Elektrik Akımı, Devre ve Direnç

Konu Anlatımı

Elektrik Akımı, Devre ve Direnç

Elektrik akımı, bir iletkenden birim zamanda geçen yük miktarıdır. Her gün kullandığımız aydınlatma araçları, telefonlar ve ısıtıcılar, kapalı bir devre içinde yüklerin belirli bir düzende taşınmasıyla çalışır. Bir devrenin çalışabilmesi için kaynak, anahtar ve direnç gibi en az üç parçanın uygun biçimde bağlanması gerekir.

Bu konuda önce akımın nasıl tanımlandığını ve hangi birimle ölçüldüğünü öğreneceğiz. Ardından iletken ve yalıtkanları ayırt edecek, Ohm yasasını kullanarak gerilim, akım ve direnç arasındaki ilişkiyi sayısal olarak çözeceğiz. Seri ve paralel bağlı devrelerde akımın ve gerilimin nasıl paylaşıldığını, devrenin ne kadar güç tükettiğini ve sigortanın neden gerekli olduğunu inceleyeceğiz.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste elektrik akımının tanımını ve birimini, akım yönü ile elektronların hareket yönü arasındaki ters ilişkiyi öğreneceğiz. İletken ve yalıtkan maddeleri ayırt edecek, Ohm yasasının U = I · R biçimini kullanarak bir devrenin üç büyüklüğünden ikisini bildiğimizde üçüncüsünü hesaplayacağız. Devre elemanlarını tanıyacak, akım için ampermetrenin seri, gerilim için voltmetrenin paralel bağlanması gerektiğini uygulayacağız.

Ön bilgi

Ön bilgi olarak elektriklenme ve elektrik yükü kavramlarını biliyoruz. Bu konuda yükün bir iletkenden geçişini ele alıyoruz; yani duran yükleri değil, hareket eden yükleri inceliyoruz. Yükün hareketini sağlayan etken, iletkenin içinde oluşan ve bir uçtan diğerine doğru ilerleyen elektrik alanıdır.

Bir diğer ön bilgi, kuvvet ile iş arasındaki bağıntıdır. Bir yükün bir noktadan diğerine taşınması, o yük üzerinde elektrik kuvvetinin yaptığı bir iş demektir. Bu iş, harcanan enerjinin bir ölçüsüdür ve bu konudaki güç hesaplarıyla doğrudan ilişkilidir.

Elektrik Akımı ve Yükün Hareketi

Elektrik akımı (I), bir iletkenden birim zamanda geçen yük miktarıdır. Akımın birimi amperdir (A) ve bir amper, bir saniyede bir coulomb yükün geçmesine karşılık gelir. Akımın büyüklüğü, aynı sürede geçen yük miktarına bağlıdır; aynı sürede çok yük geçirse akım büyük olur.

Akımın yönü geleneksel olarak akımın işaretlendiği yöndür ve bu yön, pozitif yükün hareket yönü olarak kabul edilir. Metal iletkenlerde hareket eden yük elektronlardır ve elektronlar negatif yüklü oldukları için akım yönünün tam tersi yönde hareket eder. Bu ayrım özellikle diyot ve transistör gibi elemanların çalışma yönünü anlamak için önemlidir.

Akımı etkileyen iki temel etken vardır: iletkenin iki ucu arasındaki gerilim ve iletkenin direnci. Gerilim arttıkça akım artar, direnç arttıkça akım azalır. Akımın bu iki büyüklükle orantılı olduğu, Ohm yasası ile ifade edilir.

İletken ve Yalıtkanlar

İletken, üzerinden elektrik akımının geçebildiği maddedir. Metal bakır, alüminyum ve demir, grafit ve sulu çözeltiler iletkenlerdir. İletkenlerde yük taşıyıcı parçacıklar çok sayıda ve birbirine yakındır; bu nedenle yük kolayca taşınır.

Yalıtkan, üzerinden akımın geçmediği maddedir. Plastik, cam, kuru hava, saf su ve lastik yalıtkandır. Yalıtkanların yük taşıyıcı parçacıkları çok azdır ya da parçacıklar hareketsizdir. Bu nedenle günlük hayatta taşıma ve koruma amaçlı olarak kullanılırlar.

