Elektrik yükleri ve yükleme yolları

Kuru bir kış gününde kazağınızı başınızdan çıkarırken çıtırtılar duyar, karanlıkta küçük kıvılcımlar görürsünüz. Saçlarınız havaya kalkar ve tarağa doğru uzanır. Arabadan inip metal kapıya dokunduğunuzda parmağınızda küçük bir çarpılma hissedersiniz. Plastik bir cetveli yün bir kumaşa sürtüp küçük kâğıt parçalarına yaklaştırdığınızda kâğıtlar cetvele doğru sıçrar. Bütün bu olayların ortak bir kahramanı vardır: atomların dış katmanlarında dolaşan ve bir cisimden ötekine kolayca geçebilen elektronlar. Önceki ünitelerde kütle çekimi ve temas kuvvetleriyle çalıştık. Bu ünitede elektrik kuvvetine geçiyoruz. İlk derste elektrik yükünü tanımlamayı, yüklerin birbirini nasıl ittiğini ve çektiğini, iletken ile yalıtkanı ayırmayı ve cisimlerin üç yoldan, sürtünme, dokunma ve etkiyle nasıl yüklendiğini öğreniyoruz.

• Elektrik yükünü atomun yapısıyla açıklar, yüklenmenin elektron alışverişi olduğunu gösterirsin.
• Yükün korunumunu ve yükün temel yükün katları olduğunu kullanırsın.
• Sürtünme, dokunma ve etki ile yükleme yollarını ayırır, sonuçlarını hesaplarsın.
• Yüklü bir cismin nötr bir cismi neden çektiğini kutuplanmayla açıklarsın.

Yükün kaynağı

Bütün maddeler atomlardan oluşur. Atomun çekirdeğinde pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlar, çekirdeğin çevresinde negatif yüklü elektronlar bulunur. Bir protonun yükü ile bir elektronun yükü büyüklükçe eşit, işaretçe zıttır. Proton ve elektron sayısı eşit olan bir atom ya da cisim nötrdür; toplam yükü sıfırdır.

Bir cismin yüklenmesi, elektron kazanması ya da kaybetmesidir. Protonlar çekirdekte sıkıca bağlı olduğu için yerinden oynamaz; cisimler arasında yer değiştiren her zaman elektronlardır. Elektron kazanan cisim negatif, elektron kaybeden cisim pozitif yüklenir. Pozitif yüklü bir cisim proton kazanmamış, elektron kaybetmiştir.

Yükün birimi ve temel yük

Elektrik yükünün SI birimi coulombdur (C). Bir elektronun ya da protonun yükünün büyüklüğüne temel yük denir ve yaklaşık e = 1,6 · 10⁻¹⁹ C'dir. Bir cismin yükü her zaman temel yükün tam sayı katıdır: q = n · e. Buna yükün kuantumlu olması denir. Bu yüzden 0,8 · 10⁻¹⁹ C gibi temel yükün yarısına denk gelen bir yük serbest bir cisimde bulunamaz.

Elektrik yükü korunur: yalıtılmış bir sistemdeki toplam yük, cisimler arasında nasıl alışveriş olursa olsun değişmez. Yük yoktan var edilmez, yalnız bir cisimden ötekine aktarılır.

İtme ve çekme

Aynı işaretli yükler birbirini iter, zıt işaretli yükler birbirini çeker. Bu kuvvet yükler büyüdükçe artar, aralarındaki uzaklık arttıkça hızla azalır.

Yüklü bir cisim nötr bir cismi de çekebilir. Negatif yüklü bir cetvel nötr bir kâğıt parçasına yaklaştırıldığında, kâğıttaki elektronlar az da olsa cetvelden uzaklaşır; kâğıdın cetvele yakın yüzü pozitif, uzak yüzü negatif olur. Buna kutuplanma denir. Yakın yüzdeki zıt yük cetvele daha yakın olduğu için çekim, itmeden büyük çıkar ve kâğıt cetvele doğru çekilir. Bu yüzden bir cismin yalnızca çekildiğini görmek, onun yüklü olduğunu kanıtlamaz; nötr de olabilir. Kesin kanıt itmedir: yalnız aynı işaretli yüklü iki cisim birbirini iter.

İletkenler ve yalıtkanlar

Elektronların kolayca hareket edebildiği maddelere iletken, edemediği maddelere yalıtkan denir. Metaller, içlerinde serbestçe dolaşan elektronlar bulunduğu için iyi iletkendir. Plastik, cam, kauçuk, tahta ve kuru hava yalıtkandır. Bir iletkene verilen yük kısa sürede yüzeyine yayılır; bir yalıtkana verilen yük ise verildiği bölgede kalır. Nemli hava ve vücudumuz bir miktar iletkendir; yüklenme olayları bu yüzden kuru günlerde daha belirgindir.

Sürtünme ile yükleme

Farklı maddelerden yapılmış iki cisim birbirine sürtülünce elektronlar birinden ötekine geçer. Elektronları kendine daha güçlü çeken madde negatif, elektron kaybeden madde pozitif yüklenir. İki cisim eşit büyüklükte ve zıt işaretli yük kazanır; toplam yük sıfır kalır. İpek kumaşa sürtülen cam çubuk pozitif, yüne sürtülen ebonit çubuk negatif yüklenir. Kancadaki kazak ve saç örnekleri de sürtünmeyle yüklenmedir. Aynı maddeden iki cisim sürtülürse yük alışverişi olmaz.

