Her ne kadar akımın yönü artı yüklerin hareket yönü olarak tanımlanmışsa da, çoğu malzemede akım, genelde eksi yüklü elektronlar tarafından taşınır ve yerkabuğu serbestçe dolaşma özgürlüğüne sahip değerlik elektronları açısından, su örneğindeki gölden bile ziyade, engin bir okyanus gibidir. Basıncın benzeri, gerilimdir ve topraktaki elektronların gerilim düzeyi, göl yüzeyindeki suyun basıncına benzer şekilde, başvuru düzeyi kabul edilip, sıfır alınabilir. Bu elektronların sayısı sınırsız sayılabilecek çoklukta olduğundan, insan yapımı akımların toprağa ilave edebileceği ya da topraktan çekebileceği yük miktarı, devede kulaktır ve yerkabuğunun ‘sıfır başvuru gerilim’ değerini, hemen hemen hiç değiştirmezler.
Bir DC üreteci (‘jeneratör’), çıkışında kapalı bir musluk bulunan hidrofora benzer. (Bknz. Jeneratör.) Nasıl ki böyle bir hidrofor, çıkışıyla göl yüzeyi arasında sabit bir Ap basınç farkı sağlıyorsa: DC üreteci de, topraktan çektiği sıfır gerilimli elektronları, gücünün yettiği kadar yüksek bir gerilime çıkartır. Üreteç bunu, bir bobini, örneğin sabit bir mıknatısın manyetik alanı içerisinde döndürererek ve bobinin içinden geçen manyetik akı miktarını sürekli değiştirerek yapmaktadır. Çünkü Faraday yasası gereği, içinden geçen manyetik akı miktarı zamanla değişen N sarımlı bir bobinin uçları arasında, ‘elektromotor kuvveti’ de denen bir gerilim oluşur. Gerilimin zaman üzerinden homojenliği, mıknatısın dönme hızına, büyüklüğüyse sağladığı manyetik alanın şiddetine, bobindeki sarımların sayısıyla geometrisine bağlıdır. Gerçi bobin dönerken, sarımları mıknatısın kah kuzey kah da güney kutbuyla bakıyor olduğundan, bobinin içinden geçen manyetik akı «Qt»: hem yönünü değiştirip durmakta hem de artıp azalmaktadır.
Bu durum aslında, bobinde yönü periyodik olarak değişen bir AC gerilim oluşturur. Bu yüzden. AC gerilim oluşturmak görece kolaydır. Fakat, bobinin uçlarına ‘fırçalar aracılığıyla ve gerilimin periyoduna uygun bir sıklıkla, kah bir kah da diğer yönde bağlanacak olursak: bağlandığımız uçların arasından hep aynı yönde bir gerilim (DC) alırız. Tasarımdaki mıknatısı döndürmenin çeşitli yöntemleri var. Mıknatıs, örneğin bir hidroelektrik santralde olduğu gibi, yüksekten düşürülen suyun kanatlarına çarpmasıyla dönen bir türbinin eksenine sabitlenmiş olup onunla birlikte dönmeye zorlanabilir ya da buhar gücüyle döndürülebilir. Gerekli buhar, gereken basınçta: termik santralarda olduğu olduğu gibi doğal gaz ya da kömür yakılarak elde edilebilir ya da bu amaçla, kalbinde uranyum çekirdeklerinin parçalandığı bir nükleer santral kullanılabilir. Ya da düşük güç gereksinimleri için, bir akü ya da pil düzeneğinin, iç yapısında depolanmış olan kimyasal enerjiyi dönüştürerek sağladığı DC güçten yararlanılabilir.
