Elektrostatik

Durgun elektrik yükleri arasındaki kuvvetleri ve bu kuv­vetler arasındaki denge durumlarını inceleyen fizik konusuna elektrostatik denir. Kısaca elektrostatik durgun elektrik demektir. Elektrikle ilgili olayları daha iyi anlamak için maddenin yapısını kısaca hatırlayalım.

Maddeler atomlardan yapılmışlardır. Bir maddenin kimyasal yollarla parçalanamayan en küçük parçasına atom denir. Atom üç temel parçacıktan oluşmuştur:

Proton: Atomun çe­kirdeğinde bulunur ve pozitif (+) yüklü­dür.

Nötron: Atomun çe­kirdeğinde bulunur ve yüksüzdür. 

Elektron: Çekirdek çevresindeki yörüngelerde dola­nırlar ve negatif (-) yüklüdür. O halde atomlar, pozitif yüklü çekirdek ve çekirdek etrafında dolanan negatif yüklü elektronlardan oluşan sistemdir.

Elektron sayısı proton sayısına eşit olan atoma nötr atom, atomları nötr olan cisme de yüksüz cisim denir. Fakat yüksüz denilmesi (+) ve (-) yüklerin eşit olması anlamındadır. Yani üzerinde herhangi bir yük fazlalığı yok demektir. Bir elektronun yükü birim yük olarak se­çilmiş ve adına elemanter yük (e.y.) denilmiştir.

Elemanter yükün değeri 1,6.10^-19 C dir. 

Pozitif yüklü cisim: Nötr bir cisim elektron kaybetti­ğinde (+) yük fazlalığı meydana gelir. Böyle (+) yük fazlalığı olan cisimlere pozitif (+) yüklü cisim denir.

Negatif yüklü cisim: Nötr bir cisim elektron kazandı­ğında (-) yük fazlalığı meydana gelir. Böyle (-) yük faz­lalığı olan cisimlere, negatif (-) yüklü cisim denir.

İletken Cisimler

Elektrik yüklerinin üzerlerinde kolaylıkla hareket ede bildiği cisimlere iletken cisimler denir. (Metaller, asit ve baz çözeltileri, insan vücudu iletkendir.)

Yalıtkan Cisimler

Elektrik yüklerinin üzerlerinde hareket edemediği ya da çok zor hareket edebildiği maddelere yalıtkan ci­simler denir. (Ebonit, porselen, cam, mika, plastik, tahtadan yapılan cisimler yalıtkan cisimlerdir.)

İtme - Çekme Kuvveti

Elektrik yüklü cisimler birbirlerine elektriksel bir kuvvet uygular. Bu kuvvetin büyüklüğü yük miktarlarının çar­pımı ile doğru, aradaki uzaklığın karesi ile ters orantılı­dır. Aynı cins yüklü cisimler birbirlerini iter.

Elektriklenme Türleri

Bir cisim üç şekilde elektriklenebilir. Bunar; sürtünme ile, dokunma ile ve etki ile elektriklenmedir. 

Sürtünme ile Elektriklenme

Uygun seçilmiş iki cisim birbirlerine sürtüldüğünde, biri elektron verir diğeri ise verilen elektronu alır. Elektron veren cisimde (+) yük faz­lalığı olacağından (+) yüklenir, elektronu alanda ise (-) yük fazlalığı olacağından (-) yükle yüklenmiş olur. Alınan ve verilen yükler eşit olduğundan sürtünme ile yüklenen, sürtünme öncesi nötr olan cisimlerin, sür­tünme sonrası yük miktarları eşittir.

Kuru ipek beze sürtünen cam çubuk elektron vererek (+) yüklenir, ipek bez ise elektron alarak (-) yükle yük­lenir. Benzer örnek ebonit çubuk ile yünlü kumaş ara­sında olur ve ebonit çubuk yünlü kumaştan elektron alarak (-) yükle yüklenir.

Dokunma ile Elektriklenme

Yüklü iki cisim birbirlerine dokundurulduğunda toplam yük, cisimlerin yük depolayabilme kapasitelerine göre paylaşılır. 

Özdeş küreler birbirlerine dokundurulursa, toplam yük iki küre arasında eşit oranda paylaşılır. Kürelerin yarıçapları farklı ise, toplam yük kürelenin yarıçapları ile doğru orantı­lı olarak paylaşılır. Bu du­rumda önce yarıçap başı­na düşen yük bulunur. Sonra bu yük her birinin yarıçapıyla ayrı ayrı çarpılarak kürelerin payına dü­şen yükler bulunur.

Eğer kürelerin yarıçapları ile toplam yük orantılı ise, bağıntılar yerine orantı yolu kullanılarak daha pratik olarak sonuç bulunur.

Etki ile Elektriklenme

Pozitif yüklü bir cisme negatif yüklü bir cisim yaklaştırılırsa bu cisim negatif yükleri kendi tarafına doğru çekip, pozitif yükleri de uzağa iter. Bu şekilde cismin iki tarafı farklı yüklerle yüklenmiş olur. Aynı şekilde negatif yüklü bir cisme pozitif yüklü bir cisim yaklaştırırsanız pozitif yükleri kendi tarafına çekip, negatif yükleri de iter.

