Elektrik yükü

Elektrik yükü veya elektriksel yük, bir maddenin elektrik yüklü diğer bir maddeyle yakınlaştığı zaman meydana gelen kuvvetten etkilenmesine sebep olan fiziksel özelliktir. Pozitif ve Negatif olmak üzere iki tür elektriksel yük vardır. Pozitif yüklü maddeler, diğer pozitif yüklü maddeler tarafından itilirken, negatif yüklü olanlar tarafından çekilir; negatif yüklü maddeler de negatif yüklüler tarafından itilir ve pozitif olanlar tarafından çekilir. Bir cisimde negatif yükler pozitif yüklere dominantsa, negatif yüklüdür; tersi durumdaysa pozitif yüklüdür; dominantlık söz konusu değilse yüksüzdür. Uluslararası Birim Sistemi (SI) elektrik yükünü coulomb (C) olarak adlandırırken, elektrik mühendisliğinde amper-saat (Ah) olarak ve kimyada da elemanter yük (e) olarak adlandırmak mümkündür. Q sembolü genellikle yükü ifade etmek için kullanılır. Yüklü cisimlerin birbirleriyle nasıl iletişimde olduklarını anlatan çalışma klasik elektromanyetizmadır ve kuantum mekaniğinin göz ardı edilebildiği ölçüde doğrudur.

Elektriksel yük, elektromanyetik ilişkilerini düzenleyen bazı atomaltı parçacıkların temel korunan özelliğidir. Elektrik yüklü maddeler hem elektromanyetik alanlardan etkilenirler, hem de elektromanyetik alan yaratırlar. Hareket eden bir yük ve elektromanyetik alan arasındaki ilişki elektromanyetik kuvvetin kaynağıdır ve bu güç 4 temel kuvvetten biridir. (Bir diğeri; manyetik alan).

20. yüzyılda yapılan deneyler, elektriksel yükün nicelendirildiğini göstermiştir, bu, temel yük diye adlandırılan her bir küçük parçanın çoklu katsayılarına ulaşmaktır. Temel yük, e, yaklaşık olarak 1.602×10^−19 coulomb'a eşittir. (kuark diye adlandırılmış, tam katsayısı e/3 ile yüklenen parçacıklar hariç). Proton e yüküne sahiptir, elektronlar ise –e yüküne sahiptir. Yüklü parçacıklarla yapılan çalışmalar ve onların fotonlar tarafından düzenlenen ilişkileri kuantum elektrodinamiğidir.

Yük, bir maddenin diğer maddeyle elektrostatik itme ya da çekme meydana gelmesi durumunda ortaya çıkan temel özelliktir. Elektriksel yük, birçok atomaltı parçacığının karakteristik bir özelliğidir. Serbest parçacıkların yükleri, temel yüklerin (e) tam katlarıdır, ve daha önce de söylendiği gibi, elektriksel yük nicelendirimiştir. Michael Faraday, yaptığı elektroliz deneyleriyle elektriksel yükün kesin olduğunu gösteren ilk kişidir. Robert Millikan’ın yağ damlası deneyi bu gerçeği direkt olarak göstermiş, ve temel yükü ölçmüştür.

Sonuçlara göre, elektronun yükü -1, protonun ise +1 dir. Aynı yüke sahip parçacıklar birbirini iterken, zıt yüke sahipler birbirini çeker. Coulomb’un kuralı iki parçacık arasında elektrostatik kuvvetin, parçaların sahip olduğu kuvvet ve aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olduğunu göstermiştir.

Makroskobik bir nesnenin yükü, nesneyi meydana getiren parçacıkların elektriksel yükünün toplamıdır. Bu yük genellikle azdır, çünkü madde atomlardan meydana gelir ve atomlar genelde eşit miktarda proton ve elektronlara sahiptir, bu durumda da yükleri sıfırlanır, ve atomu nötr hale gelir.

İyon; bir ya da birkaç elektron kaybedip, tek bir pozitif yük (katyon) almış, veya bir ya da birkaç elektron kazanıp, tek bir negatif yük (anyon) almış bir atomdur (atom grubudur). Bir atomlu iyonlar tek atomlardan oluşurken, çok atomlu iyonlar bir ya da birkaç atomun birbirine bağlanması ile oluşur. Her iki durumda da, iyonun pozitif veya negatif bir yük kazancı söz konusudur.

