Elektrostatik-1: Elektrik Yükleri ve Elektriklenme Çeşitleri

Elektrik Yükleri

Durgun elektrik yükleri arasındaki etkileşimleri inceleyen fizik konusuna elektrostatik denir.

Maddenin temel yapı taşı olan atom; proton, nötron ve elektronlardan oluşur.
Atom ve dolayısıyla atomlardan oluşan madde nötr olma eğilimindedir. Atom, çekirdekteki pozitif yüklü protonları negatif yüklü elektronlarla dengeler.

Elektron sayısının, proton sayısından fazla ya da az olması durumunda elektrik yükü ortaya çıkar.
Elektron sayısının proton sayısından fazla olması durumunda yük negatif, az olması durumunda ise yük pozitif olur.
Elektron sayısının proton sayısına eşit olduğu durumda atom nötrdür.
Elektriğin kaynağı, atomun yapısındaki elektron ve proton adı verilen parçacıklardır.
Doğada bulunan en küçük yük elektron yüküdür. Bu nedenle bir elektron yükü elementer yük (e.y) ya da birim yük olarak tanımlanır.
Yük q ve Q ile gösterilir.
SI da yük birimi Coulombdur ve C birim sembolü ile gösterilir.

Birim yük (elementer yük) \(1,6.10^{-19}C\) olarak belirlenmiştir.

Elektronun yükü e sembolü ile gösterilir.
Elektronun yükü negatif değerde olup, aynı büyüklükte yüke sahip olan proton pozitif yüklüdür.
Yüklü cisimlerin üzerindeki net yük; -2e, 2e, -3e... şeklinde elektron yükünün tam sayı katları kadardır.
Atomdan elektron koparılması ya da bir atomun dışarıdan elektron alması, atom çekirdeğinden proton sökülmesiyle kıyaslandığında çok daha kolaydır. Bu nedenle atomun yüklenmesi çekirdek etrafında bulunan elektronlarla gerçekleşir.

Aynı cins yüklü cisimler birbirini iter, zıt yüklü cisimler birbirlerini çekerler. Nötr cisimler birbirine itme ya da çekme kuvveti uygulamaz, fakat yüklü cisimler nötr cisimleri çekebilir.

Elektrik iletkeni ve yalıtkanı

Elektrik yüklerinin (serbest elektronların), üzerinde kolayca hareket ettiği yani elektrik yüklerini ileten cisimlere elektrik iletkeni denir.
Metaller iyi elektrik iletkenidir. Toprak ve insan vücudu elektrik yüklerini iletir.
Elektrik yükünü iletmeyen cisimlere elektrik yalıtkanı denir.
Kuru tahta, cam, mika, plastik gibi maddeler elektriği iletmez ve yalıtkandırlar.

Elektrikle Yüklenme

Bir cismin elektrikle yüklenmesi için cisimde "-" yük ya da "+" yük fazlalığı olması gerekir. Buna göre cisimler;

Sürtünme ile elektriklenme
Dokunma ile elektriklenme
Etki ile elektriklenme

yollarından biri ile elektriklenebilir.

Sürtünme İle Elektriklenme

Birbirine sürtünen uygun seçilmiş nötr cisimlerin birinden diğerine elektron geçer.

Elektron alan cisim negatif, veren cisim ise pozitif ile yüklenir.
Nötr cam çubuk, nötr ipek kumaşa sürtündüğünde cam çubuktan kopan elektronlar ipek kumaşa geçer. Cam pozitif, ipek negatif ile yüklenir.
- Ebonit ile yün sürtünürse, ebonit negatif, yün pozitif yük ile yüklenir.

Sürtünme ile elektriklenen cisimler zıt ve eşit miktarda yüklenir.

Elektrik ile yüklenme çeşitleri incelendiğinde kapalı bir sistemin toplam elektrik yükünün sabit olduğu görülür. Yükün korunumu kanunu olarak bilinen bu kanuna göre herhangi bir kapalı sistemdeki yüklerin cebirsel toplamı daima sabittir.

Sürtünerek elektriklenen cisimler genelde yalıtkan cisimlerdir. İletken cisimler sürtünme ile elektrikleniyor olsa da uygun koşullarda iletken üzerindeki yükler bir yere akabilir ve iletken elektriklenmeyebilir.

Dokunma İle Elektriklenme

Birbirine dokundurulan elektrik yüklü iletken cisimler toplam yükü paylaşır. Paylaşım sırasında negatif yükler hareket eder.

