fizik laboratuvarı ıı föyü
advertisement
ANADOLU ÜNİVERSİTESİ FİZİK LABORATUVARI II FÖYÜ Yard. Doç. Dr. Abidin KILIÇ Doç. Dr. Özgür ALVER Araş. Gör. Özge BAĞLAYAN 1 ÖĞRENCİNİN ADI SOYADI :……………………………………………………….. NUMARASI :……………………………………………………….. FAKÜLTESİ :……………………………………………………….. BÖLÜMÜ :……………………………………………………….. DENEY DENEY DENEYİN YAPILDIĞI SIRA NO KODU TARİH F AÇIKLAMA/ONAY 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 İÇİNDEKİLER ÖLÇME ARAÇLARI 5 DENEY 1 İLETKEN YÜZEYLERDE YÜK DAĞILIMININ İNCELENMESİ 12 DENEY 2 DC ELEKTRİK DEVRELERİNDE OHM YASASI 19 DENEY 3 DİRENÇLERİN BAĞLANMASI 24 DENEY 4 WHEATSTONE KÖPRÜSÜ 31 DENEY 5 EMK VE İÇ DİRENCİN BULUNMASI 35 DENEY 6 AKIM GEÇİREN DOĞRUSAL BİR TELDEN KAYNAKLANAN MANYETİK ALAN 41 DENEY 7 BIOT-SAVART YASASI 45 DENEY 8 TRANSFORMATÖR 49 DENEY 9 ELEKTRİK ALAN VE DİNAMİK ETKİLERİ 55 DENEY 10 PARALEL LEVHALI KONDANSATÖR 57 3 NASIL ÇALILŞMALISINIZ? Fizik Laboratuvarında başarılı olmak için; 1. Laboratuvara gelmeden önce yapacağınız deneyle ilgili bilginizi artırmak için kaynaklara başvurun, araştırma yapın, 2. Bu föyün ilk bölümünü dikkatlice okuyun. Tüm deneylerde burada söz edilen bilgilere ihtiyacınız olacağını unutmayın, 3. Deneyden önce grup arkadaşlarınızla yapacağınız deney konusunda görüş alış verişinde bulunun, 4. Deneylerinizi yaparken bir plan çerçevesinde görev bölüşümü yapın, 5. Hesaplamalarınızı yanınızda getireceğiniz bir hesap makinesi yardımıyla yapın, 6. Grafiklerinizi çizerken özenli davranın ve bunu alışkanlık haline getirin, 7. Çalışmalarınız sırasında ihtiyaç duyduğunuzda görevlilerin yardımına başvurun ve onların bilgisi dışında cihazları kullanmayın, 8. Laboratuvardaki tüm araç ve gereçleri kullanırken özenli davranın ve dikkatli olun, 9. Deney sonuçlarınızı görevli öğretim elemanlarına onaylatın ve gerektiğinde görevli öğretim elemanı sizden deneyi tekrar yapmanızı istediğinde deneyi tekrarlayın. 10. Laboratuvardan ayrılmadan önce deney masanızı düzenli ve temiz bırakmaya özen gösterin. Çalışmalarınızda başarılar dileriz. 4 ÖLÇME ARAÇLARI Sıklıkla kullanılan ölçme aletlerinin, deney düzeneklerinde kullanımı ve AMAÇ göstergelerinin okunmasının sağlanması. Ampermetre GENEL BİLGİ Akım ölçmeye yarayan alete ampermetre denir. Ölçülecek olan akım, ampermetre içinden doğrudan geçmelidir. Bu nedenle de alet devreye seri olarak bağlanmalıdır. Bir ampermetre ile doğru akım ölçülmek isteniyorsa, akım, aygıtın pozitif ucundan girip, negatif ucundan çıkmalıdır. İdeal koşullarda ampermetrenin iç direncinin sıfır olması istenir. Ancak bu uygulamada pek de mümkün değildir. Bu nedenle devrede ampermetre bağlıyken okunan akım değeri gerçek değerinden çok az da olsa küçüktür. Voltmetre Potansiyel farkını ölçmeye yarayan alete voltmetre denir. Devredeki herhangi iki nokta arasındaki potansiyel farkı ölçmek için voltmetre devreye paralel bağlanır. Voltmetrenin pozitif ucu, direncin daha yüksek potansiyele sahip ucuna bağlanmalıdır. İdeal bir voltmetre, içinden akım geçirmeyecek kadar büyük bir dirence sahip olmalıdır. Uygulamada bu koşul sağlanamıyor ise, voltmetrenin bilinen direnci için düzeltme yapılmalıdır. Akım şiddeti ve potansiyel farkın her ikisini ölçebilen ölçme aletleri de vardır. Bunlara da multimetre (çokluölçer) adı verilmektedir. Bu tür ölçme aletleri akım, direnç ve potansiyel farkını birarada ölçebilmektedir. AMPERMETRE VE VOLTMETRENİN OKUNMASI Fizik II laboratuvarında iki tip multimetre vardır (Şekil 1). I. tip multimetrenin (Şekil 1.a) kullanımında kablo bağlantıları aşağıdaki şekilde yapılmalıdır: 5 DC akım şiddeti (doğru akım) için kablo bağlantısı a-c bağlantı yerlerinden yapılmalıdır. Multimetreyi akım şiddeti ölçmek amacıyla, ampermetre gibi kullanmak için, seçme anahtarını A anahtarını A konumuna getiriniz. Daha sonra seçme bölgesinde kalmak koşulu ile, en büyük değerden küçüğe doğru azaltınız. İbrenin anlaşılır bir şekilde konum aldığına karar verdiğinizde, seçme anahtarı 6 lık skalada ise (örneğin 0,6 ya da 0,06 gibi) 1. göstergenin 6 lık skala olan üst kısmını okuyunuz. a b c a b c d e 1. gösterge 1. gösterge 2. gösterge 2. gösterge 3. gösterge Seçme anahtarı Seçme anahtarı (a) (b) Şekil 1. (a) I. tip multimetre ve (b) II. tip multimetre DC potansiyel farkı (voltaj) için kablo bağlantısı a-c bağlantı yerlerinden yapılmalıdır. Multimetreyi voltmetre gibi, potansiyel farkı ölçmek amacıyla kullanmak için, seçme anahtarını V anahtarını V konumuna getiriniz. Daha sonra seçme bölgesinde kalmak koşulu ile, en büyük değerden küçüğe doğru azaltınız. İbrenin anlaşılır bir şekilde konum aldığına karar verdiğinizde, seçme anahtarı 6 lık skalada ise (örneğin 6 ya da 600 gibi) 1. göstergenin 6 lık skala olan üst kısmını, 3 lük skalada ise (örneğin 3 ya da 300 gibi) 1. göstergenin 3 lük skala olan alt kısmını okuyunuz. AC akım şiddeti (alternatif akım) için kablo bağlantısı a-c bağlantı yerlerinden yapılmalıdır. Multimetreyi ampermetre gibi, akım şiddeti ölçmek 6 amacıyla kullanmak için seçme anahtarını A konumuna getiriniz. Daha sonra seçme anahtarını A bölgesinde kalmak koşulu ile, en büyük değerden küçüğe doğru azaltınız. İbrenin anlaşılır bir şekilde konum aldığına karar verdiğinizde, seçme anahtarı 6 lık skalada ise (örneğin 0,6 ya da 0,06 gibi) 1. göstergenin 6 lık skala olan üst kısmını okuyunuz. AC potansiyel farkı (voltaj) için kablo bağlantısı a-c bağlantı yerlerinden yapılmalıdır. Multimetreyi voltmetre gibi potansiyel farkı ölçmek amacıyla kullanmak için, seçme anahtarını V konumuna getiriniz. Daha sonra seçme anahtarını V bölgesinde kalmak koşulu ile, en büyük değerden küçüğe doğru azaltınız. İbrenin anlaşılır bir şekilde konum aldığına karar verdiğinizde, seçme anahtarı 6 lık skalada ise (örneğin 6 ya da 600 gibi) 1. göstergenin 6 lık skala olan üst kısmını, 3 lük skalada ise (örneğin 3 ya da 300 gibi) 1. göstergenin 3 lük skala olan alt kısmını okuyunuz. Direnç değerini okumak için ise, bağlantılarınız a-b bağlantı noktalarında olmalıdır. Seçme anahtarını ise k konumuna getiriniz. 2. göstergeden direnç değerini kilo ohm cinsinden okuyabilirsiniz. II. tip multimetrenin (Şekil 1.b) kullanımında kablo bağlantıları aşağıdaki şekilde yapılmalıdır: DC akım şiddeti (doğru akım) için kablo bağlantısı a-e bağlantı yerlerinden yapılmalıdır. Multimetreyi ampermetre gibi akım şiddeti ölçmek amacıyla kullanmak için, seçme anahtarını A anahtarını A konumuna getiriniz. Daha sonra seçme bölgesinde kalmak koşulu ile, en büyük değerden küçüğe doğru azaltınız. İbrenin anlaşılır bir şekilde konum aldığına karar verdiğinizde, 1. göstergenin skalanın 15 birimlik alt kısmını okuyunuz. Ölçmeniz gereken akım şiddeti 15A den büyük ise, bağlantıları a-b bağlantı yerlerinden yapmalısınız. DC potansiyel farkı (voltaj) için kablo bağlantısı a-e bağlantı yerlerinden yapılmalıdır. Multimetreyi voltmetre gibi potansiyel farkı ölçmek amacıyla kullanmak için, seçme anahtarını V anahtarını V konumuna getiriniz. Daha sonra seçme bölgesinde kalmak koşulu ile, en büyük değerden küçüğe doğru azaltınız. İbrenin anlaşılır bir şekilde konum aldığına karar verdiğinizde, seçme anahtarı 5’ i (ya da 5 in10 luk katlarını) gösteriyor ise, 1. göstergenin 5 lık skala olan üst kısmını, 15’ i (ya da 15 in 10 luk katlarını) gösteriyor ise, 1. göstergenin 15 lik skala olan alt kısmını okuyunuz. 