Elektrostatik veya statik elektrik nedir?

Elektrostatik (statik elektrik veya durgun elektrik de denir), hareket etmeyen (yani akım halinde olmayan) elektrik yüklerinin özelliklerini ve davranışını açıklayan fiziğin alt dalıdır. Yün kazağınızı çıkarırken ya da bir halının üstünde yürüdükten sonra metal bir kapı koluna dokunduğunuzda tatsız bir çarpılmanın şokunu yaşadığınız oldu mu? Aşağıdaki resimde plastik bir kaydıraktan kayan bir çocuğun saçlarının dikildiğini görüyoruz. Saçınızı plastik bir tarakla sert bir şekilde taradıktan sonra tarağın küçük kağıt parçalarını çektiğini gördünüz mü? Bütün bu tuhaf olayların sebebi ne olabilir? Bunun gibi durumları açıklamak için elektrik yüklerini anlamamız gerekiyor. Çünkü elektrostatik kavramlarının temelinde elektrik yükü vardır. Bunun için önce elektrik yükü nedir, kaç çeşit elektrik yükü vardır sorularını cevaplamalıyız.

Elektrik yükü nedir? Kaç çeşit yük vardır?

Elektrik yüklerinin iki çeşit olduğunu, birine artı (pozitif) yük, diğerine eksi (negatif) yük dendiğini mutlaka duymuşsunuzdur. Eksi yükün atomlardaki elektronlarda, artı yükün de protonlarda olduğunu da biliyor olabilirsiniz. Ama bunları nereden biliyorsunuz? Kitaplarda okuduk, öğretmenimiz söyledi ya da internette var öyleyse kesin doğrudur mu diyeceksiniz? Bu yazıda elektrik yükü çeşitlerini, elektrostatik deneyleri yaparak keşfedeceğiz. Deneylerimizdeki gözlemlerimizi kullanarak elektrik yükleri ile ilgili sonuçlar çıkaracağız. Deneylerde şu malzemeleri kullanıyoruz:

• 20 cm – 30 cm uzunluğunda çeşitli plastik (ebonit de deniyor) ve cam çubuklar
• Sapları tahtadan yapılmış olan bir kaç metal çubuk
• Yün ve ipek kumaş parçaları
• İnce ip ya da iplik

Bakalım bu malzemelerle nasıl deneyler yapabileceğiz:

Elektrostatik keşfi: Deney 1

Yukarıdaki resimde uzun süredir dokunulmamış (bir şeylere sürtülmemiş) bir plastik çubuğu alıp ipe bağlıyoruz ve tavana asıyoruz. Uzun süredir dokunulmamış başka bir plastik çubuğu alıp ilk çubuğa yaklaştırıyoruz. Bu deneyde gözlemimiz şu: İki çubuğa da bir şey olmuyor, ikisi de hareket etmiyor, ikisine de kuvvet uygulanmıyor. Çubukları yaklaştırsak da uzaklaştırsak da sonuç değişmiyor, birbirlerini etkilemiyorlar.

Elektrostatik keşfi: Deney 2

Şimdi de her iki plastik çubuğu da yün parçasına iyice sürtüyoruz. İkici plastik çubuğu yaklaştırdığımız zaman tavana asılı çubuğun uzaklaştığını görüyoruz, hareket ediyor, üstüne onu iten bir kuvvet uygulanıyor. Plastik çubuklar birbirini itiyor. Aynı deneyi plastik çubuklar yerine cam çubukları yün parçası yerine ipek kumaş parçasına sürterek tekrarladığımızda da aynı olayı gözlemliyoruz. Bu kez cam çubuklar birbirini itiyor. Bir şey daha dikkatimizi çekiyor: Çubukları ne kadar çok sürtersek o kadar fazla birbirlerini itiyorlar ve çubukları birbirine ne kadar yaklaştırırsak da o kadar fazla birbirlerini itiyorlar.

Elektrostatik keşfi: Deney 3

Bu kez tavana astığımız yün paçasına sürtülmüş plastik çubuğa, ipek kumaş parçasına sürtülmüş cam çubuğu yaklaştırıyoruz. Plastik çubuğun cam çubuğa yaklaştığını, hareket ettiğini görüyoruz. Plastik çubuk ve cam çubuk birbirini çekiyor, birbirlerine çeken kuvvetler uyguluyorlar. Bu deneyde de çubukları ne kadar çok sürtersek o kadar çok birbirlerini çekiyorlar; ne kadar yaklaştırırsak o kadar fazla birbirlerini çekiyorlar.

