Elektriğin Temelleri
Elektrik ve elektronik dünyasını keşfetmeye başladığınızda, voltaj, akım ve direnç temellerini anlayarak başlamak çok önemlidir. Bunlar elektriği işlemek ve kullanmak için gereken üç temel yapı taşıdır. İlk başta bu kavramları anlamak zor olabilir çünkü onları “göremeyiz”. Çıplak gözle bir telin içinden akan enerjiyi veya bir masada duran pilin voltajını göremezsiniz. Gökyüzündeki yıldırım bile görülebilmesine rağmen, bulutlardan toprağa gerçekleşen enerji alışverişi değil, enerji havanın içinden geçişi sırasında havada oluşan bir tepkidir. Bu enerji transferlerini tespit etmek ve sistemdeki yük ile neler olduğunu görselleştirmek için multimetreler, spektrum analizörleri ve osiloskoplar gibi ölçüm araçlarını kullanırız. Bu konuda bahsedeceğimiz konular bize gerilim, akım ve direnç hakkında temel bilgileri ve üçünün birbirleriyle nasıl ilişki kurduğu hakkında fikir verecektir.
Elektriksel Şarj
Elektrik, elektronların hareketidir. Elektronlar, iş yapmak için kullanabileceğimiz bir yük yaratır. Ampulümüz, müzik setimiz, telefonumuz vb. aletler iş yapmak için elektronların hareketinden yararlanırlar. Hepsi aynı temel güç kaynağını kullanarak çalışır: elektronların hareketi.
Bu yazıda bahsedilecek olan ve elektronların oluşturduğu olan üç temel ilke :
- Gerilim, iki nokta arasındaki yük farkıdır.
- Akım, şarjın aktığı hızdır.
- Direnç, bir malzemenin yük akışına (mevcut) karşı koyma eğilimidir.
Dolayısıyla, bu değerlerden bahsettiğimizde, yük hareketini ve böylece elektronların davranışını gerçekten tarif ediyoruz demektir. Bir devre, yükün bir noktadan diğerine taşınmasını sağlayan kapalı bir döngüdür. Devredeki bileşenler, bu yükü kontrol etmemizi ve iş yapmak için kullanmamızı sağlar.
Georg Ohm, elektrik eğitimi alan bir Bavyeralı bilim insanıydı ve akım, gerilim, direnç arasındaki ilişkileri ortaya koyan OHM kanunu bilim dünyasına kazandırdı. Bu yazının bir bölümünde adından sıkça bahsedeceğiz.
Voltaj (Gerilim)
Gerilim, bir devredeki iki nokta arasındaki potansiyel enerji miktarı olarak tanımlanabilir. Bir noktanın diğerinden daha fazla yükü vardır ve iki nokta arasındaki bu yüklerin farkına voltaj denir. Volt olarak ölçülür, yani ölçtüğümüz büyüklüğün birimini volt olarak ifade ederiz. Teknik olarak, içinden geçen bir coulomb başına bir enerji joule verecek iki nokta arasındaki potansiyel enerji farkı olan volt birimi olarak ölçülür (karışık gelebilir, bu noktaya takılmayın). “Volt” birimi, kabul edilen ilk kimyasal bataryayı icat eden İtalyan fizikçi Alessandro Volta’nın adını aldı. Gerilim, denklemlerde ve şemalarda “V” harfi ile temsil edilir.
Gerilim, akım ve direnç tanımlarken, benzetme olarak bir su deposunu örnek gösterebiliriz. Bu benzetimde, yük su miktarı ile temsil edilir, voltaj su basıncı ile temsil edilir ve akım su akışı ile temsil edilir. Yani bu benzetme için;
- Su = Şarj
- Basınç = Gerilim
- Akış = Akım
Yerden belli bir yükseklikte bir su deposu düşünün. Bu tankın dibinde bir hortum olsun.
Hortumun ucundaki basınç gerilimi temsil ediyor olsun. Depodaki su ise yükü (yani şarjı) temsil eder. Depodaki su ne kadar fazla olursa, yük (şarj) ne kadar yüksek olursa, hortumun o kadar fazla basıncı ölçülür.
Bu tankı bir batarya, belirli miktarda enerjiyi depoladığımız ve sonra serbest bıraktığımız bir yer olarak düşünebiliriz. Tankımızın içindeki suyu bir miktar tahliye edersek, hortumun sonunda oluşan basınç da düşer. Bunu, (pillerinin tükenmeye başladığı el fenerinin ışığının kararması gibi) azalan voltaj olarak düşünebiliriz. Ayrıca hortumdan akacak su miktarında da bir düşüş vardır. Tankın içindeki suyun daha az basınçta olması, suyun akış şiddetinin de daha az olduğu anlamına gelir, bu noktadan itibaren Akım’dan bahsetmeye başlayabiliriz.