1000V dan daha büyük 7 potansiyel farkı ölçmeniz gerekiyor ise, bu durumda bağlantılarınızı, a-d bağlantı yerlerinden yapmalısınız. AC akım şiddeti (alternatif akım) için kablo bağlantısı a-e bağlantı yerlerinden yapılmalıdır. Multimetreyi ampermetre gibi akım şiddeti ölçmek amacıyla kullanmak için, seçme anahtarını A konumuna getiriniz. Daha sonra seçme anahtarını A bölgesinde kalmak koşulu ile, en büyük değerden küçüğe doğru azaltınız. İbrenin anlaşılır bir şekilde konum aldığına karar verdiğinizde, 2. göstergedeki skalanın 15 birimlik alt kısmını okuyunuz. Ölçmeniz gereken akım şiddeti 15A den büyük ise bağlantıları a-b bağlantı yerlerinden yapmalısınız. AC potansiyel farkı (voltaj) için kablo bağlantısı a-e bağlantı yerlerinden yapılmalıdır. Multimetreyi voltmetre gibi potansiyel farkı ölçmek amacıyla kullanmak için, seçme anahtarını V konumuna getiriniz. Daha sonra seçme anahtarını V bölgesinde kalmak koşulu ile, en büyük değerden küçüğe doğru azaltınız. İbrenin anlaşılır bir şekilde konum aldığına karar verdiğinizde, seçme anahtarı 5’ i (ya da 5 in 10 luk katlarını) gösteriyor ise, 2. göstergenin 5 lik skala olan üst kısmını, 15’ i (ya da 15 in 10 luk katlarını) gösteriyor ise, 2. göstergenin 15 lik skala olan alt kısmını okuyunuz. 1000V dan daha büyük potansiyel farkı ölçmeniz gerekiyor ise, bu durumda bağlantılarınızı, a-d bağlantı yerlerinden yapmalısınız. Direnç değerini okumak için ise, bağlantılarınız a-c bağlantı noktalarında olmalıdır. Seçme anahtarını ise konumuna getiriniz. 3. göstergeden direnç değerini ohm cinsinden okuyabilirsiniz. Galvanometre Galvanometre, voltmetre ve ampermetrenin yapımında kullanılan ana parçadır. D’Arsonval galvanometresi denilen ve çok karşılaşılan bir çeşit galvanometrenin ana hatları şekilde gösterilmiştir. Bir daimi mıknatıs tarafından sağlanan manyetik alan içerisindeki bir mil üzerinde serbestçe dönebilecek şekilde yerleştirilen, iletken tel bir bobinden üretilir. 8 Galvanometrenin temel çalışma ilkesi, bir manyetik alandaki akım ilmeği üzerine etki eden dönme momentidir. Bobinin etkisi altında kaldığı dönme momenti, üzerinden geçen akımla doğru orantılıdır. Ossiloskop Gerilimin çok yavaş değiştiği durumlarda bir doğru akım voltmetresi kullanılarak gerilimi zamanın fonksiyonu olarak ölçmek mümkündür. Ama gerilim değişikliği saniyenin kesri ölçüsünde hızlı olursa, aygıt göstergesinin devinimi gerilim değişikliğini izleyemez. Eğer hızlı değişen gerilimlerin dalga biçimi de elde edilmek isteniyorsa, çok daha çabuk tepki veren bir aygıt gerekecektir. Şekil 2. Galvanometre Ossiloskop böyle bir aygıttır. Ossiloskoplar fiziksel bilimlerde olduğu kadar biyoloji ve tıp bilimlerinde de çok kullanışlıdırlar. Şekil 3. Katod ışını tüpü Ossiloskobun gösterici aygıtının devinimli mekanizması yoktur. Yalnızca katod ışını tüpü denilen havası boşaltılmış geniş tabanlı özel bir tüpün içinde yüksek hızlarda hareket eden bir elektron demetinden yararlanılır. Bu katod ışını tüpünün ana parçaları Şekil 3’ te gösterilmiştir. Kızgın bir katodun püskürttüğü elektronlar hızlandırılırlar ve bir noktada odaklanırlar. Demetteki elektronlar havası boşaltılmış cam borunun tabanındaki cam ekrana vuruncaya dek özgürce hareket ederler. Ekran, elektron demeti vuruşu ile ışıldayan, ışınır bir madde ile kaplanmıştır. Böylece lambanın cam tabanının iç yüzündeki ışınır ekranın ortasında dıştan görülebilen, küçük, parlak bir benek elde edilir. 9 Demetin, Şekil 4’ te gösterilen ve saptırıcı yapraklar denen iki çift metal levha ile yörüngesi saptırılabilir. Her yaprak çifti arasına uygulanan bir gerilim farkı demet doğrultusuna dik bir elektrik alanı oluşturur ve sonuç olarak elektronlara etkiyen kuvvet yörüngeyi büker. Böylece demetin perdeye vurduğu yer değişebilir. Aslında levhalar uygun biçimde tasarlanmış iseler sapma, yapraklara uygulanan gerilimle orantılıdır. Genel olarak demetin ekranın kenarına kadar sapması için 200V’ luk bir gerilim uygulanması gerekir. Şekil 4. Elektron demetinin saptırılması Elektron yörüngesinin her yaprak çifti arasında kalan kısmı ( d ), çoğu zaman 2 cm kadar, demetin toplam yolu ( d D ) ise 30 cm civarındadır. Buna göre bir elektronun saptırıcı yapraklar arasını aşma süresi 2.10-9 s ve toplam yolu alma süresi ise 30.10-9 s kadardır. O halde bu aygıt gerilim değişikliğine aşırı derecede uyma yeteneğindedir ve 100 MHz civarındaki sıklıklara dek kullanılabilmesi beklenir. Ossiloskoptaki temel düşünce, elektron borusundaki elektron demetinin sapmasını bir gerilim göstericisi olarak kullanmaktır. Perdedeki ışıklı beneğin kayması saptırıcı sığanın levhalarındaki gerilim ile orantılıdır. Üstelik bir elektronun boru içindeki uçuş süresi 10-8 s mertebesinde olduğundan elektron demetinin saptırıcı gerilimdeki bir değişime yanıtı çabuk olur. Bu nedenle perdedeki ışıklı beneğin son derece hızlı olan hareketi gözle izlenemez. Bu güçlük, saptırıcı metal yaprakların her iki çiftinin de kullanılması ile ortadan kaldırılır. Gözlenecek V(t) gerilimi ya doğrudan, ya da elektronik yükseltmeden 10 sonra düşey saptırıcılara uygulanırken, yatay saptırıcı levhalara da zamanla düzgün olarak artan bir gerilim uygulanır. Buna göre demetin düşey sapması uygulanan gerilim ile, yatay sapması da zamanla orantılı olur. Böylece ışıklı Düşey eksen Gerilim (V) benek, V’ nin değişimini t’ nin fonksiyonu olarak ekrana yansıtılır (Şekil 5). Yatay eksen Zaman (t) Şekil 5. Ossiloskop ekranı Çıkan iz çok kısa zamanda bile olsa görüntü tıpkı bir fluoresan lambanın güç kesildikten kısa bir süre ışıldamayı sürdürmesi gibi, bir süre ekranda kalır. Ekrandaki ize gözle bakılarak daha ayrıntılı bir inceleme yapılabilir. Katod ışını ossiloskobunu oluşturan birimlerin temel işleyiş birimleri şöyle özetlenebilir: Katod-ışını tüpü : Bu gösterici bir aygıttır. Elektron tabancası, saptırıcı plakalar ve elektron demetinin vurduğu yerin gözle görülebilmesini sağlayan bir ekrandan oluşur. Güç kaynağı: Bu aygıt elektron tabancasının katodunu ısıtarak elektron yayımını sağlayacak gerilimi ve saptırıcı plakalara uygulanacak gerilimi temin eder. Hızlandırma gerilimleri genellikle 2000V basamağında ise de, 10000V yakınında olanları da vardır. Televizyon görüntü lambalarında 15000V’ dan 20000V’ a kadar hızlandırma gerilimleri kullanılır. Süpürücü Gerilim Üreteci : Süpürücü gerilim üreteci, değişebilen sıklıkta Şekil 6’ daki gibi “testere dişli” süpürücü gerilimi vermeli ve bu gerilim yinelenen bir gerilim girdisi ile eş-zamanlı kılınabilmelidir. 11 V t T 2 T 3 T 4 5 T T Şekil 6. Testere dişli gerilim Sinyal Yükselteçleri: Tüm ekran boyunca elektronların sapmasını sağlamak için yaklaşık 200 V gerekir. 0,1 V gibi gerilimleri göstermek için saptırıcı gerilim yükseltilmelidir. Bu yükseltimler birkaç binin üzerinde bir gerilim kazancı sağlamalıdır. Ossiloskobun işletim şeması Şekil 7’ de kutular halinde gösterilmiştir. Yükselteç Güç Kaynağı Sinyal girişi Testere dişi gerilimi Katot ışını tüpü Şekil 7. İşletim şeması Ossiloskop ekranında elde edilen bir görüntü Şekil 8’ de örnek olarak verilmiştir. Şekil 8. Ossiloskop ekranında elde edilen bir sinyal 12 DENEY 1 İLETKEN YÜZEYLERDE YÜK DAĞILIMININ İNCELENMESİ AMAÇ 1. Elektrostatik dengedeki elektrik yüklerinin bir iletkende yalnız dış yüzeyde toplandığının faraday kabı kullanılarak gösterilmesi 2. Yüzeysel yük yoğunluğunun eğrilik yarıçapına bağlılığının incelenmesi. İpeğe sürtülmüş bir cam çubuk ebonit çubuğa doğru yaklaştırıldığında, ebonit çubuk GENEL BİLGİ cam çubuğa doğru çekilir. Öte yandan yüklü iki ebonit çubuk (veya yüklü iki cam çubuk) birbirlerine yaklaştırıldığında birbirini iter. Bu gözlemlerden ebonit ve camın farklı iki elektriklenme durumunda bulundukları anlaşılır. Aynı cins elektrik yükleri birbirlerini iterlerken, zıt işaretli elektrik yükleri birbirlerini çekerler. Cam çubuktaki elektrik yüküne artı ebonit çubuktakine eksi denilir. Şekil 1.1. İletken yüzeylerde yük dağılımının incelenmesi deney düzeneği 13 Elektrik yükleri daima korunur. Bir cisim diğerine sürtüldüğünde yük oluşmaz. Elektriklenme yüklerin bir cisimden diğerine geçmesiyle meydana gelir. Böylece cisimlerden biri bir miktar eksi yükle yüklenmişken, diğeri aynı miktar artı yükle yüklenir. Örneğin, bir cam çubuk ipeğe sürtüldüğünde, ipek, cam çubuktaki artı yüke eşit miktarda eksi yük kazanır. Sürtünmeyle camdan ipeğe geçenler eksi yüklü elektronlardır. Elektrik yükü daima bir temel e yük biriminin tam katları halinde bulunur. q yükü kuantumlanmıştır. Elektron –e yüküne, proton ise buna eşit büyüklükte zıt işaretli bir yüke sahiptir. Yükler arasındaki elektriksel kuvvet F 1/ r 2 şeklinde aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Kısaca özetlersek elektrik yükü aşağıdaki önemli özelliklere sahiptir. 