Aslında “Elektrik” dediğimiz fenomen, günümüzde elektrik ile ilgili her türlü terimin yerine geçmektedir. Akımı kastederiz, elektrik deriz; gerilimi kastederiz “kaç Volt elektrik var” deriz, gücü kastederiz “ne kadar elektrik çekiyor” deriz, enerjiyi kastederiz “ne kadar elektrik harcadın” deriz…. ama elektrik dediğimiz şey aslında doğanın temel kuvvetlerinden birisidir. Bir maddenin atom düzeyindeki yüklerinin birbirlerine uyguladıkları çekme yada itme kuvvetidir.
Doğada daha doğrusu evrende, evreni evren yapan 4 tane temel kuvvet vardır. Bu kuvvetler sırasıyla şunlardır.
- Kütle çekimi kuvveti
- Güçlü çekirdek kuvveti
- Zayıf çekirdek kuvvet
- Elektromanyetik kuvvet
Bu kuvvetlerden en tanıdık olan kütle çekimi kuvvetidir. Neticede yer çekimini hepimiz biliyoruz. Güçlü ve zayıf çekirdek kuvvetleri ise atomik düzeydeki kuvvetlerdir. Aynı yüklü oldukları için atomun çekirdeğinde birbirlerine itme kuvveti uygulamalarına rağmen protonları bir arada tutan kuvvet güçlü çekirdek kuvvetidir. Zayıf çekirdek kuvveti ise radyoaktif bozunmalarda etkin olan bir kuvvettir. Bu üç kuvvet bizim alanımıza girmediğinden fazla derine inmeye de gerek yoktur. Bizim alanımız için önemli olan kuvvet elektromanyetik kuvvettir. Kütle çekimi kuvvetinden sonra insanoğluna en tanıdık gelen kuvvet budur.
İlk olarak elektromanyetik kuvvetin kısa bir tarihçesine ve ilk “Elektrik” sözcüğünün ortaya çıkışına bir değinelim:
“Kehribar Kuvveti”
Daha öncesinde de biliniyordu ama elektromanyetik kuvveti farkeden ilk kişi olarak tarihi kayıtlarda antik Yunan filozofu Thales’in ismi geçmektedir. MÖ 585 dolaylarında statik elektrik ile ilgili olarak kehribarın yünle yada kumaşla ovulduğunda, tüy gibi maddeleri çektiğini gözlemlemiştir. Kehribarla olmasa da başka maddelerle günümüzde bir çoğumuzun aşina olduğu bu olay, demek ki o yıllarda çok nadiren karşılaşılan bir hadiseydi. Ayrıca kehribar gibi bir zor bulunan bir maddeyi temin edip kullanıncaya kadar başka bir sürü maddeyle aynı etkiyi gözlemleyebilirlerdi ama nedense sadece kehribarın bu kuvvete sebep olduğunu kayıtlara geçirmişler. Sanırım bunu da kehribarın hastalıkları “iyileştirici” özelliğinin nereden geldiğini anlamaya çalışırken farketmişlerdir.
Aynı dönemde aslında manyetizmanın varlığından da haberleri vardı. Bugünkü Manisa ilinin çevresinden çıkarılan mıknatıs taşlarının manyetik etkileri biliniyordu. Manisa’nın o dönemdeki ismi, “Magnesia”‘dan esinlenerek mıktanızs taşlarına “Magnetite” ismi verilmiştir. O dönemlerden başlayarak, son bir kaç yüzyıla kadar elektrik kuvveti ile manyetik kuvvetin 2 ayrı fenomen olduğu sanılıyordu. Tabi günümüzde bu iki kuvvetin temelde aynı fenomeninin birer parçası olduğunu ve birbirlerine dönüşebildiğini biliyoruz.
Her halde statik elektrik gibi bir fenomenin sadece kehribar özelinde olduğunun sanılması bu konuya ilgi duyulmasına mani olmuş ve ufak tefek detayları saymazsak yaklaşık 2000 yıl kadar konu rafa kaldırılmış.
