T.C. MİLLÎ EĞİTİM BAKANLIĞI YENİLENEBİLİR ENERJİ TEKNOLOJİLERİ ELEKTRİĞİN TEMEL ESASLARI 522EE0320 Ankara, 2012  Bu modül, mesleki ve teknik eğitim okul/kurumlarında uygulanan Çerçeve Öğretim Programlarında yer alan yeterlikleri kazandırmaya yönelik olarak öğrencilere rehberlik etmek amacıyla hazırlanmış bireysel öğrenme materyalidir.  Millî Eğitim Bakanlığınca ücretsiz olarak verilmiştir.  PARA İLE SATILMAZ. İÇİNDEKİLER AÇIKLAMALAR ................................................................................................................... iii GİRİŞ ....................................................................................................................................... 1 ÖĞRENME FAALİYETİ–1 .................................................................................................... 2 1. ELEKTRİK ENERJİSİ VE TEMEL BİRİMLERİ ............................................................... 2 1.1. Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanılan Kaynaklar ...................................................... 3 1.1.1. Termik Kaynaklar .................................................................................................. 6 1.1.2.Hidrolik Kaynaklar ................................................................................................. 7 1.1.3.Nükleer Kaynaklar .................................................................................................. 8 1.1.4. Diğer Kaynaklar .................................................................................................... 8 1.2. Atomun Yapısı ve Elektron Teorisi ............................................................................ 14 1.2.1. Atomun Yapısı ..................................................................................................... 14 1.2.2. Serbest (Valans) Elektronlar ................................................................................ 16 1.2.3. Atom Yapısına Göre İletken ve Yalıtkan Tanımı ................................................ 16 1.3.Elektrik Yükü ............................................................................................................... 20 1.3.1.Elektrik Yükü ve Birimi ....................................................................................... 21 1.3.2. Coulomb (Kulon) Kanunu ................................................................................... 21 1.3.3. Elektriklenme Yöntemleri ................................................................................... 24 1.4. Elektrik Alanı .............................................................................................................. 29 1.4.1. Elektrik Kuvvet Çizgileri ..................................................................................... 29 1.4.2.Elektrik Alanı ve Alan Şiddeti .............................................................................. 31 1.5. Elektrik Potansiyeli ..................................................................................................... 32 1.5.1. Potansiyel ve Gerilim .......................................................................................... 32 1.5.2. Şimşek ve Yıldırım .............................................................................................. 36 1.6. Statik (Durgun) Elektrik ve Elektrostatiğin Kullanım Alanları .................................. 37 1.6.1. Statik Elektrik ve Oluşumu .................................................................................. 37 1.6.2. Statik Elektriğin Zararları .................................................................................... 38 1.6.3. Statik Elektriğin Faydaları ve Kullanım Alanları ................................................ 38 1.6.4. Statik Elektrik Yüklerinin Ölçülmesi .................................................................. 42 1.6.5. Statik Elektriğin Zarar Verebileceği Ortamlarda Alınacak Önlemler ................. 44 UYGULAMA FAALİYETİ .............................................................................................. 48 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME .................................................................................... 50 ÖĞRENME FAALİYETİ–2 .................................................................................................. 53 2.ELEKTRİK AKIMI, ÇEŞİTLERİ VE ETKİLERİ ............................................................. 