Elektroskop nedir? Nasıl çalışır? Özellikleri

Elektroskop bir cismin elektrikle yüklenmiş olup olmadığını ve yükün görece miktarını fark etmeye yarayan bir bilimsel ölçüm aracıdır. Elektrik yükünü ölçmek için icat edilen ilk cihazdır. Ancak elektroskop kalibre edilmemiştir: sadece yükün varlığını ve yüklü başka bir cisme göre oranını gösterebilir, nitel bir ölçüm cihazıdır. Bir cismin kaç Coulomb yükü olduğunu sıradan elektroskop kullanarak ölçemezsiniz. Ama bu onu önemsiz yapmaz: Avusturyalı fizikçi Victor Hess kozmik ışınları keşfederken elektroskop kullanmıştır. Öte yandan elektrometre kalibre edilmiştir ve elektrik potansiyeli, dolaylı olarak da elektrik yükü miktarını ölçebilir.

Çift yapraklı elektroskop nedir?

Elektroskopların en sık kullanılan türleri çift yapraklı elektroskoplardır. Büyük ihtimalle sadece çizimini gördüğünüz elektrobun gerçekte neye benzediğini görün diye fotoğraflarını çektim. Aşağıdaki resimde üç farklı elektroskop görülüyor. Bunların en sağda olanı, fizik test sorularında kaşınıza çizimi çıkan ev yapımı elektroskop. Ortadaki altın yapraklı denilen tür elektroskop. En soldaki de açı ölçerle birleştirilmiş alüminyum yapraklı elektroskop.

Sırayla bu elektroskopları inceleyelim. Önce ev yapımı çift yapraklı elektroskopa yakından bakalım. Aşağıdaki resimde bir kavanoz var, içine bakır bir tel konulmuş, kavanozun ağzı bantlanmış. Kavanoz kullanılmasının nedeni elektroskobun hava akımından (rüzgardan) ve havadaki iyonlardan etkilenmemesini sağlamak. Bakır telin kavanozun dışında kalan kısmı spiral haline geitrilmiş, buna elektroskobun topuzu deniyor. Bakır telin dışında gördüğümüz siyah şey, plastik yalıtkan kaplama. Bakır telin kavanozun içinde kalan kısmı bir çengel haline getirilmiş ucuna da aliminyum folyodan kesilmiş iki yaprak asılmış. Alüminyum yaprakların üstleri birbirine ve bakır tele dokunuyor. Ayrıca bakır telin ve alüminyumun iletken olduğunu hatırlamamız lazım. Bu bilgiler az sonra elektroskobun nasıl çalıştığını anlamamıza yardımcı olacak.

Şimdi de altın yapraklı elektroskopa bakalım. Aşağıdaki resimde en üstte bir topuz var, yassı bir iletken metal parça bu, muthemelen çelikten yapılmış. Elektroskobun gövdesi yalıtkan bir malzemeden yapılmış, gri bölgeler bunlar. İçi görünsün diye gövdenin dört yanına cam pencereler yerleştirilmiş. Cam kullanılmasının sebebi yine rüzgarın etkisini önlemek. Topuzdan elektroskobun iç kısmına inen iletken bir parçanın ucunda biri sabit, diğer daha hafif ve hareket edebilen iki yaprak var. Elektroskobun içinde sağ duvarında gördüğümüz de bir çeşit açı ölçer.

Nihayet alüminyum yapraklı elektroskobu da inceleyebiliriz. Bu elektroskop diğerlerine göre daha büyük. Diğerlerinde olduğu gibi bunun da tepesinde topuzu var (tamam yassı bir alüminyum parçası ama geleneksel olarak topuz denilmiş biz de öyle diyoruz). Gövdesi bir çember, sağ alt kısmında bir açı ölçer var. Çemberin üstünden altına inen bir kalın aluminyum parça var, bu parça sabit (hareket etmiyor). Bir de ikinci bir alüminyum dosya teli gibi bir parça var. Bu iki alüminyum parça birbirine değiyor; çemberin merkezinde harekete imkan veren iletken bir mil ile birbirlerine tutturulmuşlar. Bu elektroskopta cam fanus yok, belki de büyük olduğu ve laboratuvarda kullanılacağı için rüzgarın etkisi pek de önemli değil.

