Elektrik Akımının Etkileri

Elektrik akımının etkileri: Günlük yaşamımızda hemen her gün elektrik akımının etkileri ile birçok alanda yüz yüze gelmekteyiz. Evlerimizdeki lambalar, sokak aydınlatmaları, ısıtıcılar, televizyon, telefon, vs gibi. Hepsi elektrik akımının bir etkisinden faydalanılarak geliştirilmiş cihazlardır. Elektrik akımının etkileri sadece bunlarla kalmayıp manyetik etki, kimyasal etkileri de vardır.

Elektrik akımının etkileri şunlardır;

• Isı Etkisi
• Işık Etkisi
• Manyetik Etkisi
• Kimyasal Etkisi
• Fizyolojik Etkisi

Elektrik Akımının Isı Etkisi

Elektrik akımının ısı etkisini şöyle anlatabiliriz. Soğuk havalarda üşüdüğümüz zaman ellerimizi bir birine sürterek ısınırız. Acaba böyle yaptığımızda ne oluyor da ısınıyoruz? Sürtünme sonucu ellerimizdeki atomların kinetik (hareket) enerjisini arttırıyoruz. Aslında sadece bir enerji dönüşümü gerçekleşmesi sonucu ısınıyoruz.  Burada sürterek kazanılan kinetik enerji başka bir enerji türü olan ısı enerjisine dönüşmektedir.

Elektrik akımının ısı etkisinden yararlanılarak işlerimizi kolaylaştıran birçok cihaz imal edilmektedir. Örneğin; Evlerimizdeki ısıtıcılar, fırınlar, elektrikli ocaklar gösterilebilir. Elektrik enerjisinin ısı etkisinden ev ve işyerlerinde yararlanılır. Bunun yanında farklı endüstri kollarında da çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektrik akımının ısı etkisinin avantaj ve dezavantajları da vardır.

Evlerimizde kullanımı azalan akkor flamanlı lambalar, aydınlatma için kullanılmaktaydı. Fakat akkor flamanlı lambaların ışık verimleri %10 civarındadır. Enerjinin çoğunu da ısıya dönüştürmeleri istenmeyen bir durumdur.

Bilgisayarların güç kaynağında fan bulunur. Bulunmasının nedeni  akım geçen devre elemanları aşırı ısınır. Eğer bu devre elemanları soğutulmaz ise yani ısı artarsa, ısının artması devre elemanlarının yanmasına ve bozulmasına neden olur. Elektrik motorları, trafolar gibi elektrikli makinelerde ısınma, enerji kaybı söz konusudur. Bunların soğutma zorunluluğu yüzünden çok fazla enerji harcamalarına neden olmaktadır.

• Akım Geçiren İletkenlerin Isınması

Ellerimizi her sürttüğümüzde atomların kinetik enerjisini arttırması başka enerjiye dönüşmesi sonucu ısınmaktayız. Bir iletkenden akım geçirilince iletken telin ısınması sırasında aynı olaylar meydana gelmektedir. Tek fark, iletken telde bu işi elektrik akımı yapmaktadır.

Bir iletkenden akım geçirilince elektronlar atomlarla ve başka elektronlarla çarpışır. Bunun sonucu iletken telin toplam kinetik enerjisi artmaktadır. İletken telde artan (oluşan) ısı, daha az ısıya sahip olan ortama yayılmaktadır.

İletkenlerin ısınma düzeyleri, iletkeni oluşturan atom veya moleküllerin elektrik akımına izin verme oranına bağlıdır. (elektronların geçişine). Akım bir iletkenden daha kolay geçerse iletken tel daha az ısınır. Zor geçerse, (sürtünme ve çarpışmalardan dolayı) iletken tel daha çok ısınır.

• İletkenlerin Isınma Düzeyleri

Üzerinden akım geçen her iletken bir miktar ısınır.  Kısa devre ve normal çalışma seviyesine bağlı olarak iletkenlerde ısınma seviyeleri farklıdır. İletkenlerin ısınma miktarları, yapıldıkları maddenin cinsine göre farklıdır. Yapıldıkları malzemenin cinsine göre, her iletkenin dayanacağı bir sıcaklık değeri vardır. Bu sınır sıcaklığı, iletkenin erime sıcaklığı da göz önünde bulundurularak yalıtım malzemesinin erime sıcaklığına göre tespit edilir. Eğer iletken ısınırsa enerji kaybına sebep olur ve ayrıca aşırı ısınma sonucu eriyerek yangına neden olabilir.

