Elektrik
Elektrik, elektrik yüklerinin akışına dayanan bir dizi fiziksel olaya verilen isimdir. Elektromanyetizma, Maxwell Denklemlerinin gelişimi için tek bir olgunun parçası olarak kabul edildiğinden dolayı manyetizmaya ayrı bir fenomen olarak düşünülmüştür fakat çeşitli genel fenomenler yıldırım, statik elektrik, elektriksel ısıtma, elektrik deşarjları ve daha pek çok diğer elektrik alanları ile ilgilidir. Buna ek olarak, elektrik birçok modern teknolojinin kalbinde yer almaktadır.
Bir elektrik yükünün varlığı pozitif ya da negatif bir elektrik alanı üretir. Öte yandan, elektrik akımı olarak bilinen elektrik yüklerinin hareketi bir manyetik alan oluşturur; bu işlem elektromanyetik indüksiyon olarak bilinir.
Bir yük, nötr olmayan elektrik alanına konduğunda ona bir kuvvet uygulanır. Bu kuvvetin büyüklüğü Coulomb Kanununa göre hesaplanır. Dolayısıyla, eğer yük hareket edecek olursa bu elektrik yükü üzerinde elektrik alanı oluşacaktır. Böylece, boşlukta belirli bir noktada elektrik potansiyelinden bahsedebiliriz. Bu, herhangi bir hızlanma olmadan isteğe bağlı olarak seçilmiş bir referans noktasından bir noktaya kadar bir pozitif yük birimi taşırken harici bir ivme tarafından yapılan işe eşittir ve genellikle Voltla ölçülür.
Elektrik mühendisliği alanında elektrik şu alanlarda kullanılır:
Ekipmanlara enerji vermek için elektrik akımı kullanılan elektrik gücü
Transistörler, diyotlar ve entegre devreler gibi aktif elektrik bileşenlerini ve ilişkili pasif ara bağlantı teknolojilerini içeren elektrik devrelerini ele alan elektronik.
Elektrik olayı, antik çağlardan beri araştırılmaktadır, teorik olarak anlaşılması ise yaklaşık on yedinci ve on sekizinci yüzyıla kadar uzanmıştır. Hatta bundan sonra bile, pratik uygulamalar çok az miktarda kalmıştır ve elektriğin endüstride ve yaygın kullanımı için uygun hale gelmesi ancak on dokuzuncu yüzyılda olmuştur. Elektriğin akıl almaz bir yaygınlığı vardır yani diğer bir deyişle ulaşım, ısıtma, aydınlatma, iletişim ve teknolojik aletlerde elektrik yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektriksel güç ise, şu anda endüstrinin bel kemiğidir.
Elektriğin tarihçesi
Elektriğin var oluşu ile ilgili insanlar en ufak bir bilgi sahibi değilken bile, elektrikli yılan balığının şok etkisinin farkındalardı. Antik Mısır’da MÖ 2750'de yazılmış bir yazı bu balığı Nil’in fırtınası olarak tanımlamıştır. Bu balık aynı zamanda diğer balıkların koruyucusu olarak görülüyordu. Elektrik balığıyla ilgili yine antik Yunanlılar, Romalılar, Arap bilimciler ve fizikçiler bahsetmişlerdir. Pek çok antik yazar, Gaius Plinius Secundus ve Scribonius Largus gibi, kedi balığından ve vatoz gibi elektrik yüklü uyuşturan balıkgillerden gelen elektrik şokunun hissizleştirdiğini onaylamıştır. Bu şoklar, iletken objelerde yayılabilirler. Muhtemelen ışığın kimliği ve elektrikle ilgili doğruya en yakın ve en eski yaklaşım, Araplardan gelmiştir. On beşinci yüzyıldan önce Araplar tarafından elektrik ışını, ray (ışın) olarak adlandırılmıştır.
Antik kültürlerden Akdeniz taraflarında olanlar belli başlı nesneleri biliyorlardı. Örneğin kehribar parçaları kedinin tüylerine sürüldüğünde onları çekebiliyordu. MÖ 600 civarlarında Miletli Tales (matematik bilgini ve filozof) durağan elektrikle alakalı bir dizi gözlem yaptı. Tespitlerine göre magneite gibi sürtünme olmadan bile elektriksel alan oluşturan minarallerin aksine, kehribar sürtünme ile elektriksel alan oluşturmaktaydı. Tales bu çekimin manyetizmadan olduğunu düşünürken yanılıyordu, ancak daha sonraları bilim manyetizm ve elektrik arasındaki bağlantıyı kanıtlayacaktı. Tartışmaya açık bir teoriye göre, Parthianlar elektro taban hakkında bir bilgi sahibi olabilirlerdi.1836’da pilin keşfine bağlı olarak, elektirik üreten hücreler ve onun doğadaki bilinmez etkisi buna olanak sağlıyordu.
Elektrik, 1600'lere kadar, İngiliz bilim adamı William Gilbert tarafından elektrik ve manyetizma adına dikkatli bir inceleme yapılana kadar biraz daha entelektüel bir merak olarak kaldı. Elektricus adı verilen "kehribara benzer" anlamı taşıyan yeni bir sözcük oluşturdu. Bu, İngilizce de “electric” ve “electricty” adı verilen kelimelerin doğmasını sağladı. Yazılı olarak ilk görünümlerini ise 1646 yılında Thomas Browne’nin, Pseudodoxia Epidemica kitabında yaptılar.