Üç farklı elektroskop türünü gördük, şimdi her biri nasıl çalışıyor onu inceleyelim.

Elektroskop nasıl çalışır?

Elektroskobun kendisi yüksüz (nötr) olduğu zaman yaprakları kapalıdır. Yukarıdaki resimlerdeki üç elektroskop da nötr halde örneğin. Elektroskobu yük tayinini (yükü belirlemeyi) yapmak için kullanmadan önce genellikle elimizle dokunarak topraklarız ve yüksüz hale gelmesini sağlarız.

Bir cismin yüklü olup olmadığını elektroskop kullanarak nasıl anlarız?

Bir cismin yüklü olup olmadığını cismi yüksüz bir elektroskoba yaklaştırarak ya da dokundurarak anlayabiliriz. Eğer cisim yüksüz ise elektroskopta bir değişiklik olmaz, yaprakları hareket etmez, açılmaz ya da kapanmaz.

Yukarıdaki resimde yüksüz elektroskopa bir cetvel dokunduruluyor. Elektroskobun yapraklarının hareket etmediğini görüyoruz. Demek ki cetvel yüksüz.

Peki cetvel yüklü olursa elektroskop nasıl davranır? Aşağıdaki resimdeki cetvelin elektroskobun topuzuna dokunurken, elektroskobun yapraklarına ne olduğuna dikkatli bakın.

Elektroskobun alüminyum yaprağının nasıl açıldığını gördük. Bu cetvelin yüklü olduğu anlamına geliyor. Ama nasıl oldu da açıldı elektroskobun yaprağı, neden açıldı?



Yukarıdaki resimde yüklü plastik cetvelle topuzuna dokunulduğunda yaprakları açılan elektroskop görülüyor. Cetveli yüne (aslında cam bezine) sürttük, sürtünmeyle yükledik. Plastik olduğu için cetvelin eksi yüklendiğini elektrostatik konusunda öğrenmiştik. Sürtünme ile yüklenen cetveldeki eksi yükler, iletken olan elektroskopun topuzuna temas edince (topuzu dokunma ile yükledik), iletken olan topuzdan iletken olan yapraklara eksi yükler hareket ediyor. Eksi yüklenen cisimlerin birbirini ittiğini biliyoruz. Burada da aynı şey oluyor. Eksi yüklenen sabit yaprakla (resimde 1 rakamıyla gösteriliyor), yine eksi yüklenen hareketli yaprak (resimde 2 rakamıyla gösteriliyor) birbirini itiyor. Sabit yaprak hareket edemediği için hareketli yaprak açılıyor, 70° açı görüyoruz.

Peki bir cismin yüklü olup olmadığını cismi elektroskoba dokundurmadan anlayabilir miyiz? Etki ile elektriklenme bilgimizi burada kullanabilir miyiz?

Yukarıdaki resimde yüksüz altın yapraklı elektroskoba eksi yüklü cetveli yaklaştırıyoruz, ama dokundurmuyoruz. Cetvel uzaktayken elektroskobun yaprakları kapalı, yüksüz olduğunu buradan anlıyoruz, yüklü olsaydı yapraklar birbirini iterdi ve yapraklar açık olurdu. Cetvel yaklaştıkça elektroskobun yapraklarının açıklığını gözlemliyoruz. Ama neden, dokunmadığı halde elektroskobun yaprakları nasıl oluyor da açılıyor?

Yukarıdaki resimde cetvel yaklaştırılınca elektroskobun topuzundaki eksi yüklere ne olduğunu görüyoruz. Eksi yüklü cetvel topuzdaki elektronları (eksi yükleri) iletken boyunca yapraklara doğru itiyor. Böylece her iki yaprak da eksi yüklenmiş oluyor, birbirlerini ittikleri için de açılıyorlar.

Cismin yük miktarını elektroskoptaki açı ölçeri kullanarak kıyaslayabiliriz. Açı ne kadar büyükse cismin yükü de o kadar çoktur.

Elektroskobu nasıl yüksüz hale getiririz (topraklarız)?

