Elektrostatik (1. Bölüm): Yük ve Coulomb Yasası'na Giriş

Yük ve Coulomb Yasası'na Giriş (Mayıs 2008'de hazırladığım fakat yüklemeyi unuttuğum video)

şimdi de evrendeki en gizemli kuvvetlerden birini konuşalım.

-

Gerçi evrendeki bütün kuvvetlerin eşit oranda gizemli olduğunu düşünüyorum.

-

ama biz biraz yük üzerine konuşalım.

hepimiz yük hakkında bir şeyler duymuşuzdur.

elektriksel yük.

yüklü parçacıklar vb.

-

-

pozitif yükden bahsederken pozitif dememiz biraz keyfi bir durum.

-

burada artı işareti ile etiketlenmiş protonlardan bahsetmiyoruz .

negatif yüklü olduklarını da varsayabilirdik.

Ama pozitif yüklü bir cisim düşünelim.

Karşısında da yine pozitif yüklü bir başka cisim olsun.

Bunlar birbirlerini iterler.

Eğer negatif yüklü bir parçacığın olduğu bir durumdan bahsediyor olsaydık

-

-ve yine "negatif" kelimesi burada isteğe bağlı.

-

Yani bunun yerine mavi yük ve kırmızı yük de diyebilirdik.

Ama biliyoruz ki eğer diğer parçacık zıt yüke sahipse--

yani bu durumda elimizde negatif yük var--

pozitif yüklü parçacığı çeker.

Peki, yük hakkında ne biliyoruz?

Yük parçacıkların sahip oldukları bir nitelik.

Ve yeteri kadar parçacığı bir araya getirirsek,

maddelerin de sahip olacağı bir özelliktir.

Kısacası yük fiziksel bir özelliktir.

aslında bu da ne olduğunu bilmediğimizi söylemenin bir başka yolu.

-

Açıkçası, kimse yükün tam olarak ne olduğunu bilmiyor.

-

Aslında, kimse esasen hiçbir şey bilmiyor.

Ama yük parçacıkların ve nesnelerin bir niteliğidir.

Tıpkı kütle gibi.

Yani biraz düşünürseniz, kütle bir niteliktir.

Ve bir anlamda yükten daha somuttur.

Çünkü kütleyi bir şekilde zihnimizde canlandırabiliyoruz.

-

ve muhtemelen ağırlık ve hacim gibi kavramları daha iyi algılıyoruz.

bu kavramlara da başka bir zaman değineceğiz.

Yük biraz daha soyut.

Çünkü kehribarı saçımıza sürttüğümüzde yükü gerçek anlamda hissedemeyiz.

Ama elektrik çapması sonucu bunu daha iyi anlarız.

Yani yük parçacıkların ya da nesnelerin sahip oldukları bir özelliktir.

İki tür yük olduğunun biliyoruz.

Ve bunları pozitif ve negatif olarak isimlendirdik.

Ve aynı yüklerin birbirlerini ittiklerini, zıt yüklerin ise birbirlerini çektiklerini de biliyoruz.

-

Peki bununla ne yapacağız?

Eğer elimizde böyle bir nitelik varsa, bunu ölçmemiz yararlı olur.

-

Ve ölçerken de birimleri kullanma ihtiyacı hissederiz.

yükün birimi de "coulomb"dur.

1700'lerde bir bilim adamının bu alandaki çalışmalarından sonra bu ismi almış.

-

Hakkında daha fazla bilgiyi Vikipedi'den edinebilirsiniz.

yani, yük birimi coloumbdur.

Ve bir çok farklı tanımı var ama ben temel parçacıklar açısından ele alacağım.

-

-

kuantum teorisine ve quarklara falan girmezsek, elementer (temel) yük proton ya da nötron üzerindeki yüktür.

-

Ve ileride atomların yapısı ile ilgili detaylı bilgiler de vereceğim

ama şimdilik küçük bir örnekle devam edelim.

-

şimdi, atomun içinde nötronlar bulunur.

Ve bu nötronların yük taşıma özellikleri yoktur.

Aynı zamanda içlerinde protonlar da bulunur.

ve onlar da pozitif yüklüdür.

-

Ve yine buradaki isimlendirmenin rastgele yapıldığını belirteyim.

Pozitif değil de kırmızı da diyor olabilirdik.

Ayrıca etrafında elektron dediğimiz,

proton ve nötrondan çok daha hafif olan parçacıklar da bulunur.

-

Bunların gerçek objeler oldukları bile net değil.

Daha çok enerji gibiler.

Ama bazen madde olarak görmek daha pratik olabilir.

Bazen de bu işimize yaramaz.

-

Daha sonra bunları detaylı bir şekilde işleyeceğiz.

Elektronlar negatif yüklüdür.

kuarklara ve diğer atomaltı parçacıklardan konuşmadan önce,

şimdilik ilgilendiğimiz kadarıyla,

temel yük birimi elektron ve proton içinde bulunan yüktür.

-

İkisi de aynı yüke sahiptirler,

ve bu yük "e" ile gösterilir.

