Elektriğin Kısa Tarihi: Elektrik Bilimi Doğuyor yazımızda sizlere konu ile ilgili aydınlatıcı bilgiler vereceğiz.
18. yüzyıla kadar elektrikle ilgili yapılan çalışmalar, elektriğin niteliksel yönlerini ortaya koymaya yönelik olmuştur. Yapılan deneyler, daha önce tanıdık olmayan doğal bir fenomenin özeliklerini keşfetmeye yönelikti. 18. yüzyıldan sonra ise elektrik, bilimsel yöntemlerle açıklanmaya çalışıldı. Bu bölümde elektrik biliminin temellerini atan başlıca bilim adamlarını ve çalışmalarını inceleyeceğiz.
Benjamin Franklin ve Paratonerler
Avrupa’da elektrik ile ilgili yapılan çalışmaların ardından bu furya Amerika’ya da sıçradı. ABD’li ünlü fizikçi, politikacı, yayıncı ve yazar Benjamin Franklin (1706-1790), Leyden şişesinin etkilerini işitmişti. Bu etkiler üzerine çalışmalar yaptı ve elektriğin pozitif ve negatif yükleri olduğunu söyledi (yükleri şimdikinden ters olarak düşünmüştü). Ancak daha çok ilgilendiği ve daha fazla katkı sunduğu konu yıldırımlardı. 1747 yılında icat ettiği paratoner (veya yıldırımsavar) birçok tartışmaya konu olmuş, hatta ünlü Fransız fizikçi Jean-Antoine Nollet, Franklin’i bir amatör olmakla suçlamıştı. Bu eleştirilere rağmen Fransa’da ilk paratoner, Nollet’in ölümünden üç sene sonra 1773 yılında Fransız Bilimler Akademisi’nin çatısına dikilmiştir.
1751 yılında yıldırımın elektriksel doğasını kanıtlayan ünlü uçurtma deneyini oğlu ile birlikte yapan Franklin, 1752 yılında geliştirdiği paratoner icadı ile ünlenmiştir. Deneyde kullanılan uçurtmanın ön tarafında sivri uçlu bir demir vardı ve uçurtma demir çubuğa kenevirden yapılmış bir iple bağlanmıştı. Yağmurun ıslattığı ip iyi bir iletken durumuna gelmişti. Franklin’in eliyle tuttuğu ipin alt tarafında metal bir anahtar vardı. Franklin parmağını ipe hafifçe yaklaştırarak kıvılcım atlamasını sağladı. Böylece şimşeğin çaktığı fırtına bulutunun statik elektrik yüklü olduğunu ortaya koymuş oluyordu. Aslında Franklin, deneyin sonunda hala yaşıyor olmasını şansa borçluydu. Franklin’in yıldırımla ilgili deneylerini heyecanla tekrarlamaya girişen Georg Richman (1711-1753), elektrik kuvvetini ölçmek üzere geliştirdiği bir deney için St. Petersburg’daki evine bir yıldırım iletkeni kurdu ve 1753 yazındaki bir fırtınada elektrometresini okurken elektrik çarpması sonucu hayatını kaybetti.
Uzun süredir sivri uçlu iletken çubukların yüklü cisimleri yavaşça deşarj ettiği bilinmekteydi. Franklin, yaptığı deney sonucunda yıldırımları boşaltmak için sivri uçlu demirleri kullanabileceğini buldu ve paratoneri icat etmiş oldu. Bu amaçla binaları, kiliseleri, gemileri ve benzer yapıları yıldırımlardan koruyabilmek için yapıyı dikey olarak sivri uçlu, gövdesi altınla kaplı iletken çubuklarla korumayı düşünmüştür. Demir çubuğun alt ucundan bir tel de binanın dış kısmından toprağa gömülmeliydi.