İlerleyen çalışmalar, Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray ve C.F. du Fay tarafından yapıldı. On sekizinci yüzyılda Benjamin Franklin tüm mal varlığını satarak, elektrik hakkında çok geniş bir çalışma yaptı. Haziran 1752’de fırtınalı bir günde, uçurtma ipine bağladığı metal bir anahtarla deney yaptı ve uçurtmaya yıldırım düşmesini umdu. Anahtardan eline gelen kıvılcımlardan, yıldırımın da elektriksel bir doğa olayı olduğunu kanıtlamış oldu. Aynı zamanda, paradoks bir olay olarak Leyden kavanozunun da elektriğin hem pozitif hem negatif yükler içerdiğini kanıtlayarak yeni bir açıklama getirmiş oldu.
1771’de, Luigi Galvani, biyoelektrik üzerine olan keşfini yayınladı ve elektriğin sinir hücreleri denen hücreler ile kaslara sinyaller yolladığını gösterdi. Alessandro Volta’nın bataryası, ya da Voltaik pili, 1800'lerde bakır ve çinko ile yaptığı deneyle, daha güvenilebilir bir bakış açısı yakalanmış oldu. Elektromanyetizmanın bulunması, elektrik ve manyetizmanın birleşmesi olayı, Hans Christian Orsted ve Andre Marie Ampere tarafından 1819-1820 yıllarında oldu. Michael Faraday elektrik motorunu 1821'de keşfetti ve Georg Ohm, matematiksel olarak elektriksel devreleri 1827 yılında açıkladı. Elektrik ve manyetizma (ışık) mutlaka James Clerk Maxwell ile de ilişkilidir.
On dokuzuncu yüzyılın başlarında, elektrikte ani bir gelişim meydana geldi ve on dokuzuncu yüzyılın sonunda, elektrik mühendisliğinin en büyük keşfi yapıldı. Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, Lord Kelvin, Sir Charles Parsons, Ernst Werner von Siemens, Joseph Swan, Nikola Tesla ve George Westinghouse elektriği inanılmaz bir bilimsel meraka çevirdi ve bunu modern hayata uyguladılar. Bu uygulamalar, ikinci endüstri devrimini tetikledi.
1887'de Heinrich Hertz ultraviyole ışığı ile aydınlatılmış elektrotların daha kolay elektrik kıvılcımları çıkardığını keşfetti. 1905’te Albert Einstein, elektriğin kuantlar halinde küçük paketler olarak taşındığını açıkladığı Fotoelektrik olayın deneysel verilerini incelediği bir araştırma yayınladı. Bu keşif, kuantum devrimine yol açtı. Einstein, 1921'de "fotoelektrik etki yasasını keşfedilmesi" onuruna Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. Fotoelektrik etki, güneş panellerinde bulunan fotosellerde de kullanılır ve bu sıklıkla ticari olarak elektrik elde etmek için kullanılır.
İlk katı cihaz 1900'lü yıllarda radyo alıcılarında kullanılan "kedi fısıltısı detektörü idi." idi.Katı bir kristale temas eden kablo, radyo sinyallerini belirleme amacına hizmet ediyordu.Bir katı hal bileşeninde, Akım katı elementler ve bileşiklerin özel olarak değiştirilmesi ve güçlendirilmesi için üretilmiştir. Akımın akışı, iki şekilde anlaşılabilir: Negatif yüklenmiş elektronlar ve pozitif yüklü elektron eksikliklerine delik denir. Bu yükler ve delikler kuantum fiziğince açıklanır. Yapıda kullanılan nesne genelde, yarı iletken bir kristaldir.
Katı hal aygıtları, 1947'de transistör icadıyla kendi haline geldi. Yaygın katı hal cihazlarından bazıları transistörler, mikroproses çipleri, ve RAM'lerdir. Genelde ek bellek olarak kullanılırlar. Katı hal sürücüleri, mekanik olarak hard diskleri döndüren parçalar yerine de kullanılabilir. Bu cihazlar 1950'lerde ve 1960'larda transistörlerin vakum tüplerinden yarı iletkenlere değişimi, diyotlar, transistörler, LED'ler ve toplu akım için önem arz etmiştir.
Kavramlar
Elektrik yükü
Elektrik yüklerinin varlığı, elektrostatik kuvvetin oluşmasını sağlamıştır: Yükler birbirlerine bir kuvvet uygularlar ve bu etki antik çağlarda da biliniyordu. Bir cam top, kıyafete sürülerek ya da bir çubuk yardımı ile oynatılabiliyordu. Eğer aynı top, cam çubuk ile yüklenirse, önce birbirlerini çektikleri, ardından ittiği gözlemlendi. Fakat, eğer bir top cam çubukla diğeri plastik çubukla yüklenirse, iki topun birbirini çektiği gözlemlendi. Bu olay on sekizinci yüzyılın sonlarına doğru Charles-Augustin de Coulomb tarafından incelendiğinde hepimizin çok iyi bildiği bir sonuca ulaştı : Aynı yükler birbirlerini iterken zıt olanlar birbirlerini çeker.
Yüklü parçacıklar kendi üzerine de kuvvet uygular, bu nedenle yük kendisini herhangi bir iletken yüzey üzerine ulaştırmak ister. Bu elektromanyetik kuvvetin büyüklüğü yüklerin çarpımının, uzaklığın karesine bölümü ile doğru orantılı bir bağlantısı vardır. Elektromanyetik kuvvet, çok güçlüdür, kuvvetli etkileşimler içerisinde ikinci sıradadır, ancak uzaklıksal olarak kıyaslanamaz. Kendisinden çok daha zayıf kütle çekim kuvveti ile kıyaslandığında, elektromanyetik kuvvet elektronları 1042 kez daha uzağa itebilir.
