Atölye Çalışması 1 Dersi 3. Ünite Özet

Giriş

Enerji bir sistemin iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Enerji çeşitli şekillerde sınıflandırılmalarına karşın en çok karşılaştığımız mekanik (kinetik ve potansiyel), ısı, ışık, kimyasal, güneş, nükleer, rüzgar ve elektrik enerjisidir.

Bir sistemdeki enerji kinetik ve potansiyel gibi farklı türler halinde bulunabilir. Bu enerji türleri kendi aralarında dönüşüme uğrayabilir.

Enerji bir türden diğer türe dönüştürüldüğünde, sisteme verilen enerji miktarı çıkışta elde edilen enerjiye eşit değildir. Bu sebeple sistemden aldığımız kullanılabilir enerji miktarının sisteme giren enerjiye oranı daima 1’den küçüktür. Bu oran sistemin verimi olarak adlandırılır.

Deneyler yapılırken alınması gereken güvenlik önlemlerinin bazıları şunlardır:

• Görevlilerin yapacağı uyarıları dikkatle dinlemeli ve uygulamalısınız.
• Eğer ilk kez laboratuvarda çalışmaya başlamışsanız elektrik panosu, yangın söndürücü ve ilk yardım dolabının yerlerini öğrenmelisiniz.
• İlk yardım gereçlerinin kullanılabilir durumda olduğundan emin olunuz.
• Gerekli ilk yardım merkezlerinin telefon numaralarını kolayca ulaşabileceğiniz bir yere not ediniz.
• Elektrik çarpmaları ile ilgili ilk yardım bilgilerini öğreniniz.
• Laboratuvarda çalışmaya başlamadan önce, yapacağınız deneyde kullanacağınız cihazların güç kablolarının prizlerde takılı olup olmadığını kontrol ediniz, takılı ise fişleri prizden çıkarınız.
• Laboratuvarda deney yapılmak üzere kullanılacak prizlerde topraklama hattının bulunması zorunludur.
• Kullanacağınız cihazların kablolarında çatlaklar, yırtıklar, kopmalar olup olmadığını kontrol ediniz.
• Cihazlarda kullanılan fişlerin prizlere tam olarak takıldığını kontrol ediniz.
• Yapacağınız deneyi belirlediğiniz yönergeye göre hazırladıktan sonra görevlilerden onay alınız. Deney düzeneğini, yükün üzerinde bulunduğu destek çubuğunun alt ucuna bant sarılarak oluşturulan frenleme sistemi veya ayak üzerine konulan sert köpük olmadan asla çalıştırmayınız.
• Elektrik motorunu güç kaynağından sadece 4V’luk gerilim uygulanması gerektiğini unutmayınız.
• Ölçüm alırken ellerinizi devredeki bağlantılara temas ettirmeyiniz.
• Görevlilerden “deneye başlayabilirsiniz” onayını almadan devreye elektrik enerjisi vermeyiniz.
• Deneyi gerçekleştirdikten sonra cihazları kapatınız ve fişlerini prizlerden çıkartınız.
• Deneyinizi tamamladığınızı görevlilere bildiriniz.

Teorik Bilgi

Enerji, bir cismin ya da sistemin iş yapabilme yeteneğidir. Mekanik enerji bir cismin hareketinden dolayı sahip olduğu enerjidir. Mekanik enerji kullanılabilir veya depolanabilir bir enerjidir. Depolanan enerji potansiyel enerji olarak adlandırılır ve cisimlerin bir referans düzleminden olan yükseklikleri ile orantılıdır.

Hareket için kullanılan enerji de kinetik enerji olarak adlandırılır. Kinetik enerji cismin hızına ve kütlesine bağlı olarak değişir. Bir cismin kinetik enerjisi aşağıdaki eşitlik ile verilir:

Enerjinin korunumu ilkesine göre enerji yoktan var edilemez, var olan enerji de yok edilemez, ancak bir türden diğer bir türe dönüşür ve toplam enerji miktarı korunur.

Sürtünmeli ortamda mekanik enerji korunmaz ama toplam enerji korunur. Sistemde cismin sahip olduğu kinetik enerjinin bir kısmı cismin sürtündüğü yüzeyde ısı enerjisine dönüşür.

Bir elektrik makinesi ya mekanik enerjiyi elektrik enerjisine ya da elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürebilen bir aygıttır. Böyle bir aygıt mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için kullanıldığında jeneratör olarak adlandırılır. Bununla birlikte, elektrik makinesi elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmek için kullanıldığında elektrik motoru olarak adlandırılır.

