TYT Fizik Elektrik: Akım, Gerilim, Direnç ve Basit Devreler

Elektrik akımı ve akım şiddeti

Elektrik akımı, elektrik yüklerinin belirli bir yöndeki düzenli hareketidir. Akım şiddeti ise bir iletkenin kesitinden birim zamanda geçen net yük miktarını gösteren fiziksel büyüklüktür. Birimi amperdir ve A sembolüyle gösterilir. Akımın büyüklüğü, devreden ne kadar yükün ne kadar sürede geçtiğine bağlıdır; aynı sürede daha fazla yük geçerse akım şiddeti daha büyük olur.

Metallerde hareket eden yük taşıyıcıları elektronlardır. Bir pil devreye bağlandığında iletken içindeki yüklerin düzenli hareket edebilmesi için uygun bir çalışma koşulu oluşur. Ancak akımın oluşması için yalnızca iletken bulunması yetmez; devrenin kaynağı, bağlantı yolları ve devre elemanlarıyla tamamlanmış olması gerekir. Örneğin bir pil, anahtar ve ampul kablolarla kapalı biçimde bağlandığında ampulden akım geçer ve ampul ışık verir. Anahtar açılırsa yüklerin sürekli dolaşabileceği yol kesilir; bu nedenle akım şiddeti ideal durumda sıfır olur.

Akım şiddeti I, geçen yük miktarı Q ve geçen süre t ile şöyle ifade edilir: I = Q/t. Örneğin 4 saniyede 12 coulomb yük bir iletken kesitinden geçiyorsa akım şiddeti 3 amperdir. Bu nicelik, devredeki elektronların tek tek hızını değil, belirli bir kesitten geçen toplam yükün zamana oranını belirtir. Akım birimi amper, SI birim sistemindeki temel fiziksel birimlerden biridir.

Potansiyel fark ve gerilim kaynağı

Potansiyel fark, devrenin iki noktası arasındaki birim yük başına enerji farkıdır. Gerilim olarak da adlandırılır ve volt birimiyle ölçülür. Bir yük, potansiyel fark bulunan iki nokta arasında hareket ettiğinde enerji aktarımı gerçekleşebilir. Bu nedenle potansiyel fark, devredeki yükleri hareket etmeye zorlayan ve akımın oluşmasını sağlayan etkilerden biridir.

Pil, akü ve güç kaynağı gibi gerilim kaynakları devre elemanlarına enerji aktarır. Kaynak, kendi içindeki enerji dönüşümleri sayesinde uçları arasında potansiyel fark oluşturur. Devre kapatıldığında bu fark, iletkenlerdeki yüklerin düzenli hareketini mümkün kılar; ampul gibi bir eleman da aktarılan enerjinin bir bölümünü ışık ve ısıya dönüştürür. Kaynağın gerilimi artırılır ve devrenin diğer özellikleri değişmezse devredeki akım da artma eğilimi gösterir.

Örneğin 1,5 voltluk bir pil ile çalışan basit bir el fenerinde pil, devrenin gerilim kaynağıdır. Anahtar kapatıldığında pilin uçları arasındaki gerilim devre elemanlarına uygulanır ve ampul enerji alır. Anahtar açıkken pil devrede bulunsa bile devre yolu tamamlanmadığı için sürekli akım oluşmaz. Gerilim, akımın kendisi değildir: gerilim hareketi sağlayan farkı, akım ise gerçekleşen yük akışını ifade eder.

Direnç ve direnci etkileyen faktörler

Direnç, bir devre elemanının elektrik akımının geçişine karşı gösterdiği zorluktur ve R sembolüyle gösterilir. Birimi ohmdur. Direnç büyüdükçe, aynı potansiyel fark altında devreden geçebilen akım genellikle azalır. Bir iletkenin direnci; kullanılan maddenin cinsine, iletkenin uzunluğuna, kesit alanına ve sıcaklığına bağlı olarak değişebilir. Aynı maddeden yapılmış iletkenlerde uzunluk arttıkça yüklerin karşılaştığı engel artar ve direnç büyür; kesit alanı arttığında ise akımın ilerleyebileceği yol genişlediği için direnç azalır. Bu nedenle ince ve uzun bir tel, aynı maddeden yapılmış kalın ve kısa bir tele göre daha büyük direnç gösterebilir. Direnç, ampulün filamanı veya devreye akımı sınırlamak için eklenen direnç gibi elemanlarda devrenin çalışma koşullarını belirler.

Ohm yasası ve akım-gerilim-direnç ilişkisi

Ohm yasası, belirli koşullarda bir devre elemanının uçları arasındaki potansiyel farkın, elemandan geçen akımla direncin çarpımına eşit olduğunu belirtir. Bu ilişki, gerilim, akım ve direnç arasındaki nicel bağı kurar. Formül U = I·R biçimindedir. Burada U potansiyel farkı, I akım şiddetini, R ise direnci gösterir. Aynı bağıntı I = U/R ve R = U/I biçimlerinde de kullanılabilir.