53 2.1. Elektrik Akımı ............................................................................................................ 54 2.1.1. Tanımı .................................................................................................................. 54 2.1.2. Elektrik Akımının Metal, Sıvı ve Gazlardan Geçişi ............................................ 55 2.1.3. Elektrik Akımının Birimi ..................................................................................... 59 2.1.4. Ast ve Üst katları ve Çevrimleri .......................................................................... 61 2.2. Elektrik Akımı Çeşitlerinin Tanımı ............................................................................ 62 2.2.1. Doğru Akım (DA, DC) ........................................................................................ 62 2.2.2. Alternatif Akım (AA, AC) ................................................................................... 64 2.3. Elektrik Akımının Etkileri .......................................................................................... 65 2.3.1. Isı Etkisi ............................................................................................................... 65 2.3.2. Işık Etkisi ............................................................................................................. 71 2.3.3. Manyetik Etkisi .................................................................................................... 72 i 2.3.4. Kimyasal Etkisi .................................................................................................... 80 2.3.5. Fizyolojik (Bedensel) Etkisi ................................................................................ 91 UYGULAMA FAALİYETİ .............................................................................................. 93 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME .................................................................................... 96 ÖĞRENME FAALİYETİ–3 ................................................................................................ 100 3. AKIM YOĞUNLUĞU ..................................................................................................... 100 3.1.Tanımı ve Birimi ........................................................................................................ 101 3.2.Kesit ve Akım Yoğunluğuna Göre İletkenden Geçen Akım Miktarının Hesaplanması ......................................................................................................................................... 101 UYGULAMA FAALİYETİ ............................................................................................ 104 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME .................................................................................. 106 ÖĞRENME FAALİYETİ–4 ................................................................................................ 107 4.ELEKTROMOTOR KUVVET (EMK) VE GERİLİM .................................................... 107 4.1.Gerilim Üretme Yöntemleri ....................................................................................... 107 4.1.1.İndüksiyon (Manyetik Alan) Yoluyla ................................................................. 107 4.1.2.Kimyasal Etki Yoluyla ....................................................................................... 109 4.1.3. Isı Yoluyla ......................................................................................................... 112 4.1.4. Işık Yoluyla ....................................................................................................... 114 4.1.5. Sürtünme Yoluyla .............................................................................................. 117 4.1.6. Kristal Deformasyon Yoluyla ............................................................................ 117 4.2. Elektromotor Kuvvet (Emk) ..................................................................................... 118 4.2.1. Emk’nin Elde Edilmesi ...................................................................................... 118 4.2.2. Emk ve Gerilim Tanımı ve Arasındaki Fark ..................................................... 118 4.2.3. Emk ve Gerilimin Birimi ................................................................................... 