Kazak, Saç ve Kapı Kolu
Kuru bir kış günü yün kazağınızı başınızdan çıkarıyorsunuz: çıtırtılar duyuluyor, saçlarınız havaya kalkıyor. Birkaç saniye sonra metal kapı koluna dokununca parmağınızda küçük bir çarpılma hissediyorsunuz. Üç olayın arkasında tek bir şey var: bir cisimden ötekine geçen elektronlar.
Atomun Yer Değiştiren Parçası
Maddeyi oluşturan atomlarda artı yüklü protonlar, yüksüz nötronlar ve eksi yüklü elektronlar bulunur. Normalde bir cisimdeki proton ve elektron sayısı eşittir; cisim nötrdür. Protonlar çekirdekte sıkıca durur; cisimler arasında yer değiştirebilen yalnızca elektronlardır.
- Elektron alan cisimde eksi yük fazlalaşır: cisim negatif (−) yüklenir.
- Elektron veren cisimde artı yük fazla kalır: cisim pozitif (+) yüklenir.
Mini soru: pozitif yüklü bir cisim proton mu kazanmıştır? Hayır. Proton sayısı değişmez; cisim elektron kaybettiği için artı yük fazla kalmıştır.
Üç Yol: Sürtünme, Dokunma, Etki
Sürtünme ile: İki nötr cisim birbirine sürtülünce biri elektron verir, öteki alır; iki cisim zıt yükle ve eşit miktarda yüklenir.
| Sürtülen çift | Çubuk | Kumaş |
|---|---|---|
| Plastik – yün | Negatif | Pozitif |
| Ebonit – yün | Negatif | Pozitif |
| Cam – ipek | Pozitif | Negatif |
Çözümlü örnek: Nötr bir çubuk ile nötr bir kumaş sürtülüyor ve çubuk 5 birim negatif yükleniyor. Kumaş ne olur? Çubuğun kazandığı elektronları kumaş kaybetmiştir; kumaş 5 birim pozitif olur. Toplam yük önce 0 idi, sonra da $-5 + 5 = 0$. Sürtünme yük üretmez, yükü yer değiştirir.
Dokunma ile: Yüklü bir cisim nötr bir iletkene dokununca yükünün bir kısmını ona aktarır. Negatif yüklü çubuk nötr metal küreye dokununca küre de negatif olur; iki cisim aynı cins yükle yüklenir.
Etki ile: Yüklü cisim nötr cisme dokunmadan yaklaştırılır. Nötr cisimdeki elektronlar yer değiştirir: yakın yüz zıt, uzak yüz aynı yükle dolar. Toplam yük sıfır kalır, ama zıt yükler daha yakın olduğu için cisim çekilir. Yün kumaşa sürtülen plastik cetvelin küçük kâğıt parçalarını çekmesi budur.
İtme mi, Çekme mi?
Aynı cins yükler birbirini iter, zıt cins yükler çeker. İplerle asılmış iki küre birbirinden uzaklaşıyorsa ikisi de aynı yüklüdür. Birbirine yaklaşıyorsa ya zıt yüklüdür ya da biri nötrdür, çünkü nötr cisim de yüklü cisme çekilir. Demek ki "itme" gözlemi iki cismin de yüklü olduğunu kanıtlar, "çekme" tek başına kanıtlamaz. Kuvvet yük miktarı arttıkça artar, cisimler arasındaki uzaklık arttıkça azalır.
Elektroskop: Yükün Göstergesi
Elektroskopta üstte metal bir topuz, ona bağlı metal çubuk ve çubuğun ucunda iki ince metal yaprak bulunur. Yüklü bir çubuk topuza dokundurulunca yük yapraklara yayılır; iki yaprak aynı yükü taşıdığı için birbirini iter ve açılır. Yük fazlaysa açıklık da büyüktür.
Bir öğrenci aynı çubuğu aynı kumaşa 5 s, 10 s ve 20 s sürtüp her seferinde elektroskoba dokundurmuş; yaprak açıklığı 12°, 23° ve 38° olmuş. Sürtme süresi arttıkça çubuğun yükü, dolayısıyla açıklık artmış. Çubuk, kumaş ve elektroskop aynı tutulmuş; değiştirilen tek şey süredir.
Sık yapılan hata: yaprakların açıldığını görüp "cisim pozitifmiş" demek. Açılma yalnızca yük olduğunu gösterir; nötr bir elektroskop yükün cinsini söyleyemez.
İletken, Yalıtkan ve Topraklama
Bakır ve alüminyum gibi metaller yükü kolayca iletir; bunlar iletkendir. Cam, plastik, tahta ve kuru kumaş yükü geçirmez; bunlar yalıtkandır. Sürtünmeyle yüklediğimiz çubuklar yalıtkan olduğu için yük sürtülen bölgede kalır.
Yüklü bir cisim iletken telle toprağa bağlanırsa fazla yük boşalır ve cisim nötrleşir; buna topraklama denir. Negatif yüklü kürenin fazla elektronları toprağa akar; pozitif yüklü küreye ise topraktan elektron gelir. Protonlar iki durumda da yerinden oynamaz.
Fırtına bulutunun alt yüzü çoğunlukla negatif, altındaki yer pozitif yüklenir. Büyük yük farkı bir anda boşalır: boşalma iki bulut arasında olursa şimşek, bulut ile yer arasında olursa yıldırım denir. Yüksek binaların çatısındaki sivri uçlu metal paratoner, kalın bir telle toprağa bağlıdır ve yıldırımı binanın içinden değil bu güvenli yoldan toprağa iletir. Kapı kolundaki çarpılma da minik bir topraklamadır: vücuttaki fazla yük metal üzerinden boşalır.
Güvenlik ve Sınav İpucu
Yıldırımlı havada açık arazide tek başına duran ağacın altına sığınmak tehlikelidir; yüksek ve yalnız duran cisimler yıldırıma hedef olur. Bina ya da kapalı bir aracın içi daha güvenlidir.
Sınav ipucu: Soruda "sürtünme" geçiyorsa iki cisim zıt ve eşit yüklenir; "dokunma" geçiyorsa aynı cins; "yaklaştırma" geçiyorsa toplam yük değişmez. Önce-sonra yük tablosu verilirse boşluğu, toplamın korunduğunu kontrol ederek doldurun: 3 birim negatif yüklenen çubuğun sürtüldüğü kumaş 3 birim pozitiftir.
Sık sorulanlar
Kışın neden daha sık çarpılırız?
Kuru havada vücutta ve giysilerde biriken yük kolay boşalamaz. Nemli havada havadaki su buharı yükün yavaş yavaş boşalmasına yardım eder.
Elektroskop yükün cinsini gösterir mi?
Nötr bir elektroskop yalnızca cismin yüklü olup olmadığını gösterir. Yükün cinsini anlamak için elektroskobun önceden bilinen bir yükle yüklenmiş olması gerekir.