ÖABT Fen Bilimleri Fizik: Elektrik ve Manyetizma konu anlatımı

Elektrik ve manyetizma, ortaokul programında "Elektrik Yükleri ve Elektriklenme", "Elektrik Devreleri", "Elektrik Enerjisinin Dönüşümü" ve "Mıknatıslar/Elektromıknatıs" konularının dayandığı temeldir. ÖABT'de bu bölümden hem devre hesaplamaları hem de manyetik alanla ilgili kavramsal ve sayısal sorular gelir.

Konunun ana başlıkları şunlardır:

• Elektrik yükü ve Coulomb kuvveti: Aynı cins yükler iter, zıt cins yükler çeker; kuvvet uzaklığın karesiyle ters orantılıdır.
• Elektrik akımı ve devreler: Akım, gerilim, direnç arasındaki ilişki (Ohm yasası); seri ve paralel bağlama; iç direnç.
• Elektrik enerjisi ve güç: Elektrik enerjisinin ısı, ışık ve hareket enerjisine dönüşümü; kWh ile tüketim hesabı.
• Manyetizma: Mıknatısların kutupları, manyetik alan çizgileri, akımın oluşturduğu manyetik alan (Oersted deneyi), elektromıknatıs, manyetik alanın akım taşıyan tele ve hareketli yüke uyguladığı kuvvet, elektromanyetik indüksiyonun temel fikri.

Coulomb yasası: F = k · q₁ · q₂ / d², k = 9 · 10⁹ N·m²/C². Uzaklık yarıya inerse kuvvet 4 katına çıkar.

Elektrik akımı: I = Q / t (birim amper, 1 A = 1 C/s). Metallerde yük taşıyıcılar elektronlardır; geleneksel akım yönü, elektron akışının tersidir (üretecin + kutbundan dış devre üzerinden − kutbuna).

Ohm yasası: V = I · R. Direnç birimi ohm (Ω). Ampermetre devreye seri, voltmetre ölçüm yapılacak elemana paralel bağlanır. İdeal ampermetrenin direnci sıfır, ideal voltmetreninki sonsuz kabul edilir.

İletkenin direnci: R = ρ · L / A. Direnç uzunlukla doğru, kesit alanıyla ters orantılıdır; ρ (özdirenç) maddenin cinsine ve sıcaklığa bağlıdır.

Seri bağlama: R_eş = R₁ + R₂ + … Tüm dirençlerden aynı akım geçer; gerilim dirençlerle orantılı paylaşılır.

Paralel bağlama: 1 / R_eş = 1 / R₁ + 1 / R₂ + … Tüm kolların gerilimi aynıdır; akım dirençle ters orantılı paylaşılır. İki direnç için R_eş = R₁ · R₂ / (R₁ + R₂). Paralel eşdeğer direnç en küçük dirençten de küçüktür. Evlerdeki prizler ve lambalar paralel bağlıdır.

Üreteç ve iç direnç: I = ε / (R + r). Üretecin uç gerilimi V = ε − I · r.

Elektriksel güç ve enerji:

• P = V · I = I² · R = V² / R (birim watt).
• E = P · t. 1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3,6 · 10⁶ J. Fatura hesabında: kWh = (güç, kW) · (süre, h).
• Direnç üzerinde harcanan enerji ısıya dönüşür (Joule ısınması): ütü, su ısıtıcı, elektrikli soba.

Mıknatıslar: Her mıknatısın N ve S kutbu vardır; mıknatıs bölündüğünde her parça yine iki kutuplu olur (tek kutup elde edilemez). Alan çizgileri mıknatıs dışında N'den S'ye yönelir. Dünya dev bir mıknatıs gibi davranır; pusulanın N kutbu coğrafi kuzeyi gösterir, çünkü coğrafi kuzey yakınında Dünya'nın manyetik güney kutbu bulunur.