Paratonerler 18. yüzyılın en çok tartışılan konularından biri olmuştur. Kilise çevresi, bu “kâfir çubukları” ile insanların Tanrı’nın gazabından kaçmaya çalışacaklarını söylüyordu. Aslında kiliseler de yıldırımın yıkıcı etkisinden muzdaripti. Fırtınalı havalarda insanları uyarmak için çan çalınıyordu. Dönemin yazarlarından Johann Fischer, kiliselerde son 33 yılda 103 kişinin çan çalarken yıldırım nedeniyle öldüğünü belirtmektedir. Fırtınaya karşı çan çalma geleneği 1784’te Bavyera’da ve 1786’da Avusturya’da yasaklandı. Askerler de başlangıçta bu yeni buluşa olumlu yaklaşmıyordu. Brescia kentindeki Saint Nazarro Kilisesi’nin kutsallığına o kadar inanılıyordu ki askerler ellerindeki tüm barutu ve cephaneliği bu kilisenin mahzenine saklamışlardı. 1769 yılında bu kiliseye yıldırım düşmesi sonucunda yaklaşık 100 ton barut havaya uçtu, 3000 kentli öldü ve kentin altıda biri yıkıldı. Bu olayın ardından tüm kiliseler, cephanelikler ve hatta gemiler paratonerle donatıldı.
Coulomb ve Elektrostatik Çekim Yasası
William Gilbert’ın elektrik ve manyetizmayı ilk kez birbirinden ayırdığı 1600 yılından Benjamin Franklin’in çalışmalarına kadar elektrik konusunda yapılan çalışmalar tamamen nitelikseldir. 1750’li yıllardan sonra ise artık elektriğin niceliksel tarafları da gelişmeye başlayacaktır. Fransız mühendis ve fizikçi Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), 1780’lerde Fransa’da bir bilim kuruluşunda çalışmakta ve optik aletlerin, pusulaların ve benzeri gereçlerin yapımını denetlemekteydi. Bir görevi de pusulaların daha gelişmiş bir duruma getirilmesi için neler yapılabileceği konusunda çalışmaktı.
Coulomb pusula ile ilgilenmeye başladıktan sonra bu konuda aslında kimsenin fazla bir şey bilmediğini, pusulanın nasıl çalıştığı ve ne gibi kuvvetlerden etkilendiğinin tam olarak anlaşılamadığını fark etti. Aslında Coulomb’un uzmanlık alanı tamamen farklıydı. Donanmaya ait demir çubuklar, kablolar ve buna benzer malzemelerin dayanıklılığını ölçmek için bu malzemelerin burulma dirençlerini ölçen “torsiyometre”yi geliştiren Coulomb, bu aletle farklı türdeki kuvvetleri ölçebileceğini keşfetti. Çok küçük kuvvetleri büyük bir doğrulukla ölçebilen Coulomb, elektrostatik ve manyetik çekme ve itme kuvvetlerinin, uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğunu ifade eden Coulomb Yasası’nı buldu. Newton’un kütle çekim (gravitasyon) yasası da, Coulomb Yasası ile uyum gösteriyordu.
Galvani ve “Hayvansal Elektrik”
18. yüzyılın gözlemci ve deneycileri, Leyden şişesinden elde edilen elektriksel şoklarla, elektrikli yılan balığı ve torpil balığı gibi hayvanların neden olduğu şoklar arasındaki benzerliği fark etmişlerdi. Bologna’da fizyolog olan Aloisio Luigi Galvani (1737-1798), 1780-1790 yılları arasında kurbağalar üzerinde yaptığı deneylerle elektrik bilimine yeni pencereler açacaktı.
Canlılardaki elektriksel olayları incelemeye yönelen Galvani, başta kurbağa olmak üzere teşrih edilmiş hayvanların sinir ve kaslarının elektriksel olarak uyarılması ile uğraşmıştır. Kurbağa bacağı ile yapmış olduğu ünlü deneylerine 1786 yılında başlamış, fırtınalı bir havada laboratuvarındaki derisi yüzülmüş kurbağa bacağının açıkta kalan uyluk sinirine takılı pirinç kancalara demir makasla dokunulduğunda ölü hayvanın kaslarının birden kasıldığını gözlemlemiştir. Deneyler sonucunda Galvani, ilk önce statik elektriğin kurbağa bacağındaki kasları hareket ettirdiğine karar vermiştir. Ancak elektrostatik bir ortam olmaksızın kurbağanın kaslarına farklı metallerin değdirilmesi ve kurbağanın bacak kası ile omuriliği arasında kapalı bir devre oluşturulduğunda bacakta daha büyük bir seğirme olduğunu keşfetmiş ve bu olguya “hayvansal elektrik (animal electricity)” adını vermiştir. Bir tür bir fizyolojik elektrik etkisi 19. yüzyılda yapılan deneylerle kanıtlanmıştır.