Ancak, gerilim tek başına doğru akım demek değildir ve bobin artı fırça’nın uçları bu durumda; girişinde tek yönlü bir vana, çıkışında da kapalı bir musluk bulunan hidrofor gibidir. Musluğa bir hortum bağlayıp, serbest ucunu göle uzatalım. Musluğu açtığımızda, hidrofor çalışmaya ve gölden çektiği suyu, yine göle geri pompalamaya başlar. ‘Boşuna’ çalışmakta, göl suyunu ısıtmaktadır. Musluğu kapatıp, hidroforu durduralım ve hidrofora yararlı bir iş yaptırmak için, hortumun içinde bir yere, bir uskur yerleştirdiğimizi varsayalım. Uskurun dönme ekseni, hortumun çapı boyunca yerleştirilmiş ve uçları dışarıya, sızdırmaz birer conta aracılığıyla çıkarılmış olsun. Uçların dıştaki uzantılarına birer pervane takalım. Musluğu açıp hidroforu çalıştırdığımızda içteki uskur dönecek ve dıştaki pervaneleri de beraberinde döndürecektir. Pervanelerin havaya aktardığı kinetik enerji, hava moleküllerini ısıtır. Birim zamanda aktarılan ısı kadar enerji, hidroforun gücü tarafından sağlanmaktadır. Çünkü ısı aktarım süreci, uskur sonrasındaki hortum kesitinde basınç düşmesine yol açmakta ve hidrofor düşen basma yükseltmek için sürekli çalışmak zorunda kalmaktadır. Çerçi yüzümüzü yaklaştırdığımızda, havanın konveksiyonuyla buharlaşan ter cildimize ferahlık verir. Fakat toplam sonuç, bu düzenekle birlikte içinde bulunduğumuz odanın havasının giderek ısınıyor olmasıdır. “Odada göl ne arıyor” derseniz eğer: gölün işlevi su dolu bir kovayla da başarılabilir ve hidrofor, kovadan çektiği suyu, kovaya geri veriyor olur. Oldu mu size ‘içi su dolu kovalı vantilatörlü bir ısıtıcı’? Olmadı mı beğenmediniz mi: O halde, uskurlu pervaneleri kaldırıp, hortumun içine kum dolduralım.
Kum taneleri, hortumun kesitini daraltmıştır. Bu daralmış kesitten ilerleyen suyun basıncı kum tanelerinin yüzeyinde gerçekleşen sürtünme kayıpları nedeniyle düşecek ve düşen basınç, çalışmak zorunda kalan hidroforun gücüyle yükseltilecektir. Hidroforun harcadığı güç kum tanelerinin üzerinde ısıya dönüşür. Isınan taneler hortumu, hortum da odayı ısıtır. Oldu mu size ‘içi kum dolu hortumlu bir ısıtıcı’?… Aslında hortumun içine kum doldurmak yerine bir kısmının kesitini yeterince daraltmak da yeterlidir. Çünkü bir tesisatta dolaşan suyun sürtünmeden dolayı uğradığı basınç kaybı; borunun kesit alanıyla ters, uzunluğuyla ve suyun ortalama akış hızıyla da doğru orantılıdır. (Hagen Poiseuille denklemi) Gerçi her çaptaki boruda sürtünmeden dolayı bir miktar basınç kaybı vardır. Fakat yarıçapın daraldığı kısımlarda, kesit alanıyla hızın çarpımına eşit olan hacimsel akış hızı hat boyunca korunmak zorunda olduğundan, suyun hızı ve bununla birlikte kayıplar artar. Özellikle hortum kesitinin daraldığı bölgede ciddileşen kayıpları hidrofor telafi etmek zorundadır. Sonuç olarak su. kovadan alınıp kovaya geri boşaltılmakta ve hidroforun bunun için harcadığı enerji, ısıya dönüşüp, hortumun çeperinden dışarıya atılarak, odayı ısıtmaktadır.
Hatta, düzenek bir kez suyla dolduktan sonra, hortumun serbest ucu hidroforun girişine bağlanıp, kova da devre dışı bırakılabilir. Bu durumda su, ‘hidrofor+hortum’dan oluşan kapalı devrenin içinde dolaşmaktadır. Olmadı mı, beğenmediniz mi? Haklısınız, pek alışıldık değil. Verimli ya da kullanışlı bir düzenek de değil… O halde biz. V gerilimini sağlayabilen DC üretecine dönüp, bobinin uçları arasına, içi kum dolu hortum yerine, bu sefer elektronların hareketine karşı koyan atomlarla dolu kötü bir iletkenden oluşan bir ‘direnç’ bağlayalım.
Üretecin uçları arasındaki direnç, hidrofor çıkışındaki hortumun, kesiti daraltılmış olan kısmı gibi davranır. Kendisi de zaten, içi atomlarla dolu bir silindir şeklinde olup, kum taneleriyle dolu hortuma benzer. Direnci: kesit alanıyla doğru, uzunluğuyla ters orantılı olup, yapıldığı malzemenin özgül direnci p cinsinden R=pA/L kadardır. Üreteç çalıştırılıp devre kapandığında, direncin üzerinden geçen doğru akım, çok kısa zamanda: sıfırdan başlayarak. I=V/R değerine kadar artar. Akımın artarken, direncin kesiti sabit olduğuna göre, elektronların ‘sürüklenme hızı’ artmakta, bu da atomlarla çarpışmaların sıklaşması sonucunda daha fazla ısının açığa çıkması anlamına gelmektedir. Geçiş süresi sonunda direnç, güç tüketmeye ve bu gücün tümünü ısıya dönüştürmeye başlamıştır.
