www.1bilgi.com

7.2 Kullanılan Malzeme: Elektrikli Aydınlatma Lambaları Okul düzeyi: 11. sınıflar Ä°lgili Bölüm: Işık (Bölüm 1) Işık Teorileri (Bölüm 3) Konu: -Işık nedir, nasıl yayılır, -Işığın dalga modeli, -Işığın tanecik modeli. Süre: 2 saat. Hedef: Odaların aydınlatılmasında kaç wattlık lambalar kullanılmalı, Aydın-lanmaların baÄŸlı olduÄŸu faktörleri tanımlamak. Aydınlanma ÅŸiddetini hesaplama. Aydınlanma ÅŸiddetini ölçme, ışıklarla ilgili problemleri çözme. Seri ve paralel baÄŸlı devrelerde potansiyel ve akım bölünmesi olaylarını kavramak. Araç-Gereç: Lambalar, güç kaynağı, kapalı ortamlar, baÄŸlantı kabloları, voltmetre ve ampermetre. Uygulama: Laboratuar ÅŸartlarında basit elektrik devreleri kurulabilir. Paralel ve seri baÄŸlı devrelerin akım, potansiyel ve dirençlerin hesabını yaparak bunlar arasındaki iliÅŸki iÅŸlenebilir. Odaların aydınlatılmasında, kaçar watt’lık lambalar kullanılacağını öğrenebiliriz. Tanımlar: Aynı iÅŸaretli elektrik yükleri hareket ettiÄŸi zaman bir akımın varlığından söz edilir. Bir elektrik yükü yani bir elektron durmakta ise etrafında sadece elektrik alanı oluÅŸturur. Bu yük hareket halinde ise hem elektrik hem de manyetik alanı oluÅŸturur. Bu ise hareket halindeki bir yükün, etrafında elektromanyetik bir dalga oluÅŸturacağı anlamındadır. 7.2.1 Akım nasıl oluÅŸur: Bir telden birim zamanda geçen yük miktarına akım denir, i ile simgelenir, boyutu Amper ’dir. Elektrik yüklerinin bir iletkenden geçiÅŸi elektrik akımını doÄŸurur. Bir bataryanın kutupları arasına baÄŸlanan bir iletkenin iki ucu arasında bir potansiyel farkı meydana gelir. Bu potansiyel farkı, iletken içinde bir elektrik alanı ( E ) oluÅŸturur. Bu alan içindeki serbest yükleri, elektrik kuvveti = q. ………………………………………….. ………………………………………….. …… 6.7 etkisi ile hareket ederek elektrik akımını oluÅŸturur. (KAYA, A. ve ÇAKIR, H., 1996) OluÅŸan akım ise aÅŸağıda verilen bir büyüklüğe sahiptir. i = q / t q: Yük (coulomb) t: Süre (saniye) A B l: telin boyu + V - Åžekil 7.5 : AB iletkenin uçlarına V potansiyeli uygulanır ise iletkende yönü (+)’dan, (-)’ye doÄŸru bir elektrik alanı oluÅŸur. 7.2.2 Alternatif akım: Sinüs deÄŸiÅŸimi gösteren elektro motor kuvvet’lerine alternatif emk, bu yoldan elde edilen akımlara da alternatif akım denir. (ÖZDEMÄ°R, B., vd., 1993) Alternatif akım, eÅŸit zaman aralıklarında periyodik olarak deÄŸiÅŸen akımdır. Alternatif akımı üreten jeneratörlere de alternatör denir. Alternatörde kutuplar devamlı deÄŸiÅŸir. Çünkü alternatörün içerisinde bulunan bobin dönme hareketi yaparken, bobin üzerinden akım alan fırçalar sabit kalmaktadır. Bobinin her hareketinde, üzerinde bulunan sabit uçlar, fırçalara sırası ile akım verirler. Bu ise fırçalar tarafından bir (+) yönde bir (-) yönde akım alması