editör_Fikret_Korur

Kavramlarla Fizik


0
Categories : GÜNCEL YAZILAR

Güncel yazılarımdaki bu bölümde, aynı blog üzerinden sürekli güncelleyerek fizik konuları veya kavramlarını kısaca anlatacağım. Detaylı bilgi veya tartışmalar için iletişim bölümündeki e-posta adreslerime yazmaktan çekinmeyiniz. İyi okumalar.

Fonon (Phonon) Nedir?

Çoğu malzemenin ısıl ve elektrik iletkenliği arasında bir ilişki yoktur. Örneğin, çok yüksek elektriksel iletkenliği olan gümüşün ısıl iletkenliği elmastan küçüktür (Mavi elmaz-yarıiletken- elmas hariç elektriği iletmez). Bunun sebebi fononlardır. Fonon, bir temel atom veya molekül örgüsünün düzenli olarak tekil frekans ile birincil titreşim hareketinin kuantum mekaniğinde karşılık gelen kavramıdır. Bir kristali oluşturan atomların bütüncül hareketi olan örgü titreşiminin kuantumu olarak ta belirtilebilir. Optik (THz aralığında yüksek frekanslı salınım yapan) ve akustik (ses hızında yayılan) olmak üzere iki tür fonon vardır. Klasik mekanikte normal modlarda dalga benzer bir olgu ile karşılaşırken, fononlar buna parçacık benzer durumu da ekler ve dalga-parçacık ikiliğine aykırı olmamış olur. Yoğun maddenin fiziksel özelliklerini açıklarken önemli rol oynar. Yoğun maddede molekül ve atomların dizilişinde esnek ve periyodik uyarılmadır. Bu nedenle metallerde ısıl iletkenlik elektriksel iletkenliği izler. Metallerde serbest elektronlar yalnızca elektriği değil ısı enerjisini de iletir.

Katılarda serbest elektronlar, sıvılarda çözünmüş iyonlar, gazlarda ise iyonize olma durumu elektrik iletimini gerçekleştiren durumdur ki bir sonraki başlık bununla ilgili olacaktır. Maddenin bu hallerinde ısı iletimi ise, elektronların veya iyonların yerdeğiştirmesi ile değil; titreşim ve spin hareketleri daha fazla olan taraftan (sıcak olan) ve bu hareketleri daha az olan tarafa (soğuk olan) doğru aktarılması/transferi ile olur. (06.01.2021)

Dr. Fikret KORUR

Elektrik Akımı Nasıl İletilir?

Günlük hayatta kullandığımız kablolarda elektriği iletmek için genellikle bakır teller kullanılır. Elektrik akımı ister AC ister DC olsun, elektrik akımını ileten serbest elektronlardır. Bakır, her atomu başına serbest elektronlar barındırır. Bu elektronlar sizin devreye bağladığınız iletkenlerin (kablolar, metaller vb.) içindedir. Elektrik akımı DC (doğru akım) veya AC (alternatif akım) şeklinde olabilir.

