Basınç farkının azalması, tanka sıvı giriş hızının azalması anlamı da taşıdığından tankın sıvıyla dolma hızı gittikçe yavaşlar.
1. Tank dolu ve pompa basıncı sıvı basıncından büyüktür...
Kondansatör çalışma geriliminin artması sıvı tankında yüksekliğin ve dolayısıyla basıncın artmasına eşdeğerdir.
Tank tamamen dolduğu anda pompa basıncı tankın içindeki sıvı basıncından büyükse oluşan basınç farkı tank çeperlerini zorlamaya başlar. Basınç farkı tank çeperinin dayanabileceği şiddette olursa sıvı akışı durur ve denge sağlanır, eğer çeperler basınç farkına dayanamıyorsa bu zorlama bir süre sonra çeperleri deforme eder ve sonuçta tank patlar.
· Çözüm: Pompa basıncını dengelemesi için daha yüksek bir sıvı tankına ihtiyaç vardır. Eğer tankın aldığı sıvı miktarı değişmeyecekse taban alanı daha küçük ancak boyu daha uzun bir tank tercih edilir. Böylece sıvı miktarı sabit kalır, basınç dengelenir ve tank çeperleri zorlanmaz.
Yani, kondansatörler çalışma gerilimlerinin üzerinde bir gerilime maruz bırakılmamalıdır. Yalıtkan malzeme dayanamayacağı gerilimler altında deforme olur ve patlamaya yol açar. Bunun yerine daha yüksek gerilimlere dayanabilen ve kullanılan yük miktarında değişim olmaması için kapasitesi nispeten düşük kondansatörler tercih edilir.
Kondansatör kapasitesinin artmasının eşdeğeri sıvı tankında taban alanının artarak yüksekliğin sabit kalmasıdır.
2. Tank dolu, pompa basıncı ile sıvı basıncı eşit, ancak sıvı miktarı az...
Tank tamamen dolduğu anda sıvı basıncı pompa basıncını dengeliyorsa, net basınç sıfır olur ve tank çeperlerinde bir zorlanma olmaz. Ancak sıvı miktarının az olması, sıvının kullanılırken daha önceden bitmesine ve işte verimsizliğe yol açar.
· Çözüm: Basınç dengesinin bozulmaması amacıyla sıvı tankının yüksekliği değiştirilmez, ancak taban alanı artırılarak aynı basınç değerinde daha fazla sıvı depolanabilir. Taban alanının artışıyla tank hacmi ve maliyet artar.
Yani, nominal gerilimde çalıştırılan bir kondansatörün daha büyük elektriksel yükü depolaması ve daha uzun süre devreye enerji sağlaması için hidrolikte taban alanı eşdeğeri olan kapasitesi artırılır. Yandaki resimde sıvı tankının hacmi ve iş görme süresi iki katına çıktığı gibi, kapasitesi iki katına çıkan kondansatör de iki kat yük depolar ve iki kat süre dayanım gösterir.
3. Pompa basıncı ile sıvı basıncı eşit, ancak sıvı tankı tamamen dolmadı...
Tank tamamen dolmadan içindeki sıvı basıncı pompa basıncına eşit olursa sıvı akışı durur ve tankın üstünde boş kısımlar kalır. Bu durum eldeki tankın gereğinden büyük olduğunu gösterir ve fazladan maliyet getirir.
· Çözüm: Sıvı basıncının pompa basıncını dengelediği yükseklikte bir sıvı tankı tercih edilir. Sıvı tankının gereğinden büyük olması verimsiz kullanıma örnektir.
Yani, kondansatörler ya tam uygulanacak gerilim değerine ya da aşırı olmayacak şekilde yüksek gerilim değerlerine göre tercih edilir. Uygulanan gerilimin çok üstünde olan çalışma gerilimi, maliyeti fazla olan kondansatör anlamına gelir ve elemanın verimsiz kullanılmasıdır.
Çift yönlü sıvı akışı
Hidrolikte AC kaynak, sıvı akış yönü, hızı ve basıncı belli bir frekansa göre değişen pompa olarak düşünülebilir. Kondansatör eşdeğeri olan sıvı tankına bağlanmış bir pompadan, periyodun bir yarısında tanka sıvı verildiği diğer yarısında tanktan sıvı çekildiği, basınç değişiminin de sinüsoidal şekilde olduğu benzetimi ile AC kaynağa bağlanmış bir kondansatör gözde daha kolay canlanır. Sıvı akış yönünün değiştiği sistemlerde sıvı tankı sürekli dolup boşalma hareketi yapar, sıvı akışı durmaz ancak sıvı akışına karşı bir direnç oluşur. Bu direncin bağlı olduğu büyüklükler şöyle sıralanabilir.
- Frekans: Tankın dolması için bir süre gerekir, bu süre tankın hacmine bağlıdır. Frekansın büyük olması periyotun küçülmesini gerektirir. Periyotun yarısında tanka sıvı dolduğu diğer yarısında da çekildiği göz önüne alınırsa, periyot küçüldükçe kısa sürede tanka dolan sıvı miktarı daha da düşer, tank tamamen dolup pompayı tıkama işlemini yapamaz ve tankın direnci azalır. Yani, frekansın artması sıvı tankında olduğu gibi kondansatörlerde de dirence ters orantılı etki yapar.
- Taban alanı: Taban alanının genişlemesi, aynı miktarda sıvının daha az yükseklikte ancak daha geniş yüzeyde birikmesi anlamına gelir. Sıvı tankında biriken sıvının yüksekliğinin azalması da pompaya tanktan uygulanan basınç değerinde azalmaya yol açar, böylece sıvı daha kolayca tanka dolar ve tankın direnci azalır. Yani, taban alanının büyümesi sıvı tankının direncini azalttığı gibi kondansatörlerde de kapasite değerindeki artış kondansatör direncini azaltır ve ters orantı söz konusudur.
Üstteki formülasyon bir sıvı tankının basıncı sinüsoidal şekilde değişen pompadan sıvı girişine gösterdiği direncin nelere bağlı olduğunu ifade eder. Hidrolikteki eşdeğerleriyle yer değiştirdiğinde ise kondansatörün AC kaynakta elektron ve akım akışına gösterdiği direnç elde edilir. Formülasyonlar arasındaki tek fark olan çarpanı, kondansatörün AC direnci ifadesinde açısal frekansın kullanılmasından kaynaklanır. Kapasite değeri ve çalışma frekansının artması kondansatör direncinin düşmesine neden olur.
Sıvı pompası basıncının sinüsoidal şekilde olması, bir periyotun yarısında tanka sıvı gönderip diğer yarısında sıvı çektiği anlamına gelir. Sıvı gönderme sürecinin sonlarına doğru sinüsoidal grafikten kaynaklanan nedenle, sıvı tanka doğru itilmesine karşın pompa basıncı oldukça düşer ve sıfıra yaklaşır. Ancak tankta birikmiş sıvının basıncı pompa basıncından büyük hale gelir ve basınç farkı pompa sıvıyı tanka doğru itmesine karşın negatif çıkar. Yani, pompa basıncı tanka doğrudur ancak sıvı akışı tanktan dışarıya doğru gerçekleşir, dolayısıyla sıvı akışı faz olarak pompa basıncından ileridedir. Kondansatör benzetiminde eşdeğer büyüklükler kullanılırsa akım fazörü gerilim fazöründen ileridedir denilir.
Matematiksel analizi
Kapasite birimi
Kondansatörler, elektrik yükünü yalıtkan malzemesinin içerisinde elektrik alanı olarak depolar. Kapasite , bir kondansatörün yük depolayabilme yeteneği olarak tanımlanır ve birimi (Michael Faraday'ın anısına) Farad' olarak belirlenmiştir. Uluslararası MKS birim sisteminde , uçları arasına gerilim uygulandığında elektron depolayabilen kondansatörün kapasitesine eşittir. Matematiksel formdaki ifadesi ise aşağıdadır.
Kondansatör - sıvı tankı benzetiminde elektronun karşılığının sıvı damlası olduğu göz önüne alınırsa kapasitenin çok büyük bir değer olduğu anlaşılır. Bundan dolayı uygulamada biriminin alt katları daha yaygındır. Kapasite değeri metal tabakaların alanına ve yalıtkan malzemenin dielektrik katsayısına doğru orantılı, metaller arası uzaklığa ters orantılı bağlıdır.
Sıvı tankı benzetiminde de belirtildiği üzere kapasite, bir kondansatörün bir kaynağı ne kadar besleyebileceğinin de ölçütüdür, kapasite değeri arttıkça kondansatörün yükü besleyebileceği süre de artar.
Zaman domeni ifadesi
Kondansatörün uçları arasına bir gerilim farkı uygulandığı zaman, devreden akım geçer. Eğer kondansatörün uçları arasında gerilim değişikliği olmazsa bir süre sonra kondansatör dolar ve akım geçirmemeye başlar. Gerilimde bırakılıp dolmuş ve akım geçirmeyen bir kondansatörün uçları arasındaki gerilim değiştirildiği anda ise devreden yeniden akım geçmeye başlar. Yani kondansatör akımı, uçları arasına uygulanan gerilimin değişimine bağlıdır. Bu durum aşağıdaki gibi gösterilir.
Bu ifadenin pratik olarak anlamları şöyle sıralanabilir:
· Kondansatörden akım geçebilmesinin tek şartı, uçları arasındaki gerilim farkının değişmesidir. Bu gerilim farkı aynı kaldığı müddetçe, kondansatör depoladığı yükü boşaltmaz, tıkama görevi görüp devreden akım geçmesine engel olur. Matematiksel ifadede de görüldüğü gibi, gerilim değişmediği zaman türev ifadesi olarak dışarı çıkar ve akımın da olmasına neden olur, böylece devreden akım akmaz.
· Gerilim kesinlikle bir an içinde büyük değişikliğe uğramamalıdır. Birden artan veya azalan gerilim, türev ifadesinin çok büyümesine, böylece darbe akımı oluşmasına yol açar. Yani gerilimin ani büyük değişimi akımın oldukça artmasına, bu da kondansatörün zarar görüp deforme olmasına neden olur.
Aşağıdaki ifade ise bize kondansatör geriliminin, akım cinsinden değerini söyler. Akımın integrali, kondansatörde depolanan elektrik yükünü verdiğinden, kapasiteye oranı bize uçlar arasındaki gerilimi verir.
Frekans domeni ifadesi
Fazör kavramına göre kondansatör ifadesi
Bir devre elemanının ifadesi, eğer sinüsoidal bir kaynağa bağlanırsa frekans domeninde yazılabilir. Bu hesaplamalarda, özellikle de türev ifadesinin yok edilmesinde çok kolaylık sağlayacaktır. Bunun için ise fazör yöntemini kullanacağız. Gerilim ve akım fazörleri aşağıdaki gibidir ve büyük harflerle belirtilirler.
Devrede Kondansatör
Seri bağlama
Seri bağlanmış kondansatörler
Kondansatörlerin seri bağlanmasında öncelikle uçların doğru bağlanıp bağlanmamış olması sonrasında da kondansatörlerin yüklü olup olmaması göz önüne alınır. Her bir kondansatörün ucu sonraki kondansatörün ucuna bağlandığında seri bağlama sağlanmış olur. Yandaki resimde düzgün olarak seri bağlanmış 3 adet kondansatör bulunmaktadır. Kondansatörler seri bağlandığı zaman, kaynak akımı her bir kondansatörden geçen akıma eşit olur, kaynak gerilimi ise her bir kondansatörün gerilimlerinin toplamı olur.
Zaman domeninde hesap
Frekans domeninde hesap
Paralel bağlama
Paralel bağlanmış kondansatörler
Paralel bağlı elemanların uçları aynı noktaya, yine uçları da aynı noktaya bağlanır. Kondansatörlerin paralel bağlanmış şekli yandadır. Paralel bağlamada her bir kondansatörün gerilimi kaynak gerilimine eşittir, kaynak akımı ise her bir kondansatöre giden akımların toplamıdır.
Zaman domeninde hesap
Frekans domeninde hesap
Kondansatörde güç & enerji
Yüklü kondansatörde depolanan enerji
Kondansatörün uçları arasına gerilim uygulandığı anda plakalar arasındaki yalıtkan malzemenin elektronları kutuplanırlar. Elektronlar tarafa doğru yönlenmeye çalışırken, uç elektronları kendinden uzaklaştırır ve yalıtkan malzemenin kutuplanması böylece sağlanmış olur. Kutuplaşmanın ve gerilim farkının olduğu bir bölgede elektrik alanın varlığından bahsedebilir. Kondansatörde depolanan enerji, pil tarafından yapılan iş yoluyla bulunabilir. Bir yükünün noktasından noktasına taşınmasıyla birlikte, kondansatörün kapasitesi 'ye göre bir gerilimi oluşur.
Aşağıdaki ifade oldukça küçük bir yükünün noktasından noktasına taşınması sırasında yapılan çok küçük işi gösterir.
Aşağıdaki formül ise yük miktarını 'dan 'ya entegre ederek, kapasitesi olan bir kondansatörde geriliminde kadar yükü depolamak için gereken enerji miktarını verir.
Kondansatörde Depolanan Enerji
Sinüsoidal kaynakta anlık güç
Sinüsoidal bir kaynakta anlık güç ifadesi aşağıdaki gibi bulunmuştur. Formülasyonda simge kalabalığı olmaması açısından faz farkı olarak tanımlanmıştır.
Kapasitif yükün anlık gücü
Kapasitif yük, empedansının sanal kısmında kapasitif reaktansın etkisinin baskın olduğu yüktür. Kapasitif yüklerde sanal kısım değer alır. Faz diyagramı çizildiğinde de kapasitif reaktansın etkisi sebebiyle sanal kısım aşağı doğru yönlenmiştir. Bunun nedeni, kapasitif yüklerde akım fazörünün gerilim fazörüne göre önden gitmesidir. Dolayısıyla faz farkı olarak tanımlanan ifadesi negatif değer alır.
Anlık gücün genel ifadesi her türlü yük için geçerlidir. Kapasitif yüklerde faz farkı negatif olduğundan bu durum ele alınabilir, yerine koyulursa üstteki anlık güç ifadesi az da olsa değişikliğe uğrar. Faz farkının işareti hesaba katılınca, ve trigonometrik eşitliklerinden anlık güç aşağıdaki hali alır.
Genel anlık güç ifadesinden farklı olarak kapasitif yüklü bir devrede güç ifadesinde, reaktif gücün işareti olur. Reaktif gücün pozitif olmasının anlamı şudur: Kapasitif bir yükte reaktif güç pozitif çıkar, kondansatör bu sebeple bir reaktif güç depolama elemanı olarak görülebilir. İlerleyen zamanla birlikte kondansatör, reaktif gücü kendinde toplamaktadır. Kapasitif yükler saf kapasitif yüklerden farklı olarak bir direnç (resistans) kısmı da bulundurduklarından devrede aktif güç harcaması da yaparlar. Bu aktif güç tamamen dirençler üzerinde harcanır, kondansatörde depolanan ise tamamen reaktif güçtür.
Saf kapasitif yükün anlık gücü
Saf kapasitif yükte, kapasitif yükten farklı olarak resistif kısım bulunmaz. En basitinden bu, üzerine kondansatör haricinde hiç bir devre elemanı bağlı olmayan bir devre olarak düşünebilir. Dolayısıyla bulanacak anlık güç, bir kondansatörün sinüsoidal devreye bağlandığında depolayabileceği reaktif güce eşit olur. Saf kapasitif yüklerde akım fazörü gerilim fazörüne göre kadar önde ilerler. Yani faz farkı ifadesi değerini alır. Bu değer, anlık güç ifadesinin içinde bulunan faz farkı kısmına yerleştirip aşağıdaki formülasyona ulaşılır.
Saf kapasitif yükte anlık güç ifadesi oldukça basitleşir ve formülde sadece reaktif güç kısmı kalır. Bu formülasyonun anlattığı şudur: Saf kapasitif bir yükte reaktif güç pozitif çıkar ve kondansatör bir reaktif güç depolayıcısı olarak çalışır. Devrede direnç bulunmadığından aktif güç harcanması olmaz ve anlık güç tamamen reaktif güçten oluşur. Yani reaktif güç alabileceği en büyük değerini alır ve kondansatör bu gücü depolama yönünde çalışır.
Kaydedilen elektriksel yükün bosalmasi
Kondansatörler akü olarak da kullanılmaktadırlar, çünkü gerilimi U yavaş şekilde azalabilecek şekilde devrelere takılabilirler.
Kaydedilen elektriksel yük elektrik akımı olarak boşalır. Dolayısıyla:
ve de
ile
Yani:
Bu diferansiyel denklemin çözümü dir.
Böylece gerilim dirençle oynanarak yavaş veya hızlı şekilde boşaltılabilir.
DC akım analizi
DC analizin matematiksel anlamı
Kondansatör bir DC kaynağına (örneğin pil) bağlandığında elektron bazında gerçekleşen olaylar şöyledir;
1. Kondansatörün pilin (-) ucuna bağlı olan ucu, pilin ürettiği elektronları kabul eder ve kendine çeker.
2. Kondansatörün pilin (+) ucuna bağlı olan ucu, elektronlarını pile doğru verir.
Kondansatörün uçları arasında oluşan bu elektron sayıları farkı, uçlar arasında gerilim farkına yol açar. Bu gerilim farkı, kondansatör uçlarına bağlanan DC kaynağın veya pilin gerilimine eşittir. Kondansatör DC kaynağa bağlandığı zaman kapasitesini doldurana dek devreden bir akım geçer. Bu akımın analizi, DC gerilime bağlanmış kondansatör ve lambadan oluşan bir devre üzerinden yapılabilir.
DC bir kaynağa bağlı kondansatör devresinde elektronların hareketleri...
Son durumda kondansatör üzerinde oluşan gerilim farkı kaynağa eşit hale gelir ve elektron akışı durur.
İçinde yük barındırmayan bir kondansatörün başlangıç anı gerilimi olur. Bu kondansatörün ucuna doğru gerilimi uygulandığı zaman devrede oluşan gerilim farkı aşağıdaki gibi ifade edilir.
Bu gerilim farkının önündeki dirençler ise kondansatörün iç direnci ile lambanın direncidir. Lamba direncine , kondansatör iç direncine de adı verilir.
Devre tamamlandığı ilk anda elektronlar akmaya başlar ve hızlıca kondansatörün kutuplanmasını sağlarlar. Bağlanmanın gerçekleştirildiği ilk an olan anında elektronlar harekete geçerler, bu öyle kısa bir an sayılır ki kondansatörde o ana kadar hiç yük birikmez. Yani gerilim farkı hala DC kaynağın gerilimine eşittir. Bu anda akımın değeri aşağıdaki gibi elde edilir.
DC gerilime bağlı bir kondansatör ve lamba devresinin üzerinden geçen akımın alabileceği en yüksek değer budur. Çünkü zaman ilerledikçe kondansatör dolmaya başlar ve kutuplandıkça DC kaynağa ters bir DC kaynak gibi davranır. Zamanın sonsuza doğru gittiği varsayılırsa, kondansatör kaynağın değerinde ve kaynağa ters bağlı bir DC kaynak haline gelir. Yeterli zaman geçtikten sonra haline gelir ve devrede oluşan gerilim farkı olur.
DC gerilime bağlı kondansatörün akım grafiği.
Açıktır ki, gerilim farkının oluşmadığı bir devreden akım geçmez. Kondansatör başlangıç anında boştur ve yük biriktirmeye başlar, devreden akım geçer; dolduktan sonra ise bir pil gibi davranır ve devreyi tıkar, akım akmasını engeller. Bu iki zaman aralığında ise akım değişimi şöyle incelenir. İlk anda olan kondansatör gerilimi, hızlıca kutuplaşmanın sağlanmasıyla birlikte, ulaşacağı değer olan gerilimine doğru artış gösterir. Elektronların hareketi olduğu sürece kondansatörün gerilimi artar, devrenin net gerilim farkı zaman ilerledikçe düşer. Buna bağlı olarak da akım değeri başlangıç değerinden sürekli bir azalma gösterir. Nitekim zaman yeteri kadar ilerledikten sonra da akım olur. Akımdaki bu düşüşün grafiği çıkarıldığı zaman azalmanın doğal logaritmik bir şekilde gerçekleştiği görülmektedir. Kutuplanması sağlanmış bir kondansatör devreden sökülüp kullanılabilir. Bu anda artık kondansatörün başlangıç gerilimi olarak hesaplamaya katılır.
DC analizin pratik anlamı
Anahtar yardımıyla, kondansatör bir DC kaynakla bir lamba arasında periyodik olarak bağlanırsa, kondansatör dolup boşalma hareketi yapar.
DC kaynak, bir adet lamba ve kondansatör devresinin pratik hayattaki incelemesi yandaki animasyonda görülür. Kondansatör ilk anda yüksüzdür, bir DC kaynağı olan pile bağlanırsa yük depolar, bu arada üzerinden zamanla doğal logaritmik azalan bir akım geçer. Tam dolu haldeki kondansatör bir anahtar yardımıyla pilden ayrılır ve lambaya bağlanır. Kondansatör bu haliyle bir DC kaynak gibi davranır ve lambaya bağlandığının ilk anında akım en yüksek değerinden akmaya başlar. Yani lamba en parlak halindedir. Lamba yanmaya devam ettikçe kondansatörün depoladığı yük düşer ve lamba parlaklığı azalır. Depolanan yük tükendiğinde ise lamba tamamen söner. Lambanın yanma süresinin artırılması için, daha yüksek kapasiteli bir kondansatöre ihtiyaç olur.
Örneğin 5 V ile çalışan bir lambanın saniyede kullanacağı elektrik yükünün değeri 1 nanoFarad kabul edilirse, bu lambanın ucuna 5 V çalışma gerilimine sahip 10 nanoFarad 'lık yükü depolamış bir kondansatör bağlandığında, lambamız 10 saniye boyunca yanar. Bu süreyi artırmak için kondansatörün kapasitesi artırılır, ancak kondansatörün boyutları ve maliyeti de artar.
DC kaynak, kondansatör ve lamba eğer seri olarak bağlanırsa, empedans değerine göre devreden bir akım akmaya başlar, bu akımın alabileceği en yüksek değerdir. Çünkü henüz kondansatör kutuplanmaz ve gerilim biriktirmez. DC kaynağa bağlı bir kondansatörün karakteristiğine göre kutuplanmaya başlayan kondansatör, ters bağlı bir DC kaynak gibi davranır ve lambanın uçları arasındaki net gerilimin düşmesine neden olur. Lambanın parlaklığı doğal logaritmik olarak azalır. Kondansatör kutuplanmasını tamamladığında ise, devrenin net gerilimi sıfır olur ve lamba tamamen söner.
Kondansatörün çalışma gerilimine uygun değerde bir DC gerilime tabi tutulmasına dikkat edilmelidir. Anma gerilimdeğerinin çok üstünde bir gerilime tabi tutulan plakalar arasındaki yalıtkan malzeme deforme olur ve üzerinden akım kaçırmaya başlar. Bu kaçak akımı çok büyürse kondansatörün kapasitesine göre büyüklüğü değişen bir patlama gerçekleşir. Çünkü gerilim farkının önünde olan kondansatör direnci oldukça küçüktür, bu da akımın büyümesine neden olur.
AC akım analizi
AC analizin matematiksel anlamı
Kondansatörün DC akıma göre davranışı, AC akımda değişiklik gösterir. AC akım, gerilim ve akım yönünün belli bir frekansa göre yön değiştirdiği elektrik enerjisidir. Gerilimin yönü ve genliği sürekli değiştiğinden kondansatörde depolanan elektrik yükü ve uçları arasındaki gerilim de sürekli değişim içindedir. Kondansatör dolup boşalma hareketini frekans sıklığında gerçekleştirir. Kondansatör bağlı bulunan bir AC devrede, akım bir süre sonra kesilmez. Sonuç olarak: AC devredeki kondansatör, akım akışına karşı bir engel oluşturmaz, ancak bir direnç gösterir denilebilir. Kondansatörün gösterdiği bu dirence Kapasitif Reaktans denir. Kapasitif reaktans, ile gösterilir, birimi dirençle aynı olup Ohm'dur.
|
Kapasitif
Reaktans
|
Açısal
Frekans
|
Frekans
|
Kapasite
|
Bu ifadeden hareketle kondansatörün kapasitif reaktansının; kapasitesi ve frekansı ile ters orantılı olduğu söylenebilir. Kondansatörün kapasitesi ve çalışma frekansı arttıkça kapasitif reaktansı, diğer bir deyimle direnci azalır.
Kondansatörün AC akıma karşı gösterdiği bu direnç, resistif (omik - saf direnç) dirençten farklıdır. Saf dirençte gerilim farkı ile akım arasında direnç değeri kadar bir oran olmasına rağmen, kondansatör ve endüktans gibi değişken ifadelere sahip elemanların dahil olduğu bir devrede bu oran değişir. Kondansatör AC akımda dirence dolaylı yönden etki etmektedir. Açıklamak için empedans kavramını tanımlanır.
Kapasitif bir yükün empedansında, sanal kısım ters yönde döner ve empedansın faz açısı negatif çıkar.
Kapasitif yüklerde akım fazörü gerilim fazörünün faz farkı kadar önünden ilerler.
Empedans
Empedans yukarıdaki gibi tanımlanırken saf direnç eşdeğerini, reaktansın eşdeğerini belirtir. Kondansatörün ve kapasitif bir sistemin reaktansı 'dir. Dolayısıyla empedansın sanal kısmı frekans domeni ifadesine göre aşağıdaki gibi olur.
Bir direnç ve bir kondansatörün bağlı olduğu devre göz önüne alındığında empedans, aşağıdaki gibi olur.
Empedansın sanal kısmında işaret 'ye dönüştü. Bu da yandaki empedans diyagramında olduğu gibi kapasitif reaktansın ters yönde dönmesine neden olur. Dolayısıyla, kondansatör empedansının faz açısı negatif yönde çıkar. Aşağıdaki grafikten de kapasitif bir yükün empedansının fazör diyagramı görülür.
Bu ifadeden anlaşılan, gerilimin faz değerinin, akımla empedansın faz değerlerinin toplamı olduğudur. Kapasitif devrede empedansın faz değeri negatif olduğundan aşağıdaki eşitlikler çıkartılır.
Son ifade akımın faz açısının gerilimin faz açısından büyük olduğunu ifade etmektedir. Yani akım fazörü, gerilim fazörüne göre önde ilerler. Kapasitif devrelerde akım gerilimden ileridedir ve empedansın sanal kısmı negatif değer alır.
Faz farkı
AC devrelerinde reaktif güç devreye girer ve hesabı için faz farkına ihtiyaç vardır. Kondansatör plakaları arasında depoladığı elektrik enerjisini kaynak kesildikten sonra devreye verdiğinden faz kayması oluşturur. Kapasitif devrelerde empedansın sanal kısmı negatif değer alır, bu da empedansın faz değerinin negatif olması anlamına gelir.
Kapasitif yük bağlı devrede
akım - gerilim grafiği.
Akım - Gerilim
Akım - Gerilim - Empedans arasındaki ilişki kullanılır;
Bu ifadeler, gerilimin faz açısının, akımla empedansın faz açılarının toplamına eşit olduğunu belirtir. Kapasitif devrede empedansın faz değeri negatif olduğundan, aşağıdaki eşitlikler çıkarılır.
Grafikte akım ile gerilim grafiklerinin ekseni kestiği noktalar görülüyor ve akım grafiği x eksenini daha önce keser. Yani akım faz olarak gerilimden daha ileridir. Bu da tanıma göre kapasitif yüklerde faz farkı açısının negatif olduğunu ifade eder.
Faz farkı gözlem yoluyla da anlaşılabilir; kondansatör, üzerine gerilim uygulandığı anda dolmaya başlar, frekans değerine göre üzerinden akım geçirme düzeyi artar. Kapasitif bir devreye herhangi bir anda bakıldığında, bazı anlarda gerilim olmasına rağmen akımın hala akmaya devam ettiği görülür. Çünkü kaynak kesildiğinde bile, kondansatör depoladığı yüklerle devreden bir süre akım geçmesini sağlar. Bunlar faz farkının varlığına işarettir.
Reaktif güç
Reaktif güç elektriksel güçte görünür gcün bir bileşeni olup iş yapabilme ve işe dönüştürülebilme özelliği yoktur. Bu güç, kondansatörlerde plakalar arasında elektriksel alan olarak saklanır. Kaynak kapandığında ise devreye geri verilir. Anlık gücün yukarıda bulunan tanımında içinde faktörünün bulunduğu kısım bize reaktif güç değerini verir. Reaktif gücün frekansı da normal frekanstan farklıdır, iki katına çıkar.
Güç ifadesi, elemandan geçen akımla elemanın uçları arasındaki gerilimin çarpımından oluşur. Empedans kavramının verdiği bilgiler eşiğinde aşağıdaki eşitlikler sağlanır. Akım fazörünün üstündeki yıldız , fazörün transpozesinin alındığını, daha basit anlamıyla genliğinin sabit kalması şartıyla faz açısının terse dönüp işaret almasını anlatır. Ayrıca fazörlerin altında bulunan ifadesi de fazörlerin efektif yani etkin değerlerinin alındığını gösterir. Sinüsoidal bir dalgada efektif değer, genliğin 2'nin kareköküne bölünmüş halidir. Matematiksel olarak aşağıdaki ifadeler kullanılabilir.
Bu formüller ışığında kondansatörde depolanan reaktif güç aşağıdaki gibi bulunur.
AC analizin pratik anlamı
Kondansatör her ne kadar direnç gibi pasif, yani kontrolsüz elemanlardan da olsa dirence göre farklılıklar taşır. Matematiksel ifadesi direnç gibi doğru orantılı değildir, türev ifadesi içerir. Kondansatör akımının akması, zaman domeni ifadesinden anlaşıldığı gibi, kondansatörün uçları arasındaki gerilimin değişmesine bağlıdır. Alternatif akımda kaynak gerilimi sürekli değişir, kondansatöre uygulanan gerilim değeri de değişime uğrar. Bu da kondansatörden sürekli akım geçmesini sağlar.
Kondansatör AC akımın geçmesini engellemez. Direnç elemanı gibi olmasa da akıma karşı bir tepki gösterir, direnç uygular. Omik dirençten farklı olarak akımın hem değerini düşürür, hem de fazının gerilime göre kaymasına neden olur. Kondansatörün AC gerilime karşı koyma eşdeğerine kapasitif reaktans adı verilir. Kapasitif reaktans, kaynak frekansı ve kondansatör kapasitesine bağlıdır. Frekans ve kapasite yükseldikçe reaktans düşer. Reaktansın düşmesi;
· fazör diyagramında sanal kısmın kısalıp empedansın dirence yani gerçel kısma doğru yaklaşması
· faz farkının düşmesi, akım ve gerilim fazörlerinin birbirine yaklaşması anlamlarına gelir. Reaktansın yükselmesi ise bu sıralananlara ters yönde etki yapar.
Empedans diyagramı incelendiğinde görülür ki, kapasitif yüklerde empedansın sanal kısmı negatif, direncin yönü sürekli pozitif yönde olur. Reaktans negatif yönde olduğundan bu iki fazörün bileşiminin açı değeri negatif çıkar. Empedansın açısı kapasitif yüklerde negatif değer alır ve dolayısıyla akım fazörü gerilim fazörünün önünden ilerler. Kondansatör, çalışmaya başladığında sürekli olarak dolup boşalma hareketi yapar, belli bir yerde kaynak akımı kesilirse kondansatör depolamış olduğu yükleri devreye verir ve kısa süre de olsa akım geçmesini sağlar. Yani akım fazörü gerilim fazöründen ilerdedir denir.