Çalışmalar belli atom altı parçacıkların, elektrik yükleri gibi davranabildiğini gösterdi. Elektrik yükleri, elektromanyetik kuvvetle etkileşir ve bu doğanın dört temel kuvvetinden bizim en aşina olduğumuz elektrik taşıyıcıları proton ve elektrondur. Deneyler, yükün korunan bir nicelik olduğunu göstermiştir diğer bir deyişle, izole edilmiş bir sistemde yük miktarı aynı kalmak zorundadır. Sistem içerisinde yük, direk temas yoluyla veya bir iletken yardımıyla -kablo gibi- bir nesneden diğerine geçebilir. Durgun elektrik terimi bir yükün bir nesnede bulunuşu anlamına gelir.
Elektron ve Protonun işaretleri zıttır, bu nedenle de enerjinin miktarı pozitif ya da negatif olarak ifade edilir. Varsayımla, elektronların taşıdığı yük negatif, protonlar ise pozitif kabul edilmiştir. Sahip olunan yük miktarı Q ile gösterilir ve Coulomb ile ifade edilir. Her elektron yaklaşık −1.6022×10−19 coulomb yük taşır. Proton da buna eşit miktarda fakat ters işaretli yük taşır. Yük sadece madde tarafından oluşturulmaz. Aynı zamanda anti madde, anti parçacık da birbirlerine göre eşit miktarda fakat ters işaret taşımaktadır.
Yük, pek çok farklı yolla ölçülebilir. En erken ölçümlerden biri ise altın yapraktır ve bazen sınıflarda gösterim amaçlı kullanılabilmektedir.
Elektrik akımı
Elektrik yüklerinin hareketi, elektrik akımı olarak bilinir ve niceliği genelde Amper ile ifade edilir. Akım, taşınan herhangi bir yüklü parçacıktan oluşabilir fakat bunların en yaygını elektrondur. Ancak harekete geçen herhangi bir yük bir akım oluşturmaya yeter.
Tarihsel varsayım ile, pozitif akım sahip olduğu artı yüklerin akış yönünde ilerleyen akım olarak ya da devrede en artı yerden en eksi yere akan akıştır. Bu şekilde tanımlanan akıma konvansiyonel akım denir. Elektrik devresindeki negatif yüklü elektronların hareketi, ki bu akımın en yaygın şeklidir, elektronların akış yönünün tersi yönde olunca pozitif kabul edilir. Bununla birlikte, koşullara bağlı olarak, bir elektrik akımı her iki yönde de yüklü parçacık akışından oluşabilir ve aynı anda her iki yönde de olabilir. Bu varsayım, bu durumu basitleştirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Elektrik akımının bir malzemeden geçtiği sürece elektrik iletimi denir ve yapısı yüklü parçacıkların ve bunların üzerinden geçen malzemenin özellikleriyle değişir. Metalik iletkenlik ve elektroliz elektrik akımının bu ilerleyişine örnektir. Parçacıklar oldukça yavaş, bazen saniyede bir milimetre ile ortalama bir dönüş hızı ile hareket ederken, elektrik alanı ışık hızına yaklaşır ve böylece elektrik sinyallerinin teller boyunca hızla geçmesine olanak tanır.
Elektrik akımı, tarihte de kendi varlığının farkına varılmasını sağlayan pek çok gözlemlenebilir etkiye sahiptir. Örneğin su, elektrik akımı ile elektirik üreten pillerin 1800 yılında Nicholson ve Carlisle tarafından bulunmasını sağlamıştır. Bu olaya elektroliz adı verilir. Bu çalışmalar 1833'te Michael Faraday tarafından büyük ölçüde genişletildi. Bir direnç yoluyla üretilen elektrik 1840 yılında James Prescott Joule tarafından matematiksel olarak ispat edilmiştir. Akıma ilişkin en önemli keşiflerden biri, 1820'de yanlışlıkla Hans Christian Ørsted tarafından yapıldı. Dersi için hazırlanırken, içinden akım geçen bir telin, bir iğne üzerindeki etkisini gözlemlemiştir. Bu olayla, elektrik ve manyetizma arasındaki etkileşimleri açıklayan temel bir olay olan elektromanyetizmayı keşfetmiştir.
Mühendislik veya ev uygulamaları için, Akım genellikle doğru akım (DC) veya alternatif akım (AC) olarak iki bölüme ayrılır. Bu terimler, akımın zaman içinde nasıl değiştiği ile ilgilidir. Örneğin doğrudan akım, bir batarya tarafından üretilir ve pek çok elektrik devresince kullanılır. Bir devrenin pozitif kısmından negatif tarafına doğru akar. Genel tanıma göre elektronlar tarafından taşınır ve zıt yönde hareket ederler. Alternatif akım ise doğrultusunu belli aralıklarla değiştiren ve neredeyse bir Sinüs fonksiyonu gibi davranır. Dolayısıyla, alternatif akım, bir iletken içinde zamanla herhangi bir net bir uzaklık kat etmeden geri ve ileri doğru gider. Alternatif akımın zaman ortalaması değeri sıfırdır, ancak bu akım enerjiyi ilk önce bir doğrultuda sonra diğer doğrultuda yayar. Alternatif akım, durgun akım altında gözlemlenemeyen, Kapasitör ve İndüktör gibi elektrik niceliklerinden etkilenir. Fakat bu nicelikler, transistörler söz konusu olduğunda önem kazanır.
Elektrik alanı
Elektrik alan konsepti Michael Faraday tarafından tanıtıldı. Bir elektrik alan, kendini çevreleyen uzayda yüklü bir parçacık tarafından yaratılır ve alandaki diğer yüklü parçacıklara bir kuvvet uygular. Bir elektrik alan iki kütle arasında, kütle çekim etkisine benzer bir şekilde oluşur. Aynı bunun gibi, sonsuza kadar gidebilir ve uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. Bununla birlikte, önemli bir fark var. Kütle çekimi her zaman çekim etkisi üzerine çalışır, iki kütleyi birbirine çeker, ancak elektrik alan aynı zamanda itim etkisi de oluşturabilir. Gezegenler gibi büyük cisimler genel olarak net yük taşımadığı için, belirli bir mesafedeki elektrik alanı genellikle sıfırdır. Bu nedenle evrende kütle çekim kuvveti elektrik alan kuvvetinden daha zayıf olmasına rağmen baskın olan kuvvettir.