DC dediğimizde, yüklerin bir yönde aktığını tasvir ederiz. Bir pil, bir devrede doğru akım üretir; çünkü bir pilin her kutbu daima sabit işaretlidir; pozitif kutbu her zaman pozitif ve negatif kutbu her zaman negatiftir. Devredeki pil devreye elektron pompalayan bir kaynak değildir. Bir basit elektrik devresinde, elektrik akımının nedeni pilin devreye sağladığı potansiyel farktır ve akımın büyüklüğü bu potansiyel farkın büyüklüğüne bağlıdır. Bu potansiyel fark iki kutup arasında bir elektrik alan oluşturur ve devredeki elektronlara (veya iyonlara) etki eden net bir elektriksel kuvvet oluşur; bu hareket daima devrede aynı yöndedir. Akım, kararsız atmalar şeklinde oluşsa da, elektronlar sadece bir yönde hareket ettiği sürece DC’dir. Bir DC devresinde; güç kaynağı bir pil ise, elektrik alan çizgileri bir yönde korunur. Serbest elektronlar, alan çizgilerine paralel olarak net elektriksel kuvvet etkisiyle ivmelendirilir. Pilin iki kutbuna bir bakır tel bağlandığında, iki kutup arasında oluşan elektrik alan telin içinde de oluşacak ve sürücü bir akım ile kablo içindeki serbest elektronları hareketlendirecektir (ANCAK pilin pozitif kutbundan çıkan elektronlar negatif kutba doğru hareketlendiğini belirtmek doğru değildir). Bu sürüklenme hareketinin yönü pilin negatif kutbundan pozitif kutbuna (elektronlara etkiyen kuvvet, elektrik alanın yönünün tersine) doğrudur. Elektrik akımının yönü ise elektronların hareket yönünün tersine pozitif kutuptan negatif kutba doğru kabul edilir. Devreye bağladığımız güç kaynağı, devredeki elektronları ivmelendiren elektrik alanın sürekli oluşmasını sağlar ve bunu oluşturacak şekilde bir potansiyel fark oluşturur. Potansiyel fark azaldığında elektrik alan şiddeti azalır ancak akım kesilmez, potansiyel fark bittiğinde elektrik alan sıfır olur ve net akım durur. Pilin devreye uyguladığı potansiyel fark (pilin üzerinde yazan 1.5 V veya 9 V gibi değerler) ne kadar fazla ise serbest elektronların o kadar büyük bir ivme ile hızlanacağı belirtilebilir ki elektrik akımı, bununla ilgili bir büyüklüktür.

Tipik bir DC devresinde, potansiyel fark olmadığında ne olur? İsterseniz şöyle sorayım, güç kaynağı olmadan bakır kabloda zaten elektronlar varsa tek başına kablo bağladığımız bir lamba niye yanmaz? Bir kapalı devre boyunca elektronlar, eş zamanlı olarak elektrik alana tepki verirler. Her 1 m3 bakır telde yaklaşık 8×1028 atom bulunmaktadır. 1mm çaplı bir bakır telde bir elektronun sürüklenme (drift) hızı yaklaşık olarak 2,8×10-4 m/s olacaktır. Elektronun sağa sola çarparak ilerlemesi hızlarını iyiden iyiye azaltacaktır. Net drift hız bu değerlerde iken bir elektronun, bakır kablonun 1 metrelik kısmında ilerleyebilmesi 68 dakikayı bulur (bazı metallerde bu süre 3 saate kadar çıkabilir). Öyleyse bakır kablonun içinde, belli bir yöne düzenli olarak akamayan serbest elektronlardan elektrik akımı oluşturmalarını ve bir lambayı yakmalarını bekleyemeyiz. Dolayısıyla elektrik akımı metallerdeki serbest elektronların sürüklenme (drift) hızı sonucu oluşmaz.

Bir AC devresinde ise, iletimi sağlayan elektronlar tel boyunca ilerlemezler. Nispeten sabit olan konumlarında saniyenin 1/60’ı kadar ileri ve saniyenin 1/60’ı kadar (60 Hz) geri ritmik olarak salınırlar. Bir şehrin enerji nakil hattının bir ucundan diğer ucunda yaklaşık ışık hızıyla iletilen de bu salınım hareketi desenidir.  Zaten tellerdeki elektronlar, hareketli desenin ritmi ile titreşirler. Net etki, gerçekten hiçbir yere gitmemeleridir.

AC, devredeki elektronlar önce bir yönde ve daha sonra ters yönde hareket ettirilir ve görece sabit pozisyonlar arasında ileri ve geri şeklinde değişkendir.  Bu, örneğin bir jeneratörün geriliminin polaritesini değiştirerek gerçekleştirilir. Elektrik akımı bakır telin içinde birbirine çarpışan elektronlar vasıtasıyla iletilmez (birbirini yıkan domino taşları gibi elektriği aktarmazlar). Bir iletken içindeki serbest elektronların birbirine hatta atomlara çarpması ancak onları yavaşlatır, DİRENÇ oluşturur. Bu serbest elektronlar güç kaynağından gelen elektrik alanın onları ivmelendirmesi (ışık hızına yakın hızlarla) ile iletirler. İşte, evinizde bir elektrik anahtarına bastığımızda neredeyse ışık hızında ampulün yanmasının nedeni budur. Ancak doğal olarak bu hareketleri de mutlak serbest değildir, etrafındaki atomlara çarparak ilerler ve bu nedenle elektrik ileten tel veya malzemeler zamanla ısınır. Yukarıda da bahsettiğim gibi, bir devredeki elektron kaynağı, iletken devre malzemesinin kendisidir. Evlerde prizlerde kullandığımız AC’dir. Elektronlar, AC devresindeki bir tel üzerinden net bir geçiş yapmazlar. Bir duya bir lamba taktığınızda, elektronlar değil de enerji priz üzerinden lambaya doğru akar. Enerji titreşen/salınan elektrik alan tarafından taşınır ve zaten lambanın filamentinde bulunan elektronların titreşim hareketi yapmasına neden olur, ve lamba ışık verir.

