Elektromanyetik birimler

Fiziğin bütün dallarında çeşitli nicelikler (büyüklükler, quantity) kullanılır. Bu niceliklerden bir bölümü günlük hayatta rahatlıkla algılanan kavramlardır; sürat, ağırlık, sıcaklık vb. Buna karşılık elektromanyetikte kullanılan nicelikler günlük hayatta duygularla algılanamayan ama ölçü aletleriyle ölçülebilen kavramlardır.

Birçok niceliğin özel birimi vardır. Kimi niceliklerde ise diğer niceliklerin birimleri kullanılırlar. Mesela uzunluk için metre birimi kullanılırken, sürat için özel bir birim kullanılmaz; bunun yerine uzunluk ve zaman birimlerinden oluşan metre/saniye birimi kullanılır.

Fizikte problem çözmek için, birimlerin birbirleriyle tutarlı olması zorunludur. Şayet birimler birbiriyle tutarsızsa, yapılacak şey, öncelikle birimleri birbiriyle tutarlı hale getirmektir. Birimlerin birbiriyle tutarlı olması yani standart ölçü birimlerinin saptanması başlı başına bir bilim konusudur. Ayrıca, bu yolla uluslararası bilimsel ve ticari ilişkilerde yeknesaklık ta sağlanabilmektedir.

Ölçü standartlarını oluşturmak için ilk uluslararası sözleşme 1875'te imzalandı. Konu ile ilgili olarak, bir komite kuruldu. Etalonları muhafaza eden, gerektiğinde birimlerde veya etalonlarda değişiklik önerisi hazırlayan, ihtiyaca bağlı olarak yeni nicelikleri tanımlayan bu uluslararası bilim komitesinin adı Ağırlıklar ve Ölçüler komitesi (Comité international des poids et mesures (CIPM)) dir. Merkezi ise Fransa'daki Sevres kentidir. Komite önerileri dört yılda bir defa toplanan uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler konferansında ( Conférence générale des poids et mesures (CGPM)) tartışılarak, uygun görülürse, hayata geçirilir.

Günümüzde standart ölçü sistemi MKS sistemidir. (metre kilogram saniye). Bu sisteme kimi kitaplarda (ampere birimi de eklenerek) MKSA şeklinde de rastlanır.

Eski kitaplarda rastlanan bir başka ölçü sistemi ise CGS sistemidir. (santimetre, gram. saniye) CGS sisteminin kendi içimde esu ve emu adlarıyla bilinen alt türleri vardır. ABD'de ise hala eski İngiliz ölçü sistemi kullanılır. (Ancak, ABD'de de bilim çevreleri MKS sistemi kullanmaktadır.)

MKS isteminde 7 temel nicelik tarif edilmiştir. Ayrıca bu niceliklerden üretilen 60 nicelik daha vardır. Temel niceliklerle bu niceliklerden türetilmiş 20 niceliğin kendilerine özgü birimleri vardır. Askat olarak desi (1/10), santi(1/100), mili(1/1000), üstkat olarak deka (10),hekto (100) ve kilo (1000) en iyi bilinen katlardır. (Katların bütün listesi için bakınız Uluslararası Birim Sistemi.) Bütün bunların dışında çembersel hareketler için radyan ve steradyan da birimler arasında yer alırlar. Komitenin onayından geçmiş olan birimler SI birim (Le Système International d'Unités ) olarak bilinir.

7 temel nicelikten üç tanesi mekanikle ilgilidir: Uzunluk, kütle ve zaman. Isı fiziğinde (termik) sıcaklık, optikte ışık şiddeti, elektromanyetikte akım şiddeti ve kimyada da madde miktarı diğer temel nicelikler arasında yer alır. MKS sisteminde bu sayılanların birimleri sırasıyla, metre, kilogram, saniye, Kelvin, candela (kandela), ampere ve mol'dur. (Kütle birimi olarak gramın değil, kilogramın esas alındığına dikkat edilmelidir.)

Elektromanyetik için temel birim elektrik yük olmalıdır. Ancak uygulamada elektrik yükleri bir araya getirip, deneyler yapmak ve sağlıklı ölçülerle etalon saptamak çok zordur. Buna karşılık bir iletkenden birim zamanda geçen yükü ölçmek çok daha kolaydır. Bu sebepten elektromanyetik için temel birim elektrik yükü değil, elektrik akımıdır. Yük ve akım arasında şu ilişki vardır.

${\displaystyle q=I\cdot t}$ 

ya da daha genel olarak

${\displaystyle q=\int _{t_{o}}^{t_{f}}I\,\mathrm {d} t}$ 

Burada q elektrik yükü, t zaman ve I da elektrik akımıdır. Yük birimi coulomb (C), akım birimi ampere (A) ve zaman biri de saniyedir (s).

Elektrikte kullanılan bir başka önemli nicelik gerilimdir. Gerilim gücün bu gücü veren akıma olan oranı (ya da yapılan işin bu enerjiyi sağlayan elektrik yüküne olan oranı) olarak tanımlanabilir.

${\displaystyle V={\frac {P}{I}}={\frac {U}{q}}}$ 

Burada V ile gerilim, P ile güç, U ile iş gösterilmiştir. Gerilim birimi volt (V), güç birimi watt (W) ve iş (enerji) birimi de joule (J) dur.