Kondansatör reaktif güç depolayan bir elemandır. Reaktif güç işe dönüştürülmemesine rağmen motorlar endüktif ve bobin yapısında olduğundan çalışmaya başlamaları için bir manyetik alana ve reaktif güce ihtiyaç duyarlar, endüktif devrelerin çalışması için gereken reaktif güç de kondansatörlerden karşılanır. Ancak şebeke durumundan bakarsak reaktif gücün ihtiyaçtan fazla bulunmasının istenmeyen bir durum olduğu unutulmamalıdır. Bunun için kompanzasyon yapılır ve reaktif gücün düşürülmesi yoluna gidilir.
Kullanım ve uygulama alanları
Kondansatörün matematiksel ifadeleri ve pratik anlamda bu ifadelerin ne anlamlara geldiği bilgilerinin ışığında, kondansatörler çeşitli amaçlarla bir çok kullanım alanı bulur. Bu kullanım alanlarını belirleyen özellikler;
· elektrik enerjisini plakaları arasındaki depolayabilmek,
· kısa devre anında bu enerjiyi çok hızlı boşaltabilmek,
· AC akımı geçirip DC akımı engellemek,
· faz kayması oluşturmak ve reaktif gücü depolayabilmek olarak sıralanabilir.
Aşağıdaki liste hangi uygulamanın ne kadar kapasiteli kondansatörlerle gerçekleştirildiği ve bu kondansatörlerin ne gibi özelliklere sahip olması gerektiği hakkında bilgi sunar.
|
Uygulama
|
Kapasite aralığı
|
Tolerans gereksinimi
|
Kaçak akım tahammülü
|
Kararlılık gereksinimi
|
Parazit tahammülü
|
|
Filtreleme
|
1 - 100 pF
|
Yüksek
|
Düşük
|
Kesinlikle
|
Düşük
|
|
AC/DC Doğrultma
|
1 - 10 nF
|
Yüksek
|
Düşük
|
Çok Yüksek
|
Yüksek
|
|
Dekuplajlama
|
1 - 100 nF
|
Düşük
|
Yüksek
|
Düşük
|
Çok Düşük
|
|
Enerji Depolama
|
1 µF ve üstü
|
Düşük
|
Yüksek
|
Düşük
|
Düşük
|
Fotoğraf makinesi flaşının ani patlaması kondansatör sayesindedir.
Hoparlörlerin kapandıktan sonra bir süre daha ses vermelerinin sebebi kondansatörlerdir.
Nokia 3510 daha büyük kapasiteli bir kondansatöre sahip olsa 5 saniyeden daha uzun süre saat hafızasını koruyabilir.
Enerji depolama
Kondansatöre bir DC kaynak bağlandığı zaman, kısa sürede yükü depolar ve dolar. Bu şekilde devreden ayrılan bir kondansatör yüklüdür ve plakaları arasında bir gerilim değeri okunur. Bu şekliyle kondansatörler bir pile benzetilebilir. İçindeki yükü ise kendisine bağlanan direnç değerine göre belli bir sürede boşaltan kondansatörler, devreye bağlandığı zaman kısa süre içinde yüklerini tüketirler, çünkü içlerindeki yük pile göre hem azdır hem de yeni yük üretimi yapamaz. Kondansatöre kısa devre yapıldığında bu yükün kıvılcım çıkartacak derecede hızlı aktığı görülür. Hem enerjiyi depolama hem de yükü aniden devreye sokma özelliklerinden dolayı, kaynağın devre dışı kalacağı durumlarda ve ani yük akışına ihtiyaç olan alanlarda kondansatörler kullanılabilir.
Fotoğraf makinesi flaşlarının çalışması için enerji depolayan araçlar kondansatörlerdir. Flaşa bağlanmış olan kondansatör önce pil tarafından doldurulur ardından çekim anında devreye sokulur ve depolanmış yüksek enerji bir anda boşaltılır, böylece anlık olarak yüksek aydınlık elde edilmiş olur. Flaşın biriktirdiği yüksek enerjiyi bir anda harcaması kondansatör sayesinde olmaktadır. Kondansatörün aniden boşalması flaş ışığının parlak olmasını sağlar.
Kondansatörler, elektronik alet herhangi bir sebeple kaynaktan ayrılırsa aletin bir süre daha işlev görmesini de sağlar. Buna örnek olarak hoparlörler verilebilir. Hoparlörlerin besleme devresinde bulunan kondansatörler kaynak gerilimi kesildiği zaman birkaç saniyeliğine de olsa höparlörün çalışmasını ve ses kaybı olmamasını sağlarlar. Hoparlörün çalıştığı süre boyunca depolanan kondansatör, kaynağın kesintiye uğramasının ardından depoladığı yükü hoparlöre verir ve böylece ses bir süreliğine kesilmez. Fişten çekilen hoparlörden hala ses gelmesinin nedeni budur. Bu kullanım şekli daha da genişletilebilir, farklı farklı kullanım alanları bulunabilir.
Kondansatör, kendisini besleyen kaynak tükendiği zaman hafızasındaki bilgiyi kaybeden elektronik aletler için geçici de olsa çözüm oluşturur. Dijital kol saatleri, bazı bilgisayar parçaları, cep telefonları bu tür aletlere örnek olarak verilebilir. Dijital saatler ve cep telefonlarında bulunan kondansatör, pil tükendiği zaman devreye girer ve özellikle saat ve bazı önemli bilgilerin kaybolmaması için yüklerini harcarlar. Kondansatör belli bir süre sonra yeniden depolanmadığından boşalacaktır ve bulunan çözüm geçici olacaktır. Bazı cep telefonlarının pillerinin birkaç saniyeliğine çıkarılıp geri takıldığında açılışta saati hatırlaması, daha uzun süreli pilsiz bırakmada ise açılışta saati yeniden sormasının sebebi de budur. Çünkü kondansatör o hafızayı sadece birkaç saniyeliğine tutacak şekilde tasarlanmıştır.
Kondansatör ani yük boşalmaları yapabildiğinden laboratuvar ortamında deney ve yapay yıldırım oluşturma amacıyla da kullanılır. Bir yapay yıldırımda aktarılan yük miktarı ve oluşan gerilim o kadar büyüktür ki, bu yükü depolamak için metrelerce uzunlukta büyük kondansatör blokları ve bu kondansatörleri doldurmak için dakikalar gerekmektedir. Depolanan enerji bir anda kısa devre edilir ve bir noktaya hedeflendirilir, böylece yapay bir yıldırım oluşturulabilir.
Reaktif güç depolama ve faz kaydırma
Anlık güç ifadesinde de anlatıldığı üzere kondansatörler aktif güç harcamazlar ve reaktif güç depolayıcı olarak çalışırlar. Endüktif devreler ise çalışmalarının başlangıcı için reaktif güce ihtiyaç duyarlar ve çalışırken reaktif güç oluştururlar. Kondansatörler reaktif güç depolarken endüktanslar da çalışmak için reaktif güç harcıyorlar. Bu harcayacakları güç de kondansatörler tarafından sağlanabilir. Ayrıca endüktif devrelerin faz kayması akımın geri kalması yönündeyken, kapasitif devrelerin faz kayması akımın önde gitmesi yönündedir. Bu da faz açısının ayarlanması için bize olanak sunar.
Motorlara yol verme
Elektrik motorları reaktif güç harcarlar.
Elektrik makineleri veya daha bilinen adıyla motorlar büyük bobin sarımlarından oluştuğundan endüktif devrelere sahiptirler. Endüktif devrelerin anlık güçlerinin ifadeleri çıkarıldığında görülecektir ki endüktanslar harekete geçmeleri için reaktif güç harcayıp çevrelerinde manyetik alan oluştururlar. Bu reaktif güç şebekeden de çekilebilir. Ancak birçok fabrikanın, bir çok motorun ve endüktif devrenin bulunduğu bir bölgede çekilen reaktif güç verimin oldukça aşağı düşmesine neden olacaktır. Bunun için motorların devrelerine reaktif güç yüklü kondansatörler bağlanır ve motora yol verilmesi yani motorun harekete geçirilebilmesi için gereken reaktif güç bu kondansatörlerden sağlanır. Bu kondansatörler elektronik devrelerde kullanılan kondansatörlere göre fiziksel olarak oldukça büyüktür. Çünkü motorlar 220 veya 380 Volt ile çalışırlar ve fazla miktarda reaktif güce ihtiyaçları vardır, bunu depolayacak kondansatörler de tabii ki büyük olacaktır.
Kompanzasyon
3 fazlı kompanzasyon kondansatörleri, güç faktörü düzeltilmesi için kullanılır ve fiziksel olarak büyüktürler.
Reaktif güç ile aktif gücün bileşiminden oluşan görünür güçte, aktif gücün maksimum hale getirilip, güç faktörünün düzeltilmesi ve verimin en büyük halini alması işlemine kompanzasyon denir.
Uygulamada fabrikalar, elektrik makineleri, iş makineleri ve motorlar endüktif çalıştıklarından bağlandıkları şebekeye reaktif güç verirler. Verilen reaktif güç aktif gücün dolayısıyla verimin oldukça düşmesine neden olur. İki eş sistemin kompanze edilmiş ve edilmemiş halleri karşılaştırıldığında çekilen akımın değişmediği, ancak aktif gücün arttığı görülür. İşte verimin artması ve şebekenin reaktif güçten kötü etkilenmemesi için endüktif sistemin girişine bir kompanzasyon kondansatörü bağlanır ve devrede üretilen rekatif güç şebekeye verilmeden kondansatörlerde depolanır. Motor devreye girerken de bu kondansatörler depoladıkları reaktif gücü motorlara geri verirler. Dolayısıyla şebeke sistemi saf resistif bir sisteme yakın olarak görür ve şebekeyle sistem arasında reaktif güç alışverişi olmaz.
Havai hatlarda kapasite
Enerji nakil hatları büyük bir kondansatör olarak düşünülebilir.
Havai nakil kablolarının her biri farklı bir fazı taşır, her bir kablonun sahip olduğu gerilim değeri anlık olarak değişmektedir ve kablolar arasında gerilim farkları oluşur. Kablolar kondansatör plakaları, aralarındaki mesafe yalıtkan kalınlığı ve aradaki yalıtkan da hava olarak hayal edilirse, havai nakil hatlarının oldukça büyük ve uzun bir kondansatör olduğu varsayalabilir. Her ne kadar kablolar arası mesafenin çok açık olması kapasite değerinde düşmeye yol açsa da bu kabloların kilometrelerce ilerlerdiği düşünüldüğünde, toplamdaki kapasite değeri hattın varış noktasında çıkış noktasına göre faz farkının oluşmasına neden olacaktır. Yani havai nakil hatlarının da bir kapasitesi vardır ve hesaba katılır.
Havai hatların kapasite değerleri kablonun cinsine, kablo aralığına göre değişir. Havai hatlar çekilirken kullanılacak kablonun kilometre başına kapasite (F/km) değeri kataloğundan okunur. Buna göre hesaplama yapılır.
Doğrultma
Filtre kondansatörü doğrultucularda DC gerilime yakınlaşma sağlamaktadır.
Filtre kondansatörlerinin kapasitesi arttıkça dalgacık genliği düşer ve çıkış gerilimi DC gerilime yaklaşır.
Kondansatörler içlerinde biriktirdikleri enerjiyi yüke boşaltmak suretiyle doğrultucu devrelerinde de kullanılabilirler. En basit doğrultuculardan olan yarım dalga doğrultucuda yüke ulaşan gerilimin grafiği alttaki resimde görülür. Ancak DC gerilimle çalışan bir alet için elde edilen bu gerilim grafiği uygun değildir. Çünkü aletin istediği, bir pilden elde edilebilecek kadar düz ve pürüzsüz bir gerilimdir.
Yandaki şemada yarım dalga doğrultucuya bağlı bir yüke paralel kondansatör bağlanması örneği görülür. Gerilim artarken yük depolayan kondansatör, gerilimin düşmeye başlayınca, yani ifadesinde bulunan gerilimin türevi negatif değer alınca içindeki elektrik yükünü, yüke iletmeye başlar. Bu noktadan itibaren AC gerilim azalırken, kondansatör bir kaynak gibi davranır ve içindeki yükü önündeki empedans değerine göre boşaltır. Yüke iletilen gerilimin grafiği yandaki resimde üstteki gerilim grafiği haline gelir. İlk duruma göre bu grafik DC gerilime daha yakındır. Bu da DC gerilimle çalışan bir aletin düzgün şekilde çalışması için daha uygundur.
Kararlılığa ulaşmış bir kondansatörlü doğrultma devresi göz önüne alındığında, üstteki grafikte gerilimin bir maksimum ve bir minimum değerleri olduğunu görürüz. Bu iki değer arasındaki fark dalgacık (ripple) olarak adlandırılır. Bu dalgacıkların genliği ne kadar düşük olursa o kadar doğru gerilim değerini yakalanmış olur.
Doğrultucuda kullanılan kondansatörlerin kapasite değerleri de elde edilen gerilim grafiğini etkiler. Kapasiteleri farklı 3 kondansatör aynı doğrultucu devresine bağlandığında grafikte olduğu gibi kapasite değeri arttıkça yük geriliminin DC gerilime yaklaştığı görülür. Bunun nedeni ise kondansatörün kapasitesinin arttıkça depoladığı yük miktarının artması ve bu elektrik yükünün daha uzun süre yükü beslemesidir. Yani kısaca, doğrultucu kondansatörlerinin kapasite değerleri arttıkça, DC gerilime yaklaşım sağlanır ve dalgacık genliği düşer.
RC filtreleme ve matematiksel işlemler
RC filtreler bir direnç ve bir kondansatörün bağlanmasıyla oluşturulur. Bu filtrelerin görevleri adlarında belirtilir. Görevleri belli frekansların geçmesini belli frekansların ise söndürülmesini sağlamaktır. Aynı şekilde bu devrelerin matematiksel analizi yapıldığında bir matematiksel operatörün ifadesi elde edilir. Yani RC devreleri frekans geçirme görevlerinin yanında matematiksel işlev operatör elde edilmesi için de kullanılan devrelerdir.
AG - RC filtresi, referans frekans değerinden düşük frekansları geçirir, yüksek frekansları söndürür. Ayrıca İntegral işlevi de görmektedir.
Alçak geçiren (AG) filtre - İntegral alıcı
Bu RC devresinin görevi isminden de belli olduğu üzere alçak frekansları geçirmektir. Yandaki devre şemasında da görüldüğü gibi bir direnç ile bir kondansatör birbirine seri halde bağlanıp, AC kaynak altında kondansatörün uçları arasındaki gerilim değeri okunur ve toplam gerilim ile çıkış gerilimi arasında frekans analizi yapılırsa bu sistemin belli bir frekans değerinden düşük frekansları aynen geçireceği, bu frekans değerinin üzerindeki frekansları ise hızlı bir şekilde söndüreceği görülür.
Ayrıca aynı sistemin gerilim analizi zaman domenine göre yapıldığında görülecektir ki kondansatörün uçları arasındaki gerilim, giriş geriliminin integrali alınmış ve bir sabitle çarpılmış haline eşittir. Dolayısıyla bu devre aynı zamanda integral alıcı devre olarak da anılır. İntegral ifadesinin önündeki sabit de bağlanan elemanların direnç ve kapasite değerlerine bağlıdır.
YG - RC filtresi, referans frekans değerinden yüksek frekansları geçirir, düşük frekansları söndürür. Ayrıca Türev işlevi de görmektedir.
Yüksek geçiren (YG) filtre - Türev alıcı
Yine aynı şekilde bu RC filtresinin görevi de isminden bellidir. Yanda şeması gösterilen devreden de anlaşıldığı gibi bir direnç ve bir kondansatör seri bağlanır ancak bu sefer direncin uçları arasındaki gerilim değeri okunur. Ardından yapılan frekans analizinde görülür ki bu devre bir frekans değerinden düşükte kalan frekansları geçirmeyip söndürmekte, o frekans değerinden yüksek frekansları ise aynen geçirmektedir.
Gerilim analizi zaman domeninde yapıldığı zaman ise direncin uçları arasındaki gerilimin giriş gerilimin türevi alınmış ve bir sabitle çarpılmış haline eşit olduğu görülür. Bu sabit yine direnç ve kapasite değerlerine bağlıdır. Bu sebeple bu devreye türev alıcı devre adı da verilebilir. dalgana bak
Tasarım
Yalıtkan malzeme
Dielektrik (yalıtkanlık) sabiti
Yalıtkan bir malzemenin içinde depolayabileceği yük miktarı o malzemenin bir karakteristiğidir, yani farklı malzemelerin aynı koşullarda depolayabilecekleri yük miktarı da farklı olur. Bir malzemenin üzerinde yük depolayabilme yeteneği yalıtkanlık (dielektrik) sabiti adı verilen katsayı ile ölçülür ve bu katsayı her malzemede farklı değer alır. Hesaplama kolaylığı açısından her malzemenin dielektrik katsayısı, boşluğun dielektrik katsayısına göre oranlanır ve ortaya çıkan yeni katsayıya bağıl dielektrik (yalıtkanlık) sabiti adı verilir, kısaca vakumun yalıtkanlığı temel alınarak diğer malzemelerin yalıtkanlığı buna göre kıyaslanır. Bir yalıtkan malzeme bağıl dielektrik sabiti oranında, vakuma göre daha fazla yük depolar.
Delinme gerilimi
Yalıtkan malzemelerin karakteristikleri arasında gerilime dayanıklılık da sayılmalıdır. Bir malzemenin yalıtkanlığını yitirip deforme olduğu gerilim değerine bozulma - delinme gerilimi adı verilir ve yalıtkanlar için önemli bir göstergedir. Kondansatörlere delinme gerilimlerinden büyük bir gerilim kesinlikle uygulanmamalıdır, çünkü bu şekilde kondansatör iletken haline gelir ve işlevsiz kalır.
Bazı yalıtkanların bağıl dielektrik sabitleri ve delinme gerilimleri
|
Yalıtkanın
İsmi
|
Bağıl Dielektrik Sabiti
|
Delinme Gerilimi
|
|
Hava
|
1
|
30,000 V/cm
|
|
Teflon
|
2.1
|
600,000 V/cm
|
|
Polistren
|
2.4 - 2.7
|
240,000 V/cm
|
|
Kağıt
|
3.5
|
160,000 V/cm
|
|
Pireks (Cam)
|
4.7 (3.7 - 10)
|
140,000 V/cm
|
|
Silikon
|
11.68
|
150,000 V/cm
|
|
Bakalit
|
3.7
|
240,000 V/cm
|
|
Kuvartz
|
3.7 - 4.5
|
80,000 V/cm
|
|
Mika
|
4 - 8
|
800,000 V/cm
|
Fiziksel yapı
Çeşitli fiziksel yapılarda kondansatörler temin edilebilir. Elektronik ve metalürji bilimlerinin gelişmesi, oldukça küçük ve farklı yapılarda kondansatör üretimini mümkün kılmıştır. Örneğin entegre devrelerin üzerinde mercimek ve pil şeklinde görülebilirler. Farklı yapıdaki kondansatörlerin kapasite değerleri belli başlı formülasyonlara göre hesap edilir. İki düz metal tabakadan üretilen kondansatör ile silindir veya daire şeklinde olan kondansatörün kapasiteleri farklı şekilde hesap edilir. Her ne kadar düzlemsel kondansatörün hesabı kolay olsa da 3 boyutluluk, silindiriklik ve küresellik devreye girdiğinde formulasyonlar oldukça karışık hale gelir.
Düzlemsel kondansatörler
Düzlemsel kondansatör
Uygulamada oldukça fazla karşılaşılan bir kondansatör tipidir. Düzlemsel iki metal tabaka arasında belli bir dielektrik katsayısına sahip olan bir yalıtkanın yerleştirilmesiyle elde edilir.
Düzlemsel koordinatlarda gerilim değişimi bir boyutta gerçekleşir. Değişimin sadece x ekseninde olduğu yandaki şekilden görülür. İki kalın çizgi metal tabakaları belirtirken, aradaki kadar uzaklık içerisine yalıtkan bir malzeme yerleştirilir. Metal tabakaların alanları olup, birinin gerilimi iken diğer tabakaya gerilimi uygulandığında elektrik alanı , yüksek gerilimden düşük gerilime doğru olur.
Tabaka üzerinde herhangi bir noktada gerilim yani ve ekseni üzerinde gerilim değişmez. Yalıtkan malzeme gerilime karşı bir direnç gösterir ve bu sebeple gerilim düşümü ekseni üzerinde olur, bir tabakadan diğerine geçerken gerilim değerinden değerine düşer. Kondansatörün gerilim uygulanmayan plakasının , gerilim uygulanan plakasının konumlarında bulunduğu göz önüne alınır ve hesaplamalar sonucunda düzlemsel kondansatörün kapasite değerinin nelere bağlı olduğu bulunur.
Bu ifadeye göre düzlemsel kondansatörlerde kapasiteyi değiştiren etmenler, aradaki malzemenin dielektrik katsayısı, malzemenin kalınlığı ve metal plakaların yüzey alanıdır. Yüzey alanı, dielektrik katsayısı arttıkça ve aradaki mesafe azaldıkça kapasite artar.
Küresel kondansatörler
Profilden Küresel Kondansatör
İç yarıçap = r1
Dış yarıçap = r2
Küresel kondansatörler iki metal kürenin içiçe konulup aralarına bir yalıtkanın yerleştirilmesiyle oluşturulur. Gündelik hayatta fazla kullanım alanı yoktur, genellikle yüksek gerilim tekniğinde benzetim yapmak için kullanılır ve kolaylık sağlar. Farklı çeşitleri mevcuttur, kürelerin merkezleri birbirindek ayrık, küreler birbiriyle ilişkisiz olabilir. Ancak hesaplamada kolaylık olması açısından eşmerkezli küresel kondansatörler kullanılacaktır.
İç küre yarıçapının , dış küre yarıçapının olduğu kabul edilir. Kondansatör ekseninde ise yine ve uzaklıkları arasında yer alır. İç küreye gerilim uygulanıp, dış küreye gerilim uygulanmadığında, sistem belli bir değerde yük depolama özelliğine sahip olur. Eşmerkezli küresel kondansatörlerde kapasite değerinin ifadesi aşağıdaki gibi yazılabilir.
Bu ifadede kesin olan tek şey, aradaki malzemenin dielektrik katsayısının kapasite değerini doğru orantılı etkilediğidir. ve yarıçapları ise alacakları değerlere göre kapasite değerini etkilerler, bu oran tasarım açısından çeşitlilik olanağı sunar.
Silindirsel kondansatörler
Silindirsel kondansatör
İç yarıçap = r1
Dış yarıçap = r2
Silindir uzunluğu = l
Silindirsel kondansatörler iki metal silindir tabakanın birbirinin içine yerleştirilmesi ve aralarına yalıtkan bir malzemenin koyulmasıyla tasarlanır. Bu tip kondansatörlerin günlük hayatta kullanımı çoktur. Kablolar, yüksek gerilim havai hatları veya geçit izolatörleri bu kullanım alanlarına örnek olarak verilebilir. Benzetim açısından da kolaylık sağlayan silindirsel kondansatörlerin incelenmesinde eşeksenli olanları kullanılır.
İç silindir yarıçapı , dış silindir yarıçapı iken, silindir uzunlukları olarak alınır. Gerilim iç silindire uygulanır, dış silindir ise gerilimsiz bırakılır. Bu durumda sistem yalıtkan malzeme üzerinde yük depolar. Kapasite değeri ise aşağıdaki gibi bulunur.
Eşeksenli silindirsel kondansatörlerde kapasite değeri, yalıtkan malzemenin dielektrik sabitinden ve silindir uzunluğundan doğru orantılı olarak etkilenir, bu ikisinin artması kapasiteyi artırmaktadır. Doğal logaritmik ifadenin içerisinde gelen yarıçaplar oranı ise ters orantılı bir etki yapar. Yarıçaplar arasındaki oranda oynama yapılarak çeşitli değerlerde silindirsel kondanstörler elde edilebilir.
İmalat
Kondansatörlerde elektrotların birbirlerine göre konumları düzlemsel, küresel ve silindirsel olmaları hakkında bilgi verir, farklı fiziksel yapılar farklı ihtiyaçlar için geliştirilmiştir ve seçenekleri artırıp uygulama çeşitliliğine uyum sağlarlar. Kondansatör imalatında asıl önemli olan, kullanıcıların isteklerini karşılayacak şekilde, farklı uygulamalar için farklı ürünler imal etmek, bunları imal ederken de kapasite değeri ve çalışma gerilimi üzerinde ayarlamasında farklı yalıtkan malzemelerin farklı yalıtkanlık özelliklerinden faydalanılır.
Kapasite değeri, yalıtkan malzemenin incelmesi (elektrotların birbirine yaklaşması) ve elektrot alanının artmasıyla artar fakat yalıtkanların incelmesi malzeme açısından üretimde zorluk yarattığı gibi çalışma geriliminin azalmasına yol açtığından çok da avantajlı değildir. Ayrıca elektrot alanının artması da kondansatör büyüklüğünün artmasına neden olacağından bir yerden sonra kullanışsızlığı peşinden getirmektedir. Dolayısıyla imalat ve tasarım aşamasında bir optimizasyona gidilmelidir. İstenen kapasite ve çalışma değerleri en küçük ve kullanışlı boyuta nasıl getirilebilir tasarlanmalıdır. Bu tasarlama çalışmaları farklı yalıtkanların kullanıldığı farklı kondansatörlerde yalıtkanların özellikleri göz önüne alınarak yapılır.
Kondansatörlerde alüminyum, gümüş veya kurşun elektrotlar kullanılır ancak alüminyum elektrot kullanımı en yaygın olanıdır. Yalıtkan farklılıkları ise kondansatörler arasındaki temel farkı oluşturur. Yalıtkan ile alüminyum film iletkenlerinin oluşturduğu kondansatöler ise bir kabın içerisine yerleştirilir ve enerjili kısım yalıtılmış olur.
Sargı yöntemi
Sargı yöntemiyle düzlemsel kondansatörler daha küçük boyutlarda elde edilebilirler.
Aksiyal veya radyal kondansatörlerin farklılıkları da terminallerin (uçların) yerleşim farkından kaynaklanmaktadır. Üstteki resimde iki farklı uygulama da görülebilir.
Kondansatörlerde küçük boyutta istenen kapasite değerini elde etmenin yollarından bir tanesi elektrot alanında artırım yapmaktır, ancak elektrotlar düzlemsel olarak kullanıldığında alan arttıkça kondansatör boyutu de artmaktadır. Kondansatörlerde sargı yöntemi, elektrot alanında artma elde ederken boyutlardaki artmanın daha kabul edilebilir seviyede kalması için uygulanan bir yöntemdir.
Sargı yöntemi düzlemsel kondansatörlerin küçük boyuta sığdırılması amacını taşıyan bir yöntemdir. Uygulanması için (yandaki resimden takip edilebilir) boy olarak makul ancak en olarak uzun elektrot ve yalıtkan malzeme seçilir. Elektrot ve yalıtkan malzemelerin kolayca bükülebilir olması sargı yöntemi için şarttır. Dıştan içe doğru sırayla yalıtkan - elektrot - yalıtkan - elektrot dizilimi sağlanacak şekilde malzemeler üstüste yerleştirilir. Ardından bir rulonun etrafına, oluşturulan bu kondansatör sarılmaya başlanır. Tamamen sargı haline gelmiş kondansatör yalıtkan bir kabın içerisine yerleştirilerek dış ortamdan izole edilir. Görünüş olarak silindirsel kondansatöre benzese de temelde tasarlanan düzlemsel bir kondansatörün sarılmış halidir. Yandaki resimde görülen kondansatör, içteki alüminyum elektrot yani anota artı (pozitif) kutup bağlandığında çalışmaya başlayacaktır.
Kondansatörün kullanım alanına göre terminallerinin yani uçlarının yerleri tasarlanmalıdır. Radyal bir kondansatörde uçlar aynı kenardan aynı yöne doğru çıkarlar. Aksiyal kondansatörlerde ise bir uç tavandayken diğer uç taban kısmında olur ve ters yönlere doğru çıkarlar. Sargı işlemi gerçekleştirilmeden önce düzlemsel elektrotların aynı yöne bakan kenarlardan uzatılan uçlar radyal kondansatör, ters yöne bakan kenarlardan çıkarılan uçlar ise aksiyal kondansatör elde edilmesini sağlar.
Sargı yöntemiyle, düzlemsel kondansatör halinde bırakılsa kullanışsız olacak derecede büyük boyutlara ulaşabilecek kondansatör, çok küçük bir boyutta aynı işlevi görmüş olur. Kağıtlı (yağ emdirilmiş), alüminyum film gibi çeşitli kondansatörler bu şekilde elde edilirler.
Çok katlı elektrot yöntemi
Esnek olmayan yalıtkan malzemeler için geliştirilmiş çok katlı elektrota sahip kondansatör imalatı...
Toplam elektrot sayısının yarısı kadar kondansatör paralel bağlı olarak düşünülebilir.
Kondansatörlerde kullanılan yalıtkan malzemenin bükülmez olması durumunda sargı yöntemi gerçekleştirilemez. Elektrot alanının artırılması birçok elektrotun birbiri içine geçirilip, elektrotlar arasına esnek olmayan yalıtkan malzemeden yerleştirilmesiyle çok katlı elektrot yöntemi uygulanmış olur.
Birçok elektrot - yandaki resimden de takip edilebildiği gibi - ardışık olarak (bir tarak gibi) birbirlerinin içine geçirildiğinde, toplam elektrot sayısının bir eksiği kadar kondansatör paralel bağlanmış olarak elde edilir. Kondansatörün iki elektrot arasındaki mesafesi , malzemenin yalıtkanlık katsayısı , elektrotların birbirine bakan alanları ve toplam elektrot sayısı olduğu düşünülürse çok katlı elektrota sahip bir kondansatörün kapasite değeri aşağıdaki gibi bulunur.
Mika ve seramik, esnek olmayan ancak elektriği iyi yalıtan ve kolayca inceltilebilir malzemeler olduklarından, seramik ve eski tip mikalı kondansatörler bu yöntemle imal edilirler.
Kazalar, tehlike ve güvenlik
Kondansatörler enerji depolayan elemanlardır ve içlerindeki elektriksel yükü uzunca bir süre saklayabilirler. Güç girişi kesilmiş bir devrede bulunan kondansatör bile depo ettiği yükü boşaltarak devrenin diğer elemanlarının zarar görmesine yol açabilir. Devreden ayrılmasına rağmen uçları arasına herhangi bir yük bağlanmayan kondansatör depoladığı yükü uçları kısa devre edildiği an hızla boşaltır ve bazen öldürücü olabilen şoklara, elektrik yanıklarına neden olabilir. Örneğin görünüşte zararsız olan ve 1.5 Volt ile çalışan fotoğraf flaşları içlerinde 300 Volt'a kadar yük depolayabilen kondansatörlere sahiptirler, bu kondansatörlerde depolanan enerji bir insanı kolayca çarpabilir ve şoklara yol açabilir.
