Joule Nedir? Birimi, Sembolü, Formülü ve Hesaplama 

Joule Nedir: Bir enerji veya iş olduğunda joule kelimesi oldukça fazla karşımıza çıkar. Joule belli bir birimi anlatan ve enerji ölçümünü gösteren bir yapıdır. O halde, joule ne demek, Joule birimi, sembolü, formülü ve hesaplama hakkındaki bilgiler nelerdir.

Belirlenmiş bir ağırlık kapsamında belli bir hareket noktasına kadar yapılan iş üzerinden joule anlatılmaktadır. Kısaca yapılan iş olarak da açıklanabilir. 

Joule Nedir?

Enerji veya iş birimine Joule (Jul) denir. 1 newtonluk kuvvet ile bir cismi 1 metre kadar hareket ettirilmesi ile yapılan iş olarak da açıklanabilir. Böylece farklı ağırlık ve ölçü birimleri ile joule üzerinden hesaplama ve çevirme işlemi yapılır. Bu durumda herhangi bir iş için ne kadar enerji gerektiği hesaplaması yapılabilir.

Joule Birimi

Joule birimi, uygulamalarda (J) diye gösterilir. Aynı zamanda, ‘kj’ kilo şeklinde ele alınır. Joule kilo, Newton, watt, Coulomb veya dyn gibi değişik birim üzerinden de değerlendirilir.

1 kilo joul (kJ) = 1000 joule  eşittir.

Joule Sembolü

Adını İngiliz fizikçi James Prescott Joule’dan almıştır. Uluslararası Birim Sistemi’nde enerji, iş veya ısı miktarından türetilmiş bir birimdir. Sembolü aynı şekilde, “J” üzerinden gösterilmektedir. 

• 1 Joule =  0,24 cal veya 10.000.000 erg’e eşittir.
• 1 Joule = 1/4,18 cal = 0,24 cal = 10 7 erg’dir.
• 1 Joule = 1 Newton x 1 Metre = 1 N x 1 m
• 1 Joule = 1 Watt  x 1 Saniye = 1 Watt x 1 s
• 1 Joule = 1 Colomb  x 1 Volt = 1 C x 1 V
• 1 Joule = 100.000 Dyn x 100 cm = 10.000.000 Erg
• Joule = kg x m² /s²

Joule Formülü

Joule bir enerji birimidir. Joule formülü bazı farklı bilim birimleri üzerinden işlem gerçekleştirilir. Bu formül sabittir. 1800’lü yılların sonlarında hesabı yapılmış bir işlemdir.

Joule formülü şu şekilde yazılabilir.

J = kg x m² / s²

Bu şekli ile metre ve kilogram ile saniye üzerinde joule hesaplaması yapılmaktadır.  Bu formül her zaman geçerlidir.

Enerji hesaplaması için gereken formüller. Her formülün altında listelenen birimler kullanıldığı sürece, cevap Joule cinsinden olacaktır.

• İş = Kuvvet x Mesafe

joule = newton x metre

• Enerji = Güç x Zaman

joule = watt x saniye

• Kinetik Enerji = 1/2 x Kütle x Hız²

joule = 1/2 x kilo x ({metre} / {saniye})²

• Sıcaklık Değişimi = Kütle x Özgül Isı Kapasitesi x Sıcaklık Değişimi

joule = gram x ç x ΔT

T = ° C veya Kelvin cinsinden sıcaklık

Özgül ısı kapasitesi ç ısıtılmış malzemeye bağlıdır. Birimleriniz /_gramsºC.

• Elektrik Enerjisi = Güç x Zaman = Akım² 2 x Direnç x Zaman

joule = watt x saniye = amper² x ohm x saniye

Joule Nasıl Hesaplanır?

Joule iş birimi olarak 1 amperlik akım şiddetinin 1 ohm‘luk bir dirençten geçmesiyle 1 saniyede yapılan iştir.

Elektrik enerjisinin:

Watt güç, bu gücü ne kadar sürede harcadığı, kullanılan toplam enerjiyi joule = watt x saniye olarak buluruz. Joule (J), Güç (W), Zaman (t)

Enerji = güç x zaman ve Güç = voltaj x akım.

Elektrik gücü enerji ile ilgilidir.

Elektrik enerjisi = güç (Watt) x t (saniye) 

Soru: 24 saat açık kalan 100 wattlık bir lamba tüketilen enerji ne kadardır hesaplayalım?

Çözüm: J = W x t

t = 24  saat  t = 1 saat 60 dakika olduğundan 24 x 60 =1440 dakika

1 dakika 60 saniye olduğundan 1440 x 60 = 86.400 saniye bulunur.

J = W x t   

W = 100 watt         100W x 86.400 = 8.640.000 Joule olarak bulunur.

Elektrik enerjisi, joule, kilojoule veya megajul (megajoule) cinsinden de bulunur. Matematiksel olarak büyük sayılarla ve çok sayıda sıfırla sonuçlanabilir. Bundan dolayı harcanan elektrik enerjisini Kilowatt saat cinsinden ifade etmek daha kolaydır.

1 kilo jul =1000 joul olduğuna göre;

Kilojul = 8.640.000 / 1000 = 8.640 kilojoul (kj =10³ J)

mega jul = 8.640/1000= 8.64 megajul (MJ = 10⁶ J) olur.

Elektrik gücü watt veya kilowatt (kW) zaman olarak, saniye değil de saat olarak ölçülüyorsa elektrik enerjisi birimi kilowatt saat (kWh) olacaktır.

