Elektromotor kuvveti veya emk, bir elektrik devresinde elektrik akımının akmasını nasıl sağlar? Elektrik ve Manyetizma isimli yazı dizimizdeki bu yazımızda bu soruya cevap bulmaya çalışacağız.
Bir kapalı devrenin parçası olmayan bir iletkene E1 gibi bir elektrik alan uygulandığında, sadece çok kısa süreliğine akım akışı olur. Çünkü yüklerin uçlarda birikmesi ters yönde bir E2 elektrik alanı oluşturur ve bu nedenle iletken üzerindeki akım zayıflar. Çok kısa bir süre sonra E2 alanın büyüklüğü E1’in büyüklüğüne eşitlenir; toplam alan E=0 olur ve böylece akım tamamen durur.
a) Yalıtılmış iletkenin içine uygulanan E1 elektrik alanı, bir akıma neden olur. b) Bu oluşan akım iletkenin her iki ucunda yüklerin birikmesine yol açar. Yüklerin uçlarda birikmesi E1’in tersi bir yönde bir E2 elektrik alanı oluşturur ve bu nedenle de akım zayıflar.c) Çok kısa bir süre sonra E2 elektrik alan büyüklüğü E1’in büyüklüğü ile eşit hâle gelir ve toplam elektrik alan sıfır olur. Böylelikle akım tamamen durur.
Kapalı bir halkada veya kapalı devre içindeki bir iletkende düzgün akımın olduğundan söz edilebilir. Çünkü kapalı olmayan bir devredeki iletkende bir süre sonra akım sıfır olur. Yalıtılmış bir iletkenin kapalı devrenin içerisinde bulunmayan iletkene (özdirenci ro ise) E1 elektrik alanı uygularsa akım yoğunluğu J=E/ro olur. Zaman içinde bu akım yoğunluğuna sahip elektrik akımı neticesinde net pozitif yük bir uçta, net negatif yük de diğer uçta toplanır. Bu şekilde iletkenin uçlarında toplanan bu yükler kendi elektrik alanlarını, E2’yi oluştururlar ve bu elektrik alanın yönü E1’e zıttır. Bu sırada da toplam elektrik alanın ve akımın azalması beklenir. Çok çok kısa bir sürede ise elektrik alanların yönleri dikkate alınarak yapılan toplam E1+E2=0 olur, dolayısıyla J=0 olur ve akım tamamen durur. Sonuç olarak görülür ki kapalı olmayan bir devrede akım düzgün ve sürekli değildir.
Kapalı bir devrede, elektromotor kuvvet (emk) düşük potansiyelden yüksek potansiyele doğru elektrik akımının akışını sağlayan bir etkidir. Elektrik akımı isimli yazımızda belirttiğimiz gibi yük hareketi yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğru olur. Elektromotor kuvvet de bunun tam tersini yaparak akımın düzgün ve sürekli olmasını sağlamaktadır. Böylelikle bir elektrik devresinde pompa görevini görmekte olduğunu söyleyebiliriz.
Bütün kapalı devrelerde, düzgün akıma sahip olan emk’yı oluşturan bir aygıt olmalıdır. Bu aygıtlar, emk kaynağı olarak isimlendirilirler. Emk kaynakları arasında piller, elektrik jeneratörleri, güneş pilleri, yakıt pilleri gösterilebilir. Emk kaynakları mekanik, kimyasal, ısıl, ışık gibi çeşitli durumlardaki enerjiyi elektrik potansiyel enerjisine çevirerek bu enerjiye bağlı bulundukları kapalı devreye iletirler. İdeal bir emk kaynağı için, kapalı devreye bağlı olduğu uçlar arasındaki potansiyel fark büyüklüğünü korur, yani değişmez. Dolayısıyla içinden geçen akımı da tüketmez.
Kaynak: http://www.phys.utk.edu/
İdeal bir emk kaynağının şematik gösterimi yukarıdaki şekilde olduğu gibidir. Yüksek potansiyel giriş ve düşük potansiyel çıkış arasındaki potansiyel fark sabittir ve bu potansiyel fark sonucu E ortaya çıkar. Emk kaynağın içindeki elektrik alan yüksek potansiyel girişten düşük potansiyel çıkışa doğrudur. Buna bağlı olarak emk kaynağı içindeki q yüküne Fe=qE elektrik kuvveti etkir. Emk kaynağında Fn olarak adlandırılan başka bir kuvvet daha vardır ve bu elektrostatik olmayan bir kuvvettir. Bu Fn kuvveti, Fe kuvvetinin tersi yönündedir ve yükleri düşük potansiyel çıkıştan yüksek potansiyel girişe doğru iter. Potansiyel farkın sabit kalması da aslında bu Fn kuvvetinin etkisi sayesindedir. Çünkü Fn kuvveti olmasaydı, yük potansiyel fark sıfır olana kadar yüksek-düşük potansiyel arasında akardı. Fn ise emk kaynağına göre değişir. Örneğin jeneratörlerde Fn, manyetik alan kuvveti kaynaklıdır.
Pozitif yük düşük potansiyelden yüksek potansiyele hareket ettiğinde Fn kuvveti yük üzerinde Wn=qε şeklinde bir pozitif iş yapacaktır. Potansiyel enerji de qVab şeklindedir. İdeal bir emk kaynağı için Fe ve Fn büyüklük olarak eşit ve ters yönde oldukları için q yükü üzerinde yapılan toplam iş sıfırdır. Dolayısıyla kinetik enerjide bir değişim yok iken q yükünün potansiyel enerjisi artar. Potansiyel enerjideki değişimin işe eşit olmasından yola çıkarak Vab=ε olarak buluruz ideal emk kaynağı için. Eğer bu emk kaynağı R dirençli bir devreye bağlanmış olursa telin uçları arasındaki potansiyel fark Vab=IR olduğu için ε=Vab=IR olarak ifade edebiliriz.
Buradan ε ve R’nin bilinmesiyle akımın kolaylıkla bulunabileceğini söyleyebiliriz.
Gerçek bir emk kaynağında, kaynak malzemesi içerisinde akımı oluşturan hareketli yükler iç direnç denilen bir dirençle karşılaşırlar ve bu kaynağın direnci r ile gösterilir. Direnç Ohm yasasına uyuyorsa akımdan bağımsızdır ve akım böyle bir direnç içinde hareket ederken potansiyelde Ir’lik bir azalma olur. Kaynak içindeki potansiyel fark ise şöyledir,
Vab=ε-Ir . Dış devredeki akım ise Vab=IR’den, ε-Ir=IR -> I=ε/(R+r) olur.
Elektrik ve Manyetizma yazı dizisinde elektromotor kuvvetinin bir devre içindeki yerini böylelikle değinmiş olduk. Gelecek yazımız manyetik alanlar üzerine olacak ve giderek Maxwell denklemlerine yaklaşıyoruz.
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Gazi Üni. Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Bilim Topluluğu
Kaynak:
Hugh D. Young, Roger A. Freedman, University Physics, Addison Wesley, 2009.
Elektrik ve Manyetizma yazı dizimizde,
Önceki Yazımız: Ohm Yasası ve Özdirenç ile İletkenlik
Sonraki Yazımız: Manyetizma ve Manyetik Alan