1. Doğada iki tür yük bulunmaktadır. Benzer olanlar birbirlerini iterler, farklı olanlar ise birbirlerini çekerler, 2. Yükler arasındaki kuvvet, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak değişir, 3. Yük korunumludur, 4. Yük kuantumludur. Yüklü bir cisim bir iletkene yaklaştırıldığında yüklerin ayrılmasına neden olur. Bu olaya elektrostatik indüksiyon (etkiyle elektriklenme) denir. Etki ile elektriklenmede yüklü cisim ile nötr cisim birbirine dokunmadığından aralarında elektron alışverişi olmaz. Yalnız nötr cismin elektronları yer değiştirir. Yüklü cisim uzaklaştırılırsa elektronlar tekrar eski haline döner. Sürtünme ile elektriklenmede cisimler zıt yükle, dokunma ile elektriklenmede ise aynı yükle yüklenirler. Etki ile elektriklenmede yakın uç zıt, uzak uç ise aynı cins elektrik yükü ile yüklenir. ÇALIŞMA SORULARI Nötr (yüksüz) bir cisim, hangi yollarla yüklü bir cisim yapılabilir? Açıklayınız. Faraday kabı nedir? Yüzeysel yük yoğunluğu nedir? Dış yüzey üzerindeki yük dağılımı nelere bağlıdır? İletken bir cismin civarında başka iletkenler varsa, kuvvet çizgileri nasıl bir görünüm alırlar? Açıklayınız. Hava içinde bulunan bir iletken ne kadar yüklenebilir? Bir iletkenin hangi koşullarda yüklü kalması sürdürebilir? Elektriksel basınç nedir? Açıklayınız. 14 Amplifikatör, Yük Ölçer Yüksek Voltaj Güç Kaynağı Ölçüm Direnci, 1M Ölçüm Direnci, 100M Faraday Kabı Konik İletken Yalıtkan Çubuklu Metal Levha ARAÇ VE GEREÇLER DENEYİN YAPILIŞI 1) Şekil 1.1’ deki gibi düzeneği kurunuz. Amplifikatör ölçüm miktarını 10-9C’a ayarlayınız. Amplifikatörü, yük ölçme aletinde 1V değerini gösteren kısma takınız. 2) Silindirik Faraday kabına yaklaşık 2kV’ luk voltaj uygulayınız. Silindirik Faraday kabının dışına yalıtkan çubuk üzerindeki metal levha ile dokununuz. Bunu yaparken amplifikatörden ölçümü gözleyip, Çizelge 1.1’ e yazınız. 3) Amplifikatördeki ölçüm düğmesini Şekil 1.2 Faraday kabında yük tayini işlemi çalıştırarak, iki ölçüm aleti arasındaki bağlantıyı kurunuz. Silindirik Faraday kabının içine, ucuına ve kenarına metal levha ile dokunup, fiş ucunda boşalma olurken yük ölçerin göstergesini dikkatlice gözleyiniz. Bulduğunuz bu değerleri Çizelge 1.1’ de yerine yazınız. NOT: Yalıtkan çubuk yüklü olmamalıdır. 4) Şekil 1.2’ deki düzeneğe konik iletkeni yerleştirerek, Şekil 1.3’ ü elde ediniz. Ölçüm amplifikatörünü 10-9C Şekil 1.3. Konik iletkenin yerleştirilmesi. a ayarlayınız ve ölçüm aletini 3V’ a 15 getiriniz. Metal levha ile konik iletkenin uç kısmına, kenarına ve iç kısmına dokununuz. Her durumda, metal levha ile karşı uca dokununuz, bunu yaptıktan sonra yük ölçerdeki değerleri Çizelge 1.1’ e yazınız. NOT: Her ölçüme başlamadan önce, ölçüm amplifikatörünü sıfırlamayı unutmayınız. VERİLER VE HESAPLAMALAR Çizelge 1.1. Yük dağılımı tablosu. YÜK(C) YÜK(C) silindir koni Uç Kenar İç çeper DENEYİN YORUMU …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. imza Görevli Öğretim Elemanı 16 ÇALIŞMA KAYNAKLARI 1. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 2. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 3. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 17 18 DENEY 2 DC ELEKTRİK DEVRELERİNDE OHM YASASI Bu deneyin amacı, Ohm Yasası’nı doğrulamak ve bu yasayı uygulayarak dirençten AMAÇ geçen akım ile iki ucu arasındaki potansiyel farkın değerini bulmaktır. GENEL BİLGİ Bir maddeden elektrik akımının kolay ya da zor geçmesi, bu maddenin iç yapısına bağlıdır. Saf metallerde akım şiddetinin elektrik alanla doğru orantılı olduğu deneysel olarak bilinmektedir. Dolayısıyla bu aynı zamanda akım şiddetinin saf metalin iki ucu arasına uygulanan potansiyel farkıyla da doğru orantılı olduğu anlamına gelir. R bir orantı sabiti olmak üzere, (2.1) VR I şeklinde ifade edilir. Orantı sabiti olan R, iletkenin direncidir. Bir çok saf metal için geçerli olan bu ifade Ohm yasası olarak adlandırılır. SI birim sisteminde direncin birimi ohm () dur: Volt Amper I Bu tanıma göre, bir iletkenin iki ucu arasında 1V luk bir potansiyel farkı uygulandığında 1A lık bir akım oluşuyorsa, + A V (volt) ohm + V - R iletkenin direnci 1 dur. + V - Şekil 2.1’ deki gibi bir R direncinin uçlarına I (amper) akım meydana getiren bir potansiyel farkı uygulanabilir. Böylece, devreden geçen akım bir potansiyel ampermetre, farkı ise bir Şekil 2.1. R dirençli basit bir devre uygulanan Şekil 2.2. Bir direncin I-V grafiği voltmetre yardımıyla okunabilir. Ohm yasasına uyan maddelere omik maddeler, uymayan maddelere ise omik olmayan maddeler denir. Ohm yasası yalnız bir iletken parçası için değil, doğru akım ileten bir iletkenler sistemi veya bir devre için de doğrudur. 19 Bir iletkenin direnci, bu iletkenin uzunluğuna ve kesit alanı ile de orantılıdır. L iletkenin uzunluğu, S yüzey kesit alanı olmak üzere, R L S (2.2) eşitliği yazılabilir. Bu eşitlikle bir orantı sabitidir ve özdirenç olarak adlandırılır. Her maddeye göre farklı değerler alır. SI birim sisteminde birimi m dir. Bakır gibi omik maddeler, uygulanan geniş bir voltaj aralığında lineer bir akım-voltaj ilişkisine sahiptirler (Şekil 2.2). Bu grafiğin eğimi R direnci için bir değer verir. İletkenlerin direnci sıcaklıkla değişir. Metallerin direnci sıcaklıkla artar. Bir metal telin direnci, sınırlı bir sıcaklık aralığında, R R o 1 (T To ) (2.3) eşitliğine uygun olarak değişir. Burada R, T (oC cinsinden) sıcaklığındaki direnç, R o ise To referans sıcaklığındaki (genellikle 20oC olarak alınır) dirençtir. da direncin sıcaklıkla değişim katsayısıdır. Mutlak sıfır noktasına yakın sıcaklıklarda çoğu maddenin özdirenci (dolayısıyla direnci) çok küçük olmakla birlikte sıfır değildir. ÇALIŞMA SORULARI 1.Potansiyel farkı ve akım şiddetini tanımlayınız. Bu iki büyüklüğün SI birim sistemindeki birimlerini söyleyiniz. 2.Direnç nedir? Bir devrede direnç ne amaçla kullanılır? 3.Özdirenç ve öziletkenlik kavramlarını tanımlayınız. 4.Ortamın sıcaklığının dirence etkisi var mıdır? 5.Direnç nelere bağlıdır? Açıklayınız. 6.Voltmetre, ampermetre nedir? Devreye nasıl bağlandığını açıklayınız. 7.Ohm yasasına uymayan malzemeler var mıdır? Örnek vererek, açıklayınız. 8.Bir iletkenin direnci onun özdirencine, uzunluğuna ve kesitine nasıl bağlıdır? 9.Bir maddenin elektriksel iletkenliği ile ısı iletkenliği arasında nasıl bir ilişki vardır? ARAÇ VE GEREÇLER 1 Adet Düşük Voltaj Transformatörü 2 Adet Multimetre 1 Adet Direnç Köprüsü Düzeneği Bağlantı Kabloları 20 1) Deney düzeneği, 1 metre uzunluğunda ve 0,35 mm’den başlayan 4 farklı çapta DENEYİN YAPILIŞI olmak üzere 5 adet konstantan (%45Ni ve %55Cu’ dan oluşan bir alaşım) ve bir adet 0,50 mm çaplı pirinç (messing) tellerinden oluşmaktadır. 