Elektrik alan, genelde uzayda değişkenlik gösterir ve büyüklüğü bir noktada bulunan birim yüke uyguladığı kuvvet olarak ölçülür. "Test yükü" olarak adlandırılan kavramsal yük, kendi elektrik alanının ana alana zarar vermesini önlemek için çok küçük olmalı ve manyetik alanların etkisini önlemek için hareketsiz durmalıdır. Elektrik alan kuvvet kavramı ile ifade edildiği ve kuvvet bir vektör büyüklüğü olduğu için elektrik alan da vektörel bir niceliktir. Yani hem büyüklüğü hem de yönü vardır. Özellikle, vektör alanıdır.
Durağan elektrik yükleri ile ilgilenen çalışma alanı elektrostatiktir. Bu alan, diğer alanlarla aynı hayali çizgileri olan bir dizi gibi hayal edilebilir. Bu konsept Faraday tarafından tanıtılmış ve "kuvvet çizgileri" terimi hala kullanılmaktadır. Alan çizgileri terimi, pozitif yükü o yönde hareket ettiren patikalar olarak düşünülebilir. Ancak bu konseptler hayal ürünüdür ve fiziksel bir varlıkları yoktur. Bu alan çizgilerinin belli başlı özellikleri vardır. Öncelikle bu alan çizgileri pozitif yükten başlar ve negatif yükte biter. İkincisi, bu alan çizgileri iyi bir iletkene doksan derece ile girmelidir. Son olarak bu çizgiler asla birbirlerini kesmezler veya kendi üzerlerine kapanmazlar.
İçi boş bir iletken, bütün yüklerini dış yüzeyinde taşır. Dolayısıyla iletkenin içindeki elektrik alan sıfırdır. Bu prensip "Faraday Kafesi" olarak adlandırılır ve buna göre metal bir iletken kendi içini, dış etkilerden izole eder.
Elektrostatik ilkeler, yüksek voltajlı ekipmanların tasarımında önemlidir. Herhangi bir ortama dayanabilen elektrik alan şiddetinin limiti vardır. Bu noktadan sonra,eElektriksel arıza oluşur ve bir elektrik arkı yüklü parçalar arasında ani alevlenme meydana getirir. Örneğin hava, santimetrede 30 kV'yi aşan elektrik alan kuvvetlerinde küçük boşluklar arasında eğilim gösterir. Daha büyük boşlukların üzerinde, arıza gücü belki de santimetre başına 1 kV daha zayıftır. Bunun en doğal görünümü yıldırımdır. Büyük bir yıldırım bulutunun voltajı 100 MV kadar yüksek olabilir ve deşarj enerjileri 250 kWh'a kadar yükselebilir.
Alan kuvveti, etrafındaki nesnelerden çok etkilenir ve keskin sivri cisimler çevresinde bükülmeye zorlandığında özellikle yoğun bir hal alır. Yıldırımların sivri yerlere düşmesinin nedeni budur.
Elektrik potansiyeli
Elektrik potansiyeli kavramı, elektrik alanıyla yakından ilişkilidir. Elektrik alan içerisine yerleştirilen yüklü bir parçacık bir kuvvet hisseder. Bu nedenle, parçacığın yerini değiştirebilmek için hissedilen kuvvete karşı koyulabilmesi gerekir ve bu bir iş yapılmasını gerektirir. Herhangi bir noktanın elektrik potansiyeli, bu test yükünü sonsuz uzaklıkta belirli bir noktaya getirmek için yapılması için gereken enerji miktarıdır. Genelde bu nicelik, voltla ölçülür. Bir Volt, bir coulomb yükü sonsuzdan getirmek için yapılması gereken bir joul iş yapma miktarıdır. Bu potansiyel tanımı, daha pratik bir uygulama olarak ve daha kullanışlı bir tanı olarak elektrik potansiyel fark olarak da kullanılır. Bu yükü iki nokta arasında hareket ettirmek için gereken enerjidir. Elektrik alan "korunur" olması ile özel bir karaktere sahiptir. Yani bir test yükünün hangi yol üzerinde taşındığı önemli değildir. İki nokta arasında yer alan bütün yollar aynı anlama gelir, aynı enerjiyi gerektirir. Bu nedenle potansiyel fark tek bir değerdir. Volt doğru bir kullanım olmasına rağmen genellikle voltaj elektrik potansiyelini açıklamak ve ölçmek için kullanılır.
Pratik amaçlar için, potansiyellerin ifade edilebileceği ve karşılaştırılacağı ortak bir referans noktası tanımlamak yararlı olacaktır. Bu sonsuzluk da olabilirken, daha kullanışlı bir referans Dünya'nın ta kendisidir. Dünya'da her yerde potansiyel aynı kabul edilir. Bu referans noktası Dünyada yeryüzü olarak kabul edilir. Dünya, sonsuz miktarda artı ve eksi yükler barındırıyor olarak kabul edilir. Bu nedenle elektriksel olarak yüksüzdür veyahut yüklenemez.