İletkenliği belirleyen etkenler nelerdir sorusunun cevabı, parçacıkların sayısı ve sıklığıyla ilgilidir. Bir maddeyi iletken hâle getiren işlem, o maddeye serbest yük taşıyıcı sağlamaktır. Örneğin saf su yalıtkandır; suyu bir tuz çözeltisi hâline getirince iletken olur. Sıcaklık da iletkenliği etkiler; çoğu metallerde sıcaklık arttıkça direnç artar.

Direnç ve Ohm Yasası

Direnç (R), bir iletkenin akımı geçirmeye ne kadar zorlandığını gösteren büyüklüktür ve birimi ohm (Ω) olarak alınır. Direnç, iletkenin uzunluğu, kesiti ve malzemesine bağlıdır. Uzun iletkenlerde direnç büyük, kalın kesitli iletkenlerde küçüktür.

Ohm yasası, bir iletkenin uçları arasındaki gerilim ile iletkenden geçen akım arasındaki ilişkiyi ifade eder: U = I · R. Buradan direnç de R = U / I biçiminde bulunur. Bu yasa yalnız direnci değişmeyen iletkenler için geçerlidir; akım çok büyüdüğünde iletken ısınır ve direnci değişebilir.

Ohm yasasının sonucu şudur: gerilim sabit tutulduğunda direnç büyüdükçe akım azalır. Bu ilişki günlük hayatta birçok yerde kullanılır. Aynı 12 V kaynağa 4 Ω'luk bir direnç bağlanırsa 3 A akım geçer; aynı kaynağa 12 Ω'luk bir direnç bağlanırsa bu değer 1 A olur. Direnci büyütmek akımı sınırlar, cihazı korur.

Devre Elemanları ve Ölçüm

Bir devreyi kurmak için kaynak (pil), anahtar, sigorta ve direnç gibi elemanlar kullanılır. Kaynak gerilimi sağlar, anahtar devreyi açar ve kapatır, sigorta aşırı akımı keser, direnç akımı sınırlar. Bu elemanlar birbirine bağlanarak kapalı bir yol oluşturduğunda akım akar.

Devredeki büyüklükleri ölçmek için iki ölçüm aracı kullanılır. Ampermetre akımı ölçer ve mutlaka seri bağlanır; böylece devreden geçen akımın tamamı aracın içinden geçer. Voltmetre gerilimi ölçer ve mutlaka paralel bağlanır; böylece cihaz iki uç arasına takılır ve devre akımını değiştirmez.

Yanlış bağlama tehlikeli sonuçlar verir. Ampermetreyi paralel bağlamak, çok küçük dirençli bir yolu paralel bağlamak demektir ve kısa devre oluşturur. Voltmetreyi seri bağlamak ise çok büyük bir direnci seri bağlamak demektir; devreden akım neredeyse hiç geçmez. Bu nedenle ölçüm aracının bağlantı yeri doğru seçilmelidir.

Seri Bağlı Devreler

Seri bağlı devrede bütün elemanlar tek bir yol üzerinde sıralanır ve aralarında ayrı kollar bulunmaz. Böylece devrede akım her noktada aynı ve eşittir. Paylaşılan büyüklük ise gerilimdir; kaynak gerilimi elemanların üzerine sırasıyla dağıtılır.

Seri bağlı dirençlerin toplamı, dirençlerin aritmetik toplamıdır: R toplam = R₁ + R₂. Bu kural, eleman sayısı arttıkça toplam direncin artacağını gösterir. Arıza durumunda da sonuç kesindir: bir eleman açılırsa yol kapanır, akım kesilir ve devredeki bütün elemanlar çalışmaz.

Seri bağlama nerede kullanılır? Akımın her noktada aynı olmasının istendiği yerlerde. Örneğin bir hat üzerindeki lambaların hepsinin aynı akımdan geçmesi isteniyorsa seri bağlama uygundur. Buna karşılık uzun bir seride ampullerden biri söndüğünde diğerleri de söner; bu istenmeyen bir durumdur.

Paralel Bağlı Devreler

Paralel bağlı devrede elemanlar ayrı kollara yerleştirilir ve tüm kollar aynı iki nokta arasında bağlanır. Böylece iki uç arasındaki gerilim her kolda aynıdır. Paylaşılan büyüklük ise akımdır; akım kollara bölünür ve kollardaki akımlar birbirine eşit olmayabilir.

