Elektroskop ve topraklama

Bir cismin yüklü olup olmadığını gözle göremeyiz. Bir tarağın kâğıt parçalarını çektiğini görmek de yetmez; önceki derste öğrendiğimiz gibi nötr cisimler de kutuplanarak çekilebilir. Yükü görünür kılmak için basit ama ustaca bir alet kullanılır: cam bir kabın içine yerleştirilmiş, ucunda iki ince metal yaprak taşıyan bir çubuk. Yaprakların açılıp kapanması, cisimlerdeki görünmez yükü anlatır. Aynı derste, yüklü bir cismin yükünden nasıl kurtulabileceğini de soracağız. Akaryakıt tankerlerinin arkasında yere değen zincirler, binaların tepesindeki metal çubuklar ve çamaşır makinelerinin fişindeki üçüncü uç bu sorunun cevaplarıdır. Önceki derste yükleme yollarını gördük ve etkiyle yüklemenin topraklamalı biçimini bu derse bıraktık. Bu derste elektroskopun yapısını ve çalışmasını, onunla bir cismin yükünü ve yükün işaretini anlamayı, topraklamanın ne olduğunu ve topraklama ile etki yoluyla yüklemeyi öğreniyoruz.

• Elektroskopun yapısını ve yaprakların neden açıldığını açıklarsın.
• Yüklü bir elektroskopa cisim yaklaştırıldığında yaprakların davranışından sonuç çıkarırsın.
• Topraklamayı tanımlar, topraklanan cisimde elektron akışının yönünü bulursun.
• Topraklama ile etki yoluyla yüklemenin adımlarını ve sonucunu yazarsın.

Elektroskopun yapısı

Elektroskop, bir cismin yüklü olup olmadığını ve yükünün işaretini anlamaya yarayan bir alettir. Üstte metal bir topuz, topuza bağlı metal bir çubuk ve çubuğun alt ucunda iki ince metal yaprak bulunur. Bu iletken bölüm, yalıtkan bir tıpa ile cam bir kabın içine yerleştirilmiştir; cam kap yaprakları hava akımlarından korur.

Elektroskop nötrken yapraklar kapalı, yan yana durur. Elektroskop yüklendiğinde yük topuz, çubuk ve yapraklara yayılır. İki yaprak aynı işaretli yükle yüklendiği için birbirini iter ve açılır. Yük ne kadar büyükse yapraklar o kadar çok açılır. Yaprakların açıklığı yükün büyüklüğünü gösterir, ama tek başına yükün işaretini göstermez: pozitif ve negatif yüklü bir elektroskopun yaprakları aynı biçimde açılır.

Nötr elektroskopa yüklü cisim yaklaştırmak

Nötr bir elektroskopun topuzuna, dokunmadan, yüklü bir çubuk yaklaştırılırsa yapraklar açılır. Çubuk negatif ise topuzdaki elektronlar itilir ve yapraklara iner; topuz pozitif, yapraklar negatif olur. Elektroskopun toplam yükü hâlâ sıfırdır. Çubuk uzaklaştırılınca elektronlar yeniden dağılır ve yapraklar kapanır. Bu, etkiyle kutuplanmanın görünür hâlidir.

Yüklü çubuk topuza dokundurulursa elektroskop dokunma yoluyla yüklenir ve çubukla aynı işaretli yük kazanır; çubuk uzaklaştırılsa bile yapraklar açık kalır.

Yükün işaretini bulmak

Yükünün işareti bilinen bir elektroskop, başka bir cismin yükünü anlamak için kullanılır. Cisim topuza dokundurulmadan yaklaştırılır:

• Yapraklar daha çok açılırsa cisim, elektroskopla aynı işaretli yüklüdür. Aynı işaretli yük, yapraklara daha çok yük iter.
• Yapraklar kapanırsa cisim ya zıt işaretli yüklüdür ya da nötrdür. Zıt yüklü cisim yaprakların yükünü topuza çeker; nötr bir iletken cisim de kutuplanarak bir miktar çeker. Zıt yükün büyüklüğü yeterliyse yapraklar tamamen kapanıp yeniden açılabilir.

Buradan önemli bir sonuç çıkar: yalnız yaprakların daha çok açılması kesin bir kanıttır. Kapanma, cismin işaretini kesin olarak söylemez.

Neden ince metal yapraklar?

Elektroskopun yaprakları çok ince ve hafif metal levhalardan yapılır. Eski elektroskoplarda bu amaçla dövülerek inceltilmiş altın yaprak kullanılırdı. Yapraklar hafif olduğu için küçük bir itme kuvveti bile onları gözle görülür biçimde açar; metal oldukları için de yük topuzdan yapraklara kolayca ulaşır. Cam kabın içindeki yalıtkan tıpa ise yükün kabın gövdesine ve oradan toprağa kaçmasını önler. Nemli havada elektroskopun yapraklarının zamanla kendiliğinden kapanması, havadaki nemin yükü yavaş yavaş taşımasındandır; bu yüzden elektrostatik deneyleri kuru havada daha iyi sonuç verir.

Sivri uçlar

Bir iletkene verilen yük yüzeyine eşit dağılmaz; yüzeyin sivri ve keskin kısımlarında daha yoğun toplanır. Bu yüzden yüklü bir iletkenin sivri ucundan yük havaya daha kolay boşalır. Paratonerlerin uçlarının sivri yapılması bu özellikten yararlanır: sivri uç, buluttaki yükün yol bulmasını kolaylaştırır ve boşalmayı güvenli iletken yola yönlendirir.

Topraklama

Dünya çok büyük bir iletkendir. Yüklü bir iletken toprağa bir iletkenle bağlanırsa, yük cisim ile Dünya arasında paylaşılır. Dünya cisme göre o kadar büyüktür ki yükün neredeyse tamamı Dünya'ya geçer ve cisim nötr olur. Bu işleme topraklama denir.