Elektrostatik deneylerinin yorumu

İlk deneyde kuvvet gözlemlemedik. Başlangıçtaki (uzun süre dokunulmamış, bir şeylere sürtülmemiş) cisimlere nötr ya da yüksüz cisimler diyoruz. İkinci deneyde, çubukları kumaş parçalarına sürtmek bir şekilde aralarında bir kuvvet uygulanmasına sebep oluyor. Sürtme sürecine elektrikle yükleme, sürtülen çubuğa da elektrik yüklü diyoruz. Uygulanan kuvvetin aynı şekilde yüklenmiş iki özdeş cisim arasında, uzun mesafelerde etkili, temas gerektirmeyen bir kuvvet olduğu sonucuna ulaşıyoruz. Ayrıca bu kuvvetin iki cisim arasındaki mesafeyle ters orantılı olduğunu da görüyoruz, mesafe arttıkça azalıyor, ama matematiksel olarak tam nasıl azaldığını, örneğin uzaklığın karesiyle mi doğru orantılı azalıp azalmadığını henüz bilmiyoruz. Ayrıca ilk kez itici bir kuvvetle karşılaşıyoruz; iyi bildiğimiz yer çekimi çekici (kütlelerin birbirini çektiği) bir kuvvet.

Ama üçüncü deney tam bir muamma. Neden plastik çubukla cam çubuk birbirini çekti? Oysa yüklü plastik çubuklar ve yüklü cam çubuklar birbirini itiyor. İkinci deneyle üçüncü deneydeki gözlemlerimiz çelişiyor. Bu çekim kuvvetini daha iyi anlayabilmemiz için deney yapmaya devam etmeliyiz.

Elektrostatik keşfi: Deney 4

Bir kağıdı yırtıp küçük parçaları masanın üstüne koyuyoruz. Sonra yüklü (yün parçasına sürtülmüş) plastik çubuğu kağıt parçalarına yaklaştırıyoruz. Kağıt parçalarının zıplayıp çubuğa yağıştığını görüyoruz. Aynısını yüklü (ipek kumaşa sürtülmüş) cam çubukla yaptığımızda da gözlemliyoruz. Yüklü çubukların ikisine de kağıt parçaları çekiliyor. Ama nötr (yüksüz) çubuğu (plastik ya da cam olması fark etmiyor), kağıt parçalarına yaklaştırdığımızda kağıt parçaları hareket etmiyor. Nötr çubuğun kağıt parçaları üzerinde bir etkisi yok.

Elektrostatik keşfi: Deney 5

Plastik çubuğu yün parçasına sürterek yükledikten sonra tavana bir iple asıyoruz. Sonra yüksüz bir plastik çubuğu yaklaştırıyoruz. Yüklü çubuğun yüksüz çubuğa doğru çekildiğini gözlemliyoruz. Aynısını cam çubukla da yapıyoruz. Cam çubuğu ipek kumaş parçasına sürtüp yükledikten sonra tavana iple asıyoruz ve nötr çubuğu yaklaştırıyoruz. Nötr plastik çubuk yüklü cam çubuğu da çekiyor. Nötr cam çubuk kullandığımızda da aynı durumu gözlemliyoruz. Yüklü çubuklar yüksüz plastik ve cam çubuğu çekmekle kalmıyor; metal bir çubuk veya bir kağıt parçası gibi yüksüz olan her cismi çekiyorlar.

Elektrostatik keşfi: Deney 6

Bu kez deneyde tavana astığımız bir plastik çubuğu yün kumaş parçasına sürtüyoruz. Sonra yün parçasını plastik çubuğa yaklaştırıyoruz. Çubuğun hafifçe yüne çekildiğini gözlemliyoruz. Cam çubuğa sürttüğümüz ipek parçasını yüklü plastik çubuğa yaklaştırdığımızda ise çubuğun ipek parçası tarafından itildiğini görüyoruz.

Elektrostatik keşfi: Deney 7

Deney yapmaya doyamadık. Bir kaç deney daha yapıyoruz. Yüklediğimiz çeşitli cisimleri tavana astığımız yüklü plastik ve cam çubuklara yaklaştırıyoruz. Her denememizde yüklediğimiz cisimler plastik çubuğu çekiyorsa, cam çubuğu itiyor; plastik çubuğu itiyorsa cam çubuğu çekiyor. Her iki yüklü çubuğu da iten ya da çeken hiçbir yüklü cismimle karşılaşmıyoruz. Ama yüklediğimiz her cisim yüksüz kağıt parçalarını çekiyor (ama hiçbir zaman itmiyor).