Alessandro Volta ve Volta Pili
Galvani’nin kurbağa üzerinde yaptığı deneylerde, farklı metallerin kurbağa bacağında oluşturduğu seğirmelerin sebebinin iletken bir sıvı içerisinde iki metalin farklılığından kaynaklanan elektrik akımı ile meydana geldiğini Alessandro Volta (1745-1827) keşfetmiştir. 1792’de yaptığı deneylerde farklı iki metalin oluşturduğu elektrik ile sürtünme sonucu elde edilen elektriğin aynı olduğunu gösterdi. Yedi yıl gibi uzun bir sürede gerçekleştirdiği deneylerinde, farklı iki tip metalin elektrik üretmesi üzerine çalışmış ve “Volta pili” olarak adlandırılan batarya düzeneğini 1800 yılında yayınlamıştır.
Volta bu deneylerde, aralarında asitle nemlendirilmiş mukavva bağlantılar bulunan ve birbiri ardı sıra dizilen disk şeklindeki metal çiftleri dizisinin, sürtünmeli statik elektrik üreteci ile aynı düzeyde elektrik üretebileceğini keşfetmiş oluyordu. Günümüzde kullandığımız “pil” sözcüğü, metal çiftlerinin üst üste konularak bir yığın oluşturmasına atfen “pile (yığın)” sözcüğünden gelir. Volta, ölçülebilir bir elektrik akımı elde etmek için sayıları 30 ile 60 arasında değişen metal diskleri üst üste yerleştirmiştir. Statik elektriklenme makinaları kısa süre boyunca yüksek gerilim ve düşük akım sağlarken Volta pili yüksek akım ve düşük gerilim veriyordu. Henüz elektrik kullanımının yaygın olmadığı dönemlerde bilimsel araştırma laboratuvarlarında çok sayıda Volta pilinden kurulu bataryalar bulunmaktaydı. Ancak bunları çalışır durumda tutabilmek başlı başına bir sorundu. Bunlar elektrolitik sıvı olarak sülfürik asit ve nitrik asit içerirler, zamanla çinko anodu aşınıp etrafa ağır ve kötü kokular yayardı. 1750’lerde Volta pilleri laboratuvarların vazgeçilmez ekipmanları haline gelmeye başladı ancak büyük boyutlu ve pahalı oldukları için önceleri sadece zengin kişilerin himayesinde kullanılabiliyordu.
Volta pilinden elektriğin kolayca elde edilmesi, onu kimyasal etki yaratacak şekilde kullanmanın yolunu açtı. 1800 yılında İngiliz William Nicholson (1753-1815) ve Sir Anthony Carlisle (1768-1840) Volta pilinin bir kopyasını hazırladıktan sonra suya iki platin tel (elektrot) daldırıp su içinden bu pil yardımıyla elektrik akımı geçirerek suyu elementleri olan hidrojen ve oksijene ayrıştırdılar (elektroliz). Oluşan bu iki gazın karışımı “patlayıcı gaz” olarak adlandırılıyordu ve bir kıvılcımla tutuşturulduğunda patlama sesi eşliğinde birleşerek tekrar suyu oluşturuyordu.