Akım
Depodan hortum aracılığıyle akan su miktarını akım olarak düşünebiliriz. Basınç ne kadar yüksek olursa akış şiddeti ve yoğunluğu da o kadar yüksek olur. Bunun tersi olarak basınç azalınca, akış da azalır.
Su ile yapılan ölçümde, akış miktarını belirlemek için hortumdan akan suyun hacmini belli bir süre boyunca ölçeriz. Elektrik ile de belirli bir süre boyunca devreden akan yük miktarını ölçüyoruz. Akım Amper cinsinden ölçülür ve genellikle birimi “A” olarak gösterilir (Örn. 5A vye 100mA). 1 Amper, bir devredeki bir noktadan geçen saniyede 6.241 x 1018 elektron (1 Coulomb) olarak tanımlanır. Amper, denklemlerde “I” harfi ile temsil edilir.
Diyelim ki her biri alttan gelen birer hortum olan iki tankımız var. Her tank aynı su miktarına sahiptir, ancak bir tanktaki hortum diğer taraftaki hortumdan daha dar olsun.
Her iki hortumun ucunda da aynı basıncı ölçeriz. Ancak su akmaya başladığında daha dar hortumlu tanktaki suyun akış hızı, kalın hortumlu olan tanktaki suyun akış hızından daha az olacaktır. Elektrik açısından, daha dar bir hortumdan geçen akım, daha geniş olan hortumdan geçen akımdan daha azdır. Akışın her iki hortumda da aynı olmasını istiyorsak, daha dar hortumlu depodaki su miktarını (şarj) arttırmamız gerekir.
Su seviyesinin yükselmesi, dar hortumlu tankın içindeki basıncı (voltajı) artırarak tankın içindeki suyun daha fazla itilmesini sağlar. Bu durum, akımda artışa neden olan voltajdaki artışa benzerdir.
Şimdi gerilim ve akım arasındaki ilişkiyi görmeye başlıyoruz. Ancak burada dikkate alınması gereken üçüncü bir faktör var: hortumun genişliği. Bu benzetmelerdeki tabir edilen, hortumun genişliği dirençtir. Buradan itibaren, modelimize başka bir terim eklememiz gerektiğini anlayabiliriz:
Su = Şarj (Coulombs cinsinden ölçülür)
Basınç = Voltaj (Volt olarak ölçülür)
Akış = Akım (Amper cinsinden ölçülür veya kısa süreliğine Amper)
Hortum Genişliği = Direnç
Direnç
Biri dar borulu diğeri geniş borulu iki su tankımızı tekrar ele alalım.
Direnç; aynı basınçtaki tanklardan, geniş borulu olana oranla dar borulu olandan daha az miktarda su geçişine neden olan faktördür. İçerisinde suyun geniş borulu depo ile aynı basınçta olmasına rağmen dar boru, suyun içinden akmasına “direnç gösterir”.
Elektriksel olarak, bu eşit voltaj ve farklı dirençlere sahip iki devre ile temsil edilir. Daha yüksek dirençli devre daha az şarjın akmasına izin verir, yani daha yüksek dirençli devre içinden akan daha az akıma sahiptir.
Burada Georg Ohm’a başvuruyoruz. Georg Ohm, “1 Ohm” direnç birimini;
1 volt uygulayarak 1 amper akım veya 6.241 × 1018 elektron iteceği bir iletkenin, iki noktası arasındaki direnç olarak tanımlar. Bu değer genellikle şemalarda “omega” adı verilen ve “ohm” olarak telaffuz edilen Yunanca “Ω” harfiyle gösterilir.
Ohm Yasası
Gerilim, akım ve direnç unsurlarını birleştiren Ohm, şu formülü geliştirdi:
V = Volt cinsinden gerilim
I = Amperdeki akım
R = Ohm cinsinden direnç
Buna Ohm kanunu denir. Örneğin, 1 volt, 1 amp akım ve 1 ohm direnç potansiyeline sahip bir devremiz olduğunu varsayalım. Ohm Yasasını kullanarak şunu söyleyebiliriz:
Diyelim ki devre, geniş hortuml tankımızı temsil ediyor. Tanktaki su miktarı 1 volt, hortumun “darlığı” (akmaya karşı direnç) 1 ohm olarak tanımlanmıştır. Ohms Yasasını kullanarak, bu bize 1 amp’lik bir akım (akım) verir.
Bu benzetmeyi kullanarak, şimdi bir de dar hortumlu tanka bakalım. Hortumun daha dar olması nedeniyle akışa karşı direnci yüksektir. Bu direnci 2 ohm olarak tanımlayalım. Tanktaki su miktarı diğer tankla aynıdır, bu nedenle, Ohm Yasasını kullanarak, dar hortumlu tank için denklemimiz aşağıdaki gibi olur;
Ama akım nedir? Direnç daha büyük ve voltaj aynı olduğundan, bu bize 0,5 amperlik bir akım değeri verir:
Bu nedenle akış (yani akım), direnci daha yüksek olan tankta daha düşüktür. Şimdi, Ohm’un yasası için iki değer biliyorsak, üçüncü için çözebileceğimizi görebiliyoruz. Bunu bir deneyle gösterelim.
