Elektrik Yükleri: Pozitif, Negatif ve Nötr Cisimler

Elektrik yükünün tanımı

Elektrik yükü, maddenin elektriksel etkileşimlere katılmasını sağlayan temel özelliklerden biridir. Bir cisimde pozitif ve negatif yükler dengeli olduğunda cisim dışarıdan yüksüz, yani nötr görünür. Bu denge bozulduğunda cisim elektrik yükü kazanır ve başka cisimlerle çekme ya da itme etkileşimine girebilir.

Maddelerin yapısındaki atomlarda pozitif yük protonlarda, negatif yük elektronlarda bulunur. Elektronlar atomdan ayrılabildiği veya bir cisimden başka bir cisme aktarılabildiği için günlük elektriklenme olaylarında hareket eden yük çoğunlukla elektronlardır; protonlar atom çekirdeğinde daha sıkı tutulur. Örneğin bir balon saça sürtüldüğünde elektronların bir bölümü saçtan balona geçebilir. Balonun elektron fazlası oluşur ve balon elektriksel olarak yüklenir.

Elektrik yükünün etkisi yalnızca laboratuvar deneylerinde görülmez. Amberin kumaşa veya tüylü bir yüzeye sürtülmesiyle küçük saman parçalarını çekmesi, plastik ambalajın yüzeye tutunması ve kuru havada halı üzerinde yürüyen kişinin metal bir cisme dokununca küçük bir kıvılcım hissetmesi aynı temel özelliğin farklı sonuçlarıdır. Bu olaylarda yükler cisimler arasında yeniden dağılır; cisimler elektrik yükü kazanmış olur.

Elektrik yükü genellikle q sembolüyle gösterilir ve SI birimi coulombdur; coulomb C harfiyle yazılır. Elektrik yükünün ne kadarının hangi parçacık sayısına karşılık geldiği ayrı bir hesaplama konusudur.

Pozitif ve negatif elektrik yükleri

Elektrik yükünün iki türü vardır: pozitif yük ve negatif yük. Bu adlandırmalar, yüklerin birbirleriyle nasıl etkileştiğini ayırt etmek için kullanılan bir uzlaşıdır. Elektronlar negatif, protonlar pozitif yüklüdür; bu iki parçacığın yük büyüklükleri eşit, işaretleri zıttır. Nötron ise elektrik yükü taşımayan parçacıktır.

Bir cismin negatif yüklenmesi, cisimde elektron fazlası oluşması anlamına gelir. Pozitif yüklenme ise cismin elektronlarının bir bölümünü kaybetmesi ve geride protonlara göre elektron eksikliği kalmasıdır. Burada pozitif yüklerin cisim içinde bir yerden başka yere akmasından söz edilmez; katı maddelerde kolay hareket edenler genellikle elektronlardır. Bu nedenle bir cisimden elektron ayrılması, o cismin pozitif yüklü görünmesine yol açar.

Örneğin cam çubuk ipekle, bir balon da saçla ya da kumaşla sürtüldüğünde kullanılan maddelerin elektronları tutma eğilimleri aynı olmayabilir. Elektron alışverişi sonucunda bir madde negatif, diğeri pozitif yüklenir. Amber ile kumaşın sürtülmesinde elektronların amber tarafında artması amberi negatif, elektron kaybeden kumaşı pozitif yapabilir. Bu iki cismin farklı işaretli yükleri birbirini çeker.

İki cam çubuk aynı biçimde sürtülerek aynı tür yükle yüklenirse birbirini iter. Aynı şekilde aynı tür negatif yük taşıyan iki cisim de birbirini iter. Böylece pozitif ve negatif adları yalnızca birer etiket değil, cisimlerin etkileşim biçimini belirleyen yük türleridir. Elektron ve protonların yükteki rolü, bir cismin yük işaretini anlamanın temelidir.

Nötr, pozitif yüklü ve negatif yüklü cisimler

Bir cismin yük durumu, içerdiği proton ve elektron sayılarının karşılaştırılmasıyla belirlenir. Proton sayısı elektron sayısına eşitse pozitif ve negatif yükler dengededir; cisim nötrdür. Elektron sayısı proton sayısından fazlaysa cisim negatif yüklü, elektron sayısı proton sayısından azsa pozitif yüklüdür. Bu nedenle nötr bir cisimde de hem pozitif hem negatif yük bulunur; nötrlük, hiç yük olmaması değil, toplam etkinin sıfır olmasıdır. Elektriklenme sırasında çoğunlukla elektronların bir cisimden ayrılması veya başka bir cisme geçmesi bu dengeyi değiştirir.

Yüklü cisimlerin birbirini çekmesi ve itmesi

Yüklü cisimler arasındaki temel kural şöyledir: Aynı tür yükler birbirini iter, zıt tür yükler birbirini çeker. Pozitif-pozitif veya negatif-negatif yük taşıyan cisimler birbirinden uzaklaşma eğilimi gösterir. Pozitif ve negatif yüklü cisimler ise birbirine yaklaşma eğilimindedir. Bu etkileşim, elektrik yüklerinin temel sonuçlarından biridir.