Sorumuza dönersek 100 Wattlık lamba 100x 24= 2400 watt saat veya 2.4 kWh enerji harcayacaktır. Bu da 8.640.000 jul ‘un daha net anlaşılmasını sağlayacaktır.

1 Kilowatt saat (kwh), 1000 watt saat veya 3.6 megajoule’ e eşdeğer bir enerji birimidir. Kilowatt saat, kullandığımız elektrik enerjisi miktarını belirler. Kilowatt saat elektrik enerjisini faturalamada  kullanıldığından standart enerji birimidir.

Joule Kanunu Nedir?

Günlük yaşantımızda elektrik enerjisi, ısı enerjisine dönüşür. Örneğin elektrik sobası, elektrik ocağı, elektrikli fırın vs bu cihazların hepsi elektrik enerjisini ısı enerjisine dönüştürür. Bu ısıtıcıların içerisinden bir akım geçer. Bundan dolayı ısıtıcılar ısı yayarlar.

İçerisinden akım geçen katı sıvı ve gaz cisimler ısınırlar. Bu durumda elektrik enerjisi direk olarak ısı enerjisine dönüşür. Isı enerjisi ile elektrik enerjisi arasında oluşan değişimler üzerinden Joule hesaplaması gerçekleşir. Bu hesaplamaya aynı zamanda joule kanunu da denir.

Joule Kanunu’na göre;

Elektrik enerjisi ısı enerjisine dönüşürken bazı olaylar meydana gelir. İçinden akım geçen bir iletken ısınır. Oluşan ısının miktarı, iletkenin direncine bağlı olarak üzerinden geçirilen akımın karesi ve akımın geçme süresi ile doğru orantılıdır. Joule kanunu, bir iletkende üretilen (dönüştürülen) ısı miktarının nelere bağlı olduğunu ortaya koyar.

Joule Kanunu, Isıtıcının Yaydığı Isı Enerjisi

• Q : İletkendeki ısı miktarı (Joule – J) veya (Cal-Kalori)
• U : İletkene uygulanan gerilim (V)
• P : İletkende harcanan güç (W)
• I : İletkenden geçen akım (A)
• R : İletkenin direnci ( W)
• t : Akımın geçme süresi (saniye – sn)

Formül: W = I² x R x t  veya  W = P x t olarak yazılır.

Sıcaklık ve ısı karıştırmamalıdır. Halbuki bağlılıkları vardır ama birbirinden farklıdırlar.

• Isı

Bir enerji şeklidir. Isı kendi başına iş yapabilir. Akaryakıtın, kömürün vs gibi şeylerin yanmasıyla yada üstünden akım geçmesi ile iletken ısı enerjisi oluşturur.

Isı, kalorimetre (calorimeter) ile ölçülür. Isının birimi ise kaloridir kısaca (cal) diye yazılır.

Atmosfer basıncında 1 gram suyun sıcaklığını 1°C artırmak için enerji miktarına kalori denir. 1 Kilo kalori 1000 kaloriye eşittir. Bunlara kilogram kalori yada büyük kaloride denir. Kalori, joule ile ifade edilir. Kalori enerji birimi olarak maddenin ısı miktarını belirlemek amacıyla kullanılır

• Sıcaklık

Herhangi bir yerin veya cismin taşıdığı ısı miktarının bir ölçüsüdür.

Sıcaklık ölçen alet termometredir (thermometer). Sıcaklığın birimi santigrat derecedir (O°C) diye yazılır.

Örnek olarak, odamızı ısı enerjisi ısıtır. Oda ısınır. Odanın sıcaklığını (O°C) şeklinde söyleyebiliriz.

Yapılan deneylerle 1 joule’ lük iş yapılınca 0, 24 cal ısı elde edildiği bilinmektedir.

Jul cinsindeki değeri kaloriye çevirirken elektrikli ısıtıcılardan elde edilen değer 0,24 ile çarpılır.

Q = 0,24 x W

Watt’ın değerini yazdığımızda

Q = 0,24 x I² x R x t  yada    Q = 0,24 x P x t yazılır

Çözüm:

I = 6 amper R = 75 ohm   T = 30 dak. = 30 x 60 = 1800 saniye  Q = 0,24 x I² x R x t

Q = 0,24 x 6² x 75 x 1800    Q = 1166400 cal

1 k x cal =1000 cal olduğu için bulunan değer 1000’e bölündüğü zaman

Q = 1166400 / 1000 = 1166,4 k.cal

Elektrik akımının ısı etkisi endüstriyel fırınlarda, döküm işlerinde, kaynak işleri vb. işlerde direkt olarak kullanılmaktadır.

Ayrıca elektrik akımının ısı etkisi dikkate alınarak veya ondan yararlanılarak birçok kontrol elemanı yapılmaktadır.

Örneğin, evinizdeki elektrikli sobanın yaydığı ısı, akımın ısıtıcı telinden geçmesi ile ilgilidir. Ayarladığınız sıcaklıkta ısıtıcının devre dışı kalması (çalışmasının durması) bir kontrol elemanı olan termistör ya da termostatla ilgilidir.

İşte bu elemanlar elektrik akımının ısı etkisi dikkate alınarak yapılmış elemanlardır.

Enerji Birimi Joule’ün Diğer Birimlere Joule Watt Dönüşümü.

• 1 joule kaç watt; Elektrikte 1 joule, 1 watt x saniye’ ye eşittir.
• 1 watt kaç joule; 1 watt x saniye = 1 joule eşittir.
• 1 Joule = 1 Newton x 1 Metre = 1 N x 1 m
• 1 Joule = 1 Watt x 1 Saniye = 1 W x 1 s
• 1 Joule = 1 Coulomb x 1 Volt = 1 C x 1 V
• 1 Joule = 100.000 Dyn x 100 cm = 10.000.000 Erg.

