Elektrostatik

Bu konuda ne öğreneceksin

Kazağı çıkarırken çıtırtı sesi duyar, saçını tarağa değdirince saçının havalandığını görürsün. Bulutlardan yıldırım düşer. Bunların hepsi durgun elektrik yüklerinin sonucudur. Elektrostatik, hareket etmeyen (durgun) elektrik yüklerini ve aralarındaki kuvvetleri inceler. Bu konuda elektrik yükünü, yükleme yöntemlerini, iletken ve yalıtkanı, Coulomb yasasını, elektrik alanını ve elektroskobu öğreneceksin.

1. Elektrik yükü

Maddeyi oluşturan atomlarda proton (pozitif), elektron (negatif) ve nötron (yüksüz) bulunur. Proton ve elektronun yük miktarı aynı büyüklüktedir:

$e = 1{,}6 \cdot 10^{-19}\ \text{C}$

(C: kulon). Yük birimi kulon (C)’dur.

• Bir cisimde proton ve elektron sayısı eşitse cisim **nötr (yüksüz)**dür.
• Elektron kaybeden cisim pozitif, elektron kazanan cisim negatif yüklenir.
• Yalnızca elektronlar hareket eder, protonlar çekirdekte kalır. Yani yük aktarımı elektron aktarımıdır.
• Bir cismin yükü $q = n \cdot e$ biçimindedir (n tam sayı): yük kuantumludur.

Yük korunumu: Yalıtılmış bir sistemde toplam yük değişmez. Yük yoktan var olmaz, vardan yok olmaz, yalnızca bir cisimden diğerine geçer.

Etkileşim: Aynı işaretli yükler iter, zıt işaretli yükler çeker. Yüksüz cisimler yüklü cisimler tarafından çekilir (etki ile yüklenme sonucu).

2. İletken ve yalıtkan

İletken küreye yük verilirse yükler birbirini ittiği için yüzeye dağılır. Yalıtkan cisme verilen yük, verildiği noktada kalır.

3. Yükleme yöntemleri

Sürtünme ile yükleme: İki yalıtkan cisim birbirine sürtülünce elektron bir cisimden diğerine geçer. Biri pozitif, diğeri negatif yüklenir. Her iki cisim zıt işaretli ve eşit büyüklükte yüklenir.

Dokunma ile yükleme: Yüklü bir iletken, başka bir iletkene dokunursa yük paylaşılır. Aynı boyutlu (özdeş) iletken kürelerde toplam yük eşit bölüşülür.

Örnek. $+8\ \text{µC}$ ve $-2\ \text{µC}$ yüklü özdeş iki küre dokundurulursa toplam yük $+6\ \text{µC}$’dir. Ayrıldıklarında her biri $\dfrac{+6}{2} = +3\ \text{µC}$ yüklü olur.

Etki (indüksiyon) ile yükleme: Yüklü bir cisim, bir iletkene dokunmadan yaklaştırıldığında iletkendeki yükler ayrılır. Yakın uçta zıt işaretli, uzak uçta aynı işaretli yük toplanır. Uzak uca dokunularak (topraklama) elektron alınıp verilirse, iletken zıt işaretle yüklenir.

4. Elektroskop

Elektroskop, bir cismin yüklü olup olmadığını ve yükün işaretini anlamaya yarayan alettir. Metal topuz, çubuk ve iki ince metal yapraktan oluşur.

• Yüksüz elektroskopta yapraklar kapalıdır.
• Yüklü bir cisim topuza yaklaştırılırsa ya da dokundurulursa yapraklar aynı işaretle yüklenir ve birbirini iterek açılır.
• Yapraklar ne kadar çok açılırsa yük o kadar büyüktür.

Örnek. Yüksüz elektroskoba pozitif yüklü çubuk dokundurmadan yaklaştırılırsa topuz negatif, yapraklar pozitif olur ve yapraklar açılır. Çubuk uzaklaştırılırsa yapraklar kapanır (geçici yükleme).

5. Coulomb yasası

İki nokta yük arasındaki elektriksel kuvvet, yüklerin çarpımı ile doğru, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır:

$F = k \frac{q_1 q_2}{d^2}$

Burada $k = 9 \cdot 10^9\ \text{N·m}^2/\text{C}^2$ olup $F$ newton, $q$ kulon, $d$ metre cinsindendir.

Sonuçlar:

• Yüklerden biri 2 katına çıkarsa kuvvet 2 katına çıkar.
• Uzaklık 2 katına çıkarsa kuvvet $\dfrac{1}{4}$’üne iner. Uzaklık 3 katına çıkarsa $\dfrac{1}{9}$’una iner.
• Kuvvetler etki-tepki çiftidir: Kütle ve yük ne olursa olsun eşit büyüklükte, zıt yönlüdür.

Örnek. $q_1 = 2\ \text{µC}$, $q_2 = 3\ \text{µC}$, $d = 30\ \text{cm} = 0{,}3\ \text{m}$:

$F = 9 \cdot 10^9 \cdot \frac{2 \cdot 10^{-6} \cdot 3 \cdot 10^{-6}}{0{,}3^2} = 9 \cdot 10^9 \cdot \frac{6 \cdot 10^{-12}}{0{,}09} = 0{,}6\ \text{N}$

Kuvveti değiştir

Yükleri ve uzaklığı değiştir. Uzaklık iki katına çıkınca kuvvet dörtte birine iner.

6. Elektrik alanı

Bir yükün çevresinde, başka yüklere kuvvet uygulayabildiği bölgeye elektrik alanı denir. Bir noktadaki alan, o noktaya konan birim pozitif yüke etki eden kuvvettir:

$E = \frac{F}{q} \quad (\text{N/C}), \qquad E = k \frac{Q}{d^2}$

• Alan çizgileri pozitiften çıkar, negatifte biter.
• Çizgiler hiçbir noktada kesişmez. Sık olduğu yerde alan şiddetlidir.
• Alandaki yüke etki eden kuvvet $F = q \cdot E$’dir. Pozitif yüke alan yönünde, negatif yüke zıt yönde etki eder.

Örnek. Şiddeti $3000\ \text{N/C}$ olan alana $2\ \text{µC}$’luk yük konulursa kuvvet $2 \cdot 10^{-6} \cdot 3000 = 6 \cdot 10^{-3}\ \text{N}$ olur.

• İki yük aynı işaretliBirbirini iter.
• İki yük zıt işaretliBirbirini çeker.
• İki özdeş iletken küre dokunuyorToplam yük eşit bölüşülür.
• Uzaklık 3 katına çıkıyorKuvvet $\tfrac{1}{9}$’una iner.

7. Konuyu toparla

Mini test

Kendini dene

Yanlış yaptığın soruları yanlış soru defterine ekleyebilirsin. Birkaç gün sonra tekrar karşına çıkar.