2) Her bir konstantan teli için voltaj 0,4 V’ luk ve pirinç tel için 0,1 V’ luk adımlarla arttırılarak ilgili akım değerleri okunur ve tablolara yazılır. Her bir tablodaki değerlerle akımın fonksiyonu olarak voltaj grafiği çizilir (akımın değişken olduğuna dikkat ediniz). I-V ölçüm sonuçlarından ve I-V grafiğinden dirençler hesaplanır. Ayrıca multimetre ile telin gerçek değeri ölçülür. Bulunan bu üç farklı direnç kıyaslanır. Her tel için aynı işlem yapılır. VERİLER VE HESAPLAMALAR Konstantan 0.35 için Voltaj (V) 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 Akım (A) Direnç (ohm) Direnç (ohm), deneysel Direnç (ohm), ölçülen Direnç (ohm), grafikten Konstantan 0.50 için Voltaj (V) Akım (A) 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 Direnç (ohm) Direnç (ohm), deneysel Direnç (ohm), ölçülen Direnç (ohm), grafikten 21 Konstantan 0.70 için Voltaj (V) 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 Akım (A) Direnç (ohm) Direnç (ohm), deneysel Direnç (ohm), ölçülen Direnç (ohm), grafikten Konstantan 1.00 için Voltaj (V) 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 Akım (A) Direnç (ohm) Direnç (ohm), deneysel Direnç (ohm), ölçülen Direnç (ohm), grafikten Pirinç 0.50 için Voltaj (V) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Akım (A) Direnç (ohm) Direnç (ohm), deneysel Direnç (ohm), ölçülen Direnç (ohm), grafikten 22 DENEYİN YORUMU …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. imza Görevli Öğretim Elemanı 4. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, ÇALIŞMA KAYNAKLARI M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 5. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 6. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 23 24 DENEY 3 DİRENÇLERİN BAĞLANMASI AMAÇ Bu deneyin amacı, seri ve paralel bağlı dirençlerin eşdeğer direncinin bulunması ve her bir direnç üzerindeki potansiyel farkının belirlenmesidir. GENEL BİLGİ Direnç, "bir güce karşı olan direnme" olarak tanımlanabilir. Elektrik ve elektronikte direnç, iki ucu arasına potansiyel farkı uygulanan bir maddenin akıma karşı gösterdiği direnme özelliğidir. Kısaca; elektrik akımına gösterilen zorluğa “direnç” denir. Direnç"R" ile gösterilir ve birimi ohm (Ω) dur. Birçok elektrik devresinde , devrenin çeşitli kısımlarındaki akım seviyesini kontrol etmek için direnç (resistör) adı verilen aygıt kullanılır. Tost makinası, ısıtıcı ve elektrik ampulü gibi tüm elektrikli aletler sabit bir dirence sahiptirler. Dirençlerin iki yaygın tipi vardır. Bunlar, karbon ihtiva eden “kompozit” dirençler (ki bunlar yarıiletkendirler) ve bobin şeklinde sarılan “tel sargılı” dirençlerdir. Dirençler seri ve paralel olmak üzere iki farklı şekilde bağlanabilir. Dirençlerin seri bağlanması durumunda, eşdeğer direnç değeri her zaman devredeki en yüksek direnç değerinden büyük olmaktadır. Paralel bağlanma durumunda ise eşdeğer direnç değeri en küçük direnç değerinden daha küçüktür. Dirençler seri ve paralel olmak üzere iki farklı şekilde bağlanabilir. Seri bağlama: n tane direnç birbiriyle Şekil 3.1.a’ daki gibi birer noktaları ortak olacak şekilde bağlanmasına seri bağlama denir. Dirençlerin bu şekilde bağlanması halinde ; Her bir direnç üzerinden aynı I akımının geçeceği ve X1 ve Xn+1 noktaları arasındaki potansiyel farkının, tüm ardışık noktalar arası potansiyel farklarının toplamına eşit olacağı söylenebilir. O halde X 1 ve Xn+1 noktaları arasındaki potansiyel farkı; VX1Xn 1 VX1X2 VX2X3 ... VXn Xn 1 VX1Xn 1 IR1 IR 2 ... IR n VX1Xn 1 IR 1 R 2 ... R n 25 V + - ... Xn R2 R1 I2 R2 I1 R1 ... X3 Rn ... X2 X1 In Xn+1 Rn I I + (a) V (b) Şekil 3.1 (a) Seri bağlı ve (b) paralel bağlı dirençler şeklinde yazılabilir. Bu yüzden seri bağlı n tane direncin eşdeğeri; R eş R 1 R 2 ... R n (3.2) olur. Paralel bağlama: n tane direncin Şekil 3.1.b’ deki gibi ikişer noktaları ortak olacak şekilde bağlanmasına paralel bağlanma denir. Dirençlerin bu şekilde bağlanması halinde ; Her bir direncin uçları arasındaki V potansiyel farkının aynı olacağı, Ana koldaki I akımının, dirençlerden geçen akımların toplamına eşit olduğu söylenebilir. O halde I I1 I 2 ... I n I 1 V V V 1 1 ... V ... R1 R 2 Rn R R R 2 n 1 yazılabilir. Böylece n tane direncin eşdeğeri ise 1 1 1 1 ... R eş R 1 R 2 Rn (3.3) olur. 26 ÇALIŞMA SORULARI 1. Potansiyel farkı ve akım şiddetini tanımlayınız. Bu iki büyüklüğün SI sistemindeki birimleri nedir? 2. Direnç nedir? Bir devrede direnç ne amaçla kullanılır? 3. Dirençler kaç şekilde birbirine bağlanabilir? Bu durumlarda devrenin direnci nasıl değişir? 4. Ortamın sıcaklığının dirence etkisi var mıdır? 5. Voltmetre, ampermetre nedir? Devreye nasıl bağlandığını nedeniyle açıklayınız. 6. Seri bağlı dirençlerden oluşan bir devrede, her bir direnç üzerindeki akım ve potansiyel farkı nasıl değişir? 7. Paralel bağlı dirençlerden oluşan bir devrede, her bir direnç üzerindeki akım ve potansiyel farkı nasıl değişir? 8. Ohm yasası nedir? Kısaca açıklayınız. 1 Adet DC Güç Kaynağı Voltmetre Ampermetre 3 adet Direnç Bağlantı Kabloları ARAÇ VE GEREÇLER DENEYİN YAPILIŞI Direnç tayini: 1) Şekil 3.2 ’deki gibi bir R direncinin uçlarına akım meydana getiren bir potansiyel farkı uygulanabilir. Böylece, devreden geçen akım bir ampermetre, uygulanan potansiyel farkı ise bir voltmetre yardımıyla okunabilir. Voltaj değerlerine karşılık elde edilen akım değerleri Çizelge 3.1’ e kaydedilir. I + A - + V - R + V - Şekil 3.2 R dirençli basit bir devre 27 2) Her bir voltaj değerine karşılık gelen direnç hesaplanıp, Çizelge 3.1’ e kaydedilir. 3) Akım-voltaj grafiği çizilir. Bu grafik yardımıyla hesaplanan direnç değeri Çizelge 3.1’ e kaydedilir. Seri bağlama: 1) Şekil 3.3.a’ da verilen 3 adet dirençten oluşan deney düzeneği kurulur. Devrenin eşdeğer direnci ohmmetre yardımıyla ölçülür ve Çizelge 3.2’ ye kaydedilir. 2) Düzenekten yararlanarak her bir direnç üzerindeki ve ana koldaki potansiyel farkları Çizelge 3.2.’ ye kaydedilir. 3) Ana koldan geçen akım değeri ampermetre yardımıyla ölçülür. Ana koldaki potansiyel farkı ve akım değerinden yararlanarak, eşdeğer direnç hesaplanır, Çizelge 3.2.’ ye kaydedilir. R R + V R R R R - A I A + V (a) (b) Şekil 3.3 . (a) Seri bağlama ve (b) paralel bağlama Paralel bağlama: 1) Şekil 3.3.b’ de verilen 3 adet dirençten oluşan deney düzeneği kurulur. Devrenin eşdeğer direnci ohmmetre yardımıyla ölçülür ve Çizelge 3.3’ e kaydedilir. 2) Düzenekten yararlanarak her bir direnç üzerindeki ve ana koldaki potansiyel farkları Çizelge 3.3.’ e kaydedilir. 4) Ana koldan geçen akım değeri ampermetre yardımıyla ölçülür. Ana koldaki potansiyel farkı ve akım değerinden yararlanarak, eşdeğer direnç hesaplanır, Çizelge 3.3.’ e kaydedilir. 28 VERİLER VE HESAPLAMALAR Çizelge3.1. Voltaj–akım değerleri Voltaj (V) 1 2 3 4 5 Akım (A) Direnç (ohm) Direnç (ohm), grafikten Çizelge 3.2. Seri bağlama Direnç (ohm), ölçülen R1= R2= R3= Reş = Voltaj (V) V1= V2= V3= Vtop= Akım (A) I= Direnç (ohm), hesaplanan Reş= Direnç (ohm), deneysel Reş= Çizelge 3.3. Paralel bağlama Direnç (ohm), ölçülen R1= R2= R3= Reş = Voltaj (V) V1= V2= V3= Vtop= Akım (A) I= Direnç (ohm), hesaplanan Reş= Direnç (ohm), deneysel …………………………………………………………………………………… Reş= DENEYİN YORUMU …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. imza Görevli Öğretim Elemanı 29 ÇALIŞMA KAYNAKLARI 1. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 2. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 3. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 30 DENEY 4 WHEATSTONE KÖPRÜSÜ AMAÇ Bilinmeyen bir direncin değerinin, bir köprü devresi kullanılarak hesaplanması. GENEL BİLGİ Wheatstone köprüsü, bilinmeyen dirençleri, bilinen dirençler vasıtasıyla bulmaya yarayan bir elektrik devresidir. Deney düzeneği, bilinmeyen Rx direnci, bilinen R1, R2 ve R3 dirençleri (burada R1 kalibre a edilmiş değişken bir direnç), galvanometre ve bir emk kaynağından ibarettir. Wheatstone köprüsünün çalışma prensibi oldukça basittir: Şekilde gösterildiği gibi devre R1 R3 G kurulduktan sonra, R1 direnci, ampermetre sıfır akımını gösterene kadar değiştirilir. Bu a ve b arasındaki potansiyel farkının sıfır olması anlamına gelir. Bu şartlar oluşunca köprü kurulmuş demektir. Köprü kurulduğunda, R2 Rx a b noktasındaki potansiyel b noktasındaki potansiyele eşit olduğundan, R1’in uçlarındaki potansiyel farkı, R2’nin uçlarındaki potansiyel farkına eşit olur. Benzer şekilde, R3’ün uçlarındaki potansiyel farkı, Rx’in uçlarındaki Şekil 4.1. Wheatstone Köprüsü Şeması potansiyel farkına eşit olmalıdır. Bundan dolayı, V1=V2 I1R1=I2R2 (4.1) I1R3=I2Rx (4.2) ve benzer şekilde, V3=VX olur.Eş.