Joule –Thomson Olayı; 

İdeal gazlarda ısı aktarımı yapmayan sıcaklık değişimi ile hacmin büyümesini ve küçülmesini sağlayan olaya joule thomson olayı denir.

 

Elektroliz Nedir? 

Elektroliz nedir: Elektrik akımı yardımıyla, bir sıvı içinde çözünmüş kimyasal bileşiklerin ayrıştırılması işlemine elektroliz denir. Bu ayrıştırma işlemi, maddenin elektron vermesinden veya almasından kaynaklanır. Elektroliz işlemi, elektroliz kabı ya da tankı denen bir cihaz içinde uygulanır.

Elektroliz kabı içerisinde, çözünerek artı (+) ve eksi (-) yüklü iyonlara ayrılmış bir bileşiğin (→Elektrolit) içine birbirine değmeyecek şekilde daldırılmış iki elektrottan oluşur. Elektrotlar bir akım kaynağına bağlandığında gerilim oluşur. Bu da iyonları karşıt yüklü elektroda (kutup) doğru hareket ettirir. Karşıt kutupta yükünü dengeleyen atom veya moleküller elektrotta çökelir. Ya da elektrolit içindeki moleküllerle yeni reaksiyonlara girer. Yeni reaksiyona girme eğilimi daha fazladır.

Örneğin sofra tuzu içeren elektrolitte anotta klor açığa çıkar. Nötr sodyum atomları su moleküllerini etkileyerek katottan hidrojen açığa çıkmasına neden olurlar. Böylece elekrolitte sodyum hidroksit meydana gelir.

Elektroliz bu akımın elektrolit içerisinde iletilmesi ile birlikte gelişir. Elektrolit çoğu kez erimiş olarak veya  bir tuz eriyiğinin sulu çözeltisi şeklindedir. Volta pilinin (1800)  bulunması ile ve suyun elektrolizine uygulanmasıyla ilgili deneyler 19. Yüzyılın başlarında gerçekleşmiştir. Elektroliz olayını özel olarak inceleyen, Michael Faraday tarafından ortaya atıldığı  düşünülmektedir.

Elektroliz ile İlgili Terimler

İyon Nedir?

Suda çözülebilen kimyasal bileşiklerin bir kısmı negatif ve pozitif yüklü, atom veya atom gruplarına ayrılırlar. Pozitif ve negatif yüklü bu parçacıklara göç eden anlamına gelen iyon denir.

İyonlaşma Nedir?

Bir bileşiğin iyonlarına ayrışmasına iyonlaşma denir. Örneğin gümüş nitrat iyonlaşırsa; AgNO3→Ag+NO3 gümüş ve nitrat kökü iyonlarına ayrılır.

• Asitlerin (sülfirik asit=zaç yağı, nitrik asit= kezzap, hidroklorik asit= tuz asidi),
• Bazların (sodyum hidroksit= sud kostik, potasyum hidroksit= potas kostik),
• Tuzların ( bakır sülfat=göz taşı, gümüş nitrat= cehennem taşı)

sudaki çözeltileri kendiliğinden iyonlaşırlar. İyonlaşan çözeltiler ise elektrik akımını iletirler.

Elektrot Nedir?

Elektrolit içine batırılan iletken metallerdir. Suya daldırılan iletkenlerdir. Örnek, grafit çubuğu.

Elektrolit Nedir?

Çözelti olarak veya ergimiş halde alındığında doğru akımı geçiren maddeye elektrolit denir. Elektrolitlerin içerisinde serbest iyonlar vardır. Elektrolit, sulu çözeltide elektriği ileten maddedir. Örneğin hidroklorik asit (HCl) sülfirik asit (H2SO4), nitrik asit (HNO3) çözeltileri.

Elektroliz Hücresi Nedir?

İki elektrolit çözeltinin ve elektroliz olayının oluştuğu hücreye elektroliz hücresi denir. Elektrolizin yapıldığı kaba elektroliz kabı denir. Bir elektroliz için doğru akım güç kaynağı, elektrotlar ve elektrolit gerekir.

Anot Nedir?

Elektroliz  kabında, üretecin pozitif (+) kutbuna bağlı elektroda anot adı verilir.

Katot Nedir?

Elektroliz  kabında, üretecinin eksi (-) kutbuna bağlı elektroda katot adı verilir.

Anyon Nedir?

Atomların elektron almış durumudur. Negatif yükle yüklü atom ya da atom gruplarına anyon denir.

Katyon Nedir?

Atomların elektron vermiş durumudur. Pozitif  yükle yüklenmiş atom ya da atom gruplarına katyon denir. Elektrik enerjisinin, kimyasal reaksiyonu için tam kapalı, devre elektrik akımı gerekir.

Elektroliz Olayı

Bu olayı anlamak için ilk önce bileşikler arasındaki bağları (bileşikleri bir arada tutan kuvvet) öğrenmek gerekir. Bileşikler arasında değerlik elektronuna bağlı iki tür bağ vardır.

Kovalent bağ: Kovalent bağda bileşikler elektron veya elektronları ortak kullanırlar.

İyonik bağ: Bileşik atomlarından (veya moleküllerden) biri diğerine elektron verir. Böylece kendisi pozitif iyon durumuna gelir. Diğer atom veya bileşik ise negatif iyon durumuna geçer.

Kovalent bağlı bileşikler elektrik alanı ile ayrıştırılamazlar. Buna karşın iyonik bağlı bileşikler elektrik alanı ile ayrışabilirler.

