Voltaj Nedir? Elektrik Akımındaki Gerilim Nedir?

Voltaj, bir elektrik akımı devresinde iletkenin iki ucu arasındaki elektrik yükü farkı ve bu farkın yarattığı gerilimdir. Dolayısıyla voltaj ve gerilim aynı şeydir.

Voltaj kelimesi, voltajın mucidi olan İtalyan fizikçi Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta’dan gelir.

Alessandro Volta, 1745 yılında İtalya’nın Como kentinde doğan fizikçi ve mucittir. Bir diğer mucit Luigi Galvani’nin, iki metali seri bir şekilde kurbağa bacağına temas ettirdiğinde “hayvansal elektrik” adını bir elektrik akımı yarattığını keşfetmesinden sonra Volta, kurbağa bacağının bu devrede elektrolit görevi gördüğünü fark etti. Ardından sülfürik asit ile tuzlu suyu elektrolit olarak kullanarak; biri çinko, diğeri bakır olmak üzere iki elektrotlu Voltaik pili icat etti.

Bir elektrik akımında voltajın ölçü birimi Volt; Volt’un kısaltması ise V ve E harfleridir.

Elektromotor kuvvet, devrenin açık bulunduğu ve devreden akım çekilmediği durumlarda, güç kaynağının iki kutbu arasındaki potansiyel farkıdır. Elektromotor kuvvet emk kısaltması ve E sembolü ile gösterilir. Elektromotor kuvvetin ölçü birimi Volt (V)’tur.

Elektrik yükü ise bir ortamda serbest bir şekilde bulunan pozitif veya negatif elektrik ile yüklü parçacıklardır. Bir elektrik devresinde elektrik yükleri pozitif kutuptan negatif kutba doğru akar; buna elektrik akımı denir. Bir elektrik akımında iletkenin akıma karşı gösterdiği mukavemete ise direnç denir. Ohm kanununa göre direnç, elektrik devresinde gerilim düşüşüne ve güç kaybına sebep olur.

Bir elektrik devresinde iletkenin iki ucu arasındaki elektrik yükü farkına elektrik potansiyeli farkı denir. Elektrik potansiyeli farkı sayesinde elektrik yükleri bir uçtan diğer uca yer değiştirerek elektrik akımını oluşturur. Voltaj ise iletkenin iki ucu arasındaki elektrik potansiyeli farkından kaynaklanan gerilimdir.

Voltaj ölçümü, bir elektrik devresindeki direnç ve akım şiddeti gibi diğer elemanların birimlerini hesaplayabilmek bakımından faydalıdır.

Voltaj ölçümü voltmetre ile yapılır ve Volt’un formülü şu şekildedir:

Volt (V) = Akım Şiddeti (A) x Direnç (I)

Akım şiddetinin 1 Amper, direncin 1 Ohm olduğu bir elektrik devresinde iki uç arasındaki potansiyel farkı yani gerilim 1 Volt’tur.

Voltaj ölçümü yapmanın faydaları şunlardır:

• Bir elektrik devresinde akım şiddetini belirlemeye yarar. Bu sayede elektrik devresinin ürettiği güç (Watt) hesaplanabilir.
• Elektrik devresinde kullanılan iletkenin iletme performansını ölçmeye yarar. Bir iletkenin elektrik akımına gösterdiği direnç arttıkça, akım şiddeti düşecektir.

Yüksek voltaj, elektrik devresinin iki ucu arasındaki potansiyel farkının yüksek olduğu durumları tanımlayan ve özel prosedürleri bulunan bir voltaj tanımıdır. Yüksek voltaj uyarısı bulunduran elektrik akımları, canlılar için tehlikeli olabilir ve bu durumlar için özel önlemler alınır. Yüksek voltajın canlılarda sebep olabileceği zararlar şu şekildedir:

• 50 V ve üzeri voltaj değeri olan elektrik akımları, kuru insan derisine temas ettiğinde elektrik göğüs bölgesine ulaşarak kalbin çok hızlı çarpmasına ve kalp krizine sebep olabilir.
• Kuru insan derisi 50 V’a kadarki gerilime karşı büyük ölçüde yalıtkan kalabilse de, ıslak insan derisinin elektrik akımı ile temasında 40 V altında gerilime sahip akımlarda bile ciddi sağlık sorunları ortaya çıkarır.
• Yüksek gerilim, düşük enerjide zararlı olmayabilir. Örneğin kapı koluna dokunulduğunda statik elektrik transferi sonucunda ortaya çıkan gerilim 1000 V seviyelerine ulaşabiliyor olsa da enerji düşük olduğu için çarpılmanın şiddeti de düşük olur.

