Elektrik ve Manyetizma-2: Devreler

Elektrik Devreleri

Bir elektrik enerjisi kaynağının bir kutbundan diğer kutbuna elektrik yüklerinin akışını sağlayan iletken yola elektrik devresi denir.

Bir elektrik devresinde devre elemanları adı verilen ve birbirlerine iletken kablolarla bağlanan pil, ampul ve anahtar gibi elemanlar bulunur.

Kısa Devre

Akımın dirençsiz yolu tercih etmesine kısa devre denir.

Şekildeki devrede K anahtarı kapatılırsa akım dirençsiz yoldan geçer ve lamba söner.

Bozulmuş lamba açık anahtar gibi davranır. Bir kol üzerinde, ışık vermekte olan bir lamba bozulursa bu koldan artık akım geçmez. Bu kol üzerinde başka lamba varsa bunlar da ışık vermez.

Lambaların devrede takılmış olduğu aparatlara "duy" denir. Bir kol üzerinde, ışık vermekte olan bir lamba duyundan sökülürse duy artık açık anahtar gibi davranır. Bu koldan artık akım geçmez.

Şekildeki devrede üreteçten çıkan akım A ve B gibi iki kola ayrılır. K, L ve M lambaları üzerinden geçen bu akımlar lambaların ışık vermesini sağlar. K lambası bozulursa ya da duyundan çıkartılırsa akım artık A kolundan geçemez ve L lambası da söner. M lambası ışık vermeye devam eder.

Ampermetre Ve Voltmetrenin Devredeki Durumu

Ampermetre devreye seri, voltmetre ise paralel bağlanır.

İdeal bir ampermetrenin direnci sıfır kabul edilir. Ampermetre üzerinde potansiyel fark oluşmaz. İdeal bir voltmetrenin direnci sonsuz kabul edilir. Voltmetre üzerinden akım geçmez.

Ohm Yasası

Ohm yasası, bir elektrik devresinde iletkenin direnci, potansiyel farkı ve akım değeri arasındaki ilişkiyi belirler.

Bir iletkenin potansiyel farkı arttıkça akımı da aynı oranda artar. Potansiyel farkının, akıma oranı sabittir ve bu sabit, iletkenin direncine eşittir.

\[V=i.R \]

R: Direnç (ohm), V: Potansiyel farkı (volt), i: Akım şiddeti (amper)

Elektrik çarpması, insan vücudunda çeşitli zararlara neden olabilir. 40 volt tehlike sınırı olarak kabul edilir. Evlerimizdeki şehir elektriğinin 220 volt olduğunu düşündüğümüzde çok dikkatli olmamız gerekir.

0,01A akım hissetme sınırıdır. 0,01A-0,02A akım ise acı vermeye başlar. 0,02A-0,1A ise elektrik çarpması aralığıdır. 0,1A-0,2A akıma maruz kalan kişilerde kalp durması ya da şok nedeniyle ölüm meydana gelebilir. 0,2A'dan daha büyük akımlar ise çok ciddi yanıklara ve ölüme neden olur.

Dirençlerin Bağlanması

Dirençler iki tür bağlanır. Bunlar;

Seri bağlama ve
Paralel bağlamadır.

Bir devredeki dirençlerin açığa çıkardığı enerjiyi, aynı şartlarda tek başına açığa çıkartan dirence, diğer dirençlerin eş değer direnci denir.

Seri Bağlama

Dirençlerin uç uca bağlanmasıyla elde edilen bağlanma şekline seri bağlama denir.

Seri bağlı dirençlerden geçen akım şiddetleri eşittir.
- \(i=i_1=i_2=i_3\)
Seri bağlı dirençlerin uçları arasındaki potansiyel farkların toplamı, eş değer direncin uçları arasındaki potansiyel farka eşittir.
- \(V=V_1+V_2+V_3\)
Her bir direnç ve eş değer direnç için Ohm kanunu ayrı ayrı yazılabilir.
- \(V_1=i.R_1; V_2=i.R_2; V_3=i.R_3; V=i.R_{es}\)
Eş değer direncin büyüklüğü dirençlerin büyüklüklerinin cebirsel toplamına eşittir.
- \(R_{es}=R_1+R_2+R_3\)

Seri bağlı dirençlerin eş değeri, devredeki en büyük dirençten daha büyüktür.

Bir devrenin ana koluna bir direnç seri olarak eklendiğinde devrenin eş değer direnci artar, ana kol akımı azalır.

\(V=i.R\) denkleminde eğer R nin değeri artarsa, i nin değeri aynı voltaj için daha az olur.

Devre elemanlarının seri ya da paralel olması geometrik anlamda seri ya da paralel olmayı belirtmez, birbirlerine bağlanma yöntemini belirtir.

Elektrik devrelerinde dirençler için iki değer belirlenir. Bunlar akım ve potansiyel farktır.

Seri bağlı dirençlerin,

Akım değerleri aynıdır.

Potansiyel fark değerleri, direnç değerleri ile doğru orantılıdır.

Paralel Bağlama

Birer uçları bir noktada, diğer uçları da başka bir noktada olacak şekilde yapılan bağlama şekline paralel bağlama denir.

Her bir direnç ve üreteç K ve L noktalarına bağlı olduğu için dirençlerin uçları arasındaki potansiyel fark, üretecin uçları arasındaki potansiyel farka eşittir.
- \(V=V_1=V_2=V_3\)
Anakol akımı, K noktasında kollara ayrılan akımların toplamına eşittir.
- \(i=i_1+i_2+i_3\)
Devrenin eş değer direncinin tersi, dirençlerin terslerinin toplamına eşittir.
- \(1/R_{es}=1/R_1+1/R_2+1/R_3\)
Dirençlerin ve eş değer direncin her biri için Ohm kanunu yazılabilir.
- \(V=i_1.R_1; V=i_2.R_2; V=i_3.R_3; V=i.R_{es}\)

Paralel bağlı dirençlerin eş değeri, devredeki en küçük dirençten daha küçüktür.