19. yüzyılın başında bilimle uğraşan herkes elektrikle ilgilenmekte ve bu konuda bilinenleri birbirine bağlayacak olan bir “doğa felsefesi” aramaktaydı. Doğada elektrik, gravitasyon ve manyetizma gibi kuvvetlerin varlığı biliniyor ve bunun yanı sıra bunların birbiriyle bağlantılı olası gerektiği de düşünülüyordu. Başlangıçta tüm çabalara karşı bu bağlantılar bulunamıyordu. 1820 yılında Danimarkalı fizikçi Hans Christian Oersted (1770-1851), bir deney sırasında bataryadan bir tele elektrik verildiği zaman telin yakınında duran manyetik bir pusula iğnesinin teli gösterecek biçimde döndüğüne tanık oldu. Böylece manyetizma ile elektrik arasındaki bağlantı, yani içinden akım geçen bir telin çevresinde manyetik alanın oluştuğu yolundaki elektromanyetizma ilkesi bulunmuş oldu. Bu buluş ileride dolaylı bir biçimde de olsa telgrafın bulunmasını sağlayacaktı. Dönüşüm etkisinin anlaşılması için ise aradan on yıl daha geçmesi gerekecekti, bu süre içinde artık böyle bir etkinin varlığının kaçınılmaz olduğu bilindiğinde herkes bunun peşine düşecek ama sonunda dönüşümü gerçekleştiren işi Faraday olacaktı.
Michael Faraday ve Çalışmaları
İngiltere’nin kuzeyinden 1791 başında Newington köyüne iş aramak amacıyla gelmiş bir demirci ile bir köylünün dört çocuğundan biri olan Faraday ekonomik nedenlerle uzun süreli bir eğitim alamadı. Bu sebeple Faraday daha ziyade kendi kendine yetişmiş bir bilim adamıdır. Kilisenin pazar okulunda okuma yazma ve hesap öğrendi. Küçük yaşta gazete dağıtıcısı olarak çalışmaya başladı. On dört yaşında bir ciltçiye çırak olarak girdi. 1813 Mart ayına kadar devam ettiği bu işte ciltlenmek üzere getirilen kitapları okuyarak bilgisini genişletmeye başladı. Bu sayede gençliğinde pek çok kitap okudu. Bilhassa fizik kitaplarını büyük bir heves ve arzuyla okuyordu. Encyclopedia Britannica’nın üçüncü baskısındaki elektrik maddesinden özellikle etkilendi. Eski şişeler ve hurda parçalardan yaptığı basit bir elektrostatik üreteçten yararlanarak deneyler yapmaya başladı. Gene kendi yaptığı zayıf bir Volta pilini kullanarak elektrokimya deneyleri gerçekleştirdi. Londra’da bulunan Kraliyet Enstitüsü’nde kimyacı Sir Humphrey Davy tarafından verilen kimya konferanslarına katılma olanağı buldu. Konferanslarda tuttuğu notları ciltleyerek iş isteyen bir mektupla birlikte Davy’ye gönderdi ve 1813′te Davy’nin desteğiyle kimya asistanı oldu. Ekim 1813 ile Nisan 1815 tarihleri arasında Fransa, İtalya ve İsviçre gezisinde Davy’ye refakat etti. 1820′de Davy’nin yanından yardımcılık görevinden ayrıldı. 1825′te laboratuvar müdürlüğüne getirildi. 1833′te enstitüye ders verme mecburiyeti olmaksızın kimya profesörü olarak tayin edildi. Hayatının tümünü enstitünün çalışmalarına adadı. 1820 yıllarında fen alimleri çalışmalarına daha ziyade elektriğe ait konularda ağırlık vermişlerdi. Bunlardan en önemlileri Volta’nın elektrik pili ve Hans Christian Orsted’in elektrik akımından üretilen manyetik mıknatıslı güç kaynağı idi. Orsted 1820′de bir telden geçen elektrik akımının tel çevresinde bir manyetik alan oluşturduğunu bulmuştu. Fransız fizikçi Andre Marie Ampere de tel çevresinde oluşan manyetik kuvvetin dairesel olduğunu, gerçekte de tel çevresinde bir manyetik silindir oluştuğunu göstermişti. Bu durumda soyutlanmış bir manyetik kutup elde edilebilir ve akım taşıyan bir telin yakınına konursa telin çevresinde sürekli olarak bir dönme hareketi yapması gerekecekti.