Elektrik potansiyeli, skaler bir niceliktir, yani yalnızca büyüklüğü vardır ve yönü yoktur. Yükseklikle analog olarak görünebilir; aynı objeleri yüksekten kütle çekim alanına bırakırsak, düşecektir aynı elektrik alanda voltajdan kaynaklanan farkta olduğu gibi. Aynı haritalarda eşit yükseklikte olan noktaların işaretlendiği gibi, elektrik potansiyelinde de aynı potansiyele sahip yüzeyler işaretlenebilir, bunlara da eş potansiyel yüzeyler denir. Eş potansiyeller, tüm kuvvet çizgilerine dik açılardan geçer. Ayrıca bir iletken yüzeyine paralel durmaları gerekir. Aksi halde, bu durum yükleri hatta eş potansiyel yüzeyleri dahi hareket ettirecek bir kuvvete neden olur.
Elektrik alanı, resmi olarak, birim yük başına uygulanan kuvvet olarak tanımlandı. Ancak potansiyel kavramı daha kullanışlı ve eşdeğer bir tanım sağlar: Elektrik alanı, elektrik potansiyelinin çapraz hareketidir. Genellikle metre başına volt cinsinden ifade edilir. Alanın vektör yönü potansiyelin en büyük eğimi olan çizgidir ve eş potansiyellerin birbirine en yakın bulunduğu yerdir.
Elektromıknatıslar
Orsted, 1821'de akım taşıyan bir telin etrafında manyetik alanın var olduğunu bulmuştur. Böylece elektrik ile manyetizma arasında direk bir ilişki olduğu keşfedildi. Üstelik bu etkileşim, doğada bilinen iki temel kuvvetten, elektrostatik kuvvetlerden ve kütle çekim kuvvetlerinden farklıydı. Pusula iğnesi üzerindeki kuvvet, onu akım taşıyan telin üzerine ya da dışına yönlendirmekten ziyade ona doğru açı yaptırıyordu. Orsted'in belirsiz sözleri "elektrik çatışmasının döngüsel bir biçimde hareket ettiği" idi. Kuvvet aynı zamanda akımın yönüne bağlıdır, eğer akış tersine döndüyse, o zaman güç de yapardı.
Orsted keşfettiği şeyi tam olarak anlamamıştı, ancak gözlemlediği etki karşılıklıdır. Akım magnetlere, manyetik alanlar da akım üzerine kuvvet uygulayabiliyordu. Bu olay daha sonra Andre Marie Ampere tarafından incelendi. Ampere akım taşıyan iki paralel telin birbirine kuvvet uyguladığını, akım paralelse birbirlerini çektikleri, akımlar zıt yöndeyse birbirlerini ittiklerini keşfetti. Aynı yönde akım ileten iki tel birbirine çekildi, zıt yönlerde akım içeren kablolar zorla ayrıldı. Bu etkileşim uluslararası olarak Amper tanımı diye bilinir.
Manyetik alan ve akım arasındaki ilişki çok önemlidir. Michael Faraday 1821 yılında bu ilişkiyi kullanarak elektrik motorunu icat etmiştir. Bu tek kutuplu motor içinde permanant bir magnet vardır ve cıva havuzunun iki ucuna yerleştirilmiştir. Magnete kablo tarafından tanjant bir kuvvet uygulanır. Magnet, akım var olduğu sürece bir daire çizmeye devam eder.
1832 yılında Faraday yapılan deneylerde kablo, uçları tarafından oluşturulan potansiyel farka paralel olarak hareket eder. Daha sonraları yapılan analizler, elektromanyetik indüksiyon olarak bilinir, bu prensibi oluşturmasına imkan tanımıştır. Bu prensip bugün "Faraday İndüksiyon Yasası" olarak bilinir. Kapalı devredeki potansiyel fark, bu devrede değişen manyetik akıyla orantılıdır. Bu keşif, 1831 yılında ilk elektrik jeneratörünün yapılmasına olanak sağlamıştır. Bu jeneratörde bir bakır disk mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir. Faraday diski pratik bir jeneratör oluşturmak için elverişli değildi. Fakat bu durum, manyetizmayı kullanarak elektrik gücü üretmenin mümkün olduğunu gösterdi.
Elektrokimya
Kimyasal reaksiyonların elektrik üretebilmesi ve tersine elektriğin kimyasal tepkimeler vermesi geniş kullanım yelpazesine sahiptir.
Elektrokimya her zaman elektriğin önemli bir parçası olmuştur. Elektrik üreten pillerin ilk keşfinden itibaren, elektrokimya hücreleri de pek çok farklı bataryalar var etmiştir. Alüminyum bu yolda çok farlı nicelikler oluşturmuştur ve elektrik gücü ile çalışan, tekrar şarj edilebilen hücreler üretilmiştir.
Elektrik devreleri
Elektrik akımı, elektrik bileşenleri arasında elektrik yükleri akışı tarafından oluşturulan bir bağlantıdır, kapalı bir devrede oluşur. Genellikle, çok yararlı işler için kullanılmaya elverişlidir.
Elektrik devresinin bileşenleri pek çok farklı şekillerdedir. Örneğin bu bileşenlerden bazıları transistörler, dirençler, kapasitörler ve düğmelerdir. Elektrik devreleri, bazı aktif bileşenler de içerir, yarı iletkenler buna örnektir. En basit devre elemanları pasif ve doğrusal olarak nitelendirilir. Geçici olarak enerjiyi depolarken, hiçbir kaynak içermezler ve uyaranlara doğrusal tepkiler sergilerler.
Direnç, belki de pasif devre elemanlarından en basitidir. Adından da anlaşılacağı üzere, enerjisini ısı olarak tüketerek enerjiye karşı direnir. Direnç, yüklerin hareketinin bir sonucudur. Örneğin metallerde, direnç öncelikle elektronlar ve iyonlar arasındaki çarpışmalardan kaynaklanmaktadır. Ohm yasası, devre teorisinin basit bir yasasıdır. Bu yasa, direncin üzerinden geçen akımın, potansiyel farkla direk alakalı olduğunu söyler. Pek çok maddenin direnci, büyük bir sıcaklık aralığında ve belli bir akımda sabittir. Bu tarz maddelere, ohmik maddeler denir. Ohm, direncin birimi olarak George Ohm'un anısına verilmiştir. Yunanca Ω harfi ile simgelendi. 1 Ω, bir amplifikatörün akımına tepki olarak bir voltaj farkı üreten dirençtir.