Yüksek voltaj elektronik ürünlere de zarar verebilir. Elektrik akımındaki anlık voltaj farkları, çalışmakta olan ev elektroniği ürünlerinin iç devrelerine zarar verebilir. Bu yüzden özellikle buzdolabı süreğen bir çalışma prensibine sahip elektronik aletlerin, fiş ile priz arasına takılan voltaj dengeleyici aksamlarla birlikte kullanılması gerekir.

Uluslararası Elektroteknik Komisyonu’na göre yüksek voltaj alternatif akım (AC) devreler için 1000 V ve üzeri, doğru akım (DC) devreler için 1500 V ve üzeridir. Yüksek elektrik gerilimi bulunduran bölgeler tabelalarla işaretlenir. Yüksek gerilim taşıyan bölge ve aletlerde iki tür tehlike söz konusudur:

• Havada kıvılcımlanmaya sebep olma riski
• Temas veya yaklaşma sonucu elektrik şoku riski

Alçak voltaj, evsel elektrik tüketimi maksatlı elektrik devrelerinde kullanılan bir standarttır. Alçak voltaj değerine sahip elektrik akımları, yüksek voltaja göre daha az tehlikeli olarak kabul edilir.

Alternatif akımlarda (AC) 50 V – 1000 V aralığı, doğru akımlarda (DC) ise 120 V – 1500 V aralığı düşük voltaj olarak tanımlanır. Alternatif akımda 50 V altı, doğrudan akımda ise 120 V altı ekstra düşük voltaj olarak tanımlanır.

Voltajın formülü Volt = Amper x Ohm şeklindedir. Bu denklemin sembollerle ifadesi şu şekildedir:

V = A x Ω

Voltaj ölçümünde kullanılan araçlardan bazıları şunlardır:

• Osiloskop
• Galvanometre
• Avometre

Voltaj ölçümünde kullanılan aletlerin tanımları ve ölçüm metotları şöyledir:

1. Osiloskop: Elektriksel işaretlerin ölçümünde kullanılan bir alettir. Elektriksel işaretin dalga şeklini, frekansını ve genliğini ölçmeyi sağlar. İç direnci yüksek olan osiloskop elektrik devresine her zaman paralel bağlanır.

2. Galvanometre: Elektrik akımındaki değişimin oluşturduğu manyetik alan sayesinde değişimin takip edilmesi prensibine dayanır. Galvanometre, adını elektrik yükü potansiyel farkının ilk kaşiflerinden olan Galvani’den alır.

3. Avometre: Amper, Volt ve Ohm’un baş harflerinden oluşan avometre, bir elektrik akımındaki akım şiddeti, direnç ve gerilimi ölçer.

Voltmetre bir elektrik devresinin herhangi iki noktası arasındaki elektrik potansiyeli farkını ölçmek için, devreye paralel bağlanarak kullanılan bir alettir. Voltmetrenin direnci çok yüksek olduğundan ölçüm esnasında voltmetre üzerinden geçen akım çok düşüktür.

Voltaj regülatörü, bir elektrik devresinde sabit voltaj düzeyini korumak için kullanılan bir sistemdir. Voltaj regülatörlerinde ileri besleme veya negatif geri besleme sistemleri kullanılır.

Voltaj regülatörleri bilgisayar güç kaynaklarında, otomobillerdeki alternatörlerde, jeneratörlerde bulunur. Ayrıca elektrik dağıtım merkezlerinde ve trafolarda da voltaj regülatörü bulunur. Bu sayede tüketicilerin tükettiği elektrik miktarından bağımsız olarak elektrik sağlayıcısından sabit voltajda elektrik çıkışı yapılması mümkün olur.

Voltaj, bir elektrik devresinde iki kutup arasındaki potansiyel farkıyken; Amper bu devre üzerindeki herhangi bir kesitte bir saniyede geçen elektrik yükü miktarı, yani akım şiddetidir.

