Bilim Tarihinden Notlar: Elektrik Konusu Üzerine II

Elektrostatik Yüklenme

Bazı nesneler birbirine sürtüldüğünde oluşan elektriklenme ve çekim etkisi, eski çağlarda çoğunlukla kehribarın bir kumaş parçasıyla ovulması sonucunda gözlemlendiği için “kehribar etkisi” olarak bilinir. Bu olguyu ilk fark eden ve deneysel olarak inceleyen ismin Antik Çağ düşünürlerinden Thales (MÖ 625-547) olduğu söylense de ilk kez ne zaman ve kim tarafından gözlemlendiği kesin olarak bilinmiyor. Antik Çağ’dan kalma özgün kaynaklarda Thales’in elektrostatiği keşfettiğine ve hakkında deneyler yaptığına ilişkin bilgi bulunmaz. Ünlü biyografi yazarı Diogenes Laertius (MS 180-240) kendi döneminde Thales’in herhangi bir yazılı metin bırakıp bırakmadığını tartışır ve bazı görüşlere göre filozoftan yazılı bir eserin kalmadığını yazar. Buna göre Laertius’un yaşadığı dönemde Thales’e ait olduğu bilinen ancak günümüze ulaşmayan bir metin bulunmadığı bilinmektedir. Yapılan son araştırmalar da kehribar etkisini ilk defa gözlemleyen kişinin Thales olduğu konusundaki yaygın yanılgının nedeninin Modern Dönem araştırmacılarının oluşturduğu bir söylence olduğunu göstermiştir.

Manyetik Çekimleme

Kehribar etkisi ve mıknatıs taşının doğal çekim etkisi binlerce yıl önce biliniyordu. Mıknatıs taşı, günümüzde manyetit olarak isimlendirilen demir oksit mineralinin doğal olarak kalıcı biçimde mıknatıslanmış bir hâlidir. Manyetit, Anadolu’nun yanı sıra İsveç’te, İspanya’da ve Kuzey Amerika’da yaygın olarak bulunan siyah bir mineraldir ancak hepsi doğal olarak kalıcı mıknatıslanma özelliği göstermez. Doğal olarak kalıcı biçimde mıknatıslanmış manyetit örneklerine mıknatıs taşı denir. Mıknatıs taşı tıpkı yapay mıknatıslar gibi kutuplara sahiptir. Bu nedenle serbestçe hareket edebilecek şekilde bırakıldığında, mesela bir ipe asıldığında Dünya’nın manyetik alanının etkisiyle kuzey ve güney doğrultusunda yönelir. Kehribar etkisinde olduğu gibi mıknatıs taşının çekim gücünün ilk kez kim tarafından keşfedildiği de bilinmiyor. Ancak söylenceler bir kenara bırakıldığında mıknatıs taşını ve çekim etkisini keşfeden kişinin mıknatıs taşının demir gibi belirli nesneleri çektiğini fark ettiği düşünülebilir. Fakat demir, gök taşlarında metalik hâlde yaygın olarak bulunsa da Dünya’da çoğunlukla minerallerin yapısında, kimyasal bileşikler hâlinde bulunur. Demir metali genellikle cevherlerinin yüksek sıcaklıkta işlenmesiyle elde edilir. Bunun için yalnızca yüksek sıcaklıklara ulaşmanın yollarını bulmak yeterli değildir, cevheri işleyerek metali ayırmak için ihtiyaç duyulan yöntemleri ve aletleri tasarlamak da ileri düzeyde gözlem yeteneği ve karmaşık zihinsel süreçler gerektirir. Bu nedenle manyetik çekim etkisinin ilk olarak herhangi bir kimsenin demir parçasını manyetite yaklaştırmasıyla keşfedildiğini söylemek yerine bir demir madenindeki manyetit parçalarının diğer manyetit parçaları üzerine uyguladığı bir etki olarak fark edildiğini düşünmek daha makuldür. Zira mıknatıs taşı, sıradan demir cevherleriyle aynı yataklarda bulunur. O yüzden Antik Yunan’da “demir taşı (siderites)”, “Herkül taşı” gibi farklı şekillerde adlandırılmış, günümüzde ise mıknatıs adı verilmiştir.

