Elektriğin Hızı Nedir? Elektronlar Aşırı Yavaş İse, Elektrik Lamba Gibi Cihazları Nasıl Anlık Olarak Çalıştırabiliyor?

Bir lambanın düğmesine bastığınızda, odanızdaki ışık anında yanar. Bir lambanın düğmesine bastığınızda, Edison lambası (enkandesan lamba) gibi bir lambayı oluşturan bir filament, yani incecik bir iplik üzerinden geçen güçlü bir elektrik akımı, filamenti oluşturan maddenin atomlarını ısıtır ve ısınan filament etrafa fotonlar saçar. Bunun temellerini, ışık hızının nereden geldiğiyle ilgili yazılarımızda ve videomuzda anlatmıştık. Ama buradaki kritik soru şu: Filamenti ısıtan elektrik enerjisi nereden geliyor? Dahası, o yazımızda ışık hızının anında ışık hızına ulaştığını söylemiştik. Peki elektriğin hızı da ışık hızında mı? Eğer öyleyse, elektrik de anında ışık hızına mı ulaşıyor? Değilse, elektriğin hızı ne kadar, ne düzeyde?Sahi, elektrik dediğimiz şey ne? Bunca elektron nereden geliyor?

Eğer elektriğe dair kafanızda soru işaretleri varsa ve özellikle de okullarda öğretilenler nedeniyle elektriğin su gibi akan veya suyun akarken iş yapması gibi akarken iş yapan bir olgu olduğuna inandırıldıysanız, bu yazımızda insan medeniyetini mümkün kılan elektriği daha doğru tanıma imkanınız olacaktır.

Elektronların Hızı: Termal Hız, Sürüklenme Hızı, Sinyal Hızı

Elektrik devrelerinde kullanılan teller, çelikten (demir ve karbondan), alüminyumdan, altından veya bakırdan yapılmış olabilir. Her ne maddeden yapılmış olursa olsun, elektrik devrelerinde kullanılan tellerin en önemli özelliği, iletken olmalarıdır.^[1] İlettikleri şey, halk arasında "elektrik" diye bilinen ve yaygın şekilde "elektronlar gibi yüklü parçacıkların hareketi" olarak tanımlanan olgudur.^[2] Ama halk arasında ve temel düzeyde okullarda öğretilen elektrik algısı, gerçekte olandan biraz farklıdır.

Elektriğin, aslında yüklü parçacıkların hareketinin kendisiyle çok fazla bir ilgisi yoktur. Bunu yanlış anlamayın: Elbette elektronların bu hareketi hiç olmasaydı veya metal bir tel yerine mesela plastik bir şeridi tel olarak kullanmaya kalksaydınız, plastik yalıtkan olduğu için yüklü parçacıklar (mesela elektronlar) çelik veya bakır teldeki kadar serbestçe hareket edemezdi; dolayısıyla elektrikten de söz edemezdik.^[3] O zaman neden elektriğin yüklü parçacıkların hareketiyle pek bir ilgisi yok diyoruz? Çünkü elektriği böyle tanımladığımızda, sanki elektriği taşıyan şey elektronların kendisiymiş gibi bir algı oluşmaktadır. Sizin de "elektrik" deyince aklınıza "elektronlar" gelmiyor mu? Bu, çok yanlış.

Elektronlar, Kaplumbağalardan Yavaştır!

Sorun şu: Elektronlar, aşırı yavaştır. Foton gibi kütlesiz parçacıklar ışık hızında gitmektedir; ama elektron kütlesiz değildir. Dahası, elektronların akacağı tel içinde çok sayıda atom vardır. Fotonlar bile yoğun bir ortama girdiklerinde, bu ortamdaki atomlarla etkileşerek mecburen zaman kaybederler ve dolayısıyla vakumdaki kadar hızlı yer değiştiremezler. Kaldı ki kütleli elektronlar, "şişko" atomların arasında rahatça veya ışık hızında ilerleyebilsin... Tam tersine! Elektronlar, kaplumbağalardan bile yavaştır!

Burada bir metafor veya mübalağa yapmıyoruz, gerçek bir olgudan söz ediyoruz! Elektrik açıkken bir tel içinde akan elektronların hızını şu formülle hesaplayabiliriz:^[4]

$u=\frac{I}{nAq}$

Burada $u$ elektronların sürüklenme hızıdır. Yani elektrik akımı sırasında elektronların hareket miktarına sürüklenme hızı denir ve burada hesaplamaya çalıştığımız da budur. $I$ devreden akan akımdır ve bu, basitçe, Ohm Yasası ile hesaplanabilir. $n$ yük taşıyıcılarının yoğunluğudur ve her malzeme için özel olarak ölçülüp belirlenir. $A$ devre telinin kesit alanıdır, yani telin kalınlığı ile ilgilidir. $q$ ise yük taşıyıcısının yüküdür, örneğin bu durumda bizim yükümüz elektronlar olduğu için, $q=1.6\ast 10^{-19}C$ olarak verilmektedir.