Etki ile elektriklenmede, bir taraftan çekilen veya bir ta­rafa itilen yük miktarı ne kadarsa, diğer taraftaki yük miktarı da o kadardır. Dolayısıyla etki ile elektriklenme­de yük miktarları eşit miktardadır ve kapasiteye bağlı değildir. Yüklü bir cisim yüksüz bir cismi etki ile elektrikleyerek çekebilir.

Topraklanma Olayı

Toprakla bağlantısı olan bütün cisimler nötrdür. Çünkü topra­ğın, yani Dünyanın kapasitesi çok büyük olduğundan fazlalık olan yükler toprağa yani Dünya­ya gider.

(-) yüklü cisim iletken bir telle toprağa bağlanırsa cisimdeki fazla olan (-) yükler toprağa akar ve cisim nötr olur.

(+) yüklü cisim iletken bir tel­le toprağa bağlanırsa, cisim­deki (+) yükler hareket ede­meyeceği için, topraktan cis­me (-) gelir ve cisim nötr olur.

Elektroskop

Bir cismin elektrikle yüklü olup olmadığını, yüklü ise hangi tür elektrikle yüklü olduğunu anlamaya yarayan şekildeki alete elektroskop denir.

Elektroskop, ucunda küre veya levha bulunan metal bir çubuk ve çubuğa bağlı, kolaylıkla hareket edebilen altın veya alüminyum yapraklardan oluşur.

Havadaki iyonlardan ve rüzgârdan etkilenmemesi için cam fanus içine alınmıştır. Elektroskop nötr iken yap­raklar tamamen kapalıdır. Yüklü iken ise her iki yaprak mutlaka aynı yükle yüklü olacağından, yapraklar birbi­rini iterek açılır. Bu açıklık 180° den küçük olmak zo­rundadır.

Bir cismin yüklü olup olmadığını, nötr bir elektroskopun topuzuna dokundurarak anlayabiliriz. Eğer cisim yüklü ise, elektroskopu da yükleyecek ve yapraklar açılacaktır. Yapraklarda bir değişiklik yok ise, cisim yüksüz demektir.

Bir cisim yüklü ise, yükünün türünü anlamak için, yüklü ve yükünün işareti bilinen bir elektroskopa yaklaştırılır. Yap­raklar, biraz açılıyorsa, elek­troskopla aynı işaretli, yaprak­lar biraz kapanıyorsa, elektros­kopla zıt işaretlidir.

Elektroskopun yükü ile zıt yüklü olan bir cisim topuza dokundurulduğunda, elektroskopun yap­raklarında üç türlü değişiklik olabilir.

• Cismin yükü elektroskopunkinden az ise, toplam yük azalaca­ğından, yapraklar biraz kapanır.
• Yükler eşit ise. nötrleşme olur ve yapraklar tama­men kapanır.
• Cismin yükü elektroskopunkinden fazla ise, son durumda elektroskopun yükü, cismin yükü ile ay­nı işaretli olur. Yapraklar ise önce kapanır, sonra tekrar açılır.

Cismin yükü ile elektroskopun yükü aynı cins ise birbirlerine dokundurulduğunda, yaprak­lardaki değişikliğin nasıl olaca­ğını anlamak için, yük miktarla­rını ve kapasitelerini bilmek ge­rekir. Yapraklar, biraz açılabilir, biraz kapanabilir veya bir deği­şiklik olmayabilir.

Yüksüz (nötr) bir elektroskopa (-) yüklü bir cisim yak­laştırıldığında etki ile elektriklenir ve yapraklar (-), to­puz (+) yükle yüklenir. Bu durumda iken, elektrosko­pun topuzu topraklanırsa, yapraklardaki (-) yükler top­rağa akar ve yapraklar tamamen kapanır. Çünkü ileti­len yükler mümkün olan en uzağa yani toprağa itilir.

Yalıtkan ve İletkenlerdeki Yük Dağılımı

Plastik balon yalıtkan bir maddedir. Balon şişirildik­ten sonra yalnız bir yüzeyi yün kumaşa sürtülürse, sürtülen kısmın kağıt par­çalarını çektiğini, diğer ta­rafların ise kağıt parçaları­nı çekmediğini gözlemle­riz. Bu durum balonun yal­nız yün kumaşa sürtülen kısmının elektriklendiğini diğer kısımların ise yüklen­mediğini gösterir.

O halde yalıtkan maddelerin yü­zeylerinin bölge­sel olarak yükle­nebileceği sonu­cu çıkarılır. İlet­kenlerde ise ne­gatif elektrik yük­leri hareket edebildikleri için yükler birbirlerini iterek yüzeyin her tarafına yayılır.

İçi Boş İletken Küre ya da Silindirin Yük Dağılımı

İçi boş küre ve silindir gibi iletken cisimler yüklendiğin­de yükler dış yüzeyde toplanır, iç kısmı ise nötr olur. Elektriksel kuvvet gereğince yükler birbirlerini müm­kün olan en uzağa yani kürenin dış yüzeyine kadar iterler. Eğer yüklü bir kürecik içi boş kürenin iç yüzeyi­ne dokundurulursa kendi yükünü tamamen küreye ak­tarır ve kürecik nötr olur.