İletkenler (kalitesi ve malzemene göre) çok kısa bir süre yüksek sıcaklıklara dayanabilirler. Bundan dolayı kısa devre sınır sıcaklık değerleri normal çalışma sınır sıcaklığından daha yüksektir. İletken üretim firmaları farklı amaçlar için, farklı çeşitlerde iletken imalatı yapmaktadırlar. Üretim sırasında çeşitli hesaplar ve testler yaparlar. Bir iletkenin taşıyabileceği azami (minimum) akımı, dayanabileceği sıcaklığı belirlerler. Bu bilgileri de kablo kataloglarında belirtirler.

İletken seçimi, iletkenin hangi amaçla, nerede ve hangi koşullarda kullanılacağı belirlenir. Daha sonra kataloglardan faydalanarak yapılır.

Joule Kanunu

Jul (Joule) Kanunu, bir iletkende dönüştürülen (üretilen) ısı miktarının nelere bağlı olduğunu ortaya göstermektedir.

Joule Kanunu’na göre;

Oluşan ısının miktarı, dirence, direncin üzerinden geçen akımın karesi ve akımın geçme süresiyle doğru orantılıdır. Formülümüze bakarsak;

Matematiksel ifadesi ise aşağıdaki gibidir.

Q = I² . R . t (Joule)

Eşitlikteki sembollerin anlamları ve birimleri;

• Q : İletkendeki ısı miktarı (Joule – J)
• I : İletkenden geçen akım (Amper – A)
• R : İletkenin direnci (Ohm – W)
• t : Akımın geçme süresi (Saniye – sn)

Isı birimi olarak kalori (Calori-Cal) kullanıldığından jul, kaloriye dönüştürülür ve formül de aşağıdaki gibi kullanılır.

Q = 0.24 . I² . R . t

Soru:

Direnci 220 W olan bir ısıtıcıdan 1 saat boyunca 1 A şiddetinde bir akım geçirilmiştir. Isıtıcıdan elde edilen sıcaklığın miktarı nedir?

Cevap:

I = 1 A

t = 1 . 60 . 60 = 3600 sn.

Q = ?

Q = 0.24 . I² . R . t

Q = 0,24 . I² . 220 . 3600 = 190080 Cal. = 190 kCal.

Isı Etkisinin Endüstride Kullanım Alanları

• Termik röle, sigorta gibi çeşitli devre koruma elemanları,
• Termik ölçü aletleri gibi ölçme aletleri
• Termistörler, termostatlar gibi kontrol elemanları

Elektrikli Isıtıcı Hesapları

Elektrik akımı metallerden geçerken metalin cinsine göre farklı miktarlarda ısı üretir. Özdirençleri yüksek teller daha çok ısı üretirler. Isıtıcı tel (rezistans) olarak ısıya dayanaklı teller tercih edilmektedir. Verim/dayanıklılık oranı dikkate alındığından ısıtma teknolojisinde krom-nikel teller kullanılmaktadır.

Çeşitli Güç ve Gerilimler İçin Krom-Nikel Telin Fiziksel ve Elektriksel Değerleri

Isıtıcı hesaplarında kullanılacak telin cinsi tespit edildikten sonra hangi güçte bir ısıtıcı yapılacağına karar verilir. Isıtıcının çalışma gerilimi dikkate alınarak tespit edilen gücün elde edilmesi için telin uzunluğu ve çapının hesabına geçilir.

Biz telin uzunluğu ve çapını bulmak için önceden hesaplanan değerlerin bulunduğu yukarıdaki tablodan yararlanacağız.

Soru:

220 V’luk şebekede çalışacak 1000 W’lık bir ısıtıcı için kullanılacak krom-nikel telin çapını ve uzunluğunu hesaplayınız?

Cevap:

İlk önce tablonun 1. sütunundan güç değeri eşleştirilir. Bu durumda okunan değer tablonun son satırında bulunmaktadır. Tabloya göre kullanılması gereken telin çapı 0.57 mm (4. sütun, son satır) ve uzunluğu da 11 metredir. (5. sütun, son satır)

Elektrik Akımının Işık Etkisi

Elektrik akımı bazı metal veya gazlardan geçerken ışık yayarlar.

Işık Nasıl Oluşur?

Elektrik akımının geçtiği maddeler ısınır. Akım geçen iletkenin atomları ısındığı zaman, elektronları fazla bir enerji kazanır. Oluşan yeni toplam enerjileri çekirdekte bulunan çekim gücünden fazla olduğunda ise bir üst enerji bandına sıçrarlar.

Atomu uyaran etki geçtiği veya azaldığı zaman atom kısa bir süre içinde soğumaya başlar. Elektronların enerjileri de azalır. Böylece çekirdekte ki çekim gücüne yenik düşüp eski enerji bandına geri dönerler. Ama enerjileri ilk enerji miktarından fazladır. Elektronlar eski yörüngelerine dönerken “artık” enerjiyi foton parçacıkları şeklinde çevreye yayarlar. Milyarlarca atomdaki elektronun yaydığı foton birleşir. Bu fotonlarda etrafı aydınlatan ışıklardır.

