Elektriğin Tarihi: Kehribar ile Statik Elektrik Üretiminden, Bilgisayar Çiplerine...

Elektrik, bir iletkenin iki ucu arasına uygulanan potansiyel farkın sonucunda yüklerin hareket etmesiyle ortaya çıkan enerjidir. Potansiyel fark ise atomların yükleriyle ve elektrik alanlarıyla doğru orantılı olan fiziksel bir büyüklüktür. Potansiyel fark, aynı zamanda elektromotor kuvveti olarak adlandırılan voltajı yani gerilimi ifade etmektedir.

Bir iletkenin uçlarına pozitif ve negatif potansiyel fark uygulandığında, elektrik alanın kuralları gereği, pozitif potansiyele sahip uç negatif potansiyele sahip uçtan elektronları çekecektir. Bu sayede elektronlar negatif uçtan pozitif uca doğru ilerlerken, elektrik akımı pozitiften negatif yöne doğru ilerleyecektir. Aradaki bu tanım zıtlığı da (yani eletriğin yönünün, elektronların gerçekte aktığı yönün tersi olarak alınması da) elektriğin tarihiyle ilgilidir.

Elektriğin Antik Tarihi

Elektriğin varlığından bihaber olan insanlar bile, elektrikli balıkların verdiği şokların acısını biliyorlardı. Örneğin Milattan Önce 2750'li yıllardan kalma Antik Mısır metinleri, "Nil Nehri'nin Yıldırımları" adını verdikleri bu elektrikli balıkları, diğer balıkların "koruyucusu" olarak tanımlamaktadır. Antik Mısırlılar'dan binyıllar sonra, Antik Yunan, Antik Roma ve Arap doğa bilginlerinin ve hekimlerinin yazılarında da elektrikli balıklardan söz edildiğini görmek mümkündür. Örneğin Yaşlı Plinius ve Scribonius Largus gibi yazarlar, elektrikli kedibalıkları (Malapteruridae) ve elektrikli vatozlar (Torpediniformes) gibi hayvanların çarptıkları yeri uyuşturacak düzeyde elektrik verebildiğini anlatmışlardır.^[26] Ayrıca ta o zamanda bile bu şok dalgalarının iletken maddeler boyunca yayılabildiğini anlatmışlardır.^[25] Hatta günümüzde bilimdışı uygulamalar olsalar da o dönemde gut veya baş ağrısı gibi hastalıklar çeken insanların elektrikli balıklar tarafından çarpılması gerektiğine inanılmıştır.^[24]

Tabii ki sadece canlılar dünyasında değil, atmosferik olaylarda da elektriğin izlerini görmüşlerdir: Örneğin fırtınalar sırasında deneyimledikleri yıldırım ve şimşekler, nadiren de olsa yaşanan St. Elmo Ateşi gibi olaylar, insanların elektriğe hükmetmesinden çok daha önce onunla haşır neşir olmasına neden olmuştur. Tabii ki insanlar, tüm bu olayların etkisinin ortak bir kökene sahip olduğundan bihaberdi ve bu ürkütücü doğa olaylarını tanrılara bağlıyorlardı. Örneğin Pliny, elektrikle ilgili pagan inançlarını şöyle anlatıyor:

Antik Tuskanların inanışına göre yıldırımları gönderen 9 tanrı var ve bunlar, 11 farklı yıldırım tipi yaratıyor.

Ne olursa olsun, milenyumlara yayılan bu bağımsız gözlemler, nihayetinde elektriğin ne olduğunu giderek daha iyi anlayabilmemizi sağladı.

Thales ve Statik Elektriğin Keşfi

Miletli Thales, Milattan Önce 600 civarında yazdığı metinlerde, kehribarı kürke sürttüğünde hafif cisimleri (saç, hayvan kılı gibi) kendine çektiğini fark ettiğini yazmıştır; fakat bunun açıklaması o zamanlarda bilimsel olarak yapılamamıştır. Aslında Thales'in yaptığı deney, günümüzde statik elektrik olarak bilinen olguyu göstermektedir.

Statik elektrik, birbirine sürtünen cisimlerin değerlik elektronlarının kopması ya da diğer cisimden elektron alması sonucunda bir yük dengesizliği doğması sonucunda, bu cisimlerin pozitifliği veya negatifliğine bağlı olarak birbirini itmesi ya da çekmesine verdiğimiz isimdir. Günümüzde bir arabaya veya plastik cisimlere dokunduğumuzda elektrik çarpması statik elektriğin gündelik yaşamdaki örneklerinden biridir.

Statik elektriğin çarpılmayla sonuçlanmasının nedeni, elektriğin en temel ilkelerinden biriyle alakalıdır: İki cisim arasında yük dengesizliği, potansiyel fark denen bir durum yaratır (bu potansiyel fark miktarına "voltaj" ya da "gerilim" denir). Kıyafetlerimizin sürtünmesinden kaynaklı elektrik yüklenmesi, arabanın metal yüzeyi gibi çok farklı bir elektrik yük değerine sahip cisme temas ettiğinde, aradaki devasa potansiyel farktan ötürü elektronlar çok hızlı bir şekilde öteki tarafa sıçrar ve bu sırada kıvılcım (İng: "spark") adı verdiğimiz, ısı ve ışık yayılımına sebep olurlar. Yerel olarak yaşanan bu ani ısı artışı, statik elektriğin canımızı yakmasının ana nedenidir.