Eğer bir lambanın devrelerindeki tellerin 1 milimetre yarıçapa sahip ($A=\pi =3.14159m{m}^2$), bakır teller ($n=8.5\ast 10^{28}\text{elektron}/m^3$) olduğunu düşünürsek ve üzerinden de 10 Amper akım geçtiğini hayal edersek, lambanın tuşuna bastığınızda, herhangi bir elektron, 1 saatte yaklaşık 8 santimetre yol alırdı. Kıyas olması bakımından ortalama bir kaplumbağa 1 saatte 500 metre, yani 1 elektrondan 6250 kat fazla yol alabilir.^[5]

Görebileceğiniz gibi, burada bir metafor yoktur: Elektrik devrelerinde elektrik akarken, hareket hâlindeki bir elektron, ortalama bir kaplumbağadan 6.250 kat yavaş hareket eder! Buna, elektronların "sürüklenme hızı" denmektedir. Tel kalınlığına ve akıma bağlı olarak bu hızı biraz değiştirmek mümkündür, ama bir yanda saniyede 300 milyon metre hızla giden ışık vardır, diğer yanda saniyede 0.02 milimetre, yani her saniye, bir tel saçınızın kalınlığının 4'te 1'i kadar yer değiştirebilen elektronlar vardır. Ya da şöyle izah edebiliriz: Elektronların 8 santimetreyi kat etmek için harcadıkları 1 saat içinde ışık, Dünya ile Güneş arasındaki mesafeyi 7 kez kat edebilir!

Burada bir sorun olduğunu görebilirsiniz: Eğer 3 metre ötedeki bir ışığı yakan elektronların hareketi olsaydı, siz düğmeye bastıktan sonra ışığın yanması için 1.5 günden uzun bir süre beklemeniz gerekirdi.

Elektriğin, Su ve Bilardo Analojileri

İşte bu sorunu çözmek için derslerde ve fizik anlatımlarında genelde bilardo topu veya su analojileri kullanılır. Bunlara tek tek bakalım.

Örneğin 10 metrelik bir borunun içine, uç uca ve birbirine dokunacak şekilde bilardo topları yerleştirdiğimizi hayal edin. Bu borunun bir ucundaki topu, saniyede 1 metre hızla ittiğimizde, diğer tarafta etkisini görmek için (10 metrelik boruda 1 m/s hızla giden topları) 10 saniye boyunca beklememiz gerekmez. Benzer şekilde, borunun diğer ucundaki topun hareket edebilmesi için, ittiğimiz topun, o son topun yerine ulaşması gerekmez. Toplar üzerinden kuvvet, neredeyse anlık olarak aktarılır. Aslında bu kuvvet aktarımı da ses hızını aşamaz ve o cismin içinde sesin yayılma hızında yayılır, ama bu ayrı bir yazının konusudur. Burada önemli olan şudur: En sondaki top, biz ilk topu ittiğimiz anda ilerler (aslında hareket çok az gecikmeli olsa da).

Bunun bir diğer örneği de su analojisidir. Elektrik, genellikle su ile benzeştirilir (buna resmî olarak hidrolik analojisi denir). Örneğin bir pilin yaptığını anlatmak için öğretmenler, genelde baraj benzetmesi yaparlar: Nasıl ki barajların bir tarafında suyun yüksekliği daha fazladır, diğer tarafında daha azdır, dolayısıyla su yüksek potansiyel enerjiden düşüğe doğru akar ve türbinleri çevirir, işte bir pilin de yaptığı budur: Elektronlar, pilin yüksek potansiyel enerjili kısmından, düşük potansiyel enerjili kısmına akarlar ve ışık yanar. Bunu bir bahçe hortumuna da benzetebiliriz: Eğer 10 metrelik bir hortumun içinde halihazırda su varsa, bir ucundaki musluğu açtığımızda, suyun 10 metre yol almasını beklememiz gerekmez.^[6] Diğer uçtaki su, anında hareket eder.

İşte! Sorunu çözdük. Demek ki elektrik de böyle elektronların birbirlerini anında itelemesi ile çalışıyor...

Elektronların Termal Hareketi

Hayır!^{[7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]} İlk olarak elektronların bilyeler veya bilardo topları gibi düşünülemeyeceğini daha önceden farklı şekillerde anlatmıştık. Elektronlar, bir olasılık dağılımından, birer "olasılık bulutu"ndan ibarettir. Ama tamam, diyelim ki elektronları parçacık gibi hayal ettik. Öyle bile olsa, elektronlar, bilardo topları gibi birbirlerine yapışık halde "hazır ol"da beklemezler. Sürekli bir hareket halindedirler ve bu hareket, rastgele yönlerde olur. Buna elektronların termal hareketi/hızı denir.^[14]

Perfect Atom

Cevabın neden "hayır" olduğunun detaylarına ve deneysel ispatına az sonra geleceğiz, ama şunu iyi anlamanızda fayda var: Üzerinden henüz akım geçmeyen bir telde, rastgelelikten ötürü, elektronların termal hareketi her yönde üç aşağı beş yukarı aynıdır. Dolayısıyla bunların etkisi birbirini götürür. Yani üzerinden elektrik akmayan bir tel üzerinde, herhangi bir kısımdan kesit alacak olsanız, her yönde elektron hareketinin az çok aynı olduğunu görürdünüz. Bu nedenle bir tel üzerinde kendiliğinden elektrik akımı oluşmaz.