Topraklamada da hareket eden elektronlardır:

• Negatif yüklü bir cisim topraklanırsa fazla elektronlar cisimden toprağa akar.
• Pozitif yüklü bir cisim topraklanırsa eksik elektronlar topraktan cisme akar.

Elinizle bir elektroskopun topuzuna dokunmanız da onu topraklar, çünkü vücudunuz toprağa bağlı bir iletken gibi davranır; yapraklar kapanır.

Topraklama gündelik hayatta önemli bir güvenlik önlemidir. Çamaşır makinesi, buzdolabı gibi metal gövdeli aletlerin fişlerindeki topraklama ucu, gövdeye kaçan elektriği toprağa ileterek çarpılmayı önler. Akaryakıt tankerleri boşaltma sırasında topraklanır, böylece yolculuk boyunca biriken durgun yük bir kıvılcımla boşalıp yakıtı tutuşturmaz. Binaların tepesindeki paratonerler yıldırımı güvenli bir iletken yol üzerinden toprağa ileterek binayı korur.

Topraklama ile etki yoluyla yükleme

Nötr bir iletken, yüklü bir cisimle hiç temas etmeden şu adımlarla yüklenebilir:

1. Negatif yüklü bir çubuk nötr elektroskopun topuzuna yaklaştırılır; elektronlar yapraklara itilir.
2. Çubuk yerinde dururken elektroskop topraklanır, örneğin topuza parmakla dokunulur. İtilen elektronlar toprağa kaçar.
3. Çubuk hâlâ yerindeyken toprak bağlantısı kesilir. Elektroskop artık elektron eksiğiyle kalmıştır.
4. Çubuk uzaklaştırılır. Elektroskop pozitif yüklüdür ve yük bütün iletkene yayılır; yapraklar açılır.

Sonuç her zaman şudur: etkiyle yüklenen cisim, yaklaştırılan cisimle zıt işaretli yük kazanır. Pozitif bir çubukla aynı adımlar uygulanırsa topraktan elektron gelir ve elektroskop negatif yüklenir.

Adımların sırası önemlidir. Toprak bağlantısı kesilmeden çubuk uzaklaştırılırsa, kaçan elektronlar topraktan geri gelir ve elektroskop nötr kalır. Önce bağlantı kesilmeli, sonra çubuk uzaklaştırılmalıdır. Bu yöntemin üstünlüğü, yüklü çubuğun yükünden hiçbir şey kaybetmemesidir; aynı çubukla istenildiği kadar cisim yüklenebilir.

Soru çözme sırası

Önce elektroskopun başlangıç durumu yazılır: nötr mü, yüklü mü, işareti ne? Sonra yaklaştırma mı, dokunma mı, topraklama mı olduğu belirlenir. Yaklaştırmada kutuplanma, dokunmada aynı işaret, topraklamada nötrleşme, topraklamalı etkide zıt işaret kuralı uygulanır. Elektron akışının yönü her adımda ayrıca yazılır.

Örnek 1 — Yaprakların açılması

Soru: Nötr bir elektroskopun topuzuna pozitif yüklü bir çubuk dokunduruluyor ve çubuk uzaklaştırılıyor. Elektroskop için hangisi doğrudur?

• A) Nötr kalır, yapraklar kapalıdır.
• B) Negatif yüklenir.
• C) Pozitif yüklenir, yapraklar açık kalır.
• D) Yalnız topuz yüklenir.
• E) Yapraklar zıt yüklenir.

Çözüm: Dokunma ile elektroskop çubukla aynı işaretli, pozitif yük kazanır. Cevap: C.

Örnek 2 — İşaret testi

Soru: Negatif yüklü bir elektroskopa bir cisim yaklaştırılınca yapraklar daha çok açılıyor. Cisim için ne söylenebilir?

• A) Nötrdür.
• B) Negatif yüklüdür.
• C) Pozitif yüklüdür.
• D) Ya nötr ya pozitiftir.
• E) Yalıtkandır.

Çözüm: Daha çok açılma, aynı işaretli yükün kesin göstergesidir. Cevap: B.

Örnek 3 — Topraklama

Soru: Pozitif yüklü bir iletken küre bir telle toprağa bağlanıyor. Ne olur?

• A) Elektronlar küreden toprağa akar.
• B) Protonlar toprağa akar.
• C) Küre daha çok yüklenir.
• D) Hiçbir şey olmaz.
• E) Elektronlar topraktan küreye akar, küre nötrleşir.

Çözüm: Elektron eksiği olan küreye topraktan elektron gelir ve küre nötr olur. Cevap: E.

Örnek 4 — Etkiyle yükleme

Soru: Pozitif çubuk yaklaştırılmışken elektroskop topraklanıyor, bağlantı kesiliyor, çubuk uzaklaştırılıyor. Elektroskopun son yükü nedir?

• A) Negatif
• B) Pozitif
• C) Nötr
• D) Çubuğun yükünün iki katı
• E) Yalnız yapraklarda pozitif

Çözüm: Topraktan gelen elektronlar elektroskopta kalır; yük çubuğa zıt, negatiftir. Cevap: A.

• Yaprakların açıklığından işaret okumak. Açıklık yükün büyüklüğünü, işaret değil.
• Kapanmayı kesin zıt yük saymak. Nötr cisim de yaprakları biraz kapatabilir.
• Topraklamada proton akışı yazmak. Toprakla cisim arasında akan elektronlardır.
• Etkiyle yüklemede aynı işaret beklemek. Topraklamalı etkide yük çubuğa zıttır.
• Adımların sırasını karıştırmak. Çubuk, toprak bağlantısı kesildikten sonra uzaklaştırılır.