Akımı
sürekli
kılan şey
Pil elektron üretmez — birim yükü devrede dolaştıracak işi yapar. Bu işin adı elektromotor kuvvettir. Bu ünitede EMK, pil kapasitesi, iç direnç ve üreteçlerin seri/paralel bağlanması var.
Üreteçler, devreye bir potansiyel farkı uygulayarak elektrik alanı oluştururlar. Bu elektrik alanı, iletkendeki serbest yükleri hareket ettirerek akım oluşturur. Bu cihazlar, devreye enerji sağlayarak elektrik akımının sürekli olmasını sağlarlar. Birim yükün devreyi dolaşabilmesi için üretecin yaptığı işe Elektromotor kuvvet (EMK) denir. Emk, ε (epsilon) sembolü ile gösterilir.
Pil ve akü gibi kimyasal enerji depolayan üreteçlerde, pilin içindeki kimyasal reaksiyonlar sonucunda bir kutbundaki madde elektron kazanarak negatif (−) yüklü hâle gelirken, diğer kutbundaki madde elektron kaybederek pozitif (+) yüklü hâle geçer.
Bu elektron transferi, pilin iki kutbu arasında bir potansiyel farkı oluşturur. Elektromotor kuvvetinin birimi joule/coulomb (J/C) veya volttur.
Üreteçlerin artı kutbu, yüksek potansiyele sahip; eksi kutbu ise düşük potansiyele sahiptir. Elektrik akımı yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğrudur. Üretecin artı kutbundan eksi kutbuna doğru sürekli bir elektrik akımı oluşur.
Elektronlar ise − kutuptan + kutba akarlar. Yani elektronların hareketi, kabul edilen akım yönünün tersidir.
1,5 V'luk bir pil, bir lambada kullanıldığında devreden geçen her 1 C yük üzerinde 1,5 J iş yapar. Voltun tanımı budur: joule/coulomb. Pilin üzerindeki sayı, "her bir coulomb yüke kaç joule enerji verebilirim" sorusunun cevabıdır.
Pil kapasitesi, bir pilin depolayıp verebileceği yük miktarını gösteren büyüklüktür ve genellikle miliamper-saat (mAh) cinsinden ifade edilir. (mAh = akım × zaman, yani bir yük birimidir — aşağıdaki tuzak kartına bak.) Kapasite, pilin ne kadar süreyle sabit bir akımı (genellikle mA cinsinden) sağlayabileceğini gösterir.
Pil kapasiteleri ve akım çıkışlarına göre çalışma süreleri karşılaştırması
| Kapasite (mAh) | Çıkış Akımı (mA) | Çalışma Süresi (saat) |
|---|---|---|
| 4000 | 20 | 200 |
| 6000 | 100 | 60 |
| 8000 | 4000 | 2 |
Örneğin, 8000 mAh kapasiteli bir pil, 800 mA akım çeken bir cihazı 10 saat boyunca çalıştırabilir.
Kapasite mAh ile verilir: akım × zaman. Akım "birim zamanda geçen yük" olduğuna göre, akım × zaman aslında bir yük miktarıdır — enerji değil. Pilin verebileceği enerji için bu yükü gerilimle çarpmak gerekir (E = q · V).
Pratikte işine yarayacak kural şu: süre = kapasite / akım. 10.000 mAh'lik iki powerbank aynı yükü depolar ama farklı gerilimlerde farklı enerji taşırlar.
Bir devrede üreteç r iç direncine sahipse, bu iç direnç, üretecin çalışması sırasında enerji kaybına neden olabilir.
Devrede anahtar açıkken üretece voltmetre bağlandığında, ölçülen değer üretecin devreye sağladığı potansiyel fark ε kadar olur. Devreden akım geçmediği için iç dirençte herhangi bir kayıp oluşmaz.
Ancak, anahtar kapalıyken I akımı oluşturulduğunda, üretecin iç direnci r nedeniyle enerji tüketilir. Bu yüzden voltmetrenin gösterdiği değer, pilin üzerinde yazan değerden bir miktar düşük okunur.