Kondansatör, Leyden kavanozunun bir gelişimidir. Şarjı depolayabilen ve sonuç olarak ortaya çıkan alanda elektrik enerjisi depolayan bir cihazdır. Arada bir dielektrik madde ile iki iletken levhadan oluşur. Böylece, birim hacimdeki alan arttırılmış olur ya da kapasite oluşturulur, bu da kondansatörü oluşturur. Kondansatörün birimi Farad'dır ve F sembolü verilmiştir. Bir Farad, bir coulomb yükle yüklenmiş bir kondansatör bir voltluk potansiyel fark üretebildiği değerdir. Kondansatör, bir güç kaynağına bağlandığı anda yük depolamaya başlar. Kondansatör zamanla doldukça bu akım da zamanla azalır. Kondansatörün olduğu bir devrede bu nedenle sabit bir akım olmaz, bunun yerine sabit akımı kısıtlar.
İndüktör, enerjiyi manyetik alana akan akıma yanıt olarak depolayan bir iletkendir. Genelde bir bobine satılı tellerden oluşur. Akım değiştiğinde, manyetik alan da değişir böylece iletkenin uçları arasında bir gerilim indüklenir. İndüksiyon gerilimi, akımda zamanla meydana gelen değişimle orantılıdır. Bu sabit oran indüktans olarak adlandırılır. Birimi Henry'dir ve Joseph Henry'nin adına ithaf edilmiştir. Henry, Faraday'ın çağdaşıdır. İndüktansta bir Henry, eğer akım saniyede bir amper değişiyorsa bir volttur. İndüktörün davranışı bazı bakımlardan kapasitörün davranışına ters düşer.Değişmeden kalan bir akıma serbestçe izin verirken hızla değişen akımı kısıtlar.
Elektrik gücü
Elektrik gücü, elektrik devresi tarafından transfer edilen elektrik enerjisinin miktarıdır. Gücün SI birimi, watt'dır ve saniyedeki joule miktarıdır.
Elektrik üretimi genelde elektrik jeneratörleri tarafından yapılsa da, bazı kimyasal kaynaklar tarafından mesela elektrik bataryaları tarafından sağlanabilir. Elektrik gücü genelde iş ve evler için, elektrik santrallerince sağlanır. Elektrik genelde kilowatt saat (3.6 MJ) olarak satılır, yani bir saatte üretilen kilowatt cinsinden güçtür. Elektrik hizmetleri müşteriye iletilen elektrik enerjisinin toplam kullanım tutarını tutan elektrik sayaçlarını kullanarak ölçer. Fosil yakıtlardan farklı olarak, elektrik düşük bir entropidir. Yüksek verimlilik ile harekete çevrilebilir.
Elektronik
Elektronik, elektrik devreleri ile uğraşır ve aktif elektrik bileşenleri ile beraber olur, örneğin transistorler ve diyotlar gibi. Aktif bileşenlerin doğrusal olmayan davranışları, elektronların akışını kontrol edebilmeyi sağlar. Bilgi sistemlerinde, telekomünikasyonda ve sinyal sistemlerinde kullanılır. Elektronik cihazların aç - kapa özellikleri dijital bilgiler sağlar. Devre kartları, elektronik paketleme teknolojisi ve diğer iletişim altyapısının çeşitli biçimleri gibi ara bağlantı teknolojisi, tam devre işlevselliğini tamamlar ve karışık bileşenleri düzenli bir çalışma sistemine dönüştürür.
Günümüzde, çoğu elektronik cihazlarda, elektriğin kontrolünü sağlamak için yarı iletken bileşenler kullanılır. Yarı iletken cihazlar ve bunlarla alakalı teknolojinin branşları Katı Hâl Fiziği olarak geçer. Pratik problemleri çözmek için elektronik devrelerin tasarımı ve inşası elektronik mühendisliğinin alanına girmektedir.
Elektromanyetik dalga
Faraday'ın ve Amper'in çalışmaları, zamanla değişen bir manyetik alanın, bir elektrik alan oluşturabileceğini gösterdi. Bu fenomen, iki alan da zamanla değiştiğinde, bir alan diğerini indüklemiş olmak zorundadır. Bu olay dalga özelliğidir ve doğal olarak elektromanyetik dalgaya karşılık gelir. Elektromanyetik dalgalar, teorik olarak James Clerk Maxwell tarafından 1864'te analiz edilmiştir. Maxwell, elektrik alanı, manyetik alan, elektrik yükü ve elektrik akımı arasındaki ilişkiyi net bir şekilde tanımlayabilen bir dizi denklem geliştirdi. Hatta bu tarz dalgaların ışık hızında hareket etmesi gerektiğini de kanıtlamıştır. Bu nedenle, ışık kendisi bir elektromanyetik radyasyondur. Maxwell Yasası bunu söyler. Bu fiziğin kilometre taşlarından birisidir.
Birçok araştırmacının çalışmaları, sinyalleri yüksek frekansta titreşimli akımlara dönüştürmek için elektroniğin kullanımını sağladı. Elektrik, uygun biçimde şekillendirilmiş iletkenler vasıtasıyla, bu sinyallerin çok uzak mesafelerde radyo dalgaları yoluyla iletilmesini ve alınmasını sağlar.