İtme veya çekme, cisimlerin yük işaretlerinin karşılaştırılmasıyla anlaşılır. Örneğin ipekle sürtülerek aynı tür yük kazanan iki cam çubuk birbirine yaklaştırıldığında aralarındaki uzaklık artacak şekilde davranır. Buna karşılık cam çubuk ile sürtünme sonucunda zıt tür yük kazanan ipek birbirine yaklaştırıldığında çekme görülür. İki yüklü balon da aynı işlemle aynı tür yüklenmişse birbirini itebilir; bu itme balonların iplerle asılıyken birbirinden uzaklaşmasıyla gözlenebilir.

Elektrik yüklü bir cisim ile nötr bir cisim arasında da çekme görülebilir; bunun nedeni nötr cismin içindeki yüklerin çok az yer değiştirmesi ve yüklü cisme yakın tarafta zıt işaretli yüklerin etkili hâle gelmesidir. Ancak ortaokul düzeyinde iki yüklü cismin davranışını belirleyen ana ölçüt yüklerin aynı mı, zıt mı olduğudur. Yükler arasındaki kuvvetin sayısal olarak hesaplanması ise Coulomb yasası ve elektriksel kuvvet hesaplamaları başlığında incelenir.

Cisimlerin elektriklenme yolları

Cisimlerin elektrik yükü kazanmasına elektriklenme denir. Temel elektriklenme yolları sürtünme, dokunma ve etki ile elektriklenmedir. Bu yolların ortak noktası, yüklerin yoktan ortaya çıkması değil, elektronların cisimler arasında aktarılması veya bir cisim içinde yeniden dağılmasıdır.

Sürtünme ile elektriklenmede iki farklı madde birbirine sürtülür. Sürtünme, yüzeylerin daha yakın temas etmesini ve elektron aktarımının artmasını sağlar. Elektron alan cisim negatif, elektron kaybeden cisim pozitif yüklenir. Saçla sürtülen balonun saça veya duvara tutunması, halı üzerinde yürüyen kişinin ayakkabılarında elektron fazlası oluşması bu yönteme örnektir.

Dokunma ile elektriklenmede yüklü bir cisim, nötr bir cisme temas eder. Elektronlar temas eden cisimler arasında hareket ederek yükün paylaşılmasına veya yeniden dağılmasına yol açar. Halı üzerinde yürüdükten sonra elektron fazlası kazanan kişinin metal kapı koluna dokununca elektronların bir bölümünün metal cisme geçmesi ve küçük bir kıvılcım oluşması buna örnektir.

Etki ile elektriklenmede yüklü cisim, nötr cisme dokunmadan yaklaştırılır. Yaklaştırılan yük, nötr cismin içindeki hareket edebilen elektronların bir bölümünü iter veya kendine doğru çeker; böylece nötr cismin yakın ve uzak taraflarında yüklerin dağılımı farklılaşır. Bu süreçte cisim henüz toplamda yük kazanmamış olabilir, fakat yükler cisim içinde ayrışmış olur. Ortaokul düzeyinde bu üç yöntemi ayırt ederken temas olup olmadığına ve elektronların aktarılıp aktarılmadığına bakılır.

Elektrik yükünün korunumu

Elektrik yükünün korunumu, herhangi bir süreçte toplam elektrik yükünün sabit kalmasıdır. Elektriklenme sırasında yeni yükler yoktan var olmaz ve mevcut yükler ortadan kaybolmaz; yükler cisimler arasında aktarılır veya cisimlerin içinde yeniden dağılır. Bu nedenle başlangıçta toplam yük sıfır olan iki nötr cisim, sürtünme sonrasında biri pozitif diğeri negatif yüklense bile birlikte ele alındığında toplam yük yine sıfırdır.

Örneğin nötr bir amber ve kumaş birbirine sürtüldüğünde elektronların bir bölümü kumaştan ambere geçebilir. Amber elektron kazandığı için negatif, kumaş elektron kaybettiği için pozitif olur. Amberdeki negatif yük miktarı ile kumaştaki pozitif yükün büyüklüğü birbirini dengeler. Burada elektriklenme, yük üretmekten çok var olan yükleri ayırma ve taşıma işlemidir.

Aynı ilke dokunma ile elektriklenmede de geçerlidir. Negatif yüklü bir cisim nötr bir metale dokunduğunda elektronların bir kısmı metale geçer; ilk cisimdeki negatif yük azalırken metal negatif yük kazanır. Toplam sistem yalıtılmış kabul edildiğinde iki cismin birlikte sahip olduğu yük değişmez. Bu bakış açısı, elektriklenmeyi açıklarken “yük oluştu” yerine “yük aktarıldı” demeyi gerektirir.