Üreteçlerin iç direnci, devrelerde enerji kaybına sebep olur. Ancak, genellikle bu iç direnç problemlerde göz ardı edilerek r = 0 olarak kabul edilir. Bu tip idealize edilmiş üreteçlere ise ideal üreteç denir. Bu sayfadaki bütün hesaplar, aksi belirtilmedikçe ideal üreteç kabulüyle yapılır.
Elektrikle çalışan araçlarda kullanılan üreteçler genellikle pillerdir ve ihtiyaca göre seri ya da paralel bağlanabilirler. Üretecin devreye nasıl bağlanacağı, üretecin ürettiği elektromotor kuvvet (emk) değerinden daha fazla emk'e ihtiyaç duyulup duyulmamasına veya devreye daha uzun süre emk verme ihtiyacına göre belirlenir.
Seri bağlantıda, her bir üretecin pozitif kutbu diğerinin negatif kutbuna bağlanır ve bu şekilde üreteçler arasında toplam voltaj artırılır. Seri bağlı piller genellikle daha yüksek voltaj gerektiren uygulamalarda kullanılır.
Örneğin 3 V gerilimle çalışan bir lambaya 1,5 V'luk pil bağlanınca lamba yanmayacaktır. Ancak 2 tane 1,5 V'luk pil seri bir biçimde bağlanırsa lamba yanar.
Aynı yönde akım üreten ve seri bağlı olan üreteçlerin eşdeğer gerilimi, bu üreteçlerin emk değerlerinin toplamına eşittir. Seri bağlantıda, üreteçler arasındaki emk değerleri toplanır.
Lambanın direnci R olduğuna göre devreden geçen akım bu bağıntı ile hesaplanır. Aynı yönde akım üreten pil sayısı artırılırsa devreden geçen akım artar, yani lamba daha parlak yanar.
Seri bağlı pillerin bağlı bulunduğu devrede pillerin üzerinden geçen akım şiddeti eşittir. Pillerden biri arızalanır ve akım üretmezse devreden akım geçmez.
Seri bağlı üreteçlerde farklı yönde akım üreten bir üreteç varsa:
Paralel bağlantı, birden fazla üreticinin aynı kutuplarının birbirine bağlanmasıyla oluşan bir devre tipidir. Bu bağlantıda, üreticilerin bağlı olduğu paralel kollarda potansiyel farkın eşit olması gerekmektedir. Şekildeki devrede pillerin birbirine özdeş olması önemlidir.
Üreteçlerin iç dirençleri göz ardı edildiğinde, voltmetrenin ölçtüğü değer, bir üretecin elektromotor kuvvetine eşittir.
Devredeki ampermetre I akım değerini gösterir. Pillerden çıkan I₁, I₂, I₃ akımları birbirlerine eşit olup, toplamları ana kol akımına (I) eşittir.
Özdeş piller yükü eşit paylaşır. Paralel bağlı pil sayısı arttıkça pillerden çekilen akımların toplamı ana kol akımına eşit olacağından, her bir pilden çekilen akım aynı oranda azalır.
Paralel bağlı iç direnci önemsenmeyen üreteçlerde pil sayısının artması veya azalması devrenin potansiyel farkını ve ana kol akımını değiştirmez. Lamba aynı parlaklıkta yanmaya devam eder — değişen tek şey, her pilin sırtına düşen yüktür.