Elektrik Üzerine Araştırma Yapılmamış Uzun Bir Dönem ve Pusulanın Keşfi

Thales'in mevzubahis deneyinin üzerine 17. yüzyıla kadara kayıtlara geçmiş elektrik üzerine bir araştırma ya da deney yapılmamış olsa da manyetizma üzerine dünya ticaretine yön verecek bir gelişme Asya'da yaşanmıştı.

Burada neden birdenbire manyetizmadan bahsettiğimiz kafa karışıklığına neden olabilir, dolayısıyla izah edelim: Elektrik ve manyetizma iki farklı olgu gibi düşünülse de aslında aynı ve tek bir doğa olayının, elektromanyetik kuvvetin iki farklı tezahüründen ibarettir. Dolayısıyla elektrik ve manyetizma birbirinden ayrılabilir kavramlar değildir. Elektromanyetik Teori'nin geliştirilmesinden önce, manyetizma alanında yapılan çalışmalar da elektriğin ne olduğunun anlaşılmasına elektrik alanında yapılan çalışmalar kadar katkı sağlamıştır.

Asyalılar 2. yüzyılda şerit haline getirilmiş bir mıknatısın serbest dönebilir hale getirildiğinde her zaman aynı yönü gösterdiği keşfetmişti. Bu sayede Çinliler pusulanın keşfini yapmış, insanoğlu kıtalararası yolculukları öncesine göre kat kat kolaylaştırmıştı.

Elektrik Kelimesinin Kökeni

William Gilbert, Latincede kehribar anlamına gelen electrum kelimesinden esinlenerek, sürtülünce küçük nesneleri çekme özelliğini tanımlayan electricus kelimesini türetmiştir. Daha sonra farklı dillere de geçen "electricus" kelimesi, Fransızcada électrique olarak kullanıldıktan sonra Türkçeye de bu şekilde, "elektrik" adıyla geçmiştir.

17. Yüzyılda Elektrik

17. Yüzyılda Gösterilerde Kullanılan Elektrik

Elektrik, 17. yüzyılda sihirbazlar tarafından gösterilerde, kıvılcım ile yanıcı sıvıları ateş olmadan alevlendirme, telekinetik güçler gibi gösterilerek statik elektrik ile hafif cisimleri hareket ettirme gibi insanlara gösteri yapma üzerine kullanılıyordu.

İlk Elektrik Üreteci

Otto von Guericke, statik elektrik ile düzenli akım üreten, mekanik etkiler (insan gücü ile çalışan) sayesinde çalışan ilk üreteci üretmiştir. Bu üretecin vakumlanmış cam kavanozu, bir iletken ile temas ettiriliyor, ve ardından döndürülmeye başlanıyordu. Böylelikle sürtünmeden kaynaklı kopan elektrikler bir potansiyel fark oluşturuyor, elektrik enerjisinin ilerlemesi için güzide yolu hazırlıyordu.

18. Yüzyılda Elektrik

18. yüzyılda; ilk kondansatör olarak kabul edilen Leiden şişesi; Leiden Üniversitesi profesörlerinden Peter Van Muschenbrock'un çalışmaları sonucunda su dolu cam kavanoz içerisine daldırılmış metal çubuğun; Otto von Guericke'nin üreteci üzerinden elektrik üreterek, suya düzenli elektrik akışı sağlamasıyla keşfedilmiştir.

Elektrik enerjisinin depolanabilirliği ve kondansatörlerin önünü açan Leiden şişesinin, elektrik enerjisini depoladığı aslında Muschenbrock'ın yardımcısının şişeden çıkan kabloya yanlışlıkla teması sonucunda çarpılması ile fark edilmiştir. Böylelikle Muschenbrock; Leiden Şişesi olarak adlandırdığı mekanizması sayesinde elektriğin depolanabileceğini keşfetmiş, modern kondansatörlerin önü açılmıştır. Bu sayede elektrik enerjisini hem kısa süreli hem de gerekli devreler kurulduğunda kalıcı olarak depolanabilen, ani elektrik kesintilerinde elektronik cihazlarımızı; depoladığı enerjiyi göreceli olarak yavaş şekilde bırakması ile koruyabilen bir devre elemanının ilk temeli atılmıştır.

Kondansatörlerin depoladıkları elektrik enerjisini yavaşça bırakmasını, telefonlarımız şarj halindeyken şarj cihazını prizden çıkardığınızda kısa bir süreliğine telefonun hala şarj olduğunu görerek deneyimleyebilirsiniz. İşte bunu şarj cihazımızdaki kondansatörler sağlamaktadır. Modern kondansatörler ise tabii ki içerisinde su bulundurmuyor ya da cam kavanozdan üretilmiyor. İstenilen özelliklerde üretilebilmesi için gerekli hesaplamalardan sonra üretilen kondansatörler iki paralel plakanın arasına yalıtkan maddenin yerleştirilmesi ile üretiliyor.