Elektrik enerjisinden manyetizma üretildiğinden bu yana fen adamlarının en büyük düşüncesi, “Manyetizmadan elektrik enerjisi elde edilebilir mi?” sorusu olmuştu. Bu, fen ilimleri tarihinde en büyük mesele haline geldi. Faraday, zaman zaman bu mesele üzerinde çalıştı. Bu arada ilk bilimsel keşfini de gerçekleştirmiş oldu. Bir mıknatıs etrafında, tersine karşılıklı dönebilen bir kablo sistemi geliştirdi ve böylece ilk defa elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülmüş oldu. Bu keşif, elektrik motorlarının esası kabul edilmektedir.
1831′de yeniden kimyadan elektriğe döndü. Bundan sonraki deneylerinin en önemlisi galvanometreye bir kablo bobini bağlayarak küçük elektrik akımlarını ölçmeye yarayan bir alet yapmasıydı. Bu kablo, bir mıknatısa değdirildiğinde galvanometrenin iğnesi hareket ediyor, kabloyu ayırdığında iğne ters yöne hareket ediyordu. Böylece Faraday manyetizmadan elektrik enerjisi elde etmenin yolunu bulmuş oldu. Mekanik enerjiyi bir mıknatıs yardımıyla elektriğe dönüştürdü. Bu, elektrik jeneratörlerinin esası oldu.
Faraday manyetik etkiyle ilgili deneyleri gerçekleştirip sonuçlarını bilim dünyasına sunarken elektriğin farklı biçimlerde ortaya çıkan türlerinin niteliği konusunda kuşkular belirmişti. Elektrikli yılan balığının ve öteki elektrikli balıkların saldığı, bir elektrostatik üretecin verdiği bir pilden ya da elektromanyetik üreteçten elde edilen elektrik akışkanları birbirinin aynı mıydı? Yoksa bunlar farklı yasalara uyan farklı akışkanlar mıydı? Faraday araştırmalarını derinleştirince iki önemli buluş gerçekleştirdi.
Elektriksel kuvvet kimyasal molekülleri, o güne değin sanıldığı gibi uzaktan etkileyerek ayrıştırmıyordu, moleküllerin ayrışması iletken bir sıvı ortamdan akım geçmesiyle ortaya çıkıyordu. Bu akım bir pilin kutuplarından gelse de ya da örneğin havaya boşalıyor olsa da, böyleydi. İkinci olarak, ayrışan madde miktarı çözeltiden geçen elektrik miktarına doğrudan bağımlıydı. Bu bulgular Faraday’ı yeni bir elektrokimya kuramı oluşturmaya yöneltti. Buna göre elektriksel kuvvet, molekülleri bir gerilme durumuna sokuyordu.
1839′da elektriğe ilişkin yeni ve genel bir kuram geliştirdi. Elektrik madde içinde gerilmeler olmasına yol açar. Bu gerilmeler hızla ortadan kalkabiliyorsa gerilmenin ardarda ve periyodik bir biçimde hızla oluşması bir dalga hareketi gibi madde içinde ilerler. Böyle maddelere iletken adı verilir. Yalıtkanlar ise parçacıklarını yerlerinden koparmak için çok yüksek değerde gerilmeler gerektiren maddelerdir.
Faraday, ayrıca mıknatıs kutupları arasında döndürdüğü bir bakır yuvarlak ile devamlı bir akım elde etmeyi de başardı. 1832 ve 1833′te elektrolizin iki temel kanununun formüllerini buldu. 1840 yılında ışık enerjisi ile elektromanyetik enerjinin birbirine çok benzer, hatta aynı olduğu kuramını geliştirdi.
Sekiz yıl boyunca aralıksız süren deneysel ve kuramsal çalışmaların sonunda 1839′da sağlığı bozulan Faraday bunu izleyen altı yıl boyunca üretici bir etkinlik gösteremedi. Araştırmalarına ancak 1845′te yeniden başlayabildi. 1855′ten sonra Faraday’ın zihinsel gücü azalmaya başladı. Ara sıra deneysel çalışmalar yaptığı oluyordu. Kraliçe Victoria bilime büyük katkılarını göz önüne alarak Faraday’a Hampton Court’ta bir ev bağışladı. 25 Ağustos 1867 tarihinde hayata veda eden Faraday, günümüz elektrik endüstrisinin bilimsel temellerini atan kişi olarak hatırlanmaktadır.
Alper COPLUGİL (Elk. Müh., MSA)