Dr. Fikret KORUR

Ağırlıksız Hissetmek.. Mikro-g NEDİR?

Astronotların uluslararası uzay istasyonunda hissettikleri ve bizim de oldukça ilgimizi çeken bu mikro çekim durumu nedir? Buna “yerçekimsiz ortam” demek doğru mu? Gerçekte g=0 mı oluyor? Şimdi gelin bu soruları çok yalın ve öz bir şekilde cevaplamaya çalışalım.

SIFIR YERÇEKİMİ diye adlandırılan aslında kütlesel çekimin oldukça azalması, Yer’in altımızdan çekilmiş olma durumu ve böylece ağırlıksız gibi hissetmemizdir.

Bir trambolin de zıpladığımızda bir-kaç saniyeliğine havada hissettiğimiz budur. Lunaparklardaki hız trenlerinin tepeden ani düşüşlerinde hissettiğimiz de. Hava sürtünmesinin önemsenmediği bir ortamda yere doğru düşerken elinizdeki elmayı bıraksanız, her saniye o da sizinle aynı hızla düşer- çünkü size ve elmaya aynı ivme etki eder. Böylece siz düşerken elma hep yanınızdadır. Onu tutup tekrar bırakabilirsiniz. Veya bu düşme sırasında, yeterince ıslak bir havluyu sıkarak suyunu uzaklaştırmanız mümkün olmayacaktır; çünkü su da sizinle birlikte düşüyor olacaktır. Astronotların hissettiği bunun aynısıdır.

DİKKAT: Öyleyse astronotların ağırlıksız olma (hissetme) nedeni ORADA KÜTLESEL ÇEKİMİN YOKLUĞUNDAN değildir. Buna, sıfır-g (Zero-g) denilse de teknik olarak g=0 olması mümkün değildir. Neden mi?

Yeryüzünden ne kadar uzaklaşırsanız uzaklaşın üzerinize etki eden bir kütlesel çekim ivmesi vardır, sıfıra yaklaşır ama sıfır olmaz. Yeryüzünde g=9,81 m/s^2 olan çekim ivmesi değeri, çok uzaklara, uydumuz Ay’ın yakınlarına (324 000 km) kadar gittiğinizde 0,0027 m/s^2’ye düşer.

Buradan şunu anlayabiliriz ki Ay’ın bulunduğu mesafede bile Yerküre’nin çekim etkisi cisimleri yörüngede tutabilir. PEKİ bu çekimin SINIRI var mı derseniz; Hill Küresi bilgisine göz atmanızı tavsiye ederim.  

Uluslararası uzay istasyonu Yer yüzeyinden yaklaşık 400 km uzaktadır. Burada kütlesel çekim ivmesi g=8,67 m/s^2 kadardır. Yani sadece % 12 azalır. Ciddi bir çekim, uzay istasyonuna etki eder. Her bir parça, astronotlar, malzemeler vs. her şey aynı çekim ivmesine maruz kalır.

