Basit elektrik devreleri, akım, Ohm yasası, direnç bağlamaları, üreteç bağlamaları, elektrik tehlikeleri ve topraklama
Elektrik devresi, elektrik enerjisinin üretildiği, iletildiği ve tüketildiği sistemdir. Basit bir elektrik devresi dört temel elemandan oluşur:
Elektrik akımı, üretecin pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru (konvansiyonel akım yönü) kabul edilir. Ancak gerçekte iletken tellerde hareket eden yük taşıyıcıları elektronlardır ve elektronlar negatif kutuptan pozitif kutba doğru hareket eder. Elektrik akımının yönü, elektron hareketinin tersidir.
Basit elektrik devresi, su tesisatına benzetilebilir: üreteç pompa, iletken tel borular, anahtar vana, direnç ise daralmış boru veya kireç tabakası gibi akışı engelleyen unsurlara karşılık gelir. Potansiyel fark, suyun yüksekliği farkına; elektrik akımı ise birim zamanda borudan geçen su miktarına benzer.
Elektrik akımı, bir iletkenin dik kesitinden birim zamanda geçen net yük miktarıdır. Yük taşıyıcıları katılarda elektronlar, sıvılarda iyonlar, gazlarda ise iyonlar ve serbest elektronlardır.
1 amper, 1 saniyede 1 coulomb yük geçmesidir. Elektronun yükü -1,6·10⁻¹⁹ C olduğundan, 1 A akımda saniyede yaklaşık 6,25·10¹⁸ elektron geçer.
Metallerde serbest elektronlar, potansiyel fark uygulandığında sürüklenir ve akım oluşur. Sıvı çözeltilerde (örneğin tuzlu su) pozitif ve negatif iyonlar zıt yönlerde hareket ederek akıma katkı sağlar. Gazlar normalde yalıtkandır ancak düşük basınç ve yüksek sıcaklıkta iyonlaşarak iletken hale gelir (floresan lamba, neon tüp).
Akımın yönü, pozitif yüklerin hareket yönü olarak kabul edilir; bu nedenle elektron akışının tersidir.
Alman fizikçi Georg Simon Ohm, sabit sıcaklıkta bir iletkenden geçen akımın, iletkenin uçları arasındaki potansiyel farkla doğru orantılı olduğunu bulmuştur. Bu ilişkiye Ohm Yasası denir.
Ohm yasasına uyan maddelere ohmik maddeler denir (örneğin metaller). Bu maddeler için V-I grafiği orijinden geçen bir doğrudur ve grafiğin eğimi direnci verir.
Ölçüm Aletleri: Ampermetre akımı ölçmek için devreye seri bağlanır (iç direnci çok küçüktür). Voltmetre ise potansiyel farkı ölçmek için devre elemanına paralel bağlanır (iç direnci çok büyüktür). Ampermetrenin paralel bağlanması kısa devreye, voltmetrenin seri bağlanması ise akımın çok azalmasına neden olur.
Birden fazla direncin bir devredeki toplam etkisini tek bir dirençle ifade etmek için eşdeğer direnç (Rₑ) kavramı kullanılır.
Dirençler uç uca bağlanır. Akım tüm dirençlerden aynı geçer. Potansiyel farklar dirençlerle doğru orantılı olarak paylaşılır.
Seri bağlama, iletken boyunu uzatmak gibidir; direnç artar.
Dirençlerin birer uçları ortak noktada, diğer uçları başka bir ortak noktada birleştirilir. Gerilim tüm dirençlerde aynıdır. Akım, dirençlerle ters orantılı olarak kollara ayrılır.
Paralel bağlama, kesit alanını artırmak gibidir; direnç azalır.
Seri ve paralel bağlantıların bir arada bulunduğu devrelerdir. Eşdeğer direnç bulunurken önce paralel kısımlar tek dirence indirgenir, sonra seri olarak toplanır.
Kısa devre: Bir devre elemanının uçları arasına direnci ihmal edilebilecek kadar küçük bir tel bağlanırsa, akımın tamamı bu telden geçer ve eleman çalışmaz. Sigortalar aşırı akımda devreyi açarak yangın ve hasarı önler.
Üreteçler (piller, aküler) devreye seri veya paralel bağlanabilir.
Pillerin zıt kutupları (pozitif-negatif) birbirine bağlanır. Toplam gerilim, tek tek gerilimlerin toplamıdır:
Aynı kutuplar (pozitif-pozitif, negatif-negatif) birbirine bağlanır. Toplam gerilim tek bir pilin gerilimine eşittir. Akım, piller arasında paylaşılır.
Tercih: Seri bağlama yüksek gerilim gerektiren durumlarda (el feneri), paralel bağlama ise uzun süreli kullanım gerektiren durumlarda (uzaktan kumanda) tercih edilir.
İnsan vücudundan geçen akımın büyüklüğü, maruz kalma süresi ve geçiş yolu, hasarın derecesini belirler. 1 mA'den düşük akım hissedilmez, 10-20 mA kasılma ve “kilitlenme” yapar, 30 mA solunum zorluğu, 60 mA'den itibaren kalp durması riski başlar. 220 V şebeke geriliminde, kuru deri direnci yaklaşık 100.000 Ω iken, ıslak deri direnci 1000 Ω’a kadar düşebilir, bu da 220 mA akıma denk gelir ve ölümcüldür.
Elektrik çarpması durumunda: Önce akım kesilmeli, eğer mümkün değilse iletken olmayan bir cisimle (tahta, plastik) kişi akımdan uzaklaştırılmalı, ardından 112 aranmalı ve ilk yardım yapılmalıdır.
Topraklama, elektrik tesisatlarında veya cihazlarda oluşabilecek kaçak akımların, insan vücudundan geçmeden doğrudan toprağa iletilmesini sağlayan güvenlik sistemidir. Elektrikli cihazların metal gövdeleri, düşük dirençli bir iletkenle toprağa bağlanır. Kaçak durumunda akım toprak hattından akar, sigorta veya kaçak akım rölesi devreyi keser.
Topraklama sayesinde elektrik kaçağı olan bir cihaza dokunan kişiden geçecek akım, toprak hattının direnci çok düşük olduğu için neredeyse sıfıra iner ve güvenlik sağlanır.