Paralel bağlı dirençlerin eşdeğeri, dirençlerin ters değerlerinin toplamının tersidir: 1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂. Yalnız iki paralel direnç için eşdeğer, çarpımlarının toplamlarına bölünmesiyle de bulunabilir. Her iki yöntem de aynı sonucu verir.

Bu kuralın önemli bir sonucu vardır: paralel bağlı dirençlerin eşdeğeri, dirençlerden en küçüğünden bile küçüktür. Bu yüzden paralel bağlı dirençleri toplayarak birleştirmek yanlıştır. Arıza durumunda da sonuç farklıdır: bir kol açılırsa diğer kollar çalışmaya devam eder.

Devrelerde Güç ve Enerji

Güç (P), bir saniyede harcanan elektrik enerjisidir ve birimi watt (W) olarak alınır. Üç farklı bağıntıyla hesaplanabilir: P = U · I, P = I² · R ve P = U² / R. Hangi bağıntının seçileceği, soruda hangi büyüklüğün verildiğine bağlıdır.

Ölçüm yapılmış üç bağıntı aynı sonucu verir. Örneğin 12 V'luk bir kaynağa 4 Ω'luk direnç bağlandığında akım 12 / 4 = 3 A olur ve P = 12 × 3 = 36 W bulunuruz. Aynı güç, I² · R bağıntısıyla da hesaplandığında aynı değeri verir; çünkü bağıntılar birbirinin dönüşümüdür.

Enerji ise güç ile sürenin çarpımıdır. Elektrik ölçüsünde enerji kilowatt-saat cinsinden okunur ve kWh ile gösterilir. 1000 W gücünde bir alet 1 kW güçtedir; bu alet 3 saat çalışırsa 3 × 1 = 3 kWh enerji harcar. Sayaçlarda okunan değerin birimi de kWh'dir.

Güç ile enerji arasındaki farkı günlük hayattan ayırt etmek gerekir. Güç, bir anda ne kadar hızlı tüketildiğini gösterir; enerji ise toplamda ne kadar tüketildiğini. Bu yüzden güçlü ama kısa süreli çalışan bir alet, güçsüz ama uzun süreli çalışan bir aletten daha az enerji harcayabilir.

Sigorta ve Kısa Devre

Sigorta, devreden geçen akımın belli bir değerin üstüne çıkması hâlinde devreyi otomatik olarak kesen güvenlik elemanıdır. Böylece kabloların ısınması ve cihazların yanması engellenir. Sigortanın değeri, devrede bulunması gereken en yüksek akıma göre seçilir.

Kısa devre, devrenin bir noktasının beklenmedik biçimde çok düşük dirence bağlanmasıdır. Bu durumda akım çok büyük değerlere çıkar ve yalıtkan kısımlar ısınarak yangın çıkarabilir. Sigorta bu anda devreyi keserek tehlikeyi önler.

Kısa devre bir sorun değil, koruma düzeninin çalıştığının kanıtıdır. Doğru tasarlanmış bir devrede sigortanın değeri, devrenin normal çalışma akımından büyük ama tehlikeli akımdan küçük seçilir. Sigortanın sürekli atması ise devrede bir arıza olduğunu gösterir ve araştırılmalıdır.

Basit örnek

12 V'luk bir kaynağa 4 Ω'luk bir direnç bağlandığında devreden geçen akım ve direncin çektiği güç nedir? Önce akımı buluruz: I = U / R bağıntısıyla 12 / 4 = 3 A elde ederiz. Sonra gücü hesaplarız: P = 12 × 3 = 36 W bulunur. İki sonucu da birimleriyle birlikte yazmamız gerekir; birimi atlanan çözümler eksik sayılır.

İleri örnek

Bir laboratuvar masasında 12 V'luk bir kaynak, 4 Ω'luk bir ısıtıcı ve 8 Ω'luk bir direnç vardır. İki direnç seri bağlanıp kaynağa bağlandığında devreden geçen akım 10 A'lık bir sigortanın sınırına göre güvenli midir? Seri toplam direnci hesaplarız: 4 + 8 = 12 Ω olur. Akımı buluruz: 12 / 12 = 1 A. Toplam gücü hesaplarız: 12 × 1 = 12 W. Devre 1 A çektiği için 10 A'lık sigorta bu devrede devreye girmeyecek biçimde güvenlidir.