Fizikte iş kapsamında genellikle; bir cisme yer değiştirmesi boyunca uygulanan kuvvetin yapmış olduğu işten söz edilir. Örneğin, yatay düzlemde duran bir cisim d mesafesi kadar yer değiştirmiş olsun. F kuvvetinin yapmış olduğu iş, kuvvetin yer değiştirme doğrultusundaki bileşeni ile yer değiştirmenin çarpımına eşittir. İş ifadesi aşağıdaki eşitlik ile verilir:

W = (F cos ?).d

Eşitlikteki F.cos(?) , kuvvetin yer değiştirme doğrultusundaki bileşenidir.

Birim zamanda yapılan iş miktarı güç olarak adlandırılır. Güç enerjinin bir formundan diğerine dönüştürülme hızı olarak da tanımlanır. Güç aşağıdaki eşitlik ile verilir:

SI ölçüm sisteminde güç birimi joule / saniye (J/s) veya watt (W)’tır.

Verim, enerji dönüşümünden sonra kullanılabilir enerjinin bir ölçümüdür. Yüzde yüzlük bir dönüşüm sürtünmeden, ses oluşumundan ve çeşitli sebeplerden kaynaklanan enerji kaybına bağlı olarak söz konusu değildir. Bu nedenle kullanılabilir enerji miktarı daima verdiğimiz enerji miktarından azdır. Verim sistemden aldığımız enerjinin sisteme verdiğimiz enerjiye oranı olarak tanımlanır.

Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler

Bu deneyde kullanılacak araç ve gereçler şöyle sıralanabilir (S:64, Şekil 3.3):

1. Güç kaynağı (0-12 V dc, 6 ve 12 V ac), 1 Adet
2. Paslanmaz çelik destek çubuğu (60 cm), 2 Adet
3. Elektrik motoru bağlantı kablosu (100 cm kırmızı renk), 1 Adet
   Elektrik motoru bağlantı kablosu (100 cm mavi renk), 1 Adet
4. Güç kaynağı bağlantı kablosu (50 cm kırmızı renk), 1 Adet
   Güç kaynağı bağlantı kablosu (50 cm mavi renk),1 Adet
5. Multimetre ölçüm kabloları: 50 cm kırmızı renk, 1 Adet
   Multimetre ölçüm kabloları: 50 cm mavi renk, 2 Adet
6. Köşeli modül, 4 Adet
7. Çift yuvalı modül, 3 Adet
8. Düz modül, 1 Adet
9. Ayak, 1 Adet
10. Yuvalı düz modül, 2 Adet
11. Yuvalı T modül, 1 Adet
12. Üç yollu anahtar modülü, 1 Adet
13. Dijital multimetre, 2 Adet
14. Lambalı modül ve akkor lamba (6 V / 0.5 A), 1 Adet
15. Makaralı elektrik motoru (12 V dc), 1 Adet
16. Zaman ölçer, 1 Adet
17. Bir ucunda kancası olan yük, 1 Adet
18. İki yönlü sabitleyici, 1 Adet
19. Şerit metre: (2 m), 1 Adet
20. Çarpmayı önleyici sert köpük, 1 Adet
21. Yük taşımak için makara ipi, 1 Adet

Deney Düzeneğinin Kurulması

Ayağın iki köşesinde bulunan sabitleme yataklarına destek çubukları yerleştirilerek vidalar sıkıca sabitlenmelidir (S:64, Şekil 3.4(a)). Yükün yerleştirileceği destek çubuğunun en alt ucundan yaklaşık 5 cm yukarısındaki bir yer yükü durdurabilecek kalınlıkta yapıştırıcı bantla sarılmalı veya destek çubuğunun üst ucundan sert sünger köpüğü geçirilerek en alt konuma yerleştirilmelidir (S:64, Şekil 3.4(b)).

Yükü taşıyacak yaklaşık 60 cm’lik ip makaradan kesilerek alınmalıdır. Alınan ipin bir ucu yükün üzerinde bulunan kancasına halka olacak şekilde sıkıca bağlanmalıdır. Ortasında delik bulunan yük sol taraftaki destek çubuğunun üst ucundan geçirilmeli ve aşağı doğru kaydırılarak en düşük konuma indirilmelidir (S:65, Şekil 3.5).