Kondansatörlerin Çalışma Prensibi

Kondansatörün bir bacağına pozitif voltaj uygulandığında, plakaların bir tanesi +Q (pozitif yük) ile yüklenirken, diğer plaka ise –Q (negatif yük) ile yüklenecektir. Çünkü pozitif voltaj negatif yüklerin çekilmesini sağlar, böylelikle iki plaka arasında oluşan, zıt yüklerin arasında ki elektrik alandan faydalanarak elektrik enerjisini elektrik alan üzerinde depo edilebilmiş oldu.

Sergei Starostin

18. yüzyılın sonunda ise İtalyan fizikçi Alessandro Volta, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren Volta pillerini üretmişti. Bu piller, elektronegatiflik (atomun çekirdeğinin elektronları çekebilme gücü) değerleri birbirinden farklı olan Bakır ve Çinkonun, iletken olan sülfürik asit çözeltisinin içine koyulması ile elektrik üretir. Alessandro Volta sayesinde artık güç kaynaklarına, bataryaların ömrü dahilin de bağımlı kalınmıyor, arabalar kilometrelerce yol gidebilmektedir. Tabii ki bu süreç Volta'nın pilinin günümüze kadar defalarca kez geliştirilmesi ve yıllarca süren mühendislik çalışmaları sayesinde olmuştur.

19. Yüzyılda Elektrik

19. yüzyılda artık elektriğin nasıl üretileceği, etkili ve verimli kullanımı olmasa da depo etme yolları biliniyordu. Bu gelişmeler esnasında o dönemlerde; manyetizmayı ve pusulayı kullanmayı biliyor olsak da, günümüzde büyük bir disiplin olan elektromanyetizmayı oluşturan; elektriğin ve manyetizmanın ilişkisini henüz bilmiyorduk.

Elektromanyetizma sayesinde insanlık; günümüzde elektrikli araçların motorlarını çalışma prensibini oluşturmuş, günlük hayatımızda kullandığımız şarjlı matkap gibi birçok cihazın ulaşılması kolay haline gelmesini sağlamış, hayatımızın her alanına doğrudan doğruya etki eden cihazları üretmiştir.

Bu noktada, elektrik ve manyetizmanın arasındaki ilişkiyi deneysel olarak kanıtlayıp matematiksel formüllere döken James Clark Maxwell’in 4 ünlü denkleminden birinin gelişmesine ilham olan, elektrik akımın birimine soyadını veren kişi, Andre Marie Ampere'in buluşlarına da değinmekte fayda var.

Elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi ilk deneysel olarak ispatlayan Hans Christian Ørsted, 1820 yılında yaptığı deneyde elektrik akımı geçirilen bir telin; etrafındaki pusulaların iğnelerini saptırdığını keşfetmişti. Ørsted’in çalışmalarının ışığında deneyler yapan Ampere, farklı bataryalara bağlı iki farklı kabloyu karşı karşıya koyup, aynı yönde ve ters yönlerde akım vererek elektrik ve manyetizma arasındaki ilişki hakkında bir deney yaptı. Ampere'in bu deney sonucunda vardığı sonuçlar şöyleydi; karşılıklı tellere aynı yönde akım verildiğinde birbirlerini çekiyorlar, zıt yönde akım verildiğinde ise birbirlerini itiyorlardı.

Bu deney sonucunda Ampere, içerisinden akım geçen telin hangi yöne manyetik alan oluşturduğunu sağ el kuralı ile ortaya koymuştu. Bu kural; eli aşağıda görseldeki gibi tutup, akımın ilerlediği yöne başparmak yöneltildiğinde, içe dönük olan parmakların telin çevresinde oluşan manyetik alanın yönünü göstermesinin pratik bir ifadesiydi. Deneysel olarak elektrik ve manyetizmanın zaten Ørsted tarafından kanıtlanmış olduğu o dönemde, Ampere'i öne çıkartan en önemli faktörlerden birisi, deney sonucunu matematiksel formüllere dökmüş olmasıdır.

https://tikz.net/righthand_rule/

Elektrik Jeneratörlerinin Temelleri

Hans Christian Ørsted’in ilham olduğu Michael Faraday; kinetik enerjinin elektrik enerjisine nasıl dönüştürüleceğini, yani değişen bir manyetik alana maruz bırakılan iletkenin üzerindeki voltaj değişimini keşfetmiştir. Bu keşif Faraday'ın İndüksiyon Kanunu olarak bilinmekte olup, jeneratörlerin, rüzgar türbinlerinin ve barajların elektrik üretmesinin çalışma prensibini oluşturmaktadır: Barajlardan akan tonlarca su türbinleri döndürür, dönen türbinler Faraday'ın İndüksiyon Kanunu dahilinde değişen manyetik alan; atomlar üzerinde potansiyel fark oluşturur ve barajın sistemlerinde elektrik üretilir.