Electrical Academia

İşte tam da bu nedenle başta, "elektronların hızı çok önemli değil; ancak elektronların hareket etmesi önemli" demiştik. Elektronları akmaya zorlayacak bir kuvvet oluştuğunda (ki bunun nasıl oluştuğuna şimdi geliyoruz), termal hareket bir yandan devam etse de sürüklenme hareketi daha belirgin hâle gelir. Bu yüzden aşağıdaki görselde bir yöne doğru anlamlı bir şekilde hareket eden elektronların da rastgele hareketleri bir yandan devam eder (sağdaki çizim). Sürüklenmeye neden olan kuvvet ortadan kalkacak olursa, elektronlar aşağıdaki görselde soldaki gibi rastgele hareketlerine devam ederler.

Electrical Academia

Eğer elektronların termal hızını nasıl hesapladığımızı merak ediyorsanız, onu da verelim. Tek boyutta elektronların termal hızı, aşağıdaki formülle hesaplanır:

$v_{th}=\sqrt{\frac{k_{B}T}{m}}$

Eğer karekök ortalaması değil de dümdüz ortalaması alınacaksa, $k_B$ yerine $2k_B$ kullanılmalıdır. Bu formülde $k_B$ Boltzmann sabiti, $T$ mutlak sıcaklık, $m$ ise elektronların kütlesidir. Bu formül, aynı zamanda 3 boyutta bir elektronun en olası termal hızını da vermektedir. Eğer farklı hızlar hesaplanacaksa, formül bir miktar değişmektedir.

Doğru Akım ve Alternatif Akım

Şimdi, elektriğin su analojisinde olduğu gibi elektronların birbirini iteleyerek ilerlemesinden neden kaynaklanamayacağını irdelemeye devam edelim. Elektriğin sadece elektronların kendisiyle ilgili olamayacağını, Edison ve Tesla kavgasından bile anlamak mümkündür. Zira evlerimizde kullandığımız elektrikli cihazların ezici çoğunluğu, elektronların bir yönde akmadığı bir elektrik akımıyla çalışmaktadır!

Elektronların bir yönde akmasına neden olan akım türüne "doğru akım" (İng: "direct current" veya kısaca "DC") denmektedir. Günümüzde doğru akımla çalıştırdığınız cihazlar, genellikle pille çalıştırdığınız cihazlardır; örneğin cep telefonunuz, uzaktan kumanda, oyuncak araba, vs. Çünkü pil, az sonra göreceğimiz gibi, bir doğru akım kaynağıdır.

Birçok diğer alet, duvarlarınızdaki prizler sayesinde, şehir akımıyla çalışmaktadır. Buz dolabınızı, şarj aletlerini veya mikrodalga fırınınızı düşünün. Bunlara pil takmazsınız, doğrudan şehir akımına bağlarsınız. Ama şehir akımı, doğru akım değildir; alternatif akımdır (İng: "alternating current" veya kısaca "AC"). Alternatif akımda elektronlar, belli bir yönde akmaz bile!

Agora Bilim Pazarı

Kimyasaldan Gıdaya Doz ve Risk

Kimyasallar sonu gelmez tartışmaların konusu. Gıdalar da içerdikleri kimyasallar nedeniyle gündemdeki tartışmalardan fazlasıyla payını alıyor. Dünyanın sayılı toksikoloji bilim insanlarından biri olan Prof. Dr. Ali Esat Karakaya, Kimyasaldan Gıdaya Doz ve Risk’te, kimyasalların insan sağlığına ve çevreye verdikleri zararların boyutlarını çok çarpıcı bir şekilde ortaya koyuyor. Bunun yanı sıra kimyasalların, bugünkü yaşam kalitesine ulaşmamıza yaptıkları katkıları da tarihsel süreç içinde örneklerle anlatıyor.

Günümüzde uygulanan bilim odaklı “kabul edilebilir risk” esaslı kimyasal yönetim sistemlerinin geliştirilme süreci, kitapta bulacağınız konular arasında. Kimyasal yönetim sistemlerinin, eksiksiz uygulanmaları durumunda, insan sağlığını korumada ne ölçüde etkin olabildiklerinin cevabı da yine Kimyasaldan Gıdaya Doz ve Risk’te var.

Toplumun konuya duyarlılığı nedeniyle kimyasallar ve gıdalar hakkındaki bilim dışı, akıl almaz iddiaların ortaya atılabildiği kaotik bir dönem yaşıyoruz.