1581 yılında İngiliz bir hekim olan William Gilbert (1544 – 1603), kehribarın tedavi edici özellikleriyle ilgilenmeye başlamıştı. Bu noktada Dünyayı Değiştiren Beş denklem isimli kitaptan alıntıyla devam edelim:
William Gilbert adlı bu hekim yıllardır gördüğü her şeyi yün, ipek, ve kürk ile ovalayıp duruyordu. Meslektaşları aklından şüphe etmeye başlamışlarsa da, başarılı bir hekim olan Gilbert sonuçta gerçekten de hayret verici bir şey keşfetmişti. Gilbert sadece kehribarın değil, elmas, kükürt, mühür mumu ve başka pek çok sıradan maddenin ovulmasıyla da Thales’in kehribar kuvvetinin ortaya çıktığını keşfetmişti. Dahası ortaya çıkan kuvvet sadece saman ve saman tozlarını değil, “tüm metalleri, tahtaları, yaprakları, taşları, toprakları, hatta suyu ve yağı ve duyularımızın algılayabildiği ya da somut olan her şeyi çekiyordu.” Gerçekten de, neredeyse kütle çekimi kuvveti kadar evrensel olduğunun ortaya çıkması üzerine, Gilbert kehribar kuvvetinin özel bir ismi hak ettiğine karar verdi.
William Gilbert, elektriğin ileride çok yaygın bir kullanım alanı olacağını bilseydi belki kendi adını kullanırdı ama kehribar kuvvetine Antik Yunancadan esinlenerek bir isim bulmayı tercih etti. Antik Yunancada “Kehribar” sözcüğü ἤλεκτρον (ēlektron) elektron demekti. Gilbert, kehribar kuvvetini ifade etmek için “Kehribar gibi” anlamına gelen “electricus” kelimesini kullanmıştır. Sonraki yıllarda tüm dillere giren bu kelimenin sadece son kısmı değişmiş ama özünde “Elektrik” olmayı sürdürmüştür.
Gilbert’ın elektrik kuvvetinin bir çok nesne ile ortaya çıkarılabileceğini kaydetmesi üzerine artık bu kuvveti kolay yoldan üretecek, şiddetini büyütecek aygıtlar yapılmaya çalışılmıştır.
1663 yılında alman fizikçi Otto von Guericke (1602-1686) demir bir şaft ile döndürülebilen kükürt bir küre tasarladı. Bir el ile küre döndürülürken diğer el ile küre ovuluyor ve kürenin yüklenmesi sağlanıyordu. Yüklenen bu küre zeminde duran bazı hafif nesneleri itiyor yada çekiyordu.
1729 yılında İngiliz bilim insanı Stephen Gray (1666-1736) elektriğin iletilebilen bir şey olduğu gösterdi. Asıl işi kimyagerlik olan Gray, deney tüplerinin uçlarındaki mantar kapakların tüpler ovulduğunda elektriklendiğini farketti. Gray, bu gözleminden yola çıkarak ipek, cam, metal, çubuk ve benzeri cisimleri art arda iliştirip elektriğin bu cisimler aracılığı ile iletilebileceğini kanıtladı.
1729 yılında yaptığı bir deneyde elektriği art arda bağlı çeşitli cisimler aracılığı ile 255 metrelik bir uzaklığa kadar iletebilmeyi başardı. Çalışmalarından elde ettiği bilgiler ile çeşitli maddeleri iletken ve yalıtkan olarak ilk kez sınıflandıran Stephen Gray olmuştur.
1746 yılında Hollandalı fizikçi Pieter Van Musschenbroek (1692-1761), statik elektriği depolayabilen bir aygıt geliştirdi. İlkel bir kondansatör olan bu aygıta Musschenbroek çalışmakta olduğu Leyden Üniversitesi’nin isminden esinlenerek Leyden Şişesi (Leyden Jar) adını verdi. Leyden şişesindeki metal çubuğa insanların el değdirdiğinde çarpılması eğlenceli bulunuyor, bu hadiseyi kullanan gösteriler organize ediliyordu. Leyden şişesi içine metal bir çubuk batırılmış, yarısına kadar su veya cıva gibi bir sıvı ile dolu bir cam şişeden oluşmaktadır. Leyden şişesinin elektriğin tarihine en büyük katkısı, bilim insanlarının Leyden şişesini gerilim kaynağı olarak kullanarak deneyler yapabilmesini ve böylece elektrik alanında yeni gelişmeler kaydedilmesini sağlaması olmuştur.