Elektroliz Ne İşe Yarar?

Elektroliz farklı amaçlar için farklı şekillerde yapılabilir. Özellikle metalürji alanında ayrıştırma işlemleri sırasında kullanılır. Ayrıca kaplamacılık sektöründe de pratik bir yöntem olmasından tercih edilmekte ve yaygın olarak kullanılmaktadır.

Örneğin, bir metal başka bir metal ile kaplanacaksa kullanılacak eriyik ve elektrotlar ona göre seçilmelidir. Veya su ayrıştırma ile Hidrojen gazı elde edilmek istendiği zaman farklı bir çözelti ve farklı elektrotlar kullanılır.

Elektroliz Olayı Nasıl Gerçekleşir?

Elektroliz olayının nasıl gerçekleştiğini anlamak için aşağıda şekildeki düzenek bir örnektir. Bu düzenek, kaynağın eksi ucuna bağlı katotun artı ucuna bağlı anot ile kaplanması için tasarlanmıştır.

Elektroliz kabının içindeki suya bakır sülfat (CuSO₄) karıştırılmıştır. Bakır sülfat, bakır (Cu⁺²) ve sülfat (SO₄ ^-2) şeklinde suda çözünerek iyonlarına ayrılmıştır. Sisteme enerji verildiği zaman kaynağın artı (+) ucu anottan elektron çeker. Eksi (-) ucu ise katoda elektron verir.

Anotta bakır atomları (Cu^-2 ) negatif iyon durumuna geçer. Çözeltide serbest halde bulunan sülfat iyonları (SO₄ ^-2) ile birleşerek bakır sülfatı (CuSO₄) oluştururlar. Bu sırada da pozitif bakır iyonları (Cu⁺²) çözeltide serbest halde bulunur. Pozitif bakır iyonları (Cu⁺²) katottaki fazla elektronları alarak katotla birleşirler.

Bu şekilde akım geçtiği sürece katottaki metal, anottaki metal ile kaplanmış olur. Zamana ve devre akımına göre kaplanan bakırın miktarı Faraday Yasaları ile açıklanabilir.

Elektroliz Deneyi 

Bakır sülfattan bir miktar alalım, arı suda çözdürelim, bakır sülfat çözeltisi hazırlayalım. Çözeltinin içine elektrolitik bakır ile bir de ham bakır daldıralım. Ham bakırın ucunu bir pil bataryasına bağlayalım.

Pozitif (+) kutbu olan anota elektrolitik bakırın ucunu da üretecin negatif (-) kutbu olan katota bağlayalım. Bir süre sonra elektrotlara bakalım. Anot olan ham bakır delik deşik olur, kütlesi azalır. Buna karşılık bakır tel kalınlaşır, üzerinde saf bakır toplanır.

Bakır sülfatın elektrolizi

Bakır sülfat çözeltisi;

CuSo_4→  Cu + So₄ pozitif yüklü bakır, negatif yüklü sülfat kökü iyonlarına ayrışmış olduğundan doğru akım geçince elektrolize uğrar.

Pozitif yüklü bakır iyonu katottan iki elektron alarak nötrleşir ve atom durumuna geçer, katotta toplanır. Onun için kattot ağırlaşır. Negatif yüklü sülfat kökü iyonu ise ham bakır olan (+) yüklü anota gider. İki elektron vererek serbest hale geçer, bakır sülfat yapar, bu tuz ise suda çözünür, onun için ham bakırda azalma olur.

Kattota toplanan bu bakıra elektrolitik bakır denir. Elektrolizde doğru akım kullanılır. Şiddeti ve yönü belli olan doğru akımda iyonlar kolaylıkla göç hareketi yapabilirler. Elektrolizde alternatif akım kullanılacak olursa iyonlar göç hareketi yapamadan akımda yön değişmesi olur. Onun için alternatif akım kullanılmaz. Ancak alternatif akım doğru akıma çevrilir, ondan sonra kullanılabilir.

Elektrolizin Endüstrideki Kullanım Alanları

• Elektroliz metalürjilerde, metallerin hazırlanmasında (çözünmez anot) veya  arıtılmasında (çözünür anot) kullanılmaktadır.
• Galvanoplastide, bir elektrolitik metal birikimiyle metal birikimiyle döküm kalıbına şekil vermede kullanılır. Aşınmaya karşı korumada, bir metal çökeltisi ile metallerin kaplanmasında kullanılan bir yöntemdir. (örneğin, kadmiyum, altın, gümüş, nikelaj, çinko, krom, bakır kaplama gibi)
• Suyun elektrolizi ile arı hidrojen ve başka gazlar elde etmede.
• Metallerin anot veya katot anot olarak yağlardan temizlenmesi. Ayrıca (alüminyumun, alümin sayesinde anotlaştırılması) elektrolizle parlatma, gaz üretimi (klor) gibi.
• Elektroliz, voltmetrelerdeki akım miktarının, akım şiddetlerinin ölçülmesine de imkan sağlar.
• Devamlı akım sayesinde, organik dokuların ayrıştırılmasına dayanan tedavi elektrolizi. Yemek borusu ve idrar yolu (üretra) daralmaları. Burun deliklerindeki poliplerin yok edilmesi. Cerrahide sinir uçlarının (nöronların), sertleşen urların vs hastalıkların tedavisinde  kullanılmaktadır.