Yüksek kapasite değerine sahip veya yüksek gerilimde çalışan kondansatörlerle çalışılırken dikkatle davranılır, kondansatörün tamamen boşaldığından emin olduktan sonra temas etmek sağlık açısından faydalıdır. Kondansatörler devreden söküldükleri anda yük depolamış halde bulunurlar, bu sebeple içlerindeki elektriksel yükünü boşaltmak için sönümlendirici direnç adı verilen, değeri akımı zararsız hale getirecek kadar yüksek ancak çok uzun olmayan bir sürede kondansatörü boşaltacak kadar da düşük olan bir direnç, kondansatörün uçları arasına temas ettirilir ve tam boşalmanın sağlandığından emin oluncaya kadar beklenir. Yüksek gerilim kondansatörleri istiflenirken uçları arasına bir yalıtkanla kesinlikle kısa devre yapılır, çünkü bu tip kondansatörler cidden büyük zararlara yol açabilecek yükleri içlerinde depolayabilirler.
Eski yağ emdirilmiş büyük kondansatörler poliklorlanmış bifenil (PCB) içerirler. PCB bileşikleri artıkları topraktan yeraltı sularına karışabilmektedir. PCB'ler içme suyuyla çok az bir miktarda tüketilse bile kanserojen etki göstermektedir. PCBlerin insan vücuduna karışması aşağıdki yollarla olabilmektedir;
· Yiyecek veya içeceğe karışması,
· deri yoluyla emilmesi,
· buharının solunması yoluyla. (Oda sıcaklığındaki PCB buharı herhangi bir sağlık riski yaratmaz.)
Bu nedenlerden dolayı eski büyük tip yağ emdirilmiş kondansatörler için çeşitli önlemler alınmalı, akıntı yapmış kondansatörler kesinlikle güvenli bir şekilde yok edilmelidirler. Bu sağlık risklerinden dolayı artık PCB içeren kondansatörler üretilmemekte ve kullanımda olanlar tedavülden kaldırılmaktadır.
Kondansatör sanayisi
Genel bakış
İnsanlığın iki metal tabaka arasına bir yalıtkan malzeme yerleştirmek suretiyle icat ettiği kondansatörler, büyük bir sanayi alanı oluşturmuş ve günümüzde milyonlarca doların döndüğü bir pazar haline gelmiştir. Öyle ki farklı uygulamalar için farklı büyük alt kollara ayrılmış, pazar içinde birçok pazar oluşturmuştur. Kondansatör sanayisi, diğer teknolojik gelişmelerden fazla etkilenmemiş, yapımında kullanılan malzemelerin çeşitliliğinden ziyade yapı ve fiziksel boyutunda gelişmeler görülmüştür.
Kondansatör piyasasının 1960 - 1977 yılları arasındaki değişimi..
Alüminyum hala elektrotlarda kullanılan yegane malzemedir. Yağ emdirilmiş kâğıtların yalıtkan malzeme olmaktan çıkması ise 1960'lı yıllara rastlar. Plastik filmlerin yalıtkan olarak kullanılmasıyla beraber kondansatör teknolojisinde en büyük ilerleme kaydedilmiş, kâğıtlı kondansatörler tedavülden kalkmaya başlamış ve kuru yalıtkanlı kondansatörler ortaya çıkmıştır. Yine bu ilerlemeyle birlikte kondansatör imalatında devrim niteliğinde gelişmeler olmuş, çok küçük boyutlu ve ucuz kondansatörlerin üretimi mümkün olmuştur.
Modern kondansatör sanayisindeki büyüme, II. Dünya Savaşı'nda elektronik bilimindeki gelişmelerle tetiklenmiştir. Barışın sağlanmasının ve elektronik bilimine yeni alt dalların eklenmesinin ardından dünya genelinde kondansatör ihtiyacı inanılmaz bir şekilde artış göstermiştir. Ancak yandaki grafikte de görüldüğü gibi, üreticiler açısından şanssız bir durum olarak, kondansatör sanayisi dünya ticaretindeki ihtiyaç artış ve azalmalarından oldukça fazla etkilenmiştir, bu da tüketicilerin kondansatör ihtiyacında büyük değişikliklere yol açmıştır. Bu sebeple de kondansatör üreticileri öngörü yapmakta zorlanmış ve ağzı sıkılığı tercih etmiştir.
Farklı kollardaki gelişmeler
- Plastik film kondansatörler: Yalıtkan malzeme olarak kağıdın yerini plastik türevlerinin almasıyla birlikte kondansatör sanayisinde büyük bir gelişme gözlenmiştir. Öncülüğü polyesterin yapmasıyla birlikte polikarbonat, polistren ve poliprolen gibi malzemeler, farklı yalıtkanlık özelliklerinden faydalanılarak kullanılmışlardır. Özellikle geçmişte AC akımda kullanılan ve yalıtkan olarak P.C.B (poliklorlu bileşikler) taşıyan kondansatörlerin çevre kirliliğine neden olduğunun belirlenmesinin ardından, poliprolen yalıtkanlı kondansatörler AC devrelerde yaygınlaşmaya başlamıştır. Yağ emdirilmemiş kuru yalıtkanlı kondansatörlerin AC motorlarında ve floresan lambalarda kullanımının yaygınlaşmasının ardından kısa süre içerisinde hem çevreye zararsız hem de devreler için uygun büyüklüklerde kondansatörler imal edilmesi olanaklı hale gelmişti. DC akım için kullanılan kondansatörlerde de durum hemen hemen aynıydı ancak kâğıtlı kondansatörler bir süre daha yaşamaya devam ettiler. Sadece modası geçmiş devrelerde kullanım alanı bulabiliyorlardı ancak bu alan da zamanla plastik film kondansatörleri tarafından ele geçirildi. Bu gelişmelerin ardından kâğıtlı kondansatörler piyasadan silindi, yerlerini plastik filmli kondansatörler aldı ve 1980 yılında plastik film yalıtkanlı kondansatörler piyasanın % 20'lik bir kısmını kapsamaktaydılar.
- Seramik kondansatörler: Kondansatör sanayisinin gelişiminde plastik film gibi seramik yalıtkanlı kondansatörlerin de büyük etkisi vardır. Transistor gibi elektronik elemanların yaygınlaşmasıyla birlikte düşük gerilim değerlerinde çalışabilen kondansatörlere ihtiyaç duyuldu. Toleranlarının kararlı olmaması ve sınırlı yüksek gerilimde çalışabilmeleri dezavantajlarına rağmen düşük gerilimde çalışan devreler için disk seramik kondansatörler oldukça makuldü. Baskı devre üretiminin artmasıyla birlikte Amerika, Japonya ve Avrupa'da üreticiler haftada ortalama 1 milyon disk seramik kondansatör imal etmeye başladılar.
- Elektrolitik kondansatörler: Vakum tüplerinin tedavülden kalkıp yerine daha kararlı elektronik elemanlarının gelmesiyle birlikte elektrolitik kondansatör ihtiyacında büyük bir artış görüldü. Tüketici taleplerinde meydana gelen değişimler, üreticilerin kondansatörler için kapasite ve gerilim taleplerinde değişmeye yol açmıştır. Çünkü artık küçük devreler için yüksek kalitede ve uzun ömürlü kondansatörler gerekiyordu, bu gelişmeler sonucunda elektrolitik kondansatör piyasası gelişti. 1980'li yıllarda bu tip kondansatörler piyasanın % 37'sini elinde tutmaktaydı.
Günümüzde kondansatör sanayisi
Kondansatör pazarında 2000 yılında rekor kırılmasının ardından 2001 - 2002 yıllarında piyasa düşüşe geçmişti ve piyasanın yeniden hayat belirtisi göstermesi için 2003 yılının ikinci yarısına kadar beklenmesi gerekiyordu. Bu canlanış 2004'ün ilk yarısında gelen yüksek talep ve sabit fiyat sayesinde ivme kazandı. Ancak bazı ekonomik sebepler yüzünden 2005 yılında başlayan düşüş 2006 yılına kadar devam etti. Günümüzdeki ekonomi çevrelerindeki beklentiler kondansatör piyasasının 2009 yılına kadar büyük bir büyüme içerisine gireceği yönündedir.
2000 yılının sonunda haberleşme ve telekom teknolojileri piyasasında meydana gelen çöküşün ardından kondansatör sanayisi yeni bir yapılanmanın içine girdi ve farklı alanlarda mücadele etmek zorunda kaldı. Günümüzde kondansatör piyasası fiyatlandırma, malzeme fiyatlandırması ve ulaşılabilirlik, kondansatör teknolojileri arasındaki yarış, kapasite değerleri, Çin ve Tayvan gibi ucuz üretim yapan ülkeler hakkında acil önlemler, üretimin yıllar geçtikçe bu ülkelere kayması, kondansatörlerden kurşun gibi zararlı malzemelerin temizlenmesi ve daha zararsız malzemelerin kullanılması gibi alanlarda mücadele vermektedir.
Pasif elektronik elemanlar piyasasında Avrupa'da birinci, dünya genelinde ikinci büyük firma olan EPCOS'un kondansatör piyasası ile ilgili verileri kullanılarak piyasanın bugünü ve geleceği daha iyi takip edilebilir. Merkezi Almanya'da bulunan firma kondansatörler, seramik elemanlar (seramik kondansatörler dahil), ferrit ve endüktanslar gibi alanlarda söz sahibidir. EPCOS kondansatör fabrikası alüminyum, tantalum, film, güç kondansatörü ve ultrakondansatör üretimi yapmaktadır.
Firmanın kondansatör satışlarında 2004 yılında bir önceki yılın aynı dönemine göre % 1.1 artış gözlenmiştir ve satış 350 milyon €'dan 354 milyon €'ya çıkmıştır. Yılın son çeyreğinde ise yine geçen yılın son çeyreğine göre % 7'lik bir satış artışı görülmüş ve satış 83 milyon € olmuştur. Bu artışı otomotiv ve endüstriyel elektronik alanında ortaya çıkan alüminyum kondansatör ihtiyacı sağlamıştır. Tüketicilerin film kondansatör ihtiyacındaki artış yine satışı artırmıştır ancak tantalum kondansatörlerin bu artışta payı yok denebilecek düzeydedir.
Aşağıdaki iki liste EPCOS firmasının 2003 yılında yaptığı kondansatör satışlarının hangi endüstriye yüzde olarak ne kadar yapıldığını ve kondansatör çeşitlerinin toplam satış içerisindeki payını göstermektedir.
|
Endüstrisine göre
kondansatör satışları
|
Çeşitlerine göre
kondansatör satışları
|
|
Teknolojik ürünler
|
% 38
|
Tantalum
|
% 33
|
|
Otomotiv
|
% 21
|
Alüminyum
|
% 29
|
|
Telekomünikasyon
|
% 14
|
Film
|
% 21
|
|
Tüketici - Perakende
|
% 8
|
Güç kondansatörü
|
% 16
|
|
Diğer dallar
|
% 19
|
Ultrakondansatör
|
% 1
|
|
Toplam
|
% 100
|
Toplam
|
% 100
|
Bobin
Bobin, bir yalıtkan makara (mandren veya karkas) üzerine belirli sayıdaki sarılmış tel grubudur.
Bobinler
Bobinin elektriksel sembolü
Kullanım yerine göre, makara içerisi boş kalırsa "havalı bobin", demir bir göbek (nüve) geçirilirse "nüveli bobin" adını alır. Bobinin her bir sarımına "spir" denir.
Bobindeki elektriksel olaylar
Bilindiği gibi bir iletkenden akım geçirildiğinde, iletken etrafında bir manyetik alan oluşur. Bu alan kâğıt üzerinde daireler şeklindeki kuvvet çizgileri ile sembolize edilir.
Bir bobinden AC akım geçirildiğinde, bobin sargılarını çevreleyen bir magnetik alan meydana gelir. Akım büyüyüp küçülüşüne ve yön değiştirmesine bağlı olarak bobinden geçen kuvvet çizgileri çoğalıp azalır ve yön değiştirir.
DC gerilim uygulanırsa, Bobin DC akıma ilk anda direnç gösterir. Bu nedenle bobine DC akım uygulandığında bobin ilk anda yalıtkan daha sonra iletkendir. Bobine AC akım uygulandığında ise akımın yönü devamlı değiştiği için bir direnç gösterir.
Zıt Elektro Motor Kuvveti (EMK)
Bobin içerisindeki kuvvet çizgilerinin değişimi, bobinde zıt elektromotor kuvvet (zıt EMK Ez) adı verilen bir gerilim endükler. Bu gerilimin yönü, kaynak gerilimine ters yöndedir. Dolayısıyla da zıt EMK, bobinden, kaynak geriliminin oluşturduğu akıma ters yönde bir akım akıtmaya çalışır. Bu nedenledir ki, kaynak geriliminin oluşturduğu "I" devre akımı, ancak T/4 periyot zamanı kadar geç akmaya başlar.
Zıt EMK 'nın işlevi, Lenz yasası ile şöyle tanımlanmıştır:
Lenz yasasına göre zıt EMK, büyümekte olan devre akımını küçültücü, küçülmekte olan devre akımını ise büyültücü yönde etki yapar.
Endüktif Reaktans (XL)
Bobinin, içinden geçen AC akıma karşı gösterdiği dirence 'endüktif reaktans' denir. Endüktif reaktans XL ile gösterilir. Birimi "Ohm" dur. Şöyle ifade edilir:
XL = ω.L 'dir. ω = 2.π.f olup yerine konulursa, XL = 2.π.f.L ohm olur.
ω : Açısal frekans (Omega)
f: Uygulana AC gerilimin frekansı birimi, Herzt (Hz) 'dir.
L: Bobinin endüktansı olup birimi, Henry (H) 'dir.
a) AC kaynak geriliminin pozitif alternansındaki devre akımı.
b) Kaynak gerilimi (v), devre akımı (i) ve zıt EMK (Ez) arasındaki bağıntı
"L" nin değeri bobinin yapısına bağlıdır.
Bobinin sarım sayısı ve kesit alanı ne kadar büyük olursa, "L" o kadar büyük olur. Dolayısıyla AC akıma gösterdiği dirençte o oranda büyür.
"L" nin birimi yukarıda da belirtildiği gibi Henry (H) 'dir. Ancak genellikle değerler çok küçük olduğundan "Henry" olarak yazımda çok küsürlü sayı çıkar.
Bunun için miliHenry (mH) ve mikrohenry (µH) değerleri kullanılır.
Henry, miliHenry ve mikroHenry arasında şu bağıntı vardır.
MiliHenry (mH) 1mH = 10-3 H veya 1H = 103 mH MikroHenry (µH) 1µH = 10-6 H veya 1H = 106 µH 'dir.
Karşılıklı Endüktans (M)
Aynı nüve üzerine sarılı iki bobinin birinden akım geçirildiğinde, bunun nüvede oluşturduğu kuvvet çizgileri diğer sargıyı da etkileyerek, bu sargının iki ucu arasında bir gerilim oluşturur. Bu gerilime "endüksiyon gerilimi" denir.
Bu şekilde iletişim, karşılıklı (ortak) endüktans denen belirli bir değere göre olmaktadır.
Karşılıklı endüktans M ile gösterilir ve şu şekilde ifade edilir:
M= L1 . L2 L1 ve L2 iki bobinin self endüktansıdır.
M 'in birimi de Henri|Henry H dir.
Şöyle tanımlanır:
Aynı nüve üzerindeki iki bobinin birincisinden geçen 1 amperlik AC akım 1 saniyede, ikinci bobinde 1V 'luk bir gerilim endükliyorsa iki bobin arasındaki karşılıklı endüktans M=1 Henry 'dir.
Bobinler seri bağlanırsa toplam endüktans: L=L1+L2+L3+..........
Aynı nüve üzerindeki iki bobin seri bağlanırsa: L=L1+L2±2M dır.
İndüksiyon bobini
İndüksiyon bobini ya da ateşleme bobini benzinli motorlarda silindir içinde sıkıştırılan hava yakıt karışımının ateşlenmesi için kullanılır. Ateşleme bobini birer uçları ortak iki sargıdan oluşur. Birincil primer sargı 0.7 - 1.00 mm bakır telden 100 - 150 tur sarılmıştır. Yüksek gerilim çıkışı sağlayan ikincil sekonder sargı ise çok ince bakır telden 100.000 tur kadar sarılmış ve her iki bobin manyetik bir çekirdek üzerinde, izolasyon sağlayan trafo yağı ile dolu bir silindir içine yerleştirilerek kapatılmıştır.
Birincil sargıdan sürekli doğru akım geçmesi durumunda ikincil sargıda gerilim oluşmaz. Yüksek gerilimin oluşması için akümülatörden gelen gerilimin platin ile anahtarlanarak magnetik alan değişiminin oluşması ve birincil sargının kare dalga AC ile indüklenmesi gerekir. İkincil sargıda oluşan 10 - 15 KV gerilim 1 cm ye kadar kıvılcım atlaması oluşturur.
Günümüzde modern araçlarda kullanılan indüksiyon bobinleri küçülmüş ve verimi artmıştır.Yani kıvılcım gücü çok fazladır. Ayrıca platin yerine elektronik olarak ECU tarafından kontrol edilir. Yani yarıiletken elemanlar ile anahtarlanır.Bu sayede hem verim hem de tasarruf sağlanır.
Yarı iletken
Yarı iletken madde, elektrik iletkenliği bakımından, iletken ile yalıtkan arasında kalan maddelerdir.
Normal durumda yalıtkan olan bu maddeler ısı, ışık, manyetik etki ve ya elektriksel gerilim gibi dış etkiler uygulandığında bir miktar değerlik elektronlarını serbest hale geçirerek iletken duruma gelirler. Uygulanan bu dış etki veya etkiler ortadan kaldırıldığında ise yalıtkan duruma geri dönerler. Bu özellik elektronik alanında yoğun olarak kullanılmalarını sağlamıştır.
Yarı iletkenlerin değerlik yörüngelerinde dört elektron bulunur. Bu yüzden yarı iletkenler iletkenlerle yalıtkanlar arasında yer almaktadır. Elektronik elemanlarda en yaygın olarak kullanılan yarı iletkenler germanyum ve silisyum elementleridir.
Tüm yarı iletkenler son yörüngelerindeki elektron sayısını sekize çıkarma çabasındadırlar. Bu nedenle saf bir germanyum elementinde komşu atomlar son yörüngelerindeki elektronları kovalent bağ ile birleştirerek ortak kullanırlar. Atomlar arasındaki bu kovalent bağ germanyum elementine kristal özelliğini kazandırır. Silisyum da özellik olarak germanyum ile hemen hemen aynıdır.
Yarı iletkenli elektronik devre elemanlarında daha çok silisyum kullanılır. Silisyum ve germanyum devre elemanı üretiminde saf olarak kullanılmaz. Bu maddelere katkı katılarak değerlik bandı enerji seviyesi yukarıya veya iletkenlik bandı enerji seviyesi aşağıya çekilir. Değerlik bandının yukarı çekildiği yarı iletkenlere P tipi yarı iletken, iletkenlik bandının aşağıya çekildiği yarı iletkenlere ise N tipi yarı iletken denir. P tipi yarı iletkende yüklü boşluk derişimi, N tipi yarı iletkende ise elektron derişimi göreli olarak daha yüksektir.
Ayrıca günümüzde Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmede yarı iletkenlerden maksimum ölçüde faydalanılır.Zira güneşten gelen foton tanecikleri yarı iletkenlerin atomik yapısındaki zayıf moleküler bağlar sayesinde elektronların serbest kalmalarını sağlarlar.ve buda diğer bir yarı iletken yapıya elektron akışını mümkün kılar.günümüzde kulanılan bazı hesap makineleri,bu yapı ile çalışmaktadır.
Yarı iletkenler germanyum, silisyum, selenyum gibi elementler olabildiği gibi; bakır oksit, galyum arsenid, indiyum fosfür, kurşun sülfür gibi bileşikler de olabilir.
Germanyum
|
Germanyum (Ge)
|
|
H
|
Periyodik cetvel
|
He
|
|
Li
|
Be
|
|
B
|
C
|
N
|
O
|
F
|
Ne
|
|
Na
|
Mg
|
|
Al
|
Si
|
P
|
S
|
Cl
|
Ar
|
|
K
|
Ca
|
Sc
|
Ti
|
V
|
Cr
|
Mn
|
Fe
|
Co
|
Ni
|
Cu
|
Zn
|
Ga
|
Ge
|
As
|
Se
|
Br
|
Kr
|
|
Rb
|
Sr
|
Y
|
Zr
|
Nb
|
Mo
|
Tc
|
Ru
|
Rh
|
Pd
|
Ag
|
Cd
|
In
|
Sn
|
Sb
|
Te
|
I
|
Xe
|
|
Cs
|
Ba
|
|
Hf
|
Ta
|
W
|
Re
|
Os
|
Ir
|
Pt
|
Au
|
Hg
|
Tl
|
Pb
|
Bi
|
Po
|
At
|
Rn
|
|
Fr
|
Ra
|
|
Rf
|
Db
|
Sg
|
Bh
|
Hs
|
Mt
|
Ds
|
Rg
|
Uub
|
Uut
|
Uuq
|
Uup
|
Uuh
|
Uus
|
Uuo
|
|
|
|
|
|
|
La
|
Ce
|
Pr
|
Nd
|
Pm
|
Sm
|
Eu
|
Gd
|
Tb
|
Dy
|
Ho
|
Er
|
Tm
|
Yb
|
Lu
|
|
|
|
|
Ac
|
Th
|
Pa
|
U
|
Np
|
Pu
|
Am
|
Cm
|
Bk
|
Cf
|
Es
|
Fm
|
Md
|
No
|
Lr
|
|
|
|
|
Temel özellikleri
|
|
Atom numarası
|
32
|
|
Element serisi
|
Metaloidler
|
|
Grup, periyot, blok
|
14, 4, p
|
|
Görünüş
|
Gümüş grisi
|
|
Atom ağırlığı
|
72.59 g/mol
|
|
Elektron dizilimi
|
[Ar] 3d10 4s2 4p2
|
|
Enerji seviyesi başına
Elektronlar
|
2, 8, 18, 4
|
|
Fiziksel Özellikleri
|
|
Maddenin hali
|
Katı
|
|
Yoğunluk
|
5.323 g/cm³
|
|
Sıvı haldeki yoğunluğu
|
5.60 g/cm³
|
|
Ergime noktası
|
1211.40 °K
938.25 °C
1720.85 °F
|
|
Kaynama noktası
|
3106 °K
2833 °C
5131 °F
|
|
Ergime ısısı
|
36.94 kJ/mol
|
|
Buharlaşma ısısı
|
334 kJ/mol
|
|
Isı kapasitesi
|
23.222 (25 °C) J/(mol·K)
|
|
Atom özellikleri
|
|
Kristal yapısı
|
Yüzey merkezli kübik
|
|
Yükseltgenme seviyeleri
|
|
|
Elektronegatifliği
|
Pauling ölçeği
|
|
İyonlaşma enerjisi
|
762 kJ/mol
|
|
Atom yarıçapı
|
125 pm
|
|
Atom yarıçapı (hes.)
|
125 pm
|
|
Kovalent yarıçapı
|
122 pm
|
|
Van der Waals yarıçapı
|
pm
|
|
Diğer özellikleri
|
|
Elektrik direnci
|
nΩ·m (20°C'de)
|
|
Isıl iletkenlik
|
60.2 W/(m·K)
|
|
Isıl genleşme
|
6.0 µm/(m·K) (25°C'de)
|
|
Ses hızı
|
5400 m/s ('de)
|
|
Mohs sertliği
|
6.0
|
|
Vickers sertliği
|
MPa
|
|
Brinell sertliği
|
MPa
|
Germanyum(Ge; Alm. Germanium (n), Fr. Germanium (m), İng. Germanium), dikkat çekici derecede elektriksel özelliklere sahip gümüş grisi renginde metalik görünüşlü bir element.
Özellikleri
Yarımetalik, yani metal ile ametaller arasında özellikler gösterir. Periyodik cetvelde dördüncü grupta olup, silisyum ve kalay arasında bulunur. Germanyum (+2) ve (+4) değerliklerini alır. Elmasa benzer kristalleşme gösterir. Atom numarası 32 ve atom ağırlığı 72,59’dur. Kütle numaraları 70 ile 76 arasında değişen 5 tâne kararlı, yine kütleleri 65 ile 78 arasında değişen ve yarılanma süreleri nisbeten kısa olan 9 tâne radyoaktif izotopu vardır. Erime noktası 937°C ve kaynama noktası 2800°C’dir. Atmosferik şartlarda gayet kararlıdır. 600-700°C’de havada oksitlenir. Halojenlerle şiddetli reaksiyon verir. Yoğunluğu 5,323 g/cm3tür. Nitrik asit ve derişik sülfürik asitte çözünür.
Bulunuşu ve elde edilişi
1871’de Dimitri Mendeleyev mevcudiyetini tahmin etmiştir. 1886’da
Clemens Winkler, sülfitli mineral
argiroditi analiz ederek, şimdiye kadar rastlamadığı bir element elde etti. Memleketine izafeten germanyum adını verdi. Germanyum nadir elementlerden olup, yer kabuğunda % 0,004-0,0007 oranında bulunur. Yer kabuğunda yoğun olarak bulunmadığından, germanyumun elde edilmesi oldukça zordur. Yer kabuğunda bulunan elementlerin miktar olarak otuz altıncısıdır. Hiçbir zaman serbest halde bulunmaz. Germanyum, argirodit (4 Ag
2S GeS
2) mineralinde %6-7,
germanit (7CuS.FeS.GeS) mineralinde %8,7,
renierit mineralinde ise %5-7 oranında bulunur. Son iki mineral en çok Afrika’da bulunur.
Germanyum, çinkonun saflaştırılması sırasında yan ürün olarak elde edilir. Burada elde edilen germanyum sülfür (GeS2) hidrojen veya karbon ile indirgenir.
Yine germanyum, yumuşak katranlı maden kömürünün yakılması sırasında yan ürün olarak elde edilir.
Bileşikleri
İki tane önemli bileşiği vardır: 1) Germanyum tetraklorür (GeCl4): Germanyumun klor gazı ile yakılmasından elde edilir. Karbon tetraklorüre benzeyen bir sıvıdır. 2) Germanyum -4-oksit (GeO2) olup, yüksek sıcaklıkta germanyumun oksitlenmesiyle elde edilir. Germanyumun birçok organik bileşikleri de yapılmıştır.
Kullanıldığı yerler
Germanyum 1945’ten itibaren çok önem kazanmaya başladı. Yarımetal olan germanyum, yarı iletkendir, yani elektriksel iletkenliği metal ile ametaller arasındadır. Saf germanyum, düşük sıcaklıklarda yalıtkan, oda sıcaklığında zayıf iletken gibi hareket eder. Bu özelliklerinden dolayı elektronik sanayi için önemli elementtir. Germanyumlu aletler, vakum tüplerinin yerini aldı. Germanyum ile transistörlü aletler yaygın kullanma alanı bulmuştur. Diyotlarda kullanılır. Transistör ve diyotlar, basit ve uzun ömürlü aletler olup, düşük güç kullanırlar ve az ısı yayarlar. Isıtılacak bir flaman olmadığı için, hemen devreye girerler. Germanyum 1960’ların sonuna doğru gayeye en uygun ve ucuz olduğu için radyo ve diğer ses iletim cihazlarında, yüksek voltaj ve yüksek güç kapasitesine sâhib olduğundan da televizyon ve bilgisayarlarda kullanılmaya başlanılmıştır.
Germanyum diyotları ince disk şeklinde ve çok ince telden ibarettir. Bunlar birbirlerine birleştirilir. Bir plastik içine konularak ısı ve nemden korunur. Bu bütün düzen bir mısır tanesi büyüklüğündedir. Transistörlerin, işitme cihazları gibi cihazlarda çok faydalı oldukları ortaya konmuştur. Bilgisayarlarla transistörlerin kullanılması basitleşmiş, aynı zamanda yaygınlaşmıştır.
Germanyum normal ışığa karşı şeffaf olmadığı hâlde, kızılötesi ışınlara karşı şeffaftır. Yüksek kırılma indisine sahip olan germanyum, optik elemanların yapılmasında kullanılır. Camlarda silisyum muhtevası, kısmen veya tamamen germanyum dioksitle değiştirilerek, optik aletlerin özelliklerini değiştirmek mümkündür.
Yüksek kırılma indisine sahip camlar, büyük açı kamera merkezlerinde, mikroskop objektiflerinde kullanılır. Germanyumlu camların kimyasal dirençleri de yüksektir. Isı şoklarına karşı dayanıklıdır. 400°C’nin altında yumuşamazlar; erime dereceleri yaklaşık 1500°C civarındadır. Kimyasal davranışları karbonunkine benzer. Bu sebeple organik bileşikleri, bir seri araştırma konusu olmuştur. Germanyumun, su gibi, donma noktası altında hacmi genişler. Alaşımlarında da bu özellik görülür.
Silisyum
Silisyum, yeryüzünde en çok bulunan elementlerden bir tanesidir. Yarıiletken özelliğe sahip oluşu ve doğada çok bulunması, transistör, diyot ve hafızalarda kullanılabilmesinin pratik oluşu, entegre devrelerin ve bilgisayarların silisyum teknolojisi üzerine inşa edilmesini sağlamıştır. Bugün, "Silikon Vadisi" denilen dev endüstrinin adı bir silisyum bileşiği olan silikondan gelmektedir.
Atom numarası (proton sayısı) 14'tür. "Si" simgesi ile gösterilir. Oda sıcaklığında katı haldedir. 4A grubunda 2. periyotta bulunur. Nötr haldeki elektron dizilimi ilk katmanda 2, ikinci katmanda 8, üçüncü katmanda 4'tür. Kararlı yapıya sahip değildir (nötr halde). Yoğunluğu 2,33 g/cm3'dür. Bağıl atom kütlesi (izotoplarının ortalama kütlesi) 28,0855'tir. Kararlı hale geçerken aldığı yükler nedeniyle ve ayrıca doğada çok bulunduğu için yakın gelecekte tıpkı karbon selektörleri olduğu gibi silisyum selektörleri de olacağı tahmin edilmektedir.
Camın ana maddesi kum olarak bilinir. Bunun sebebi camın asıl hammaddesi olan silisyumun kumda özellikle de deniz kumunda çok bulunmasıdır.
Silisyumun ilk keşfi 1824 yılında Berzelius tarafından gerçekleştirilmiştir.
Silisyum doğada siliksat asidi (mSiO2.nH2O) ve tuzları halinde bulunur. Yerkabuğunun yaklaşık %25.7 si bu elementten oluşur. Oksijenden sonra bileşikleri halinde en fazla bulunan elementtir. Silisyum oksit (SiO2) doğada kum ve kuartz şeklinde bulunur.
Silisyumun iki tane allotropu vardır. Bunlardan birincisi saf kristal silisyumdur. Saydam olmayan koyu gri renkli, parlak sert ve kırılgan olup örgü yapısı elmasa benzer. Diğeri ise amorf silisyumdur. Koyu kahve renkli olup tane büyüklüğü nedeni ile kristal silisyumdan ayırt edilebilir. Kolay reaksiyon verir.
Saf olarak silisyum eldesi, silisyum oksidin kok kömürü (grafit) ile elektrikli fırında indirgenmesi sonucunda gerçekleşir. Gerekenden daha fazla karbon kullanılırsa silisyum karbür (SiC) oluşur.
silisyum yarıiletkendir
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Silisyum klorür (SiCl4) önce fraksiyonlu destilasyon yöntemi ile saflaştırılır. Daha sonra hidrojen ile indirgenir. Bu şekilde çok saf silisyum elde edilir.
Silisyum yarıiletken bir elementtir.
SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl
SİLİSYUM İngilizce’ de ’’silicon’’ diye adlandırılır. Sembolü (Sİ) olan önemli bir ametal elementtir. Yıldızlarda, meteorlarda da ha çok bulunan silisyum dünya kabuğunun yüzde 27,6 gibi büyük bir kısmını meydana getirir. Dünyada bulunan elementler içinde oksijenden sonra ikinci sırayı alır. Hayvan iskeletlerinde, bitki dokularında, denizlerde yaşayan diatomların hücrelerinin duvar yapılılarında da bulunur. Normal olarak tabiatta serbest olarak bulunmaz. İlk olarak 1826 senesinde isveçli kimyager Jakop Berzelius tarafından element olduğu fark edilmiştir.
SİLİSYUMUN ÖZELLİKLERİ Silisyumun bazı özellikleri metallere benzer, ancak genel olarak metal karakterlerinde değildir ve metaloid olarak bilinen maddelerden biridir. Silisyumun rengi gri ve siyahtir. Çok sert bir elementtir, kristal yapısı elması andırır. Oda sıcaklığında kararlı ve inerttir.Isıtılınca giderek reaktiflesir. Halojenlerle (Fluor ve iyot gibi) halojenür bileşiklerini verir. Magnezyum ve diğer metallerle silikatları oluşturur. Silisyumun en önemli özelliği yarı iletken olmasıdır. Yarı iletkenler, iletkenlikleri yalıtkanla iletken arasında olan maddelerdir. Elektrik devrelerinde silisyumun yarı iletkenliğinden çok yararlanilir. Peryodik tabloda Grup IV A da yer alır. Atom numarası 14 atom ağırlığı 28,086 olup, kristal heykelden siyahtan geriye değişen renge sahip kırılgan sert bir yapıdadır. Yoğunluğu 2,33 g/cm3 ve Mohs skalasına göre 7 sertliktedir. Silisyum 1410 C erir ve 2355 C de kaynar. Elektriği iletme özelliği zayıf (az) olup ısınınca az genleşir. Şebeke yapısı elmasınkine benzer. Tabiatta kararlı üç izotopu vardır. Bileşiklerinde 4+değerlikli olabilir. Reaktif element değildir. Silisyum suda çözünmez hidroflorik asitten başka hiçbir asit etki etmez. Halojenlerle ve alkalilerle reaksiyona girer. Hidrojene ilgisi zayıftır. Oksijen ile 400 C de, azot ile de 1400 C de reaksiyona girer
Silisyumun kristal yapısı ve kübik yapısı bakımından elmasa benzerlik gösterir.Her köşede ve kübün her yüzünün ortasında bir atom bulunur.Böyle bir atom bağının yapısı dört kenarlıdır.Her atom buraya bağlanmış dört atomun belirlediği dörtgen yüzeyinin ortasında bulunur.Kübün kenarları bir koordinat sistem ağı kurarlar,bu da kristalin iç yönünü belirlemeyi sağlarlar.
SİLİSYUMUN ELDE EDİLİŞİ Saf silisyum, 300 kilovatlık elektrik fırınında kok ile silisyum dioksidin (SİO2) kızdırılması ile elde edilir. Ayrıca SİO2`in karpit (CaC2) veya alüminyum (Al) ile indirgenmesinden de silisyum elde edilir. Silisyumun elektrik sanayiinde önemi büyüktür. Saf silisyum, bor, galyum, fosfor ve arsenik ile doyurularak transistör, diyod ve diğer yarı iletkenlerin imalinde kullanılır. Yüzde (%) 15 silisyum ihtiva eden çelik alaşımlarından aside dayanıklı kaplar yapılır. Silikon, silisyum çeşitli bileşiklerine verilen addır. Bu bileşiklerde silisyum, oksijen köprüleri ile birbirine bağlanır. Silikon bileşikler çok değişik özellikler gösterirler. KULLANILMA ALANLARI Silisyumun elektrik sanayiinde önemi büyüktür. Saf silisyum, bor, galyum, fosfor ve arsenik ile doyurularak transistör, diyot ve diğer yarı iletkenlerin imalinde kullanılır. Metalurjide indirgeyici, çelik, pirinç ve bronz üretiminde alaşım elemanı olarak istifade edilir. %(yüzde)15 silisyum ihtiva eden çelik alaşımı , aside dayanıklı kapların imalinde kullanılır. Endüstriyel öneme sahip silikonlar ; silisyum, oksijen, karbon ve hidrojenden sentetik olarak üretilen organosilisyum oksitlerdir. Yüksek sıcaklıklara dayanıklı ve inert olduklarından yağlayıcılarda, hidrolik sıvılarında, su geçirmeyen malzemede, vernik ve emayelerde kullanılırlar.
Yukarıda silikatların sınıflandırılışı gösterilmiştir:(a)basit tatrahedron,Oksijen ve silisyumun boyutları yanıltıcıdır.Çünkü aslında oksijen silisyumunkinden dört kat büyük çapa sahiptir.(b)Tetrahedronlar bir tepe vasıtasıyla çift bağlanabilirler.Bu şekil kalaminde vardır.(c,d,e)Siklo silikatlardaki tetrahedron birleşmeleri,böyle bir bağlantının örneğidir.(f)İnosilikatlard
P Tipi Malzeme ve N Tipi Malzeme
Diyot
Diyot, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Bir yöndeki dirençleri ihmal edilebilecek kadar küçük, öbür yöndeki dirençleri ise çok büyük olan elemanlardır
Direncin küçük olduğu yöne "doğru yön" veya "iletim yönü", büyük olduğu yöne "ters yön" veya "tıkama yönü" denir. Diyot sembolü akım geçiş yönünü gösteren bir ok şeklindedir.
Ayrıca, diyodun uçları pozitif (+) ve negatif (-) işaretleri ile de belirlenir. "+" uca anot, "-" uca katot denir. Diyodun anoduna, gerilim kaynağının pozitif (+) kutbu, katoduna kaynağın negatif (-) kutbu gelecek şekilde gerilim uygulandığında diyot iletime geçer.
Türkçesi için ikiz kıvıluç, ikiz uç önerilmiştir. Kıvıluç, Oktay Sinanoğlu'nun elektrot için 1978'de yayımladığı bir öneridir.
Çeşitleri
- Kristal diyot
- Zener diyot
- Tünel diyot
- Işık Yayan Diyot (LED)
- Foto diyot
- Ayarlanabilir Kapasiteli Diyot (Varaktör - Varikap)
- Mikrodalga diyot
- Gunn diyot
- IMPATT diyot (Avalanş)
- Baritt (Schottky) Diyot
- Ani Toparlanmalı Diyot
- Pin Diyot
Diyotlar başlıca üç ana gruba ayrılır:
- Lamba diyotlar
- Metal diyotlar
- Yarı iletken diyotlar
Lamba Diyotlar
Lamba diyotlar en yaygın biçimde redresör ve detektör olarak kullanılmıştır. Sıcak katotlu lamba, civa buharlı ve tungar lambalar bu gruptandır. Sıcak katotlu lamba diyodun iç görünüşü ve çalışma şekli verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi ısınan katotdan fırlayan elektronlar atom tarafından çekilmekte ve devreden tek yönlü bir akım akışı sağlanmaktadır. Eskiden kalanların dışında bu tür diyotlar artık kullanılmamaktadır.
Metal Diyotlar
Bakır oksit (CuO) ve selenyumlu diyotlar bu gruba girmektedirler.
Bakır oksitli diyotlar ölçü aletleri ve telekominikasyon devreleri gibi küçük gerilim ve küçük güçle çalışan devrelerde, selenyum diyotlar ise birkaç kilowatt 'a kadar çıkan güçlü devrelerde kullanılır
Yarı İletken Diyotlar
Yarı iletken diyotları, p ve n tipi germanyum veya silisyum yarı iletken kristallerinin bazı işlemler uygulanarak bir araya getirilmesiyle elde edilen diyotlardır. Hem elektrikte hem de elektronikte kullanılmaktadır. tipik bir örnek olarak kuvvetli akımda kullanılan bir silikon diyot verilmiştir.Yarı iletken diyotlar, tıpkı öbür diyotlar gibi elektronik malzemelerdir.
Yapıları
Kristal Diyot
Nokta temaslı diyot elektronik alanında ilk kullanılan diyottur. 1900-1940 tarihleri arasında özellikle radyo alanında kullanılan galenli ve pritli detektörler kristal diyotların ilk örnekleridir.galen veya prit kristali üzerinde gezdirilen ince fosfor-bronz tel ile değişik istasyonlar bulunabiliyordu. Günlük hayatta bunlara, kristal detektör veya diğer adıyla kristal diyot denmiştir.nokta temaslı germanyum veya silikon diyotlar geliştirilmiştir.
Germanyum veya silikon nokta temaslı diyodun esası; 0.5 mm çapında ve 0.2 mm kalınlığındaki N tipi kristal parçacığı ile "fosfor-bronz" veya "berilyum bakır" bir telin temasını sağlamaktan ibarettir.
Bu tür diyotta, N tipi kristale noktasal olarak büyük bir pozitif gerilim uygulanır. Pozitif gerilim temas noktasındaki bir kısım kovalan bağı kırarak elektronları alır. Böylece, çok küçük çapta bir P tipi kristal ve dolayısıyla da PN diyot oluşur. Bu oluşum şekil 3.12 (b) 'de gösterilmiştir.
Bugün nokta temaslı diyotların yerini her ne kadar jonksiyon diyotlar almış ise de, yine de elektrotları arasındaki kapasitenin çok küçük olması nedeniyle yüksek frekanslı devrelerde kullanılma alanları bulunmaktadır. Ters yön dayanma gerilimleri düşük olup dikkatli kullanılması gerekir.
Böyle bir diyodun elektrotlar arası kapasitesi 1 pF 'ın altına kadar düşmektedir. Dolayısıyla yüksek frekanslar için diğer diyotlara göre daha uygun olmaktadır.
Nokta temaslı diyotların kullanım alanları
Nokta temaslı silikon diyotlar en çok mikro dalga karıştırıcısında, televizyon, video dedeksiyonunda, germanyum diyotlar ise radyofrekans ölçü aletlerinde (voltmetre, dalgametre, rediktör vs...) kullanılır.
Zener diyot
Üzerinden geçen voltajın sabitlenmesine yarayan bir diottur. Mesela 5,6V değerinde bir zenere 10V girerse çıkışta 5,6V oluşur. Fazla voltajı geçirmez...
Tünel Diyot
Tünel diyotlar, özellikle mikro dalga alanında yükselteç ve osilatör olarak yararlanılmak üzere üretilmektedir. Tünel diyoda, esaslarını 1958 'de ilk ortaya koyan Japon Dr. Lee Esaki'nin adından esinlenerek "Esaki Diyodu" dan denmektedir.
P-N birleşme yüzeyi çok ince olup, küçük gerilim uygulamalarında bile çok hızlı ve yoğun bir elektron geçişi sağlanmaktadır. Bu nedenledir ki Tünel Diyot, 10.000 MHz 'e kadar ki çok yüksek frekans devrelerinde en çok yükselteç ve osilatör elemanı olarak kullanılır.
Tünel diyoda uygulanan gerilim Vt1 değerine gelinceye kadar gerilim büyüdükçe akım da artıyor. Gerilim büyümeye devam edince, akım A noktasındaki It değerinden düşmeye başlıyor. Gerilim büyümeye devam ettikçe, akım B noktasında bir müddet IV değerinde sabit kalıp sonra C noktasına doğru artıyor. C noktası gerilimi Vt2, akımı yine It 'dir. Bu akıma "Tepe değeri akımı" denilmektedir.
Gerilimi, Vt2 değerinden daha fazla arttırmamak gerekir. Aksi halde geçen akım, It tepe değeri akımını aşacağından diyot bozulacaktır.
I = f(V) eğrisinin A-B noktaları arasındaki eğimi negatif olup, -1/R ile ifade edilmekte ve diyodun bu bölgedeki direnci de negatif direnç olmaktadır. Tünel diyot A-B bölgesinde çalıştırılarak negatif direnç özelliğinden yararlanılır.
Tünel Diyodun üstünlükleri:
- Çok yüksek frekansta çalışabilir.
- Güç sarfiyatı çok düşüktür. 1mW 'ı geçmemektedir.
Tünel Diyodun dezavantajları:
- Stabil değildir. Negatif dirençli olması nedeniyle kontrolü zordur.
- Arzu edilmeyen işaretlere de kaynaklık yapmaktadır.
Tünel Diyodun kullanım alanları
Yükselteç Olarak: Tünel diyot, negatif direnci nedeniyle, uygun bir bağlantı devresinde kaynaktan çekilen akımı arttırmakta, dolayısıyla bu akımın harcandığı devredeki gücün yükselmesini sağlamaktadır.
Osilatör Olarak: Tünel diyotlardan MHz mertebesinde osilatör olarak yararlanılabilmektedir. Bir tünel diyot ile osilasyon sağlayabilmek için negatif direncinin diğer rezonans elemanlarının pozitif direncinden daha büyük olması gerekir. Tünel diyoda Şekil 3.20 'de görüldüğü gibi seri bir rezonans devresi bağlanabilecektir. Tünel diyodun negatif direnci - R=80 Ohm olsun. Rezonans devresinin direnci 80 Ohm 'dan küçük ise tünel diyot bu devrenin dengesini bozacağından osilasyon doğacaktır.
Anahtar Olarak: Tünel diyodun önemli fonksiyonlarından biri de elektronik beyinlerde multivibratörlerde, gecikmeli osilatörlerde, flip-flop devrelerinde ve benzeri elektronik sistemlerde anahtar görevi yapar
Işık Yayan Diyot (Led)
Işık yayan diyotlar, doğru yönde gerilim uygulandığı zaman ışıyan, diğer bir deyimle elektriksel enerjiyi ışık enerjisi haline dönüştüren özel katkı maddeli PN diyotlardır.
Bu diyotlara, aşağıda yazılmış olduğu gibi, İngilizce adındaki kelimelerin ilk harfleri bir araya getirilerek LED (Light Emitting Diode; Işık yayan diyot) veya SSL (Solid State Lamps; Katı hal lambası) denir.
Özellikleri
- Çalışma gerilimi 1.5-2.5V arasındadır. (Kataloğunda belirtilmiştir.)
- Çalışma akımı 10-20mA arasındadır. (Kataloğunda belirtilmiştir.)
- Uzun ömürlüdür. (ortalama 100.000 - 200.000 saat)
- Darbeye ve titreşime karşı dayanıklıdır.
- Kullanılacağı yere göre çubuk şeklinde veya dairesel yapılabilir.
- Çalışma zamanı çok kısadır. (nanosaniye)
- Diğer diyotlara göre doğru yöndeki direnci çok daha küçüktür.
- Işık yayan diyotların gövdeleri tamamen plastikten yapıldığı gibi, ışık çıkan kısmı optik mercek, diğer kısımları metal olarak ta yapılır.
Bir LED 'in üretimi sırasında kullanılan değişik katkı maddesine göre verdiği ışığın rengi değişmektedir.
Katkı maddesinin cinsine göre şu ışıklar oluşur:
- GaAs (Galliyum Arsenid): Kırmızı ötesi (görülmeyen ışık)
- GaAsP (Galliyum Arsenid Fosfat): Kırmızıdan - yeşile kadar (görülür)
- GaP (Galliyum Fosfat): Kırmızı (görülür)
- GaP (Nitrojenli): Yeşil ve sarı (görülür)
Diyot kristali, iki parçalı yapıldığında uygulanacak gerilimin büyüklüğüne göre kırmızı, yeşil veya sarı renklerden birini vermektedir.
Işık yayan diyot ısındıkça, ışık yayma özelliği azalmaktadır. Bu hal etkinlik eğrisi olarak gösterilmiştir. Bazı hallerde fazla ısınmayı önlemek için bir soğutucu üzerine monte edilir.
Ayrıca LED 'in aşırı ısınmasına yol açmamak için kataloğunda belirtilen akımı aşmamak gerekir. Bunun için gösterilmiş olduğu gibi devresine seri olarak bir R direnci konur. Bu direncin büyüklüğü LED 'in dayanma gerilimi ile besleme kaynağı gerilimine göre hesaplanır.
Kirşof kanununa göre: 9=I*R+2 'dir. I=0.05A olup
R=9-2/0.05 = 7/0.05 = 140 Ohm olarak bulunur.
140 Ohm 'luk standart direnç olmadığından en yakın standart üst direnci olan 150 Ohm 'luk direnç kullanılır.
Diğer Diyotlar
Mikrodalga Diyotları
Mikrodalga frekansları; uzay haberleşmesi, kıtalar arası televizyon yayını, radar, tıp, endüstri gibi çok geniş kullanım alanları vardır. Giga Hertz (GHz) mertebesindeki frekanslardır.
Mikro dalga diyotlarının ortak özelliği, çok yüksek frekanslarda dahi, yani devre akımının çok hızlı yön değiştirmesi durumunda da bir yönde küçük direnç gösterecek hıza sahip olmasıdır.
Mikrodalga bölgelerinde kullanılabilen başlıca diyotlar şunlardır: Gunn (Gan) diyotları Impatt (Avalanş) diyotları Baritt (Schottky)(Şotki) diyotları Ani toparlanmalı diyotlar P-I-N diyotları
Gunn Diyotları
İlk defa 1963 'te J.B. Gunn tarafından yapıldığı için bu ad verilmiştir. Gunn diyodu bir osilatör elemanı olarak kullanılmaktadır.
Yapısı, N tipi Galliyum arsenid (GaAs) veya İndiyum fosfat (InP) 'den yapılacak ince çubukların kısa kısa kesilmesiyle elde edilir.
Gunn diyoda gerilim uygulandığında, gerilimin belirli bir değerinden sonra diyot belirli bir zaman için akım geçirip belirli bir zamanda kesimde kalmaktadır. Böylece bir osilasyon oluşmaktadır.
Örnek: 10µm boyundaki bir gunn diyodunun osilasyon periyodu yaklaşık 0,1 nanosaniye tutar. Yani osilasyon frekansı 10GHz 'dir.
Impatt (Avalans) Diyot
Impatt veya avalanş (çığ) diyotlar Gunn diyotlara göre daha güçlüdürler ve çalışma gerilimi daha büyüktür. Mikrodalga sistemlerinin osilatör ve güç katlarında yararlanılır.
1958 'de Read (Rid) tarafından geliştirilmiştir.Bu nedenle Read diyodu da denir. P+ - N - I - N+ veya N+ - P - I - P+ yapıya sahiptir. Ters polarmalı olarak çalışır.
Yapımında ana elemanlar olarak Slikon ve Galliyum arsenid (GaAs) kullanılır. Diyot içerisindeki P+ ve N+ tipi kristaller, içerisindeki katkı maddeleri normal haldekinden çok daha fazla olan P,N kristalleridir.
"I" tabakası ise iyonlaşmanın olmadığı bir bölgedir. Taşıyıcılar buradan sürüklenerek geçer ve etrafına enerji
Baritt (Schottky) Diyot
Baritt Diyotlar 'da nokta temaslı diyotlar gibi metal ve yarı iletken kristalinin birleştirilmesi ile elde edilmektedir. Ancak bunlar jonksiyon diyot tipindedir. Değme düzeyi (jonksiyon) direnci çok küçük olduğundan doğru yön beslemesinde 0.25V 'ta dahi kolaylıkla ve hızla iletim sağlamaktadır.Ters yöne doğru akan azınlık taşıyıcıları çok az olduğundan ters yön akımı küçüktür. Bu nedenle de gürültü seviyeleri düşük ve verimleri yüksektir.
Farklı iki ayrı gruptaki elemandan oluşması nedeniyle baritt diyotların dirençleri (lineer) değildir.
Dirençlerin düzgün olmaması nedeniyle daha çok mikrodalga alıcılarında karıştırıcı olarak kullanılır. Ayrıca, modülatör, demodülatör, detektör olarak ta yararlanılır.
Ani Toplamalı Diyot
Ani toparlanmalı (Step-Recovery) diyotlar varaktör diyotların daha da geliştirilmişlerdir. Varaktör diyotlar ile frekansların iki ve üç kat büyütülmeleri mümkün olabildiği halde, ani toparlanmalı diyotlar ile 4 ve daha fazla katları elde edilebilmektedir.
Pin Diyot
P-I-N diyotları P+-I-N+ yapıya sahip diyotlardır. P+ ve N+ bölgelerinin katkı maddesi oranları yüksek ve I bölgesi büyük dirençlidir.
Alçak frekanslarda diyot bir P-N doğrultucu gibi çalışır. Frekans yükseldikçe I bölgesi de etkinliğini gösterir. Yüksek frekanslarda I bölgesinin doğru yöndeki direnci küçük ters yöndeki direnci ise büyüktür.
Diyodun direnci uygulama yerine göre iki limit arasında sürekli olarak veya kademeli olarak değiştirilebilmektedir.
P-I-N diyotlar değişken dirençli eleman olarak, mikrodalga devrelerinde, zayıflatıcı, faz kaydırıcı, modülatör, anahtar, limitör gibi çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır.
Büyük Güçlü Diyotlar
2W 'ın üzerindeki diyotlar Büyük Güçlü Diyotlar olarak tanımlanır. Bu tür diyotlar, büyük değerli DC akıma ihtiyaç duyulan galvano-plasti, ark kaynakları gibi devrelere ait doğrultucularda kullanılmaktadır.
LED
LED ("Light Emitting Diode", Işık Yayan Diyot), yarı-iletken, diyot temelli, ışık yayan bir elektronik devre elemanıdır. 1920'lerde Rusya'da icat edildi ve 1962 yılında Amerika'da pratik olarak uygulanabilen elektronik bir bileşen haline getirildi. Oleg Vladimirovich Losev adlı bir radyo teknisyeni radyo alıcılarında kullanılan diyotlardan akım geçtiğini fark etti ve 1927 yılında bir Rus gazetesinde LED hakkında buluşlarını yayınladı.
Başlangıçta yalnızca zayıf kuvvetli kırmızı ışık verebiliyorlardı ama çağdaş ledler Görünür ışık, Morötesi, Kızılötesi gibi çeşitli dalga boylarında, yüksek parlaklıkta ışık verebiliyor.
Düşük enerji tüketimi, uzun ömrü, sağlamlığı, küçük boyutu ve hızlı açılıp kapanabilmesi gibi geleneksel ışık kaynaklarına göre bir dizi avantajı vardır. Ancak, nispeten pahalıdır.
LED, çeşitli alanlarda uygulanabilmektedir.
Özellikleri
- Ledler yarı iletken malzemelerdir.
- Ana maddeleri silikondur.
- Üzerinden akım geçtiğinde foton açığa çıkararak ışık verirler.
- Farklı açılarda ışık verecek şekilde üretilmektedirler.
- Ledlerin gerilim-akım grafikleri üsteldir. Uygun çalışma noktasındayken ledin üzerindeki küçük bir gerilim değişimi büyük bir akım değişimine neden olur. Yüksek akım nedeniyle bozulmaması için ledlere seri bir akım sınırlama direnci bağlanır. Böylece hassas olmayan gerilim aralıklarında ledin bozulması engellenir.
- Ledler tıpkı bir Zener diyot gibi üzerinde sabit bir gerilim düşürür.
Ayrıca
- Kırmızı LED yaklaşık 1,8V-15mA
- Sarı LED yaklaşık 2V-15mA
- Yeşil LED yaklaşık 2,2V-15mA
- Mavi ve Beyaz LED yaklaşık 3.6V-20mA 'de çalışır.
Trafik ışığı gibi düşünülürse bu değerler akılda daha rahat kalabilir.
Ledler seri ve/veya paralel bağlanabilirler. Seri bağlantıda istenilen miktarda led seri bağlandıktan sonra 1 tane akım sınırlama direnci eklenir. Paralel bağlantıda sadece ledler değil, led ve direnç düzenekleri birbirine paralel bağlanmalıdır.
Bağlantı şekilleri
Bağlantıların her birinde karışık led çeşitleri kullanılabilir. Her çeşidin kendine göre ileri ön-gerilimi vardır. Dolayısıyla böyle bir kullanımda tüm hesaplar ayrı ayrı yapılmalıdır.
Seri bağlantıda 20 mA altında ledin ileri ön gerilimi bilinmelidir. N tane ledi birbirine seri bağlıyorsak ledlerin üzerinde toplamda U_ledT = X * U_led (ya da U_ledT = U_led1 + U_led2 + ... + U_ledN) Voltluk bir gerilim oluşur. Elimizde muhtemelen bir gerilim kaynağı olacaktır. Devreye seri olarak bağladığımız dirençte de geri kalan gerilim düşmelidir. Yani U_direnç = U_kaynak - U_ledT Led sisteminden 20 mA geçtiği bilinmektedir. Buna göre direnç hesaplanabilir: R (K ohm)= U_direnç (V) / 20 (mA)
Kullanım alanları
Son yıllarda ledlerde mavi ışığın kullanılabilmesi ile RGB (Kırmızı Yeşil Mavi) aydınlatma mümkün olmuş ve birçok sektörde uygulama alanı bulmuştur. Ledlerin enerji sarfiyatlarındaki düşüklüğünün başlıca nedenlerinden biri omik bir yük olması ve ısı kayıplarının az olması gösterilebilir. Ayrıca ömürleri oldukça uzun olan bu diyotlar diğer ampuller gibi flaman taşımadıklarından dolayı hemen her koşulda sorunsuz kullanılabilirler. Bugün ulaşılan aydınlatma değerleriyle henüz genel aydınlatma için maliyetleri çok yüksek olmasına rağmen sinyalizasyon ve dekoratif aydınlatma unsuru olarak (Obje görselleri, Wallwash, köprü aydınlatması vb.) ilgi görmektedir. Ayrıca kızılötesi (infrared) ledler uzaktan kumandaların televizyonla iletişimini sağlar. Boğaziçi Köprüsü'nde 2008 yılında yapılan ışıklandırmada da LED teknolojisi kullanılmıştır. LEDler üzerlerine, yaydıkları ışığın frekansı ile aynı veya daha yüksek bir frekansta ışık düşürüldüğünde fotodiyot özelliği gösterirler. Bu özelliklerinden yararlanılarak elektronik cihazlarda tuş olarak da kullanılmaktadırlar.
Sıvı kristal ekran
Yasıtmalı çevrilmiş şematik sıvı kristal ekran.
1. Dikey film filtresi giren ışığı kutuplar etmektedir.
2. ITO elektrodlu cam alt katman. Bu elektrotların şekilleri LCD çalışmadığında oluşan karanlık görüntüden sorumludur. Yüzeye çizilmiş dikey çizgiler sıvı kristalin kutuplanmış ışık ile aynı hizada olmasını sağlar.
3. Çevrilmiş şematik sıvı kristaller.
4. Yatay filtre ile aynı hizada yerleştirilmiş, yatay çizgili ortak elektrot filmli (ITO) cam alt katman.
5. Geçen ışıği blok/geçirme özelliğine sahip yatay film filtre.
6. Izleyiciye ışığı geri gönderen yansıtıcı yüzey.
Sıvı kristal ekran (İngilizce: Liquid Crystal Display), elektrikle kutuplanan (İngilizce: Polarization) sıvının ışığı tek fazlı geçirmesi ve önüne eklenen bir kutuplanma filtresi ile gözle görülebilmesi ilkesine dayanan bir görüntü teknolojisidir. Sıvı kristal ekranlar, düşük enerji tüketimleri ile eskiden kullanılan vakumlu fluoresan ekranların yerini almıştır.
Başlangıçta tek renkli ve çok düşük çözünürlüklü olan sıvı kristal ekranlar; hesap makineleri, saatler, cep telefonları vb. basit görüntüleme işlerinde kullanılmıştır. Nokta matrisli (İngilizce: Dot matrix) yüksek çözünürlüklü ve renkli sürümlerinin ortaya çıkması bu ürünlerin kullanımını yaygınlaştırmıştır.
Az yer kaplamaları, düşük enerji tüketimleri ve katot ışınlı tüplere göre yok denecek kadar az radyasyon yayımları nedeni ile bilgisayar ekranları ve TV cihazlarında yoğun olarak kullanılmaktadır. Eskiden tazeleme hızları yavaş olan bu ekranlar hızlı görüntü değişiminde gölgelenme (ghosting) sorunu yaşamaktaydı. Teknolojinin ilerlemesi ile 1 milisaniye civarına kadar inen piksel hızı, bu sorunu ortadan kaldırmıştır.
Transistör
İlk transistör
Çeşitli biçimlerdeki transistörler
Geçirgeç veya transistör, yarı iletken malzemeden yapılmış elektronik devre elemanıdır. Transistörler elektronik cihazların temel yapı taşlarındandır. Günlük hayatta kullanılan elektronik cihazlarda birkaç taneden birkaç milyara varan sayıda transistör bulunabilir. İntel'in 2009 yılında piyasaya sürmeyi planladığı 32 nm boyutunda son teknoloji ürünü bellek yongalarında 1,9 milyar adet transistör bulunacaktır.
Tarihçe
Elektron lambaları ilk defa 1906'da Londra Üniversite Kolejinde [[]] tarafından uygulama sahasına konulmuştur. 1925'te Lilien Field ve 1938'de Hilsch ve Pohl tarafından, lambaların yerine geçecek bir katı amplifikatör elemanı bulma konusunda başarısızlıkla sonuçlanan bazı denemeler yapılmıştır. Çalışmaların amacı, lambalarda olduğu gibi katılarda da elektrostatik alan etkisi ile elektron akışını sağlamaktı. Daha sonraları bu çalışmalar bugünkü transistörlerin temelini teşkil etmiştir.
1931-1940 yılları katı maddeler elektroniği hakkında daha ziyade teorik çalışmalar devri olmuştur. Bu sahada isimleri en çok duyulanlar, L. Brillouin, A. H. Wilson, J. C. Slater, F. Seitz ve W. Schottky'dir.
Yıl 1948, Walter H. Brattain ve John Bardeen kristal redresör yapmak için Bell laboratuarlarında çalışıyorlar. Esas olarak yapılan; çeşitli kristallere temas eden bir ‘catwhisker’ in tek yönde iletken, diğer yönde büyük bir direnç göstermesi ile ilgili bir çalışmadır. Deneyler sırasında Germanyum kristalinin ters akıma daha çok direnç gösterdiği ve daha iyi bir doğrultma işlemi yaptığı gözlemlendi ve böylece germanyum redresörler ortaya çıktı.
Brattain ve Bardeen germanyum redresör ile yaptıkları deneylerde, germanyum kristali üzerindeki serbest elektron yoğunluğunun, redresörün her iki yöndeki karakteristiğine olan tesirini incelediler ve bu sırada, catwhisker'e yakın bir başka kontak daha yaparak deneylerini sürdürdüler. Bu sırada ikinci whisker de akım şiddetlenmesinin farkına vardılar ve elektronik tarihinin bir dönüm noktasına tekabül eden transistör böylece keşfedilmiş oldu.
Adını 'Transfer – Resistor' yani taşıyıcı direnç kelimesinden alan transistör'ün geliştirilmesine daha sonra William Shockley de katıldı ve bu üçlü 1956 yılı nobel fizik ödülüne layık görüldüler.
İlk yapılan transistörler 'Nokta Kontaklı' transistörlerdi. Nokta kontaklı transistörler, iki whisker'li bir kristal diyottan ibarettir. Kristale 'Base', whiskerlerden birine 'Emitter' diğerine de 'Collector' adı verilir. Bu transistörlerde N tipi Germanyum kristali base olarak kullanılmıştır.
Whiskerler fosforlu bronzdan yapılır, daha doğrusu yapılırdı, bu transistörler artık müzelerde veya eski amatörlerin nostaljik malzeme kutularında bulunurlar.