Devamını Göster

₺55.00

Satın Al Tüm Ürünler

• Dış Sitelerde Paylaş

Alternatif akım altındaki elektronlar, tel boyunca birkaç mikrometre bir yöne giderler, dururlar, diğer yöne dönüp eşit miktarda geri giderler, dururlar, sonra diğer yöne dönüp tekrar hareket ederler ve bunu, hangi ülkede bulunduğunuz ve o ülkenin elektrik altyapısına bağlı olarak saniyede onlarca, hatta yüzlerce kez yaparlar.

Alternatif akımda elektronların ne kadarlık bir mesafede gidip geldiğini hesaplamak mümkündür:^[15] 240 Volt alternatif akım devresiyle 100 Watt'lık bir ampulü 1 milimetrekarelik bakır tellerle çalıştıracak olursanız, elektronların hareketi 28 mikron (28 μm) kadar ufacık bir mesafe olmaktadır. Enkandesan (Edison) lambasındaki filamentlerde kullanılan tungsten için bu mesafe 150 mikron kadardır. 1 mikron, 1 metrenin milyonda biri, 1 santimetrenin binde biri kadardır. Bu hesaplamaların nasıl yapıldığının tüm detaylarını buradan okuyabilirsiniz.

Ama ne olursa olsun, alternatif akım altında elektronlar, yaklaşık olarak bir saç telinin kalınlığı kadar mesafede gidip gelmektedirler. Yani mikrodalga fırınınızı çalıştırdığınızda, şehir akımı sürekli olarak fırının elektrik devrelerine doğru akmaz. Tüm şehir hattı ve sizin cihazınızın donanımındaki elektronlar, ileri geri salınırlar. Eğer elektriğin çalışması için elektronların illâ bir noktadan diğerine ulaşması veya bir yönde net olarak hareket etmeleri gerekseydi, alternatif akım ile hiçbir şey yapamazdık ve modern teknoloji mümkün olmazdı.

Bu durumda elektrik nasıl çalışıyor?

Elektriği, Elektromanyetizma Olarak, Doğru Şekilde Anlamak...

Aslında elektriği elektronlar ve teller üzerinden düşünmek, sonra da doğan absürtlükleri çözmek için su analojisi gibi yanıltıcı analojilere başvurmak büyük bir hatadır.^[16] Alternatif akımı modelleyebilecek anlamlı bir su analojisi bulmak bile zordur! Ne diyeceğiz, su ileri geri gidip geliyor mu diyeceğiz? Bu şekilde düşünmeyi tamamen terk etmemiz en sağlıklısı olacaktır. Elektriği anlamak istiyorsak, elektromanyetizma açısından düşünmek zorundayız çünkü elektrik, elektromanyetik kuvvetin bir parçasıdır.

Bu durumda sorulması gereken soru şudur: Bir pili bir tele bağlayıp, ucuna da ışık taktığımızda, tam olarak ne olmaktadır? Elektrik nasıl oluşur ve nasıl oluyor da elektronlar komik derecede yavaşken, elektronik cihazlar anlık olarak çalışabiliyor?

Bir pilin içinde, bir tarafta elektronlar yığılmış haldedir ve çoğunluktadır; diğer tarafta ise elektronlar daha azdır.^[17] Dolayısıyla bir elektron dengesizliği vardır. Bunun kimyasal yollarla nasıl yaratıldığını daha önceden anlatmıştık, burada uzatmamak adına detaylarına girmeyeceğiz (çünkü elektriğin kendisini anlamak için pilin nasıl üretildiği veya çalıştığı çok önemli değildir). Bizim için önemli olan, pilin yarattığı elektron dengesizliği sayesinde bir elektrik alan yaratıyor olmamızdır.^[18]

Buradaki kelime seçiminde dikkatli olmakta fayda vardır: Aslında elektrik alan Evren'in dokusundan kaynaklanır, yani her ân, her yerde elektrik alan vardır. Ancak yüklü parçacıklar harekete geçtiklerinde, hâlihazırda var olan bu elektrik alanla etkileşmeye başlarlar.^[19] Elektrikten faydalanmak için bize gereken de işte bu etkileşimin olmasıdır.

Şunu da hatırlatalım; bir elektrik alan yaratmanın (yani elektrik alanı harekete geçirmenin) 2 temel yolu vardır: Ya mıknatısları hareket ettirirsiniz (ki bu, şu anda konumuz değildir ama elektriğin başka sahaları için çok önemlidir) ya da fizik ve kimyayı kullanarak bir potansiyel fark yaratıp, o fark boyunca elektronları akıtırsınız. İşte bir pilin yaptığı, tam olarak ikincisidir.