Manyetizma Üzerine İlk Deneysel Araştırmalar

Mıknatıs taşının çekim özellikleri Antik Çağlar’dan beri bilinmesine rağmen manyetizma hakkında olgusal araştırmalara dayalı kapsamlı ve sistematik bilgiler 17. yüzyılda William Gilbert (1540-1603) tarafından ortaya kondu. Ancak Gilbert’tan önce 13. yüzyılda Pierre de Maricourt’un (Maricourtlu Peter Peregrinus olarak tanınır) manyetizmanın anlaşılmasında önemli rolü olan bir keşfi dikkat çeker. Peter Peregrinus, yuvarlak şekil verilmiş bir mıknatıs taşı parçasının üzerine bir iğne koydu ve iğnenin kendiliğinden yöneldiği doğrultuyu işaretledi. Ardından iğneyi taşın farklı noktalarına yerleştirerek iğnenin yöneldiği doğrultuları aynı şekilde işaretledi. Bu işlem taşın tüm yüzeyi boyunca tekrarlandığında, çizgilerden oluşan düzenli bir desen ortaya çıktı. Deseni oluşturan çizgiler, meridyenlerin yani boylam çizgilerinin Dünya’yı çevrelemesine benzer şekilde taşın yüzeyini çevreleyen daireler oluşturuyordu. Aynı zamanda meridyenlerin tamamının Dünya’nın kuzey ve güney kutuplarından geçmesine benzer şekilde, dairesel çizgiler de taşın üzerindeki karşılıklı iki noktadan geçiyordu. Bu benzerlikten hareketle Peregrinus, bu iki noktaya mıknatısın kutupları adını verdi. Ayrıca mıknatısların kuzey-güney doğrultusunda kendiliğinden hizalandığını ve kutuplarının konumuna bağlı olarak birbirini çekebildiğini veya itebildiğini gözlemledi. Peregrinus’un gözlemi özellikle 16. yüzyıl doğa felsefesinde deneysel yaklaşımı benimsemiş olan Gilbert’ı etkiledi. Mıknatısın özelliklerini ve manyetizmanın doğasını anlamayı amaçlayan Gilbert, Peregrinus’un gözlemlerini de dikkate alarak deneyler yaptı. Bu çalışmalar sonucunda mıknatısın özellikleriyle ilgili yüzyıllardır kabul gören çok sayıdaki yanlış düşünceyi ortadan kaldırdı. Gilbert’in manyetizma üzerine yürüttüğü sistematik araştırmalarını deneye dayalı olarak yapması, modern bilimsel yöntemin gelişiminde deneysel yaklaşımın önem kazanmasında etkili oldu.

Elektrostatik Yüklenme ve Statik Elektrik

Elektriklenme, bir nesnenin elektriksel olarak yüklenmesi yani net elektrik yükü kazanmasıdır. Elektrik yükünün nesnenin yüzeyinde birikmesiyle ortaya çıkan ve elektrik yüklerinin sürekli bir elektrik akımı oluşturacak biçimde hareket etmediği durum statik elektriklenme olarak adlandırılır. Statik elektriklenme genellikle birbirine temas eden iki malzemenin sürtünmesiyle oluşur. Bu yüzden statik elektriklenmenin doğasını anlamak için maddenin yapısına ilişkin bazı temel kavramları kısaca açıklamak gerekir.

Günlük hayatta karşılaştığımız maddeler atomlardan, atomlar ise protonlar, elektronlar ve (hidrojenin en yaygın bulunan izotopu hariç) nötronlardan oluşur. Protonlar ve nötronlar, atomun hacmine kıyasla çok küçük bir hacme sahip olan çekirdeğin içinde bulunur. Protonlar pozitif elektrik yüklü, nötronlar ise yüksüz parçacıklar olduğundan çekirdek pozitif yüklüdür. Atom çekirdeğindeki pozitif yük miktarı, elementin atom numarasına yani çekirdeğindeki proton sayısına bağlıdır. Elektronlar, çekirdeğin çevresinde çeşitli enerji düzeylerinde bulunan ve atomun büyüklüğünü büyük ölçüde belirleyen parçacıklardır. Elektron negatif elektrik yüküne sahiptir, elektronların bulunma olasılıklarının yüksek olduğu bölgeler elektron bulutu olarak isimlendirilir.

Protonlar ve nötronlar güçlü nükleer etkileşim sayesinde çekirdeğin içinde bir arada tutulur. Elektronlar ise pozitif yüklü çekirdek ile aralarındaki elektriksel çekim kuvveti sayesinde atoma bağlıdır. En dış elektron kabuğundaki elektronlar iç kabuklardaki elektronlara kıyasla çekirdeğe daha zayıf bağlıdır. Bu nedenle dış kuvvetlerden kolayca etkilenirler. Statik elektriklenmenin oluşmasında rol oynayan elektriksel etkileşimler, çekirdeğin içinde sıkıca bağlı bulunan protonları etkileyemez. Bazı maddeler birbirine sürtüldüğünde atoma zayıf şekilde bağlı elektronların bir kısmı birinden diğerine aktarılabilir. Mesela sert bir plastik çubuk yün bir kumaşa sürtülürse yün kumaştan plastik çubuğa elektronlar aktarılabilir. Böylece plastik çubuk elektron fazlalığı nedeniyle negatif yüklü hâle gelirken yün kumaş elektron eksikliği nedeniyle pozitif yüklü hâle gelir. Benzer şekilde bir cam çubuk ipek kumaşa sürtüldüğünde, camdan ipek kumaşa elektron aktarılır. Sonuçta cam elektron eksikliği nedeniyle pozitif yüklenirken ipek kumaş elektron fazlalığı nedeniyle negatif yüklenir. Statik elektriklenme çoğunlukla elektronların aktarımı yoluyla gerçekleşir.

Gelecek sayımızda elektrik konusunu ele almayı sürdüreceğiz.

Kaynaklar

• Iversen, Paul & Daniel J. Lacks. “A life of its own: The tenuous connection between Thales of Miletus and the study of electrostatic charging”, Journal of Electrostatics,
• 70: 309-311, 2012.
• Benjamin, Park, A History of Electricity, New York: Arno Press Inc., 1975.
• Whittaker, Sir Edmund, History of the Theories of Aether and Electricity, The Classical Theories, New York: The Philosophical Library Inc, 1951.
• Williams, J. E., & Metcalfe, H. C., & Trinklein, F. E., & Lefler, R. W., Modern Physics, New York: Holt, Rinehart and Winston, Inc. 1968.