Makroskobik nesnelerin oluşum sürecinde, genellikle atom bileşenleri ve iyonlar öyle bir biçimde birleşir ki, elektrik olarak nötr atomlara bağımlı, nötr iyonik bileşimler oluştururlar. Bu yüzden makroskobik nesneler genel olarak nötr olmaya meyillidirler ancak nadiren tam olarak nötr olabilirler.

Makroskobik nesnelerin materyaller tarafından dağıtılan, sıkı sıkıya yerine bağlı, nesneye tam negatif ya da pozitif yük veren iyonlar içerdiği zamanlar vardır. Bunun yanı sıra, makroskobik nesneler iletken elementlerden oluşur, hemen hemen elektronları kolaylıkla (elemente bağlı olarak) alıp verebilirler, ve belirsiz bir şekilde tam negatif ya da pozitif yük oluştururlar. Tam elektrik yüklü bir nesne sıfırdan farklı ve hareketsizse, bu olay statik elektrik olarak bilinir. Bu durum, amber ve kürk ya da cam ve ipek gibi iki farklı nesneyi birbirine sürterek kolaylıkla oluşturulabilir. Böylelikle, iletken olmayan nesneler negatif ya da pozitif olarak önemli ölçüde yüklenebilirler. Bir nesneden alınan yük, aynı boyutta karşıt bir yükü arkasında bırakarak diğer nesneye taşınır. Yük korunumu kanunu daima uygulanabilir, bir nesneye, negatif bir yük, aynı boyutta pozitif bir yük alarak verilir. Bu, tam tersi durumlar için de geçerlidir.

Bir nesnenin net yükü sıfır olsa da, yük düzensiz bir nesneden de dağıtılabilir. (örneğin dış elektromanyetik alan veya polar bağlı moleküller). Bu gibi durumlarda, nesne polarize edilmiştir. Kutuplaşma yüzünden oluşan yük bağlı yük olarak bilinir; nesnenin dışarısından kazanılan ya da kaybedilen elektronlar tarafından oluşturulan yük ise serbest yük olarak adlandırılır. İletken metallerdeki elektronların belirli bir yöne doğru hareketi elektrik akımı olarak bilinir.

Uluslararası Birimler Sistemi’nin elektriksel yük değeri coulomb'dur, bu değer de yaklaşık 6.242×10^18 e’ ye eşittir (e=proton yükü). Bu yüzden, bir elektronun yükü yaklaşık olarak −1.602×10^−19 C’ dir. Coulomb, bir saniyede bir amper taşıyan elektriksel iletkenin enine kesitinden geçen yükün değeri olarak tanımlanır. Q sembolü genellikle elektriğin ya da yükün değerini belirtmek için kullanılır. Elektrik yükünün miktarı bir elektrikölçer ile direkt olarak, balistik galvanometre ile de dolaylı yoldan ölçülebilir.

Yükün nicemlenmiş karakterini bulduktan sonra, George Stoney 1891 yılında elektron biriminin, elektriksel yükün temel birimi olduğunu öne sürmüştür. Bu iddia, J.J. Thomson tarafından 1897 yılında yapılan parçacık keşfinden önce meydana gelmiştir. Günümüzde bu birim pek de kullanılmamakta, bunu yerine “elemanter yük”, “yükün temel birimi”, ya da en basit haliyle “e” gibi farklı ifadeler kullanılmaktadır. Yükün miktarı, elemanter yük (e) miktarının katı olmalıdır, ölçüm yüksek bile çıksa, yük gerçek miktarındaymış gibi davranır. Bazı noktalarda, örneğin kondansatör ve kesirli kuantum Hall etkisindeki gibi, yükün fraksiyonlarından bahsetmek mümkündür.

M.Ö 600’lü yıllarda Yunan filozof Thales’in de söylediği gibi, kürk, amber gibi bir maddeye sürtülerek yük (ya da elektrik) toplanabilir. Yunanlar, yüklü amber düğmelerin saç gibi hafif objeleri kendine çekebildiğini yazmışlardır. Ayrıca, eğer amberin yeterince sürtülürse, elektrik kıvılcımı bile yayabileceğini not etmişlerdir. Bu özellik sürtünme ile elektriklenme etkisinden gelmektedir.

