Fizik II

Elektrik yükü, yük korunumu, iletken–yalıtkan ayrımı, Coulomb yasası ve nokta yükler arasındaki elektrostatik kuvvet etkileşimleri ele alınır. Nokta yük sistemlerinde kuvvetin yönü ve büyüklüğü, vektörel bileşenlere ayırma, süperpozisyon ilkesi ve bir yük üzerine etkiyen net kuvvetin hesaplanması çalışılır. Ayrıca elektrik alan kavramına giriş yapılarak nokta yüklerin alan çizgilerinin fiziksel yorumu üzerinde durulur.

Nokta yüklerin uzaydaki bir noktada oluşturduğu elektrik alan ve sürekli yük dağılımlarının elektrik alan katkıları incelenir. Elektrik alan vektörü, alan çizgileri, süperpozisyon ilkesi, çizgisel/yüzeysel/hacimsel yük dağılımları ve simetri kullanımı problem çözümüyle birlikte çalışılır. Bu bölümde öğrencinin, sürekli yük dağılımını diferansiyel yük elemanlarına ayırarak her bir elemanın alan katkısını integral yoluyla toplaması ve toplam elektrik alanı vektörel olarak yorumlaması hedeflenir.

Elektrik akısı, kapalı yüzey kavramı yani Gauss yüzeyi ve Gauss yasasının fiziksel anlamı açıklanır. Küresel, silindirik ve düzlemsel simetriye sahip yük dağılımlarında uygun Gauss yüzeyinin seçimi ve elektrik alan hesabı üzerinde durulur. Ayrıca iletken ve yalıtkan cisimlerde, cismin iç ve dış bölgelerinde elektrik alanın Gauss yasası ile nasıl belirlendiği incelenir; bu çerçevede Faraday kafesi kavramına da değinilir.

Elektrik potansiyeli, potansiyel fark, elektriksel potansiyel enerji ve alan–potansiyel ilişkisi ele alınır. Nokta yükler ve yük dağılımları için potansiyel hesabı, eşpotansiyel yüzeyler ve elektrik alanın verilen elektrik potansiyeli denkleminden elde edilmesi çalışılır.

Kapasitans kavramı, paralel levhalı kapasitörler ve kapasitans değerinin levha alanı, levhalar arası mesafe ve dielektrik malzemenin elektriksel geçirgenliği ile nasıl değiştiği incelenir. Seri–paralel kapasitör bağlantıları, eşdeğer kapasitans hesabı ve kapasitörlerde depolanan elektriksel enerji problem çözümüyle ele alınır. Ayrıca dielektrik malzemelerin elektrik alan, potansiyel fark, kapasitans ve enerji depolama üzerindeki etkisi fiziksel olarak yorumlanır.

Elektrik akımı, akım yoğunluğu, direnç, özdirenç, Ohm yasası ve elektriksel güç kavramları çalışılır. Basit devrelerde akım–gerilim ilişkisi, enerji dönüşümü ve dirençlerin seri–paralel bağlanması üzerinde durulur.

Kirchhoff akım ve gerilim yasaları kullanılarak çok döngülü doğru akım devreleri analiz edilir. Düğüm ve çevre denklemleri kurma, işaret seçimi, batarya–direnç sistemleri ve devre çözüm stratejileri sistematik biçimde çalışılır.

Doğru akım kaynağıyla beslenen RC devrelerinde şarj ve deşarj süreçlerini yöneten matematiksel model türetilir ve fiziksel olarak yorumlanır. Zaman sabiti, kapasitör gerilimi, direnç üzerindeki gerilim ve akımın zamana bağlı değişimi üstel davranış çerçevesinde ele alınır. Problem çözümleriyle kapasitörün dolma/boşalma süreci, devredeki akımın zamanın fonksiyonu olarak hesaplanması ve başlangıç–son durum davranışları incelenir.

Manyetik alan kavramı ve çizgileri, hareketli yüklere etkiyen manyetik kuvvet ve Lorentz kuvvetinin fiziksel anlamı ele alınır. Sağ el kuralı, kuvvetin yönü, yüklü parçacıkların düzgün manyetik alandaki dairesel ve helisel hareketi problem çözümüyle incelenir. Ayrıca akım taşıyan iletkenlere etkiyen manyetik kuvvet ve manyetik tork kavramlarına giriş yapılır.

Akım taşıyan iletkenlerin oluşturduğu manyetik alan, Biot–Savart yasası ve Ampere yasası kullanılarak hesaplanır. Biot–Savart yasasının fiziksel temeli, diferansiyel akım elemanının manyetik alan katkısı ve bu katkıların integral yoluyla toplanması ele alınır. Düz tel, halka, solenoid, toroid ve simetrik akım dağılımlarında manyetik alanın yönü, büyüklüğü ve fiziksel yorumu incelenir; uygun durumlarda Ampere yasasıyla daha pratik çözüm yolları gösterilir.

Manyetik akı, Faraday indüksiyon yasası ve Lenz yasası kullanılarak indüksiyon akımının yönü açıklanır. Değişen manyetik alanların, hareketli iletkenlerin ve dönen iletken halka/bobin sistemlerinin nasıl akım üretebildiği problem çözümüyle incelenir. Bu kapsamda elektrik jenaratörü gibi elektromekanik sistemlerin temel fiziksel prensiplerine giriş yapılır; enerji korunumu yaklaşımıyla indüksiyon olayının fiziksel yorumu ele alınır.

Self-inductance ve mutual inductance kavramları Faraday yasası ile ilişkilendirilerek ele alınır. İndüktörün akım değişimine karşı gösterdiği davranış, manyetik alanda enerji depolama ve iki devre arasındaki karşılıklı indüksiyonun fiziksel anlamı incelenir. Doğru akım kaynağıyla beslenen RL, LC ve RLC devrelerinde geçici rejim davranışı; diferansiyel denklem kurulumu, başlangıç koşulları, zaman sabiti, doğal frekans, sönüm etkisi ve akım/gerilimlerin zamana bağlı değişimi üzerinden problem çözümüyle çalışılır.

AC devrelerde fazör yaklaşımı, empedans, reaktans, RMS değerleri ve güç kavramları çalışılır. R, L, C elemanlarının alternatif akım altındaki davranışı, seri RLC devreleri, rezonans ve faz farkı yorumları ele alınır.

Maxwell denklemlerinin temel fiziksel anlamı, yer değiştirme akımı ve elektromanyetik dalga oluşumu incelenir. Elektrik alan, manyetik alan ve yayılım yönünün birbirine dikliği; alanların genlik ilişkisi ve sağ el kuralı üzerinden yön tayini ele alınır. Elektromanyetik dalganın hızı, enerji taşınımı, Poynting vektörü ve dalga şiddeti/intensity ifadeleri türetilerek problem çözümü ve fiziksel yorumla birlikte çalışılır.