Açıkçası, e'nin elementer kelimesinden mi yoksa elektrondan mı geldiğini tam olarak bilmiyorum.

-

Ama protonun yükü e'ye eşittir.

Ve bu simge muhtemelen protonun temel (elementer) yükünden geliyor.

Elektronun yükü de bunun negatifidir.

Yani elektronun yükü negatif e'dir.

Ama işaretlerini hesaba katmazsak, bu yüklerin büyüklüklerinin eşit olduğunu söyleyebiliriz.

-

Yani fizikten bildiğimiz kadarıyla temel yükten bahsediyoruz.

-

-

temel yük birimi protonda ya da electronda bulunan yüktür.

-

Peki, coulomb'un bununla bağlantısı nedir?

-

C ile gösterilen coulomb sıradan bir sayıdır.

ama elektrik konusuna geçtiğimizde coulomb'u tanımsal olarak da anlamaya çalışacağız.

Bir coulomb 6.24 çarpı 10 üzeri 18 e'ye eşittir.

-

Ya da şöyle de diyebiliriz: 6.24 çarpı 10 üzeri 18 çarpı elektron yükü

-daha doğrusu proton yükü-

Ve bu tabi ki büyüklük anlamında.

Çünkü coulomb derken bir yön belirtmiyoruz.

-

ya da şunu da söyleyebiliriz:

temel (elementer) yük 1.6 çarpı 10 üzeri eksi 19 coulomb büyüklüğündedir.

-

peki o zaman.

Bu sayıyı hatırlamamız faydalı olabilir

ama genelde bize bu sayı bir şekilde verilecektir.

peki ne yapabiliriz?

Bu parçacıkların yük denilen özelliğe sahip olduklarını söyledik.

aynı yükler birbirini iter.

zıt yükler ise çeker.

Eğer bu protonlardan elimizde yeteri kadar olursa, o zaman cismin tamamı yüklüdür

-

Eğer protonlar elektronlardan fazla ise yükümüz pozitif olur.

-

Eğer elektronlar protonlara kıyasla daha fazla ise yük negatiftir.

-

yükün birimi olan coulomb'u tanımlamıştık.

-

Şimdi biraz bununla uğraşalım ve yükü nasıl ölçeceğimizi bir görelim.

-

yükün ilk tanımını yaparken,aynı yüklerin birbirlerini ittiklerini söylemiştik, değil mi?

-

-

aynı yükler birbirlerini iterler, bunların her biri pozitif yüklü olsun.

Birbirlerini itecekler.

Zıt yükler ise, bu negatif olsun, bu da pozitif,

birbirlerini çekecekler, değil mi?

Şimdi bu iki parçacık birbirlerinden ivmelenerek uzaklaşıyorlar

-

-

Bu iki parçacık da birbirlerine doğru ivmeleniyorlar.

-

parçacıklar arasında ya da her bir parçacıkta bulunan yük bir kuvvet oluşturacaktır, değil mi?

-

-

Eğer bir kuvvet oluşmuyor olsaydı, o zaman birbirlerini ne iterlerdi ne de çekerlerdi.

Ve Coulomb yasası da buradan gelir.

-

-

-

-

-

Coulomb iki yük arasındaki kuvveti sabit bir sayı çarpı birinci yük çarpı ikinci yük, bölü aralarındaki uzaklığın karesi olarak ifade etmişti.

-

-

Basit ve düzgün bir formül bu.

Çünkü, eğer buna elektriksel kuvvet dersek, bu formülün yerçekimi kuvveti formülüne oldukça benzediğini görürüz.

-

Onu da yazalım.

İki kütle arasındaki yerçekimi kuvveti eşittir yerçekimi sabiti çarpı m1 çarpı m2 bölü aralarındaki uzaklığın karesi olur.

-

-

Şimdiye kadar iki kuvvet üzerinde durduk;

birisi yerçekimi, diğeri de elektriksel kuvvetti.

Ve nihayet elektromanyetik kuvveti de işleyeceğiz.

Bu iki kuvvet benzer şekilde davranıyorlar,

ve ikisi de boşlukta uygulanıyor.

Yani ortamda hava olmamasının ya da parçacıklar arasında madde bulunmamasının bir önemi yok.

bir şekilde birbirleriyle etkileşiyorlar.

-

Ve bence bu oldukça şaşırtıcı.

iki parçacık arasında hiç bir şey bulunmasa bile,

bir şekilde bu parçacık diğer parçacığın burada olduğunu biliyor

ve bu parçacık da diğerinin burada olduğunu biliyor.

bu parçacıkları birbirine bağlayan bir tel olmamasına rağmen hareket etmeye başlıyorlar.

-

-

-

Siz de bunu benim kadar şaşırtıcı buluyor musunuz bilmiyorum,

ama bunun üzerine biraz düşünün.

Ve bu tıpkı yerçekimi gibi.

yani iki parçacık hiç bir şekilde birbirlerine bağlı değiller.

Boşlukta bulunuyor olabilirler ama bir şekilde diğer parçacığın orada bulunduğunu biliyorlar.