Işık etkisinden faydalanarak;

• Aydınlatma, eğlence sektörü, teşhis ve tedavi amaçlı tıp uygulamaları,
• Haberleşme teknolojisi, baskı teknolojisi, güvenlik uygulamaları, otomatik kontrol uygulamaları,
• Bilimsel amaçlı test ve ölçüm uygulamaları gibi alanlarda kullanılmaktadır.

Elektrik Akımının MANYETİK ETKİSİ

Özgül ağırlığı 2.7 gr/cm3 olan, manyetik alan üreten nesne veya malzemelere mıknatıs denir. Doğal mıknatıs ve yapay mıknatıs olarak mıknatıslar iki çeşittir. Mıknatısın etkisinin görüldüğü alana manyetik alan denir. Dünyamız da kendisini çevreleyen bir manyetik alana sahiptir. Pusula nın çalışması da bu nedenden dolayıdır.

Bu uygulamalarda elektrik akımının manyetik etkisinden faydalanır. Manyetik alanları; elektrik motorları, gerilim dönüştürücü veya daha farklı türde trafolar.  Haberleşme sinyallerinin üretimi, indüktif sensörler, mikro dalga uygulamaları gibi. Ayrıca haberleşme, tıp, enerji, güvenlik vb. alanlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır.

MANYETİK ALAN

Bir mıknatısın kuvvetinin etkili olduğu alana manyetik alan denir. Mıknatısın etrafında oluşan manyetik alanı gözle görebilmek için mıknatısın etrafına demir tozları dökelim. Tozların belirli bir şekil aldığını görürüz. Kutup bölgelerinde manyetik kuvvet çizgilerinin yoğun olduğunu tespit edilebilir.

Manyetik Kuvvet Çizgilerinin Özellikleri

Kuvvet çizgilerinin yönü N kutbundan S kutbuna doğrudur. Kuvvet çizgileri asla birbirlerini kesmez ve birbirlerine paralel ilerler Kuvvet çizgileri kapalı bir devre oluşturacak gibi şekil alırlar. Zıt yönde olan kuvvet çizgileri birbirlerini zayıflatırlar. Tam tersi durum ise manyetik alanı kuvvetlendirir.

Manyetik Alanın Zararları

Manyetik alan yüzünden ölçüm cihazlarında yanlış ölçümler oluşabilir. Laboratuvar ortamlarında manyetik alan oluşumundan dolayı yanlış ölçümler olmaktadır. Elektronik cihazların çalışmalarını olumsuz yönde etkileyebilir. Manyetik alan tüm dünyayı etkilemektedir. Bundan dolayı canlı metabolizmasını etkileyebilir bir takım hastalıklar ortaya çıkabilir.

Elektrik Akımının KİMYASAL ETKİSİ

Elektrik akımı bazı sıvı bileşiklerden geçirilince (asitli bazlı tuzlu su) sıvı iyonlarına ayrılır. Bu iyonlar elektron taşıyıcısı durumuna geçerek sıvıdan elektrik akımının geçmesini sağlamaktadır.

Elektroliz

Elektrik akımı sayesinde sıvı içerisinde çözünmüş olan kimyasalların ayrıştırılma işlemine elektroliz denir. Detaylar konumuzda.

Elektrik Akımının FİZYOLOJİK ETKİSİ

Fizyolojik (Bedensel) Etkisi;

Elektrik akımının faydalı fizyolojik etkileri vardır. İşitme cihazları, kalp pili ve birtakım bedensel ve psikolojik hastalıkların tedavisi yer almaktadır. Elektrik akımının fizyolojik bakımdan faydaları olduğu gibi zararları da vardır. Zararları ise elektrik çarpmasıdır. Çarpma sonucu insan vücudu üzerindeki etkileridir.

Elektrik akımının öngörülemeyen zararlı etkilerine karşı alınacak önlemler:

• Tesisat arızası giderilirken şalter ve elektrik sigortaları onarım bitene kadar kapatılmalıdır.  Gerekirse elektrik panosunun başına bir nöbetçi bırakılmalıdır.
• Tesisatlar da mutlaka faz koruma rölesi, faz sırası rölesi, kaçak akım rölesi ve sigorta kullanmalıdır.
• Elektrikli cihaz onarımı sırasında cihazın fişi prizden çekilmelidir. Yalıtkan eldiven ve yalıtkan ayakkabı giydikten sonra işe başlamak gibi önlemler alınmalıdır.