Her iki whisker birbirine çok yakındır ve uçları kıvrık bir yay gibidir, bu kıvrık yay gibi olması nedeni ile kristale birkaç gramlık bir basınç uygular ve bu sayede sabit dururlar. Yani, yalnız temas vardır.
Bu transistörlerin Ge kristalleri 0.5 mm kalınlığında ve 1 - 1.5 mm eninde parçalardır. Whisker arası mesafe ise milimetrenin yüzde 3'ü yüzde 5'i kadardır.
Bu ilk transistörler PNP tipinde idi, yani kristal N tipi Whiskerler P tipi idi.
Daha sonraları 'Yüzey Temaslı' transistörler yapıldı. Bu transistörler PNP veya NPN olacak şekilde üç kristal parçası birbirine yapıştırılarak imal edildiler. Yüzey temaslı transistörlerin yapılması ile silisyum transistörler piyasaya çıktı, daha sonraları transistörler kocaman bir aile oluşturdular ve sayıları oldukça arttı.
Yapı
Transistör iki eklemli üç bölgeli bir devre elemanı olup iki ana çeşittir.
NPN iki kutuplu transistör gösterimi
PNP iki kutuplu transistör gösterimi
İki kutuplu (bipolar) jonksiyon transistör
- Transistörün kolay anlaşılması bakımından tanımı; Transistörün bir sandviçe benzetilmesidir, yarı iletken sandviçi.
- İkinci bir tanımıda şöyle yapılmaktadır; Transistör, iki elektrodu arasındaki direnci, üçüncü elektroda uygulanan gerilim ile değişen bir devre elemanıdır.
- Transistörün en çok kullanılan tanımı ise şöyledir; Transistör yan yana birleştirilmiş iki PN diyodundan oluşan bir devre elemanıdır. Birleşme sırasına göre NPN veya PNP tipi transistör oluşur.
emitter; base, collector arasında akım sağlar ve devrede yükselteç görevi üstlenir. 132
Transistör çeşitleri
- Yüzey birleşmeli (Jonksiyon) transistör
- Nokta temaslı transistör
- Unijonksiyon transistör
- Alan etkili transistör
- Foto transistör
- Tetrot (dört uçlu) transistör
- Koaksiyal transistör
Transistörün kullanım alanları
Transistör yapısal bakımdan, yükselteç olarak çalışma özelliğine sahip bir devre elemanıdır. Daha yaygın kullanım amacı ise devrede anahtarlama yapmaktır. Elektroniğin her alanında kullanılmaktadır. Dolayısı ile teknolojinin en değerli parçalarından biridir.
Vakum lambaları ile karşılaştırma
Üstünlükler Transistörler çok küçüktür ve çok az enerji isterler.
- Transistörler çok daha uzun çalışma ömrüne sahiptirler.
- Transistörler her an çalışmaya hazır durumdadırlar. (lambaların flaman gerilimi sorunu)
- Çalışma voltajları çok daha azdır. Pille bile çalışırlar.
- Lambalar gibi cam değildir kırılmaz.
Zayıflıklar
- Vakum lambalara göre gürültülü çalışırlar.(bu nedenle kaliteli ses güçlendiricilerde hala vakum lambaları kullanılır)
Çeşitli transistörler
Transistörler esas olarak bipolar transistörler ve unipolar transistörler olarak iki kısma ayrılırlar. Bipolar transistörler de PNP ve NPN olarak iki tiptir.
PNP tipinde base negatif emitter ve collektor pozitif kristal yapısındadır. Bu transistörler emitter montajında; emitter + collector - olarak polarize edilirler. Base emittere göre daha negatif olduğunda transistör iletimdedir.
NPN tipinde ise base pozitif, emitter ve collector negatif kristal yapısındadır. Emitter topraklı olarak kullanıldığında, emitter negatif, collector pozitif olarak polarize edilirler. İletimde olması için base, emittere göre daha pozitif olmalıdır. Buradaki gerilim farkı 0.7 (si) - 0.3 (ge) volt veya daha fazla olmalıdır.
Piyasada pek çok tip bipolar transistör mevcuttur. Bunların kullanılmaları sırasında mutlaka bacak bağlantılarını içeren bir katalog kullanılmalıdır; çünkü aynı kılıf yapısı içeren iki transistörün bacak bağlantıları ayrı olabilir. odev
Bipolar transistörler genelde 2 ile başlayan 2N… 2SA…. 2SB….. 2SC… veya AC… BD… BUX…. BUW… MJ…. ile başlayan isimler alırlar.
Son zamanlarda transistörlerin çeşidi ve sayısı arttığı için bir katalog kullanmak zorunlu hale geliştir.
2N3055 2SA1122 2SB791 2SC1395 AC128 BD135 BUX80 BUW44 MJ3001 gibi….
A ile başlayan transistörler Germanyum, B ile başlayan transistörler Silisyumdur. Keza, diyotlar için de bu geçerlidir, ikinci harfin anlamları şöyledir:
A : Diyot
C : Alçak frekans transistörü
D : Güç transistörü dür.
F : Yüksek frekans transistörü
Y : Güç Diyodu
Z : Zener Diyot
AC128, BC108, AF139, BF439, AD165, BD135, AA139, BY101 gibi.
Aynı kılıf içinde çift transistör varsa buna Darlington transistör adı verilir MJ3042 gibi.
Bazı darlington transistörler kılıf içinde bir de diyot ihtiva ederler.
Bir P tipi transistör push-pull olarak kullanıldığında, karakteristikleri benzer olan bir N tipi transistörle beraber kullanılır, buna 'Complementary' tamamlayıcı transistör adı verilir. MJ 2955 ile 2N3055 gibi.
Piyasada bulunan transistörler plastik veya metal kılıf içindedirler.
En çok kullanılan kılıf şekilleri To-3 To-5 To- 12 To- 72 To- 92 To- 220'dir.
Transistörlerde akım kazançları
Transistörün yükseltme işlemi doğrudan doğruya çıkış akımı değişmelerinin giriş akımı değişmelerine oranı olan; akım kazancına bağlıdır. Bu işlemde çıkış devresi gerilimi sabittir. Akım kazancı, transistörün bağlantı şekline göre farklı isimler alır.
Bağlantı şekillerine göre akım kazancı;
- Emiteri ortak bağlantıda Beta-β
- Beyzi ortak bağlantıda Alfa-α
- Kollektörü ortak bağlantıda Gama-γ
ismini alır. Transistörün NPN veya PNP oluşu ile değişmez.
Akım kazancı=Çıkış devresi akımı değişmeleri/Giriş devresi akımı değişmeleri
(Çıkış devresi gerilimi: Sabit)
|
Bağlantı Şekli
|
Çıkış Devresi Gerilimi
|
Giriş Akımı
|
Çıkış Akımı
|
Akım Kazancı
|
|
Emiteri Ortak
|
VCE: Sabit
|
IB
|
IC
|
β=IC/IB
|
|
Base i Ortak
|
VCE: Sabit
|
IE
|
IC
|
α=IC/IE
|
|
Kollektörü Ortak
|
VCE: Sabit
|
IB
|
IE
|
γ=IE/IB
|
Tablo: Transistör bağlantı Şekillerine göre akım kazançları
LED Nedir?
LED, ingilizce’de Light Emitting Diode kelimelerinin kısaltılmış halidir ve “Işık Yayan Diyot” anlamına gelir. LED’lerin genel görünüşü aşağıdaki gibidir
Ledler yarı iletken malzemelerdir.Ana maddeleri silikondur.Üzerinden akım geçtiğinde foton açığa çıkararak ışık verirler.Değişik açıda ışık verecek şekilde üretilebiliyorlar. LED’in en önemli kısmı yarı iletken malzemeden oluşan ve ışık yayan LED çipidir. LED çipi noktasal bir ışık kaynağıdır ve kılıf içine yerleştirilmiş yansıtıcı eleman sayesinde ışığın belirli bir yöne doğru yayılması sağlanır. Şeffaf kılıflı bir LED’e dikkatli bakılırsa LED çipi gözle görülebilir.
Led’lerin direnci dinamiktir.Yani bu direnç üzerinden geçen akıma göre değişir. Bu yüzden Led’i bir akım kaynağına doğrudan bağlarsak kısa devre olur. Bu yüzden devreye seri bir direnç bağlamak gerekir.Ledler tıpkı bir Zener diyot gibi üzerinde sabit bir gerilim düşürür.
Örnek bağlantı Şekli
LED’lerin yaydığı ışık, LED çipi içerisindeki yarı iletken katkı maddeleri ile ilgilidir. LED’in hangi renkte ışık yayması isteniyorsa galyum, arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum, nitrit gibi kimyasal malzemelerden uygun oranda yarı iletken malzemeye katkı yapılır (GaAIAs, GaAs, GaAsP, GaP, InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LED çipinin istenen dalga boyunda ışıma yapması sağlanır. Örneğin kırmızı renk (660nm) için GaAlAs, sarı renk (595nm) için InGaAIP, yeşil renk (565nm) için GaP, mavi renk (430nm) için GaN kullanılır. LED imal eden firmalar kataloglarında LED’in yaydığı ışığın dalga boyunu vermektedir. LED çipinde kullanılan katkı maddesine bağlı olarak aynı renkli LED’lerin dalga boyu farklı olabilmektedir. Örneğin InGaAlP katkılı LED 640nm dalga boyunda; GaAlAs katkılı LED 660nm dalga boyunda; GaP katkılı LED ise 700nm dalga boyunda kırmızı ışık yayar.
LED lerin çalışma gerilimleri ve çektikleri akımlar renklerine göre farklılıklar gösterir.Yani farklı renklerdeki led ler için aynı çalışma gerilimi altında farklı ön dirençler gerekir.Renklere göre çalışma gerilimleri ve çekilen Akım değerleri ise aşağıdaki gibidir.
Kırmızı LED : ~1,8V-15mA
Sarı LED : ~2V-15mA
Yeşil LED : ~2,2V-15mA
Mavi LED : ~3V-30mA
Beyaz LED : ~3V-30mA
Eğer trafik ışığı gibi düşünülürse bu değerler akılda daha rahat kalabilir.Ledler seri ve parelel olarak bağlanabilirler.Fakat her bağlantı türünde direnç kullanma zorunluluğu vardır (Led dirençlerinin dinamik olması).Bu direnç değerinin hesaplanmasında kullanılacak formül şu şekildedir
R=U-Uled / Iled
Burada R kullanılacak direncin ohm birimiyle değeridir. U besleme gerilimini, Uled ledin cinsine göre çalışma voltajını, Iled ise ledin üzerinden geçirmek istediğiniz akımı mA olarak gösterir.
Son yıllarda ledlerde mavi ışığın kullanılabilmesi ile RGB aydınlatma mümkün olmuş ve birçok sektörde uygulama alanı bulmuştur. Ledlerin enerji sarfiyatlarındaki düşüklüğünün başlıca sebebleri arasında omik bir yük olması ve ısı kayıplarının az olması gösterilebilir. ayrıca ömürleri oldukça uzun olan bu diyotlar diğer ampuller gibi flaman taşımadıklarından dolayı hemen her koşulda sorunsuz kullanılabilirler. Bugün ulaşılan aydınlatma değerleriyle henüz genel aydınlatma için maliyetleri çok yüksek olmasına rağmen sinyalizasyon ve dekoratif aydınlatma unsuru olarak (Obje görselleri, Wallwash vb.) ilgi görmektedir. Ayrıca kızılötesi (infrared) led’ler uzaktan kumandaların televizyonla iletişimini sağlar.
Neden LED iTercih Ederiz?
• Geleneksel floresan lambasına karşın ortalama 1/10 güç tüketimi.
• 50.000 saat ömrü vardır.
• Şoka dayanıklıdır.
• Cıva içermez, güvenilirdir.
• Enerji tasarrufu sağlar ve bakıma ihtiyaç duymaz.
• Göz alıcıdır ve maksimum emniyet düşünülmüştür.
• Çok düşük sıcaklık ve düşük ışık kirliliğine sahiptir.
• Elektromanyetik çatışma yoktur.
• Hem iç mekanda, hem de dış mekanda suya dayanıklıdır.
• Tek ve çok renk elde edilebilir.
• Diyot oldukları için, dijital dünyayla daha kolay uyum sağlarlar.
• Yüksek yoğunluk, yüksek kontrast, hatta parlaklık verir.
• Eşsiz ve tutarlı renkler sağlayan tek Işık Rengi ışık kaynağıdır.
• Düşük Güç Tüketimi ve ısı dağıtma özelliklerine sahiptir.
• Kapsamlı voltajla çalışır.
• Çevre dostudur.
• Hafiftir.
• 119 yıl öncesinde elektrik ampulünün icadından bu yana, bu aydınlatma ilk büyük devrimdir.
• LED ampulleri, elektrikli aydınlatma ampullerinden daha dayanıklı, uzun süreli ve enerji verimlidir.
• LED’ler, filamanları olmadıkları için, sıradan bir elektrik ampulü kırılırken, onlar bu koşullar altında zarar görmezler.
• Yeşil ve kırmızı gece görüşünü korumak için harikadır, beyaz genel kullanım amaçları için iyi bir çözümdür, mavi genellikle dekoratif amaçlar için kullanılır.
• Neredeyse LED’i yenilemeye ihtiyaç duymadan portatif uygulamalar için, pillere daha az para harcanır.
• LED’ler doğal bir ışık yaratır.
• LED’lerin yumuşak parıltısı kaba gölgeyi, yansımayı ve göz kamaştırıcı parıltıyı azaltır.
• Bütünüyle şoka ve titreşime dirençli olurlarken, ortada ne paramparça olacak bir cam ne de kırılacak bir filaman vardır.
• Genel bir kural olarak, LED’ler, patlayıcı sıvıların ve gazların yanında yada başarısız aydınlatmacıların kazalara neden olabilecekleri yerlerde kullanılmak için en iyi çözümdür.
• LED’ler geleceğin ışığıdır.
LED lerin Bağlantı Şekilleri:
Bizim için asıl önemli olan ve çok tartışılan konuya geldik.LED leri kullanılırken mutlaka küçükte olsa bir öndirenç ile kullanılmasının zorunluluğunu anlatmıştık.Yani “ben 4 tane mavi led i aralarında seri bağlayıp 12v a verebilirmiyim?” sorusunun cevabının “HAYIR” olduğunu artık bu yazıyo okuyan herkes biliyor.
Şimdi sadece LED ler için değil genel olarak elektiriki bağlantı tiplerini açıklayıp tekrar konumuza dönüp ledler üzerinde anlatalım.
1- Seri Bağlantı: Bu bağlantı tipinde elemanların farklı isimli uçları ( + ve – ) birbirine bağlanır. Sonuçta ortaya çıkan 2 farklı isimli uç güç kaynağına veya diğer devreye bağlanır.
2- Paralel Bağlantı: Bu bağlantı tipinde ise elemanların aynı isimli uçları birbirine bağlanır. Sonuç olarak + ve – olarak 2 uç güç kaynağına veya diğer devreye bağlanır.
Genel olarak söylenebilirki; seri bağlantı farklı, paralel bağlantı ise aynı isimli uçların birleştirilerek yapılan bağlantı tipleridir. Bu genel bilgilerden sonra şimdi LED lerin +,- uçlarının tespitine ve seri-paralel bağlantısına geçelim.
1- LED Uçlarının Tespiti:
Tek renkli LED lerin + ve – olarak 2 tane ucu vardır. Çok renkli LED lerin ise 2 den fazla bağlantı ucu olabilir.Bu uçların bağlantısını satın alınan yerde katalog bilgilerine bakarak öğrenmek en sağlıklısıdır. Biz şimdi sadece tek renkli ve 2 bağlantı ucu olan LED lerin uçlarını inceleyeceğiz.
Aşağıda LED i görsel ve devre şemasında ki görünüşleri verilmiştir.LED in uzun olan bacağı + , kısa olanı ise – dir.Fakat LED daha önceden kullanılmış ve bacakları kısaltılmış ise bu durumda LED in içine doğru bakılır.İçerde 2 tane parça vardır.Bunlardan küçük olan parçaya bağlı olan uç + , büyük olan parçaya bağlı olan uç ise – dir.
Normal Görünümü Devre Şemasında Görünümü
2- Tek LED Bağlantısı: Bu bağlantı şeklinde sadece 1 adet led öndirenci ile güç kaynagına bağlanır.Bağlanacak öndirenç yukarıda veriğimiz formule göre hesaplanarak bulunur.Genellikle 12v ile tek led kullanılacağı zaman 1K direnç kullanımı uygundur.Öndirencin + veya – uçta olaması bütün bağlantı tiplerinde önemsizdir…
Örnek bağlantı Şekli
3- Serii LED Bağlantısı: Bu bağlantı şeklinde LED lerin farklı isimli uçları birbirine bağlanır. 1. ve sonuncu LED den açıkta kalan + ve – uçlar bir serii ön dirençten sonra güç kaynağına bağlanır.Kullanılan LED sayısı,giriş voltajına göre yukarıda verilen linkten öndirenç değerini hesaplayabilirsiniz.
4- Paralel LED Bağlantısı: Bu bağlantı şeklinde ise LED lerin aynı isimli uçları birbirine bağlanır.LED lerin üzerine giriş voltajı aynen düşeceği için aynı tek led bağlantısında olduğu gibi öndirenç seçilmelidir ve her led in öndirenci kendine ait olmalıdır
Eğer altını çizerek belirttiğimiz şekilde değilde ledlerin tümünü paralel bağladıktan sonra bunlara serii bir ön direnç bağlarsak; aynı renk bile olsa LED lerin iç dirençleri birbirinin aynısı olamaz.Buda istediğimiz parlaklığı her ledden alamamıza neden olur.Dijital bir ortamda bile bu bağlantıyı yaptığımızda son led olan yeşil led diğerlerine göre sönük yanmaktadır…
LED lerin bağlantı tipleriyle ilgili değinebileceklerimiz bunlar.Bunların dışında aklınıza takılan sorular olursa konu içersinde yardımcı olmaya çalışırız.Bir hatırlatma yaparak LED lerin renkli kullanım dünyasından örneklerle yazımızı bitiriyoruz.Bilgisayarlardaki güç kaynağının sarı kablodan +12v , kırmızı kablodan +5v ve siyah kablolarından – gerilim elde edilir…
LED lerin Kullanım Alanları Hayal ile Sınırlı…
Tümleşik devre
Bu madde Tümdevre maddesine çok benzemektedir ve bu ikisinin tek başlık altında birleştirilmesi önerilmektedir. Birleştirme işlemini yerine getirdikten sonra lütfen Geçmiş birleştirme şablonunu açıklamalara uygun şekilde kullanarak madde geçmişlerinin birleştirilmesini sağlayın.
Tümleşik devre örneği.
Tümleşik devre (ayrıca yonga, çip, entegre devre, mikrodevre, mikroçip, bilgisayar yongası), yarıiletken malzemeden oluşan ince bir yüzey üzerine yerleştirilmiş ve küçültülmüş bir elektronik devredir.
Tümleşik devreler, yarıiletken aygıtların boşluk tüplerinin görevlerini yerine getirebileceklerinin deneysel olarak fark edilmesi ile önem kazandılar. 20. yüzyılın ortalarında çok büyük sayıda geçirgeçin küçük boylu yongalara yerleştirilebilmesi, elektronik bileşenlerin üretilmesinde yeni bir döneme girilmesine olanak sağladı. Tümleşik devrelerin toplu üretilebilmeleri ve güvenilirlikleri ayrık geçirgeç kullanımının yerini almalarını hızlandırdı.
Tümleşik devrelerin ayrık devrelere göre başlıca iki olumlu yanı sayılabilir: düşük üretim maliyeti ve başarım. Üretim maliyetinin düşüklüğü geçirgeçleri birer birer değil de tek defada ışıklı taş baskı (fotolitografi) aracılığı ile basılmaları sayesinde gerçekleşmekte. Başarımın yüksekliği ise bileşenlerin yakınlığı ve dolayısıyla daha az güç kullanımına bağlıdır. 2006'ya varıldığında ortalama yonga alanları 1 ile 350 mm2 arasında olup milimetre başına 1 milyon geçirgeç kullanılabilmektedir. Günümüzde tümleşik devre satışları dünya çapında 300 milyar ABD dolarına yaklaşmıştır. Tümleşik devre üretiminde silikon temelli CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) teknolojisi hakim durumdadır. CMOS teknolojisi, transistör başına düşük maliyetler sağladığı ve büyük miktarlarda yonga üretimine olanak verdiği için tercih edilmektedir. Bunun dışında, özellikle daha yüksek hızda ya da düşük gürültü ile çalışması istenen devrelerde SiGe BJT ya da GaAs temelli teknolojileri de kullanılabilmektedir.
Türkiye'de İstanbul Teknik Üniversitesi [VLSI Lab.,Boğaziçi Üniversitesi, Sabancı Üniversitesi ve diğer üniversitelerimizde tümleşik devre tasarımı konusunda araştırmalar yürütülmektedir. Bunun dışında, İstanbul'da ST Microelectronics, Maxim ve Spectra Linear firmalarının tasarım gruplarında tümleşik devre tasarımı yapılmaktadır. Bunun dışında, Vestel firması Bahçeşehir Üniversitesiyle işbirliği ile sayısal tümleşik devrelerin tasarımına yönelik yüksek lisans çalışmalarını desteklemektedir.
Mikroişlemciler
Vikipedi, özgür ansiklopedi
Intel 80486dx2 mikroişlemci
Mikroişlemci, (bazen kısaltma olarak µP kullanılır) ana işlem biriminin (CPU) fonksiyonlarını tek bir yarı iletken tümleşik devrede (IC) birleştiren programlanabilir bir sayısal elektronik bileşendir. Mikroişlemci, ana işlem birimindeki kelime boyutunun (word size) 32 bit ten 4 bit e düşürülmesiyle doğmuştur. Böylece, ana işlem biriminin mantıksal devrelerinin transistörleri tek bir parçaya sığdırılabilmiştir. Bir veya daha çok mikroişlemci, tipik olarak bir bilgisayar sisteminde, gömülü sistemde ya da bir mobil cihazda ana işlem birimi olarak görev yapmaktadır.
1970’lerin ortalarından itibaren mikroişlemciler, mikrobilgisayarların doğuşunu mümkün kılmıştır. Bundan önce, tipik olarak elektronik ana işlem birimleri, sadece birkaç transistöre eşdeğer büyük, ayrık anahtarlama (switching) aygıtları (daha sonra small-scale tümleşik devreler) kullanılarak yapılıyordu. İşlemciyi, bir ya da birkaç large-scale tümleşik devre (binlerce veya milyonlarca ayrık transistörün eşdeğeri) içine gömmekle işlemci gücü fiyatı büyük ölçüde düşürüldü. 1970’lerin ortalarında tümleşik devrelerin doğuşuyla mikroişlemci, diğer bütün türleri değiştirip, ana işlem biriminin yapımında en yaygın yol oldu.
Performansın yıllar boyu sürekli artışı söz konusu olunca, mikroişlemcilerin evrimi Moore Kanunu’na uyar. Bu kanun bir tümleşik devrenin karmaşıklığının, en düşük bileşen maliyetine göre her 24 ayda iki katına çıktığını söyler. Bu görüşün doğruluğu 1970’lerin başından beri kanıtlanmıştır. Hesap makineleri için sürücü olarak başladıkları alçakgönüllü yolculukta, güçlerindeki sürekli artış, mikroişlemcilerin diğer bilgisayar biçimleri arasında dominant olmasını sağladı. Günümüzde, en büyük ana bilgisayarlardan, en küçük el bilgisayarlarına kadar her sistem çekirdeğinde mikroişlemci kullanılmaktadır.
Tarihçe
İlk mikroişlemciler
Teknolojideki birçok gelişmeyle beraber, mikroişlemci artık zamanı gelen bir fikirdi. Üç proje, yaklaşık aynı zamanda tartışmalı bir şekilde tam bir mikroişlemciyi doğurmuştu: Intel’in 4004’ü, Texas Instruments’ın TMS 1000’i ve Garrett AiResearch’ün Central Air Data Computer’ı. 1968’de Garrett’ın, Birleşik Devletler ordusunun yeni uçağı F-14 Tomcat’in ana uçuş kontrol bilgisayarını yapması istendi. Dizayn 1970’de tamamlanmıştı ve çekirdek ana işlem biriminde olduğu gibi MOS tabanlı bir yonga seti (chipset) kullanıyordu. Dizayn, yarıştığı diğer mekanik sistemlere göre daha küçük ve çok daha güvenilirdi ve bütün öncü Tomcat modellerinde kullanılmıştı. Fakat sistem o kadar gelişmiş görüldü ki; ordu, dizaynın yayınlanmasını 1997’ye kadar reddetti. Bu yüzden, kullandığı CADC ve MP944 yonga setleri günümüzde bile hala tam olarak bilinememektedir.
Texas Instruments (TI), 4-bit TMS 1000’ü üretti ve önceden programlanmış gömülü uygulamalara önem verdi. 17 Eylül 1971’de TMS1802NC olarak adlandırılan bir versiyon, bir hesap makinesinin tüm işlevlerini bir çip üzerinde gerçekleştirebiliyordu. Intel’in çipi 4-bit 4004, 15 Kasım 1971’de piyasaya sürüldü ve Federico Faggin tarafından geliştirildi.
TI, mikroişlemci için patent başvurusunda bulundu. Gary Boone, 4 Eylül 1973’de tek-çip mikroişlemci mimarisiyle U.S. Patent 3,757,306 aldı. Hangi şirketin laboratuarlarında ilk çalışan mikroişlemciye sahip olduğunu bilmek hiçbir zaman mümkün olmayabilir. İlginç bir şekilde, bir üçüncü şahıs “mikroişlemci” yi de kapsayabilen bir patente sahip olduğunu iddia etti. Bu sitede, bir mucidin TI ve Intel’den önce bulduğu, “mikroişlemci” sayılabilecek ya da sayılamayacak, “mikrodenetleyici” (microcontroller) anlatılmaktadır.
Mikroişlemcinin değişik bir biçimi olan bir-çipte-bilgisayar, (computer-on-a-chip) mikroişlemci çekirdeği (CPU), bellek ve G/Ç (giriş/çıkış) hatlarının hepsini tek bir çip üzerinde toplar. Bir-çipte-bilgisayar patenti (o sıralarda “mikrobilgisayar patenti” olarak adlandırılıyordu) U.S. Patent 4,074,351, TI’dan Gary Boone ve Michael J. Cochran’a verilmişti. Bu patent bir yana, mikrobilgisayarın standart anlamı ana işlem birim(ler)i olarak bir veya daha fazla mikroişlemci kullanan bilgisayar iken, patentte tanımlanan kavram muhtemelen bir mikrodenetleyiciye daha yakındır.
A History of Modern Computing, (MIT Press), pp. 220–21’e göre, Intel dizayn etmekte olduğu bir terminalde kullanılacak bir çip için, daha sonra ismi Datapoint olacak olan San Antonio TX orijinli Computer Terminals Corporation ile bir anlaşma yaptı. Daha sonra Datapoint çipi kullanmaktan vazgeçti ve Intel bunu Nisan 1972’de 8008 olarak piyasaya sürdü. Bu, dünyanın ilk 8-bit mikroişlemcisiydi. 8008 ve halefleri, dünyaca ünlü 8080, mikroişlemci bileşen pazaryerini oluşturdu.
Önemli 8-bit tasarımlar
4004’ü, daha sonra, 1972’de, dünyanın ilk 8-bit mikroişlemcisi olan 8008 takip etti. Bu işlemciler, çok başarılı olan Intel 8080 (1974), Zilog Z80 (1976) ve Intel 8-bit işlemcilerin türevlerini müjdeliyordu. Rekabet eden Motorola 6800, Ağustos 1974’de piyasaya sürüldü. Mimarisi 1975’de, 1980’lerde Z80’in popülerliğiyle yarışacak olan MOS Technology 6502’de kopyalandı ve geliştirildi.
Z80 de 6502 de, daha küçük paketleme (packaging), basit bilgisayar bus ihtiyaçları ve ayrı bir çip üzerinde bulunması gereken devrelerin eklenmesiyle (örneğin, Z80 bellek denetleyici içermekteydi) genel maliyeti düşürmek üzerine yoğunlaşmıştı. Bu özellikler, 1980’lerin başındaki ev bilgisayarı “devrim” ini mümkün kıldı.
Western Design Center, Inc. (WDC) 1982’de CMOS 65C02’yi tanıttı. Bu dizayn Apple IIc ve IIe kişisel bilgisayarların, otomotiv, endüstriyel ve tüketim aygıtlarının çekirdeğini oluşturdu. Motorola 1978’de MC6809’ü üreterek bütün 8-bit dünyasında büyük yankı uyandırdı. MC6809 tartışmaya açık bir şekilde, gelmiş geçmiş en güçlü, ortogonal ve en temiz 8-bit mikroişlemciydi – aynı zamanda üretime geçen mikroişlemciler arasında en karmaşık hardwired mantıksal dizayna sahipti. Yaklaşık bu zamanlarda, MC6809’dan daha güçlü dizaynlar için mikrokodlama (microcoding) hardwired mantığın yerine geçti – bunun nedeni özellikle hardwired mantık için dizayn gereksinimlerinin çok fazla karmaşık olmaya başlamasıydı.
Başka bir 8-bit mikroişlemci ise Signetics 2650’ydi. Bu mikroişlemci, yenilikçi ve güçlü komut kümesi mimarisiyle (instruction set architecture) kısa bir ilgi gördü.
Başka bir mikroişlemci ise uzay uçuşu dünyasında kullanılan RCA’nın RCA 1802’siydi (CDP1802, RCA COSMAC (1976)). NASA’nın 1970’lerdeki Voyager ve Viking uzay sondalarında kullanıldı. CDP1802’nin kullanılmasının sebebi düşük güç tüketimi ve üretim süreci nedeniyle (safirde silikon) kozmik radyasyona ve elektrostatik yayılımlara karşı o zamanın diğer işlemcilerinden daha iyi dayanmasıydı. Bu nedenle, 1802, radyasyona karşı güçlendirilmiş ilk mikroişlemci olarak kabul edilir.
16-bit tasarımlar
İlk çoklu-çip (multi-chip) mikroişlemci 1973’de üretilen National Semiconductor IMP-16’ydı. Bu yonga setinin 8-bit versiyonu 1974’de IMP-8 olarak piyasaya sürülmüştü. 1975’de National ilk tek-çip 16-bit mikroişlemciyi, PACE’i, üretti. PACE’i daha sonra NMOS versiyonu olan INS8900 takip etti.
TI’ın 16-bit mikroişlemcisi TMS 9900, TI-990 tipi mikrobilgisayarlarla uyumluydu. 9900, ayrıca TI 990/4 mikrobilgisayar, TI-99/4A ev bilgisayarı ve TM990 tipi OEM mikrobilgisayarlarda kullanılıyordu. Intel 8080 gibi çoğu 8-bit mikroişlemci, daha yaygın, küçük ve ucuz plastik 40-pin DIP’le paketlenirken, 9900, büyük bir seramik 64-pinli DIP’le paketleniyordu. TMS 9900’ün ardından TMS 9980, Intel 8080 ile rekabet etmek için dizayn edilmişti. 9980, bütün TI 990'lar 16-bit komut setine sahipti; plastik 40-pin paket kullanıyordu; tek seferde 8 bit taşıyabiliyordu fakat sadece 16KB adresleyebiliyordu. Üçüncü bir çip, TMS 9995 yeni bir dizayndı. Aile daha sonra 99105 ve 99110’u da kapsayacak şekilde genişledi.