anlamındadır. Bu deÄŸiÅŸim elektronların hareketi açısından ivmeli bir harekettir. Alternatif akımın ısı ve manyetik etkisi vardır. Alternatif bir potansiyel,  = Vm sin (w t) Vm: AC jeneratörünün pik voltajı, voltaj genliÄŸidir veya etkin deÄŸeri. w açısal hızı ise 2f veya 2/ T’dir. f kaynağın frekansı, alternatör içerisindeki bobinin bir saniyedeki dönme sayısı ve T ise periyodudur, bobinin bir dönme hareketi için geçen süredir. Bu potansiyelin bir R direncindeki oluÅŸturduÄŸu akım ise iR = v / R = (Vm / R). sin(wt) iR = im sin(w t) burada im im = Vm / R’ dir. (Komisyon, Özet Konu Anlatımlı Fizik, 1998) Türkiye’de ÅŸebeke cereyanlarında frekansı 50Hz olan akım kullanılmaktadır. ABD’de ticari elektrik güç santralleri ise w=377 rad/s karşılık gelen f=60 Hz frekansı kullanılır. (SERWAY, 1996) Åžekil 7.6 Bir direncin içerisinden geçen akım, uçları arasındaki voltaj- zaman fonksiyonu olarak çizimleri. (ÖZDEMÄ°R, B., vd., Fizik II, sh.162) 7.2.3 Elektrik akımının ısı etkisi: İçerisinden akım geçen tel ısınır. Bu telin direnci R , içerisinden geçen akım i ve akımın etkin olduÄŸu süre t ise açığa çıkan enerji, W = i2 .R .t ………………………………………….. ………………………………………….. …. 6.8 W:Enerji (Joule) i: Akım (Amper) R: Direnç (Ohm) t: Zaman (saniye) i2 .R .t’ye R direncinde ısıya dönüşen enerji denir. Elektriksel güç: Ãœzerinden alternatif akım geçen R direncinde harcanan güç P = W /t Denklemde denklem 6.8’deki W yerine yazılarak, P = i2 .R .t /t P = i2 .R = i.V ………………………………………….. ………………………………………… 6.9 bulunur. Veya ortalama güç, P = Ve.ie cos (Komisyon, Özet Konu Anlatımlı Fizik, 1998) 7.2.4 Işık ve ışık akısı: Işık: Elektromanyetik bir dalgadır. DoÄŸru boyunca yayılır, saniyede aldığı yol 299 792 458 m’dir. Işık hakkında bir çok fikir vardır. Bunlardan bazıları şöyledir. Işığın tanecik yapısı, ilk defa Compton tarafından gösterilmiÅŸtir. Bir foton ile elektronu çarpıştırarak saçılmalarını gözlemiÅŸtir. Fotoelektrik olay da ışığı tanecik modelini destekleyen bir deneydir. (KARAKOÇ, Y., 1992) Tanecik Modelinin ışık hakkında bize ÅŸu bilgileri vermektedir. • Işığın doÄŸrultu boyunca yayılması. • Işığın birbiri içinden geçiÅŸi. • Işınların bir yüzeyde meydana getirdikleri aydınlanma. • Işığın bir yüzeye çarptığında bir basınç uygulaması • Işığın soÄŸurulması. • Işığın bir yüzeyden yansıması. • Işığın boÅŸlukta yayılması. Tanecikli yapının açıklayamadığı hususlar ise. • Işığın kırılması. • Işığın aynı anda yansıması ve kırılması. • Işığın dar bir yarıktan geçerken kırınıma uÄŸraması. • GiriÅŸim olayı. Işığın dalga modeli ise aÅŸağıdaki olaylara çözüm getirmiÅŸtir. • Işığın bir yüzeyden yansıması. • Işığın kırılması. • Işığın aynı anda yansıması ve kırılması. • Işığın giriÅŸimi ve kırınımı. • Işığın etkilenmeden birbiri içinden geçiÅŸi. Dalga