Faraday'ın ardından Joseph Henry ise, Faraday'ın İndüksiyon Kanunu'nu tersine çevirerek elektrik enerjisini kinetik enerjiye çevirerek, elektrik motorlarının temelini atmıştır. Elektrikli motorlar çoğu cihazda bulunduğu gibi, günümüzde elektrikli araçlarda da kullanılmaktadır.

Sıra, bu hızla gelişme kaydeden elektrik ve manyetizma alanının, bilgi iletiminde kullanılmasıydı. Işık hızına yakın hızlarda ilerleyen elektrik (veya daha doğru ismiyle elektrik enerjisi), günümüzde bilgisayarlarımızın anlık olarak bilgi iletebilmesini, işleyebilmesini ve üretebilmesini mümkün kılmaktadır. Ancak elektrik enerjisi sayesinde bilgi iletimi, elbette bilgisayarlarla başlamamıştır.

Telgraf ve Mors Alfabesi

Elektriğin bilgi iletiminde kullanılmasının ilk şekli; hepimizin mors alfabesiyle çalışan telgraf olarak bildiği, sadece kısa ve uzun çizginin (• ve –) her harfe farklı kombinasyonlarının oluşturulmasıyla ortaya çıkmış bir alfabenin, elektrik iletimiyle birleştirilmesi sayesinde olmuştur. Telgrafın çalışma sisteminde uygulama şu şekildedir; gönderim kısmındaki operatör, cihazın koluna kısa bastığında karşı tarafa nokta, uzun bastığında çizgiyi göndermektedir. Bu sistem karşı tarafa mesajı bir lamba ya da ses çıkartan bir cihaz tarafından ifade edilebilir.

Wikipedia

Elektromanyetik Dalgaların Keşfi ve Kullanımı

Elektrik kullanarak bilgi iletiminde bir diğer gelişme ise 1888 yılında Heinrich Hertz tarafından üretilen antenler ile oldu. Fakat antenlerden bahsetmeden önce önce, yazının önceki kısımlarında da karşımıza çıkan James Clerk Maxwell'den bahsetmemiz gerekir; çünkü elektromanyetik dalgaların varlığını öngören James Clerk Maxwell'in bu öngörüsü, Hertz tarafından kanıtlanmıştır ve sonrasında antenleri mümkün kılmıştır.

Maxwell; matematiksel olarak birbirinden ayrı olan elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiyi 4 denklemle birleştirmiş, elektromanyetik dalgaların varlığını öngörmüş, beyaz ışığın kırmızı, yeşil ve mavi ışıktan oluşmasının ilkelerini ortaya koymuş, renk üçgeni adını verdiği bir modelde yeşil, mavi ve kırmızı ışığın belli oranlarda karışmasıyla ortaya çıkan renkleri belirtmiş, ilk renkli fotoğrafı çekmiş ve daha bir çok alanda çalışmış son derece üretken bir bilim insanıdır. Maxwell'in 4 denklemi sayesinde X ışınları, radar ve iletişim araçlarının önü açılmıştır.

Hertz ise anteni keşfederek, bilgiyi elektromanyetik dalgalar halinde göndermemizi sağlayacak keşfini yapmış, böylelikle Maxwell’in öngördüğü elektromanyetik dalgaların doğruluğunu kanıtlamıştır.

Gönderici olan antenin sağa ve sola doğru iki ucu vardır. Bu iki uç ortalarından bir akım kaynağına bağlanmıştır. Örneğin akımı ilk sol tarafa doğru verdiğimizi varsayarsak, sol tarafa doğru giden elektrik akımı, elektronların ve akımın ters yönde akmasından kaynaklı antenin sağ ucunda negatif yükleri (elektronları), sol ucunda ise pozitif yükleri biriktirecektir. Zıt yüklerin iki uçta birikmesinden ötürü, aşağıdaki çizimde gösterildiği üzere antenin iki ucu arasında bir elektromanyetik dalga oluşacaktır. Akımın yönü değiştirilip sağa yöneltildiği zaman, aralarında elektromanyetik dalga oluşan pozitif ve negatif yükler ortada birleşip yollarına devam ettiklerinde ise oluşan dalga kapanıp, göndereceğimiz yöne doğru yolculuğuna başlar. Alıcı anten tarafından algılanan bu dalgalar, bazı komplike işlemlerden geçerek cihazlarımıza anlamlı mesajlar oluştururlar.

Lesics

1876 Yılında Alexander Graham Bell, ses dalgalarını elektrik sinyaline çevirerek telefon patentini ilk alan kişi olmuştur. Sesi odaklamayı sağlayan sivri kısmı kesik, üçgen koniye konuşan kişinin ses dalgaları koninin uç kısmında bulunan diyaframı titreştirerek, diyaframa çok yakın şekilde yerleştirilen ve bir batarya ile beslenen manyetik zarı titreştiriyor, böylelikle her titreşimde diyafram ile manyetik zarın teması ile devre tamamlanıyor, ses dalgaları elektrik sinyallerine dönüşüyordu. Alıcı taraf ise bu işlemin tam tersi ile sesi duymuş oluyordu. Gelen elektrik sinyalleri alıcıdaki zarı titreştiriyor ve ses diğer taraftan duyuluyordu.