1984’de The Western Design Center, Inc. (WDC) WDC CMOS 65C02’nin 16-bit yükseltmesi olan CMOS 65816’yı üretti. 65816 16-bit mikroişlemcisi, Apple IIgs’nin ve daha sonra da Super Nintendo Eğlence Sistemi’nin çekirdeğini oluşturdu. Bu, 65816’yı tüm zamanların en popüler 16-bit dizaynlarından biri yaptı.
Intel değişik bir yol izledi. Emüle edecek bir minibilgisayar olmadan 8080 dizaynlarını geliştirerek 16-bit Intel 8086’yı, modern PC tip bilgisayarların çoğunda bulunan x86 ailesinin ilk üyesini, üretti. İlk IBM kişisel bilgisayarı, model 5150’de kullanılan 8088 mikroişlemcisi, 8086’nın harici bir 8-bit data bus a sahip versiyonuydu. 8086 ve 8088 sonrasında Intel 80186, 80286 ve 1985’de 32-bit 80386’yı üretti ve işlemci ailelerinin geriye uyumluluğuyla; PC piyasasındaki egemenliğini sağlamlaştırdı.
Gömülü mikroişlemci bellek yönetim birimi (the integrated microprocessor memory management unit) (MMU), Intel’de Childs et al. tarafından ortaya atıldı ve 4,442,484 numaralı Birleşik Devletler patenti alındı.
32-bit tasarımlar
Bir Intel 80486DX2 die deki yukarı iç bağlantılar
32-bit dizaynları ortaya çıkmaya başladıktan sonra 16-bit dizaynları piyasada çok fazla kalamadı.
32-bit dizaynların en ünlülerinden biri, 1979’de üretilen MC68000 idi. Sık bilinen adıyla 68K, 32-bit yazmaçlara (register), fakat 16-bit dahili data yollarına (data paths) ve pin sayısını azaltmak üzere 16-bit harici data bus a sahipti ve yalnızca 24-bit adreslemeyi destekliyordu. Motorola’nın onu genel olarak 16-bit bir işlemci olarak tanıtmasına rağmen, açık bir şekilde 32-bit mimarisine sahipti. Yüksek hız, büyük (16 megabayt) bellek alanı ve nispeten ucuz fiyatı onu sınıfının en popüler ana işlem birimi dizaynı haline getirdi. Atari ST ve Commodore Amiga gibi 1980’lerin ortalarındaki sistemlerde kullanılmasının yanı sıra aynı zamanda Apple Lisa ve Macintosh sistemlerinde de 68000 kullanılmıştır.
Dünyanın ilk tek-çip tam 32-bit mikroişlemcisi (32-bit data yolları, 32-bit bus lar ve 32-bit adresleme), ilk örnekleri 1980’de gelen ve üretime 1982’de geçen AT&T Bell Labs BELLMAC-32A idi (Bu kaynakçasal referans a ve bu genel referans a bakabilirsiniz). 1984’de AT&T’nin dağılmasından sonra bu mikroişlemciye WE 32200 adı verildi (WE Western Electric’in kısaltmasıydı) ve iki takipçi nesile sahip oldu: WE 32100 ve WE 32200. Bu mikroişlemciler, AT&T 3B5 ve 3B15 mikrobilgisayarlarda, dünyanın ilk masaüstü süpermikrobilgisayarı 3B2’de, dünyanın ilk 32-bit dizüstü bilgisayarı “Companion”da ve günümüzdeki oyun konsollarındakine benzer ROM-pack bellek kartuşu kullanan dünyanın ilk kitap-boyutunda (book-sized) süpermikrobilgisayarı “Alexander” da kullanıldı. Bu sistemlerin tümü UNIX System V işletim sistemini çalıştırıyordu.
Intel’in ilk 32-bit mikroişlemcisi iAPX 432 idi. 1981’de üretilen bu mikroişlemci, ticari bir başarıya ulaşamadı. Gelişmiş bir yetenek tabanlı nesne yönelimli mimariye (capability-based object-oriented architecture) sahipti. Fakat Motorola 68000 gibi rakip mimarilere göre düşük performans elde ediliyordu.
Motorola’nın 68000 ile yakaladığı başarı, sanal bellek (virtual memory) desteği sunan MC68010’u doğurdu. 1985’de tanıtılan MC68020 tam 32-bit data ve adres bus larına sahipti. 68020, Unix süpermikrobilgisayar piyasası ve masaüstü sistemler üreten birçok küçük şirket (örneğin; Altos, Charles River Data Systems) için çok popüler oldu. Bunu takiben, MMU’yu çipe ekleyen MC68030 ile beraber 68K ailesi, DOS çalıştırmayan her sistem için uygun işlemci oldu. Devam eden başarı, daha iyi aritmetik performans için FPU’ya sahip olan MC68040’ı doğurdu. 68050, hedeflediği performansa ulaşamadı ve piyasaya sürülmedi. Takipçisi MC68060, piyasaya çok daha hızlı bir RISC dizaynla sürüldü. 1990’ların başlarında 68K ailesi masaüstü piyasasından çekildi.
Diğer büyük şirketler, 68020’yi dizayn etti ve takipçilerini gömülü ekipmanlarda (embedded equipment) kullandılar. Bir noktada, gömülü ekipmanlardaki 68020’lerin sayısı, PC’lerdeki Intel Pentium’lardan daha fazlaydı. ColdFire işlemci çekirdekleri, saygıdeğer 68020’nin türevleriydi.
Bu zaman süresince (1980’lerin başlarından ortalarına kadar), National Semiconductor, NS 16032 adında (daha sonra 32016 ismi verildi) 68020’ye çok benzer bir 16-bit pinout lu, 32-bit dahili mikroişlemciyi, tam 32-bit versiyonu olan NS 32032’yi ve bir sınıf 32-bit endüstriyel OEM mikrobilgisayarları üretti. 1980’lerin ortalarında, Sequent, NS 32032 kullanarak; ilk simetrik çoklu-işlemcili (symmetric multiprocessor (SMP)) server sınıfı bilgisayarı üretti. Bu, 32032’nin birkaç başarısından biriydi ve 1980’lerin sonunda piyasadan çekildi.
MIPS R2000 (1984) ve R3000 (1989) çok başarılı 32-bit RISC mikroişlemcilerdi. Uç sınıf (high-end) iş platformlarında ve server larda kullanıldı.
Diğer dizaynlardan biri, piyasaya çok geç giren ve çabuk çekilen ilginç Zilog Z8000’di.
1980’lerin sonlarındaki “mikroişlemci savaşları” bazı mikroişlemcileri öldürdü. Örneğin, sadece bir ana dizayn kazancıyla, Sequent’in NS 32032’si yok oldu ve Sequent, Intel mikroişlemcileri kullanmaya başladı.
1985’den 2003’e kadar 32-bit x86 mimarisi, masaüstünde, dizüstünde ve server piyasasında giderek yaygınlaştı ve bu mikroişlemciler gittikçe daha hızlı ve daha yetenekli hale geldiler. Intel, mimarisinin öncü versiyonlarını diğer şirketlere lisansladı fakat Pentium'u lisanslamayı reddetti. Bu yüzden AMD ve Cyrix, kendi dizaynlarını yaparak bu mimarinin daha sonraki versiyonlarını gerçekleştirdiler. Bu kısa süre içinde, işlemcilerin karmaşıklığı (transistör sayısı) ve yetenekleri (komut/saniye) en az 1000 katına çıktı.
64-bit masaüstü mikroçipler
1990’ların başlarından beri bazı piyasalarda 64-bit mikroişlemciler kullanılırken, 2000’lerin başları PC piyasası için hedeflenmiş 64-bit mikroçiplerin doğuşu olarak kabul edilir.
AMD’nin Eylül 2003’te ilk 64-bit IA-32 ile geriye uyumlu mimarisi olan AMD64’ü tanıtmasından sonra, Intel de kendi x86-64 ciplerini üretti ve 64-bit masaüstü çağı başlamış oldu. İki işlemci de eski 32-bit uygulamaları çalıştırabilirken, yeni 64-bit yazılımları da destekliyordu. 64-bit Windows XP ve 64-bit çalışabilen Linux ile yazılımlar da bu işlemcilerin bütün gücünü ortaya çıkarma fırsatı buldu. 64-bit e geçiş sadece yazmaç boyutlarının IA-32’ye göre artması değil ayrıca yaşlanmış CISC dizaynı için genel amaçlı yazmaçların sayısının da iki katına çıkması demekti.
64 bit e geçiş, 90’ların başlarında PowerPC işlemcilerinin dizaynından beri amaçlanmıştı ve uyumsuzluk için büyük bir neden değildi. Mevcut tamsayı yazmaçları, ilgili data yolları gibi genişletilmişti fakat birkaç yıl boyunca IA-32’de olduğu gibi floating point ve vektör birimleri 64 bit veya daha fazlasında çalışıyordu. x86-64’e genişleyen IA-32’de olanın aksine, 64-bit PowerPC’ye yeni bir genel amaçlı yazmaç eklenmedi. Böylece, geniş adres alanını kullanmayan 64-bit modu uygulamaları çalıştırılırken elde edilen performans kazancı az oluyordu.
Çok-çekirdekli işlemciler
AMD X2 3600 Çift Çekirdek işlemci
1990’ların başlarından beri server larda ve iş platformlarında kullanılan ve popüler olan simetrik çokluişlem (multiprocessing) dizaynlarında olduğu gibi, bilgisayarın performansını arttırmak için değişik bir yaklaşım da bilgisayara daha fazla işlemci eklemekti. Moore Kanunu’na uygun kalmak; çip yapma teknolojileri, teknolojinin fiziksel sınırlarına yaklaştıkça daha da zorlaşmaktadır. Bu yüzden, piyasadaki sabit gelişimlerin hızını yakalamak için mikroişlemci üreticileri performansı arttırmak adına başka yollar aramaktadırlar.
Bir çok-çekirdekli işlemci, kabaca birden fazla mikroişlemci çekirdeğini kapsayan tek bir çiptir. Etkin olarak, potansiyel performansı çekirdek sayısıyla çarpmak (işletim sistemi ve yazılım birden çok işlemcinin avantajını kullanacak şekilde dizayn edilmişse) genel performansı verir. Bus arayüzü ve ikinci seviye önbellek (second level cache) gibi bazı bileşenler çekirdekler arasında paylaşılabilir. Çekirdekler fiziksel olarak birbirlerine çok yakın olduğu için, ayrık çokişlemcili sistemlere göre, birbirleriyle iletişimleri çok daha yüksek saat hızlarında gerçekleşir ve böylece genel sistem performansı artmış olur.
2005’de, ilk büyük piyasa çift-çekirdek (dual-core) işlemcileri duyuruldu ve 2006 itibariyle, server lar için dört-çekirdek (quad-core) işlemciler kullanılabilir olmaya başlarken, çift-çekirdek işlemciler uç-sınıf server larda ve iş platformlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
RISC
1980’lerin ortalarından 1990’ların başlarına kadar, birçok yeni, yüksek performanslı RISC (azaltılmış komut kümesi bilgisayarı (reduced instruction set computer)) mikroişlemciler üretildi. Bu mikroişlemciler, özel amaçlı makinelerde ve Unix iş platformlarında kullanıldı ve Intel-standart masaüstü hariç bütün rollerde evrensel bir hale geldi.
İlk ticari dizayn, MIPS Technologies tarafından yapıldı, 32-bit R2000 (R1000 piyasaya sürülmemişti). R3000 dizaynı gerçekten pratik bir hale getirmişti ve R4000 dünyanın ilk 64-bit dizaynı olarak tanıtıldı. Rakip projeler, IBM’in POWER ve Sun’ın SPARC sistemlerini doğurdu. Kısa bir süre içinde, tüm büyük üreticiler bir RISC dizaynı üretmeye başladı. Bunlardan bazıları: AT&T CRISP, AMD 29000, Intel i860 ve Intel i960, Motorola 88000, DEC Alpha ve HP-PA’ydı.
Piyasa güçleri, ana masaüstü RISC işlemci olarak PowerPC’yi ve sadece Sun dizaynlarında kullanılan SPARC’ı bırakarak; bu dizaynlardan çoğunun eriyip gitmesine neden oldu. MIPS, en önemlisi Cisco router larında olduğu gibi, çoğu gömülü dizayn olarak kullanılan bazı SGI sistemleri sağlamaya devam etmektedir. Orijinal dizaynların geri kalanı ise günümüzde ya yok olmuştur ya da yok olmak üzeredir. Diğer şirketler, özellikle ARM’a yöneldi. ARM orijinal olarak ev bilgisayarlarını amaçlamış fakat daha sonra gömülü işlemci piyasasına yoğunlaşmıştı. Bugün, MIPS, ARM veya PowerPC çekirdeği tabanlı RISC dizaynları işlemsel aygıtların (computing devices) çok geniş bir çoğunluğuna güç vermektedir.
64-bit hesaplamalarında, DEC Alpha, AMD64, MIPS, SPARC, Power Mimarisi ve HP-Intel Itanium popüler dizaynlardır.
Özel amaçlı mikroişlemciler
“Mikroişlemci” terimi, geleneksel olarak bir tek-çip veya çoklu-çip ana işlem birimini veya bir-çipte-sistemi (System-on-a-chip (SoC)) işaret ederken; aynı teknolojiyle birkaç tip özelleşmiş işlem aygıtı üretildi. En yaygın örnekler mikrodenetleyicilerdir: Sayısal Sinyal İşleyiciler (Digital Signal Processors (DSP)) ve Grafik işleme birimleri (Graphics processing units (GPU)). Bunların çoğu örneği, ya programlanabilir değil ya da kısıtlı programlama yeteneklerine sahiptir. Örneğin, genelde 1990’lardaki GPU’lar büyük ölçüde programlanabilir değildi ve ancak yakın zamanda programlanabilir vertex shader gibi sınırlı yeteneklere kavuştular. “Mikroişlemci” ile ne tanımlandığı konusunda evrensel bir konsensüs yoktur fakat aksi özellikle belirtilmemişse terimin bir özel amaçlı işlemciyi değil genelde bir genel amaçlı ana işlem birimini işaret ettiğini varsaymak yanlış olmaz.
RCA 1802, statik dizayn a sahipti. Statik dizaynın anlamı, saat frekansının keyfi olarak 0 Hz e, tam bir durma haline, kadar düşürülebilmesiydi. Bu, Voyager/Viking/Galileo uzay araçlarının yolculuklarının olaysız anlarında minimum elektrik enerjisi tüketmesini sağlıyordu. Yön bulma güncellemeleri, dünyaya göre meyil kontrolü, data alımı ve radyo iletişimi gibi önemli görevlerde zamanlayıcılar ve/veya sensörler işlemciyi zamanında hızlandırabiliyordu.
Piyasa istatistikleri
2003’de yaklaşık 44 milyar dolar değerinde mikroişlemci üretildi ve satıldı. Bu paranın yaklaşık yarısının masaüstü ve dizüstü kişisel bilgisayarlarda kullanılan ana işlem birimlerinde harcanmasına rağmen bunlar satılan bütün ana işlem birimlerinin sadece yaklaşık %0.2’siydi.
Dünyada satılan bütün CPU’ların yaklaşık %55’i 8-bit mikrodenetleyicilerdir. 1997’de 2 milyardan fazla 8-bit mikrodenetleyici satıldı.
Dünyada satılan bütün CPU’ların %10’undan daha azı, 32-bit veya daha fazladır. Satılan bütün 32-bit CPU’lardan %2 si masaüstü veya dizüstü kişisel bilgisayarlarda, geri kalanı ise tost makinesi, mikrodalga, elektrik süpürgesi ve televizyon gibi ev eşyalarında kullanılmıştır. “Genel olarak bakıldığında, bir mikroişlemci, mikrodenetleyici veya DSP’nin ortalama fiyatı 6$’ın biraz üstündedir.”
Transformatör
Transformatör örnek şeması
Transformatör, iki veya daha fazla elektrik devresini elektromanyetik
indüksiyonla birbirine bağlayan bir elektrik aletidir. Bir elektrik devresinden diğer elektrik devresine, enerjiyi
elektromanyetik alan aracılığıyla nakleder.Transformatörler elektrik enerjisinin belirli gücünde
gerilim ve
akım değerlerinde istenilen değişimi yapan makinalardır.
Transformatör en basit halde, birbirine yakın konan iki sargıdan ibarettir. Eğer bu iki sargı ince demir levhaların üzerine sarılmışsa buna
demir çekirdekli transformatör denir. Eğer demirsiz plastik tüp gibi bir çekirdeğe sarılmışsa buna hava çekirdekli transformatör denir. Sargılardan birine voltaj uygulanırsa, diğerinde de bir voltaj meydana gelir. Voltajın tatbik edilmesiyle ortaya çıkan akım, sargı etrafında bir manyetik alan doğurur. Bu alan, yakına konan diğer sargıda bir voltaj ortaya çıkarır. Ancak manyetik alanın daima değişerek çıkış sargısındaki voltajı devam ettirmesi gerekir. Birinci
bobine tatbik edilen voltaj sabit olursa, diğer bobinde herhangi bir voltaj meydana gelmez. Ancak doğru akım sürekli olarak kapatılır ve açılırsa manyetik alan değişerek bir çıkış meydana gelir. Otomobillerde bulunan radyo alıcısındaki vakum tüp bu prensiple çalışır.
Eğer her iki sargı tek bir demir çekirdeğe konur ve
voltaj tatbik edilirse, demir çekirdek manyetize olur. Demir, uygun manyetik özelliklerinden dolayı tercih edilir ve bu suretle manyetik alan konsantre edilmiş olur. Bu yöntemle enerji kayıpları en düşük düzeyde kalır, verim % 97-99,9 gibi değerlere ulaşabilir.
Bir transfomatörün çıkış sargısı, giriş sargılarından daha fazla sayıda ise çıkış voltajı büyüyecektir. Akım şiddetiyse, bu oranın tersiyle değişir. Transformatörler yardımıyla gerilimi yükseltmek mümkün olduğu gibi, düşürmek de mümkündür. Transformatörün gücü manyetik alanın değişimine bağlı olduğundan, bu alan demir çekirdeği ısıtır. Bu sebepten demir çekirdekli transformatörler, genellikle 60 hertz'lik, düşük frekanslarda kullanılır. Demir çekirdeğin tek döküm olarak değil, ince levhalar şeklinde yapılması fazla ısınmayı önlemek içindir. Bu sebepten dolayı, radyo frekanslarında çalışan transformatörler hava çekirdeklidir.
Primer sargısı ince iletkenden çok spirli, sekonder sargısı kalın iletkenden az spirlidir.
Transformatörün Kullanım Amacı [değiştir]
Genel olarak transformatörler bir elektrik devresinde voltaj veya akımı indirmek veya yükseltmek için kullanılır. Elektronikteyse esas olarak farklı devrelerdeki yükselticileri birleştirmek, doğru akım dalgalarını daha yüksek bir değerdeki alternatif akıma çevirmek ve sadece belirli frekansları iletmek için kullanılır. İzolasyon amacıyla ve bazen da
sığaçlar ve dirençlerle beraber kullanılır. Elektrik akım iletiminde, esas olarak voltajı yükseltmek veya düşürmek için kullanılır. Ölçü aletlerinde özel transformatörler kullanılır.
Esas olarak tranfsormatörler, elektromanyetik indüksiyonla enerjiyi bir devreden diğer devreye geçirirler. Voltajı değiştirmek, özellikle elektrik enerjisinin, elde edildiği yerden uzaklara nakledilmesinde gerekli olur. Gerilimi, mesela 230.000 volt veya daha fazlaya yükselterek iletim sırasında gerekli olan kabloların ağırlığı oldukça azaltılır. Böylece, gerekli olan kuleler ve diğer alt yapılarda da ekonomi sağlanır.
Yüksek güçlü transformatörler kullanım sırasında ısındıklarından yağlı soğutma düzenekleri ile soğutulurlar. Bu tür transformatörler,
Buchholz rölesi adı verilen güvenlik donanımları yardımı ile aşırı ısınmanın zararlı etkilerine karşı korunurlar.
Röle
Bazı röle çeşitleri
Bir rölenin yapısı
Küçük değerli bir akımın oluşturduğu elektromanyetik alan ile yüksek güçte veya
akımda çalışan bir alıcıyı(yükü) çalıştırabilmek (anahtarlayabilmek) için bir ya da daha fazla
anahtar grubunu kontrol eden (anahtarları açan ya da kapatan) elemana röle denir. Bu
tanımdan ilerde bahsedilecek olan termik röleler hariç tutulmalıdır. Özetle küçük akım ve
gerilimlerle daha büyük akım ve gerilimlerini kontrolünü sağlar. Röleler aynı zamanda farklı
frekans ve dalga türlerinden de etkilenmeden anahtarlama yaparak çok farklı özellikteki
elektrik ve elektronik devrelerin kontrolünü yapabilmektedir.
Yarı iletken esasına dayalı olarak çalışan tristör ve triyakların imal edilmesinden sonra
kullanım alanı daralan röleler yine de çok yüksek akım ve gerilim kontrolü gerektiren
uygulamalarda halen kullanılmaktadır. Tristör ve triyaklara göre avantajı tek bir röle, içinde
birden fazla anahtar veya kontağa sahip olabildiği için birden fazla yükü aynı anda açabilir
veya kapatabilir hatta aynı anda bazı yükleri açıp bazılarını kapatabilir. Bu işlem tamamen
rölenin kontaklarının bağlanma şekli ile ilişkilidir.
Röleler elektronik devrelerin giremediği(yüksek ısı, nem veya sıvı ortamları vb.) bazı
hava ve sıvı kontrol sistemlerinde mutlaka kullanmak zorundadır. Röle uygulamalarda
karşılaşılan problemlerde şöyle özetlenebilir. Mekanik olarak çalıştığı için çok arıza yapar.
Kontaklar sürekli birbirine yapışıp açıldıkları için oluşan elektrik atlamaları zamanla
kontakların oksitlenmesine ve iletimini kaybetmesine neden olur. İletime geçme süresi daha
uzundur. Ayrıca kontakların çekilip bırakılmasında çıkarmış olduğu ses pek hoş değildir.
Rölelerin genel olarak 5V-48V arasında gerilimle beslenen bobinleri, 5mA-150mA
arasında akım çekmektedir. Kontakları ise 0.5A-70A arasındaki akım değerlerine
dayanabilir. Uygulama devrelerinde bobin besleme gerilimi aralığının geniş olması kolaylık
sağlamaktadır. Bu sayede hem lojik hem de analog devreler ile sürülmesi sağlanmaktadır.
Yüksek akımlı devreleri kontrol ederken kontaklardan geçen akımın oluşturabileceği ısınma
bu devrelerde röle yerine kontaktör kullanılmasını gerektirmektedir.
Rölelerin yapısı ve çalışması türüne göre farklılık göstermektedir. Röle türleri
anlatılırken her türün çalışmasından ve yapısından bahsedilecektir. Ancak genel olarak tüm
röleler için bir etki ile (akım, gerilim, ısı, manyetik alan vb.) kontakların yer değiştiği ve bu
değişimden faydalanarak bir devrenin kontrol edildiği söylenebilir
Çeşitleri
Röleler manyetik röleler ,dil kontak ,termik röleler ,aşırı akım koruma röleleri şeklinde
çeşitlendirilebilir. Röle çeşitlerinden kullanıldığı devreye göre uygun olanı
seçilmelidir.Örneğin manyetik etki ile anahtarlama yapılacaksa dil kontak, yüksek akımı
sınırlamak için de aşırı akım koruma röleleri kullanılabilir. Röle çeşitlerini daha detaylı
olarak aşağıda inceleyeceğiz.
1.3.1. Manyetik Röleler
Bir demir çubuğun etrafına sarılmış yalıtkan yüzey ile kaplanmış bir iletken telden
geçen akım bir manyetik alan oluşturarak yakındaki metalleri kendine doğru çeker.Akımın
bu özelliğinden faydalanarak manyetik röleler imal edilir.
Dil Kontak Röleler
Havası alınmış bir cam tüp içine manyetik alandan kolayca etkilenen metal
kontakların yerleştirilmesi ile yapılan röleye dil kontak , kontak sayısı fazla ise dil kontak
rölesi denir. Dil kontakların sıvı seviye kontrol, su altında çalışan cihazlarda, uzaktan kontrol
anahtarı ve otomobillerin uyarı ışıkları gibi birçok kullanım alanları vardır.
Dil kontaklı rölelerde kontağın kapanması için bir mıknatıs yaklaştırmak veya cam
kılıf üzerine sarılan bobin üzerinden akım geçirmek yeterlidir.Dil kontaklar manyetik alan
kontrollü anahtardır.Anahtarın açılıp kapanması ise manyetik alan değişimine bağlıdır.
Termik Röleler
Ortamdaki ısı değişikliğine göre kontaklarını açan ya da kapayan röle türüdür.Termik
röleler çalışma sırasında aşırı ısınan motorların durdurulmasında veya ütü, saç kurutma
makineleri gibi ısı üreten cihazlarda uygun ısı seviyesinde daha fazla ısınmayı engellemek
amacı ile sıklıkla kullanılır.
Termik röleler içindeki bi-metal adı verilen özel bir metal bileşimi sayesinde ortamın
ısısı, belirlenen ısı değerinin üzerine çıkında yüke giden akımı keser.Bi-metal ısı altında
farklı genleşme gösteren iki metalden oluşur.Metallerin biri hızlı ve fazla genleşirken diğeri
çok az genleşerek bi-metal bileşimin bir yönde eğilmesini sağlayarak ısı enerjisini hareket
enerjisine çevirir.Bu hareket enerjisi kontakları kapamak için kullanılır.Termik röleler birçok
farklı yapıda olabilir. Motor kontrol devrelerinde kullanılan termik rölelerin içinde ısınmayı
sağlayan krom-nikel ısıtıcı varken, ütü vb. cihazlarda kullanılan termik röleler cihaz içindeki
ısıyı kullanır ve içinde sadece bi-metal ve kontaklar vardır.
Aşırı Akım Koruma Röleleri
Bir yük devresinde hattın başına konulan sigortalar çalışma karakteristikleri nedeni ile
yükü değil hattı korurlar.Yükleri arızadan önce korumak için çeşitli röleler kullanılır. İşte
aşırı akım rölesi, aşırı akımların motor sargılarına vereceği zararları önlemek amacı ile
kullanılır. Aşırı akım koruma röleleri motorları, sistemleri aşırı akıma karşı korumak için
tasarlanmıştır.
Bir fazlı alternatif akım devrelerinde yalnızca bir iletkene, üç fazlı devrelerde ise her
üç faz iletkenine bağlanan aşırı akım röleleri kumanda devresindeki devreye seri bağlı,
normalde kapalı kontağı kumanda eder. Aşırı akım rölelerinde akım ayarı, röle üzerinde
bulunan ayar vidası ile yapılır. Motorların anma akımlarına göre belirli sınırlar içerisinde
akım ayarı yapılır.
Aşırı akım röleleri, yük devresine seri olarak bağlanır ve üzerinden yük akımı geçer
Yük geçici bir arıza nedeniyle veya yol alma anında çektiği kısa süreli aşırı akımlarda
sargılar zarar görmez ve bu durumda rölenin devreyi açmaması istenir. Bunun içinde rölenin
devreyi açması, geciktirici bir sistem ile önlenir
Akım değeri normal sınırlar içinde ise çıkış rölesi çekili konumundadır. Akım
ayarlanan değerin üzerine çıkarsa çıkış rölesi gecikme süresi sonunda kontağını bırakır ve
bağlı olduğu motor veya sistemi devreden çıkarır.
Aşırı akım röleleri yapılarına göre ikiye ayrılır. Bunlar:
Termik aşırı akım rölesi
Manyetik aşırı akım rölesi
Buton ve bir röle ile bir ledin yakılması
Bir yükün çalışmaya başlamasını ve durdurulmasını iki buton ile kontrol eden devreye
mühürleme devresi denir.Mühürleme devrelerinin temel çalışma mantığı rölenin bobin
besleme geriliminin yine röle kontakları üzerinden verilmesine dayanır.
Mühürleme örneği
Röle, elektromanyetik bir devre elemanıdır. Röle; Bobin, Palet ve Kontak olmak üzere üç bölümden meydana gelir. Bobin kısmı rölenin giriş kısmıdır. Palet ve kontak kısmının bobin ile herhangi bir elektriksel bağlantısı yoktur.
"Röle", başka bir elektrik devresinin açılıp kapanmasını sağlayan bir elektriksel anahtardır. Bu anahtar bir elektromıknatıs tarafından kontrol edilir. 1835'te Joseph Henry tarafından icat edilmiştir.
Rölenin kontakları normalde açık ("Normally Open - NO"), normalde kapalı ("Normally Closed - NC") veya kontakta değişen cinsten olabilir.
Röleler transistör görevi gibi görürler örneğin basit bir 3 bacaklı rölede akım verdiğiniz zaman şasedeki kol diğer taraftaki akımı açar yani kontrol için kullanılabilir.
Yalnızca transistörlerden bir farkları vardır:direnç ile kulanmak gerekmez. Bobin iki kontağı mıknatısladığı zaman rölenin bir kontağı açılır bir kontağı kapanır.
Röle'nin Amperini çıkartmak için : Amper = Watt/Volt , yani farz edelim buzdolabının ne kadar Amperi olduğunu bilmek istiyorsunuz , önceden biliyoruz ki evde 700 Watt ve 220 Volt olduğunu , ona göre Amper : 700/220 = 3,18 .
Röleler düşük akımlar ile çalışan elektromanyetik bir anahtardır. Üzerinde bulunan elektromanyetik bobine rölenin türüne uygun olarak bir gerilim uygulandığında bobin mıknatıs özelliği kazanır ve karşısında duran metal bir paleti kendine doğru çekerek bir veya daha fazla kontağı birbirine irtibatlayarak bir anahtar görevi yapar.
Tristör ve Triyak'ların imal edilmesinden sonra popülerliğini kaybeden röleler yinede birçok alanda hala kullanılmaktadır. Tristör ve triyak'lara göre tek avantajı tek bir bünye içinde birden fazla anahtar kontağına sahip olabildiği için birden fazla yükü aynı anda açabilir veya kapatabilir hatta aynı anda bazı yükleri açıp bazıların kapatabilir. Bu işlem tamamen rölenin kontaklarının dizaynı ile ilişkilidir. Röleler hem A.C. hem D.C.’de çalıştırmak üzere kullanılabilirler. Genel olarak; röleler anahtar(switch) ve ölçen röleler olmak üzere ikiye ayrılırlar. Ayrıca; röleler çalışma, kullanılış maksadı ve devreye bağlanış şekline göre de gruplandırılırlar.
Kontaktör
Kontaktör, bir elektrik devresini başka bir devrenin kapanması ile kapatan veya açan elektromekanik bir alettir. Genelde elektrik motorlarının uzaktan kontrol edilmesinde kullanılır. "Normalde açık" ve "normalde kapalı" olmak üzere iki türü vardır.
Kontaktörün üzerinde iki devre vardır. Bunlardan biri uyartım devresi diğeri kontak devresidir. Uyartı devresinde genelde 12, 24 veya 220 V, Kontak devresi genelde 220 V ve üzerinde gerilimde olur. "Normalde kapalı" tipte, uyartım akımı yoksa kontak devresi kapalıdır.
Uyartım devresinde akım olduğunda veya akım kesildiğinde bir selenoid tarafından hareket ettirilen sürgü, kontak pabuçlarını, kontak plakalarına bastırır veya çeker. Bu sayede düşük voltajlı veya akımlı bir devre yüksek voltajlı veya akımlı bir devreyi kontrol etmiş olur.