Üretim ve kullanımlar
Üretim ve iletim
MÖ 6. yüzyılda ünlü Yunan düşünür Miletli Tales, kehribar çubukla yaptığı deneyler, elektrik enerjisi hakkındaki ilk çalışmalardır. Bu metot sürtünme ile elektriklenme olarak bilinir ve hafif objeleri kaldırabilir ve kıvılcım oluşturabilir, ancak son derece verimsizdir. 18. yüzyıla kadar elektrik üreten piller icat edilemedi. Bu tarihten sonra elektrik kullanılabilir hale geldi. Elektrik üreten piller, elektrik bataryalarını oluşturdu ve enerji kimyasal olarak depolandı. Bataryalar, pek çok ortak çalışmaya uyum sağlayabilir. Ancak, barındırabileceği enerji miktarı sınırlıdır. Bir kez boşaldığında, tekrar yüklenmesi gerekir. Çok büyük elektrik gereklilikleri için, elektrik enerjileri transit olarak oluşturulmalı ve iletken olarak devam etmelidir.
Elektriksel güç genelde elektro-mekanik jeneratörler tarafından fosil yakıtlarla üretilir, rüzgar veya akan sudan çekilen kinetik enerji gibi diğer kaynaklardan alınabilir. Modern buhar türbini Sir Charles Algernon Parsons tarafından 1884'te icat edildi ve bugün dünyada kullanılan elektik gücünün yaklaşık yüzde 80'ini üretiyor. Bu tarz jeneratörler, Faraday'ın 1831 yılında ürettiği disk jeneratörünün prensipleri ile hiç alakası yoktur, ancak bu cihazların prensipleri hala elektromanyetik bilgilere dayanır. On dokuzuncu yüzyılda transformatörlerin icadı, elektrik gücünün daha verimli ve daha yüksek voltajla fakat daha düşük akımla taşınabilmesine imkan tanıdı. Verimli bir elektrik transmisyonu, yerleşik güç istasyonlarında oluşturulabilir. Ekonomik boyutta bu kazançlıdır. Aynı zamanda ihtiyaç duyulduğunda çok uzaktaki yerlere de taşınabilir.
Elektrik enerjisi uluslararası ihtiyacı karşılayabilecek kadar büyük boyutlarda kolayca depolanamadığı için, her zaman ihtiyacı karşılayacak kadarının üretilmesi gerekiyor. Bu nedenle elektriği kamuya sunan kuruluşların birikimle ilgili doğru öngörüler yapabilmesi, güç istasyonlarında koordinasyonu sürdürmeleri gerekir. Elektrik şebekesinde kaçınılmaz manyetik bozulmalara ve kayıplara karşı zararı azaltmak için belli miktarda üretim daima yedekte tutulmalıdır.
Uluslar modernleştikçe ve ekonomi geliştikçe, elektriğe olan talep de artmaya başladı. Yirminci yüzyılın ilk üç on yılında, Amerika Birleşik Devletlerinde her yıl elektriğe duyulan ihtiyaç yüzde 12 arttı. Bu artış şu anda da ekonomisi gelişmekte olan Çin ve Hindistan gibi ülkelerde deneyimleniyor. Tarihsel olarak, elektriğe duyulan ihtiyacın artışı diğer enerjilere duyulan ihtiyaçtan daha fazladır.
Elektrik üretimi ile ilgili endişeler, yenilenebilir enerji kaynaklarına duyulan ilginin artmasına neden oldu, özellikle rüzgar enerjisi ve hidrolik santraller. Elektrik üretiminin çevreye olan etkisi üzerine yapılan tartışmalar devam etse de, son durum eskisine nispeten oldukça temizdir.
Uygulamalar
Elektrik enerjiyi transfer etmek için oldukça elverişli bir yöntemdir ve pek çok şekilde kullanıma uygundur. Akkor lambanın 1870'de icat edilmesi ile, ışıklandırma halka açık bir hale geldi. Elektriklenme tehlikelere sahip olsa da, açık alevler ve gaz lambaları yerine kullanılması yangınları oldukça önledi. Kamu hizmetleri elektrik aydınlatmasını için hedef alan birçok şehirde kuruldu.
Elektrik aynı zamanda ısı için de kullanılır. Örneğin Filament ampuller. Elektrikle ısınma kontrol edilebilirken, israf olarak görünebilir, çünkü pek çok elektrik güç istasyonunun, ısı üretebilmesi için zaten belirli bir miktar elektrik kullanması gerekir. Danimarka gibi bazı ülkeler yeni binalarda elektriğe direnç gösteren ısı kulanımını yasaklayan veya kısıtlayan bir yasa çıkardı. Bununla birlikte, elektrik hala ısıtma ve soğutma için oldukça pratik bir enerji kaynağıdır. Elektrik ihtiyacı doğrultusunda ısıtma ve soğutmayı kolaylaştıran elektrik hizmetlerinin sağlamak zorunda olduğu hizmet yükümlülüğü giderek artmaktadır.
Elektrik iletişimde kullanılır, örneğin 1837'de Cooke ve Wheatstone tarafından ticari olarak gösterilen elektrikli telgraf en eski iletişim uygulamalarrından biridir. 1860'larda trans-atlantik telgraf sistemlerinin kurulmasıyla birlikte elektrik, dünya çapında iletişim için kullanılır bir hale geldi ve daha sonraları optik fiberler ve uydu iletişimi ile de bir iletişim marketi oluşturmuştur.
Elektromanyetizmanın etkileri en açık şekilde elektrik motorlarında gözlemlenebilir. Vinç gibi hareketsiz bir motora kolayca bir güç kaynağı verilebilir ancak elektrik uygulaması ile birlikte hareket eden bir motor, ya batarya ya da bir güç kaynağı taşımak zorundadır veya pantograf gibi hareketli bir bağlantıdan akım toplamak şartıyla kullanılabilir.
