Statik Elektrik ve Elektriklenme Yöntemleri

Konu Anlatımı

Statik Elektrik ve Elektriklenme Yöntemleri

Statik elektrik, hareket etmeyen yüklerin oluşturduğu elektrik olayıdır. Bir iletim veya direnç ölçümünde gördüğümüz akımdan farklı olarak burada yük taşıyıcıların düzenli bir yönlü hareketi yoktur. Ancak oluşan potansiyel farkı çok yüksek olduğundan statik elektrik hem kişi güvenliği hem de elektronik ekipman için ciddi bir risk kaynağıdır.

Petrol iskelelerinde, bez deposunda ve elektronik üretim hatlarında statik yük binlerce volta ulaşabilir. Bu potansiyel fark, bir topraklama parçasına veya duyarlı bir bileşene aniden boşaldığında ortaya çıkan kıvılcıma ve ekipman arızasına dönüşür. Bu nedenle statik elektriği anlamak, yalnızca fizik bir bilgi değil, doğrudan bir güvenlik ve kalite konusudur.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste statik elektriğin nasıl oluştuğunu, cisimleri elektrilendirme yöntemlerini, elektroskop kullanımını ve elektronik üretim ortamındaki koruma uygulamalarını öğreneceksiniz. Sürtünme, iletim ve indüklenme yöntemlerini birbirinden ayırmayı da göreceksiniz.

Ön bilgi

Statik yük, iki maddenin birbirine sürtülmesiyle elektron alışverişinden doğar. Serbest elektronları daha kolay veren madde pozitif yüklenir, elektronları daha sıkı tutan madde ise negatif yüklenir. İki maddenin bu davranışındaki fark ne kadar büyükse, oluşan yük o kadar fazla olur.

Oluşan yükün birikip birikmaması çevre koşuluna bağlıdır. Kuru hava, sentetik zemin ve sentetik kıyafet gibi izolatif koşullar yükün akmasını engeller ve birikmeyi büyütür. Buna karşılık yüksek nem, metal yüzeyler ve topraklanmış ekipmanlar yükün toprağa akmasını kolaylaştırır ve birikimi azaltır. Bu yüzden bir atölyede statik kontrol, nem ve toprak yolu yönetiminden ayrı düşünülemez.

Sürtünme, İletim ve İndüklenme Yöntemleri

Sürtünme yönteminde iki madde birbirine sürtülür ve elektronlar gerçekten bir maddeden diğerine geçer. Beze sürtülen plastik bir çubuk, verdiği elektronlar yüzünden pozitif yüklenir. İpek bezle sürtülen cam çubuğu da aynı biçimde pozitif yüklenir. Neylon, akrilik gibi sentetikler ise en az elektron verdiğinden negatif yüklenme eğilimindedir.

İletim yönteminde yüklü bir cisim, yüksüz bir iletkene dokunur. Yüklü cismin fazla elektronları iletkene akar ve her iki cisim potansiyelleri eşitlenene kadar yük paylaşımı sürer. Burada önemli nokta, cismindeki yükün tamamının değil yalnızca bir bölümünün aktarılıp olmasıdır; yüklü cisim hiç yüklenmiş gibi görünse dahi tamamen yüksüzleşmez.

İndüklenme yönteminde iki cisim arasında hiçbir temas yoktur. Yüklü bir cisim yüksüz bir iletkene yaklaştırıldığında iletkendeki serbest elektronlar itilir veya çekilir ve iletkene iki uçta ters yükler oluşur. Cisim uzaklaştırıldığında bu yük ayrışması dağılır ve iletken yüksüz kalır. Ancak letken bu arada topraklanırsa, ayrışan yükün bir bölümü toprağa akar ve iletkende cisimden bağımsız, ters işaretli kalıcı bir yük kalır. Elektrostatik filtre boya ve toz tutma sistemleri bu ilke üzerine çalışır.

Elektroskop ve Yük Tayini

Elektroskop, yükün varlığını ve işaretini gösteren basit bir aygıttır. Metal bir çubuğun altında iki ince metal yaprak vardır; yük verildiğinde yapraklar aynı işaretli yüklerin itme etkisiyle birbirinden uzaklaşır. Yük ne kadar fazlaysa, yaprakların açılma açısı o kadar büyük olur.

Bir cismin yük işaretini belirlemek için önce elektroskopun bilinen işaretli bir yük ile yüklenmesi gerekir. Bilinen işaretli yük elektroskoba verildikten sonra araştırılan cisim yaklaştırılır. Yapraklar daha fazla açılırsa cismin yükü bilinen yükle aynı işaretli, daha çok kapanırsa ters işaretli demektir. İbre veya yapraklar hiç kımıldamazsa cisim yüksüzdür.