Dokunma ile yükleme

Yüklü bir iletken nötr ya da farklı yüklü bir iletkene dokundurulursa, elektronlar iki cisim arasında yeniden dağılır. Toplam yük korunur ve dokunmadan sonra iki cisim aynı işaretli yükle kalır.

Özdeş iki iletken küre dokundurulursa toplam yük aralarında eşit paylaşılır: q = (q₁ + q₂) / 2. Örneğin +5q ve −q yüklü özdeş küreler dokundurulursa her biri +2q yükle ayrılır. Nötr bir küreye dokundurulan yüklü özdeş bir küre, yükünün yarısını ona verir.

Yarıçapları farklı iletken kürelerde yük, yarıçaplarla doğru orantılı paylaşılır. Yarıçapları r ve 2r olan iki küreye toplam 9q yük dağılıyorsa küçük küre 3q, büyük küre 6q alır.

Etki ile yükleme

Yüklü bir cisim bir iletkene dokunmadan yaklaştırıldığında iletkendeki serbest elektronlar yer değiştirir: yüklü cisme yakın uçta zıt yük, uzak uçta aynı işaretli yük toplanır. İletkenin toplam yükü hâlâ sıfırdır. Birbirine değen iki nötr iletken küre, yüklü bir çubuk yaklaştırılmışken birbirinden ayrılır ve sonra çubuk uzaklaştırılırsa, kürelerden biri pozitif, öteki negatif yüklü kalır; yükleri eşit büyüklükte ve zıt işaretlidir. Çubuğa yakın olan küre, çubukla zıt işaretli yük alır. Etkiyle yüklemede yüklü cisim yükünden hiçbir şey kaybetmez. Topraklamayla yapılan etki yüklemesi ve elektroskop sonraki dersin konusudur.

Gündelik hayatta durgun elektrik

Bir yerde biriken ve hareket etmeyen yüke durgun elektrik denir. Halı üzerinde yürüyen birinin ayakkabısı ile halı arasındaki sürtünme vücudu yükler; metal bir kapı koluna uzanınca biriken yük bir anda kola atlar ve küçük bir çarpılma hissedilir. Fotokopi makineleri ve lazer yazıcılar, toner tozunu kâğıdın doğru yerlerine çekmek için yüklenmiş yüzeyler kullanır. Fabrika bacalarındaki bazı filtreler, duman taneciklerini yükleyip zıt yüklü levhalarda toplayarak havayı temizler. Gök gürültülü bulutlarda biriken çok büyük yüklerin boşalması ise şimşek ve yıldırım olarak görülür.

Soru çözme sırası

Önce hangi yükleme yolunun söz konusu olduğu belirlenir. Sürtünmede eşit ve zıt yükler, dokunmada aynı işaretli yükler ve toplam yükün korunumu, etkide zıt işaretli kutuplanma kullanılır. Dokunma zincirlerinde her dokunmadan sonra yükler sırayla güncellenir.

Örnek 1 — Elektron sayısı

Soru: Nötr bir cisim 4,8 · 10⁻¹⁹ C negatif yük kazanıyor. Cisim kaç elektron almıştır? Temel yük 1,6 · 10⁻¹⁹ coulombdur.

• A) 2
• B) 6
• C) 3
• D) 5
• E) 48

Çözüm: n = 4,8 · 10⁻¹⁹ / 1,6 · 10⁻¹⁹ = 3 elektron. Cevap: C.

Örnek 2 — Dokunma

Soru: +9q ve −3q yüklü özdeş iki iletken küre dokundurulup ayrılıyor. Her birinin son yükü nedir?

• A) +6q
• B) +3q
• C) −3q
• D) +12q
• E) Sıfır

Çözüm: Toplam +6q eşit paylaşılır; her biri +3q olur. Cevap: B.

Örnek 3 — Sürtünme

Soru: Bir plastik tarak saça sürtülünce negatif yükleniyor. Saç için hangisi doğrudur?

• A) Nötr kalır.
• B) Negatif yüklenir.
• C) Taraktan proton alır.
• D) Taraktan daha fazla yük alır.
• E) Eşit büyüklükte pozitif yükle yüklenir.

Çözüm: Sürtünmede iki cisim eşit ve zıt yük kazanır; saç elektron kaybetmiştir. Cevap: E.

Örnek 4 — Çekim

Soru: Yüklü bir çubuğun bir cismi çektiği gözleniyor. Bu cisim için kesin olarak ne söylenebilir?

• A) Çubukla zıt yüklüdür.
• B) Nötrdür.
• C) Aynı işaretli yüklüdür.
• D) Ya zıt yüklü ya da nötrdür.
• E) Yalıtkandır.

Çözüm: Zıt yüklü cisimler çekilir; nötr cisimler de kutuplanarak çekilir. Cevap: D.

• Pozitif yüklenmeyi proton kazanmak sanmak. Pozitif cisim elektron kaybetmiştir.
• Çekilen cismi kesin zıt yüklü saymak. Nötr cisimler de kutuplanıp çekilir.
• Dokunmada zıt yükler kaldığını sanmak. Dokunmadan sonra yükler aynı işaretlidir.
• Farklı yarıçaplı kürelerde yükü eşit bölmek. Yük yarıçapla orantılı paylaşılır.
• Temel yükün kesirlerini kabul etmek. Yük her zaman e'nin tam katıdır.