GERÇEKTE; astronotların hissettiği, Yer’in altından çekilmiş olmasıdır. Yani uzay istasyonu içindeki her bir malzeme ile birlikte, tam anlamıyla, “serbest düşme” halindedir. Bu hissettiği ağırlıksız olma durumu mikro gravite (mikro-g) olarak isimlendirilir. Ancak bu düşmenin sonunda aniden durma veya Yeryüzü’ne çarpmanın gerçekleşmesi söz konusu değildir. Uzay mekiği yörüngesine oturtulduktan sonra, sürekli bir serbest düşmeyi koruyacak hıza ulaşıncaya kadar ivmelenir (Newton’un düşünce deneyi). Bu ivmelenme sonunda, Yer yüzeyinden belli bir yükseklikteki yörüngesi etrafında, Yerküre’nin çekiminde çembersel hareketini koruyacak belirli bir hız değerine ulaşır. Bu hız Yerküre etrafındaki bir tam turunu 92 dakikada tamamlayacak kadar, yani saatte 28 000 km’lik yüksek bir hızdır. Haberleşme veya GPS uydularının bulunduğu bölgede atmosfer incelmiştir ve uyduların ulaştıkları hızlarını korumalarına izin verir. Ancak uluslararası uzay istasyonunun bulunduğu bölge (LEO bölgesi) tamamen boşluk değildir ve özellikle oksijenin oransal olarak az da olsa varlığı, sınırlı bir sürüklenme (sürtünme) ile istasyonun hızını azaltmakta ve yörüngesinden biraz aşağılara inmesine neden olmaktadır (405 km’den 401 km’ye gibi). Bu etkiyi azaltmak için Uluslararası Uzay İstasyonunda (UUİ) önceden belirlenmiş zamanlarda, (Yer’den kontrollü) motorlarını bir kaç dakikalığına tekrar ateşleme (reboost) işlemi yapılarak, bulunduğu yörüngede merkezden dışarı doğru bir kuvvet ile ivmelenmesi sağlanır ve yüksekliğinin (rakım) korunması amaçlanır.

Bu tekrar ateşlemenin etkisini göstermek isteyen astronot; ateşleme öncesi Uluslararası Uzay İstasyonunda (UUİ) elinden bıraktığı fotograf makinesinin -kendisine göre- hareketsiz olduğu gösterir. Tekrar ateşleme (reboost) sırasında kendini sabit tutmayı başardığında, eliden bıraktığı fotograf makinesinin ateşleme yönünde ivmelendiğini (video-3:26’dan itibaren) göstermektedir. Kendisini de sabitlemediğinde (video-4:38’den itibaren) aynı fotograf makinesi gibi hareketlendiğini göstermektedir.

Uzay istasyonundaki her şey bu mikro-g etki ve prensiplerine göre gerçekleştiği için; Dünya’da kütlesel çekimin en fazla olduğu durumdan çok farklı gerçekleşir. MİKRO GRAVİTE DENEYİMLERİ ASTRONOTLARIN YETİŞTİRİLMESİ VE BU ORTAMLARDA GERÇEKLEŞECEK BİLİMSEL OLAYLARIN ARAŞTIRILMASI İÇİN GEREKLİDİR. 

Bu nedenle NASA’nın kule veya özel tasarım uçakları ile mikro-yerçekimi ortamı oluşturabildiğini biliyoruz. Ancak yeryüzeyine yakın gerçekleşen bu deneyimler 5 saniye ile 10 dakika gibi kısa zaman dilimleri için gerçekleştirilebilmektedir.

Göreli hareketin etkilerini hissettiğimiz bu ortamlarda maruz kalacağınız ivmelenme yer yüzeyindeki kütlesel çekimin milyonda biri kadar (1×10-6 g) olacağı için mikro gravite olarak isimlendirilir. Buradaki açıklamalarımız doğrultusunda serbest düşme veya yörüngede olma durumlarında nesnelerin ağırlıksız oldukları söylenebilir. ANCAK şunu unutmayalım, nesneleri kütlesinde değişiklik olmaz. Ağırlık, Yerküre üzerinde, ay veya yörüngede olmanıza bağlı olarak değişir iken, vücut bütünlüğünüz korunduğu veya sıkı bir diyet yapmadığınız 🙂 sürece kütleniz aynı kalacaktır. (06.03.2014)

Dr. Fikret KORUR

Telif hakkı © 2021 Tüm hakları saklıdır. Güncelleme: 08.01.2021 -- İlk Yayım: 01.12.2011 - Designed by: Fikret Korur - Powered By: Wordpress - Astral Theme