Bir devrede, paralel bağlı direnç sayısı arttıkça devrenin eş değer direnci azalır, ana kol akımı artar.

\(V=i.R\) de R azalırsa i artar.

Elektrik devrelerinde dirençler için iki değer belirlenir. Bunlar akım ve potansiyel farktır.

Paralel bağlı dirençlerin,

Potansiyel fark değerleri aynıdır.

Akım değerleri, direnç değerleri ile ters orantılıdır.

Direnç.Akım çarpımları birbirine eşittir.

Paralel bağlı R_1 ve R_2 dirençlerinin eş değeri pratik olarak aşağıdaki bağlantı ile bulunur.

\[R_{es}=\frac{R_1.R_2}{R_1+R_2} \]

Seri ve Paralel Bağlamaların Avantaj ve Dezavantajları

Seri bağlanmış devre elemanlarından biri zarar görerek akım geçirmez duruma geldiğinde diğer seri elemanların da çalışmasını engeller.
Seri bağlı ampullerden biri patladığında tüm ampüller söner, hangi ampulün yandığının tespit edilmesi güçleşir.
Devre elemanları paralel bağlandıklarında üreteçten faha fazla akım çekilmesine neden olur. Bu durumda pil gibi belirli bir kapasitesi olan akım kaynakları daha kısa sürede tükenir.
Paralel bağlı devre elemanlarının birinin zarar görerek akım geçirmemesi durumunda, seri bağlamanın tersi olarak diğer elemanlar iş görmeye devam eder.

Örnekler

Üreteçlerin Bağlanması

Elektrik devrelerinde gerekli gerilimin oluşturulabilmesi için üreteçler paralel ya da seri bağlanabilir.

Üretecin birim yük için ürettiği enerjinin bir kısmı kendi iç direncinde harcanır. (ısıya dönüşür)

Üreteçlerin iç direnci onların verimini düşürür. İç dirençleri arttıkça verimleri azalır.

Seri Bağlama

Ardışık bağlamadır. Büyük akım gerekli olduğu durumlarda daha büyük potansiyel fark oluşturmak için üreteçler seri bağlanır.

Üreteçlerin elektromotor kuvvetlerinin cebirsel toplamı, toplam elektromotor kuvvetine eşittir.
- \(\xi_T=\xi_1+\xi_2+\xi_3\)
Seri bağlanan üreteçlerden geçen akım şiddetleri eşittir. Üç üreteç seri bağlandığında ana kol akımı 3 amper ise her bir üretecin devreye verdiği akım 1 amper değil 3 amperdir.

Ters Bağlama

İki üretecin "+" kutupları ya da "-" kutupları yan yana olacak şekilde yapılan ardışık bağlamadır.

Toplam elektromotor kuvvet; elektromotor kuvvetlerin farkına eşittir. Akım, elektromotor kuvveti büyük olan üretecin "+" kutbundan çıkacak yöndedir.
- \(xi_T=|(\xi_1+\xi_2)-\xi_3|\)

Paralel Bağlama

Elektromotor kuvvetleri \(\xi\), iç direnci r olan "özdeş üreteçler"in "+" kutupları bir noktada, "-" kutupları da başka bir noktada olacak biçimde yapılan bağlamadır.

Üreteçlerin toplam elektromotor kuvveti, bir üretecin elektromotor kuvvetine eşittir.
- \(\xi_T=\xi\)
Üreteçlerin her birinden çekilen akımların toplamı, ana kol akımına eşittir. Üç üreteç paralel bağlandığında ana kol akımı 3 amper ise her bir üretecin devreye verdiği akım 1 amperdir.

Piller paralel bağlandığında her birinden çekilen akım azalacağından piller daha uzun süre güç verebilir.

Örnekler

Dirençlerin eş değeri düşünüldüğünde seri bağlı üreteçlerde eş değer direnç büyük, paralel bağlı üreteçlerde eş değer direnç düşük olur. Bu durumda üreteçlerin seri bağlanmasında verimi düşük, paralel bağlanmasında verimi yüksek olur.

Pillerin Tükenme Süresi

Pil, batarya ya da akümülatör kimyasal enerjiyi elektriksel enerjiye dönüştürür. Pilin ömrü bu enerjinin kullanılma süresine ve kullanılma süresine göre değişir.

Pillerin tükenme süresi, pillerden geçen akımla ters orantılıdır.
Pillerin tükenme süresi birçok etkene bağlı olduğu için ancak özdeş pillerin tükenme süresi karşılaştırılabilir.
Şekildeki devrelerden geçen akımlar i ve 2i olduğu için K pili 2t sürede tükeniyorsa L ve M pilleri t sürede tükenir.
Şekildeki devrelerde pillerden çekilen akımlar i ve 0,5i dir. K pili t sürede tükeniyorsa L ve M pilleri 2t sürede tükenir.
Özdeş dirençler ve iç direnci önemsiz özdeş üreteçlerle A ve B devreleri kurulmuş olsun. A'da toplam emk \(2\xi\), B'de \(\xi\)'dur. A'da akımı 2i ise B'de i'dir. A'da her iki üreteçten de 2i akım çekilirken, B'de üreteçlerden 0,5i akımları çekilir. Bu durumda A'daki üreteçler t sürede tükenirse B'dekiler 4t sürede tükenir.