Alexander Graham Bell's Telephone Patent Drawing and Oath, 03/07/1876

19. Yüzyılın sonlarında ise daha önceki bir yazımızda detaylıca anlattığımız Thomas Edison ve Nikola Tesla tanışması yaşanmış, ancak bu iki bilim insanı sonradan birbirlerine düşman olmuşlardı. Yazımızda bu iki büyük bilim insanının; aralarında ki tartışmalara ve akım savaşlarına değinmeyecek, elektriği çoğu sektörün ve insanın temel ihtiyaç haline getirecek buluşlarından bahsedeceğiz. Şüphesiz çok büyük buluşlara sahip bu iki bilim insanı insanlığın modern dünyaya olan yolculuğunu hızlandırmış, elektriğin kullanımını ve dağıtımını pratikleştirmişlerdir.

Thomas Edison ve Buluşları

Çok küçük yaşlardan itibaren elektrik ve elektrik üzerine yapılan araştırmalara ilgi duymuş, bunlara kafa yormuş bir insan olan Edison; gramofon, ampul, kinetograf ve kinetoskop, elektrikli araba bataryası, güneş ve rüzgar enerjisinden beslenen güç kaynakları üzerinde çalışmış, çoğunu hayata geçirmiştir.

Ses Dalgalarını Mekanik Etkilere Çevirmek ve Elektrik Sayesinde Kaydedilmiş Sesi Tekrar Dinleyebilmek

Dönmekte olan ince bir kalay levha üzerinde bulunan iğneye karşı konuşan Edison, ses dalgalarının iğnede ki titreşimlerinin kalay levhaya yaptığı basınç ile levha üzerinde küçük oyuklar ve darbeler oluşturuyordu. Böylelikle ses dalgalarının oluşturduğu basıncı, bir levha ile etkileşime geçirmiş ve sesi kaydetmişti. Ardından bu levhaya tekrar başka bir iğne yerleştirilerek oyukların iğne üzerindeki yaptığı basıncın oluşturduğu ses dalgaları borular yardımı ile şiddetlendiriliyor ve böylece kaydedilen ses tekrar dinlenmiş oluyordu. Gramofonun ileriki zamanlarda geliştirilmesi ile ses dalgaları elektrik sinyallerine çevrilerek amplifikatörler (elektronik sinyalleri güçlendiren devre elemanı) yardımı ile kullanılmış, ardından günümüzde telefonlarımızın içine girecek kadar evrilmiştir.

Aydınlanma İçin Elektrik

Edison verimli şekilde kullanılabilecek ampul için binlerce deneme yapmış, biyologlarla irtibata geçerek lamba filamanı için kullanılacak bitki liflerini araştırmıştı. Uzun araştırmalar sonucunda doğru filamanı bulan Edison, daha uzun süre yanabilen ampul için karbonize pamuk ipliğini kullanmıştır(27 Ocak 1880). Lambaya voltaj uygulandığı zaman, lamba içerisinden geçen akım, filamanı foton yayacak kadar ısıtıyor, böylelikle lamba yanmış oluyordu.

Edison'ın Elektrikli Araba Hayali

Elektrikli arabalar için batarya üretmeye çalışan Edison, dayanıklı bir nikel-alkalin pil geliştirdi fakat bu pil geleneksel pillere göre daha büyük ve daha pahalıydı. Edison bu pilini daha verimli hale getirdi getirmesine fakat o dönemde Henry Ford düşük maliyetli çalışan araba modelini tanıttığında içten yanmalı motorlar, araçlar için hızlı bir ivme kazanmıştı. Bu sebeple Edison’un elektrikli araç hayali, hayata geçirilememişti.

Alternatif Akım ve Nikola Tesla

Nikola Tesla alternatif akımın kurucusu olmasa da alternatif akım motorunu geliştirerek alternatif akımın verimli şekilde kullanılmasını sağlamış, uzaktan kontrol edilebilir maket gemi yaparak elektrik ile uzaktan kontrol sistemini sağlamış, günümüzde hidroelektrik santrali olarak adlandırdığımız suyun hareketinden elektrik enerjisi ürettiğimiz sistemi Niagara şelalesinde denemişti, Guglielmo Marconi ile radyoyu geliştirmiş, ilk X ışınları ile görüntü alan kişi olmuş, kablosuz elektrik iletimi hakkında araştırmalar yapmış ve bunu ideal haline getirmiş bir kişi olan Tesla’nın en büyük hayallerinden biri elektriğin kullanımının ücretsiz olmasıydı.