Elektrostatik deneylerinin yorumuna devam

İlk üç deneyimizde yüklü cisimlerin birbirine kuvvet uyguladıklarını bulduk. Bu kuvvetlerin bazen çeken bazen iten kuvvetler olduğunu gözlemledik. Dördüncü ve beşinci deneyde yüklü bir cisimle yüksüz (nötr) bir cisim arasında çeken bir kuvvet olduğunu gördük. Bu bulgu önemli bir soruyu beraberinde getiriyor: Bir cismin yüklü mü yoksa yüksüz mü olduğunu nasıl anlayacağız? Yüklü bir cismin yüksüz bir cismi çekmesinden dolayı, sadece iki cisim arasında elektrik kuvveti olduğunu gözlemlememiz iki cismin de yüklü olduğu anlamına gelmiyor. İki cisimden hangisi yüklü, yoksa ikisi de yüklü mü? Ama yüklü cisimlerin önemli bir özelliğinin kağıt parçalarını çekebilmesi olduğunu biliyoruz. Öyleyse, bir cismin yüklü olup olmadığını anlamanın en sağlam yolu, kağıt parçalarını çekip çekememesini denemek. Eğer çekiyorsa yüklüdür, çekmiyorsa yüksüzdür. Daha sonraki yazılarda elektroskop denen bir araçla da bir cismin yüklü olup olmadığını belirleyebileceğimizi göreceksiniz.

Elektrik yükü modeli

Şimdi elektrik yükü ile ilgili bir kuram (teori ya da model) oluşturmaya başlayabiliriz. Gözlemlerimize dayanarak:

1. Sürtünme kuvveti, sürtmek gibi, bir cisme yük ekler ya da bir cisimden yük eksiltir. Sürtme sürecinin (işleminin) kendisine elektrikle yükleme diyelim. Bir şeyi ne kadar sert sürtersek o kadar çok yükleniyor. (Deney 2 ve 3.)
2. Yalnızca ve yalnızca iki çeşit elektrik yükü vardır. Şimdilik bu elektrik yükü türlerine “plastik yükü” ve “cam yükü” diyelim. Başka cisimleri de sürtünme ile yükleyebiliyoruz, ama aldıkları veya verdikleri yük “plastik yükü” veya “cam yükü” olmak zorunda. (Deney 7). Eğer bir cisim yüklüyse (kağıt parçalarını çekiyorsa), yüklü plastik ve yüklü cam çubuklardan birini çeker, diğerini iter. Yani ya “cam” ya da “plastik” gibi davranır. Eğer, ilk iki yük türünden farklı üçüncü bir yük türü daha olsaydı, bu üçüncü tür yükle yüklenmiş bir cisim hem kağıt parçalarını, hem de yüklü plastik ve yüklü cam çubuğu çekmeliydi. Oysa böyle bir cismi hiç kimse bulamamış, yok böyle bir cisim ve böyle bir üçüncü elektrik yük çeşidi (şimdilik, acaba gelecekte bulunabilir mi?).
3. Aynı çeşit yükler (plastik ile plastik veya cam ile cam) birbirini iter. Zıt yükler (plastik ve cam) birbirini çeker. (Deney 2 ve 3)
4. İki yüklü cisim arasındaki kuvvet uzun mesafeli bir kuvvettir. Kuvvetin büyüklüğü yük miktarı arttıkça artar, yüklü cisimler arasındaki mesafe arttıkça azalır.
5. Yüksüz (nötr) cisimlerde eşit miktarda “plastik yükü” ve “cam yükü” bulunur. Sürtme işlemi bir şekilde bu iki yükü birbirinden ayırır. (Deney 6). Yüklü plastik çubuk sürtüldüğü yün parçasına çekiliyordu, ama cam çubuğu yüklemekte kullanılan ipek kumaş parçası tarafından itiliyordu. Öyleyse, ipeği cama sürtmek, ipeğin “plastik yükü” kazanmasına neden oluyor. Bu durumu açıklamanın en kolay yolu ipeğin eşit miktarda plastik yüküne ve cam yüküne sahip olduğunu, sürtme işleminin de bir şekilde “cam yükünü” ipekten cama aktarması olduğunu ileri sürmek. Bunun sonucunda cam çubukta fazladan “cam yükü”, ipekte de fazladan “plastik yükü” kalmış oluyor.