1752 yılında Benjamin Franklin(1706-1790), yıldırımlı bir havada ipek bir uçurtma uçurarak yıldırım denilen şeyin elektriksel bir hadise olduğunu kanıtladı. Uçurtma ipinin üzerine astığı bir metal anahtar, ıslanarak iletken hale gelen ipi aracılığıyla bulutlardan statik elektrik alarak yüklü hale geldi. Böylece elektriğin iletilebilen şey olduğu da kanıtlanmış oldu. Bulutlardan topladığı yüklerle Leyden şişesini şarj etmeyi başaran Franklin, “yalıtılmış bir bölgedeki elektriksel yüklerin net toplamının her zaman sabit olduğunu” bir yasa olarak da ortaya koymuştur.
1785 yılında Fransız bilim insanı Charles-Augustin Coulomb(1736-1806) ile elektrik bilim dünyasının tekrar ilgi alanına girmeye başladı. Coulomb gerek manyetizma gerekse elektrik kuvvetiyle ilgili deneyler yapıyordu. Bir ipin ucuna bağlayarak astığı mıknatıslara yaklaştırılan başka bir madde ile nasıl etkileştiğini incelemiştir. Ayrıca statik elektrik ile yüklediği maddelerin de birbirleriyle nasıl etkileştiğine bakmıştır. Ve tüm bu deneylerden sonra “yük” kavramını ortaya atmış, ünlü Coulomb Yasasını kaleme almıştır.
- İki noktasal yükün arasındaki elektrostatik kuvvet yüklerin skaler çarpımıyla doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır .
- Bu iki cismin yüklerinin işaretleri eğer aynı ise(pozitif-pozitif gibi) birbirlerini iterler,eğer farklıysa birbirlerini çekerler .
Coulomb, o döneme kadar gözlemlere dayanarak yapılan elektrik fenomenine ilk matematiksel boyut kazandıran kişidir. Elektriğin gelişimi Coulomb’un katkılarından sonra son derece hızlanmış, yüzyıldan kısa bir süre içinde bildiğimiz tanıdığımız elektrik şeklinde günlük yaşamın içinde yer almaya başlamıştır.
Bu 1700lü yılların sonlarına kadar statik elektrik konusunda önemli gelişmeler kaydedilmişti, bu dönemde ise artık elektrokimya alanında gelişmeler yaşanmaya başlanacaktı.
1786 yılında İtalyan fizikçi Luigi Galvani (1737-1798) deney yaparken bir iki metali seri bir şekilde kurbağa bacağına temas ettirdiğinde bacağın hareket ettiğini fark etti.Bu gözleminden yola çıkarak “hayvansal elektrik” terimini ortaya attı ve kasın gerilmesinin sinirin ürettiği artı elektrik ile eksi elektriğin birleşmesinden oluştuğunu düşündü. Bu düşüncesinin her ne kadar yanlış olduğu bir süre sonra ortaya çıkmış olsa da kimyasal pilin icadı ile sonuçlanacak giden tartışmaların başlamasını sağlamıştır.
Luigi Galvani’nin “hayvansal elektrik” teorisini doğru bulmayan İtalyan fizikçi Allessandro Volta (1745-1827) kurbağa bacağını, üzerine şu an elektrolit dediğimiz iletkenlerin bağlandığı bir kimyasal ortam olarak yorumladı. Kurbağa bacağının yerine tuzlu su ile ıslattığı bezi kullandı ve bir elektrik akışı tespit etti. Bu tespiti, tarihteki ilk pilin yapımına giden yolu açtı. Volta 1800 yılında çinko ve bakır elektrotların bulunduğu bir “yığını” tuzlu suyun içinde daldırdı. Oluşan kimyasal tepkime sonucunda bir elektrik potansiyeli elde etmeyi başardı. “Yığın” kelimesinin ingilizce karşılığı olan “pile”, dilimize “pil” olarak geçmiştir. Volta ayrıca,iki eş elektrotun arasındaki potansiyel farkın, galvanik hücrelerinin elektromotor kuvveti (EMF) olduğunu keşfetti.
1813 yılında Alman matematik dehası Carl Friedrich Gauss (1777-1855) kendi ismi ile anlan yasayı yani Gauss Yasasını ortaya koymuştur. Bu yasayla birlikte artık elektrik yüksek matematiğin sınırlarını zorlamaya başlamıştır.