Eğer yüklü kürecik kürenin dış yüzeyine dokunduru­lursa, dokunma ile elektriklenme olur. Yani toplam yü­kü yarıçapları oranında paylaşırlar.

Şekildeki deneyde (-) yüklü L küreciği nötr ve içi boş K küresinin içerisine sarkıtılırsa K küresi etki ile elektriklenir. Kürenin iç yüzeyi (+), dış yüzeyi ise (-) yük ile yüklenir.

Şimşek ve Yıldırım

Hava moleküllerinin ve su damlalarının hareketleri, fır­tına bulutlarının elektrik ile yüklenmesine neden olur. Bulutlar yeterince birbirlerine yaklaştığında bir bulut­tan diğerine yük boşalması olur. Bu olaya şimşek de­nir. Bulutlar yeryüzüne yeterince yaklaşırsa, buluttan yere ya da yerden buluta doğru elektrik yükü boşal­ması olur. Bu olaya yıldırım denir.

Yıldırım olayında elektrik yükünün boşalması bulut ile yeryüzünün en yakın noktaları arasında olabilir. Bu nedenle yıldırım genellikle yüksek ve sivri yerlere düşer. 

İletkenlerin Sivri Uçlarında Fazla Yük Toplanması

İletkenlerde negatif elektrik yükleri hareket edebildikleri için, yükler birbirlerini iterek küre gibi yuvarlak iletken ci­simlerin dış yüzeyine homojen olarak dağılır. Fakat sivri uçlu iletken cisimlerin sivri kısımla­rında daha fazla yük toplanır.

Bundan dolayı yıldırım yüksek ve sivri uçlu yerlere düşme ih­timali daha fazladır. 

Yıldırımın etkisinden korun­mak için kullanılan paratonerler yüksek binalara takı­lır ve ucu sivri olarak üretilir. Dolayısıyla yıldırımla bo­şalan yükler binaya zarar vermeden toprağa aktarılır.

Faraday Kafesi

İçerisinde olan her şe­yi dışarıdaki elektriksel olaydan koruyan ilet­ken bir kafestir.

Elektrik yüklerinin ilet­kenin dış yüzeyine ya­yılmaları sonucu İngiliz fizikçi Michael Faraday uygulama alanı olarak kendi buluşu olan Fa­raday Kafesini yapmış­tır. Faraday Kafesinde, Faraday’ın “bir iletken yapı içindeki elektrik alanı sıfır­dır" ilkesinden yararlanılmıştır.

Bundan dolayı yağmurlu havalarda yıldırım düşme tehlikesine karşılık can güvenliği için arabanın içine gi­rilmesi en uygun davranıştır. Yeni nesil otobüslerde de bu sistem kullanılmakta bu nedenle de cep telefonu dalgaları otobüse zarar vermemektedir.

Coulomb Kuvveti

Faraday’ın “bir iletken yapı içindeki elektrik alanı sıfır­dır" ilkesinden yararlanılmıştır.

Aralarında d kadar uzaklık bulunan yüklü iki cisim birbirlerini, yüklerin çarpımı ile doğru, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı olacak şekilde birbirlerine kuvvet uygu­larlar. Yükler aynı işaretli ise birbirlerini iterler, zıt işaret­li ise birbirlerini çekerler. Bu itme ve çekme kuvveti yüklerin değerleri ne olursa olsun, eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür.

F₁ = -F₂

Yüklü cisimlerin birbirine uyguladıkları kuvvete Cou­lomb kuvveti denir.

Coulomb kuvveti F = k. q₁.q₂/d₂ bağıntısı ile hesaplanır.

F: Coulomb kuvveti (N)

d: Yüklü cisimlerin kütle merkezleri arasındaki uzaklık (m)

k: Coulomb sabiti. Bu sabit, ortamın cinsine ve kulla­nılan birim sistemine bağlı olarak değişen bir sa­bittir.

Boşluk ya da hava ortamında,

k = 9.10⁹ N.m²/c² dir.

Aralarında d kadar uzaklık bulunan -q yüklü iki cisim bir birlerini F kuvveti ile itiyorken aradaki uzaklık değişmeden cismin birinin yük miktarı iki katına çıkarılınca, itme kuvvetlerinin büyüklüğüde iki katına çıkar.

Cisimlerin yükleri değiştirilmeden aralarındaki uzaklık iki katına çıkarıldığında, kuvvetlerinin büyüklüğü F/4 olur.

Cisimlerin birbirine uyguladığı net kuvvet bulunurken şu hususlara dikkat edilecek hususlar şunlardır. 

• Önce yüklerin işaretine göre, her bir yükün o yü­ke uyguladığı kuvvet vek­törleri çizilir.
• Daha sonra coulomb for­mülünden, her bir kuvvet vektörünün şiddeti he­saplanır.
• Sonuçta, geometrik ku­rallardan faydalanılarak kuvvet vektörleri arasında­ki açılar tespit edilir ve bileşke kuvvet vektörel top­lamdan bulunur.