İki yönlü ayarlanabilir sabitleyici kullanılarak sağ taraftaki destek çubuğunun üst ucuna makaralı elektrik motoru sıkıca sabitlenmelidir (S:65, Şekil 3.6). Elektrik motorunun makarası diğer destek çubuğunun yakınında ve aynı hizada olmalıdır. Elektrik motoru ile sol taraftaki destek çubuğu birbirine temas etmemelidir.

Yüke bağlı ipin diğer ucu elektrik motorunun makarasında bulunan bir gözden geçirilip diğer gözden dışarı çekilmelidir (S:66, Şekil 3.7(a)). İp düğüm atılarak sıkıca bağlanmalı ve makara saat dönüşü yönünde elle çevrilerek ip bir tur sarılmalıdır (S:66, Şekil 3.7(b)). Yükü taşıyacak ipin biraz gergin olması sağlanmalıdır.

Böylece enerji dönüşümü deney setinin elektrik motoru ve yükten oluşan mekanik kısmı hazırlanmış olur (S:66, Şekil 3.8).

Enerji dönüşümü deney setinin elektrik devresi güç kaynağı, voltmetre, ampermetre, elektrik motoru, devre anahtarı ve akkor lambadan oluşmaktadır (S:67, Şekil 3.9). Elektrik devresi kurmak için modüller birbirine bağlanmalıdır (S:67, Şekil 3.10).

Devrede kullanılacak olan akkor lamba üzerinde yuvası bulunan lamba modülüne takılmalıdır. Anahtar 1 numaralı konumda olursa A devresi, 2 numaralı konumda olursa B devresi işlevsel hale gelir (S:68, Şekil 3.11). Bu iki devrenin ortak elemanı jeneratör gibi de davranabilen elektrik motorudur (S:67, Şekil 3.9).

Multimetre kullanım amacına göre ohmmetre, ampermetre veya voltmetre olarak adlandırılır. Bu deneyde multimetre, ampermetre ve voltmetre olarak kullanılacaktır.

Ampermetre olarak kullanılacak multimetrenin kadranındaki kademe seçici dc bölgede 20 A ölçüm çizgisine çevrilmelidir (S:69, Şekil 3.12(a)).

Voltmetre olarak kullanılacak multimetrenin kadranındaki kademe seçici dc bölgede 20 V ölçüm çizgisine çevrilmelidir (S:69, Şekil 3.12(b)).

Ampermetre olarak kullanılacak multimetrede; mavi ölçüm kablosunun bir ucunu COM yuvasına, kırmızı ölçüm kablosunun bir ucunu 10 A yuvasına takınız. Voltmetre olarak kullanılacak multimetrede; mavi ölçüm kablosunun bir ucunu COM yuvasına, kırmızı ölçüm kablosunun bir ucunu V-? yuvasına takınız. Böylece ampermetre ve voltmetre deney için hazır hale getirilmiştir (S:69, Şekil 3.13).

Kırmızı elektrik bağlantı kablosu elektrik motoru üzerindeki kırmızı yuvaya ve mavi bağlantı kablosu mavi yuvaya takılmalıdır (S:70, Şekil 3.14). Bağlantı kablolarının diğer uçları elektrik devresinde çift yuvalı devre modülüne takılmalıdır (S:70, Şekil 3.15).

Kırmızı ve mavi renkli güç kaynağı bağlantı kabloları kullanılarak güç kaynağı elektrik devresine bağlanmalıdır (S:71, Şekil 3.16). Kırmızı kablonun bir ucu güç kaynağı üzerinde bulunan dc bölgedeki (+) işaretli kırmızı çıkış ucuna ve mavi kablonun bir ucu (-) işaretli çıkış ucuna takılmalıdır. Bağlantı kablolarının diğer uçları devredeki çift yuvalı devre modülüne takılmalıdır. Güç kaynağı üzerinde V ile gösterilen bölgede voltaj ayar düğmesi ile çıkış gerilimini 0 V’a ve A ile gösterilen bölgede akım ayar düğmesi ile akım değerini 0 A’ya ayarlayınız. Anahtarlı devre modülünde 1 numaralı konum elektrik motorunu çalıştırmak için ve 2 numaralı konum elektrik motorunu devre dışı bırakmak için kullanılır (S:71, Şekil 3.17). Enerji dönüşümü ile ilgili deneyi yapmak üzere deney seti hazır hale gelmiştir.