(4.1) ile Eş.(4.2) taraf tarafa oranlanırsa , R1 R 2 R3 Rx (4.3) bulunur.Buradan da Rx, Rx R 2R 3 R1 (4.4) bulunur. Şekil 4.1’ deki Wheatstone köprüsü deney düzeneğinde; L 1 ve L2 ,sırasıyla R1 ve R2 dirençlerinin uzunlukları olmak üzere; 31 R 2 L2 R 1 L1 (4.5) yazılabilir. Yukarıdaki eşitlikte bu denklemleri yerleştirsek, Rx L2 R3 L1 (4.6) bulunur. ÇALIŞMA SORULARI 1. Omik direnç nedir açıklayınız. 2. Galvanometre nedir? 3. ab noktaları arasından geçen akımın sıfır olmasının anlamı nedir? 4. Kirchhoff yasalarını açıklayınız. 5. Bir iletkenin direnci nelere bağlıdır açıklayınız. 6. Alternatif akım kullanılarak bu deney yapılabilir mi? 7. Kirchhoff yasalarında saklı iki korunum yasası vardır. Bunlar nelerdir? Voltaj Kaynağı Multimetre 10 ohm’ luk direnç Demostrasyon Köprüsü Direnç Kutusu (1-110 ohm ) Bağlantı Kabloları ARAÇ VE GEREÇLER DENEYİN YAPILIŞI 1) Voltaj kaynağını 0,9V potansiyel farkı oluşacak şekilde ayarlayınız. 2) Burada Rx tayin edilecek dirençtir. R1=10 ohm dur. 3) Köprü üzerinde (a-b arasında) hiç bir akım geçmeyene kadar köprünün sürgüsünü hareket ettiriniz. İbre sıfırı gösterdiğinde L1 ve L2 değerleri okuyunuz. 4) Eşitlik (4.6)’ da, L1 ve L2 değerlerini yerine yazarak bilinmeyen Rx direnç değerini hesaplayınız. 5) Benzer şekilde 4 adet bilinmeyen direnç değeri için aynı işlemleri tekrarlayınız. Bulduğunuz bütün değerleri Çizelge 4.1’ e yazınız. 32 VERİLER VE HESAPLAMALAR Çizelge 4.1. L1 L2 Rx L1 R1 L2 Rx1= Rx2= Rx3= Rx4= Rx5= DENEYİN YORUMU …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. imza Görevli Öğretim Elemanı 33 ÇALIŞMA KAYNAKLARI 1. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 2. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 3. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 34 DENEY 5 EMK VE İÇ DİRENCİN BULUNMASI AMAÇ Bir pilin elektromotor kuvvetinin ölçülmesi ve iç direncinin hesaplanması. Birim elektrik yükünü, elektrik alanın bir noktasından diğer bir noktasına herhangi bir GENEL BİLGİ yolla götürmek için elektriksel kuvvetlere karşı yapılması gereken işe bu iki nokta arasındaki potansiyel farkı denir. Potansiyel farkı, birim yük başına enerjinin bir ölçüsü olduğundan, potansiyelin SI birim sistemindeki birimi coulomb (C) başına joule (J)’ dür ve kısaca volt (V) olarak iletkende adlandırılır. elektrik Bir akımının oluşabilmesi için, iletkenin iki ucu arasında bir potansiyel farkı bulunması gerekir. Bu potansiyel farkı nedeniyle elektrik yükleri belirli bir yönde hareket ederek, elektrik akımını oluştururlar. Bir iletkenin herhangi bir dik kesitinden birim zamanda geçen yük miktarına akım şiddeti denir. Şekil 5.1. emk ve iç direncin bulunması deney düzeneği SI birim sisteminde, akım şiddeti birimi amper (A)’ dir. Bağlandıkları iki nokta arasında bir potansiyel farkı oluşturan yani elektriksel enerji sağlayan batarya, akümülatör, dinamo gibi aletlere elektromotor kuvvet kaynağı (emk) denir. Emk kaynağını bir ‘yük pompası’ olarak düşünebiliriz. Öyle ki bu yük pompası, kaynak içindeki elektronları, onlara etki eden elektrostatik kuvvetin tersi yönde harekete zorlamaktadır. Bir kaynağın emk’ sı , birim yük başına iş olarak tanımlanır ve emk’ nın SI birim sistemindeki birimi volt (V)’ tur. Şekil 5.1’ de bir R direncine bağlı bir bataryadan oluşan basit bir devre fotoğrafı görülmektedir. Burada bağlantı kablolarının direncinin ihmal edildiğini kabul edeceğiz. Bataryanın pozitif ucu, negatif ucundan daha yüksek potansiyele sahiptir. Eğer bataryanın iç direnci ihmal edilirse, bataryanın uçları arasındaki potansiyel farkı (çıkış voltajı), onun emk’ sına eşit olurdu. Gerçekte bataryalar her zaman r ile gösterdiğimiz 35 bir iç dirence sahiptirler. Bu yüzden bataryanın çıkış a - voltajı emk’ sına eşit değildir. Şekil 5.2’ de noktalı r + çizgilerle gösterilen dikdörtgen içerisindeki batarya, b emk kaynağına seri bağlı olan r iç direnci ile birlikte temsil edilmektedir. Şekil 5.1’ deki devrede I I d R c a noktasından b noktasına pozitif bir yükün hareket ettiğini düşünelim. Yük bataryanın negatif ucundan pozitif ucuna geçtiğinde, onun potansiyeli kadar Şekil 5.2. Dirence bağlı bir bataryanın basit devre artar. Fakat yük bataryanın r iç direncinden şeması geçerken potansiyeli Ir kadar azalır. Böylece bataryanın uçları arasındaki V=Vb–Va voltajı, V=-Ir (5.1) olur. Bu ifadeye göre gerçek bir bataryanın çıkış voltajı, Bu bataryanın emk’ inden daha küçüktür. Şekil 5.1’ den görebileceğimiz gibi çıkış voltajı V aynı zamanda R direncinin uçları arasındaki potansiyel farkına yani IR’ ye eşittir. Bu R dış dirence genellikle yük direnci denir. Direncin, SI birim sistemindeki birimi ohm ()’ dur. O halde yukarıdaki denklemi , IR=-Ir (5.2) =IR+Ir (5.3) yazabiliriz. Buna göre devreden geçen akım, I= ε Rr (5.4) olacaktır. Görüldüğü gibi akım, bataryanın r iç direncine ve R dış direncine bağlıdır. Yük direnci R, iç direnç r’ den çok büyükse hesaplarda r’ yi ihmal edebiliriz. Yukarıda verilen denklem (5.1)’ den iç direnç r’ yi çözersek, V Ir r εV I (5.5) elde ederiz. ÇALIŞMA SORULARI 1. emk kaynağı nedir? 2. Bataryanın terminal voltajı ne zaman emk’ ine eşittir? 3. Potansiyel farkı ve direnci tanımlayınız. 4. Ohm Kanununu tanımlayınız. 5. Özdirenç nedir? Sıcaklıkla nasıl değişir? 36 6. Batarya tarafından sağlanan emk’ inin yönü batarya içinden geçen akıma bağlı mıdır? 7. Hangi durumlarda bir bataryanın uçları arasındaki potansiyel farkı emk’ den büyük olabilir? İç direnci r ve emk’ i olan bir bataryadan geçen akım dış etkilerle azaltılmıştır. Bu 8. durumda bataryanın uçları arasındaki potansiyel farkı azalır mı artar mı? Açıklayınız. ARAÇ VE GEREÇLER Pil (1,5V) DC Güç Kaynağı Voltmetre Ampermetre Anahtar (2 adet) Reosta 1m Direnç Teli ve Metre Çubuğu Bağlantı Kablosu ve Krokodil. DENEYİN YAPILIŞI emk ölçümü: 1) Şekil 5.2’ de metre çubuk üstüne kıskaçlar arasına gerilen direnç teli, K1 anahtarı ve güç kaynağının oluşturduğu devre görülmektedir (K 1 açıktır). Anahtar K2, emk’ i ölçülecek olan pil (P) ve ampermetre (A) den oluşan düzenek ise emk’ i ölçülecek olan pil devresini göstermektedir. 2) Önce K1 sonra K2 anahtarını kapatınız. Pilin negatif kutbuna bağlı olan kablonun ucu gerili tel üzerinde göstergesinin gezdirilerek sapmadığı ampermetre (akım geçmediği) noktayı bulunuz. Sonra anahtarları açıp akımı kesiniz. Denge noktasına gelindiğinde Şekil 5.2. emk’ i ölçülecek pilin devre şeması L1 uzunluğunu ölçünüz. Telin boyu L=L1+L2= 1m dir. Voltmetreden V=Vab değeri okunur. 3) Bu değerler, εV L1 L (5.6) 37 (V=Vab) eşitliğinde yerine yazılıp pilin emk’ i hesaplayınız. Bu işlemi üç kez tekrarlayarak, + ortalama emk () bulunuz. Alınan ölçümleri - Çizelge 5.1’ e kaydediniz. İç direnç ölçümü: V 1) Reosta, anahtar, emk kaynağı, voltmetre ve ampermetre kullanılarak Şekil 5.3’ deki K A Reosta devreyi kurunuz. 2) Anahtarı kapatınız. Reostanın sürgüsünü Şekil 5.3. Emk kaynağının devre şeması hareket ettirerek devreden belli bir akım geçmesini sağlayınız ve bu akım şiddetini ampermetreden okuyunuz. 3) Akımın bu değeri için emk kaynağının kutupları arasındaki potansiyel farkı (V) voltmetreden okuyunuz. 