Elektrik motoru
Elektrik motorları
Elektrik motorları, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren aygıtlardır. Her elektrik motoru biri sabit (Stator) ve diğeri kendi çevresinde dönen (Rotor ya da Endüvi) iki ana parçadan oluşur. Bu ana parçalar, elektrik akımını ileten parçalar (örneğin: sargılar), manyetik akıyı ileten parçalar ve konstrüksiyon parçaları (örneğin: vidalar, yataklar) olmak üzere tekrar kısımlara ayrılır. Alternatif akım ile çalışan elektrik motorlarında rotor ve statorun manyetik akıyı ileten kısımları fuko akımlarından kaçınmak amacıyla tabakalandırılmış saçlardan yapılır. Rotor ve Stator saç paketlerinin yapılması için 0,35 - 1,5 mm kalınlığında, tek ya da çift taraflı yalıtılmış saç levhalar makas tezgahlarında şeritler halinde kesilir. Bu şekilde oluşturulan saç şeritler şerit çekirdekli trafoların ve makinaların yapımında başka bir işleme gereksinilmeden derhal kullanılabilmektedir. Makastan çıkan saç şeritler çok seri - çalışan kalıp - kesme presine verilir. Dakikada 300 - 500 kesme yapan 500 000 kp’lık presler stator ve rotor saç profillerini bir dizi - kesme halinde arka arkaya çıkartır.
Rotor ve stator saç profilleri birbirinin boşluğunu dolduracak şekilde kesildiğinden (kalıpla), üretim sonu kırpıntı parça miktarı çok azdır. Büyük çaplı rotor ve stator saç paketleri genellikle tek - kesmede çıkartılır. Bunun için, önceden hazırlanmış disk şekildeki saçlar üstüste gelecek şekilde yerleştirilir. Bu şekilde yerleştirilmiş saç tabakaları kalıp - kesme presinde tek bir hamlede kesilir. Sargıların yerleştirilmesi için gerekli oluklar makinelerde açılır. İşlem görecek parça miktarı fazla değil ise oluk açma otomatında oluklar tek tek açılır. Büyük sayıdaki parça miktarları ve büyük çaplı saçlar için her seferinde 5-6 oluk açabilen otomatlardan yararlanılmaktadır. Oluk açma otomatlarından gelen saçlar özel sayıcı terazilerde tartılır, istif makinesinde üst üste tabakalandırılır ve 5 - 10 kp/cm2 lik bir basınç altında saç paketi halinde birleştirilir.
Stator ve rotor sargı oluklarına uygulamada genellikle karton döşenmektedir. Yalıtmak amacıyla döşenen kartonun görevi: Oluk içindeki pürüzleri örtmek ve sargı tellerini hasarlardan korumaktır. Karton ile yalıtılan oluklara sargılar döşenir. Stator ve rotor sargıları tek kat ya da çift kat sarımlı yapılırlar. Tek katlı sargılarda her oluk içinde her bir sargının yalnız bir kenarı, buna karşın çift katlı sargılarda çift sayıda bobin kenarı (genellikle iki) bulunur. Stator Sargıları: Tek katlı sargılarda, önceden bir sargı makinasında hazırlanmış ve izole edilmiş sargı paketleri açık oluklara tek tek yerleştirilir. Büyük gerilimli statorlarda açık oluklu saç paketleri kullanılır. Yarı açık oluklara sargılar özel kalıp ya da şablonlar yardımıyla tek tek döşenmektedir. Tam kapalı oluklar içine, teller statorun alın tarafından başlayarak, ipliğin iğneye geçirildiği gibi tek tek geçirilir. Sonra bu teller sargı haline getirilir. Oldukça uğraşılı bu tür sarım yerine özel sargı paketleri de kullanılmaktadır. Bu sargı paketlerindeki iletkenler sadece daha önceden hazırlanmış taraflarından oluklara sokulur. Bu şekilde olukların diğer tarafından dışarı çıkan sargı başları birbirleriyle sert lehim ya da kaynak suretiyle birleştirilir.
Şayet oluklara az sayıda ve büyük kesitli iletkenler sokulacaksa, çubuk şeklindeki iletkenler kullanılır. Bunlar sonradan kendi aralarında vidalarla ya da lehimlemek suretiyle birleştirilir. Tahta ya da fiberden yapılmış oluk kamaları ( ya da takozları ) oluk ağızlarını kapatmaya yarar. Oluklardan dışarı çıkan sargı başları pamuk ya da cam pamuğu ile sıkıca sarılarak yalıtılır. Sargıların devre bağlantıları sağlandıktan sonra stator bir fırın içinde 100 °C civarında kurutulur ve sonra yalıtkan vernik emdirilir. Vernik emdirme işlemi havasız bir ortam içinde yapılır. Bunun için önce stator bir vakum kabı içine yerleştirilir ve kap sıkıca kapatılarak havası çekilir. Sonra kabın üstünde bulunan vernik musluğu açılarak içeriye vernik gönderilir. Ortam havasız olduğundan içeriye gönderilen vernik sargıların en küçük aralıklarına dahi nüfuz eder. Vernik emdirme işleminden sonra stator tekrar kurutma fırınına sokulur ve burada son kurutma işlemi yapılır. Rotor sargıları elde ya da makinede sarılır. Bunun dışında uygulanacak bütün işlemler stator sargılarında olduğu gibidir.
Elektrik motorlarının sınıflandırılması
Klasik olarak elektrik motorları DC ve AC olarak iki bölüme ayrılır. AC alternatif akımla calışan DC doğru akımla calışan motorlardır
AC motorlar
Alternatif akım elektrik enerjisini, mekanik enerjiye çeviren elektrik motorlarıdır. Bu motorların asenkron tipleri standart bir aygıt olmuştur. Senkron tipleriyse, büyük güç gerektiren yerlerde kullanılabilir. Alternatif akım motorları iki grupta toplanabilir: asenkron motorlar (indüksiyon motorları) ve senkron motorlar. Bütün bu motorların temel ilkesi, manyetik saclardan yapılmış bir kütlenin, döner bir elektromanyetik alan yardımıyla sürüklenmesine dayanır. Bu iki grup motorlarda da eksenli iki armatür bulunur: bunların ilki olan stator sabit, ikincisi rotorsa hareketlidir. Senkron motorun statoru asenkron motorun statoruyla aynı şekilde ve aynı yapıdadır; birbirinden vernikle yalıtışmış manyetik saclardan oluşan bir bilezik biçimindedir; bu sacların üzerindeki yivlere üç fazlı akımlarla beslenen bir sargı sarılmıştır. Bir senkron motorda manyetik alanı, rotorun sargısını besleyen bağımsız bir doğru akım yaratır; burada rotorun çalışma hızı vardır. Bu tip motorların başlıca yetersizliği, rotorun kendi başına harekete geçmemesi sorunudur. Asenkron motorun çalışması oldukça farklıdır: rotorun sargısı çok fazladır ve rotora yalnız statordan kaynaklanan tek alan akım indükler. Rotor başka hiçbir enerji kaynağına bağlı değildir. Dönme hızı ne olursa olsun (ilk çalışmada bile), mekanik bir kuvvet çifti sağlar; düzenli çalışma sırasında bu hız senkron hızından (yani döner alan hızından) farklıdır; bu hız farkı motorun üzerindeki yüke bağımlıdır. Sincap kafesli motorlarda sargı, yapraklı bir rotorun yivlerine yerleştirilmiş bakır veya alüminyum çubuklardan oluşur; bu yapı basit, sağlam ve ucuzdur. Bu tip motorlar, imalat sanayinde, pompaların ve vantilatörlerin çalıştırılmasında veya ambalajlamada çok yaygın olarak kullanılan standart aygıtlardır. Bu aygıtlar artık, mikro işlemciyle denetlenen frekans dönüştürücüsü sayesinde doğru akım motoruyla rekabet edebilecek güçtedir.
DC motorlar
Bir DC motor, DC elektrik gücü ile çalışmak üzere tasarlanmıştır. Saf DC tasarımlara iki örnek Michael Faraday'ın tek kutuplu motor (nadiren kullanılır) ve bilyeli yatak motor (orijinalden çok uzaktır). En yaygın türleri fırçalı ve fırçasız tiplerdir.
Fırçalı DC motorlar
Klasik DC motoru bir titreşim oluşturur.
Fırçasız DC motorlar
DC motor klasik komütatörün sınırlamalarının çoğu fırçaların komütatöre karşı baskı oluşturmasından dolayıdır. Bu sürtünmeye sebep olur.
Çekirdeksiz DC motorlar
EX-PROOF motorlar
Exproof motorlarda koruma sınıflarına göre yüzey sıcaklıkları limitlenmiştir ve yine koruma sınıfına göre alev, kıvılcım ve ark sızdırmazlık özellikleri bulunmaktadır.
Servo motor
Servo motor ve sürücüleri
SmallR/C servo mechanism
1. elektrik motoru
2. voltmetre
3. çark
4. aktuator arm
Servo , herhangi bir mekanizmanın işleyişini hatayı algılayarak yan bir geri besleme düzeneğinin yardımıyla denetleyen ve hatayı gideren otomatik aygıttır. Robot teknolojisinde en çok kullanılan motor çeşitidir. Bu sistemler mekanik olabileceği gibi elektronik, hidrolik-pnömatik veya başka alanlarda da kullanılabilmektedir Servo motorlar da çıkış; mekaniksel konum, hız veya ivme gibi parametrelerin kontrol edildiği bir düzenektir. Servo motor içerisinde herhangi bir motor AC, DC veya Step motor bulunmaktadır. Ayrıca sürücü ve kontrol devresini de içerisinde barındırmaktadır.
Step ( Adım ) Motoru
Step motor ve kontrol devresi
Step motorlar tam döngüsünü küçük adımlara bölebilen fırçasız, senkron elektrik motorlarıdır. Motor pozisyonu herhangi bir geribesleme mekanizması olmadan kontrol edilebilir. Step motorlar switched reluctance motorlara benzemektedir.
En üstteki 1 numaralı elektromıknatıs açıldığında merkez çarkın en yakın dişlisini çeker. Merkez çark ve 1 numaralı elektromıknatısın dişleri hizalandığında dengeleneceklerdir.
1 numaralı elektromıknatıs kapatılır ve 2 numaralı elektromıknatıs açılır. 2 numaralı elektromıknatsı enerjilendiğinde merkez çarkın en yakın dişlisini sağa doğru çeker, aynı hizaya geldiklerinde dengelenirler. Yukarıdaki motorda bu dönme 3.6 derece olacaktır.
En alttaki 3 numaralı elektromıknatıs enerjilendiğinde 3.6 derecelik bir dönüş gerçekleşecektir.
4 numaralı elektromıknatıs enerjilendiğinde 3.6 derecelik bir dönüş daha gerçekleşecektir. Merkez çarkta 25 diş olduğu için bu step motor 100 adımda bir tam tur atacaktır.
Temel Çalışma Mantığı
Step motorlar terminallerine voltaj uygulandığında dönen klasik DC motorlardan farklıdır. Step motorlarda merkez dişlinin etrafında çok sayıda dişli elektromıknatıslar bulunmaktadır. Bu elektromıknatıslar mikrokontrolör gibi bir dış kontrol devresiyle enerjilendirilirler. Motor şaftını hareket ettirmek için öncelikle bir elektromıknatısa enerji verilir. Bu elektromıknatısın dişleri ile merkez çarkın dişleri birbiriyle etkileşime girer. Merkez çarkın dişleri ilk elektromıknatısa hizalandığında bir sonraki elektromıknatıs enerjilendirilir. İlk elektromıknatıs kapanıp, ikincisi açıldığında merkez çark biraz daha dönecektir. Bu adımlar diğer elektromıknatıslar için aynen devam edecektir. Bu ufak hareketlerin herbirine adım denir. Adımlı çalışma sayesinde istenilen bir açıda hareket sağlanabilir.
Step Motor Karakteristikleri
Step motorlar sabit güçlü motorlardır ( Güç = açısal hız x tork ). Motor hızı arttığında tork azalacaktır. Tork eğrisi akım sınırlama sürücüleri kullanarak veya sürme voltajını arttırarak uzatılabilir.
Step motorlar diğer motor türlerine göre daha fazla titreşim gösterirler. Bu titreşim bazı hız değerlerinde motorun tork kaybetmesine sebep olarak zararlı bir hale dönüşebilir. Bu sorun titreşim yaratacak hız aralığında motoru çalıştırmayarak çözülebilir. Ayrıca faz sayısı fazla olan motorlar faz sayısı az olan motorlara göre daha sarsıntısız bir çalışma gerçekleştirirler.
Açık Döngü, Kapalı Döngüye Karşı
Step motorlar genellikle açık devre olarak döndürülürler. Sürücünün herhangi bir geribeslemesi yoktur. Özellikle yük ataleti yüksekse veya sürekli değişken bir yük varsa motorun adım kaybetme imkanı yoktur. Bu yüzden sistem dizaynırları ufak boyutlu ama pahalı servomekanik sistemden fedakarlık edip, büyük boyutlu ancak göreceli olarak daha ucuz step motorları kullanırlar.
Yeni gelişmeler step motorlarda rotor pozisyonu geribeslemesi almayıda sağlamaktadır. Böylece rotor pozisyonuna bağlı olarak optimum tork üretimi sağlanabilir. Bu geribesleme özelliği step motorları çok kutuplu fırçasız servo motora dönüştürmüştür. Geribeslemeli bu step motorlarda olağanüstü bir düşük hız torku ve pozisyon kesinliği vardır. Bu tekniğin bir ileri aşaması ise motorun normalde açık döngü modunda çalışıp rotor pozisyonunda hata olduğunda ( fazla ilerleme gibi ) geribeslemeye girerek sisttemin dalgalanmaya girmesini önler. Bu genel bir servo sorununa çözüm olarak geliştirilmiştir.
Step Motor Çeşitleri
Üç ana tipte step motor bulunmaktadır.
- Sabit mıknatıslı step motor
- Hibrid senkron step motor
- Değişken relüktanslı step motor
İki Fazlı Step Motorlar : İki fazlı step motorlarda bipolar ve unipolar olmak üzere iki farklı elektromagnetik bobin sarım şekli vardır.
Unipolar Motorlar : Unipolar step motorlar lojik olarak faz başına iki sargı içerir. Bu sargılardan biri akım yönü içindir. Bu sargı sayesinde manyetik kutuplar akım yönü değiştirilmeden terslenebilir. Komutasyon devresi herbir devre için çok basit bir şekilde yapılır ( örn. tek bir transistör ). Genellikle verilen fazda herbir sargı için bir uç ortaktır ve faz başına 3′ er uç vardır. 2 fazlı step motorlarda ortak uç genellikle dışarıdan gelir. Yani motorun sadece 5 ucu bulunmaktadır.
Sürücü transistörleri aktive etmek için mikrokontrolör veya step motor kontrolörü kullanılır. Bu özellik unipolar motorların hobi meraklıları için kullanımı kolaylaştırır. Açısal hareketin belkide en ucuz yoludur.
Ortak uçla bobin sonlandırma ucunu ayırdetmede kullanılan en sağlıklı yöntem direnç ölçümüdür. Ortak uçla bobin ucu arasındaki direnç, bobin ucu-bobin ucu arasındaki direncin herzaman için yarısıdır.
Bipolar Motor : Faz başına tek sargı düşen motorlara bipolar motorlar denir. Sargıdaki akımı ters yöne döndürmek için manyetik kutbu ters yöne döndürmek gereklidir. Bu yüzden sürücü devreleri daha karmaşıktır ve sürücü devreleri genellikle H-köprüsünün türevidir. Faz başına iki uç vardır ve ortak uç yoktur. Sargıların daha iyi kullanılması sonucu aynı ağırlıktaki unipolar motora göre daha güçlüdür.
8 Uçlu Step Motor : 8 uçlu step motor unipolar step motor gibi sarılmıştır. Ancak ortak uç dışarıdan gelmez. Bu çeşit motorlarda farklı şekillerde bağlantı yapılabilir.
- Unipolar
- Seri sargılı bipolar step motor. Bu sargı daha yüksek indüktans sağlamasına rağmen sargı başına düşen akım miktarı azalır.
- Paralel sargılı bipolar sargı. Daha yüksek akıma ihtiyaç duyar ancak iyi bir performans için sargı indüktasının düşmesi gerekir.
- Faz başına tek sargılı bipolar. Bu metodda motor sargıların sadece yarısında çalışacaktır. Böylece ihtiyaç duyulan tork azaltılacaktır.
Çok Fazlı StepMotorlar
Çok fazlı step motorlar sayesinde titreşim seviyesi düşürülür. Ancak üretim maliyetleri artacaktır.
Step Motor Sürücü Devreleri
Step motor performansı sürücü devreye çok bağlıdır. Eğer stator kutupları daha hızlı bir şekilde değişebilirse tork eğrisi uzatılabilir, burada sargı indüktansı limit oluşturacaktır. İndüktans problemi aşıldığında ve sargılar hızlı bir şekilde anahtarlandığında bu seferde sürücü voltajı arttırılmalıdır.
Sensörler
Sensörler, otomatik kontrol sistemlerinin duyu organlarıdır. Türkçesi duyucu, algılayıcı diye geçer. İnsanlar nasıl çevrelerinde olup bitenleri gözleriyle görüp, kulaklarıyla duyuyorlarsa, makineler de sıcaklık, basınç, hız ve benzeri değerleri sensörleri vasıtasıyla algılarlar. Örneğin bir sıcaklık sensörü değişen ortam sıcaklığına bağlı olarak bacakları arasında elektrik potansiyel farkı yani gerilim oluşturur. Eğer bu bilgiyi bir mikrodenetleyiciye aktarırsanız kapalı çevrim bir sıcaklık kontrol ünitesi yapmış olursunuz.
Fiziksel ortam değişikliklerini (ısı, ışık, basınç, ses, vb.) bizim yerimize algılayan cihazlara sensör, algıladığı bilgiyi elektrik enerjisine dönüştüren cihazlara ise transdüser diyoruz.
Sigortalar
Otomobillerde kullanılan sigortalar
Bir elektrik Sigorta alternatif ve doğru akım devrelerinde kullanılan cihazları ve bu cihazlara mahsus iletkenleri, aşırı akımlardan koruyarak devreleri ve cihazı hasardan kurtaran açma elamanları. Sigortalar evlerde, elektrik santrallarında, endüstri tesislerinde kumanda panolarında, elektrikle çalışan bütün aletlerde kullanılır.
Yapısına göre genelde üç çeşit sigorta vardır:
Buşonlu sigorta
Bu sigorta bir gövde ve kapaktan meydana gelir. Gövdeye geçecek akım seviyesine göre, iletken tel veya silisyumlu kum konur. Kumun görevi herhangi bir kısa devre anında, sigorta atması sonucu hasıl olan, elektrik arkını söndürmektir. Bunlar ev ve küçük işletmelerde kullanılırlar.
Bu sigortalar kullanılacağı yerlere göre özel şekillerde yapılır. Umumiyetle yalıtkan olan cam ve porselen bir gövde ve bu gövdenin uca doğru incelen baş tarafında iletken metal ve ekseri düz olan tarafında da iletken bir metal bulunur. Bu iletken metaller belli bir akıma kadar dayanacak bir tel ile birleştirilir. Bu tel cihazı tahrip edecek şekilde akım seviyesi yükseldiği zaman, eriyerek akımı keser, bu sigortalarda dar uç ne kadar ince olursa, aşırı akımı önleme hassasiyeti de o derece fazla olur. Sigorta gövdesinin iki ucu arasındaki uzaklık, ark yapmayı önleyecek şekilde uzun yapılmalıdır. Çünkü iki uc aralığı az olursa tel eriyince ark yaparak akım geçmeye devam eder. Bunu önlemek için de sigortanın kullanılacağı yere göre, iki uç arası uzun kıvrımlı ve çeşitli şekillerde yapılabilir. Bunlar ekseri fabrikalarda hazır yapılırlar.
Bıçaklı sigorta
Bu sigorta akım değeri yüksek ve daha fazla güç isteyerek çalışan devrelerde kullanılırlar. Bunlar NH tipi olup, tekrar sarılmazlar, yenisi ile değiştirilirler.....
Otomatik sigorta
Bu sigorta umumiyetle hassas yerlerde ve çok hassas devrelerde kullanılır. (Ölçüm ve araştırma laboratuvarlarında, kumanda panolarında). Kumanda devresini herhangi bir kısa devreye maruz bırakmamak gayesiyle kullanılır. Akım değeri düşük olan bu sigortalar attıklarında şalter iner. Şalter kaldırılınca devreden tekrar akım geçer. Günümüzde evlerde ve iş yerlerinde pratik olması sebebiyle yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu tip sigortalarda, temel olarak iki şekilde devre kesilir.
Ani yüksek akım Uzun süreli limit akım
Ani yüksek akımda, sigorta devreyi kesecek olan mekanizmayı bir elektromıknatıs vasıtası ile tetikler.
Uzun süreli limit akımda ise,sigorta,devreyi kesecek olan mekanizmayı bir bi-metalik şerif vasıtası ile tetikler.
Nikola Tesla
|
'Nikola Tesla'
|
|
Sırp asıllı Amerika'lı fizikçi
|
|
Doğum
|
10Temmuz1856
Hırvatistan
|
|
Ölüm
|
7 Ocak 1943 (86 yaşında)
New York / ABD
|
|
Milliyeti
|
Sırp
|
|
Enstitüler
|
Edison Machine Works
Tesla Electric Light & Manufacturing
Westinghouse Electric & Manufacturing Co.
|
|
Etkilendikleri
|
Ernst Mach
|
|
Etkiledikleri
|
Gano Dunn
|
|
Aldığı ödüller
|
Edison Madalyası (1916)
Elliott Cresson Altın Madalyası (1893)
John Scott Madalyası (1934)
|
|
İmza
|
Nikola Tesla (Sırpça: Никола Тесла; d. 10 Temmuz 1856,
Smiljana-Hırvatistan – ö. 7 Ocak 1943, New York). Sırp asıllı fizikçi, mucit, makine mühendisi ve elektrik mühendisi. 19. ve 20. yüzyılın en ilginç buluşçularından birisidir.7 Ocak 1943 yılında kendisine ait patent aldığı 700 buluşla en çok patent sahibi kişi olarak tarihe geçmiştir.
Babası bir papaz olan Tesla'nın annesi okuyup yazamamasına karşın, halk arasında pratik ev gereçleri mucidi olarak bilinirdi. Annesine göre Nicola Tesla, yaratıcı dahi olmaya adaydı. Tesla, papaz olması için babasının baskılarına karşı çıkarak, mühendislik okudu. Annesinin de desteğine sahip Tesla, fizik ve matematikte bilgisini arttırırken Graz'daki
Politeknik okuluna girdi ve Prag Üniversitesi'nde eğitimini sürdürdü. Yabancı teknik yapıtları okuyabilmek için, orada, yabancı dil kursunu sürdürdü. Anadili olan Sırpça ve ailece bildikleri Almancaya ek olarak İngilizce, Fransızca ve İtalyancayı da öğrendi.
Nikola ailedeki beş çocuktan biriydi. Bir büyük erkek kardeşi (Dane, at sürerken oluşan bir kaza sonucu Nikola beş yaşındayken vefat etti) ve üç kız kardeşi (Milka, Angelina ve Merica) vardı. Ailesi 1862 yılında Gospić'e göç etti. Tesla okula Karlovac'ta gitti. Dört yıllık eğitim dönemini üç yılda bitirdi.
Daha sonra Prag'ta tahsilini 1880'de bitirdi. Budapeşte'de lisans üstü yaparken, profesörüyle alternatif akımın özelliklerini tartıştı. Sonra bir Paris telefon şirketinde çalışmaya başladı. Burada doğru akım motorları ve dinamolar konusunda geniş ve önemli tecrübeler edindi. Oradayken çalıştığı döner makineleri korumak için
regüle edici kontrol cihazları icat etti.
Elektrik mühendisi olan Nikola Tesla Graz Üniversitesi'nde fizik ve matematik üzerine çalışmalar yapmıştır. Sonra Prag Üniversitesi'nde felsefe eğitimi almıştır. Uzun süre geçimini farklı Avrupa ülkelerinde Elektrik Mühendisliği ile sağlamıştır.
Buluşları
Radyoyu Marconi icat etti sanılır, X ışınlarını Röntgen'in keşfettiği,
Vakum tüp amplifikatörünü de
Forest'in. Ayrıca Florasan lambayı,
neon ışıklarını,
hızölçeri, otomobillerdeki ateşleme sistemini, radarın temellerini, elektron mikroskobunu ve mikrodalga fırını da Nikola Tesla'nın icat ettiğini bilen sayısı sınırlıdır.
Nicola Tesla'ya göre bu doğru akım uygulanan doğru sistem değildir. Hem jeneratör (üreteç) hem de motordaki komütatörü ortadan kaldırmak ve alternatif akımı tüm sistemde kullanmak daha akla uygun gelmekteydi. Fakat hiç kimse alternatif akımda çalışabilen bir motoru oluşturmamıştı ve Nicola Tesla bu sorunu çok düşündü. 1882 Şubatında, Budapeşte'nin bir parkında Szigetti adında bir sınıf arkadaşı tüm elektrik endüstrisinde devrim yapacak olan "
dönen manyetik alan"ı bulmuştu. Dönen elemana bağlantı gereği olmayacaktı. Komütatör yoktu artık.
Daha sonradan tüm alternatif akım elektrik sistemlerini tasarladı. Alternatörler, elektrik enerjisinin ekonomik iletimi ve dağıtımı için gerilim yükseltici ve alçaltıcı transformatörler ve mekanik güç sağlamak için alternatif akım motorları. Dünyanın her tarafında harcanıp giden su gücünün bolluğundan esinlenip, gerekli olan yerlere enerji dağıtabilen hidroelektrik santralleriyle bu büyük gücün elde edilmesini tasarladı. Budapeşte'de "Birgün Niyagara Çağlayanını elektrik elde etmek için kullanacağım" diyerek dinleyenleri şaşırttı.
AC Akım Jenaratörleri ve Motorları, radyo, florasan, radar, MRI , laser teknolojisi, robot teknolojisi, deprem makinesi Nicola Tesla'nın teorileri kaynaklık edinilerek yaratılmış projelerdir.
Kendi deyimiyle zihninde çakan şimşekler çoğu zaman rehberi olmuştur. Bunlardan ışık patlamaları olarak bahseder;
...Bu ışık patlamalarını hala zaman zaman yaşıyorum. Yeni bir fikrin zihnimde parıldayıvermesi gibi durumlarda ortaya çıkıyor. Ama artık eskisi kadar heyecan verici değil bu, eskiye nazaran daha etkisiz. Gözlerimi kapattığımda, ilk önce mutlaka çok koyu ve tek tonlu bir mavi fon görüyorum. Tıpkı açık ama yıldızsız bir gecede olduğu gibi. Birkaç saniye içinde bu alan parıltılar saçan ve bana doğru ilerleyen yeşil ışıltılarla doluyor. Neden sonra sağ tarafımda birbirine paralel ve yakın ışınların oluşturduğu iki ayrı sistem görüyorum. bu iki sistem birbirleri ile dik açı oluşturacak şekilde duruyorlar; sarı, yeşil ve altın renklerinin hakim olmasına karşın, her türlü rengi içeriyorlar. Sonra bu çizgiler daha da parlaklaşmaya başlıyor ve her yere parıltılar saçan belirgin noktalar serpiliyor. Bu resim yavaş yavaş görüntü alanımdan çıkıyor ve sola doğru kayarak yok olup gidiyor, yerini pek de hoş olmayan ölü bir griliğe bırakıyor. burayı çabucak kabaran ve kendilerine canlı formlar vermeye çalışıyormuş gibi duran bulutlar doldurmaya başlıyor. İşin ilginç yanı şu ki, ikinci aşamaya geçilinceye değin bu griliği belirgin bir şekle benzetemiyorum. Her seferinde, uyuyakalmadan az önce, gözlerimde kimi şeylerin ya da insanların görüntüleri canlanıyor. onları gördüğüm anda anlıyorum ki bilincimi yitirmek üzereyim. Eğer ortaya çıkmıyorlarsa ya da bunu reddediyorlarsa biliyorum ki bu uykusuz bir gece geçireceğim anlamına geliyor...
O günlerde genellikle doğru akım, ısıtmaya, aydınlatmaya, güç sağlamaya ve iletmeye en uygun olarak bilinirdi. Fakat doğru akım direnç kayıpları o kadar büyüktü ki, her mil kare için bir güç santralına gerek vardı. İlk akkor ampuller (110 Volt'ta), güç santralına yakın olsalar bile parlak ve bir milden daha uzaklıktakiler ise kaybolan güce bağlı olarak sönük yanıyorlardı.
Elektrik mühendisliğini bırakıp, 1884'te cebinde sadece 4 sentle New York'ta gemiden ayrıldı. Tecrübesi onu doğru akım motorları ve dinamolardaki
komütatör sorunlar yaratan, gereksiz bir karışıklık inandırmıştı. doğru akım üretecinin bir komütatörle dış devrede tamamen aynı yöne akan dalga dizileri şeklinde alternatif akım oluşturduğunu gördü. motorda dönme hareketini sağlayacak bir doğru akım elde etmek için, yöntem tersine çevrilmeliydi. Her elektrik motorunun endüvi'si, motora alternatif akım beslemek için döndüğü anda manyetik yönlerini değiştiren, döner komütatöre sahipti.
Alternatif akım
Bir yıl boyunca,Yugoslav, bu yabancı ülkede açlıktan korunmak için mücadele etti. Bir süre çukur kazarak geçimini sağladı. Fakat birlikte çalıştığı çukur kazıcı,
Western Union'un ustası, yemek saatlerinde Nicola Tesla' nın ilgilendiği yeni elektrik sistemlerinin hayali tariflerini dinleyerek, bu konu üzerinde bir plan yaptı. Nicola Tesla'yı
A.K.Brown adlı firmanın sahibiyle tanıştırdı. Nicola Tesla'nın parlak planlarıyla büyülenerek, Brown ve bir ortağı büyük bir atılım yapmaya karar verdiler. Ortaya belirli bir miktar para koydular ve Nicola Tesla Batı Broadway'de bir deney laboratuvarı kurdu. Orada Nicola Tesla jeneratör, transformatörler, iletim (
transmisyon) hattı, motorlar ve ışıklar gibi tasarladığı sistemlerin tümünün planlarını hazırladı. Hatta iki ve üç fazlı sistemleri de tasarladı.
Cornell Üniversitesi'nden Profesör
W.A. Anthony yeni alternatif akım sistemini sınadı ve derhal Nicola Tesla'nın senkron motorunun en iyi doğru akım motoruna eşit yeterlikte olduğunu açıkladı.
O zaman Nicola Tesla bütün kısımlara sahip tek bir patent altında sistemini tescil ettirmek istedi.
Patent Bürosu her önemli fikir için ayrı bir dilekçeyle başvurulmasında ısrar etti. Nicola Tesla, 1887'nin Kasım ve Aralığında dilekçelerini verdi ve daha sonraki altı ayda yedi tane A.B.D. patenti aldı. 1888 Nisan'ında çok fazlı sistemini de içeren dört ayrı patent için başvurdu. Bunlar da hızla, bekletilmeden verildi. Yılın sonuna kadar 18 patent daha aldı. Bunları, çeşitli Avrupa patentleri izledi. Bu kadar hızla dağıtılan bu patent çığırının, eşi görülmemişti. Fikirler ilginç ve bir o kadar farklıydı, bir çelişme ya da bir tahmin yoktu. Bu yüzden patentler tek bir tartışma bile yapılmadan verildi.