Yüklü bir elektroskobun yapraklarıın açık olacağını, çünkü aynı yükle yüklendikleri için birbirlerini iteceklerini biliyoruz. Peki elektroskobu nötr hale getirmek istesek ne yapmamız gerekir?

Yukarıdaki resimde yüklü bir altın yapraklı teleskoba elimle dokunduğumda yapraklarının kapandığını görüyoruz. Elinizle dokunarak ya da iletken bir telle toprağa bağlayarak yüklü bir elektroskobu deşarj edebilirsiniz (yüksüzleştirebilirsiniz). Bu işleme topraklama deniyor, etki ile cisimleri böyle yüklüyoruz.

Yüklü bir cismin yükünün türünü elektroskopla nasıl anlarız?

Yüklü bir cismin artı mı yoksa eksi mi yüklü olduğunu elektroskop kullanarak anlayabilir miyiz? Bu sorunun cevabı elektroskobun başlangıç yüklü olup olmadığına ve başlangıç yükünün cinsini bilip bilmediğimize bağlıdır.

• Elektroskop başlangıçta yüksüzse, cismin yükünün türünü bilmiyorsak, bilmemeye devam ederiz. Cisim elektroskoba dokundurulduğunda ya da yaklaştırıldığında yaprakları açılır, ama açılmasının sebebi cismin artı yüklü olması da olabilir eksi yüklü olması da. (Bunu iyice bir düşünün, neden bilemeyiz?)
• Elektroskobun başlangıç yükünün cinsini (artı mı eksi mi olduğunu) bilmiyorsak, cismin de yükünün türünü bilmiyorsak, yine bilmemeye devam ederiz. (Neden? Bunu da bir düşünün.) Ama cismin yükünün elektroskobun yüküyle aynı türden mi yoksa zıt türden mi olduğunu bilebiliriz. Cismin yalıtkan olması ya da iletkense sapının yalıtkan olması şart. Yoksa hem cisim hem de elektroskop topraklanır (aslında daha elimize alır almaz iletken cisim topraklanır.) Şimdi bakalım nasıl bilebiliyoruz bunu (artık çizim elektroskop kullanacağız).

Yukarıdaki Cin Ali, yüklü bir elektroskobu temsil ediyor, yapraklarının açılmış olmasından anlıyoruz. Şimdi de yüklü bir cismi dokundurduğumuzda yapraklarının kapandığını gözlemlediğimiz durumun resmi var aşağıda.

Neden daha fazla açıldı elektroskobun yaprakları? Daha fazla yüklenmiş olmalı elektroskop, cisimden elektroskoba daha fazla yük aktarılmış olmalı. Öyleyse, cismin yüküyle elektroskobun yükü aynı olmalı. Cisim artı yüklüyse elektroskop da artı; cisim eksi yüklüyse elektroskop da eksi yüklü olmak zorunda. Ayrıca yaprakların konumunda hiç değişikli olmasaydı, hareket etmeselerdi de aynı sonuca varabilirdik. (Neden?)

Şimdi de elektroskobun yapraklarının cisme dokununca biraz kapandığı durumu inceleyelim. Aşağıdaki resimde bu durum gösteriliyor.

Neden biraz kapandı elektroskobun yaprakları? Ayrıca yapraklar tamamen kapanabilirdi, hatta önce kapanıp sonra açılabilirdi de. Bu üç durumun da açıklaması şöyle: Yapraklar kapandığına göre yük miktarları azalmış olmalı. Bu da ancak cisme kendi yüklerinin bir kısmını vermeleri ya da cisimden zıt yük almalarıyla mümkün olabilir. Her iki olay da ancak cisim, elektroskobun yükünün zıt yüküne sahipse gerçekleşebilir (Neden?)

Elektroskop kullanarak cisimlerin yük tayinini cismi elektroskoba dokundurmadan da yapabiliriz. Nasıl? Yorumlarda cevaplarınızı bekliyorum.

Elektroskop ile ilgili kazanımlar

9.6.1.1. Elektrikle yüklenme çeşitlerini örneklerle açıklar.

• Elektroskopun yük cinsinin tayininde kullanılmasına örnekler verilir.

Kaynaklar

Tarihi elektroskoplar