Elektroskoba bir cismi yaklaştırdığımızda aslında indüklenme ile yük ayrışması oluşturmuş oluruz. Bu nedenle yaprakların açılması, cismin elektroskopa değdiği anlamına gelmez. Temas etmeden ölçüm yapılmak isteniyorsa cismin yalnızca yaklaştırılması yeterlidir; yaprakların kapanması ise cismin yüksüz oldugunu gösterir.

Basit örnek

Kış aylarında bir teknisyensäss bez ayakkabılarıyla halılı bir odada yürüdükten sonra kapı kulpuna dokunduğunda küçük bir kıvılcım duyar. Bu olayda ayakkabı ile halı arasındaki sürtünme teknisyenin gövdesinde yük biriktirir; kapı kulpuna dokunmak yükün toprağa boşalmasını sağlar. Yük ne kadar çoksa kıvılcım da o kadar belirgin olur.

İleri örnek

Bir elektronik üretim hattında bağıl nemi yüzde otuz olan bir odada montaj hataları sıklaşır. Odanun nemi yüzde kırk beşe çıkarıldığında yüklerin yüzeylerde birikmesi zorlaşır; çünkü nemli hava izole edici bir yüzey olsa da havada bulunan su buharıdır. Cildi aslında asıl etki, yüzeyler üzerinde ince bir nem tabakası oluşturarak yükün kademeli olarak akmasına izin vermesidir.

Adım adım çözülmüş örnek

Negatif yüklü bir çubuk, yüksüz bir metal küreyi indüklenme yoluyla yüklemek isteniyorsa hangi adımlar izlenmeli ve kürede hangi işarette yük kalır?

Adım 1: Negatif yüklü çubugu küreye yaklaştırdığınızda küredeki serbest elektronlar itilir.

Adım 2: Çubuğa en yakın yüzey pozitif yüklenir, uzak yüzey fazla elektronlarla negatif yüklenir; bu ayrışmadır.

Adım 3: Küre topraklanırsa uzak yüzeydeki fazla elektronlar toprağa akar ve kürenin net yükü pozitif hale gelir.

Adım 4: Toprak bağlantısı koparıldıktan sonra çubuk uzaklaştırılıy.

Adım 5: Kürede çubuğun tersi işarette, kalıcı bir pozitif yük kalır.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

En sık yapılan hata, iletim ile indüklenme yöntemlerini birbirine karıştırmaktır. İletimde iki cisim arasında temas zorunludur ve yükün bir bölümü aktarılır. İndüklenmede ise hiçbir temas gerekmez ve cisim uzaklaştığında yük ayrışması kendiliğinden dağılır. İkinci yaygın hata, elektroskop yaprağının açılmasını cismin elektroskopa dokunduğunun kanıtı olarak okumaktır. Üçüncü hata, statik yüğü yalnızca rahatsız edici bir olay olarak görüp entegre devre ve transistörlerde kalıcı hasar yapabileceğini gözden çıkarmaktır. Dördüncü hata, kuru havada alınan önlemlerin nemli ortamda da aynı ölçüde gerekli oldunu düşünüp gereksiz müdahalede bulunmaktır.

Özet

Statik elektrik, hareket etmeyen yüklerin etkisidir ve cisimleri sürtme, iletim veya indüklenme yoluyla elektrilendirir. Elektroskop, yükün varlığını ve işaretini göstermek için kullanılır; ölçümde indüklenme etkisi göz önünde tutulmalıdır. Statik yük yüksek potansiyel farkı oluşturabildiğinden hem kişi güvenliği hem de elektronik bileşenler için ciddi risk doğurur. Nem artırma, topraklama, elektrostatik deşarj korumalı bileklik ve yalıtımlı iş yüzeyleri atölye düzeyinde uygulanan en etkili korumalardır.

Kendini dene

Bir elektroskop, bir plastik çubuk, bir ipek bez ve bir cam çubuğu bir araya getirin. Çubuğu bezle sürtüp elektroskopa yaklaştırın ve yaprakların davranışını kaydedin. Ardından aynı çubugu elektroskoba dokundurun ve farkı not edin. Son olarak cam çubugunu aynı testlere tabi tutup yük işaretlerini karşılaştırın. Puanlama: deney kurulumu 4 puan, gözlem kayıtları 5 puan, yöntem karşılaştırması 6 puan olmak üzere toplam 15 puandır.