Ufak bir hatırlatma yapalım: Eğer ışık hızı yazımızı dikkatli okuduysanız, yüklü parçacıklar hareket etmediğinde pek ilginç bir şey olmadığını hatırlarsınız (bu şekildeki elektrik davranışını inceleyen sahaya elektrostatik denir).^[20] O yüzden bir pil kendi başına hiçbir şey yapamaz, sıkıcı bir nesnedir. İlginçlik, yüklü parçacıklar hareket etmeye başladığında yaşanır. Çünkü hareket halindeki yükler, Evren'in dokusunun bir parçası olan elektrik alan ile etkileşir ve onu değiştirirler. O yazımızda (ve yukarıdaki videoda), elektrik alan hareket ediyorsa manyetik alanın da yaratılmak zorunda olduğunu görmüştük. Yine, daha doğru bir ifadesiyle, elektrik alan değiştikçe manyetik alan da değişmek zorundadır. Çünkü elektrik ve manyetizma, bir paranın iki yüzüdür, elektromanyetizmanın farklı tezahürleridir. Ve elektriği anlamak, bu gerçeği anlamakla başlar.

Elektromanyetik Dalgalar ve Sinyal Hızı

İşte, elektrikle ilgili kritik nokta, elektrik alan ile manyetik alan arasındaki bu etkileşimdir! Elektrik potansiyeline sahip bir pile, elektronların aşırı yavaş da olsa akabilecekleri bir tel bağladığınızda, bir elektromanyetik dalga oluşturursunuz.^[21] Bu dalga tel boyunca ilerler ve teli takip etmek zorundadır, çünkü yüklü parçacıklar bu tel boyunca bulunur ve tel boyunca hareket ederler. Dolayısıyla elektromanyetizmanın bir ayağı olan elektrik alan etkileşimleri de tel boyunca yaşanır.^[22] Bir diğer deyişle, elektrik olayında telin ana görevi, elektronları yönlendirmektir.

Ama o elektronların kendi hareket hızı veya miktarı tamamen önemsizdir, çünkü elektrik enerjisi elektronların kendisi tarafından değil, onların sebep olduğu elektromanyetizma tarafından, ışık hızına yakın hızlarda iletilir.^{[7], [9], [10]} Yani elektronlara, elektrik enerjisinin kendisini aktarmaktan ziyade, elektrik enerjisinin aktarılacağı ortamı yaratmak için ihtiyacımız vardır.^[23] İster doğru akımdaki gibi bir yönde akıyor olsunlar, ister alternatif akımdaki gibi bir ileri bir geri akıyor olsunlar, sonuç değişmez: İhtiyacımız olan tek şey, elektron dediğimiz o yüklü parçacıkların o hareketinin varlığıdır. Bu sayede elektromanyetik dalgalar üretebiliriz ve enerjiyi kablo boyunca aktarabiliriz.

Bu elektromanyetik dalga vakumda olmadığı için ışık hızında değil ama, çoğu zaman ışık hızının %50-99'u civarında, yani saniyede 300 milyon değil de 150-299 milyon metre hızla ilerler.^[24] Buna da "sinyal hızı" denir ve işte sinyal hızının bu yüksek değeri nedeniyle bir düğmeye bastığınız anda ışık yanmaktadır. Hatırlatmakta fayda var ki aslında elbette burada da bir gecikme vardır; ancak ışık hızının %50'sini bile alacak olursanız, 3 metre ötedeki bir lamba sadece 20 nanosaniye gecikme ile yanacaktır.

Sinyall hızı ($v_P$) belirleyen, malzemeye özgü olan dielektrik sabiti veya modern tanımıyla göreli permitivite ($\kappa$) olarak bilinen bir sabittir. Bu değeri elde ettikten sonra (çeşitli tablolara bakarak bunu bulabilirsiniz), sinyal hızınızı aşağıdaki formülle hesaplayabilirsiniz:

$v_P=\frac{c}{\sqrt{\kappa }}$

Burada $c$, ışığın vakumdaki hızıdır ($c=299792458m/s$).

Buraya kadar öğrendiklerimizi özetlersek:

• Düğmeye basmadan önce elektronlar rastgele yönlerde çok yavaş ve çok az ilerlerler.
• Düğmeye bastığınız anda, teldeki elektronlar 1 saniyede sadece birkaç mikron ilerlerler.
• Bu hareketin mümkün kıldığı elektromanyetik dalga ise aynı tel üzerinde 1 saniyede 150-299 milyon metre hızla ilerler!

Su Analojisi ve Tsunami

Tüm bu olayları illâ su analojisiyle düşünmek isterseniz, elektromanyetik dalgaların su karşılığı olan okyanus dalgaları gibi düşünebilirsiniz: Bir tsunami sırasında tekil bir su molekülü, okyanus boyunca sadece birkaç metre salınmaktadır. Yani tsunami dalgası, hep aynı moleküllerin yer değiştirmesiyle oluşmamaktadır; bir dalga, bir molekülün okyanusu boydan boya aşmasını gerektirmez. Bunu aşağıdaki hareketli görselden net olarak görebilirsiniz:

Dan Russell

Görebileceğiniz gibi moleküller, dairesel bir hareketle, Meksika dalgası gibi enerjiyi komşularına aktarırlar. Ama iletilen bu enerji o kadar büyüktür ki, devasa bir su kütlesi bir şehri yok edecek şekilde ilerleyebilmektedir. İşte elektrik akımında da asıl işi yapan şey, elektromanyetik dalgadır (aslında az sonra göreceğimiz üzere bu bile tam doğru değildir). Ve bu dalga, ışık hızına çok yakın bir hızda gitmektedir.