1600’de, İngiliz bilim insanı William GilbertDe Magnete adlı eserinde bu konuya değinmiş, , Yunanca amber, İngilizce’de de sonları “elektrik”, “elektriksel” gibi terimlerin doğmasına yol açan Yeni Latince terim electrius “ηλεκτρον (elektron)”u para olarak bastırtmıştır. Otto von Guericke 1660 yılında bunu takiben, elektrostatik jeneratörü üreten ilk kişi olmuştur. Diğer Avrupalı öncülerden Robert Boyle, elektriksel çekim ve itimin bir vakum gibi davranabileceğini iddia etmiş, Stephen Gray, 1729 yılında maddeleri iletken ve yalıtkan olarak sınıflandırmış ve C. F. Du Fay, 1733’de elektriğin birbirini yok eden iki varyasyona sahip olduğunu öne sürmüş, bu olayı da ikili sıvı teorisi ile açıklamıştır. Du Fay’ın dediğine göre; cam ipeğe sürtüldüğünde, cam pozitif cam elektriğiyle yüklenir ve amber kürke sürtüldüğünde, amber de reçineli elektrikle dolar. 1839 yılında, Michael Faraday statik elektrik, akım elektriği ve biyoelektrik arasındaki ayrımın yanlış olduğunu, hepsinin tek tür bir elektriğin zıt kutuplarda gösterdiği davranışların sonucu olduğunu göstermiştir. Kutup ister pozitif ister negatif olsun, bu durum değişmemektedir. Pozitif yük cam çubuğun ipeğe sürüldükten sonra solunda kalan yük olarak tanımlanabilir.

18. yüzyılın elektrik konusunda uzman kişilerin en önemlilerinden biri elektriğin tek sıvı teorisini savunan Benjamin Franklin’dir. Elektriğin bütün maddelerin içinde bulunan, görünmeyen bir sıvı olduğunu hayal etmiş; Leyden kavanozunda biriken yükü tutan şeyin cam olduğuna inanmıştır. Yalıtkan yüzeylerin birbirine sürtülmesiyle bu sıvının yer değiştirdiğini ve bu sıvı akışının elektrik akımı oluşturduğunu varsaymıştır. Ayrıca, çok az sıvı içeren maddenin negatif, çok fazla sıvı içeren maddenin ise pozitif olarak yüklenmiş olduğunu söylemiştir. Belirtilmeyen bir sebepten ötürü, pozitif yükü cam elektriği, negatif yükü de reçine elektriği ile açıklamıştır. O sıralarda, William Watson da aynı tanımlamalarda bulunmuştur.

Statik elektrik ve elektrik akımı iki ayrı olaydır, ikisi de elektrik yükü içerir ve aynı maddede aynı zamanlarda gerçekleşebilirler. Statik elektrik, bir maddenin elektrik yüküyle ilişkilendirilir ve denk olmayan iki madde bir araya geldiğinde oluşan elektrostatik deşarjla bağlantılıdır. Bir elektrostatik deşarj her iki maddenin de yüklerinde değişim meydana getirir. Elektrik akımı ise elektrik yükünün bir madde içinden herhangi bir yük kaybı ya da kazanımına neden olmadan geçmesi demektir.

Herhangi bir elektriksel özellik içermeyen bir parça camı ve bir parça reçineyi birbirine sürtüp, sürtünen bölgeleri etkileşim içinde bırakalım. Hala hiçbir elektriksel özellik göstermeyeceklerdir. Bu kez iki maddeyi ayıralım. Ayırdığımızda, birbirlerini çekeceklerdir.

Bu itme ve çekme olayları elektriksel olaylar olarak adlandırılır, ve bu olaylarda yer alan maddeler “elektriklenmiş”, ya da “elektrikle yüklenmiş” şeklinde isimlendirilir.

Herhangi bir şekilde elektriklenmiş bir madde cam gibi davranırsa, yani camı iter ve reçineyi çekerse, maddenin “camsı” bir yükle yüklendiği, ve camı çeker ve reçineyi iterse de “reçinemsi” bir yükle yüklendiği söylenebilir. Tüm elektriklenmiş maddeler camsı ya da reçinemsi bir şekilde elektriklenmiştir.