Direncin sabit olduğu bir elektrik devresinde voltaj ve Amper değerleri doğru korelasyon gösterir. Amper arttıkça Volt da artar, Amper düştükçe Volt da düşer.

Ohm kanunu, elektrik devrelerinde iletkenlerin, elektrik yükü hareketliliğine gösterdikleri direnç anlamına gelir. Voltaj ise bir devredeki iki kutup arasındaki potansiyel farkıdır. Dolayısıyla bir devrede akımı sabit tutmak için voltaj artırılırsa direncin de artırılması gerekir.

Voltaj düşüşü, uzun mesafeli iletken kullanımı sonucunda artan iletken direnci sonucu iletken hattın kısmen veya tamamen yanması veya kopması durumlarında ortaya çıkan hat kaybıdır. İzin verilen maksimum voltaj düşüşü oranları şu şekildedir:

• Yapı bağlantı kutusu ile sayaçlar arasında %0,5
• Aydınlatma için sayaçla tüketim araçları arasında %1,5
• Kuvvet için sayaçla motorlar arasında %3
• Yapı kullanımlarında transformatör ile yapı bağlantı kutusu arasında %5

Maksimum voltaj düşüşü şu formül ile hesaplanır:

Voltaj düşümü = Hattın gerilimi x Yüzde gerilim düşümü / 100

Bilinen akım şiddetine göre voltaj düşümü ise şöyle hesaplanır:

Gerilim Düşümü (%e) = 200 x İletken Uzunluğu (m) x Akım Şiddeti (A) / İletkenlik Katsayısı x İletkenin Kesiti x Hat Çalışma Gerilimi

Bir elektrik devresinin elektrik yükü şu formülle bulunur:

Watt = Amper x Volt

Örneğin, bir elektronik alete elektrik ileten devrenin direnci 0,2 Amper, gerilimi ise 300 Volt ise, bu elektrikli alete iletilen toplam elektrik yükü 60 Watt’tır.

Serbest elektrik yüklerinin pozitif uçtan negatif uca akmasına elektrik akımı, her iki uç arasındaki potansiyel elektrik yükü farkına da voltaj denir. Basit yapılı bir devrede voltaj yükü şu şekilde hesaplanır:

Akım Şiddeti (I) = Gerilim (V) / Direnç (R)

Bir elektrik devresinde Watt ve Volt hesaplaması şu şekilde yapılır:

Güç (Watt) = Amper (A) x Volt (V)

Akış şiddetinin 2 Amper olduğu bir elektrik devresinde 220 Volt 440 Watt yapar.

Tam yük akımı çekildiğinde terminal voltajına tam voltaj yükü (VFL) denir.

Voltaj regülasyonu, voltaj değerinin, elektrik tüketen sistemin zarar görmeyeceği şekilde düzenlenmesidir. Voltaj regülasyonu, voltaj düşürücü dönüştürücüler aracılığıyla yapılır. Voltaj düşürücü dönüştürücülerin ortalama verimliliği %90’ın üzerindedir; bu oran yüksek voltajlı sistemlerde %98’e kadar ulaşır.

Bir elektrik devresinde, devre topraklamasından daha düşük olan herhangi bir noktaya negatif voltaj denir. Alternatif akım dalgaları gerektiren alanlarda kullanılır. Negatif voltaj şu örnekteki gibi bağlanır:

9V iki pilin birinin pozitif kutbu, diğerinin negatif kutbu açıkta kalacak şekilde, kalan pozitif ve negatif kutuplar birbirine bağlanır. Bu sayede bir pilden +9 V, diğer pilden ise -9 V gerilim elde edilmiş olur.

Voltaj istikrarsızlığı bir elektrik devresi üzerindeki voltaj değerinin düzensiz olmasıdır. Voltaj istikrarsızlığına sebep olan ana faktör güç sisteminin istenilen gerilimi sağlayabilmek için gereken reaktif güç talebini karşılayamamasıdır.

Alternatif akım, elektriğin ritmik değişken bir genlikle iletilmesini sağlayan elektrik akımı türüdür. Alternatif akımda negatif voltaj, alternatif akımdaki genlik değişimlerine uyumlu olarak voltaj değerinin ve yönünün değişmesidir.

