Eyüp Reis’in güzel seyir notlarını okurken aşağıdaki cümlesi dikkatimi çekti.
“Samimi olarak söylemek gerekirse defalarca okumama, anlatmalara rağmen hala volt, amper, Watt, ohm, Joule gibi kavramları bilmiyorum. Hepsi birbirine karışıyor.”Esasında burada ince bir espri yaptığını düşünüyorum Eyüp Reis'in zira piyasada bu birimleri kullanan usta ve satıcılar kafa karşıklığından başka bir şeye yol açmıyorlar. Bir takım “galat-ı meşhurlar” yerleşmiş ve değişecek gibi de gözükmüyor. Bunların hepsini bir başlık altında tespit edip toparlamak adına bu konuyu açtım. Öncelikli nicelikler elektriksel nicelikler ve bunların birimleri olacak.
Uluslararası standart (“standart enternasyonel”) veya kısaca SI birim sistemi tüm dünyada bilimsel ölçüm ve raporlamalarda kullanılan bir standarttır. Ancak bu SI birimlerinin bazıları “pratik” birimler değillerdir. Dolayısı ile aynı nicelik için farklı faklı birimler kullanıldığı çokca vakidir. Aşağıdaki özette esas bunlara değinmeye çalışacağım zaten, kafa karışıklığının sebebi bunlar çünkü…
Niceliklere göre sınıflandırma yapıyorum:
1. ENERJİ
“İş” yapmak, yaptırmak veya bir cismi ısıtmak için ihtiyaç duyulan niceliğe verilen isimdir. Enerji birçok türü olması sebebiyle biraz “gizemli” bir nicelik olmakla beraber bütün bilimsel çerçevelerde (özellikle de fizikte) açık ara en önemli niceliktir. Çünkü korunur, yok edilmez, yoktan var edilmez, sadece bir cinsten diğer cinse dönüştürülebilir. (Onun korunan bir nicelik olması tabiatta var olan zaman simetrisi ile çok yakından ilişkilidir, detay merak edenler “Noether Teoremi” anahtar kelimesini aratabilir.)
Elektrike gelirsek akü esasen bir enerji deposundan başka birşey değildir, daha açık olmak gerekirse depoladığı şey elektriksel potansiyel enerjisidir. Ama akülerin üzerinde bu dolaylı olarak yazar, çünkü doğrudan depoladığı enerji miktarını yazmak “pratik” bir iş değildir, aşağıda ne demek istediğimi daha detaylandıracağım.
Enerjinin SI birimi JOULE’dur ve J ile kısaltılır. Ancak dediğim gibi bu çoğu işte pratik bir birim değildir. Her ölçekte ve uygulamada çalışanlar kendi enerji birimlerini kullanırlar. Bu birimler birbirlerine basit bir sayısal çarpan ile dönüştürülebilir.
Elektrik uygulamalarında kullanılan en yaygın enerji birimi wattsaat veya kilowattsaat’dir. 1 Wattsaat = 3.600 Joule’dür. 1 kWattsaat de 3.600.000 Joule. (Kilo kelimesi 1000 anlamına gelen bir ön ekten başka birşey değildir. Kilogram, kilometre, vs… gibi) Watt nereden geliyor şimdi ona gelelim:
2. GÜÇ
Enerji ile çok yakından alakalı olmakla beraber BAMBAŞKA bir şeyi ifade eder. Güç söz konusu olduğunda işin içine ZAMAN girer. Güç, enerjinin zamana bölünmesi ile elde edilir. Gücün SI birimi WATT’dır; kısaltması W’dür. Örnek verirsek 100 W’lık bir motor 1 ton suyu 1 metre yukarı pompalayabilmek için 100 saniyeye ihtiyaç duyarken 1000 W’lık (veya 1 kW’lık) bir motor aynı işi 10 saniyede tamamlar. Dolayısı güç söz konusu olduğunda mevzu bir işi ne kadar kısa sürede yapabilmekle alakalıdır.
