Gerilim nedir? Voltaj nedir? Potansiyel fark nasıl ölçülür?

Öncelikle başlıktaki farklı üç terim de aynı anlama geliyor: Gerilim, voltaj ve potansiyel fark eş anlamlıdır. Ama fizikteki anlamlarını ancak elektrik akımını inceleyerek anlayabiliriz. Akımın bir noktadan birim zamanda geçen yük miktarı olduğunu öğrenmiştik. Ama bu yükleri neyin hareket ettirdiğinden bahsetmemiştik. İşte yüklerin iki nokta arasında akabilmesini, yani elektrik akımının oluşmasını sağlayan, bu iki nokta arasındaki elektriksel potansiyel farkıdır. Bu nedenle elektrik akımından bahsederken potansiyel fark veya voltaj her zaman işin içine girer. Gerilim bu iki kavrama verilen Türkçe addır; iki noktanın elektriksel potansiyelinin eşit olmadığı, bu noktalar arasında bir gerilim olduğunu işaret eder.

Bir iletkenin üstünde elektronların bir yöne doğru hareket edebilmesi için elektronlara elektriksel kuvvet uygulanması gerekir. Bu kuvveti uygulayacak olan elektrik alan, ancak iletkenin iki ucu arasında elektriksel potansiyeller eşit değilse oluşur. Elektriksel potansiyel kavramını ayrıntılı olarak 11. sınıfta göreceksiniz. Elektriksel potansiyel, birim yük başına düşen elektriksel potansiyel enerjidir. Öyleyse, potansiyel fark da, iki nokta arasında birim yükü hareket ettirmek için gerekli olan enerjidir. Elektriksel potansiyel V, potansiyel fark (gerilim ya da voltaj) ise ∆V simgesiyle gösterilir.

V ≡ E_potansiyel / q (Elektrik potansiyelin tanımı, ≡ simgesi tanım anlamına geliyor.)

∆V = V_B – V_A (A ve B noktaları arasındaki elektriksel potansiyel farkı)

Dikkat etmeniz gereken bir nokta var. Potansiyel fark, voltaj ya da gerilim kuvvet değildir (öyle olsa birimi Newton olmalıydı, öyle değil mi?) Gerilim, potansiyel enerji farkının birim yüke oranıdır. Bu nedenle gerilim, voltaj veya potansiyel farkın birimi J/C (Joule bölü Coulomb) ya da daha bilinen adıyla V (Volt)‘ tur. Gerilime voltaj denmesinin de, biriminin volt olmasının da nedeni, elektrik alanına büyük katkılar yapan pilin mucidi, İtalyan bilim insanı Alessandro Volta’yı onurlandırmaktır.

1 Volt ≡, 1 Joule / 1 Coulomb

V ≡ J/C

Örneğin, 1,5 voltluk bir pilin gerilimi, 1 Coulomb yükü pilin eksi ucundan artı ucuna taşımak için 1,5 Joule enerji sağlar. Bir başka deyişle pilin 1 C yükü bir ucundan diğer ucuna taşıyabilmesi için 1,5 J iş yapması gerekir. Bu nedenle potansiyel farka yapılması gereken iş bölü yük de denilebilir. Potansiyel fark dememizin, yani potansiyel enerji farkı dememizin nedeni, potansiyel enerji farkının birim yüke oranlanmış olmasıdır. Bu ayrımı fizikte özellikle vurgularız.

Gerilim, voltaj ya da potansiyel fark nasıl oluşur? Kaynağı nedir?

Gerilimi elektrik yüklerinin ayrılması yaratır. Elektrostatik konusunda ayaklarınızı halıya sürterseniz sonra da kapı koluna dokunursanız sizi elektrik çarpacağını görmüştünüz. Bunun nedeni halıya ayağınızı sürterek yükleri bedeninize aktarmanız ve kapı koluyla eliniz arasında bir potansiyel farkının oluşmasıdır. Elektrik yüklerinin birbirinden ayrılması potansiyel farkın sebebidir.

Piller tam olarak bu işe yarar: kimyasal tepkimeler yoluyla yükleri birbirinden ayırır. Pilin içinde iki farklı metal elektrot (çubuk) elektrolit denen kimyasalın içine konulmuştur. Elektrolitin içindeki kimyasal tepkimeler (değişimler), metalin birine artı iyonları diğerine eksi iyonları taşıyarak, artı ve eksi yükleri birbirinden ayırır. Bir başka deyişle kimyasal tepkimeler yükleri bir elektrottan diğerine taşır. Dolayısıyla da elektrotlar arasında bir elektriksel potansiyel farkı oluşmasına neden olur.

Kimyasal ayrıntılar yerine bir yürüyen merdiven modeliyle bir pilin artı ve eksi uçları arasındaki gerilimin nasıl oluştuğunu inceleyebiliriz.

Aşağıdaki resimde bir pilde artı yüklerin (iyonların), pilin eksi ucundan artı ucuna bir yürüyen merdivenle taşındığı gösteriliyor. Bu pilin içinde gerçekten ne olduğu değil, olan biteni anlamak için kullandığımız faydalı bir model. Artı yükleri taşımak için iş yapılması gerekiyor, bu işin yapılmasını pilin içindeki kimyasal tepkimelerde ortaya çıkan enerji sağlıyor. Kimyasallar bitince, tepkimeler duruyor, yürüyen merdiven çalışamaz hale geliyor, yani pil bitiyor. Yükleri birbirinden ayırarak pil artı ve eksi uç arasında bir potansiyel fark oluşturuyor.

Gerilim kaynaklarına genel olarak üreteç denir. Üreteçler piller olabileceği gibi aküler, bataryalar, yakıt hücreleri, dinamolar ve jeneratörler de olabilir. Ama üreteçlerin hepsi potansiyel farkı elektrik yüklerini birbirinden ayırarak yaratır.

Gerilim, voltaj ya da potansiyel fark nasıl ölçülür?

Gerilim skaler ve türetilmiş bir büyüklüktür. Ama elektrikle ilgili hemen her durumda voltaj ölçülür. Çünkü yük ve elektrik alan doğrudan ölçülemez, bunun yerine çok daha ölçmesi çok daha kolay olan voltaj ölçülür. Gerilimi ölçen cihazlara voltmetre denir. Voltmetreler elektrik devrelerine paralel bağlanır. Voltajı ayrıca multimetre denen, gerilimin yanında elektrik akımını, direnci ve sığayı ölçen cihazlarla da ölçebiliriz.

Aşağıdaki resimde Devre Yapım Seti Doğru Akım PHET Simülasyonunu kullanarak bir pilin uçları arasındaki gerilimin nasıl ölçüldüğü gösteriliyor. Bu simülasyonla oynamak isteyebilirsiniz.

Voltmetrenin bir ucunda kırmızı diğerinde siyah kablolar var. Kırmızı olan artı uca, siyah olan eksi uca bağlanırsa doğru değeri gösteriyor. Resmin solunda voltmetre pilin voltajını -9V okumuş. Çünkü kırmızı kablo pilin yanlış ucuna, eksi ucuna bağlanmış. Resmin sağında bu düzeltilince, kırmızı uç pilin artı ucuna bağlanınca, voltmetre +9V göstermiş.

Yukarıdaki resimde anaog bir voltmetre gösteriliyor. 0 – 15 V arasındaki gerilimi bu cihazla ölçebilirsiniz.

Gerilim, voltaj veya potansiyel fark ile ilgili kazanımlar

2017 – 10.1.1.1. Elektrik akımı, direnç ve potansiyel farkı kavramlarını açıklar.