Üretecimizi biraz da akıllı duruma getirelim. Şöyle ki bobinin uçları arasından çekilen doğru akımı ölçerek. P=V.l gücünü hesaplayıp, dönme hızını buna göre ayarlasın ve aşırı güç üretip de direnci yakmasın. Ya da yukarıda gösterildiği gibi: üreteç olarak, sabit gerilim sağlayan bir akü kullanalım. Oldu mu size bir ‘DC ısıtıcı’? Dikkat edilecek olursa burada doğru akım, üretecin iki ucu arasına bağlı bulunan dirençten oluşan kapalı bir devrenin içerisinde dolaşmakta ve devre elemanlarının yapısındaki elektronlar hidrofor örneğindeki kovayı dolduran suyun eşdeğerini oluşturmaktadır.
Çünkü, ufak bir iletken parçasında dahi, serbestçe dolaşabilen çok sayıda ‘değerlik’ (‘valens’) elektronu, yani “akım taşıyıcı bir yük gölü” vardır. Ancak, elektronların iletken içerisindeki hareketi, hortumun içindeki suyunki kadar kıvrak değildir. Çünkü, elektronlar gerilimin dürtüsüyle hız kazanmakta, fakat sık sık atomlarla çarpışıp durduktan sonra tekrar harekete geçmektedirler. Ortalama sürüklenme (*drift‘) hızı, saniyede birkaç mikrometre kadar düşük, örneğin. 0.1 amper akım taşıyan 1 mm çapındaki bir bakır telde 9,6×10*-6 kadardır. Dolayısıyla, iletken bir tel içindeki doğru akımının ilerleyişini, bir hortumun içindeki suyun akışından ziyade, dibi sıkılan bir tüpün içerisinde saatte birkaç santimetre hızla ilerleyen, yoğun ağdalı bir macunun hareketi gibi düşünmek gerekir. Doğru akım şiddeti telin her yerinde aynı olmak zorunda olduğundan, kesitin daraldığı yerlerde, elektronların sürüklenme hızı artar. Bu da keza, atomlarla çarpışmaların sıklaşması sonucunda daha fazla ısının açığa çıkması anlamına gelir. Gerilim yol boyunca, bu çarpışmaların sıklığıyla orantılı bir şekilde düşmektedir.
Isıtılacak hacim üreteçten uzaksa, üretecin uçları birer iletken kablo ilavesiyle istenilen yere kadar uzatılabilir. Akım taşıyıcı yüklerin ortalama ‘sürüklenme hızı’ düşük olmakla beraber, birbirlerine etki ettirdikleri elektromanyetik itme ve çekme kuvvetlerinin seyahat hızı ışık hızına yakındır. Bu: üreteç çalışmaya başlayıp da devrenin kapanmasıyla birlikte bobinin ucundan harekete geçen elektronların bizzat dirence ulaşmalarına kadar hayli uzun bir zaman geçmesini gerektirirken direnç üzerinden geçen akımın hemen anında oluşabileceği anlamına gelir. Bu durum: uzun bir hortumu musluğa bağlayıp musluğu açtıktan sonra, suyun serbest kalan uçtan: hortumun içi başlangıçta boştuysa eğer, uzunca bir süre sonra, oysa başlangıç ta zaten su dolu idiyse, anında çıkma sına benzetilebilir. Ya da içi dolu bir tüpün dibi sıkıldığında, macunun anın da ağzından çıkışına… Çünkü hortumdaki su ya da tüpteki macun moleküllerinin hareket hızı sınırlı, fakat birbirlerine uyguladıkları itme kuvvetlerinin hızı: ki bunlar da zaten elektromanyetik kuvvetlerdir: ışık hızına yakındır.