Elektrolizin Uygulama Alanları

• Alüminyum, ergitilmiş alüminyum oksitin elektrolizinden elde edilir.
• Klor-alkali fabrikalarında sodyum ve klor; ergitilmiş yemek tuzunun elektrolizinden elde edilir.
• Metallerin ayrıştırılmasında elektrolizden yararlanılır. Hangi metalin  ayrıştırılması isteniyorsa, o metalin bir tuzunun çözeltisi hazırlanır. Saf olarak istenen metaller suda çözünen tuzlarının elektrolizinden elde edilir. Bu sistem elektrolitik bakır metali için kullanılır. Çözelti içerisine batırılan elektrotlardan biri saf bakır, öbürü de saf olmayan bakırdır. Bakır iyonları (+) yüklü olduğu için katoda gider orada nötrleşerek saflaştırılmış olur.
• Metalle kaplamacılıkta  elektrolizden faydalanılır. Kullandığımız araç ve gereçlerin üzerlerini çevreden etkilenmemesi için korumak gerekir. Herhangi bir cisim metalle kaplanmak istenirse elektroliz kabında katot olarak kullanılır. Hangi metal ile kaplanacaksa o da anot olarak seçilir. Havadan etkilenmeyen metallerin tuzunun, suda çözünen tuzları alınır. Nikelaj, kromaj ve gümüşle kaplama bu yöntemle olur.  Böylece herhangi bir cismin üzerine nikel, gümüş, bakır, altın, krom kaplanabilir. Bir demir boru nikelle kaplanacak olursa, boru katot, nikelse anot olarak seçilir. Çözeltisi için nikel tuzu çözeltisi kullanılır. Sulu çözelti içerisindeki nikel iyonları katoda gider. Böylece element halinde toplanarak elektroliz kaplama olayı gerçekleşmiş olur. Bu işleme endüstride galvanoteknik denir.

Elektrolizi Kim Buldu?

Elektroliz konusunda 18oo’ de Anthony Carlisle ve William Nicholsun. 1807’ de Humphry Davy ve 1833’ de Faraday’ın keşifleri. 1887’ de Svante Arrhenius tarafından geliştirilen iyon teorisi, günümüzün  atom fiziğine temel oluşturmuşlardır.

Elektrolizi, Michael Faraday bulmuştur. İlgi alanı elektrik ve kimyadır. Kimya araştırmalarından ilki maden kömürü katranlarında benzeni bulmaktı. Basit bir cihazın içerisinde sıkıştırma ve soğutmayla, o çağda bilinen tüm gazları sıvılaştırmayı başardı. Qersted’in icatından sonra 1824′ de elektromanyetikliği incelemeye başlamıştı.

Bir mıknatısın elektrik akımı üzerindeki etkisini gözlemleyerek Ampére’in teoremlerini tamamlamıştır. Bu yolla, devamlı mıknatısların etkisinde olan bir elektrik devresini döndürmeyi başarmıştır. Böylece elektrik motorunu çalıştıracak prensibi bulmuştur. 1831’de, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren elektromanyetik indüklemeyi bulmuş. Böylece dinamo yapımını sağlamıştır. 1833’te elektroliz teorisini, olayın ismini, elektrot ve iyon terimlerini ortaya atmıştır.

Ohm Kanunu Nedir?

Ohm Kanunu: Bir elektrik devresinde gerilim, akım ve direnç arasındaki ilişkiyi hesaplamak için kullanılır. Bu formüle ohm kanunu veya ohm yasası denir. Alman fizikçi George Simon Ohm kendi ismini taşıyan bu kanunu 1827 yılında bulmuştur. (1787 – 1854 yılları arasında yaşamıştır.) Ohm kanunu (ohm’s law), elektriğin bir temel kanunudur.

Einstein’ın Görelilik denklemi (V = mc²) ne kadar önemliyse, elektronikte de Ohm Kanunu (V = I x R) o kadar önemlidir.

Elektrik devresinde  gerilim (voltaj), akım ve direnç arasında bir bağlantı vardır. Elektrik devresinde iki nokta arasındaki bir iletken üzerinden geçen akım potansiyel farkla doğru orantılı, dirençle ise ters orantılıdır.

Ohm Nedir?

Direnç birimi Ohm’ dur. Bir iletkenden geçen elektrik akımına karşı iletkenin gösterdiği direncin birimidir. Ohm ne kadar büyük ise o kadar çok direnç vardır. Farklı malzemelerin, farklı dirençleri vardır.

Akım bir dirençten geçerken elektronlar enerji kaybeder. Elektronlar bir dirençten geçerken iş yapar. Bu iş ısıya dönüşür. Ohm kanununa göre; akım, potansiyel farkının dirence oranıdır. Bu değerlerden ikisinin bilinmesi halinde üçüncüyü hesaplamak için Ohm Kanununu kullanılır.

Ohm kanunu formülü;

Devrenin akım şiddetine (I), gerilimine (U veya V), direncine de (R) dersek akım şiddeti;

• Akım (I) ve direnç (R) biliniyor ve gerilimi V bulunmak istenildiğinde piramidin alt yarısındaki değerler çarpılarak denklem hesaplanır.
• Gerilim (V) ve direnç (R) biliniyor ve akımı (I) bulunmak istenildiğinde piramitteki I dışarıda bırakılarak denklem hesaplanır.
• Gerilim (V) ve akım (I) biliniyor ve direnç (R) bulunmak istenildiğinde piramitteki R dışarıda bırakılarak denklem hesaplanır.

Not: Çalışır durumdaki bir devrede direnç ölçülemez. Hesaplama gerekli olduğunda Ohm Kanunundan  özellikle faydalanılır.

Ohm Kanunu Soruları

Soru 1: 1,5 Volt’ luk pilin uçları arasına direnci 3 ohm olan bir ampul bağlanmıştır. Lamba üzerinden geçen akımı (I) bulunuz.