Büyük ihtimalle bildiğiniz gibi elektrik yüklerine günümüzde artı ve eksi yük diyoruz. Bu isimlerin Benjamin Franklin tarafından uydurulduğunu biliyor muydunuz? Benjamin Franklin yüklerin artı ve eksi sayılar gibi davrandığını fark etmiş. Eğer bir çubuğu iki kez sürterek yüklerseniz elektrik kuvvetinin iki katına çıktığını görürsünüz. Ama “plastik yükü” mü artı, “cam yükü” mü artı yük? Hangisine artı, hangisine eksi diyeceğimiz aslında tamamen bize bağlı. Benjamin Franklin “cam yüküne” artı yük demiş, diğerleri kabul etmiş ve öyle kalmış. Çok daha sonra elektronlar keşfedildiğinde yüklü cam çubuğa doğru çekildikleri gözlemlenince, elektronun yüküne eksi yük denilmiş. Protonlar da cam çubuk tarafından itildiği için onların yüküne de artı yük denilmiş. Yani elektronların eksi, protonların artı yüklü olmasının nedeni gelenek.

Atomlar ve Elektrik Yükleri

Elektrik kuramı atomların varlığından haberdar olunmadan geliştirilmiş. Ama biz atomları bildiğimize göre elektrik nedir açıklamak için kullanabiliriz.

Yukarıdaki resimde bir atom modeli gösteriliyor. Atomun merkezinde çekirdeği var. Çekirdek çok küçük (10^-14 m civarında) ve büyük kütleli. Çekirdeğin etrafı, kütleleri çekirdeğe göre çok daha küçük olan çekirdeğin çevresinde dolanan elektronlarla sarılmış. Elektronlar çekirdeğin etrafında o kadar hızlı dolanıyorlar ki (saniyede 10¹⁵ tur atıyorlar) bir elektron bulutu oluşturuyorlar. Elektron bulutunun çapı 10^-10 m civarında, yani çekirdekten 10000 kat daha büyük. (Aslında işler bundan biraz daha karışık, kuantum fiziğine göre elektron yörüngeleri kesin olarak tanımlanamıyor, elektronlar hakkında bilebildiğimiz yalnızca elektron bulutunun büyüklüğünden ve şeklinden ibaret.)

Birim yük, temel yük birimi, elemanter yük nedir?

J.J. Thompson’un 19. yüzyılın sonunda yaptığı deneylerden, elektronların hem eksi elektrik yükü hem de kütlesi olan parçacıklar olduğunu biliyoruz. Çekirdeğin artı yüklü protonlardan ve yüksüz nötronlardan oluşan birleşik bir yapısı olduğunu biliyoruz. Atomun da artı yüklü çekirdekle eksi yüklü elektronlar arasındaki elektrik kuvveti ile bir arada durduduğunu biliyoruz.

Elektrikle ilgili en önemli keşiflerden biri, elektrik yükünün tıpkı kütle gibi elektronların ve protonların temel bir özelliği olmasıdır. Kütlesiz bir elektron olamayacağı gibi yüksüz bir elektron da olamaz. Elektronlar ve protonlar tam olarak aynı miktarda elektrik yüküne sahipler (çok hassas deneylerde bile fark bulamıyor fizikçiler), ama işaretleri farklı, elektron eksi proton artı yüklü.

Bu atom seviyesindeki yük birimine temel yük birimi (elemanter yük de denir) ya da birim yük denir ve e simgesiyle ile gösterilir. e = 1,60 x 10^-19 C (Coulomb) büyüklüğündedir. Coulumb kanununda C biriminin nereden geldiğini öğreneceğiz. Elektronun yükü -e = -1,60 x 10^-19 C (eksi işaretine dikkat), protonun yükü e = 1,60 x 10^-19 C’dur.

Doğada karşılaştığımız en küçük yük bir elektronun veya bir protonun yüküdür (aslında daha sonra kuarklardan bahsederken bu iş biraz daha değişecek, ama şimdilik böyle diyelim). Temel yük daha küçük parçalara bölünemez. Bu nedenle yüklü tüm cisimler sadece temel yükün tam katı yükle yüklenir (5e, 100e, 10000000e gibi), asla kesirli katıyla (küsuratlı) olarak yüklenemez (1,5e veya 8/3e yüklü bir cisim olamaz). Buna elektrik yükünün kesikliliği (bölünemezliği ya da kuantize olması) denir.

Bir cisim elektrikle yüklenirken ne olur?

Öyleyse, eksi yüklü bir cisimde fazladan bir miktar elektron vardır; artı yüklü bir cisimde bir miktar elektron eksiktir. İki cisim birbirine temas ederken, elektronlar bir cisimden diğerine hareket edebilir, ama protonlar çekirdekte birbirine çok sıkı bağlı oldukları için hareket edemez. Hareket eden sadece elektronlardır. Elektrikle yükleme bir cisimden diğerine elektron aktararak gerçekleşir. Ama elektronlar havadan ya da boşluktan zıplayamaz. Bir cismi yüklü bir başka cisme yaklaştırarak yükleyemezsiniz, mutlaka dokunmaları gerekir.