119 4.2.4. Ast, Üst Katları ve Çevrimleri ........................................................................... 120 UYGULAMA FAALİYETİ ............................................................................................ 121 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME .................................................................................. 124 MODÜL DEĞERLENDİRME ............................................................................................ 127 CEVAP ANAHTARLARI ................................................................................................... 128 KAYNAKÇA ....................................................................................................................... 130 ii AÇIKLAMALAR AÇIKLAMALAR KOD 522EE0320 ALAN Yenilenebilir Enerji Teknolojileri DAL/MESLEK Alan Ortak MODÜLÜN ADI Elektriğin Temel Esasları Elektrik enerjisi, elektrik enerjisinin elde edilişi, temel prensipleri, etkileri, kullanıldığı alanlar ile ilgili bilgilerin MODÜLÜN TANIMI verildiği ve elektriğin diğer enerji çeşitleri ile karşılaştırıldığı bir öğrenme materyalidir. SÜRE 40/32 ÖN KOŞUL Ön koşul yoktur. Elektrik akımı ve elektriğin elde edilmesi ile ilgili temel YETERLİK esasları uygulamak Genel Amaç Gerekli ortam sağlandığında elektrik akımı elde edebilecek, elektrikle ilgili temel esasları doğru bir şekilde uygulayabileceksiniz. Amaçlar 1. Statik elektrik oluşumunu, etkilerini ve yararlarını kavrayarak endüstride kullanım alanlarını öğrenecek, statik elektrikten kaynaklanan zararlara yönelik önlemleri alabileceksiniz. MODÜLÜN AMACI 2. Elektrik akımının etkilerini kavrayarak istenmeyen etkilerin oluşmaması veya en aza indirgenmesi için gerekli önlemleri alabileceksiniz. 3. Geçen akım miktarına uygun iletken kesitini hesaplayarak uygun iletken seçimi yapabileceksiniz. 4. Çeşitli yöntemlerle gerilim üreterek üretilen gerilimler ile yük uçlarındaki gerilimler arasındaki farkları tespit edebileceksiniz. Ortam: Sınıf, fizik laboratuvarı, kimya laboratuvarı, elektrik laboratuvarı, üniversite kütüphaneleri, bilgi EĞİTİM ÖĞRETİM teknoloji ortamları, internet ORTAMLARI VE Donanım: Elektromıknatıs, bobin, elektrolitik pil, DONANIMLARI elektrot (+/-), elektrolit, lamba, anahtar, kasnak, makara, rezistans, iletken, mikrometre, avometre, tepegöz, VCD Modül içinde yer alan her öğrenme faaliyetinden sonra verilen ölçme araçları ile kendinizi değerlendireceksiniz. ÖLÇME VE Öğretmen modül sonunda ölçme aracı (çoktan seçmeli DEĞERLENDİRME test, doğru-yanlış testi, boşluk doldurma, eşleştirme vb.) kullanarak modül uygulamaları ile kazandığınız bilgi ve becerileri ölçerek sizi değerlendirecektir. iii GİRİŞ GİRİŞ Sevgili Öğrenci, Hayatınızın her alanında vazgeçilmeziniz olan elektriğin temel esasları hakkındaki bilgi ve becerilerinizi geliştirmek, elektrik ile ilgili yeni bilgi ve beceriler kazanmak için bir adım daha atmak üzeresiniz. Bildiğiniz gibi iletişim, ulaşım, yaşam alanlarımızdaki her türlü cihaz ve aydınlatma araçlarında, hemen her türlü cihaz ve makinede elektrik bir şekilde kullanılmaktadır. Bu nedenle elektrik alanını bir meslek olarak seçmeyenlerin bile elektriğin kullanımındaki yaygınlığından dolayı temel düzeyde elektrik bilgisi edinmesinin faydalarını göz ardı etmek mümkün değildir. Zaman içerisinde öğrendikleriniz arttıkça kafanızdaki elektrik imajının daha netleştiğini görecek, kullandığınız elektrikli aygıtların nasıl çalıştığına dair en azından temel bir fikre sahip olacaksınız. Kendinizi bazen basit arızaları tamir ederken bulacak ve tedbirli davranıldığında elektrikli cihazlarla uğraşmanın ne kadar zevkli ve eğlenceli bir iş olduğunu fark edecekseniz. Öğrenim hayatınızda öğrendiğiniz temel düzeydeki fizik, kimya ve matematik bilgilerini bu derste kullanacak ve geçmişte yaptığınız birikimlerin nasıl işe yaradığını görecek, bu alanda yeni şeyler öğrenmek için heyecan duyacak ve çabalayacaksınız. 1 ÖĞRENME FAALİYETİ–1 ÖĞRENME FAALİYETİ–1 AMAÇ Elektriğin tanımını yapabilecek, elektrik enerjisinin nasıl ve nerelerden elde edildiğini öğrenecek, elektrik akımının iletimini atomik düzeyde açıklayabileceksiniz. Statik elektrik elde edebilecek, etkilerini uygulamalı olarak görecek ve zararlı etkilerine karşı gerekli önlemleri alabileceksiniz. ARAŞTIRMA  Günlük hayatta kullandığınız elektrikli aygıtların sayısını bulmaya çalışınız.  