4) Anahtarı açıp akımı kesiniz. Devreden akım geçmiyorken voltmetrenin gösterdiği değeri okuyunuz (V). Bu değer, kaynağının emk’ i olarak alınabilir. V= (5.7) Bu ölçülen değerleri, r εV I (5.8) eşitliğinde yerine yazıp, emk kaynağının iç direncini hesaplayınız. Bu işlemi beş kez tekrarlayarak ortalama r değerini bulunuz. Alınan ölçümleri aşağıdaki Çizelge 5.2’ ye kaydediniz. VERİLER VE HESAPLAMALAR Çizelge 5.1. L (m) 1 1m 2 1m 3 1m L1 (m) V (volt) (volt) 38 Çizelge 5.2. . Devre Kapalı V Devre Açık V= (volt) (volt) I (amper) r=iç direnç (ohm) 1 2 3 4 5 DENEYİN YORUMU ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. imza Görevli Öğretim Elemanı 1. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, ÇALIŞMA KAYNAKLARI M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 2. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 3. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 39 40 DENEY 6 AKIM GEÇİREN DOĞRUSAL BİR TELDEN KAYNAKLANAN MANYETİK ALAN AMAÇ Üzerinden akım geçen doğrusal telin çevresinde oluşturduğu manyetik alanın, telden geçen akım şiddetine ve telden olan uzaklığa bağlılığının incelenmesi. GENEL BİLGİ Dünyanın kuzey-güney doğrultusunda bir manyetik alanı vardır. Bu yüzden yeryüzünde bir mıknatıs kuzey-güney doğrultusunda yönelir. Mıknatıslar, pusulaların yapımında kullanılırlar. Dünyanın manyetik alanı değeri yaklaşık 0,5.10-4 tesla (T)’dır. I akımı geçiren uzun doğrusal bir telden r uzaklıkta oluşan B manyetik alanı şekildeki gibidir. Uzun doğrusal bir telin manyetik alanı bulunurken amper yasası kullanılabilir. Amper yasası Bdl I (6.1) 0 ile verilir. Burada B manyetik alanı, I telden geçen akımı, 0 boşluğun manyetik geçirgenliği Şekil 6.1. Uzun Doğrusal Bir Telin Manyetik Alanı olup, dl çember üzerinde diferansiyel uzunluk elemanıdır. B manyetik alanı sabit olduğu için integral dışına çıkar. B dl 0 I Burada (6.2) dl 2r ifadesi, çemberin çevresidir. B.2r 0 I (6.3) olduğundan, 41 Şekil 6.2. Dünyanın manyetik ala vektörü ve telden geçen akımın olşturduğu manyetik alan vektörü Şekil 6.3 Deney düzeneği B 0I 2r (6.4) elde edilir. Eşitlik (6.4), I akımı geçiren uzun doğrusal bir telden, r uzaklıktaki manyetik alanın ifadesidir. Şekil 6.3 deki deney düzeneğinde görülen devreye akım verildiğinde, oluşan manyetik alan etkisi ile pusula sapacak ve aşağıdaki şekilde olduğu gibi, Dünya ile telin manyetik alan vektörlerinin bileşkesi doğrultusunu gösterecektir. Buna göre tan B Tel B Dünya BTel BDünya. tan (6.5) bulunur. Telin manyetik alanındaki değişme θ açısını ve tanθ değerini etkiler. ÇALIŞMA SORULARI 1. Oluşan manyetik alan telin şekline bağlı mıdır? Açıklayınız. 2. Manyetik alan oluşması için yüklerin mutlaka hareketli olması gerekli midir? Açıklayınız. 3. Deneyi su ortamında yaparsak manyetik alan değişir mi? 4. I akımı geçiren r yarıçaplı dairesel halka biçimindeki bir telin merkezinden z uzaklıktaki bir P noktasındaki manyetik alanı hesaplayınız? 5. Birim uzunluktaki sarım sayısı n olan, r yarıçaplı, I akımı geçiren çok uzun bir Selenoidin manyetik alanının yönü ve büyüklüğünü hesaplayınız. 6. I akımı geçiren sonsuz uzun bir telden r uzaklıkta oluşan manyetik alanı Biot-Savart yasasını kullanarak hesaplayınız. 42 ARAÇ VE GEREÇLER Reosta Ampermetre Cetvel Bağlantı Kabloları Güç Kaynağı Pusula DENEYİN YAPILIŞI Sabit Uzaklık 1) Şekil 6.3’ teki deney düzeneğini kurunuz. 2) Pusulayı Dünya’nın sabit manyetik alanı doğrultusunda, yani kuzey güney doğrultusunda olacak şekilde yerleştiriniz. Pusula uzun iletken telden birkaç cm uzaklıkta olmalıdır. 3) Devreyi çalıştırınız. Pusula artık Dünya’nın manyetik alanı ile telin manyetik alanının vektörel bileşkesini göstermektedir. Akıma karşılık gelen pusuladaki sapma açısını kaydediniz. 4) Reosta ile akımı değiştirerek, 5 farklı akım değeri için sapma açılarını kaydediniz. 5) Milimetrik kağıda tanθ-I grafiğini çizip yorumlayınız. Sabit Akım 1) Reosta ile sabit bir I akımı oluşturunuz. 2) Pusulayı kuzey güney doğrultusunda yerleştirerek, telden 5 farklı uzaklık için sapma açılarını kaydediniz. 3) Milimetrik kağıda tanθ-r ve tanθ-(1/r) grafiklerini çizerek yorumlayınız. 1) Sabit r değeri için verilerinizi Çizelge 6.1’ e kaydediniz. VERİLER VE HESAPLAMALAR Çizelge 6.1 r (sabit) I tanθ θ Btel 2) Sabit I değeri için verilerinizi Çizelge 6.2’ ye kaydediniz. 43 Çizelge 6.2 I (sabit) r tanθ θ Btel DENEYİN YORUMU …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. imza Görevli Öğretim Elemanı ÇALIŞMA KAYNAKLARI 1. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 2. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 3. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 44 DENEY 7 BIOT-SAVART YASASI AMAÇ İletkenden geçen kararlı I akımının oluşturduğu manyetik alanın incelenmesi GENEL BİLGİ J. B. Biot ve F. Savart, kararlı akım taşıyan iletkenin bir mıknatıs üzerinde bir kuvvet uyguladığını gözlemlediler. Yaptıkları deney sonuçlarından elektrik akımı taşıyan bir iletkenin, belirli bir manyetik noktada alanı oluşturacağı veren bir ifade buldular. Biot Savart yasasına göre kararlı akım taşıyan tel üzerindeki bir ds elemanının, tel dışındaki bir P noktasında oluşturacağı dB manyetik alanı μ I d s ˆr dB 0 4π r 2 (7.1) eşitliği ile verilir. Biot Savart yasasının iletkenin küçük bir Şekil 7.1 Biot-Savart deney düzeneği elemanının uzaydaki bir noktada oluşturduğu manyetik alanı verdiğine dikkat edilmelidir. Sonlu büyüklükteki bir iletkenden kaynaklanan toplam manyetik alanı bulmak için iletkeni oluşturan akım elemanlarının doğrudan katkılarını toplamak gerekir. B , (7.1) denkleminin integrali alınarak μ I d s r̂ B 0 2 4π r (7.2) olarak ya da skalar formda B μ 0 I ds r sinθ 4π r 2 (7.3) dB r P ds I Şekil Şekil7.2 8.1 μ 0 ( μ 0 4π 10 7 N/A ) sabitine boş uzayın geçirgenliği ya da permeabilitesi denir. θ; d s ile r̂ arasındaki açının sinüsüdür. B manyetik alanının yazabiliriz. Burada 45 yönü sağ el kuralı ile bulunur. Örneğin Şekil 7.2’ de P noktasındaki manyetik alanın yönü sayfa düzleminden dışarıya doğrudur. ÇALIŞMA SORULARI 1. Biot-Savart yasasını açıklayınız. 2. Alan nedir? Kaç çeşit alan vardır? 3. Manyetik alanın yönü var mıdır? Neden? 4. Manyetik alan vektörel bir büyüklük ise yönü nasıl bulunur? 5. Amper yasası ile Biot Savart yasası arasında nasıl bir ilişki vardır? 6. Bu deney ac akım kullanılarak yapılabilir mi? Neden? 7. Akım nedir? 8. Bobinde manyetik alan nelere bağlıdır? 9. İletken bir halkanın merkezinde oluşan manyetik alan nelere bağlıdır? 10. Toroid nedir? Bir toroidin içinde oluşan manyetik alan nelere bağlıdır? ARAÇ VE GEREÇLER Teslametre Hall Probu Güç Kaynağı Dijital Multimetre Değişik çap ve sarımlarda 5 adet iletken çember Değişik çap ve sarımlarda 5 adet bobin Bağlantı Kabloları DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil 7.3’ teki düzeneği kurunuz. Güç kaynağını 18V değerine getirerek sabit güç Güç Kaynağı kaynağı olarak kullanınız. Teslametre Aşağıdaki akım uyarılarına dikkat Dijital Hall Probu Bobin istenilen Multimetre Şekil 8.3 akımı büyüklüğe getiriniz. Cetvel Şekil 7.3 Deney düzeneğinin şematik görünüşü ederek 2. Bobinler için güç kaynağını 1A değerine getirerek z ekseni boyunca akım geçen 46 her bir bobin için Hall probu kullanarak teslametreden ölçtüğünüz değerleri Çizelge 7.1’ e yazınız. 3. Çizelge 7.1’ deki değerleri kullanarak B-z grafiğini çiziniz. Bunu yaparken yarıçapı aynı olan bobinleri tek bir B-z koordinatında gösteriniz. 4. Çizelge 7.1’ deki değerleri kullanarak aynı yarıçaplı ilk üç bobinin merkezindeki manyetik alan değerlerini için B-N grafiğini çiziniz 5. Hall probunun önünden bobinleri alarak iletken çemberleri yerleştiriniz. İletkenler çemberler için güç kaynağını 5A değerine getiriniz. Akım geçen her bir iletken çemberin merkezinde oluşan manyetik alanının değerini Hall probu kullanarak teslametreden okuyunuz. Bulduğunuz değerleri Çizelge 7.2’ ye kaydediniz. 