Gücün birimi Watt dedik. Bu aynı zamanda Joule/saniye anlamına gelir. İkisi aynı şeydir; kara veya siyah demek gibi... İşte o yüzden Joule yerine de istenirse Watt.saniye demek mümkündür. (Aradaki nokta çarpma anlamındadır.) Watt ile çarpacağınız herhangi bir zaman birimi de size enerji cinsinden bir nicelik verir. O yüzden yukarıda watt.saat veya kilowatt.saat enerji birimidir dedik.
Enerjinin bu şekilde ifade edilmesinde bazı avantajlar ve “pratik” sebepler vardır. Mesela elektrikli cihazların en önemli karakteristikleri ne kadar güç harcadıklarıdır. Misal olarak televizyonunuz 200 Watt’lık, siz bunu bir ayda 100 saat kullandınız o zaman sadece TV için 20 kWh (kilowatt hour – kilowatt saat) enerji harcamış olursunuz ve elektrik dağıtım şirketi de sizi harcadığınız enerji üzerinden faturalandırır. Onların da kullandığı enerji birimi kWh’dir.
İçten yanmalı motorlarda çokca kullanılan bir güç birimi de beygir gücü (horse power = hp). Bu da 745 W anlamına geliyor. Muhtemelen tarihsel sebeplerle seçilmiş bir rakam...
Watt dersek güç, wattsaat dersek enerji, bu önemli bir nüans ve kafa karşıklığına sebebiyet veren ana faktörlerden bir tanesi…
3. YÜK
Veya elektriksel yük… Tabiatta atom altı parçacıklardan başlayarak en temel seviyede dahi karşımıza çıkan bir diğer gizemli niceliktir yük. Yük de enerji gibi korunur, yok edilmez, yoktan var edilmez. Esasında yükün en “tabiî” birimi bir elektronun yüküdür. Ancak elbette ki bu bir standart için çok küçüktür. Dolayısı ile yükün SI birimi KULON olarak seçilmiştir. (Coulomb diye yazılır, Fransızca’nın tuhaf telafuz kuralları gereği kulon diye okunur, böyle burundan bir N sesi ile filan… Coulomb’un kısaltması C’dir.)
Ne var ki günlük hayatta Kulon birimini neredeyse hiç görmeyiz. Çünkü akü gibi depolama uygulamaları haricinde yükün pratik olarak ifade ettiği fazla birşey yoktur. Yük için pratik bir birim elde etmek için önce onun zaman ile ilişkisini ifade eden AKIM kavramına bakmak lazım.
4. AKIM
Yük taşıyıcıların fiziksel olarak bir yerden bir yere hareket etmesine akım ismi verilir. Enerji ile güç arasındaki ilişkinin aynısı yük ile akım arasında vardır. Enerjiyi zamana bölersek gücü elde ederiz demiştik işte yükü zamana bölersek de akımı elde ederiz. Akımın SI birimi Ampere’dir. Türkçe’de Amper diye okunup A ile kısaltılır. Belli bir kesitten bir saniyede geçen yük miktarıdır. Kulon/saniye ile Amper aynı şeyi ifade eder, ak ile beyaz gibi…
Bu da demek oluyor ki yukarıda güç ile zamanı çarpıp enerji bulduğumuz gibi akım ile zamanı çarparak yükü elde edebiliriz. Yani Amper saat (Ah) bir YÜK birimidir ve 3600 Kulona eşittir.
Akülerin üzerinde depoladıkları YÜK MİKTARI yazar. 72 Ah olarak yazan şey bizde piyasada yaygın olarak 72 Amperlik akü olarak telaffuz edilir ki bahsettiğim “galat-ı meşhurlardan” en meşhuru da budur. Doğrusu 72 amper-saat demektir. Dediğimiz gibi bu bir yük birimidir. (Google'a "72 amper akü" yazıp seyredin cümbüşü... Doğru kullananların sayısı ile yanlış kullananların sayısı neredeyse aynı görsellere bakınca...)
Pratik hesaplarda teknedeki elektriksel cihazların belki güçlerinden bile daha önemli bir karakteristik çektikleri akım miktarıdır. Toplamda 10 Amper akım çeken cihaz çalıştırıyorsanız 72 Ah’lik akünüz motor çalışmıyorken buna 7 saat dayanabilir anlamına gelir.