Elektromanyetik Dalgalar ile Uzaktan Kontrol

Tesla; radyo dalgaları üzerinde günümüze öncü olacak çalışmalar yapmış, bir önceki paragrafta bahsedilen radyo dalgaları ile uzaktan kumanda yardımı ile bir maket gemiyi tanıttığı gösteride izleyicilerin isteği üzerine yönlendirmişti. Aynı zamanda Tesla kablosuz elektrik iletimi yapılabileceğini insanlara göstermiş, fakat bu uygulamaya verimli şekilde geçirilememiştir. Hem dönemin elektrik şirketleri tarafından olan baskı(Tesla elektriği ücretsiz şekilde herkesin kullanımına sunmak istiyordu), hem de kablosuz elektrik iletiminin çok verimsiz olması en önemli sebeplerdendi. Kablosuz elektrik iletiminin verimsiz olmasının sebebi ise; iletken olarak kullanılan atmosferde, spesifik bir noktaya odaklanamayan ve dalga halinde yayılan enerjinin çok kolay verimini kaybetmesi ve bozulmaya uğramasıydı.

Günümüzde ise kablosuz elektrik akımını uzağa iletmek halen istenilen seviyeye ulaşabilmiş değil. En büyük engel ise yine enerjinin çok kolay verim kaybedip, bir noktaya odaklanamıyor oluşu. Ancak kısa mesafelerde kablosuz elektrik aktarımı çok verim kaybetmeden yapılabilmektedir.

https://www.engadget.com/2014-01-19-nikola-teslas-remote-control-boat.html

20. Yüzyılda Elektrik

Artık gemiler birbirleri ile anlık haberleşebiliyor, maddi durumu elverişli halklar ülke haberlerini belli bir merkezden hoparlör aracılığı toplu şekilde dinleyebiliyor, elektrikli klimalar üretime geçiriliyordu. Elektrik ve kullanım alanları 20. yüzyılda çok hızlı bir ivme kazanırken, tarihler gittikçe hikayemizin önemli kısımlarından biri olan, bilgisayarları tasarlamamızda en temel ihtiyaçlarımızı oluşturacak gelişmelere yaklaşıyordu.

İnsanlık elektriği kullanmayı öğrenmiş, uzak noktalarla iletişimi kolaylaştırabilmiş, motorlar tasarlamış, devletlere yeni propaganda araçları üretmiş, hidroelektrik santraller tasarlamıştı. Artık çağ, elektrik-elektronik çağıydı. Devre elemanları hızla geliştirilecek, devreler ön plana çıkacaktı. Ardından işlemciler, baskı devre kartları, televizyonlar, müzik çalarlar, fotoğraf makineleri, 4K ekranlar, bize binlerce km. uzaklıktaki gezegenlerden sinyal gönderen keşif araçları…

Diyotlar

20. yüzyılın başlarında geliştirmeye başlanan ve elektroniğin kilit noktalarından birisi olan diyotlar, işlemcilerin içerisinde milyonlarca bulunan transistörlerin çalışma prensibini oluşturmaktadır. Aynı zamanda açılımı "ışık yayan diyot" (İng: "light emitting diode") olan, az elektrik tüketip, ampullere oranla çok daha fazla ışık sağlayabilen LED'lerin bir diyot olması da örneklerden birisi.

Diyotlar; içinde üç bölgeden oluşmaktadır. Uçlardan birisi pozitif yüklü (elektron eksiği olan P ucu), diğeri ise negatif yüklü (elektron fazlası olan N ucu) uçtur, iki ucun arasında kalan bölge ise nötr bölgedir. Nötr bölgeden elektron geçirebilmek için belli bir kırılma voltajı değeri vardır. Diyotun artı ucuna uygulanan yeterli pozitif voltaj devrenin eksi ucundaki elektronlar ile birlikte diyotun negatif ucundaki elektronları çekecek, böylelikle artı uçtaki elektron eksiği olan kısımlar (bunlar "delik", yani "hole" olarak isimlendirilmektedir), elektronları bataryanın pozitif ucuna taşıyarak elektrik iletimini devrede sağlayacaktır. Eğer pozitif voltajı diyotun eksi ucuna uygular isek, bataryanın negatif kısmından gelen elektronlar nötr bölgeden geçemeyecek (yüksek voltaj uygulanmadığı sürece), böylelikle elektrik akışı engellenmiş olacaktır.

The Engineering Mindset

Buradan da anlayabileceğiniz üzere diyotlar tek yönlü kullanılabilmektedir ve bu tek yönlü akım geçirme özelliği sayesinde alternatif akımı doğru akıma çevirmekte kullanılabilmektedir.

Transistörler

İlk patenti alınmış transistör, 1947 yılında Bell araştırma merkezinde yapılan araştırma ve geliştirme sürecinde ortaya çıktı. Önceki kısımda da bahsettiğimiz üzere çalışma prensibi diyotlara dayanan transistörler, diyotların P ve N uçlarından birine gerekli şekilde P veya N tipi malzeme yerleştirilmesi ile üretilir (P uca N, N uca P gelecek şekilde).