modelinin açıklayamadığı olaylar ise. • Ayrılma olayı. • Işığın boÅŸlukta yayılması. (Komisyon, Özet Konu Anlatımlı Fizik, 1998) Maxwell Elektromanyetik Kuramını ortaya atarak üçüncü bir Teori ortaya çıkmıştır. Bu kurama göre ışık etrafa tanecikler gibi hareket etmekte ve bu taneciklere bir dalga eÅŸlik etmektedir. Bu dalgada hem elektrik alanı hem de manyetik alan bulun-maktadır. Modern dalga teorisinde, ışık bir parçacık hareketi ve bu parçacığa eÅŸlik eden bir dalga mevcuttur. Parçacıkları fotonlar oluÅŸtururlar. Aslında hareket eden her parçacığa bir dalga eÅŸlik eder. Bazı parçacıkların hızları yeterince büyük olmaması, kendilerine eÅŸlik eden dalgaların dalga boyları da çok küçük olduÄŸundan ölçülemezler. Maxwell denklemleri modern dalga teorisini çok iyi bir ÅŸekilde açıklamıştır. Işık akısı: Bir ışık kaynağının birim zamanda yayınladığı görünür ışık enerjisine ışık akısı denir. Φ ile simgelenir, ışık akısı birimi lümen’dir. Bir yüzey aydınlatıldığında, yüzey üzerine düşen görünür ışık enerjisinin bir kısmını tutup, bir kısmını yansıtır. Yüzeyden yansıyan görünür ışık miktarına (enerjisine) yüzeyin parlaklığı denir. (AKBAY, A.,N., 1992) Işık ÅŸiddeti 1 candela olan bir noktasal kaynaktan 1 m uzaklıkta, ışınlara dik olarak düzenlenmiÅŸ 1 m2’ lik yüzeye gelen ışık akısı bir (1) lümendir. ( Prof. Dr. EKEM, N., 1997) 7.2.5 Aydınlanma ÅŸiddeti: Birim yüzeye düşen ışık akısıdır. Işık akısı ile simgelenir birimi lümendir. Aydınlanma ÅŸiddetinin birimi lüks (lx). S yüzey büyüklüğü ise aydınlanma ÅŸiddeti, E = / S dir. ………………………………………….. ……………………………………… 6.10 I ÅŸiddetindeki bir ışık kaynağı r yarı çaplı bir kürenin merkezinde ise Φ = 4 I ………………………………………….. ………………………………………….. ….. 6.11 ve küre yüzeyi S = 4r2 olduÄŸundan küre yüzeyindeki aydınlanma ÅŸiddeti, bağıntı 6.12’deki gibi olur. (ÖZDEMÄ°R, B., vd., 1993) Aydınlanma ÅŸiddeti kaynaktan uzak-laÅŸtıkça azalır. 7.2.6 Fotoelektrik dedektör: Işık ÅŸiddetini ölçmeye yarayan aletlere denir. Işığın absorba edilmesi absorba eden metal üzerinden elektron kopartılır. Bu elektronlar devreden akım olanağı saÄŸlarlar. Akımın ÅŸiddeti ışığın ÅŸiddeti ile doÄŸru orantılıdır. Åžekil 7.7’deki ışık kaynağından l uzaklıkta bulunan A noktasına konan bir fotoelektrik dedektörün ölçtüğü ışık ÅŸiddeti I ise, l mesafe uzaklıkta bulunan B noktasındaki ışığın ÅŸiddeti I/22 . EÄŸer detektör C noktasında ise ışık ÅŸiddeti I/32 ÅŸeklinde deÄŸiÅŸir. Öyle ise ışık ÅŸiddeti uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. Işık kaynağı l l l A B C Åžekil 7.7: Işık, kaynaktan uzaklaÅŸtıkça (A, B, C noktalarının) aydınlanması azalır. E = I / (l 2) ………………………………………….. ………………………………………….. …. 