6. Tek sarımlı iletken çemberler için bulduğunuz değerleri kullanarak B-r grafiği çiziniz. 7. Aynı yarıçapa ve farklı sarım sayısına sahip iletken çemberler için B-N grafiğini çiziniz. VERİLER VE HESAPLAMALAR Çizelge 7.1. Değişik sarım sayısı, uzunluk ve çapta bobinler z(cm) N 2r 0 2 4 6 8 B(T) 10 12 14 16 18 19 47 Çizelge 7.2. Değişik sarım sayısı ve çapta iletken çemberler DENEYİN YORUMU N 2r (cm) 1 12 2 12 3 12 1 8,5 1 6 B (T) Dairesel iletkenin merkezi …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. imza Görevli Öğretim Elemanı ÇALIŞMA KAYNAKLARI 1. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 2. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 3. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 48 DENEY 8 TRANSFORMATÖR AMAÇ Primer (birincil) bobin ile sekonder (ikincil) bobinin seçilen bir kombinasyonu için, primer ve sekonder akımın ölçülmesi ve bu iki akım arasındaki bağıntının belirlenmesidir. GENEL BİLGİ reosta ampermetre ampermetre güç kaynağı transformatör Şekil 8.1 Transformatör deney düzeneği Alternatif akımların en faydalı özelliklerinden biri, transformatör aracılığı ile gerilimlerin istenilen ölçüde değiştirilebilmesidir. Özellikle enerji naklindeki ısı kaybını en aza indirebilmek için, elektrik enerjisi yüksek voltaj ve düşük akımla taşınmak istenir. Transformatör, demir çekirdek üzerine sarılmış ve birbirinden elektriksel olarak yalıtılmış iki akım makarasından oluşur (Şekil 8.2). Alternatif akımın girdiği devreye primer devre, kullanıldığı devreye de sekonder devre denir. Benzer şekilde, giriş sarımındaki akım primer akım, çıkış sarımındaki akım ise sekonder akım olarak adlandırılır. 49 Primer devredeki alternatif akım ve potansiyel farkının etkin değerleri Demir çekirdek I1 I1 , V1 ; sekonder devredeki alternatif akım ve potansiyel farkının etkin değerleri I 2 , I2 V2 ise I1 V1 = I 2 V2 olacaktır. V1 Primer devre V2 Sekonder devre N1 sarımlı primer sargıda ve N 2 sarımlı sekonder sargıda oluşan indüksiyon emk ları sırasıyla V1 N1 Şekil 8.2. Transformatör (8.1) ve V2 N 2 t t (8.2) olarak yazılabilir. Burada t süresindeki manyetik akı değişimidir. Eşitlik (8.2) deki bağıntıları alt alta yazıp oranlarsak, V1 N1 V2 N 2 (8.3) elde edilir. Bu sonucu Eşitlik (8.1) deki bağıntıyla birleştirirsek I 2 V1 N1 I1 V2 N 2 (8.4) elde edilir. ÇALIŞMA SORULARI 1. Transformatör hangi amaçla kullanılır? Açıklayınız. 2. Transformatörün çalışma prensibini açıklayınız. 3. Transformatör çeşitleri nelerdir? 4. ac ve dc akım kavramlarını açıklayınız. 5. Transformatörde %100 verim elde edilebilir mi? Açıklayınız. 6. Sekonder akım ve primer akım kavramlarını ve aralarındaki bağıntıyı açıklayınız. 7. İdeal transformatör nedir? 8. Sarımlar oranı kavramı nedir? 50 Transformatör ARAÇ VE GEREÇLER Yüksek Voltaj Transformatörü 11ohm’ luk Reosta Multimetre Bağlantı Kabloları Bağlantı Jakı 1) Şekildeki düzeneği kurunuz. Aşağıdaki bağlantı şekillerine uygun olarak DENEYİN YAPILIŞI transformatördeki sarım sayılarını tespit ediniz. 300:150 U=0,5 300:300 U=1 150:300 U=2 2. Bulduğunuz akım değerlerini Çizelge 8.1’ e yazınız. VERİLER VE HESAPLAMALAR Çizelge 8.1. Bağlantı Kombinasyonu 1. Kombinasyon (300:150) N1 N2 I1 I2 N2/N1 I2/I1 0,1 300 150 0,2 0,5 0,3 0,1 2.Kombinasyon (300:300) 0,2 300 300 0,4 1 0,6 1,0 3.Kombinasyon (150:300) 1 150 300 2 2 3 51 DENEYİN YORUMU …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. imza Görevli Öğretim Elemanı ÇALIŞMA KAYNAKLARI 1. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 2. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 3. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 52 DENEY 9 ELEKTRİK ALAN VE DİNAMİK ETKİLERİ AMAÇ Düzgün elektrik alandaki yüke etki eden kuvvet ile elektrik alan arasındaki bağıntının deneysel olarak gösterilmesidir. GENEL BİLGİ Paralel plakalı düzlem kondansatörün uçları arasına V potansiyeli uygulandığında kondansatör plakaları karşılıklı olarak artı ve eksi yüklerle yüklenir ve plakalar +Q E -Q arasında düzgün E elektrik alanı oluşur. Kondansatörün uçları arasındaki uzaklık d olmak üzere E V d +q F (9.1) eşitliği vardır. Burada potansiyelin birimi volt (V), uzaklığın birimi de metre (m) olduğundan elektrik d alanın birimi de volt/metre (V/m) dir. Şimdi Şekil 9.1 deki gibi bu kondansatör plakaları arasında +q yüklü bir cisim olduğunu düşünelim. +q Şekil 9.1. Düzgün elektrik alanda bulunan yüke etki eden kuvvet. yükü Coulomb Yasasına göre +Q yüklü plaka tarafından itilecek –Q yüklü plaka tarafından da çekilecektir. Sonuçta +q yüküne şekildeki gibi bir F kuvveti etki eder. F kuvveti ile plakalar arasındaki elektrik alan E ve cismin q yükü arasında F=q.E (9.2) eşitliği vardır. Burada F kuvvetin birimi newton (N), q yükünün birimi coulomb (C)’ dur. 1. Deneydeki yüklü cismin q yükünü bulunuz? 2. Cismin yükü pozitif mi yoksa negatif midir? 3. Cisim kaç elektron yüküne eşdeğer yük taşımaktadır? 4. Değişken bir elektrik alan kullansaydık cismimize kuvvet etki eder miydi? ÇALIŞMA SORULARI Açıklayınız. 5. Kondansatör plakaları arası su içinde olsaydı yüke etki eden kuvvet değişir mi? Açıklayınız. 53 ARAÇ VE GEREÇLER Akım Dengeleyicisi (Terazisi) Kondansatör. (Kapasitör) Yüksek-Gerilim Güç Kaynağı Dinanometre, 0,01 N Plastik Çubuk Deri Kaldıraç Üçlü ayak Ekran, 300 x 300 mm He-Ne Lazer 2 adet yüksek voltaj kablosu Bağlantı Kabloları Terazi Dengeleme Ağırlıkları DENEYİN YAPILIŞI Yüksek Voltaj Güç Kaynağı Dinamometre Vidası Dinamometre Lazer Ekran Kondansatör Yüklü cisim Sabitleyici Vida 1. 2. 3. Terazi Denge Vidası Denge Ağırlığı Şekil 9.2. Düzgün Elektrik alanda yüke etki eden kuvvet deney seti 54 Ekran üzerine düşecek olan lazer ışığını işaretlemek için ekran üzerine temiz bir kağıt yapıştırınız. Plastik çubuğu deri parçasına sürterek yükleyiniz ve terazideki yerine yerleştiriniz. Şekil 9.2’ de görülen Sabitleyici Vidayı gevşetiniz. Denge Ağırlıklarını kullanarak teraziyi dengeleyiniz. Eğer gerekiyorsa teraziyi yükseltmek için yükseltme vidalarını kullanınız. Şekil 9.3 gösterildiği gibi denge durumunu elde ediniz. Şekil 9.2’ de gösterildiği gibi lazer kaynağını denge konumundaki terazi üzerindeki aynadan yansıtarak ekrana düşürerek bu konumu işaretleyiniz. Dinamometrenin sıfır ayarını yapınız. Kondansatör plakalarını nötrleyiniz. Kondansatörün uçları arasındaki uzaklık d=3cm ile d=5cm arasında olmalıdır. Kondansatörü yüksek voltaj güç kaynağına bağlayınız. Deneyi yaparken Yüksek voltaj güç Şekil 9.3. Denge durumundaki deney düzeneği kaynağını uzun süre çalıştırmayınız. Yüksek voltaj güç kaynağını 1kV’a ayarlayın. Lazer ışığında kayma olacaktır. Lazer Işığının düştüğü yeni noktayı işaretleyin. Şekil 9.2 de görülen Dinamometre Vidasını kullanarak ışığın önceki denge konumuna getirin, daha sonra dinamometrenin gösterdiği değeri okuyun. Değerleri Çizelge 9.1’e kaydedin. Dinamometre Vidasını kullanarak ışığı saptığı noktaya geri getirin. Potansiyeli değiştirin aynı işlemleri tekrarlayarak değerleri Çizelge 9.1’e kaydedin. Bulduğunuz sonuçlerı kullanarak E=V/d eşitliğinden yararlanarak herbir potansiyel farkı değeri için elektrik alanın büyüklüğünü bulunuz. F=qEeşitliği ile q yükünün değerini hesaplayınız. Çizelge 9.1. d = 40mm için ölçüm sonuçları VERİLER VE HESAPLAMALAR 1. V (kV) 1 2 3 4 F (mN) F (mN) 2. F-V kuvvetinin değişim grafiğini çiziniz. 3. Çizelge 9.2. d = 50mm için ölçüm sonuçları V (kV) 1 2 3 4 F (mN) F (mN) 55 DENEYİN YORUMU …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. imza Görevli Öğretim Elemanı ÇALIŞMA KAYNAKLARI 1. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 2. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 3. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 56 DENEY 10 PARALEL LEVHALI KONDANSATÖR AMAÇ Paralel levhalı kondansatörde sığanın levhaların alanına ve levhalar arası uzaklığa bağlılığının incelenmesidir GENEL BİLGİ akım yükselticisi modüler kondansatör güç kaynağı elektrometre Şekil 10.1. Paralele levhalı kondansatör deney seti Yük depolayan kondansatörler, çeşitli elektrik devrelerinde yaygın olarak kullanılan aygıtlardır. Kondansatörler, radyo alıcılarının frekans ayarında, güç kaynaklarında filtre olarak, otomobil ateşleme sistemindeki kıvılcımları yok etmede ve elektronik flaş ünitelerinde enerji depolama amaçlı olmak üzere çeşitli alanlarda kullanılmaktadırlar. Bir bataryanın kutuplarına iki yüksüz iletken bağlandığını, aralarında V kadar potansiyel farkı olmak üzere, eşit ve zıt yükle yüklendiklerini varsayalım. Bu durumda iletkenler arasındaki V potansiyel farkı, kondansatör üzerindeki Q yükünün büyüklüğü ile orantılıdır. Bu kondansatörün sığası (C), iletkenlerden herhangi biri üzerindeki yükün büyüklüğünün, iletkenler arasındaki potansiyel farkının büyüklüğüne oranı olarak tanımlanır ve C Q V (10.1) 57 eşitliği ile ifade edilir. Eşitlikten de görülebileceği gibi sığa, kondansatörün levhaları arasındaki birim voltaja düşen yük miktarıdır. Kondansatörün C -Q +Q A + + - + + + + + + sığası, her zaman pozitif bir niceliktir. Kondansatör levhası üzerinde biriken yük miktarı arttıkça iki - - - - - - - - - - - verilen bir kondansatör için Q/V oranı sabittir. - levha arasındaki potansiyel farkı da artacağından, SI birim sisteminde sığanın birimi, coulomb/volt’tur. Bu birime farad (F) adı verilir. d Farad çok büyük bir sığa birimi olduğundan Şekil 10.2. Paralel levhalı kondansatör pratikte çoğu aygıtın sığası mikrofarad (1μF=10-6 F) ile pikofarad (1pF=10-12 F) birimleri cinsinden ifade edilir. Kondansatörün sığası, iletkenin geometrisine, iletken yüzeyler arasındaki uzaklığa ve iletkenler arasındaki ortamın elektriksel özelliğine bağlıdır. Kondansatörün levhaları arasına dielektrik sabiti olan yalıtkan bir malzeme yerleştirildiğinde, bu yalıtkan malzemenin dielektrik sabitine bağlı olarak kondansatörün sığası değişir. Şekil 10.2’ de görüldüğü gibi, her birinin yüzeyi A ve aralarındaki uzaklık d olan paralel levhalı bir kondansatöre, V voltajı uygulayarak kondansatörün yüklenmesi gerçekleştirilir. Böyle bir kondansatörün sığası boyutları cinsinden: C A d (4.2) olarak verilir. Burada; A : Kondansatör levhasının alanı d : Levhalar arası uzaklık : Dielektrik sabiti o r dir. o : Boşluğun permitivitesi, o 8,85x10 -12 As/Vm r : Bağıl permitivite (Hava için r 1 ) ÇALIŞMA SORULARI 1. Sığa nedir? 2. Kondansatörün kullanım alanları nelerdir? 3. Bir kondansatöre alternatif akım uygulanması durumunda neler olacağını açıklayınız? 4. Bir paralel levhalı kondansatörün sığasına, yükleme süresi etki eder mi? Açıklayınız. 5. Yüklü bir kondansatörün levhaları arasına bir dielektrik yerleştirildiğinde, potansiyel farkı ve elektrik alanı nasıl değişir? 58 6. Bir kondansatörün sığasını arttırmak için ne yapılabilir? 7. Değişken sığalı kondansatörler nasıl yapılır ve hangi amaçla kullanılır? 8. Statik elektrik yüklü bir kondansatörün elektriksel enerjisini veren bağıntıyı elde ediniz. ARAÇ VE GEREÇLER Modüler Kondansatör Ayarlı Güç Kaynağı (0-300V) Direnç Kutusu (1M) Multimetre Anahtar Akım Yükseltici Elektrometre Adaptör Bağlantı Kabloları. DENEYİN YAPILIŞI Deney iki kısımdan oluşmaktadır. İlk olarak paralel levhalı bir kondansatöre uygulanan V voltajı ile iletken levhalarda biriken yük miktarı arasındaki ilişki farklı alanlara sahip iki paralel levhalı kondansatör için incelenecektir. Deneyin ikinci kısmında ise sabit bir voltaj altında, paralel levhalı bir kondansatörün sığasının levhalar arası uzaklıkla olan ilişkisi incelenecektir. 1) Devreyi büyük levha (A1) için fotoğrafa uygun olarak kurunuz ve deney sorumlunuzdan onay alınız. 2) Levha üzerindeki yükü ölçmek için akım yükselticisini 10 8 As’ ye ayarlayınız. 3) Çizelge 10.1’ deki ilk voltaj değerini voltmetre ile ayarlayınız. 4) Anahtar 1’ i açık konumda yaklaşık 5s tutarak kondansatörün yüklenmesini sağlayınız ve Anahtar 1’ i kapalı konuma getiriniz. Daha sonra Anahtar 2’ yi açık konuma getiriniz ve elektrometre göstergesinden levhada biriken yük değerini As olarak okuyunuz. 5) Anahtar 2’ yi kapalı konuma getiriniz ve bu konumdayken elektrometre göstergesini, akım yükselteci üzerindeki topraklama düğmesine basarak sıfırlayınız. 6) Çizelge 10.1’ deki her bir voltaj değerleri için deneyi tekrarlayınız ve elde ettiğiniz ölçümleri (Q1 değerlerini) Çizelge 10.1’ e kaydediniz. 7) Aynı ölçümleri küçük levha (A2) için tekrarlayınız. 59 8) Deneyin ikinci kısmında, A1 veya A2 levhalarından birisi için V=100 volt değerini uygulayınız. 9) Uygulanan voltaj sabit kalmak koşuluyla, levhaları birbirinden ayıran plastikleri sökerek levhalar arasındaki uzaklığı d= 2, 3, 4 ve 6 mm olacak şekilde ayarlayarak her bir uzaklık için yük değerlerini okuyunuz. 10) Bulduğunuz değerleri Çizelge 10.2’ ye kaydediniz. VERİLER VE HESAPLAMALAR 1) Çizelge 10.1’ e kaydettiğiniz veriler yardımıyla her bir voltaj değeri ve levha için Q1 /Q 2 değerlerini bulunuz. 2) Bulduğunuz Q1 /Q 2 değerleri ile levha alanları oranı arasında bir ilişki var mı? Varsa nedenini açıklayınız. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... Çizelge 10.1. Q yükleri arasındaki ilişki A1 iletken yüzeyli kondansatör V(Volt) Q1 ( 10 8 C) A2 iletken yüzeyli kondansatör Q2 ( 10 8 C) Q1 /Q 2 20 40 60 80 100 3) Çizelge 10.1 yardımıyla V’nin değişken olduğunu göz önünde bulundurarak, Q-V grafiğini A1 ve A2 levhaları için çiziniz. 4) Elde edeceğiniz grafikte Q ile V arasındaki ilişkinin nasıl olmasını beklersiniz? Neden? ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 60 5) Q–V grafiğinin eğimi size neyi verecektir? ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 6) Çizelge 10.2’ ye kaydettiğiniz veriler yardımıyla her bir d değeri için deneysel sığa değerlerini bularak çizelgeye kaydediniz. 7) Bulduğunuz deneysel sığa değerlerine göre levhalar arası mesafe d’ nin arttırılması ile sığa nasıl değişir? Açıklayınız. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... Çizelge 10.2. Sığanın levhalar arası uzaklıkla ilişkisi d(mm) 1/d (m-1) Q (10-8C) C=Q/V 2 3 4 6 8) Çizelge 10.2’ deki veriler yardımıyla d ve 1/d değerlerinin değişken olduğunu göz önünde bulundurarak, C’ye karşılık d ve 1/d grafiklerini çiziniz. 9) Elde edeceğiniz grafikte C-d değişiminin ve C-1/d değişiminin nasıl olmasını beklersiniz? Açıklayınız. ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 10) Çizelge 10.2’ deki her bir d değeri için teorik sığa değerlerini Eşitlik (10.2) yardımıyla hesaplayınız ve daha önce bulduğunuz deneysel sığa değerleri ile karşılaştırınız. .................................................................................................................................... .................................................................................................................................... ................................................................................................................................... ................................................................................................................................... 61 DENEYİN YORUMU …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Öğrenci deneyi başarıyla tamamlamıştır. İmza Görevli Öğretim Elemanı ÇALIŞMA KAYNAKLARI 7. Modern University Physics, J.A Richards, F.W.Sears, M. R. Wehr, M.W.Zemansky, Addison-Wesley Publishing Company, 1971, Germany. 8. Fenciler ve Mühendisler için Fizik, Kudret Özdaş, Bilim Teknik Yayınevi, 1995, Eskişehir. 9. Üniversite Fiziği, H.D.Young, R.A.Freedman, Pearson, 2009, İstanbul. 62