Şimdilik, NPN tipi transistörleri ele alalım. Aşağıda, resimdeki gibi yerleştirilmiş transistörün herhangi bir N ucuna pozitif voltaj uygularsak, bahsettiğimiz gibi elektrik iletimi gerçekleşemeyecektir. Çünkü pozitif voltaj uyguladığımız N ucundaki elektronlar bataryaya doğru ilerleyecek, fakat elektronlar P bölgesinden gelemeyeceği için elektrik iletimi sağlanamayacaktır. Eğer P bölgesine dışarıdan bir voltaj uygulanır ise iki N ucu arasında elektronların ilerleyebileceği bir yol oluşacak böylelikle transistör iletime geçecektir.

Wikipedia

Mantık ile Transistörlerin İlişkisi

Daha önceki bir yazımızda, mantık kurallarının elektronik devrelere nasıl dönüştürülebileceğini anlatmıştık. Burada, onlardan bir tanesini, mantıkta "veya" olarak adlandırılan işlemi (ve bu işlemin transistörler yardımı ile devreye uygulanma biçimini) görmektesiniz.

101 Computing

Burada olan biteni şöyle anlatabiliriz: İki adet NPN transistör ile mantıksal sonuç almak için çıktılar; OUT olarak gösterilen kısma akım gelirse "1"i, gelmez ise "0"ı temsil etsin. Aşağıda kurulan devrede Vcc devreyi besleyen gerilim kaynağı, A ve B bizim kontrolümüze olan gerilim kaynaklarıdır. Out ise bize çıktımızı verir. A kaynağına voltaj verilir, B kaynağına voltaj verilmez ise zaten Vcc kaynağından beslenmekte olan her iki transistör akım geçirmeye hazırda bulunup P bölgelerinden bir voltaj uygulanmadığı için akım geçirmemektedirler. A’ya verilen voltaj, bağlı olduğu transistörü iletime geçirecek ve Out kısmına bir akım geçmiş olacak, B’ye ise voltaj vermediğimiz için akım geçmeyecek ve tabloda ifade edildiği üzere (1 veya 0)=(1) işlemini uygulamış olacağız. Elde edilen değer İkili Sistemi oluşturan; "1-0" olarak 1 bit bilgi elde etmemizi sağladı.

Matematiksel mantığın tüm işlemlerini elde etmek için gerekli biçimlerde transistörleri konumlandırarak çıktı sağlamamız bu şekilde gerçekleşmektedir. Her yıl yüz milyonlarca dolar yatırım alan transistör projeleri sayesinde işlemcilerin verimi gittikçe artarken, içerisinde bulunan transistörlerin boyutu inanılmaz derecelerde küçülmektedir. Kıyas olması adına; bir işlemci içerisinde ki transistör ile Escherichia coli bakterisini karşılaştıralım. Apple M2 (2022) işlemcisinin içerisindeki 1 adet transistörün boyutu 5 nanometre iken, E. coli bakterisinin uzunluğu 1000 nanometredir. Yani güncel bir işlemci içerisindeki bir transistör, ortalama bir E. coli bakterisinden 5 bin kat daha küçüktür.

Bilgisayarların Ortaya Çıkışı

2. Dünya Savaşı döneminde savaşta gücü eline almak isteyen ABD ve Almanya gibi devletler, elektrik-elektronik üzerine olan araştırmalara gittikçe daha çok para harcadılar. Elektromanyetik dalgalar sayesinde oluşturulan sinyallerin savaş anında iletişimi ne kadar hızlandırdığının önemi iyice anlaşılmıştı.

Bunların en önemlilerinden biri, 1936'da İngiliz matematikçi olan Alan Turing’in geliştirdiği cihazdı. Bu cihaz, komplike çalışan bir cihaz olsa da 2. Dünya Savaşı'na yön veren gelişmelerden birisiydi. Bombe adı verilen elektromekanik cihaz, Almanların mesaj şifreleme cihazı olan Enigma'nın kodlarını kırmış, böylelikle Almanya’nın savaş sırasında ki haberleşmelerine sızmaya olasılık tanımıştı. Enigma cihazı da elektromekanik bir cihazdı ve içerisindeki sıralı dönen dişliler sayesinde operatör tarafından girilen mesajı kripto bir mesaj olarak çıktı veriyordu. Bu mesaj ise, bahsettiğimiz üzere Bombe adlı cihaz tarafından, kripto olarak girilen bilginin operatör tarafından ayarlanılan alfabenin çıktısında verilmesi ile çözülmüştü.

Savaş sırasında geliştirilen bir diğer bilgisayar da ABD’de üretilmişti. Eniac adı verilen bu bilgisayar ne kadar savaş sırasında bitirilmeye çalışılsa da ancak savaş bittikten sonra tam kapasiteli çalışmaya başlayabilmiştir. Matematikçilerin saatler süren işlemlerini 15 dakikaya indirebilmeyi başaran bu makine, ABD tarafından görevlendirilen mühendislerin çalışmaları ile daha isabetli top atışları, termal hesaplamalar yapabilmek için üretilmişti. Cihaz manuel olarak, programlama için takılıp çıkarılan fişler ile girdi alıyordu, aynı zamanda hafızasında yaklaşık 200 adet sayı saklayabiliyordu. Yaklaşık 2.5 metre yüksekliğinde, 0.6 metre kenar uzunluklu kare şeklinde 40 panelden oluşuyordu. İçerisinde binlerce direnç, kapasitör, tuş ve daha birçok eleman vardı.