Yüksüz (nötr) cisim, hiç yükü olmayan cisim demek değildir. Elektronlarının sayısı protonlarının sayısına eşit olan cisim demektir.

Elektrik yükü q (ya da Q) simgesiyle gösterilir. Plastik çubuk gibi makroskopik bir cismin yükü proton sayısından (N_proton) elektron sayısının (N_elektron) çıkarılıp, temel yük birimi e ile çarpılmasıyla bulunur:

q = (N_proton – N_elektron)e

Mikroskopik cisimlerin çoğu yüksüzdür (nötrdür, q=0). Net yükü olmayan cisimlere yüksüz denir. Yani yüksüz cisimlerde elektron sayısı proton sayısına eşittir.

Elektrik yükünün korunumu yasası nedir?

Elektrik yükü ile ilgili en önemli keşiflerden biri de yükün korunumu yasasıdır (ilkesi ya da prensibi de denir). Elektrik yükü yoktan var edilemez (yaratılamaz) ve varken de yok edilemez. Yük bir cisimden diğerine elektronların hareketiyle aktarılabilir, ama toplam yük miktarı değişmez. Örneğin, plastik çubuğu yün parçasına sürterken elektronlar yünden plastik çubuğa aktarılır. Yünde eksilen elektronlardan dolayı artı yük fazlalığı oluşur; plastik çubukta da yünden aktarılan elektronların sayesinde eksi yük fazlalığı oluşur. Ama yünden eksilen elektron sayısı, plastik çubuğun kazandığı elektron sayısına tam olarak eşittir (o elektronlar yünden geldi sonuçta).

q_yün = -q_{plastik çubuk}

Bu iki cismin oluşturduğu sistemin net yükü her zaman sıfırdır.

q_yün + q_{plastik çubuk} = (-q_{plastik çubuk}) + q_{plastik çubuk} = 0

Elektrostatik nerede kullanılır?

Günlük yaşammızda elektrostatik pek çok alanda kullanılır. Lazer yazıcılar ve fotokopi makineleri elektrostatik ilkeleri kullanılarak tasarlanır. Tarım ilaçlamasında, ilacın püskürtülerek statik elektrik sayesinde bitkinin yapraklarına yapışması ve bitkinin her yanına eşit biçimde dağılması sağlanır. Araba kaportalarının sprey boyayla boyanmasında da elektrostatik kullanılır. Kaporta elektrikle yüklenir, bu nedenle boya yalnızca kaportaya doğru çekilir, etrafındaki makinelere bulaşmaz. Elektrik santrallerinde ve kimya fabrikalarında elektrostatik sayesinde havayı kirleten tanecikler bacada yakalanır ve atmosfere salınmaları engellenir.

Ayrıca yıldırım ve şimşek gibi doğa olayları da statik elektrik nedeniyle gerçekleşir. Yukarıdaki resimde yıldırım ve şimşek görülüyor.

Elektrostatik (statik elektrik) ile ilgili simülasyonlar

PHET’in iki adet basit simülasyonu var. Oynamanızı tavsiye ederim:

• John Travoltaj
• Balonlar ve Durgun Elektrik

Elektrostatik (statik elektrik) ile ilgili kazanımlar

2018 – 9.6.1.1. Elektrikle yüklenme çeşitlerini örneklerle açıklar.

• Elektrikle yüklenmede yüklerin korunumlu olduğu vurgulanmalıdır.
• Yük, birim yük ve elektrikle yüklenme kavramları verilir.

2013 – 10.2.1.1. Elektrik yükünün özelliklerini açıklar.

• Öğrencilerin iki tür elektrik yükü olduğunu ve toplam elektrik yükünün korunumlu olduğunu anlamaları sağlanır.

2013 – 10.2.1.2. Elektrikle yüklenme olayını açıklar ve farklı tür maddelerin elektrikle yüklenmelerini karşılaştırır.

• Öğrencilerin deneyler yaparak ve simülasyonlar kullanarak karşılaştırma yapmaları için ortam hazırlanır.
• Öğrencilerin günlük hayat örneklerini incelemeleri sağlanır.

Kaynaklar

• Explain That Stuff
• Kaydıraktaki çocuk fotoğrafı: By Ken Bosma from Green Valley, Arizona, USA (Electric Slide) [CC BY 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], via Wikimedia Commons