Bu sırada Nicola Tesla, New York'da AIEE (Şimdiki IEEE)'nin bir toplantısında çok gösterişli konferans verip, tek ve çok fazlı alternatif akım sistemlerinin gösterisini yaptı. Dünya mühendisleri, muazzam gelişmenin kapısını açarak, telle yapılan elektrik enerjisi iletimindeki sınırlamaların giderilmiş olduğunu gördüler.
George Westinghouse, Nicola Tesla'nın laboratuvarlarına gitti ve Nicola Tesla ile tanıştı. Westinghouse, "Alternatif akım patentleri için bir milyon Dolar nakit ve ayrıca satış payı vereceğim" diyerek teklifini yaptı. Satış payı, beygir gücü başına 1 Dolar olmak üzere anlaştılar.
Ülke çapındaki
Westinghouse yatırımlarının başarısı, gelişen elektrik endüstrisinde rakip durumunu korumak için
General electric, Westinghouse'dan bir lisans almak zorunda kaldı.
1890'da, uluslararası Niagara komisyonu elektrik üretmek için, Niagara çağlayanının gücünü kullanmak amacıyla çalışmaya başladı. Bilgin Lord Kelvin, komisyonun başkanlığına atandı ve derhal doğru akım sisteminin en iyi olacağına dair açıklamasını yaptı. Fakat güç, 26 mil uzaklıktaki Buffalo'ya iletilecekti. Bu durumda alternatif akımın gerekliliğini kabul etti.
Westinghouse, on tane 5000 beygirgücündeki hidroelektrik jeneratörü için ve General Electric ise iletim hattı için kontrat yaptılar. Bu sistem iletim hattı, yükseltici ve alçaltıcı transformatörler Nicola Tesla'nın 2 faz projesine uygundu. Hareket eden parçaları azaltmak için, dıştan dönen alan ve içi sabit armatürlü, büyük alternatörler planlanmıştı.
O zamana kadar bu büyüklükte bir proje yapılmadığı için, bu tarihi proje heyecan yarattı. Dakikada 250 devir yapan, herbiri 1775 Amper veren, 2250 Volt'luk on büyük alternatör, iki fazlı 25 Hz (Hertz)'de 50 000 Beygir gücü veya 37 000 kW'lık çıkış oluşturuyordu. Rotorların herbiri, 3 metre çapında, 4,5 metre uzunluğunda (düşey jeneratörlerde 4,5 metre yükseklik) ve 34 ton ağırlığındaydı. Sabit parçaların herbiri 50 ton ağırlığındaydı. Gerilim, iletim için 22.000 Volt'a çıkarıldı.
Nicola Tesla, alternatif akım ve yüksek frekansla ilgili olarak aşağıdaki sözleri söylemiştir;
...Kendi alternatif akım ve yüksek frekans ile ilgili "Frekans yüksek olduğu müddetçe yüksek voltajlardaki alternatif akımlar derinin yüzeyinde, herhangi bir yaralanmaya neden olmadan salınırlar. ama bu amatörlerin becerebileceği bir şey değildir. sinir dokularına nüfuz edebilecek miliamperler öldürücü bir etki yaratabilir ama derinin üzerindeki amperler kısa süreler için zarar vermez. Derinin altına sızabilecek düşük akımlarsa, ister alternatif ister doğru akım olsunlar, ölüme yol açabilir...
Uzaktan radyo kontrolü
Sonradan Telsiz denilen, radyo alanında Nicola Tesla'nın öncülüğü, Mors koduyla yapılan haberleşmeden de ileri gitti. 1898'de New York şehrinin Madison Parkı'nda (Madison Square Garden) telsiz ile uzaktan kontrola ait parlak bir gösteri düzenledi. Geleneksel Elektrik Fuarının geliştiği yer ve genellikle Barnum-Bailey sirkinin çalıştığı büyük alanın ortasına büyük bir tank koydu ve suyla doldurdu. Bu küçük gölün üzerine, yüzmesi için, 1 metre uzunluğunda anten direği olan bir tekne koydu. Teknenin içinde bir radyo alıcısı vardı. Nicola Tesla, seyircilerin isteği doğrultusunda ileri gitme, sağa veya sola dönme, durma, geri gitme, ışıkları yakıp söndürme gibi çeşitli şeyleri uzaktan radyo kontrol sayesinde yaptı. Unutulmaz gösteri tüm seyircileri hayran bıraktığı gibi günlük gazetelerin ön sayfalarında yer aldı..
Yüksek frekans öncülüğü
Nicola Tesla, araştırmalarında, yüksek gerilim ve yüksek frekansın bilinmeyen alanlarına daha çok yer verdi. Yüksek frekans cihazlarını kullanırken, bir elini daima cebinde tutardı. Bütün laboratuvar asistanlarına bu ön tedbiri almalarında ısrar ederdi ve bu kural, bugüne kadar daima gerilim bakımından tehlikeli cihaz etrafındaki uyanık araştırıcılar tarafından da uygulanmaktadır. O zaman yararlanılmamış olmasına rağmen, Nicola Tesla'nın yüksek frekans ve yüksek gerilim alanındaki keşifleri, modern elektroniğin yolunu açtı. Bir yüksek frekans transformatörü ile (Nicola Tesla Bobinleri -
Nicola Tesla Coils) çıplak elinde tuttuğu gazlı tüpü yakacak şekilde vücudundan, zarar vermeden, yüksek gerilimli akım geçiriyordu. O günlerde Nicola Tesla, aslında neon tüpünün ve
flüoresan tüpünün aydınlatmasını gösteriyordu.
Bazen, frekans aralığının alt ve üst kısımlarında yaptığı denemeler, Nicola Tesla'yı keşfedilmemiş bölgelere yöneltti. Mekanik ve
fiziksel titreşimlerle çalışırken,
Houston Caddesindeki yeni laboratuvarının etrafında hakiki bir depreme neden oldu. Binanın doğal rezonans frekansına yaklaşan, Nicola Tesla'nın mekanik osilatörü, eski binayı sarsarak tehdit etti. Bir blok ileride, polis karakolundaki eşya esrarengiz bir şekilde dans etmeye başladı. Böylece, Nicola Tesla, rezonans, vibrasyon ve "doğal 7 periyot"a ait matematiksel teorileri ispatladı.
Dünya çapında telsiz
Long Island'ın tepelik bölümünde,
Wardenclyffe yakınında yavaş yavaş yükselen garip yapı bütün seyredenlerin ilgisini çekerdi. Tek parça olması dışında, büyük bir mantara benzeyen yapı, yerdeki kısmı geniş ve
62 metre yukarısındaki tepe noktasına doğru daralan, kafes şeklinde bir iskelete sahipti. Tepede
30 metre çapında bir yarım küreyle örtülüydü. İskelet, bronzdan kalın civata ve bakır lamalarla birbirine bağlanmış, sağlam ağaç kolonlardan yapılmıştı. Yarım küre şeklindeki tepe, üstten yüzeysel olarak bakır bir elekle kaplıydı. Tüm yapıda
demir metali yoktu.
Ünlü mimar
Standford White, konuyla o kadar ilgilendi ki, en iyi yardımcısı
W. D. Crow'u görevlendirerek proje işini ücretsiz yaptı.
34'üncü caddedeki eski
Waldorf-Astoria otelinde oturan Nicola Tesla, hergün, taksiyle, çarklı araba vapuruna binerek
Long Island şehrine giderek , oradan da Long Island demiryoluyla
Shoreham'e aktarma yaparak inşaata gidiyordu. Proje kontrolünün aksamaması için, trenin yemek servisi onun için özel yemek hazırlıyordu.
Büyük kulenin yakınında, 30 metre karelik tuğla bina tamamlandığı zaman, Nicola Tesla Houston caddesindeki laboratuarını binaya taşımaya başladı. Bu sırada radyo frekans jeneratörleri ve onları çalıştıran motorların yapımında üzücü bazı gecikmelerle karşılaşıldı. Birkaç camcı, planları hazır olan özel tüpleri şekillendirmeye çalışıyorlardı.
Dünya'nın en güçlü vericisi
Yüksek gerilim ve yüksek frekanslı elektrik iletimi konusundaki araştırmalar, Nicola Tesla'yı Colorado Springs yakınlarındaki bir dağın üzerine dünyanın en güçlü radyo vericisini kurup çalıştırmaya yöneltti. 60 metrelik direğin etrafında, 22,5 metre çapında, hava çekirdekli transformatörü yaptı. İç kısımdaki sekonder 100 sarımlı ve 3 metre çapındaydı. Üreticisi, istasyondan birkaç mil uzaklıkta bulunan enerjiyi kullanırken, Nicola Tesla ilk insan yapımı şimşeği oluşturdu. Bir direğin tepesindeki 1 metre çaplı bakır küreden, 30 metre uzunluğunda, kulakları sağır eden şimşekler çaktı. Ufka kadar gök gürültüsü işitildi. 100 milyon Volt değerinde gerilim kullanılıyordu.
İlk denemesinde, vericideki güç jeneratörünü yaktı. Fakat tamir ederek 26 mil uzağa, gücü telsiz ile iletebilinceye dek deneylerine devam etti. O uzaklıkta, toplam 10 kW'lık 200 tane akkor ampulü yakmayı başardı. Daha sonra, kendi patentleriyle meşhur olan Fritz Lowenstein, Nicola Tesla'nın yardımcısı iken bu gösterişli başarıya şahit oldu.
1899'da alternatif akım patentleri için Westinghouse'dan aldığı paranın sonunu harcadı. Albay John Jacob Astor, onu mali yönden kurtarmaya geldi ve Colorado Springs'deki denemeleri için 30.000 Dolar sağladı. Sonra bu para da bitti ve Nicola Tesla New York'a geri döndü.
J.P. Morgan, gösterişli başarıları ve şahsiyeti dolayısıyla, Nikola Tesla'nını hayranı olmuştu. Nicola Tesla, kısa zamanda J.P. Morgan'ın sürekli misafiri oldu. Kusursuz giyinişli, birkaç dilde yaptığı kültürlü konuşması ve medeni davranışıyla gösterişli centilmen Nicola Tesla, New York sosyetesinin gözdesi oldu.
İyonosfer çalışmaları, radar ve tribünler
Nicola Tesla dünyanın katmanlarından biri olan iyonosferin insanlığın yararına kullanabileceğini söyleyen ve bunu ispatlayan bilim adamıdır. İyonosfer, 19. yüzyılda keşfedilmiştir, dünyanın üzerinde bulunan üçüncü sıra katmandır ve Nicola Tesla'yı ilgilendiren en önemli özelliği elektrik enerjisinin ve radyo,ses ve elektro manyetik dalgaların kablosuz olarak çok uzak bir noktadan diğer noktaya taşımasını sağlamaktadır.
Nicola Tesla iyonosfer ile ilgili çok fazla araştırma yaparak ilk radyo yayın merkezi ve kablosuz elektrik taşıma merkezi olan
Shoreham, Long Island'da 1901 ile 1905 yılları arasında
Wardenclyffe Kulesini inşa eder.
Radyo frekans alternatörü
1890'da Nicola Tesla yüksek frekans alternatif akım üreteçlerini yapmıştı. 184 kutuplu olan bir tanesi 10 kHz'lik çıkış veriyordu. Daha sonra, 20 kHz'e kadar yüksek frekansları elde etti. Ancak on yıl kadar sonra 50 kW çıkışlı radyo frekans üretecini Reginald Fessenden geliştirdi. Bu makine, General Electric tarafından 200 kilo Watt'a çıkarıldı ve Fessenden'in ilk alternatörlerini kuran, çalışmasını kontrol eden adamın adı verilerek, Alexanderson alternatörü satışa çıkarıldı.
Hemen hemen dünya kablolarının çoğunu elinde tutan İngiliz işadamlarının, bu makineye ait patentleri elde etmek üzere olduklarını görünce, A.B.D. Donanmasının acele çağrısıyla "Radio Corporation of America (RCA)" şirketi kuruldu. Yeni firmanın 1919'da kurulmasıyla, Marconi Wireless Telegraph Co. of America firmasının güçlü fakat yetersiz, Marconi kıvılcımlı vericileri, çok başarılı olan Radyo Frekans alternatörleri ile yer değiştirdiler.
Birincisi N.J. New Brunswick'te kuruldu. 200 kilo Watt'da ve 21,8 kilo Hertz frekanslı titreşim oluşturdu ve ticari işte kullanıldı. Bu ilk, sürekli, güvenilir Atlantik aşırı Radyo servisi idi. Bu alternatörler, Nicola Tesla'nın kulesinin yerine, Radyo merkezinin tüm güçlerini sağladı. Böylece Nikola Tesla'nın Dünya çapında telsiz hayali, 30 yıl sonra, icat ettiği vericinin kullanılmasıyla yeniden gerçekleştirildi.
Uzaktan kumanda, kozmik ses dalgaları ve uzay
1898 yılında ilk defa uzaktan kumanda ile yönetim sistemini bir araca uygulamıştır. Mayıs, 1898'de Madison Square Garden'da dünyaya bu buluşunu tanıtmıştır. Bahsi geçen araç su üstünde haraket eden ve uzaktan kumanda ile yönetilebilen bir bottur. Projelerinin tanıtımında afili yöntemler uygulayan Nicola Tesla'yı izleyen herkes Nicola Tesla'nın bunu beyin gücüyle yaptığına inanmıştır. Daha sonra Nicola Tesla uzaktan kumandayı açıklamıştır.
Bu buluşun üstüne New York Times gazetesinden bir yazar Nicola Tesla'ya bu şekilde uzaktan kumanda ile savaşan denizaltılar yapabilirsiniz demiştir. Nicola Tesla ise bu "bir savaş aracı değil, robot ırkının ilk temsilcisidir, yani insanlığın hizmetinde kullanılabilecek onların işlerini azaltarak yapacak mekanik adamdır" demiştir.
Bu buluş temel alınarak günümüzde uzaktan kumanda ile kontrol edilebilen uzay mekikleri, uydular ve çeşitli silahlar geliştirilmiştir. Günümüzdeki uzaygemisi uzaktan kumanda merkezleri Nicola Tesla'nın yöntemini uygulamaktadır.
Bir sene sonra Nicola Tesla uzaydaki hayatın varlığı ile de yakından ilgilenmiş. Dünyada ilk defa 1899 yılının Mart ayında kendi labaratuarından uzaya ses dalgaları göndermiştir. Uzaydan kozmik ses dalgalarının kaydını yapmıştır. Bunun duyurusu yaptığında bilim çevresinden ilgi ve destek görememesinin sebebi o yıllarda kozmik radyo dalgalarının bilim camiasında yeri olmamasıdır.
USS Eldridge (DE 173) 1944
1917'nin Ağustos'unda uzaktaki cisimlerin üzerine kısa dalga darbeleri gönderip, yansıyan kısa dalga darbelerinin bir flüoresan ekran üzerinde toplanmasıyla izlenebileceklerini açıklamıştır.
Philadelphia Deneyi
Philadelphia Deneyi, 28 Ekim 1943 yılında Amerikan donanmasının Pensilvanya eyaletine bağlı Philadelphia şehri limanında yaptığı iddia edilen deneydir. İddiaya göre donanmaya ait bir koruma destroyeri olan DE 173 sınıfı 1240 tonluk USS Eldridge birkaç dakika içerisinde 600 km.'den fazla bir uzaklığa gidip tekrar gelmiştir. Deneyin varlığı konusunda hiçbir delil bulunmamaktadır. Amerikan donanması da böyle bir deneyin kayıtlarda varolmadığını belirtmiştir. Al Bielek hariç deneye katıldığı iddia edilen tüm askerler bunu yalanlamış, hikâyenin bir aldatmaca olduğunu söylemişlerdir. Bielek'in hikâyesi de daha sonra yalanlanmıştır.
Gökkuşağı Projesi (Rainbow Project) adıyla da bilinen bu deney, 1984 yılında beyaz perdeye aktarılana kadar ciddiye alınmamıştı. Ancak o tarihden bu güne kadar resmi makamlarca defalarca yalanlanmasına rağmen en çok merak edilen konulardan biri olmuştur.
Zaman yolculuğu
Korkunç Philadelphia Deneyi’nden sonra ki bu deney kısmen Tesla teknolojisiyle yapılmıştı, Nikola Tesla yolculuğun sırlarını kazara bulmuştu. Zamanı ve uzayı düzenleyen kurallarla kozmik çatının tehlikeli doğasını karıştırmıştır.
Günümüzde Tesla’nın pek çok çalışması bir çok ülke tarafından araştırılıp geliştiriliyor. Bu Ar-ge çalışmalarını karşılamak için devletler karanlıkta kalan bütçelerini arttırmışlardır. Pek çok derin ve karanlık gizli projeler sivil bilim tarafından onlarca yıldır ve hatta yüzlerce yıldır araştırılıp geliştirilmektedirler. 1895’de küçük buluşlar büyük olaylara yol açardı. Nikola Tesla’nın göze batan ilk çalışması manyetik alanların döndürülmesi çalışmasıdır. Göze batan diğer bir çalışması da radyo frekansları ve elektrik enerjisinin atmosferde gönderilmesi çalışmalarıdır. Teslanın bu basit buluşu yıllar sonraki entrikalar, korkular ve felaketlerle anılan Philadelphia Deneyi ve Montauk zaman yolculuğu projelerine yol gösterecektir. Fakat bu top secret programlar bundan yıllar evvel ortaya çıkmıştı. Tesla zaman ve zaman yolculuğu üzerinde gerçeğe ulaşılabilecek çalışmalarda bulunmuştur. Tesla, yüksek voltajlı elektrik ve manyetik alanlar kullanarak yaptığı çalışmalarda zamanın ve uzayın yarılabileceğini veya çarptırılabileceği ve böylece de diğer zaman boyutlarına kapı açılabileceğini gördü. Bu muazzam buluşun yanında, Tesla tehlikelerle dolu olan zaman yolculuğunu buldu. Tesla’nın zaman yolculuğuyla ilgili ilk çalışmaları 1895 Mart’ında başladı. New York Herald’dan bir gazeteci 13 Mart’ta gazetede şunları yazmıştır: Tesla ile küçük bir kafede tanıştık. 3.5 milyon voltluk elektriğe kapıldıktan sonra benimle el sıkıştı ve ” bu gece size iyi bir arkadaş olamayacağım. Az kalsın ölüyordum. Bir kıvılcım 3 fit öteden geldi ve beni sol omzumdan çarptı. Yardımcım akımı kapamasaydı ölmüş olurdum herhalde.” Tesla yankısal elektromanyetik yüklemeye maruz kaldı. Aynı zaman dilimi içinde kendini dışarıda buldu. Söylediğine göre geçmişi bugünü ve geleceği hepsini bir anda gördü. Fakat elektromanyetik alandan dolayı felç oldu ve kendine yardım edemeyecek bir hale geldi. Asistanı akımı keser kesmez Tesla’ya bir şey olduğunu anladı. Bu durum yıllar sonra Philadelphia Deneyi sırasında da olmuştu. Aslında gemicilerin başına gelen olay daha uzun sürmüştü ve sonu da felaktlerle bitmişti. Tesla’nın gizli deneyi Tesla kadar insancıl olmayan ellerde devam etti. Tesla’nın araştırmalarıyla ilgili bu kötü dedikoduları bir yana bırakıyoruz, umarım bir gün bu sırlar doğru bir şekilde tamamen ortaya çıkar.
Kişisel yaşamı
Nikola Tesla görünüş olarak narin yapılı, beyaz tenli, mavi gözlü ve dalgalı kahverengi saçlıydı. Her zaman resmi giyinmesi ilgi çekici bir özelliğiydi.
Nicola Tesla saplantılı biriydi, garip huyları ve fobileri vardı. İşlerini üçerli gruplar halinde yapardı, ve numarası üçe tam bölünebilen bir otel odasında kalmak konusunda ısrarcıydı. Nicola Tesla mücevherden, özellikle inci küpelerden iğrenirdi. Temizlik ve hijyen konusunda çok titizdi. Yuvarlak nesnelere ve kendisininki dışında insan saçına dokunmaktan hoşlanmazdı. Aynı zamanda inanılmaz bir hırsa sahipti, başladığı işi bitirmeden rahat uyuyamadığını söylemekteydi.
Nicola Tesla güvercinlere özel bir ilgi duyardı. Parkta beslediği güvercinler için özel yemler sipariş eder ve güvercinlerin bazılarını otel odasına getirirdi. Hayvanları severdi.
Resmi yemekler dışında her zaman yalnız başına yemek yerdi, ve hiçbir koşul altında bir bayanla tek başına yemek yemezdi.
Nicola Tesla hiç evlenmedi. Bekar ve aseksüel olmasının bilimsel yeteneklerine yardımcı olduğunu düşünüyordu.
Kolay öfkelenen Nicola Tesla ile, Thomas Edison Waterside Enerji Tesisi ve Allis Charmes Fabrikasındaki araştırmalarında onunla çalışan bazı mühendis ve yardımcıları arasında ortaya çıkan sürtüşme, aleyhine oldu. Bugün, düz rotorlu Nicola Tesla türbinlerinin sonucu hakkında hiçbir bilgimiz yoktur.
Yıllar geçtikçe, ondan, gittikçe daha az haber alınmaya başlandı. Bazen gazeteci ve biyografi yazarları onu arayıp röportaj yapmak istiyorlardı. Gittikçe garipleşti, gerçeklerden uzaklaştı, aldatıcı hayalciliğe yöneldi. Not alma alışkanlığı edinmemişti. Her zaman tüm araştırma ve deneylerine ait tüm bilgiyi aklında tutabildiğini iddia ve ispat etti. 150 yıl yaşamaya kararlı olduğunu ve 100 yaşının üstüne eriştiği zaman, araştırma ve deneyleri sırasında topladığı bütün bilgiyi etraflıca anlatarak, anılarını yazacağını söyledi. II. Dünya Savaşı sırasında öldüğü zaman, kasasına askeri yöneticiler el koydular ve kayıtların cinsine ait herhangi bir şey duyulmadı.
Nicola Tesla'nın kendine özgü bir tutarsızlığı da, kendisine iki şeref unvanı verildiği zaman ortaya çıktı. Birini reddetti. 1912'de Nikola Tesla ve Thomas Edison'un 40.000 $'lık Nobel Ödülü'nü paylaşmaya seçildikleri açıklandı. Nicola Tesla, bu ödülü de reddetti. Her nasılsa, Thomas Edison'u sevenler tarafından kurulan AIEE Edison madalyasını 1917'de Nicola Tesla'ya layık görüldüğünde, bunu kabul etmeye yanaşabildi.
...Beş duyusunun aşırı hassalaşması ve bundan dolayı çektiği sıkıntılar konusunda şöyle demiştir; "Yakından ve uzaklardan gelen kükreyen sesler beni korkuya sürüklüyordu ve bunların ne olduğunu bir türlü ayırt edemiyordum. Güneş ışınlarının önü periyodik olarak kesildiğinde bu beynim üzerinde öylesine büyük bir güç alanı yaratıyordu ki kendimden geçiyordum. Bir köprü ya da bunun gibi bir yapının altından geçebilmek için tüm irademi zorlamam gerekiyordu çünkü kafatasım üzerinde dayanılmaz bir basınç hissediyordum. Karanlıkta bir yarasa kadar duyarlı olabiliyordum, metrelerce uzaklıktaki bir nesnenin varlığını alnımda hissettiğim bir ürperti sayesinde fark edebiliyordum...
Tesla'nın hisleri oldukça kuvvetliydi. Birçok kere alevler çatırdamaya başlar başlamaz uykusundan uyanarak komşularını kendi evlerinde çıkmak üzere olan yangınlardan kurtarmıştı. Kırk yaşlarında, Colorado'da bir şimşek deneyi üzerinde çalışırken neredeyse bin kilometre ötedeki gök gürlemelerini duyduğunu iddia etmişti, asistanları ise ancak üç yüz kilometre uzaklıktakileri duyabiliyorlardı. Ama hastalığı sırasında hissettikleri tesla'nın bile standartlarının üzerindeydi. Birkaç oda uzaklıktaki bir saatin tik tak seslerini bile duyabiliyordu. Odasında dolanan bir sineğin vızıltısı kulak zarlarını patlatacak gibi oluyordu. Birkaç kilometre öteden geçen bir at arabası neredeyse bütün vücudunu titretiyordu. Elli kilometre öteden geçen bir trenin düdüğü oturduğu sandalyeyi öylesine titretiyordu ki duyduğu acı dayanılmaz oluyordu. Ayaklarının altındaki zemin sürekli oynuyordu. dinlenebilmek için yatağının altına kauçuk minderler koyuyordu.
Nikola Tesla ve Thomas Edison
Nicola Tesla'nın aradığı fırsat ve şans kolayca eline geçmedi. O zamanlar New York'da Pearl caddesindeki ilk laboratuvarında akkor lambası için pazar aramakla meşgul olan Thomas Edison'a rastladığı zaman Nicola Tesla, gençlik heyecanıyla, kendisinin bulduğu alternatif akım sisteminin açıklamasını yaptı. Bu düşünceyi derhal ve tamamen kestirip atan o büyük adam, "Sen teori üzerinde vaktini harcıyorsun" dedi.
Edison ile aralarında olan anlaşmazlıklar hep anlatılmaktadır. Bazı kaynaklarda geçerliliği ispatlanmasa da Edison'un Tesla'nın projeleri çaldığı iddia edilir.
Tesla, Edison’un ofisine gider ve kendisiyle tanışarak yanındaki tavsiye mektubunu verir. Mektupta şöyle yazmaktadır: “Dostum Edison; iki büyük adam tanıyorum ve biri sizsiniz. Diğeri ise bu genç adam!”. Edison’a çalışmalarından ve AC akım planından bahseder. Edison AC fikriyle fazla ilgilenmez. Edison ve Tesla’nın benzer birçok özelliği vardır. Her ikisi de kısa uyku molaları ile günlerce aralıksız çalışabilmektedir. En büyük farkları ise; Tesla ilham ve imajinasyon yoluyla buluşlarını gerçekleştirmektedir, Edison ise deneme-yanılma yoluyla. Tesla, Edison tarafından kendisine verilen görevi birkaç ay içinde tamamlar. DC santralindeki sorunları çözmüştür. Edison’un kendisine söz verdiği ücreti talep ettiğinde, Edison şaşırmış bir şekilde “tam bir Amerikalı gibi düşünmeye başladığında Amerikan şakalarından da anlayabileceğini” söyler ve bir ücret ödemez. Tesla derhal istifa eder. Kısa süren birlikte çalışma dönemini, uzun süreli bir rekabet izleyecektir.
Nikola Tesla ve J.P. Morgan
1904 Mart'ı, Elektrik Dünyası ve Mühendisliği Dergisinde, Nicola Tesla, Kanada Niyagara Enerji firmasının telsiz enerji iletimi sistemini uygulamasını istediğini ve bunun için 10 milyon Volt'luk gerilimde 10.000 beygir gücü dağıtabilecek bir sistem kullanmayı istediğini açıkladı.
Niyagara Projesi kağıt üzerinde belirtilen gibi asla gerçekleşmedi fakat küçük bir bir elektrik santrali kuruldu. Fakat, gösterişli Long Island'ın kaderine etki yaptı.
Tesla ‘ nın en önemli projesi Kablosuz Enerji İletişimi idi..20 adet ampulü kablo olmadan 25 mil uzaktan yakabildiği kayıtlara geçmiştir..
Nicola Tesla, ilk defa elektriğin bir kaynaktan çevreye yayılarak kablosuz ve çok yüksek miktarlarda iletimi söylemiştir. Kağıt üstünde bunu ispatlayan Nicola Tesla daha sonra yaptığı deneylerle de bunu göstermiştir. Kendisinin elinde kablosuz yanan bir ampül tutan fotoğrafı bulunmaktadır. Bu projenin patentini aldıktan sonra Nicola Tesla'nın en büyük destekçisi J.P. Morgan bu kablosuz enerji iletimi ile şirketin ekonomisinin batacağını anlamış ve finansman desteğini kesmiştir. Eğer destek o gün kesilmeseydi, günümüzde insanlar elektriği ücretsiz bir şekilde kablosuz olarak kullanabilecekti.
Öngörü Yeteneği
Bu sırada Nicola Tesla (1904), Mors koduyla sınırlı olan büyük endüstrinin geleceğine ait, uzak görüşünü açıklayan kuramsal broşürünü yayınladı. Bu broşür, Nicola Tesla 'nın kahin olduğuna herkesi inandırdı. "Dünya çapında telsiz sistemi"nde, çeşitli olanakları sağlayacak olan özellikler açıklanıyordu. Broşürde, Telgraf, Telefon, haber yayını, Borsa görüşmeleri, Deniz-Hava trafiğine yardım, Eğlence ve Müzik yayını, saat ayarı, Resimli Telgraf, Telefoto ve Teleks hizmetleri ile, Nicola Tesla'nın sonradan oluşumunu gördüğü Radyo sitesi anlatılıyordu..
Ölümü ve Sonrası
Sıradışı bir karaktere sahip olan Tesla, para yönetiminde hiçbir zaman başarılı olamadı. Hayatının son yıllarını boçlarından kaçmak için sürekli otel değiştirerek geçirdi. 7 Ocak 1943 tarihinde 86 yaşındayken New Yorker Oteli'nin bir odasında kalp yetmezliği sebebiyle hayata veda etti. Ölmeden önce teleforce silahı adını verdiği bir çalışma yürütmekte olan Tesla'nın bütün dokümanlarına ABD hükümeti tarafından el konuldu.
Nikola Tesla müzesi Belgrad, Sırbistan
Nicola Tesla ile ilgili bir teori
Nicola Tesla'nın çalışmalarına göre daha önce belirtildiği gibi elektromanyetik dalgalar ile enerji transferi mümkündür. Aynı zamanda bu dalgalar çeşitli iklim değişiklikleri ve depremler meydana getirebilir. Bu deneyler günümüzde bir çok doğa olayının arkasında birilerinin bu deneyler üzerinde çalışmadığını düşünmeyi gerektirmektedir. Belki elektrik alanında bu kadar otorite birinin günümüzde çok az tanınmasının nedeni tanınmasının istenmemesidir. Eğer FBI, Nicola Tesla'nın bütün formüllerini ve çalışmalarını halka açıklasaydı bu şekilde belki de tsunami, ani iklim değişiklikleri ve bunun gibi olaylar açıklanabilir, arkasında kimler olduğunu öğrenilebilirdi.
... Askeri haberalma’daki yıllarımda Tesla’nın çılgın fikirlerini temel alan bazı top secret çalışmalara ve araştırmalara şahit oldum. Amerika ve Rusya 1970lerin başından beri zerre ışınlı RF (radyo frekansı) silahlarını kullanıyorlar. Tıpkı Teslanın diğer çalışmalarını dünyanın kullandığı gibi....
ABD Savunma Bakanı genel sekreteri William Cohen, 28 Nisan 1997 tarihinde,
Georgia Üniversitesi'nde
"Terörizm, Kitle İmha Silahları, Kitlesel İmha ve ABD Stratejisi" üzerine konferansta aşağıdaki sözü söylemiştir;
... Bazılarının; elektromanyetik dalgalar yolu ile iklimleri değiştirme, depremler yaratabilme , volkanları harekete geçirebilme yeteneğine sahip silahlar geliştirdiğini biliyoruz...