Dokunma sonrası cisimlerin yük işareti aynı olur. Yani cisimler zıt yükle yüklenemez. Eğer cisimler birbirine dokundurulmadan önce cisimlerin yüklerinin toplamı sıfır ise dokunma sonrası cisimler nötr olur.
Birbirine dokundurulan cisimler iletken küre ise toplam yük kürenin yarıçapları ile doğru orantılı olarak paylaşılır.

k cisminin yeni yükü, cisimlerin toplam yükünün cisimlerin toplam yarıçapına bölümünün, cismin yarıçapı katıdır.

Dokundurularak elektriklenen cisimler genelde iletken cisimlerdir. Cisimlerin yalıtkan olması durumunda cisimler arasında yük geçişi olmayabilir.

Cisimler arasındaki yükün, cisimlerin kapasiteleri oranınca paylaşılması, cisimlerin iletken olması durumunda mümkündür. Cisimler iletken olduğunda elektrik yükleri birbirlerine kolayca iletilir.

Eğer iki cismin yüklerinin pozitif mi negatif mi olduğu bilinmiyorsa, bunlar birbirine dokununca elektron akışının hangi yönde olduğu bilinemez.

Etki İle Elektriklenme

Etki ile elektriklenme olayında cisimler birbirine temas etmez. Yüklü bir cisim, yüksüz bir "iletkene" yaklaştırıldığında bu iletken üzerindeki serbest elektronlar yüklü cisim tarafından çekilir ya da itilir. Bu durumda iletken cisim üzerinde negatif yükler ve pozitif yükler birer uçta toplanmış olur. Buna etki ile elektriklenme denir.

Pozitif yüklü x küresi nötr, iletken y çubuğuna yaklaştırıldığında Y deki serbest elektronlar Y nin K ucuna doğru çekilir. Elektronların terk ettiği L ucunda ise pozitif yükler açığa çıkar.
- Yüklü cisim uzaklaştırıldığınd ayani elektriksel etkileşme ortadan kaldırıldığında bölgesel yüklenme de ortadan kalkar.
- Cisimler, yüklü cisim ortadan kaldırılmadan birbirlerinden uzaklaştırıldığında, X cismi negatif, Y cismi pozitif yüklü hale gelir.

Etki ile elektriklenen cisimlerin toplam yük miktarı değişmez.
Etki ile elektriklenmede, uçlarda biriken pozitif ve negatif yük miktarları birbirine eşittir ve kütleden bağımsızdır.

Yüklü bir cisim, yüksüz iletken cisim üzerinde yük kutuplanmasına sebep olur ve nötr cismi kendine çeker.

Eğer çekilen cisim yüklü cisme dokunursa ikisi de aynı cins yükle yüklenir ve birbirini iter.

Etki ile elektriklenme olayı yalıtkan cisimlerde de gerçekleşir. Plastik tarağın kağıtları çekmesi buna örnektir.

Topraklama

Elektrik yüklü cisimlerin bir iletkenle toprağa bağlandığında nötrlenmesine topraklama denir.

Topraklama sonucunda cisim nötr hale gelir.
Negatif yüklü cisim topraklandığında fazla elektronlar toprağa akar ve cisim nötr hale gelir.
Pozitif yüklü cisim topraklandığında elektronlar topraktan cisme akar ve cisim nötr hale gelir.

Toprak bağlantılı iletken nötr L küresine negatif yüklü K cismi yaklaştırıldığında L den toprağa negatif yükler akar, L üzerinde K ye yakın bölgede pozitif yük fazlalığı oluşur.

Topraklanan iletken bir cisim elektriksel bir etki altında değil ise nötrdür.

Topraklanan yalıtkan bir cisim nötr olmayabilir.

Yıldırımların zararını önlemek için topraktan bulutlara ya da bulutlardan toprağa elektron akışını güvenli, iletken yol üzerinden sağlayan düzeneklere paratoner denir.
Yükler daima sivri kısımlarda bulunmak ister. Yani sivri kısımlardaki yük yoğunluğu diğer bölgelere göre daha fazladır.
Yüklü ve iletken cisimlerin fazlalık olan yükleri daima dış yüzeylerinde bulunur. Bunun nedeni aynı işaretli yüklerin birbirini iterek birbirlerinden mümkün olduğu kadar uzaklaşmak istemeleridir. Bundan dolayı iletkenle çevrili olan ve Faraday kafesi olarak bilinen düzenekler elektrikle yüklendiğinde iç bölgeler elektrikten etkilenmez.

Elektrik yüklü içi boş, iletken küre içine dokundurulan iletken ve nötr bir cisim elektrikle yüklenmez.
İçi boş kürenin içine dokundurulan iletken cisim elektrikle yüklü ise nötr hale gelir.
Negatif yüklü L küreciği nötr, içi boş iletken K küresinin içine sarkıtılırsa K küresi etki ile etkilenir ve elektriklenir. Kürenin iç yüzeyi pozitif, dış yüzeyi ise negatif yükle yüklenir.