Ama burada bile su analojisi yanıltıcıdır: Çünkü aslında elektronik cihazları çalıştırabilmemizi sağlayan şey, elektromanyetik dalganın kendisi değil, elektrik enerjisidir! Ve bir su dalgasında olanın aksine, elektrik enerjisi dalganın kendisinden değil (yani tellerden veya bataryadan değil), doğrudan doğruya Evren'den gelir. Beyninizi daha da patlatmaya hazırsanız, devam edelim.

Devredeki Elektrik Enerjisi, Evren'den Gelir!

Biraz terim temizleyelim:

• Birim zamanda aktarılan elektrik enerjisi miktarına elektrik gücü denmektedir.^{[25], [26]}
• Bir telin birim hacmi boyunca aktarılan güce ise elektrik güç yoğunluğu denmektedir.^[27]

Ancak teknik detaylarda boğulmamak adına, bunların hepsini "iş yapma kapasitesi" veya "enerji" gibi düşünebilirsiniz.

İşte asıl işi yapmamızı sağlayan şey olan bu elektrik enerjisi (veya daha doğru tabiriyle elektrik güç yoğunluğu vektörü), elektronlar gibi tel doğrultusunda akmaz. Evet, elektronlar tel boyunca akmaktadır, ama elektrik enerjisi bununla aynı yönde değildir.^[28]

Poynting Vektörü ve Sağ El Kuralı

Elektrik enerjisinin (veya gücünün) akış yönü, Poynting Vektörü adı verilen üçüncü bir vektörle belirlenmektedir.^[29] Bu isim, ilginç bir benzerliğe de konu olmaktadır: İngilizcede "doğrultmak", "yön göstermek" anlamındaki sözcük "pointing" sözcüğüdür. Elektrik enerjisi (ve birçok diğer vektörün) yönünü belirlemekte kullanılan Poynting Vektörü ise, ismini "pointing" sözcüğünden değil, John Henry Poynting isimli İngiliz fizikçiden almaktadır.

Elektrik enerjisinin yönü, her zaman elektrik alan ve manyetik alan vektörlerine dik olmak zorundadır. Elektrik alan ile manyetik alan vektörleri de birbirlerine diktir. Şimdi, yavaş yavaş her birinin yönünü bulalım. En kolayı, elektrik alanının yönünü bulmak: Söylediğimiz gibi elektrik alan, elektronların gittiği yöndedir. Bunun için ekstra bir şey yapmamız gerek yoktur. Tel ne yönde gidiyorsa, elektrik alan da o yöndedir.

Bu durumda, manyetik alan vektörü, elektrik alan vektörüne dik olmalıdır. Bu yönü tespit etmek için, "sağ el kuralı" isimli bir kural kullanabiliriz. Aşağıda, bunun nasıl yapıldığı görsel olarak gösterilmektedir:

Baş parmağınız elektronların akış yönüne işaret ettiğinde (örneğin yukarıdaki görselde elektronlar yukarı doğru akıyor olsun, dolayısıyla baş parmağımız da tel boyunca yukarı doğru yerleştirilir) diğer dört parmağınızın kavradığı yön, elektrik alanın hareketi nedeniyle bu tel etrafında oluşan manyetik alanın yönünü göstermektedir. Yani yukarıdaki örnekte manyetik alan telin etrafında 4 parmağın (ve dolayısıyla mavi okların) gösterdiği yöndedir. Telin sağ tarafında manyetik alan ekranın içine doğru, sol tarafında ekrandan dışarı doğrudur.

Bu durumda, elektrik enerjisinin yönü, yani Poynting Vektörü, elektrik ve manyetik alanlardan farklı bir yönde ve onlara dik olmak zorundadır. Bunu da bir diğer sağ el kuralı ile bulabiliriz (bu, aynı şekilde işlemez): Yapmamız gereken, bu defa elektrik alan yönüne baş parmağımızı değil de 4 parmağımızı yerleştirmek ve o 4 parmağı, manyetik alanın oradaki yönünde bükmektir.

Örneğin yukarıdaki telin sağ tarafını ele alalım: Burada elektrik alan yukarı doğru (çünkü telde elektronlar yukarı akıyor dedik), manyetik alan da bizden uzağa doğruydu (ekrandan içeri doğruydu). Eğer telin sağ tarafında, 4 parmağınızı yukarı doğru koyup, bu parmaklarınızı ekranınıza doğru kıvrılacak şekilde çevirirseniz, baş parmağınızın sola, yani tele doğru işaret ettiğini görürsünüz.