Gauss yasası ile “akı” kavramı elektrik dünyasına dahil olmuştur. Gauss yasası aslında Coulomb yasasının daha genel bir halidir. Coulomb yasası noktasal yüklerle elektrik alan ilişkisini ortaya koyuyordu ki noktasal yükler pratikte karşılaşılmayan şeylerdi. Halbuki Gauss yasasıyla belli şekle sahip yüklü yüzeylerden dışarı yayılan elektrik alanı hesaplamak mümkün hale gelmişti. Yani bir hacimdeki elektrik alanını inceleyerek bu alanın oluşmasına sebep olan elektrik yük dağılımı bulunabilir.
1819 yılında, Danimarkalı fizikçi Hans Christian Oersted, bir pilin açılıp kapatılması esnasında yakındaki bir pusulanın iğnesinin hareket ettiğini fark etti. Ay yıl içinde, içinden akım geçen bir telin etrafında dairesel şekilde bir manyetik alan oluştuğunu ifade etti. Bu gelişme elektrik ve manyetizmanın beraber anılmaya başlamasını sağladı. Bu döneme kadar elektrik ve manyetizma iki ayrı fenomen olarak görülüyordu. Ancak Oersted’in bu tespiti ile artık iki kuvvet bir arada ele alınmaya başladı.
1820 yılında, yani Oersted’in 1819’da akım taşıyan bir iletkenin bir pusula iğnesini saptırdığını keşfinden kısa bir süre sonra, Jean Baptiste Biot (1774-1862) ve Felix Savart (1791-1841) bir elektrik akımının yakınındaki bir mıknatısa uyguladığı kuvvetle ilgili nicel deneyler yaptılar. Biot ve Savart deneysel sonuçlardan yola çıkarak uzayın bir noktasındaki manyetik alanı, bu alanı oluşturan akım cinsinden veren matematiksel bir ifade buldular.
1826 yılında Fransız fizikçi André-Marie Ampère (1775-1836) elektrik akımı taşıyan iletkenin etrafında oluşan manyetik alanı matematiksel olarak açıklayarak Amper yasasını ortaya koymuştur. Amper yasasına göre içinden akım akan bir iletkenin etrafında manyetik alan oluşur. Oluşan manyetik alanın yönü akımın yönüne göre değişir ve sağ el kuralıyla tespit edilir.
Amper yasası, bir teli çevreleyen özel bir çembersel manyetik alan yol durumu için elde edilmiş olmasına rağmen, zamanla değişmeyen (kararlı) bir akımı çevreleyen keyfi biçimli bir kapalı yol için de geçerlidir.
Nasıl elektrik alan için Gauss yasası varsa manyetik alan için de Amper yasası benzer işlevi yapmaktadır.
1827 yılında Alman fizikçi Georg Simon Ohm ( 1789-1854) yayınladığı bir kitapla Ohm Kanunu ortaya koymuştur. Belirli kesit ve uzunluktaki, belirli bir madenden yapılmış bir teli standart seçerek, öbür teller için bugün ‘direnç’ denilen özelliği “indirgenmiş uzunluk” adıyla tanımladı ve ünlü yasasını, “akım şiddeti = elektroskopik kuvvet / indirgenmiş uzunluk” biçiminde açıkladı.
1830 yılında İngiliz bilim insanı Michael Faraday(1791-1867) tarafından bulunan, manyetik alanın değişimiyle oluşan elektromotor kuvveti tanımlayan kanunu buldu. Faraday kanununa göre bir devrede indüklenen emk, devreden geçen manyetik akının zamana göre türevi ile doğru orantılıdır. Yani durağan değil değişken bir manyetik alan gerilim üretir. Faraday’ın ortaya koyduğu bu kanun ile transformatörlerin, jeneratörlerin, elektrik motorlarının gelişimi hızlanmıştır. Zaten Faraday, elektrik motorunu ilk bulan kişi olarak da tarihe geçmiştir. Faraday’dan sonra jeneratörlerin gelişmesi ve bu sayede elektriğin hayatın her kesimine girmesi kolaylaşmıştır.
1832 yılında Amerikalı bilim adamı Joseph Henry(1797-1878) de öz indüktansın özelliklerini anlatan detaylı makaleler yayınladı. Kendisi aslında Faraday’ın yasasını bulmuştu ama sonuçlarını açıklamakta biraz gecikmişti. Zaten ileride indüktans birimi olarak onun anısına H(Henry) ifadesi kullanılmıştır. Ayrıca elektromıknatıs üzerine önemli çalışmalar da yapmıştır.