Adım adım çözülmüş örnek

2 Ω, 4 Ω ve 6 Ω dirençler paralel bağlandığında eşdeğer direnç nedir? Adım 1: Paralel bağlı dirençler için bağıntı yazılır: 1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / R₃. Adım 2: Her direncin tersi ayrı ayrı hesaplanır: 1 / 2 = 0,5. Adım 3: Kalan ters değerler de bulunur: 1 / 4 = 0,25. Adım 4: Üçüncü direncin tersi hesaplanır: 1 / 6 = 0,167. Adım 5: Ters değerler toplanır: 0,5 + 0,25 + 0,167 = 0,917. Adım 6: Toplamın tersi alınır: 1 / 0,917 = 1,09. Adım 7: Sonuç kesirli olarak da yazılır: 12 / 11 = 1,09. Eşdeğer direnç yaklaşık 1,09 Ω olur ve bu değer üç direncin de en küçüğünden küçüktür.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Akımı hız sanmak: Akım, birim zamanda geçen yük miktarıdır ve birimi amperdir. Hız birimi metre/saniyedir ve akımla ilişkisi yoktur.
• Akım yönü ile elektron yönünü aynı saymak: Geleneksel akım yönü pozitif yükün hareketi olarak kabul edilir; elektronlar tam ters yönde hareket eder.
• Ohm yasasında ters orantı kurmak: Gerilim sabit tutulduğunda direnç büyüdükçe akım azalır. Direnç arttıkça akım artmaz.
• Seri bağlı devrede akımın bölündüğünü sanmak: Seri bağlı devrede tek bir yol vardır ve akım her noktada eşittir. Elemanlar arasında paylaşılan büyüklük gerilimdir.
• Paralel bağlı devrede gerilimin bölündüğünü sanmak: Paralel bağlı devrede iki uç arasındaki gerilim aynıdır. Kollar arasında paylaşılan büyüklük akımdır.
• Paralel bağlı dirençleri toplayarak birleştirmek: Paralel bağlı dirençlerin eşdeğeri, dirençlerden en küçüğünden de küçüktür; ters değerler toplanır.
• Ampermetreyi paralel, voltmetreyi seri bağlamak: Ampermetre seri, voltmetre paralel bağlanmalıdır. Yanlış bağlama ölçümü bozar ve kısa devre oluşturabilir.
• Gücü yalnız akımla hesaplamak: Güç için gerilim ya da direnç bilgisi de gerekir. Verilen büyüklüğe göre uygun bağıntı seçilmelidir.
• Enerji hesabında süreyi yazmayı unutmak: Enerji, güç ile sürenin çarpımıdır. Süre saat ya da saniye olarak yazılmazsa sonuç yanlış çıkar.

Özet

Elektrik akımı, bir iletkenden birim zamanda geçen yük miktarıdır ve birimi amperdir. Geleneksel akım yönü ile elektronların hareket yönü tam ters yöndedir. I = Q / t bağıntısıyla yük, akım ve süre arasındaki ilişki kurulur. Ohm yasasına göre U = I · R ve R = U / I yazılabilir; gerilim sabitken direnç büyüdükçe akım azalır. Devre gücü P = U · I, P = I² · R ve P = U² / R bağıntılarından biriyle bulunur; enerji ise güç ile sürenin çarpımıdır ve kWh ile ölçülür. Seri bağlı devrede akım her noktada eşittir ve toplam direnç dirençlerin toplamıdır; paralel bağlı devrede gerilim iki uç arasında eşittir ve eşdeğer direnç en küçük dirençten de küçüktür. Ampermetre seri, voltmetre paralel bağlanır. Sigorta, akım belli bir değerin üstüne çıktığında devreyi keserek cihazları korur.

Kendini dene

Şu dört soruyu defterine çözerek konuyu pekiştirebilirsin: (1) 0,6 A akım geçen bir iletkende 90 s boyunca kaç coulomb yük geçer? (2) 9 V'luk bir kaynağa 3 Ω'luk bir direnç bağlandığında akım ve güç nedir? (3) 4 Ω ve 12 Ω dirençler seri bağlandığında toplam direnç kaç Ω olur ve 8 V'da akım kaç A olur? (4) 5 Ω, 10 Ω ve 20 Ω dirençler paralel bağlandığında eşdeğer direnç yaklaşık kaç Ω olur? Her adımda hangi bağıntıyı kullandığını ve hangi birimi yazdığını belirt.