Bu nedenledir ki üreteç Keban’da bile olsa, şalter indirildiğinde Ankara’daki ampulün direnci, hemen hemen anın da ısınıp parlamaya başlar. Ya da, içi dolu tüpün sıkılan dibi Keban’da bile olsa, ucu Ankara’da ise, benzer şekilde… Öte yandan, üreteç bu durumda, devre malzemesinin yapısındaki elektronları, kapalı bir devre içerisinde döndürüp durmaktadır. Oysa aslında, bobinin uçlarından direncin uçlarına iki ayrı hat çekmeye gerek dahi yoktur. Bobinin düşük gerilim ucu toprağa verilip, yüksek gerilim ucu direncin bir ucuna bağlandıktan sonra, direncin çıkışı da keza toprağa verilebilir. Üreteç bu durumda, yerkabuğunun bir tarafından çektiği elektronları, uzunluğu diyelim L olan tek bir iletken hat üzerinden pompalayıp, direncin üzerinden geçirdikten sonra, yerkabuğunun bir başka tarafında toprağa geri vermektedir. Hangi kuvvettir onları hareket ettiren?…
Hatta uygulanan V gerilimi nedeniyle hat boyunca iletken içerisinde, ortalama E=V/L şiddetinde bir elektrik alanı oluşur ve bu alan, hat üzerindeki herhangi bir elektrona F=q.E.e.V/L büyüklüğünde bir kuvvet uygular. Yani: hat ne kadar uzunsa, alan ve kuvvet o kadar zayıf, ne kadar kısaysa o kadar güçlüdür. Ancak, dikkat edilecek olursa; bu kuvvetin, hattı boydan boya kateden bir elektron üzerinde yaptığı iş, ‘kuvvet çarpı yol’, W=F.L=e.V kadar olup, hattın uzunluğundan bağımsızdır. Yani, hattı kateden her elektron, üretecin sağladığı V gerilimine karşılık gelen elektrik potansiyel enerjisi kadar enerji kazanır. Tıpkı, yüksekliği belli bir yamacın zirvesinden aşağı akan bir su zerresinin, yamacın eğimi ya da yüzeyinden aşağıya katedilen yolun uzunluğu ne olursa olsun, sabit bir yükseklik farkından düştüğü için aynı miktarda enerji kazanmasında olduğu gibi. Elektronlar; yol boyunca kazanıp kazanıp kaybettikleri enerjinin küçük bir kısmını, az da olsa bir dirence sahip olan iletken hattın, fakat en büyük kısmını ısıtıcı direncin üzerinde kaybettikten sonra toprağa inerler. Buna paralel olarak, V geriliminin küçük bir kısmı iletken hat üzerinde peyderpey azalır; fakat en büyük kısmı ısıtıcı direncin uçları arasındadır. Hattın boyu uzar da üzerindeki gerilim kaybı kayda değer düzeylere ulaşırsa eğer; bu gerilimi ısıtıcı dirence vermeden önce, bir ‘gerilim denetleyicisi’ (‘voltaj regülatörü’) aracılığıyla, aygıtın talep ettiği düzeye yükseltmek gerekebilir. Hatırlatmak gerekirse, yerkabuğu bir ‘yükler okyanusu’dur ve ısıtıcı direncin üzerinden aktıktan sonra toprağa iade edilen elektronların ‘ziyan’ edilmeleri sözkonusu değildir. Hem de direncin üzerinde oluşan V gerilimini tırmandıktan sonra, bu elektronların kinetik enerji kazanmak ve çarpışmalarla etrafı ısıtmak imkanı kalmamıştır zaten. Gerçi hat boyunca tel kesiti sabitse eğer, hep aynı ortalama hızla seyahat eder ve toprağa, hatta girdikleri hızla inerler. Fakat kullanım açısından önemli olan, onların herhangi bir an için sahip oldukları kinetik enerji değil, atomlarla çarpışarak açığa çıkartabilecekleri ısı miktarıdır. Şurası önemli: Hattın sonuna vardıklarında hala sahip oldukları kinetik enerji yolda açığa çıkarmak zorunda kalmış oldukları ısıya oranla, gözardı edilebilecek kadar küçüktür. Bu açıdan; kesiti sabit bir dere yatağında akarken şelaleden düştükten ve bu sırada kazandıkları kinetik enerjiyi birbirlerini ısıtmaya harcadıktan sonra ilk hızlarına dönen su moleküllerine benzerler.
Dolayısıyla, atılmalarında bir sakınca yoktur ve bobinin toprağa bağlandığı noktada, hemen hemen benzerleri çoktur. Üreteç bir bakıma, hemen altındaki bir yerden emdiği elektronları, aradaki hat üzerinden dirence doğru üflemekte, dirençten geçerken ısı üreten elektronlar, direncin diğer ucundan toprağa girmektedir. Tabii; hattın kendisinin, dirençten farklı olarak, elektron akışına karşı direncinin küçük olması gerekir ki o fazlaca ısınıp da erimesin. Son olarak, “ya üretecin yüksek gerilim ucunu toprağa verip, düşük gerilim ucunu dirence uzattıysak” derseniz; o da olur. Yalnızca, elektron akışının yönü tersine döner. Başka da birşey değişmez. Üreteç bu sefer, iletken hatta elektron üflemek yerine hattan elektron emmekte, direncin toprak bağlantısından yukarı çıkan elektronlar, dirençten geçerken enerjilerini kaybettikten sonra, hat üzerinden üretece ulaşıp, onun altındaki toprağa girmektedir. Tıpkı yukarıda gösterildiği gibi. Tıpkı, içi kum dolu hortumun içinden geçen suyun hangi yönde geçtiğinin sonucu değiştirmemesinde olduğu gibi… Bu da güzel, değil mi?