Deneyin Yapılışı

Enerji Dönüşümü

Elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirmek için öncelikle, güç kaynağı üzerindeki gerilim ayar düğmesi 4 V ölçme çizgisine ve akım ayar düğmesi 2 A ölçme çizgisine getirilmelidir (S:72, Şekil 3.18).

Güç kaynağı prize takılmalı ve yetkililerden onay aldıktan sonra arkasında bulunan açma-kapama anahtarı yardımı ile güç kaynağı açılmalıdır (S:73, Şekil 3.19).

Elektrik motorunu çalıştırmak için anahtarlı devre modülü üzerinde bulunan anahtar 1 numaralı konuma çevrilmelidir (S:74, Şekil 3.20).

Anahtar 1 numaralı konuma geldiğinde A devresi kapalı bir devre haline gelir. Uygulanan voltaj sebebiyle devreden akım geçer ve elektrik motoru çalışır. Böylece elektrik motorunun makarası dönmeye başlar ve yük yukarı doğru çekilir.

Yük en üst konuma çıktığında elektrik motoruna çarpacağından dolayı, elektrik motorunun destek çubuğuna sıkıca tutturulmuş olması gerekir (S:74, Şekil 3.21).

Yük en üst konumda iken elektrik motorunu devre dışı bırakmak için anahtarlı devre modülü üzerindeki anahtar 2 numaralı konuma çevrilmelidir.

Anahtar 2 numaralı konuma geldiğinde B devresi kapalı bir devre haline gelir (S:75, Şekil 3.22) ve motor devre dışı olduğundan dolayı serbest kalan yük yerçekiminin etkisi ile aşağıya doğru düşer. Bu esnada elektrik motorunun makarasına bağlı olan yük makarayı döndürür. Böylece elektrik motoru jeneratör gibi davranır ve başlangıçta yükün sahip olduğu mekanik enerjinin bir kısmı jeneratörde elektrik enerjisine dönüşür. Jeneratör bağlı olduğu B devresinden akım geçmesini sağlar. Yük aşağıya doğru düşerken yükün hızı ve lamba modülünde bulunan akkor lamba gözlenmelidir.

Buraya kadar olan adımlar birkaç defa tekrarlanmalı ve edinilen gözlemler, Deney Sonuçlarını Değerlendirme bölümündeki 1 ve 2 nolu yerlere yazılmalıdır (S:77).

Elektrik Motorunun Verimi

Yükü yukarıya çıkarmak için kullandığımız elektrik motorunun verimini hesaplamak için bazı adımlar izlenmelidir.

Deneye başlamadan önce anahtarlı devre modülü üzerindeki anahtarın 2 numaralı konumda olduğu kontrol edilmelidir. Güç kaynağı üzerindeki gerilim ayar düğmesinin 4 V ölçme çizgisinde ve akım ayar düğmesinin 2 A ölçme çizgisinde olup-olmadığı kontrol edilmelidir (S:72, Şekil 3.18). Güç kaynağı arkasındaki açma-kapama anahtarı yardımı ile açılmalıdır (S:73, Şekil 3.19).

Anahtarlı devre modülü üzerindeki anahtar 1 numaralı konuma çevrilmelidir. Yük en alt konumdan yukarıya doğru çekilirken ilk önce voltmetreden elektrik motoru üzerindeki V voltajı, sonrasında ise devreden geçen I akımının değeri ölçülmelidir (S:76, Şekil 3.23). Son olarak zaman ölçerden elektrik motorunun yükü en alt konumdan en üst konuma çekmesi için geçen t zamanı belirlenmelidir. Yükü elektrik motoru ile en alt konumdan en üst konuma çıkarma işlemi üç defa tekrarlanmalı ve elde edilen değerler kaydedilmelidir. Ayak üzerinde duran yükün üst ucu ile yükün çıkabileceği elektrik motorunun alt ucu arasındaki h yüksekliğini metre ile üç defa ölçülmeli ve kaydedilmelidir (S:76, Şekil 3.24).

Deneyi tamamladıktan sonra;

• Anahtarlı modül üzerindeki anahtar 2 numaralı konuma çevrilmelidir.
• Güç kaynağı üzerindeki gerilim ayar düğmesi 0 V ölçme çizgisine ve akım ayar düğmesi 0 A ölçme çizgisine getirilmelidir.
• Güç kaynağı arkasındaki açma-kapama anahtarı yardımı ile kapatılmalı ve fişi prizden çıkarılmalıdır.