Çalışma maliyetinin çok yüksek olması sebebiyle verdiği hizmete 1955’de son verilen bilgisayarın ardından, Eniac’dan daha yüksek kapasiteli ve az maliyetli olan DEVAC ve UNIVAC adlı bilgisayarlar geldi. 1947 yılında transistörlerin üretilmesi ile ENIAC ve ardından gelen bilgisayarlarda kullanılan vakum tüplerinin (vakum tüpünün içerisinde yer alan plakanın ısıtılması ile tüpün bir ucundan diğer ucuna elektron saçılması sayesinde elektrik iletimi sağlanır) yerini transistörler almıştı. Böylelikle vakum tüplerinden daha verimli olan transistörler daha güçlü çıkışlar verebiliyordu. Çünkü vakum tüpleri çok az akım çıkışı sağlayabiliyordu ve transistörler ile bu sorun ortadan kalkmıştı.

The ENIAC Story - Martin H. Weik

Kodlamanın manuel olarak yapıldığı bilgisayarlara hız kazandıran diğer etmenlerden bir diğeri ise IBM'in kendi bilgisayarlarında; girdi bilgilerini elektronik kartlar ile sağlaması oldu. İşlemler için yine kart girişlerini sağlayan bir operatör gerekiyordu, fakat programlama yapmak için priz takıp çıkarmak veya prizleri değiştirmekten daha hızlı bir işlemdi. Ortalama olarak yapılacak işlemler için 20 dakika kadar bilgi girdisi yapılıyordu, fakat bu işlem piyasada bulunan diğer bilgisayarlara kıyasla çok daha hızlıydı. Bu da IBM’i piyasanın bilgisayar alanında önde gelen şirketi yapmıştı. IBM’in bu kartları ise erken dönem RAM olarak adlandırılan Core Memory (Bellek Hafızası) teknolojisine dayanıyordu. Bu kartlar ihtiyacımız olan sayıyı çekirdeklerinde mıknatıslar yardımı ile depoluyordu.

Bu mekanizmayı şöyle düşünebilirsiniz: Halka şeklinde bir mıknatıs girişi ve çıkışı veren iletkenimizi bir noktada çevreliyor ve girişten örnek olarak 40mV gerilim sağlanıyor olsun. Akım taşıyan bir iletken sağ el kuralına göre akım yönü başparmağın yönüne göre aktığında çevresinde kalan 4 parmağımızın yönünde manyetik alan oluşturacaktır. İletkenimizi koordinat düzleminde; halka mıknatısla bir noktada çevrelenmiş y eksenine yerleştirelim. Böylelikle +Y yönünde akan akım, her bir noktasında –X’den +X’e doğru dönen, çembersel bir manyetik alan oluşturacaktır. Halka eğer akan akım ile aynı yönlü (-X’den +X’e doğru) kutuplanmış ise, çıkan akım herhangi bir değişikle uğramadan, aynı voltaj değerinde çıkacaktır. Böylelikle giriş-çıkış voltajında bir farklılık olmadığı için kabloyu çevreleyen mıknatısın yönünü çıkışta ifade ecektir. Eğer mıknatısın –X’den +X’e doğru olan yönünü 0 olarak adlandırılırsa, farklı ölçülmeyen her bir voltaj değeri çıktı olarak 0’ı verecektir. Mıknatısın yönü +X'den –X'e doğru, akımın oluşturduğu manyetik alana zıt olduğunda mıknatısın bulunduğu yerde akıma karşı bir manyetik alan oluşacak, voltaj çıkışta anlık olarak değişecektir. Fakat akımdan kaynaklı mıknatıs akımın oluşturduğu manyetik alanın yönünde kutuplanacak, ardından verdiğimiz voltajı çıkış voltajında tekrar alınabilecektir. Anlık olarak değişen bu voltaj ise mıknatısın +X’den –X’e doğru olduğunu, yani "1" olarak adlandırılan diğer çıktıyı verecektir. Öte yandan bu işlem gerçekleşirken, mıknatısın yönü zıt yöne dönmüş oldu. Fakat gerekli elektronik bağlantılar sağlandığında, her girdi ve çıktı için mıknatıs varsayılan yönden ters durumda ise mıknatıslanmanın zıttına akım verebilen bir devre kurulabilir.

Bahsettiğimiz Bellek Hafızası (İng: "Core Memory"), transistörlerin bilgisayarlarda kullanılmaya başlaması ile çok kullanışlı olmadığı anlaşılarak çok fazla tercih edilen bir yöntem olmadı. Ardından bellek hafızalarının ve vakum tüplerinin yerini alan transistörlere dayanan işlemciler ve bellekler kullanılmaya başlanmıştır.