Çözüm;

 

Soru 2: Direnci 44 Ω olan bir elektrik sobası 5 A akım çekmektedir. Elektrik sobasına uygulanan gerilimi (V) bulunuz.

Çözüm;

V = R x I = 44 x 5 = 220 V

Soru 3: 220 V’ luk bir tesisatta bulunan elektrik ocağı 2,2 A akım çekmektedir. Elektrik ocağının direncini (R) bulunuz.

Çözüm;

R = U / I = 220 / 2,2 = 100 Ω olur.

Ohm Kanunu ile Akım Gerilim Direnç Hesaplamaları

Soru: 9 Volt’ luk bir pile bağlı lambanın direnci 3 Ω idir. Devreden geçen I akımının değeri kaçtır?Çözüm:

U = I x R’ den I = U / R = 9 / 3 = 3A lambadan geçen akım

Soru:12 Volt’ luk bir pile bağlı bir devreden 4 Amper akım geçmektedir. Devredeki lambanın direnci kaç ohm dur?Çözüm:

U = I x R’ den R = U / I =12 / 4 = 3Ω lambanın direncidir.

Soru: 5 Ω’ luk bir direnci olan lambadan 2Amper akım geçmektedir. Devrenin kaynak gerilimi kaç volttur?Çözüm:

U = I x R’ den U = 5 x 2 =10 Volt Pilin gerilimidir.

Ohm kanunun tamamlayıcısı Kirşof Kanunudur.

Ohm Kanunu Uygulamaları

Devredeki akımın, gerilimin ve gerilim düşümlerini doğrulamak için Ohm Kanunu kullanılır. Örneğin, ölçüm cihazı yüksek bir akım ölçtüğünde, direncin düştüğü veya gerilimin arttığı ve yüksek gerilim durumunu ifade eder. Bu da, devrede bir sorunun olduğunu gösterir.

Doğru akım (DC) devrelerinde normalden düşük bir akım ölçümü, geriliminin düştüğü veya devre direncinin arttığını gösterir. Direncin artmasının olası nedenleri gevşek bağlantı, aşınma veya hasarlı bileşenler olabilir.

Ölçüm sırasında dijital multimetre veya pensampermetrede normal değerlerden farklı görülebilir. Bu durumda devrede sorunun nerede olduğunu belirlemek için Ohm Kanunu’nu kullanılır.

 

 

 

 

 

 

Atom ve Atomun Yapısı – Özellikleri – Modeli 

Atom nedir: Birçok alt parçacığı olan ve maddenin en küçük yapı taşına denir. Bir elementin bütün özelliğini taşıyan en küçük parçasıdır. Atom gözle görülmesi imkânsız, çok küçük bir parçacıktır. Sadece tünel mikroskobu (atomik kuvvet mikroskobu) ile incelenebilir.

Eski Yunan filozofları maddenin olabilecek en küçük halinin maddenin yapıtaşı olduğunu düşünmüşlerdir. Bu yapıya Yunanca’ da kesilemez, bölünemez anlamına gelen atom adını vermişlerdir.

Bir atomda, çekirdeği saran negatif yüklü bir elektron bulutu vardır. Çekirdek pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlardan oluşur. Nötronlar daha çok nötr olan yapılardan oluşmaktadır. Bunların hiçbir şekilde bir yükü bulunamamaktadır. Proton ise pozitif çekici özelliği olan bir yapıdır. Elektron ise negatif yüklü yapılardan oluşmaktadır.

Atom tüm maddenin kimyasal ve fiziksel niteliklerini taşır. Maddeyi oluşturan atomlar sürekli olarak hareket ederler.

Atomun Yapısı

Atom yapısının içerisinde daha küçük parçacıklar bulunmaktadır. Daha ufak parçacıklar nötron, proton ve elektrondur. Atomun çekirdeğinde proton ve nötron, elektron ise çekirdeğin etrafında itme ve çekme hareketleri sonucunda dönmektedirler. Bunların dönmesi halinde itme ve çekme kuvvetleri sayesinde asla bir biri ile çarpışmamaktadır. Elektronlar çok geniş bir alanda bulunmaktadırlar.

Atomu oluşturan parçacıklar farklı yüklere sahiptir. Bu yükler; negatif ve pozitif yüklerdir.

• Cisimden cisme elektrik yüklerini taşıyan negatif yüklü elektron,
• Elektronların yükünü dengeleyen aynı sayıda ama pozitif yüklü olan proton,
• Elektrik yükü taşımayan nötr parçacık nötron.

  

Atomun, değişik durumlarda ortaya çıkan bir çok parçacıkları vardır. Bunlar; Positon, Meson, Neutrino, Deuteron, Triton, Alfa zerrecikleri, Gama ışınları.

Atom iki bölümden oluşur;

1. Çekirdek (merkez)
2. Katmanlar (yörünge; enerji düzeyi)

1. Atom Çekirdeği

Atomun tüm kütlesini oluşturan çekirdek, hacim olarak küçüktür. Çekirdekte proton ve nötronlar vardır. Elektronlar ise çekirdek çevresindeki katmanlarda bulunur. Atomun çekirdeğinde yer alan nötronlar yüksüz, protonlar ise (+) elektrikle yüklüdür. Her atomun çekirdeğinde en az bir proton yer alır. Nötron ise çekirdeğinde birden fazla proton bulunan atomlarda bulunur. Çekirdekteki proton sayısına, o atomun atom numarası denir.

Proton sayısı o elementin atom sıra numarasını gösterir. Çekirdekteki nötron ve proton sayılarının toplamı o maddenin atom ağırlığı (kütle numarası) demektir. Çekirdek atomun merkezinde bulunur. Çekirdek belli sayıda proton ve nötrondan oluşmuştur.