6.12 E lüks (lx), l metre (m), I candela (cd) Oda ortamlarını daha fazla aydınlatmak, hem enerjinin israfı hususunda sakıncalı, hem de ışığın yoÄŸunluÄŸu saÄŸlığımıza zarar vereceÄŸinden sakıncalıdır. Artık teknoloji saÄŸlığımıza zarar vermeyen, enerji sarfiyatını düşüren, göz saÄŸlığımızı koruyan lambalar icat etmiÅŸtir. 7.2.7 Lambaların seri ve paralel baÄŸlanması. Seri baÄŸlanma: Lambaların uç uca baÄŸlanması ile elde edilen devreye denir. DiÄŸer bir deÄŸiÅŸle, akım kendisini tek bir koldan tamamlıyor ise seri baÄŸlanmadır. Seri baÄŸlanma potansiyel bölünmesine sebep olacaktır. Her devre elemanı üzerinde potansiyel bölünmeye uÄŸrayacağından, daha düşük potansiyel altında lambalar yanacaktır. Hem seri baÄŸlanmada dirençlerin toplamı artacağından devreden geçen toplam akım da düşecektir. (bkz. Bölüm 2.1) Paralel baÄŸlanma: Bir devredeki lambaların bir uçları bir noktada, diÄŸer uçları baÅŸka bir noktada birleÅŸtirilerek kurulmuÅŸ devrelerdir. Veya akım kendisini birden fazla kola ayırarak tamamlıyorsa paralel baÄŸlıdır denir. Paralel baÄŸlanmada akım bölünmesi gerçekleÅŸecektir. Her bir devre elemanı aynı potansiyelle besleneceÄŸinden, ana koldan daha fazla akım geçmesi mümkün olacaktır. Paralel baÄŸlanmada toplam direncin deÄŸeri düşeceÄŸinden devreden geçen akım da büyümüş olacaktır. (bkz.Bölüm .2.1) Ohm Kanunu: Bir devre elemanı üzerindeki potansiyelin, o devreden geçen akıma oranı sabittir, R ile ifade edilir ve o elemanın direnci denir. R = V / i ………………………………………….. ………………………………………….. …… 6.13 Evlerde kullanılan aydınlatma lambaları: Evlerimizin aydınlatılmasında lambalardan faydalanırız. Ampuller veya flouresans lambalar elektrikli aydınlatma lambalarıdır. Ampuller, içerisinden geçen akım ÅŸiddetinin ısı etkisi, tungustenden ya-pılmış fitilin akkor hale gelmesi ile etrafa ışık enerjisi yayarlar. Flouresans lambalarda ise uyarılmış gaz atomlarının, temel enerji konumuna geçerken ışık enerjileri yayarlar. Bu enerjileri odaların aydınlatılmasında kullanırız. Ampul lambalar sarf ettikleri elektrik enerjisi, flouresans lambalardan daha fazladır. Flouresans lambalar ise sıklıkla açılıp kapanması sakıncalıdır. Çünkü bu lambalar açıp-kapama esnasında elektrik devresinde fazla akım çekerler. Uzun süre aydınlatılmanın ihtiyaç duyduÄŸu odaların flouresans lambalarla, kısa süreli ve sıklıkla kullanılan odaların aydınlatılması da ampul lambalar ile saÄŸlanmalıdır. Örnek 3: P1=60W, P2= 68W ve P3=100 wattlık üç lambayı ÅŸebeke cereyanına seri ve paralel ayrı ayrı baÄŸlayalım. Her bir baÄŸlanmada devreden geçen akımı ve her lamba üzerindeki potansiyel farklarını bulalım. Çözüm:Paralel baÄŸlı devrelerde, potansiyel farkları eÅŸit ve kaynağın potansiyeli ile aynıdır. V = V1 = V2 = V3 = 220volt P = i2 R ………………………………………….. ………………………………………….. ……. 