Voltaj kararlılık sınırı güç sisteminin standart koşullarda ve bir kesinti sonrasında devrenin her bir iletim yolunda sabit toleranslı voltajın sürdürülmesidir.

Voltaj kararlılık analizi, beklenmeyen voltaj düşüşleri durumunda elektrik şebekesinin yeterliliğinin, gelecekteki yük büyümesi de göz önünde bulundurularak değerlendirilmesidir.

Voltaj kararlılık indeksi (VSI) mevcut çalışma noktası ile voltaj çökme noktası arasındaki mesafeyi belirlemek için veri yolu gerilimi ve akım büyüklükleri gibi sistem değişkenlerine göre çalışan bir indekstir.

Güç sistemlerindeki voltaj istikrarsızlığı voltaj kararlılık indeksi içerisindeki akım büyüklüğü, voltaj çökme noktası gibi farklı parametrelere göre değerlendirilir.

Negatif voltajın insanlar için tehlikeli olabilmesi için, kişinin bir elektrik devresi oluşturabilecek şekilde iki terminal arasında iletken bir şekilde konumlandırılması gerekir. Yani, bir başka iletkenden veya topraktan tamamen yalıtılmış olduğunda negatif voltaj tehlikeli değildir.

Toprak, bir voltaj ölçüm referans noktasıdır. Negatif terminalin potansiyeli toprak ile aynıdır. Bu yüzden negatif voltaj ile toprak birlikte ifade edilir.

Bir elektrik devresinde gerilim, akım şiddeti ile direncin çarpımına eşittir. Direncin 1 Ohm olduğu bir devrede 1 Amper akım şiddeti, 1 Volt gerilim sağlar.

Akım şiddetinin 1 Amper olduğu bir devrede Volt ile Watt değerleri eşittir. Amper değeri arttıkça Volt düşer. Buna göre örneğin;

1 Watt = 2 A x 0,5 V olur.

Akım şiddetinin 1 Amper olduğu bir devrede Volt ile Watt değerleri eşittir. Amper değeri azaldıkça Volt değeri yükselir. Örneğin:

100 Watt = 0,1 A x 1000 V

500 Watt’lık güçte, akım şiddeti 1 Amper olduğunda gerilim de 500 V olur.

Pillerin Volt değerleri güçlerini (Watt) değil, pilin kutupları arasındaki potansiyel farkını ifade eder. Örneğin, 12 V 105 AH bir pil 1260 WattSaat güç sağlar.

12 V bir U1 pil 34 ila 40 Amper’dir.

12 Volt bir pil için 6 Volt ve altı kullanım düşük voltajdır. 12 Volt bir pil kullanılırken potansiyelin %50’sinin altına inilmemelidir; %70 üzeri potansiyel kullanımı idealdir.

Doğada serbest halde bulunan elektrik yüklerinin kontrol altına alınması ve hareket edecekleri yönün ve hareket şeklinin belirlenerek elektriğin kullanışlı bir enerji haline getirilmesini amaçlayan elektrik bilimi için gerilim ve akım iki ana elemandır. Elektrik yüklerinin hareket edebilmesi için iki terminal arasında yük farklı yani voltaj olmalıdır ve bu elektronik aletlerin temel çalışma gereksinimidir.

“Voltaj, elektrik enerjisinin üretildiği yerden tüketileceği noktaya kadar ulaştırılmasını sağlayan en önemli faktörlerin başında geliyor. Thomas Edison ile Nikola Tesla’nın da rekabetinin en önemli unsuru olan voltaj, elektrik biliminin en önemli prensiplerinden biridir. Kısaca söylemek gerekirse voltaj ne kadar yüksek olursa elektrik bir o kadar tehlikelidir ama aynı oranda da daha yüksek mesafeleri kat etme fırsatı bulunur. Elektrik bilimi tarih boyunca üzerine eklenerek büyüyen bir bilim ve bu yüzden de her bir elektrik birimi, o birimin bulunmasında en önemli katkıyı sağlayan bilim adamının adıyla anılır. Bu vesile ile pili bulan ve voltaj kavramını hayatımıza sokan Alessandro Volta başta olmak üzere elektrik biliminin gelişmesinde katkıda bulunan tüm bilim insanlarını rahmetle anıyorum.”