-

ve özel göreliliği öğrenmeye başladığımızda, burada hiçbir şey olmadığını ama belki de kütlelerin bir şekilde evreni şekillendirdiklerini öğreneceğiz.

-

-

Ve bu belki de elektriksel yükler içinde geçerlidir.

-

Ama bu noktaya kadar bu yüklerin birbirleri üzerine bir kuvvet uyguladıklarını biliyoruz.

-

Ve bu kuvvet yükleri çarpımının aradaki uzaklığın karesine bölümü ile orantılıdır.

-

Ve bir de sabit var burada.

-

-

Ve değeri 9 çarpı 10 üzeri 9 a eşit.

bu yuvarlanmış hali tabi.

Tam olarak 9 olması hayret verici olurdu.

9 çarpı 10 üzeri 9,

ve birimi de newton-metre kare bölü coulomb kare.

Peki birimi neden bu şekilde?

şimdi bu iki yükün çarpımı bize coulomb kareyi verecek,

ve burası da coulomb kare bölü metre kare olacak,

ve sonuçta elimizde newton olması gerekiyor.

bu yüzden buradaki coulomb kareyi paydaya da coulomb kare koyarak götürmek istiyoruz.

-

Ve buradaki metre kareyi de paya metre kare koyarak götürüyoruz.

Ve sonuçta elimizde kuvvet birimi olan newton kalıyor.

Birimin nereden geldiğini gördük.

Şimdi de iki parçacık arasındaki kuvveti anlamaya çalışalım.

-

10 dakika boyunca uzun soluklu bir tanım yaptık.

Ama fizik dersinizde coulomb yasasına dair göreceğiniz sorular oldukça basit olacaktır.

-

-

Mesela pozitif yüklü bir parçacığımız olsun diyecekler,

-

yükü de artı 5 çarpı 10 üzeri eksi 3 coulomb' a eşit olsun.

Bahsettiğimiz bu yük pozitif.

Ve şimdi buraya bir de negatif yük ekleyelim.

-

Aralarındaki uzaklık ne olsun?

Diyelim ki aralarında yarım metre olsun, yani 0.5 metre.

Ve burada da negatif yüklü bir parçacığım olsun.

Yükü de eksi 10 çarpı 10 üzeri eksi 2 coulomb olsun.

Peki o halde bu iki parçacık arasındaki kuvvet nedir?

Eğer Coulomb Yasası'na uygularsak elektriksel kuvveti bulmuş oluruz.

-

-

-

-

Bu iki parçacık arasındaki statik elektriksel kuvvet şuna eşit:

sabit (9 çarpı 10 üzeri 9) çarpı birinci yük (5 çarpı 10 üzeri eksi 3) çarpı ikinci yük.

-

-ikinci yükü farklı bir renkle yazayım-

ikinci yük de eksi 10 çarpı 10 üzeri eksi 2,

-

bunu da uzunluğun karesine yani 0.5'in karesine, bölüyoruz.

Sadece formülü uyguladık.

Bir bakalım,

9 çarpı 5 çarpı 10.

buradaki 10lu sayıları ayrı yazacağım.

Yani bu çarpı eksi 10.

Burası 5 çarpı eksi 10 eksi 50 eder, bunu da 9 ile çarparsak eksi 450 buluruz.

Ve 10 üzeri 9 eksi 3, yani 10 üzeri 6,

sonra eksi 2, bu da 10 üzeri 4 eder.

(eksi) 450 çarpı 10 üzeri 4 bölü 0.5 in karesi. (ya da 45 çarpı 10 üzeri 5 bölü 0.5 in karesi)

0.5'in karesi neydi? 0.25

Peki bu neye eşit?

4 çarpı (eksi) 45 eşittir (eksi) 180, çarpı 10 üzeri 5 newton.

-

Bu sonuç gözümüze oldukça büyük görünebilir,

ama aslında burada kullandığımız yükler de epey büyük yükler.

Umuyorum ki, ileride büyük yük nedir küçük yük nedir buna dair bir fikir oluşacak kafanızda.

-

Ama bunlar oldukça büyük yükler,

ve bununla ilişkili olarak da bu iki parçacık arasındaki kuvvetin değeri de büyük.

-

Peki, elimizdeki bu negatif sayı bu ne anlama geliyor?

Zıt parçacıkların birbirlerini ittiklerini biliyoruz değil mi?

-

Bu durumda elimizde bir pozitif bir de negatif yük var,

bu yüzden Coulomb Yasasını kullandığımızda, kuvveti de negatif buluyoruz.

Bu, kuvvetin iki parçacığı birbirlerine aralarındaki en kısa mesafeye kadar yakınlaştıracağı anlamına gelir.

-

Yani, kuvvet onları eğri üzerinde bir harekete zorlamayacak.

-

eğer burada pozitif bir yük olsaydı, kuvvet iki parçacığı birbirinden uzaklaştırırdı.

-

Eğer kafanız karıştıysa, sadece biraz düşünün.

Eğer sonuç negatif ise birbirlerini itecekler.

Eğer pozitif ise birbirlerini çekecekler.

Sonraki videoda görüşmek üzere.