1834 yılında Alman fizikçi Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 – 1865) kendi adıyla anılan Lenz yasasını keşfetti: İletken tel sarımlı bir bobin alıp içine bir mıknatıs sokup çıkarırsak bir manyetik alan oluşur. Bu durumda, solenoid, mıknatısın oluşturduğu manyetik alanı yok etmek üzere karşı tepki göstererek ters yönde bir manyetik alan meydana getirir. Sonuç olarak solenoid, mıknatısın müdahalesinin oluşturduğu manyetik alana karşılık manyetik alan üretecek bir elektrik akımı üretir. Bu, endüksiyon bobininin yaptığı akıma endüklenmiş akım denir. Bu akımın, kendisini oluşturan manyetik alana zıt yönde bir alan oluşturacak şekilde akacağını Heinrich Lenz bulduğundan LENZ kanunu olarak anılır. Lenz’in onuruna indüktans için fizik dünyasında “L” kısaltması kullanılmaktadır.
1800lü yılların ortalarında elektrik alanındaki gelişmeler baş döndürücü hızla devam ediyordu. Avrupa kıtasında, başta Almanya olmak üzere, bilim adamları elektrik, manyetizma ve optik arasında matematiksel bağlantılar kuruyorlardı. Fizikçiler Franz Ernst Neumann, Wilhelm Eduard Weber ve H.F.E Lenz’in çalışmalı hep bu döneme aittir. Aynı zamanda, Helmholtz ve İngiliz fizikçiler William Thomson (Lord Kelvin) ve James Prescott Joule, elektrik ve diğer enerji biçimleri arasındaki ilişkiyi açıklığa kavuşturuyorlardı. Joule, 1840’larda elektrik akımları ve ısı arasındaki kantitatif ilişkiyi araştırdı ve iletkenlerdeki elektrik akışına eşlik eden ısıtma etkileri teorisini formüle etti. Helmholtz, Thomson, Henry, Gustav Kirchhoff ve Sir George Gabriel Stokes ayrıca iletkenlerde elektriksel etkilerin iletimi ve yayılması teorisini genişletti. 1856’da Weber ve Alman meslektaşı Rudolf Kohlrausch, elektrik ve manyetik birimlerin oranını belirledi ve ışıkla aynı boyuta sahip olduğunu ve neredeyse tam olarak hızına eşit olduğunu buldu. 1857’de Kirchhoff bu bulguyu elektriksel bir işaretin ışık hızında iletken bir tel üzerinde yayıldığını göstermek için kullandı.
1873 yılında İskoç matematikçi James Clerk Maxwell (1831-1879) kendi adıyla anılan denklemleri yayınladı. Bu denklemler ile elektrik ve manyetizma birbirine sıkıca bağlıyordu. Bu denklemlerle daha önce dağınık olan yasalar birleştirilmiş oldu.
1887 yılında Sırp mucit Nicola Tesla (1856-1943) alternatif akımı geliştirdi ve günümüzde bile yaygın kullanılan alternatif akımla çalışan motoru icat etti. Çağının dahisi olarak anılan Tesla, hayatı boyunca çok sayıda patent almış ve günümüzde halen kullandığımız radyo, uzaktan kumanda, radar vb. aygıtları hayatımıza sokmuştur.
20. yüzyıla girilmesiyle birlikte atom modelinin geliştirilmesi ve elektronun keşfi elektromanyetik teori maddenin atom, atom altı ve atom altı yapısı teorilerinin ayrılmaz bir parçası haline geldi. Bu tarihten sonra elektriğin kullanıldığı aydınlatma, haberleşme, elektronik, vs. alanlarda inanılmaz gelişmeler oldu.
Milattan önce bile varlığı bilinen “kehribar kuvveti” yani nam-ı diğer “elektrik” uzun yüzyıllar boyu ilgi çekmemiş olmasına rağmen son 2 yüzyıl içinde muhteşem bir hızla insanoğlunun hayatına girmiş ve modern dünyayı yaratmıştır.
KAYNAKLAR:
https://www.britannica.com/science/electromagnetism/Historical-survey