Dikkat edilirse, gerilim tanımında güç ya da enerjinin de rolü vardır. Başta mekanik nicelikler olarak tanımlanan güç, enerji ve kuvvet James Prescott Joule'un ısı üzerinde yaptığı çalışmalardan sonra fiziğin bütün dallarında kullanılmağa başlanmıştır. (Aşağıda bu konuda bir örnek verilmiştir.)

 

Elektromanyetikte kullanılan diğer bütün nicelikler de temel birimler cinsinden verilebilir.

Bu nicelikler Tablo 1'de gösterilmiştir. Tablonun birinci bölmesi temel niceliklerden elektromanyetiği ilgilendiren dört tanesine ilişkindir. İkinci bölmede hem mekanik ve hem de elektromanyetikte kullanılan diğer birimler yer almıştır.Üçüncü bölme kendi özel birimi olan elektromanyetik niceliklere ilişkindir. Dördüncü bölmede özel birimi olmayan diğer elektromanyetik nicelikler yer almıştır. Bütün bu nicelikler SI birimidir. En alt bölmede ise SI birim olmayan, fakat SI birimlerle birlikte kullanılabilen iki oran birimi görülmektedir.

(İlk üç bölme ile son bölmedeki birimlere ait Wiki iç linkleri sayfa sonundaki şablonda gösterilmiştir.Bu şablondaki son birim olan desibel bell biriminin askatıdır.)

Tablonun sol iki sütunu niceliklerin isimleri ve denklemlerde kullanılan simgelere ilişkindir. Ancak niceliklerin simgeleri için bir standart olmadığından, burada en yaygın kullanımlar gösterilmiştir.

Üçüncü ve dördüncü sütunlar MKS sisteminde birimlere ve simgelerine ayrılmıştır. Birimler daima küçük harfle yazılır. Birim simgelerinin standardı saptanmıştır. Buna göre, simgeler küçük harfle yazılır. Ancak şayet birim adı insan isminden türetilmişse (Weber, Watt, Henry vb.) simgenin ilk harfi büyüktür (Wb). (Dilimizde genellikle birim simgelerinin yazılışında uluslararası kurallara uyulmakta, fakat birimler Türkçe okunuşlarına göre yazılmaktadır: Mesela ampere yerine amper, coulomb yerine kulon, bazen de henry yerine henri)

Beşinci sütunda birimleri tanımlayan eşdeğer birimler verilmiştir. Son sütun da böyledir. Yalnız son sütunda tanımlama sadece temel birimler cinsinden yapılmıştır. Temel birimler cinsinden yapılan tanımlamalara o niceliğin boyutu da denilebilir.

Mekanikte kullanılan watt biriminin elektromanyetikte de kullanılışı:

Yukarıdaki tabloda mekanikteki watt biriminin temel birim karşılığının kg • m²/ s³ olduğu görülmektedir. Oysa aynı birim elektrikte de kullanılır. Ancak, elektrikte kullanılan birimler ampere temel biriminden türetilmiştir. Yukarıdaki boyutlar incelenirse, watt biriminin nasıl olup da, elektrikte de kullanıldığı ortaya çıkar.

Elektrikte 1 watt iki ucu arasında 1 volt gerilim olan bir dirençten geçen 1 amperlik akımın sağladığı güçtür. Şu halde watt biriminin elektrik birimi olarak karşılığı amper x volt olarak verilebilir. Ampere temel birimdir. Volt karşılığı ise ise tabloda kg • m² / (A • s³) olarak verilmektedir. Bu iki birimin çarpılması halinde

${\displaystyle 1W=1A\cdot 1V=1A\cdot kg\cdot {\frac {m^{2}}{A\cdot s^{3}}}=1{\mbox{ }}kg\cdot {\frac {m^{2}}{s^{3}}}}$ 

Bu da mekanikteki güç biriminden başka bir şey değildir.

 

Fizikte (özellikle elektromanyetikte) birim olarak, genellikle bilim adamlarının isimleri kullanılır. Böylelikle, uygarlığa katkıda bulunanlar onurlandırılmış olur. Tablo 1 de belirtilen birimlere isim veren bilim adamlarının isimleri Tablo 2 de gösterilmiştir. (CGS sisteminde ve fiziğin diğer dallarında kullanılan birimler gösterilmemiştir.) İlk sütunda nicelik, ikinci sütunda bu niceliğin birimine isim veren bilim insanı ve son sütunda da bu bilim insanının doğum ve ölüm yılları vardır. Tablo bilim insanlarının doğum yılına göre düzenlenmiştir. Tablonun incelenmesi elektromanyetiği insanlık hizmetine sunan bilim insanlarının genellikle 18. yüzyılın ikinci yarısı ile 19. yüzyılda hizmet ettiklerini göstermektedir.

Görüldüğü gibi, birimlere isim veren bilim adamlarının, Joseph Henry hariç, hepsi Avrupalıdır. Nicola Tesla ise Hırvatistan doğumlu bir Sırp olup, sonradan ABD'ye yerleşmiştir. (MKS sisteminde isimleri birimlerde kullanılan bilim adamlarına ilişkin Wiki içi linkleri sayfa sonu şablonda görülmektedir. Bell biriminde Alexander Graham Bell'in (1847-1922), neper biriminde ise John Napier'in (1550-1617) adı kullanılmaktadır.)

• Uluslararası Birim Sistemi
• MKS
• Elektromanyetik