Ulaşabildiğiniz en yaşlı insanlarla görüşerek elektriksiz zamanlarda nasıl yaşadıklarını öğrenmeye çalışınız.  Bir hafta sonu hiçbir elektrikli aygıt kullanmamaya çalışınız ve buna ne kadar dayanabildiğinizi ölçmek için saat tutunuz.  Enerjinin tanımını internetten araştırarak size anlamlı gelen birkaç tanımı arkadaşlarınızla paylaşınız.  İş, güç ve enerji arasındaki ilişkiyi araştırarak edindiğiniz bilgileri arkadaşlarınızla paylaşınız.  Elektrik enerjisinin atomun yapısıyla ilişkisini fizik öğretmeninize sorarak anlattıklarını anlamaya çalışınız.  Elektrik enerjisinin fayda ve zararlarını arkadaşlarınızla tartışınız.  İnternetten elektrik santrali videolarını izleyerek elektrik enerjisinin nasıl üretildiğini anlamaya çalışınız.  Elektrik enerjisi iletiminde trafoların (transformatör) ne için kullanıldığını araştırınız.  Statik elektriğin ne olduğunu ve nasıl elde edildiğini araştırınız. 1. ELEKTRİK ENERJİSİ VE TEMEL BİRİMLERİ 2 Yaşantımızı sürdürürken organlarımızla yaptığımız bütün hareketleri yerine getirebilmemiz için vücudumuz mutlaka bir enerjiye ihtiyaç duymaktadır. Kısaca söylemek gerekirse enerjisiz hiçbir şey yapılamaz. Hayatımızı sürdürebilmemiz için genellikle bir enerji türünü başka bir enerji türüne dönüştürmek zorunda kalırız. Örneğin, gece odamızı aydınlatmak için elektrik enerjisini lamba yardımıyla ışık enerjisine dönüştürürüz. Yürümek istediğimizde vücudumuz kimyasal enerjisini kaslarımız vasıtasıyla hareket enerjisine dönüştürür ve yürürüz yani hayatımızı sürdürebilmek için sık sık farklı enerji türlerini başkalarına dönüştürür ve yaşamımızı bu şekilde sürdürürüz. Elektrik enerjisi ise söz konusu enerji çeşitlerinden sadece bir tanesidir. Elektrik enerjisi hemen bütün enerjilerden elde edilebildiği gibi neredeyse bütün enerji çeşitlerine dönüştürülebilme özelliğine sahiptir. Elektrik enerjisinin bu dönüşümü bazen odamızı aydınlatan ışık enerjisine bazen ısınmamız için ısı enerjisine veya elektrik motorunda hareket enerjisine dönüşebilmektedir. Elektrik enerjisi, birçok kaynaktan elde edilebilir. Şimdi ele alacağımız kaynaklar şebeke enerjisi sağlayan kaynaklardır. 1.1. Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanılan Kaynaklar Evlerimizde, iş yerlerimizde kullandığımız elektrik enerjisi elektrik santrallerinde üretilir. Elektrik enerjisi dediğimizde akla ilk gelen gerilim ve akım kavramlarıdır. Santrallerde üretilen elektrik gerilimi, enerji kayıplarını azaltmak için transformatörler (trafolar) yardımıyla yükseltilir, ardından dağıtım merkezlerinde evlerin ve iş yerlerinin kullandığı değerlere düşürülür (Şekil 1.1.1). Santrallerde kullanılan en temel makineler bir kuvvetle (su, buhar, rüzgâr vb.) döndürülen türbinler ve onların döndürdüğü alternatörlerdir. Alternatörler, temel olarak stator ve rotor denen parçalardan oluşur. Alternatörün rotorundaki sargılardan elektrik akımı geçirilerek bir manyetik alan elde edilir. Rotor, bir türbin vasıtası ile döndürüldüğünde rotorun manyetik etkisi altındaki stator sargılarından elektrik enerjisi elde edilir. Resim 1.1’de bir alternatörün stator ve rotoru görülmektedir. Küçük güçlü alternatörlerde stator elektromıknatıs olarak çalışır ve elektrik gerilimi rotor sargılarından elde edilir. Bir alternatörün çalışmasını anlamak için manyetizma ile elektrik enerjisi elde etmeyi anlamak faydalı olacaktır. Bu amaçla kullanılan iki yöntem mevcuttur. Elektrik enerjisi, çoğunlukla bir manyetik alanın etkisindeki iletken hareket ettirilerek elde edilir. Manyetik alanın hareketi ile de elektrik enerjisi (gerilimi) elde edilmektedir. 3 Şekil 1.1: Bir elektrik santrali modeli Resim 1.1: Bir alternatörün statoru ve rotoru Şekil 1.2’deki birinci şekilde görüldüğü gibi hem mıknatıs (manyetik alan) hem de iletken sabittir. Bu durumda telden akım geçmez. Mıknatıs hareket ettirildiğinde iletkenden çok küçük de olsa bir akımın geçtiği gözlenir. 4 Şekil 1.2: Manyetizma ile elektrik enerjisi elde etme Bir alternatörün çalışma prensibi aslında oldukça basittir. Bir iletken mıknatıs kutupları arasında hareket ettirildiğinde iletkende bir elektrik enerjisi oluşur. İletkenin hareketi alternatörlerde dönme şeklinde bir harekettir. Şekil 1.3: Alternatör modeli Şekil 1.3’te kol çevrildiğinde tek sarımlık bobin olarak kullanılan iletken dönecektir. Mıknatısın manyetik etkisi altında kalan iletken uçlarında gerilim oluşacaktır. Bu gerilim devreden bir akımın doğmasına yol açacak ve devrede dolaşan akım ile lamba yanacaktır. 5