Yirminci yüzyılın en önemli icatlarından transistör de elektronik cihazların kullanımıyla oluşmuştur. Modern devrelerin temel bir yapısıdır. Modern eklemeli devreler sadece birkaç santimetre karelik alanda birkaç milyar minyatür transistör barındırabilir.
Elektrik, aynı zamanda, elektrikli otobüsler ve trenler de dahil olmak üzere toplu taşıma araçlarını harekete geçirmek için kullanılır.
Elektrik ve doğal dünya
Fizyolojik etkiler
Bir insan vücuduna uygulanan bir voltaj dokularda bir elektrik akımına neden olur ve ve ilişki doğrusal olmamasına rağmen voltaj arttıkça akım da o kadar büyük olur. Algılama eşiği, frekans kaynağına ve akım yoluna bağlı olarak değişir ancak belli koşullar altında elektro titreşim etkisi olarak bir mikroamp kadar düşük bir akım tespit edilebileceği halde, ana frekans elektriği için yaklaşık 0.1 mA ila 1 mA arasındadır. Elektriğin neden olduğu acı şok edici olabilir. Bu nedenle elektrik, bazı zamanlarda bir işkence yöntemi olarak da kullanılmaktaydı. Elektroşok, elektrik şoku ile ölüme verilen isimdir. Elektroşok, son zamanlarda azalmış olsa da, hala bazı yargı hükümlerinde idam için kullanılmaktadır.
Doğadaki elektrik olayları
Elektrik, insanların bulduğu bir olay değildir ve doğada çeşitli şekillerde gözlemlenebilir. Gözlemlenebilen en belirgin olay yıldırımdır. Makro boyutta, dokunma, sürtünme ve kimyasal bağlar, elektrik alanların atomik boyutlardaki etkileşimlerinden kaynaklanır. Dünya'nın manyetik alanı gezegenin çekirdeğinde dolaşan akımların doğal bir dinamiğidir. Gezegenin çekirdeğinde meydana gelen çembersel akımdan kaynaklanır. Belli kristaller, kuartzlar ve hatta şeker bile dış baskıya maruz kaldığında, yüzleri arasında fark oluşturur. Bu fenomen piezoelektrik olarak bilinir. Piezoelektrik , 1880 yılında Pierre ve Jacques Curie tarafından keşfedilmiştir. Etki karşılıklıdır ve piezoelektrik madde, elektrik alana maruz kalan maddedir ve fiziksel boyuttaki ufak değişimler yer alır.
Köpekbalığı gibi bazı canlılar, elektriksel değişimleri algılayabilirler. Bu yetenekleri elektro perspektif olarak bilinir. Elektrojenik olarak adlandırılan diğerleri ise, kendilerine yırtıcı olarak ya da savunma silahı olarak voltaj oluşturabilirler. En iyi bilinen örnek, elektrik yılanbağı, elektrolit adı verilen kas hücrelerinde değişiklik yapılarak üretilen yüksek voltajlar yoluyla avlarını belirlemekte ya da sersemletebilmektedir. Bütün hayvanlar, hücreleri arasında bilgi taşımak için elektrikten yararlanır ve böylece sinir sistemlerinde nöronlar ve kaslar arasında bilgi taşıyabilirler. Bir elektrik şoku bu sistemi uyarır ve kaslar kasılmasına neden olur. Bazı bitkilerde de bu döngü, hareketlerin oluşumunda görev alır.
Kültürel algı
1850 yılında William Ewart Gladstone, bilim adamı Faraday'a elektriğin neden bu kadar değerli olduğunu sordu. Faraday'da "Efendim, bir gün üzerine vergi koyabilirsiniz." dedi.
On dokuzuncu yüzyıl ve yirminci yüzyılın başlarında, elektrik günlük hayatın bir parçası olacak kadar değerli değildi. Hatta endüstriyel Batı da bile elektrik kullanımı yaygın değildi. Popüler kültür, ilk zamanlarda bunu gizemli ve sihirli bir olay, yaşama ve ölüme karar veren bir mekanizma olarak gördü ve doğanın bir yasası olduğuna karar verdi. Bu tutum 1771 yılında Luigi Galvani'nin yaptığı deneylerle başladı. Bu deneyde Galvani, ölmüş kurbağaların bacaklarındaki oynamaları keşfetmesi ile oldu. Revitalizasyon veya ölmüş ya da boğulmuş insanların dirilme hikâyeleri Galvani'nin çalışmalarından sonra başladı. Bunlardan biri Mary Shelley'in Frankenstein (1819) isimli eseridir. Halbuki bu kitapta yazar, yaratığın diriliş yönteminden bahsetmemiştir. Daha sonraları, yaratıkların diriltilme hikâyeleri, korku filmlerinin ana ögelerinden biri haline geldi.
İkinci endüstriyel devrimin yaşam kaynağı elektriğe olan yakınlık arttıkça, yetkililer, elektriği paylaştılar. Her çeşit elektrikli araç, Jules Verne ve Tom Swift kitaplarının serüven hikayelerinde geniş yer buluyordu. Kurgusal ya da gerçek olsun, Thomas Edison, Charles Steinmetz ya da Nikola Tesla gibi bilim adamları da dahil olmak üzere sihirbaz benzeri güçlere sahip olmaktan memnundu.
Elektrikle birlikle gelen durmadan yenilenme ve elektriğin gündelik hayatın vazgeçilmez bir bütünü olması yirminci yüzyılın yarısına kadar uzadı. Popüler kültür tarafından sadece akışı durduğu zaman dikkat çekti hatta genelde felaket sinyali olarak yorumlandı. Bu akışı sağlayan kişiler, Jimmy Webbin, Wichita Lineman şarkısındaki gibi (1968), kahraman ve büyücü gibi figürler olarak düşünülürler.