Direnç sabitken gerilim artırılırsa akım doğru orantılı olarak artar. Gerilim sabitken direnç artırılırsa akım azalır. Bu yüzden devre sorularında önce hangi büyüklüğün sabit kaldığı belirlenmelidir. Örneğin 12 voltluk bir kaynağa 4 ohmluk direnç bağlanırsa dirençten geçen akım I = U/R = 12/4 = 3 amper olur. Aynı kaynağa 6 ohmluk direnç bağlanırsa akım 2 ampere düşer; çünkü kaynağın gerilimi değişmediği hâlde akıma karşı koyan direnç artmıştır.

Ohm yasası her devre elemanının her koşulda aynı şekilde davranacağını söylemez; TYT düzeyinde temel, sabit dirençli devre elemanları için kullanılır. Sorularda bir pilin gerilimi, direnç değeri veya akım değiştirildiğinde diğer büyüklüğün nasıl etkilendiği bu bağıntıyla yorumlanır. Birimler de kontrol edilmelidir: gerilim volt, akım amper ve direnç ohm cinsindendir.

Açık ve kapalı devre ile temel devre elemanları

Kapalı devre, akımın kaynaktan çıkıp bağlantı kabloları ve devre elemanları üzerinden yeniden kaynağa ulaşabildiği tamamlanmış yoldur. Açık devrede ise anahtarın açık olması, bir kablonun kopması veya bağlantının tamamlanmaması nedeniyle yol kesilmiştir; bu durumda ideal devrede akım geçmez. Pil ya da akü gerilim kaynağı olarak devreye enerji sağlar. Anahtar devreyi açıp kapatarak akım yolunu kontrol eder. Ampul, aldığı elektrik enerjisinin bir kısmını ışık ve ısıya dönüştürür. Direnç ise akımı sınırlamak veya devrede istenen gerilim-akım ilişkisini oluşturmak için kullanılır. Örneğin pil, anahtar ve ampul seri biçimde bağlandığında anahtar kapalıyken ampul yanar; anahtar açıldığında devre açık hâle gelir ve ampul söner.

Seri ve paralel bağlı devreler

Seri bağlantıda devre elemanları tek bir akım yolu üzerinde art arda bulunur. Bu nedenle ideal seri devrenin her noktasından geçen akım aynıdır. Toplam direnç, dirençlerin toplamına eşittir: Rtoplam = R1 + R2 + ... . Kaynak gerilimi, elemanların dirençlerine bağlı olarak aralarında paylaşılır. Örneğin 6 voltluk bir kaynağa seri bağlı 2 ohm ve 4 ohmluk iki dirençte toplam direnç 6 ohm, devre akımı ise 1 amperdir. Gerilim düşümleri sırasıyla 2 volt ve 4 volt olur. Seri elemanlardan biri koparsa tek yol kesildiği için devrenin tamamında akım durur.

Paralel bağlantıda elemanların uçları aynı iki noktaya bağlanır ve birden fazla akım yolu oluşur. Bu nedenle paralel kollardaki potansiyel fark aynıdır; kollardan geçen akımlar ise direnç değerlerine göre farklı olabilir. Eşdeğer direnç, kollardan birinin direncinden daha küçüktür. Örneğin aynı gerilim kaynağına bağlanan iki paralel ampulün biri devreden çıkarılırsa diğer kolun yolu açık kalabilir ve diğer ampul çalışmayı sürdürebilir. Seri devrede akımın, paralel devrede ise gerilimin ortak olması temel ayırt edici noktadır. Karma ve çok çevrimli devrelerin ayrıntılı analizi bu temel bağlantıların ötesinde ayrı bir konudur.

Elektriksel güç ve enerji

Elektriksel güç, bir devre elemanının birim zamanda aktardığı veya dönüştürdüğü enerji miktarıdır. Birimi watt, elektriksel enerji ise joule birimiyle ifade edilir. Güç, devre elemanının ne kadar hızlı enerji tükettiğini gösterir; enerji tüketimi ise bu gücün ne kadar süre kullanıldığına bağlıdır. Temel bağıntılar P = U·I, P = I²·R ve P = U²/R şeklindedir. Elektrik enerjisi E = P·t bağıntısıyla bulunur.

Örneğin 12 volt gerilim altında 2 amper akım çeken bir ampulün gücü P = 12·2 = 24 watt olur. Bu ampul 10 saniye çalışırsa dönüştürdüğü enerji E = 24·10 = 240 joule olur. Aynı süre içinde daha büyük güce sahip bir cihaz daha fazla enerji tüketir. Günlük hayatta elektrikli cihazların üzerinde yazan watt değeri, cihazın çalışma sırasında enerji tüketme hızını karşılaştırmak için kullanılır. Elektrik faturalarında ise tüketilen enerji genellikle kilowatt-saat cinsinden değerlendirilir; bu, gücün zamanla çarpılmasıyla elde edilen bir enerji ölçüsüdür.