Çekirdeğin yarıçapı, atomun yarıçapının on binde biri kadardır. Kuantum mekaniği yasalarının geçerli olduğu birçok sistem gibi çekirdek de anlaşılması zor ve gizemlidir. Bir atomun çekirdeği proton ve nötrondan oluşur.

Çekirdekteki proton ve nötronlara ortak olarak nükleon denir. Kütle numarası (K x N) atom numarası (A x N) ile elementin atom numarası Z ile gösterilir. Çekirdekteki nötron sayısı N ile gösterilirse A = Z + N olur.

Tanecik adı	Sembol	Elektrik yükü	Kütle kg
Proton	P+	+	1,6725.10-27 kg
Elektron	e¯	–	9,107.10-31 kg
Nötron	n0	0	1,6748.10-27 kg

Elektronların çekirdek çevresinde dönme hızı, 2,18.108 cm / sn’ dir. Elementlerin çekirdekte bulunan protonlar, atomun (o elementin) tüm kimyasal ve fiziksel özelliklerini belirler.

Proton

Atomun çekirdeğini oluşturan elemanlardır. Protonlar pozitif elektrik yüklü  parçacıklardır. Elektronların yükünü dengeler. Protonun ağırlığı; elektrondan fazladır. Sadece taşıdığı elektrik yükünün miktarı elektron ile aynıdır.

Atomların cinslerine göre çekirdeklerindeki proton sayısı değişmektedir. Bu da atomlar (elementler) için ayırt edici özelliktir. Yani proton sayısının farklı olması elementin diğerinden farklı olduğu anlamına gelir.

Nötron

Nötron, elektrik yükü olmayan nötr parçacıktır. Atom çekirdeklerinde nötronlar vardır. Protondan daha ağırlardır. Nötronların sayıları atomun cinsine göre değişmektedir.

Elektron

Elektronların bulunma olasılığının olduğu bölgelere elektron bulutu denir. Merkezde atom çekirdeği bulunur. Elektronlar tek tek bulut oluştururlar. Elektron bulutu bir küre meydan getirir. Kimyasal olaylarda (reaksiyonlarda) yalnızca elektron sayısı değişir. Proton ve nötron, çekirdekte bulunduğu için sayıları değişmez.

• Nötr bir atom için; elektron sayısı= proton sayısı
• (A.N.) Atom numarası= proton sayısı
• Çekirdek yükü= proton sayısı
• İyon yükü= proton sayısı – elektron sayısı (E.S.)
• (K.N.) Kütle numarası= proton + (N.S)nötron sayısı (Nükleon sayısı)(atom ağırlığı)
• Atom Numarası = Proton Sayısı = Çekirdek Yükü = Elektron Sayısı

İzotop Atom Nedir?

Atom numarası (proton sayısı) aynı, ama kütle numarası (atom ağırlığı) ise farklı olan atomlara, “izotop” denir. Diğer bir ifadeyle proton sayıları aynı (p x s= A x N), nötron sayısı (K x N = p x s + n x s) farklı atomlara izotop atom denir.

Bir atomun proton sayısı atom numarasını; proton ve nötronların toplamı ise kütle numarasını anlatır. Bir elementin farklı sayıda izotopu olabilir. Bu izotoplar, farklı kütle numarasına sahiptir. İzotopların nötron sayıları farklıdır.

Atomların kimyasal özellikleri, yörüngedeki elektronların durumuna bağlıdır. Bundan dolayı elektron dizilişleri eşit olan atomların tüm kimyasal özellikleri de aynıdır. Dengeli atomlarda proton sayısıyla elektron sayısı birbirine eşittir.

Çekirdeklerinde eşit sayıda proton olan atomlar, nötron sayıları farklı olsa bile kimyasal özellikleri aynıdır. Dolayısı ile bir elementin bütün izotopları aynı kimyasal özellikleri taşır. Ancak; izotopların fiziksel özelliklerini nötronların sayısı belirler. Bundan dolayı izotopların fiziksel özellikleri farklıdır.

Kimyasal özellikleri aynı, atom ağırlıkları farklı atomlar, birbirinin izotopu durumundadır. İzotopların atom ağırlıklarının farklı olması, bu atomların çekirdeklerindeki nötron sayılarının farklı olmasındandır.

Bazı izotoplar radyoaktif değildir. Oysa bazı izotoplar ise radyoaktiftir. Elementlerin atom numaraları arttıkça, izotop sayıları da artar. Bir izotop, radyoaktif özellik taşıyorsa “radyoaktif izotop” adını alır. Aynı elementin doğal ve yapay radyoizotopu aynı özellikleri taşır.

2. Atomun Yörüngesi (Katmanlar; Enerji Düzeyi)

Atomda yörüngeler içten dışa doğru K,L,M,N,O,P ve Q şeklinde sıralanmış olup her yörüngenin enerji seviyesi birbirinde farklıdır. Elektronların çekirdek etrafında bulunur. Elektron hareket ettiği enerji seviyelerine katman denir. Elektron katmanlarına enerji düzeyi de denir.

Bütün atomların dış bölümü elektron katmanlarından oluşur. Her katman çekirdekten uzaklığına göre K, L, M. gibi harflerle adlandırılmaktadır. Atomun etrafında katman katman yörüngeler vardır. Atomda yörüngeler içten dışa doğru K,L,M,N,O,P ve Q şeklinde sıralanmış olup her yörüngenin enerji seviyesi birbirinde farklıdır.