Akımın insan vücudu üzerinde olumsuz etkisi vardır çünkü sinir sistemimiz de esasında bir elektrik devresidir. Çarpılırken titrememiz bu yüzdendir. Titreme ve kasılma haricinde yanıklar da olasıdır. 100 mA (mili amper) in üzerindeki akımlar kalp ve solunum ritmini bozup ölümcül olabilir.
5. ELEKTRİKSEL POTANSİYEL
Gerilim, voltaj, potansiyel farkı veya sadece potansiyel gibi isimlerle de bilinen bu önemli nicelik enerjinin yüke bölünmesi ile elde edilir. SI birimi Volt, kısaltması V’dir. Volt aynı zamanda Joule/Kulon anlamına gelir; al ile kırmızı gibi eş anlamlıdırlar…
Devreler ve özellikle kimyasal piller söz konusu olduğunda elektriksel potansiyel önemli bir niceliktir, çünkü kimyasal reaksiyonla enerji üreten pillerde enerjiyi yük başına düşer şekilde hesaplamak daha mantıklıdır. Bu yüzden böyle bir nicelik tarihsel olarak gelişmiş ve halen kullanılmaktadır.
Çoğu iletkende ve devrede akım ile potansiyel farkı arasında doğrusal bir bağıntı vardır ve bu meşhur bağıntı Ohm kanunu ismi ile bilinir. (Aradaki orantı katsayısına da direnç denir.)
Şimdi akım ile potansiyel farkını çarparsak ne olur bakalım:
Akım = Yük / Zaman
Potansiyel = Enerji / Yük
İkisini çarparak yükler birbirini götürür ve enerji / zaman elde ederiz. Bu da güç anlamına gelir. Yani Volt ile Amper’I çarparanız Watt elde edersiniz. Bu doğru akım devreleri için pratik ve güzel bir formüldür. Irgatınız 500 Watt ise ve bunu 12 V’luk akünüze bağlıyorsanız en az (500/12 =) 42 Amper akım çeker. (Kayıplarla bu rakam 50’lere çıkabilir.) Bunun gibi herhangi bir cihazınızın çektiği akımı biliyorsanız kafadan gücünü de hesaplayabilirsiniz. Böylece güneş panelleriniz (ki güçleri ile karakterize edilirler) mesela buzdolabınızı en azından gündüz idare edebilir mi kabaca hesaplamak mümkündür.
Potansiyelle ilgili bir çarpıcı hesap daha yapalım. Akülerin üzerinde potansiyelleri ve yük tutma kapasiteleri yazar. 12 V ve 72 Ah gibi. Şimdi buraya kadar anlattıklarımıza bakarak bu iki rakamı çarparsak enerji elde etmemiz lazım. Çünkü bir tanesi yük diğeri potansiyel. 1 Ah = 3600 Kulon eder bunu 12 ve 72 ile çarparsanız 3.110.000 Joule gibi bir enerji elde edersiniz ki bu da yaklaşık 750 gram TNT’nin patladığında ürettiği enerjiye eşdeğerdir.
Akü işinin şakası yoktur. O küçük kutu ciddi bir dinamit lokumu kadar enerji saklar…
6. DİRENÇ
Direnç potansiyelin akıma bölümüdür. Birimi Ohm’dur ve yunan alfabesindeki büyük harf omega ile sembolize edilir. Volt / Amper = Ohm anlamına gelir. Elektrik ve elektronikte ohm birimi kilo, mega, mili gibi bir sürü ön ekle pratik olarak da kullanılır.
Esprili bir anektodla bitirelim; Nobel ödüllü Franck Wilczek bir seminerinde anlatmıştı bunu bir videoda görmüştüm.
Amerikan donanması elektrik teknisyenlerinin el kitabında 3 tane ohm kanunu varmış:
1. Potansiyel = Akım x Direnç
2. Akım = Potansyel / Direnç
Üçüncüsü de okuyucuya bir egzersiz olarak bırakılmıştır diyordu Wilczek…
Gönderen