Tam tersi de aynı şekilde bulunabilir: Bu defa telin sağ tarafında değil de sol tarafında olduğunuzu hayal edin. Telin sol tarafında elektrik alan yukarı doğrudur (yine, elektronların yukarı doğru aktığını söylemiştik), manyetik alansa bu defa sağ taraftaki gibi ekranınıza doğru değil, bize doğrudur. Bunu sağlayacak şekilde sağ elinizin 4 parmağını yukarı ve avucunuz kendinize bakacak biçimde yerleştirdiğinizde, başparmağınız sağı, yine teli işaret edecektir.

İşte bu noktayı anlamak, bizi sıra dışı ve olağanüstü bir gerçekle tanıştırmaktadır: Elektrik enerjisi, telin kendisinden veya bataryadan gelmemektedir, telin etrafında elektrik ve manyetik alanlar sayesinde, telin etrafındaki Evren'den tele doğru gelmektedir!^{[7], [9], [10]} Büyük fizikçi Richard Feynman, bunu şöyle anlatıyor:^[30]

Her taraftan telin içine bir enerji akışı vardır. Tabii ki bu enerji, telde ısı şeklinde kaybolan enerjiye eşittir. Yani "çılgın" teorimiz, elektronların ısı üretmekte kullandıkları enerjiyi, dışarıdaki alandan tele akan enerjiden aldıklarını söylüyor. Sezgimiz, bize, elektronların enerjilerini tel boyunca itilmekten elde ettiğini, dolayısıyla enerjinin tel boyunca aşağı (veya yukarı) akması gerektiğini söylüyor gibi görünüyor. Ancak teori, elektronların gerçekten çok uzaktaki bazı yüklerden gelen bir elektrik alanı tarafından itildiğini ve elektronların enerjilerini bu alanlardan ısı üretmek üzere aldıklarını söylüyor. Enerji, bir şekilde, uzaktaki yüklerden geniş bir uzay alanına akıyor ve sonra telin içine doğru akar.

Bir diğer deyişle, bir bataryaya 100 metrelik bir tel bağlayıp, ucuna bir lamba taktığınızda, lambayı çalıştıran enerji 100 metrelik tel boyunca taşınıp da lambayı çalıştırmamaktadır. Elektronların hareketinden doğan elektromanyetizma, lambaya ışık hızına yakın hızlarda ulaştığı anda, lamba (ve telin kendisi de) Evren'den enerji almaya başlamaktadır! Burada "Evren"den kasıt, Evren'in dokusunu oluşturan enerji yüklü uzaydır. (Konuyla ilgili kapsamlı bir incelemeyi buradan ve buradan, daha yumuşak bir incelemeyi buradan, daha teknik bir incelemeyi ise buradan okuyabilirsiniz.)

Çılgın, öyle değil mi? Bunu matematiksel olarak ifade etmek istersek, Poynting Vektörü'nü şu şekilde hesaplayabiliriz:^[31]

$\vec{S}=\frac{1}{{\mu }_0}\vec{E}\times \vec{B}$

Buradaki ${\mu }_0$, daha önceden Maxwell Denklemleri'nde de karşımıza çıkan (manyetik) geçirgenlik sabitidir. $\vec{E}$ (diğer yazıda $\mathrm{E}$ olarak göstermiştik), elektrik alan vektörü, $\vec{B}$ ise (önceki yazıda $\mathbf{B}$ olarak göstermiştik) manyetik alan vektörüdür. Matematik bilenlerin fark edeceği üzere, $\vec{S}$'nin yönü, elektrik ve manyetik alanlara dik olmak zorundadır.

Wikimedia

Tüm bunlar kafanızı karıştırıyorsa, Richard Feynman sizi rahatlatabilir:^[30]

Poynting teorisinin, enerjinin bir elektromanyetik alanda nerede bulunduğuna dair sezgilerinizi en azından kısmen ihlal ettiği izlenimini edinmeye başladığınızdan şüphem yok. Buna bağlı olarak, tüm sezgilerinizi yenilemeniz gerektiğini ve bu nedenle üzerinde çalışmanız gereken çok şey olduğunu düşünebilirsiniz. Ama bu, gerçekten gerekli değil gibi görünüyor: Arada bir, teldeki enerjinin tel boyunca değil de dışarıdan tele aktığını unutursanız, başınızın büyük belada olacağını hissetmenize gerek yok. Enerjinin korunumu fikrini kullanırken, enerjinin hangi yolu izlediğini ayrıntılı olarak fark etmek, nadiren değerlidir. Enerjinin bir mıknatıs ve bir yük etrafındaki dolaşımı, çoğu durumda oldukça önemsiz görünmektedir. Bu hayati bir ayrıntı değil, ancak sıradan sezgilerimizin oldukça yanlış olduğu çok açıktır.