6.14 P = i.V’den i = P / V i1 = 60 /220 = 0,272 A olduÄŸundan P = i2 R bağıntısından R1 = 810 ohm i2 = 80 /220 = 0,363 A olduÄŸundan P = i2 R bağıntısından R2 = 607 ohm i3 = 100 /220 = 0,454A olduÄŸundan P = i2 R bağıntısından R3 = 485 ohm it = 1.079A Seri baÄŸlanmada, devreden geçen akımlar eÅŸit, her bir lamba üzerine düşen potansiyeller farklıdır. (HALÄ°S, T., 1994) Toplam akım için, Rt = 810 + 607 + 485 = 1902 ohm it = V / Rt’ den it = 0,116 A i1 = i2 = i3 (Seri baÄŸlanmalarda akımla reÅŸit.) V1 = it.R1 = 0,116.810 = 94 volt V2 = it.R2 = 0,116.607 = 70 volt V3 = it.R3 = 0,116.485 = 56 volt Örnek 4: ÅŸekil 7.8’de verilen elektrik devresinde 5 ohm’luk üç direnç seri baÄŸlanmıştır. Devre 45 voltluk bir potansiyelle beslendiÄŸine göre devrelerden geçen akımları bulalım. Bu arada devrenin t=5 saniye ’de harcadığı enerjiyi ve devrenin toplam gücünü bulalım Åžekil 7. 8: Örnek ( 4 ) için. Rt = R1 +R2+R3 ………………………………………….. ………………………………. 6.15 Rt = 5 + 5 + 5 = 15 ohm i = V / Rt i = 45 / 15 = 3 Amper. W = i2 .R .t ………………………………………….. ………………………………………….. .. 6.16 W = 9.15.5 = 675 J P = i.Vt (Vt, toplam potansiyel) P = 3.45 =135 watt Örnek 5: 100 watt’lık dört lamba paralel baÄŸlansınlar. Bu devreler ÅŸebeke cereyanına baÄŸlandıkları zaman devreden geçen toplam akım ÅŸiddeti deÄŸeri nedir? Çözüm: Devre elemanları paralel baÄŸlandıkların ve ÅŸebeke cereyanı 220 volt olduÄŸundan, paralel baÄŸlanmada her bir lamba üzerine 220 volt düşecektir. P = i.V 100 = i . 220 i = 100 / 220 = 0,45 A Lambaların dirençleri eÅŸit olduÄŸundan dört ayrı koldan aynı akım geçmektedir, (4.0,45 = ) 1,8 amperlik devreden toplam akım geçer. Alıştırmalar: 1. Åžebeke cereyanı alternatif akım olarak nasıl üretilmektedir? Alternatif akım olmasının faydaları var mıdır? Nelerdir.? 2. Frekans nedir? Evlerde kullanılan elektriÄŸin frekansını nasıl anlarız? 3. Elektrikli bir malzemenin kullanım kılavuzunu veya cihaz üzerindeki bilgileri okuduÄŸunuz zaman, cihaz hakkında ne gibi bilgiler elde edebilirsiniz? 4. ÖzdeÅŸ iki lamba cereyan hattına (220V) seri ve paralel baÄŸlansın. Devreden geçen akım nasıl deÄŸiÅŸir? Lambalardan elde edeceÄŸimiz ışık enerjisi nasıl deÄŸiÅŸir? 5. 10 ohm’luk direnç ile 60 wattlık lambayı 220 V’luk devreye seri baÄŸlaya-lım. Bu esnada lambanın harcadığı enerji ile, direnç çıkartıldıktan sonraki lambanın harcadığı enerji oranı nedir? 6. Evlerimizde, bütün elektrikli malzemeler devre üzerinde birbirlerine paralel baÄŸlanırlar. Niçin? Bunun ne gibi faydaları vardır? 7. Odaların aydınlatılmasında kaç wattlık lambalar kullanılmalıdır?

Bu yazı Salı, 06 Kasım 2007, 12:51 tarihinde Elektroteknik kategorisi altında yayınlandı. Bu yazıya yapılacak yorumlardan haberdar olmak için RSS 2.0 beslemesini kullanabilirsiniz. Yorum yapabilirsiniz, veya kendi sitenizden geri izleme yapabilirsiniz.