Akımın manyetik alanı:

• Oersted deneyi: Akım taşıyan tel yakınındaki pusula iğnesi sapar.
• Uzun düz tel: B = 2k · I / d, k = 10⁻⁷ T·m/A. Alan çizgileri teli çevreleyen çemberlerdir; yönü sağ el kuralıyla bulunur (başparmak akım yönü, kıvrılan parmaklar alan yönü).
• Elektromıknatıs (bobin): Alanın şiddeti akım, sarım sayısı ve demir çekirdek kullanımıyla artar.

Manyetik kuvvet:

• Akım taşıyan tele: F = B · I · L · sin θ (tel alana dikse en büyük, paralelse sıfır).
• Hareketli yüke: F = q · v · B · sin θ. Kuvvet hıza dik olduğu için iş yapmaz, hızın büyüklüğünü değiştirmez.
• Elektrik motoru, manyetik alandaki akım makarasına etki eden kuvvetlerin döndürme etkisiyle çalışır.

Elektromanyetik indüksiyon ve transformatör: Bir makaradan geçen manyetik akı değişirse makarada gerilim oluşur (Faraday). Jeneratör ve transformatör bu ilkeye dayanır. İdeal transformatörde V₁ / V₂ = N₁ / N₂; güç korunur (V₁ · I₁ = V₂ · I₂). Transformatör yalnızca alternatif akımla çalışır.

Örnek 1 – Karma devre

24 V'luk iç direnci önemsiz bir üretece 3 Ω'luk bir direnç ile, birbirine paralel bağlı 4 Ω ve 12 Ω'luk dirençler seri olarak bağlanıyor. Ana koldaki akım ve 4 Ω'luk dirençten geçen akım nedir?

Çözüm: Paralel kısım: 4 · 12 / (4 + 12) = 3 Ω. Eşdeğer direnç 3 + 3 = 6 Ω. Ana kol akımı I = 24 / 6 = 4 A. Paralel kısmın gerilimi 4 · 3 = 12 V; 4 Ω'luk dirençten 12 / 4 = 3 A, 12 Ω'luk dirençten 12 / 12 = 1 A geçer. Kontrol: 3 + 1 = 4 A.

Örnek 2 – Elektrik faturası

Gücü 1500 W olan bir klima her gün 4 saat çalıştırılıyor. 30 günde tüketilen enerji kaç kWh'tir; elektriğin birim fiyatı 2,5 TL/kWh ise maliyet nedir?

Çözüm: E = P · t = 1,5 kW · (4 · 30) h = 1,5 · 120 = 180 kWh. Maliyet 180 · 2,5 = 450 TL. Güç watt olarak alınırsa (1500 · 120) sonuç Wh cinsinden olur; kWh'e çevirmek için 1000'e bölmek gerekir.

Örnek 3 – İç dirençli üreteç

Elektromotor kuvveti 12 V, iç direnci 0,5 Ω olan bir üretece 5,5 Ω'luk bir direnç bağlanıyor. Devre akımı ve üretecin uç gerilimi nedir?

Çözüm: I = ε / (R + r) = 12 / (5,5 + 0,5) = 2 A. Uç gerilimi V = ε − I · r = 12 − 2 · 0,5 = 11 V (aynı sonuç I · R = 2 · 5,5 ile de bulunur). İç dirençte 2² · 0,5 = 2 W güç ısıya dönüşür; bu yüzden uzun süre çalışan piller ısınır.

Örnek 4 – Manyetik alanda akım taşıyan tel

Büyüklüğü 0,4 T olan düzgün bir manyetik alana dik yerleştirilmiş 20 cm uzunluğundaki bir telden 5 A akım geçiyor. Tele etki eden manyetik kuvvet kaç N'dir? Tel alana paralel olsaydı kuvvet ne olurdu?

Çözüm: F = B · I · L · sin 90° = 0,4 · 5 · 0,2 · 1 = 0,4 N. Tel alana paralel olduğunda sin 0° = 0 olduğundan kuvvet sıfırdır. Uzunluğun metreye çevrilmesi (20 cm = 0,2 m) unutulmamalıdır.