Konunun deneysel ispatını görmek için aşağıdaki videoyu izleyebilirsiniz:

Dikkat Edilmesi Gereken Detaylar

Bu durumda bir elektrik devresi, Evren'den enerji çalıyor diyebilir miyiz? Hayır, çünkü bir elektrik devresi boyunca Evren'den çalınan enerji, bataryanın içindeki elektrik akımından ve teldeki ısı kaybından kaynaklı Evren'e saçılan enerji ile birebir aynıdır. Bu yüzden batarya olmadan Evren'den enerji alamazsınız; zaten aksi takdirde enerjinin korunumunu ihlâl etmiş olurduk. Benzer şekilde, bataryaya ihtiyacımız var, çünkü batarya, iletken tel üzerindeki elektronları (aşırı yavaş bile olsa) harekete geçirmektedir ve bu sayede elektromanyetizmayı tetikleyebilmektedir ve Evren ile enerji alışverişini mümkün kılmaktadır.

İşte bu yüzden bir enerji santralinin evinize yüzlerce kilometre uzakta olması pek fark etmez: Sistemin (enerji santralleri, teller ve evlerden oluşan sistemin) toplam enerjisi dengelendiği ve elektromanyetik dalgayı sürdürecek kadar elektronları hareket ettirebildiğimiz sürece, elektrik enerjisini de iletip cihazları çalıştırabiliyoruz. Ne zaman ki elektrik yüklerini ister batarya ile ister alternatif akım yoluyla hareket ettiriyoruz, işte o zaman telin dışından içine doğru bir enerji akışı yaşanmaktadır. Bu enerji de ısı, kinetik, potansiyel enerji gibi diğer enerji formlarına dönüşerek, diğer aletleri çalıştırmakta kullanılabilmektedir.

Alternatif akımda da bu aynı şekilde çalışmaktadır, çünkü alternatif akımda elektronlar yön değiştirdiğinde, manyetik alan da yön değiştirmektedir ve bu iki etki, birbirini götürerek yine aynı yönde, tele doğru enerji akışı sağlamaktadır. Ama elektronların yön değiştirmek için durduğu kısacık zamanda elektrik de bir anlığına kesilmiş gibi olur, bu nedenle cihazların bu durgunluk anının üstesinden gelebilecek şekilde tasarlanması gerekmektedir. Bu teknik detaylar, bir başka yazının konusudur.

Elektriğin Yönü ve İnsan İnatçılığı

Görebileceğiniz gibi elektrik, gerçekten de okullarda anlatıldığı gibi çalışmamaktadır. Umuyoruz bu yazı, ne demek istediğimizi anlatmak açısından göz açıcı olmuştur.

İşin komik tarafı, bunları bu detayda biliyor olmamıza rağmen, hepimiz elektriğin yönünü yanlış kullanmaktayız - üstelik bunu bilerek yapmaktayız: Aslında bir tel içinde hareket eden şey elektronlardır, protonlar (yani pozitif yüklü parçacıklar) değildir - yazı boyunca bunu gördük. Ama elektrik üzerine derin araştırmalar yapan Benjamin Franklin zamanında elektronlar henüz bilinmiyordu. O da elektriği, pozitif yükün aktığı yön olarak tanımladı.

Sonradan elektronları keşfettik ve gerçeği öğrendik; ama o zamana kadar yerleşmiş konvansiyonu düzeltmekle uğraşmak yerine, elektriğin yönünü +'dan -'ye doğru olarak tanımlamaya devam ettik. Yani günümüzde size "Elektrik ne yönde akar?" diye sorarlarsa ve siz de "+'dan -'ye pozitif yüklerin aktığı yönde." derseniz, aslında fiziksel olarak yanlış cevap vermiş oluyorsunuz ama bu, doğru cevap sayılıyor.

Konvansiyonel olarak elektriğin yönü, "+ yüklü parçacıkların akmasını beklediğimiz yön" olarak tanımlanmaktadır, çünkü elektriğin protonlardan kaynaklı olmadığını bildiğimiz gibi, protonlar tel içinde pek hareket etmediklerini de bilmekteyiz - biz, onlar hareket ediyorlarmış gibi davranmaktayız. Bunun nedeni, nötronlarla birlikte çekirdeğe bağlı halde olmalarıdır; ama Franklin zamanında bu da bilinmiyordu.

Anlayacağınız, elektriğin yönü konusunda katmerli hata yaptık, 2 yanlış 1 doğru etmedi ama biz doğru kabul ettiğimiz için öyle kaldı. Tabii yazının bu noktasına kadar "kafanız patlamadıysa", pratik nedenlerle bunun hiçbir önemi olmadığını artık öğrendiniz: Çünkü elektriğin ne yönde aktığı önemli değildir! Elektrik gücünü kullanmak için bize gereken tek şey, elektronların hareket etmesidir. Ama yine de insan inatçılığı sınır tanımaz, bu çok açık!

Bu konu hakkında bir diğer detaylı tartışmayı buradaki yazımızdan okuyabilirsiniz.

doi: 10.47023/ea.bilim.10728