Bu yörüngelerde elektronlar bulunur. Yörünge “n” harfi ile gösterilir.

Yörüngede olan en fazla elektron sayısı 2n₂ formülü ile bulunur.

aX: a, X atom numarasını gösterir.

Bunlar K, L, M, N,… gibi harflerle gösterilirken aynı zamanda 1, 2, 3, 4,… gibi numaralarla da gösterilir. Bu numaralara baş kuantum sayısı adı verilir. Yörüngelerinde kendi içlerinde alt birimleri vardır. Bunlara orbital adı verilir.

İletken ve Yalıtkan Nedir?

Elementlerin özelliklerini atomların son yörüngesindeki elektron sayıları belirlemektedir. Elektrikte kullanılan maddelere; yalıtkan, iletken, yarı iletken madde denir.

İletken Nedir?

Atomları elektron vermeye yatkın olan maddelerde, serbest elektron sayısı fazladır. Elektron almaya yatkın olanlarda ise serbest elektronlar azdır. Dış yörüngelerindeki elektron sayısı dörtten az olan atomların serbest elektron sayısı fazladır. Serbest elektronu fazla maddeler, elektrik akımını kolaylıkla iletirler. Elektrik akımını iyi ileten maddelere, iletken denir.

İletken malzemelerde örneğin; Bütün metaller gümüş, bakır ve alüminyum gibi maddeler iletkendir. Bunlar serbest elektronlardır. İletkenler üzerindeki serbest elektronlar elektrik akımını bir noktadan bir noktaya kolaylıkla taşırlar.

Vücudumuzda iyi bir iletkendir. İyonlara sahip sıvılar da iletkendir, bunlara elektrolit denir. İçtiğimiz su iletken, saf su yalıtkandır. Toprağın içinde su olduğundan iletkendir. Gazlar ise yalıtkandır. Fakat iyonlarına ayrışan gazlar iletkendir.

Yalıtkan

Atomlarının son yörüngelerinde beş ve daha fazla elektron bulunduran maddelere yalıtkan denir. İçinde serbest elektron bulunmayan ve elektrik akımını iletmeyen maddelere denir. Dış yörüngelerindeki elektron sayısı dörtten fazladır.

Elektron sayıları 5-6-7 olan elementler ise bir yere kadar yalıtkan sayılır. Yalıtkan maddelerde serbest (valans) elektronlar çok azdır. Kauçuk, kağıt, hava, yağ, tahta, teflon, plastik, porselen, ebonit, mika, bakalit, cam yalıtkan maddelerdir. Kendimizi bu maddelerle yüksek gerilimin etkilerinden koruyabiliriz. Ayrıca saf su, alkol, şekerli su da yalıtkan maddelerdir.

Değerlik elektronları atomlara sıkıca bağlanmıştır. Bu malzemelerde elektronlar hareket etmezler. Bu maddelerin değerlik elektron sayıları 8 veya 8 ‘e yakın sayıda olduğu için atomdan uzaklaştırılmaları zordur.

Yarı İletken

Elektrik iletkenliği, iletken ve yalıtkanlar arasında bulunan maddelere denir. Bu maddeler düşük sıcaklıkta yalıtkan; yüksek sıcaklıkta iyi bir iletkendir. Uygulanan akım veya da gerilimle iletkenlik değişir. Yarı iletkenlik entegre devre, diyot ve transistör devre elemanlarının yapımında kullanılır. Örneğin germanyum, silisyum gibi maddeler yarı iletkendir.

Elektrik Yükü ve Birimi

Atomun yapısını proton ve elektronlar oluşturmaktadır.  Proton ve elektronların elektriksel özellikleri birbirlerine tezattır. Proton (+) yüklü, elektron (-) yüklüdür. Nötronlarsa yüksüzdür. Elektrik yükü Q ya da q ile, birimi coulomb ise C ile gösterilmektedir. Proton ve elektron sayıları bir atomda eşit ise bu atoma nötr atom denir.

Atoma elektron verilerek ya da atomdan elektron alınarak atomların yüklenmesi sağlanır. Bir atomda proton sayısı elektron sayısından fazla  ise bu atomlara pozitif yüklü iyon veya katyon denir. Simgesi “+e” ile gösterilmektedir.

Atomun içinde elektron sayısı çoksa dışarıdan elektron kazanmıştır. Buna  negatif yüklü iyon denir ve “– e” ile gösterilir. Aynı zamanda bunlara “anyonda” denir.

(aX ±b) ifadesinde;

• A: X atomunun atom numarasını,
• +b: X atomunun kaybetmiş olduğu elektron sayısını,
• -b: X atomunun kazanmış olduğu elektron sayısını gösterir.

Atom Ağırlığı

Farklı atomlardaki protonlarla neutronların sayısına “atom sayısı” ve “atom ağırlığı” adı verilir. Bir atom sayısı, o atomda ne kadar proton, yada elektron bulunduğunu gösterir. Bu durumda, o atomun hangi elemanının atomu olduğu anlaşılır.

Atom Modelleri

Atom ve atomun yapısı üzerine tarih boyunca ortaya atılmış birçok fikirler bulunmaktadır. Eksi yüklü parçacıkların (elektronlar) artı yüklü kütle içinde sabit durduğu, üzümlü keki andıran Thomson’ un tarifi. Sonrasında bu parçacıkların kekin üzümleri gibi homojen dağılmadıklarını gösteren Rutherford’ un modeli. Bugün birçoğumuzun kafasındaki atom görüntüsünü tarif eden Danimarkalı fizikçi Niels Bohr’ un modeli. Bu fikirlere birer örnek olarak gösterilebilir.

 

BENZER YAZILAR