Paralel bağlı pillerden birinin arızalanması ya da devre dışı kalması durumunda devrede lamba yanmaya devam eder. Seri bağlamada ise tam tersi olurdu: pillerden biri arızalanır ve akım üretmezse devreden akım geçmez.
| Karşılaştırma | Seri bağlı üreteçler | Paralel bağlı özdeş üreteçler |
|---|---|---|
| Bağlanış | Bir pilin + kutbu diğerinin − kutbuna | Aynı kutuplar birbirine |
| Eşdeğer gerilim | V = ε₁ + ε₂ + ε₃ | V = ε (bir üretecinki) |
| Pil sayısı artarsa gerilim | Artar | Değişmez |
| Pil sayısı artarsa devre akımı | Artar, lamba daha parlak yanar | Değişmez, parlaklık aynı kalır |
| Her pilden çekilen akım | Hepsinde aynı ve devre akımına eşit | Pil sayısı arttıkça azalır |
| Bir pil arızalanırsa | Devreden akım geçmez | Lamba yanmaya devam eder |
| Tükenme süresi | Pil sayısı arttıkça kısalır | Pil sayısı arttıkça uzar |
| Ne zaman tercih edilir? | Daha yüksek emk gerektiğinde | Devreye daha uzun süre emk vermek gerektiğinde |
Pil, içindeki yükseltgenme–indirgenme (oksidasyon–redüksiyon) tepkimeleriyle çalışır: bir elektrotta madde elektron verir, öbüründe elektron alınır. Zamanla bu tepkimelerin ürünleri elektrotların üzerinde birikir ve iyonların hareketi zorlaşır; pilin verebildiği akım düşer, sonunda pil tükenir. (Kimyada öğrendiğin tanım geçerlidir: yükseltgenme = elektron kaybı; buradaki birikme, o tepkimelerin sonucudur.)
Pilin tükenme süresi, pilin içinden çekilen akım miktarıyla ters orantılıdır. Çekilen akım arttıkça tepkimeler hızlanır, ürünler daha çabuk birikir ve pilin ömrü azalır.
Seri bağlı üreteçler devresinde, devreden geçen akım miktarı üreteç sayısıyla doğru orantılıdır. Bu nedenle, üreteç sayısı arttıkça, çekilen akım miktarı da artar ve üreteçler daha hızlı tükenir.
Paralel bağlı üreteçler devresinde ise, üreteç sayısının artması devreden geçen akım miktarını değiştirmez. Her bir üreteçten çekilen akım miktarı, paralel bağlanan üreteçlerin sayısına bağlı olarak azalır. Bu da üreteçlerin tükenme sürelerinin daha uzun olmasını sağlar.
Aynı hamle — bir pil daha ekle — iki bağlamada zıt sonuç verir. Seride gerilim ve akım artar: lamba daha parlak yanar ama piller daha hızlı tükenir. Paralelde gerilim ve ana kol akımı değişmez: parlaklık aynı kalır ama her pilden çekilen akım azaldığı için ömür uzar. "Parlaklık" istiyorsan seri, "dayanıklılık" istiyorsan paralel.
Rastgele gelen üreteç sorusunu oku, doğru şıkkı seç. Yanıtın ardından açıklama gelir.
Kumandadan powerbank'e, bu ünitenin kuralları günün her saatinde çalışıyor.
Kumandanın pil yuvasında biri ters çizilmiş olabilir. Seri bağlantıda, her bir üretecin pozitif kutbu diğerinin negatif kutbuna bağlanır. Yuvadaki şekil bunun için; ikisini aynı yöne koyarsan kumanda çalışmaz.
3 V gerilimle çalışan bir lambaya 1,5 V'luk pil bağlanınca lamba yanmayacaktır. Ancak 2 tane 1,5 V'luk pil seri bir biçimde bağlanırsa lamba yanar. Seri bağlamanın tek amacı budur: emk değerlerini toplamak.
Kapasite, pilin ne kadar süreyle sabit bir akımı sağlayabileceğini gösterir. Süre = kapasite / akım. 10.000 mAh'lik bir powerbank, 1000 mA çeken bir telefonu kabaca 10 saat besler; oyun oynarken akım arttığı için bu süre kısalır.
Doldurulabilir piller, kuru pillerden farklı olarak tekrar doldurulabilir özelliktedir. Bu tür pillerin kutuplarına doğru bir akım kaynağı bağlanarak şarj edilebilirler. Bu işlem, içlerindeki kimyasal reaksiyonları tersine çevirir. Şarj cihazı, pilin içindeki kimyayı geriye sarar.