Bilimsel bir komite, camsı elektriklenmenin pozitif, reçinemsi elektriklenmenin negatif olduğunu belirtmiştir. Bu iki tür elektriklenmenin tamamen zıt özelliklere sahip olması, onları zıt kutuplarla ilişkilendirmenin doğru olduğunu kanıtlamaktadır. Ancak pozitif kutbun negatife oranla tatbiki gelişigüzel uyuşma olarak düşünülmelidir, tıpkı matematiksel grafikteki uyuşmada sağ ele olan pozitif uzaklığının hesaba katıldığı gibi.

Aslında, bütün maddeler elektriklenir, ancak bu olay yakın çevresindeki benzer yüklü maddelerle gerçekleşmeyebilir. Bir madde ya elektriklenir ya da yakınındaki maddelerde yükler eşitlenene kadar eşit yahut zıt yük yaratır. Çekme etkisi yüksek voltajlı durumlarda gözlemlenebilir, düşük voltajlı olayların etkileri zayıftır ve bu yüzden daha az belirgindir. Çekme ve itme kuvvetleri Coulomb’un kurallarında kodlanmıştır (çekme, uzaklığın tam ortasında azalır, ki bu yerçekimi alanın ivmesinin bir sonucudur ve bu da yerçekiminin ölçek olarak zayıf yüklerin arasındaki elektriksel olay olduğunu ortaya koyar.). Dahası için: Casimir kuvveti.

Franklin/Watson modelinin temelinde doğru olduğu gerçeği bilinmemektedir. Bu modelde, sadece tek tür bir elektrik yükü vardır ve yükün ölçümünü yapabilmek için tek bir değişken gerekmektedir. Diğer yandan, sadece yükü bilmek de durumun tanımlanması için yeterli değildir. Madde, farklı yüklere sahip parçacıklardan oluşur ve bu parçacıklar yalnızca yük değil, başka özelliklere de sahiptir.

En yaygın yük taşıyıcısı pozitif yüklü protonlar ve negatif yüklü elektronlardır. Bu yüklü parçacıkların herhangi birinin hareketi elektrik akımı oluşturur. Birçok durumda, klasik elektrik akımının pozitif yük tarafından elektrik akımına doğru taşındığı ya da negatif yük tarafından zıt yöne doğru ilerletildiği hesaba katılmaksızın klasik elektrik akımından bahsetmek mümkündür. Bu makroskopik bakış açısı elektromanyetik kavramları ve hesaplamaları kolaylaştıran bir yaklaşımdır.

Zıt noktada, mikroskobik durumlara bakıldığında, elektrik akımı taşımanın elektron akımı dahi birçok yolu olduğu görülür. Elektron akımı delikleri pozitif parçacıklar gibi davranır ve negatif ve pozitif parçacıklar (iyonlar ya da diğer yüklü parçacıklar) elektroliz çözeltisi ya da plazma içinden zıt yöne doğru akarlar.

Makalelerde elektromanyetizma hakkında bahsedilen özelliklerin yanı sıra, yük bir göreli değişmezdir. Yani, Q yüküne sahip herhangi bir parçacık, ne kadar hızlı giderse gitsin, yükü daima Q olur. Bu özellik deneysel bir biçimde kanıtlanmıştır: Bir helyum çekirdeğinin yükü (bir çekirdekte birbirine bağlı ve yüksek hızda etrafta hareket eden iki proton ve iki nötron) iki döteryum çekirdeğini (birbirine bağlı, ve eğer helyum çekirdeğinde olsa daha yavaş hareket edecek bir proton ve bir nötron) yüküyle aynıdır.

Yalıtılmış sistemin toplam elektrik yükü sistemin kendi içinde olan değişimlere bakmaksızın sabit kalır. Bu kural fizikte bilinen bütün süreçlerin esasında vardır ve dalga fonksiyonunun yerelleştirilmiş bakışım kuramından ortaya çıkmıştır. Yük korunumu yük-akım süreklilik denkleminin bir sonucudur. Daha genel manada, birleşme miktarı V içindeki yük yoğunluğunun ρ net yükü, akım yoğunluğundaki J bütün alanın kapalı alanı boyunca olan yüküne eşittir S = ∂V. Ki bu yük de nihayetinde net akıma eşittir.

Kapalı yüzey boyunca olan net dış akım I ın oluştuğu yerdir ve Q yüzey tarafından belirtilen yerin miktarından elde edilen elektrik yüküdür.