Ohm Yasası Deneyi
Bu deney için, bir LED’i çalıştırmak için 9 voltluk bir pil kullanmak istiyoruz. LED’ler kırılgandır ve bozulmaması için, üzerlerinden belirli bir miktarda akım geçmelidir. LED’in datasheetinde, her zaman bununla ilgili ilgiler olacaktır.
Gerekli malzemeler
Şunlara ihtiyacımız olacak:
- Bir multimetre
- 9 Voltluk bir pil
- 560 Ohm’luk bir direnç (veya bir sonraki en yakın değer)
- Bir led
LED’ler, “ohmik olmayan” cihazlar olarak bilinen malzemelerdir. Bu, LED’in içinden geçen akımın denkleminin V = IxR kadar basit olmadığı anlamına gelir. LED, devreye “voltaj düşmesi” adı verilen bir şey verir, böylece içinden geçen akım miktarını değiştirir. Ancak, bu deneyde sadece LED’i aşırı akımdan korumaya çalışıyoruz, bu nedenle LED’in mevcut özelliklerini ihmal edeceğiz ve LED üzerinden akımın 20mA altında güvenli bir şekilde aktığından emin olmak için Ohm Yasasını kullanarak direnç değerini seçeceğiz .
Bu örnekte, 9 voltluk bir bataryamız ve akımı 20 miliamper veya 0.020 amper olan kırmızı bir LEDimiz var. Güvende olmak için LED’i maksimum akımda değil, datasheetinde belirtilen 18mA veya 0,018 amper olarak önerilen akımında sürmek istiyoruz. LED’i doğrudan pile bağlarsak, Ohm yasası için değerler şöyle görünür:
ve
formüllerine göre
olacağından dolayı, Sıfıra bölmek bize sonsuz akım verir! Uygulamada sonsuz değil, bataryanın sağlayabildiği kadar akım var. LED’imizden bu kadar fazla akım akmasını istemediğimiz için, bir rezistansa ihtiyacımız olacak. Devremiz şöyle görünmeli:
Bize istenen akımı sağlayacak olan direnç değerini belirlemek için Ohm Yasasını şu şekilde kullanabiliriz:
olduğune göre
bilinmeyen değerleri dışarı çekersek
bulacağımız direnç değeri:
olur.
Bu nedenle, akımı LED üzerinden istenen maksimum akım değerinde tutmak için yaklaşık 500 ohm’luk bir direnç değerine ihtiyacımız var.
500 ohm, kullanıma hazır dirençler için ortak bir değer değildir, bu nedenle bu direnç yerine 560 ohm direnç kullanır. İşte cihazlarımızın hepsi bir araya getirdiğimizde devremiz aşağıdaki gibi görünür.
Akımı LED üzerinden maksimum değerinin altında tutacak kadar yüksek, ancak LED ışığını güzel ve parlak tutacak kadar düşük bir direnç değeri seçtik.
Bu LED / akım sınırlayıcı direnç örneği, hobi elektroniğinde sık görülen bir durumdur. Devreden geçen akım miktarını değiştirmek için sık sık Ohm Yasasını kullanmanız gerekecektir. Bu uygulamanın bir başka örneği LilyPad LED bordlarda görülebilir.
Bu kurulumda, LED için direnç seçmek yerine, direnç zaten LED bordu ile birlikte bulunur, böylece akım sınırlaması elle bir direnç eklemek zorunda kalmadan gerçekleştirilir.
LED Öncesinde veya Sonrasındamı Akım Sınırlaması yapılmalı?
İşleri biraz daha karmaşık hale getirmek için, akım sınırlama direncini LED’in her iki tarafından birine de yerleştirebilirsiniz, aynı çalışacaktır!
İlk defa elektronik öğrenen pek çok kişi, akım sınırlayıcı bir direncin LED’in her iki tarafında da çalışabileceği ve devrenin hala her zamanki gibi çalışıp çalışmayacağı fikriyle mücadele ediyor.
Akım sınırlama direnci devrede herhangi bir yere yerleştirilemediği gibi, bu devredeki işlevini yerine getirmek için LED’in her iki tarafına yerleştirilebilir.
Daha bilimsel bir cevap için, Kirchoff’un Gerilim Yasasına başvurabiliriz. Bu yasa nedeniyle, mevcut sınırlama direncinin LED’in her iki tarafına da gidebileceği ve aynı etkiye sahip olabileceği sonucuna varılmıştır. Daha fazla bilgi ve KVL’yi kullanma konusunda bazı pratik sorunlar için bu web sitesini ziyaret edebilirsiniz.
https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-current-resistance-and-ohms-law adresinden Türkçe’ye çevrilmiştir
arduinomblog 