Kuru piller, aküler, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürerek çalışırlar. Ancak, bir kuru pilin kullanım süresi belli bir noktada sona erer; pilin içindeki kimyasal reaksiyonlar azalır ve pil elektrik alan oluşturmaz hâle gelir. Akü ise deşarj olduktan sonra şarj edilerek yeniden kullanılabilir.
Aynı pillerden birkaç tane paralel bağlanırsa ışık daha parlak olmaz, ama her bir üreteçten çekilen akım miktarı azalır ve tükenme süreleri uzar. Daha parlak ışık istiyorsan seri bağlaman gerekir — bu sefer piller daha çabuk biter.
Kolun içindeki iki pil seri bağlıdır. Pillerden biri arızalanır ve akım üretmezse devreden akım geçmez. Bu yüzden pilleri hep ikisi birden değiştirmek gerekir.
Anahtar açıkken üretece voltmetre bağlandığında, ölçülen değer ε kadar olur. Ama anahtar kapalıyken I akımı oluşturulduğunda, üretecin iç direnci r nedeniyle enerji tüketilir. Yorulmuş pilin iç direnci büyüdüğü için boştayken iyi görünür, yük altında çöker.
Pillerin tükenmesinin ana nedeni oksidasyondur ve tükenme süresi, pilin içinden çekilen akım miktarıyla ters orantılıdır. Uzun süre kullanmayacağın cihazdan pilleri çıkarmak, boşuna akım çekilmesini ve akan pilin cihaza zarar vermesini önler.
40 sorudan oluşan bu test ile "Üreteçler" ünitesini ne kadar kavradığını gör. Her sorudan sonra anında geri bildirim alacaksın.
Birim yükün devreyi dolaşabilmesi için üretecin yaptığı iştir. ε ile gösterilir; birimi joule/coulomb (J/C) veya volttur.
Devreye potansiyel fark uygulayarak elektrik alan oluşturur; bu alan serbest yükleri hareket ettirir ve akımın sürekli olmasını sağlar.
Artı kutup yüksek, eksi kutup düşük potansiyeldedir. Akım artı kutuptan eksi kutba, elektronlar ise eksi kutuptan artı kutba akar.
1,5 V'luk bir pil, devreden geçen her 1 C yük üzerinde 1,5 J iş yapar.
mAh cinsinden verilir; pilin ne kadar süreyle sabit bir akımı sağlayabileceğini gösterir. 8000 mAh'lik pil, 800 mA çeken cihazı 10 saat çalıştırır.
Anahtar açıkken voltmetre ε okur; kapalıyken iç direnç r nedeniyle enerji tüketilir. Problemlerde genellikle r = 0 kabul edilir.
Aynı yönde akım üreten seri bağlı üreteçlerin eşdeğer gerilimi emk değerlerinin toplamıdır. Devre akımı I = (ε₁+ε₂+ε₃)/R.
Farklı yönde akım üreten üreteç varsa emk'si çıkarılır. Akım yönünü, toplamı büyük olan taraf belirler.
Seri bağlı pillerin üzerinden geçen akım şiddeti eşittir; pillerden biri arızalanıp akım üretmezse devreden akım geçmez.
Özdeş üreteçler paralel bağlıysa voltmetrenin ölçtüğü değer bir üretecin emk'sine eşittir. Ana kol akımı I = ε/R olur.
Pil sayısının artması devrenin potansiyel farkını ve ana kol akımını değiştirmez; her pilden çekilen akım aynı oranda azalır.
Pil, yükseltgenme–indirgenme tepkimeleriyle çalışır; ürünlerin elektrotlarda birikmesi pili tüketir. Tükenme süresi çekilen akımla ters orantılıdır. Seri bağlamada piller daha hızlı, paralel bağlamada daha yavaş tükenir.