Birim zamanda geçen yük
Sinir sistemin de, odandaki kablo da aynı şeyi yapıyor: yüklü parçacıkları belirli bir yönde hareket ettirmek. Bu sayfada elektrik akımının tanımını, I = q / t bağıntısını, akımın yönü ile elektronların yönünün neden zıt olduğunu ve akımın katılarda, sıvılarda ve gazlarda nasıl oluştuğunu göreceksin.
Elektrik akımı, yüklü parçacıkların hareketi sonucunda oluşur.
Elektrik yüklerinin kaynağı, atomun yapısında bulunan elektron ve protonlardır. Elektrik yüklerinin kaynağı, atomun çekirdeğinde bulunan pozitif yüklü protonlar ve çekirdeğin etrafında hareket eden negatif yüklü elektronlardır.
qe = − 1,6 · 10⁻¹⁹ C · qp = + 1,6 · 10⁻¹⁹ C
Protonun yük miktarı, elektronun yük miktarına eşittir — yalnız işaretleri zıttır. Yükün birimi coulomb’dur (C).
Bu sayı ne kadar küçük? 1 coulomb’luk yük için yaklaşık 6,25 · 10¹⁸ tane elektron gerekir — yani altı milyar milyardan fazla. Bu yüzden bir telden 1 A akım geçtiğini söylerken aslında saniyede akıl almaz sayıda elektronun kesitten geçtiğini söylüyoruz.
Bir iletkenin dik kesitinden yüklerin cinsine bakılmaksızın birim zamanda geçen toplam yük miktarına elektrik akımı denir.
I sembolü ile gösterilen akımın SI’da birimi amperdir (A).
Tanımdaki iki kelimenin altını çiz: “dik kesitinden” — akım telin boyunca değil, bir kesitten geçen yükle ölçülür. “yüklerin cinsine bakılmaksızın” — pozitif iyon da negatif iyon da, elektron da sayılır; işaretlerine bakılmaz, miktarları toplanır. Bu ikinci nokta çözeltilerdeki akımı hesaplarken belirleyicidir.
Aşağıdaki şemada bir iletken telin dik kesiti var. Kaydırakla birim zamanda geçen yük sayısını değiştir: geçen yük arttıkça akım da artar.
Su borusundan birim zamanda geçen su miktarına debi denir. İki musluk aynı anda açılıp aynı anda kapatıldığında, altlarındaki özdeş kaplarda biriken su miktarları farklıysa debileri de farklıdır.
Karşılıklar şöyle kuruluyor:
Su miktarı birim zamanda borunun kesitinden ne kadar çok geçerse debi o kadar büyüktür; aynı şekilde birim zamanda telin kesitinden geçen yük ne kadar çoksa elektrik akımı o kadar büyüktür.
Kesit alanı tuzağı: aynı telin K, L, M kesitlerinin alanları 2A, A ve 3A olsa bile, tel boyunca kesitlerden geçen toplam yük miktarları eşittir. Su borusunda da öyle: boru daralınca su hızlanır ama birim zamanda geçen su miktarı değişmez — su bir yerde birikmiyor. Elektrik akımı da böyledir.
Bir iletkende birim zamanda geçen yük miktarı ile elektrik akımı doğru orantılıdır. Bir iletkenin dik kesitinden geçen toplam yük miktarı q, yükün kesitten geçme süresi t ve elektrik akımı I olarak alındığında:
Elektrik akımı = Yük miktarı / Zaman ⟹ I = q / t
| Büyüklük | Sembol | Birim |
|---|---|---|
| Elektrik akımı | I | Amper (A) |
| Yük | q | Coulomb (C) |
| Zaman | t | Saniye (s) |
Birimlerden okunan tanım: 1 amper, bir kesitten saniyede 1 coulomb yük geçmesi demektir. Bağıntıyı ezberlemek yerine birimlere bak: A = C / s.
Yük miktarını ve süreyi değiştir: akım anında hesaplanır. Aynı yükü daha kısa sürede geçirmek akımı büyütür.
Katı bir iletkenin bir kesitinden 2 s’de 10 · 10¹⁹ tane elektron geçiyor. İletkendeki elektrik akımı kaç A olur? (bir elektronun yükü q = −1,6 · 10⁻¹⁹ C)
1. Toplam yük:
q = 1,6 · 10⁻¹⁹ · 10 · 10¹⁹ = 16 C
2. Akım:
I = q / t = 16 / 2 = 8 A
10’un kuvvetleri birbirini götürüyor: 10⁻¹⁹ ile 10¹⁹ çarpılınca 10⁰ = 1 kalır. Bu tür sorularda önce kuvvetleri sadeleştir, sayı işi kolaylaşır.
İçlerinde farklı iletken çözeltiler bulunan A, B, C, D tüplerinden aynı zamanda geçen iyonlar şöyle:
Tüm yükler işaretlerine bakılmaksızın toplanır. Elektrik akımı birim zamanda geçen yük miktarıyla doğru orantılı olduğundan:
IC > IA = IB = ID
Tuzak: A tüpünde “1 pozitif − 2 negatif = −1” diye çıkarma yapmak yanlıştır. Tanım açıkça “yüklerin cinsine bakılmaksızın” diyor: ikisi de akıma katkı yapar, çünkü zıt yüklü iyonlar zıt yönlere hareket eder ve ikisinin de taşıdığı yük aynı yöndeki bir akıma karşılık gelir.
Elektrik akımının yönü elektronların hareket yönüne zıt yöndedir.
Elektrik devresindeki elektrik akımı, üretecin pozitif (+) kutbundan negatif (−) kutbuna doğrudur. Bu sırada elektronlar, negatif kutuptan pozitif kutba doğru hareket eder.
Neden böyle? Akımın yönü, elektron keşfedilmeden önce pozitif yükün hareket yönü olarak tanımlandı. Elektronun negatif olduğu sonradan anlaşıldı ama tanım değiştirilmedi — çünkü bütün devre kuralları o tanıma göre yazılmıştı. Bu yüzden bugün ikisini birden söylüyoruz: elektronların yönü ve akımın yönü. Sorularda hangisinin sorulduğuna dikkat et.
Aşağıdaki animasyonda üstte elektronlar, altta akım oku var. Kaydırakla akımı büyült; iki yönün her zaman zıt kaldığını gör.
Bir aracın aküsü bittiğinde başka bir aracın aküsü ile doldurulabilir. Bu süreçte çalışan aracın aküsünden geçen elektrik akımı biten aküye akar; yeterli enerji sağlandığında aracı çalıştırmak mümkün olur.
Şemada negatif yüklü bir elektron 2 yönünde, pozitif yüklü bir iyon 1 yönünde hareket ediyor.
Bir elektrik devresinde serbest elektronların sürati yaklaşık 10⁻⁴ m/s seviyesinde olmasına rağmen anahtar kapatıldığı anda lamba ışık verir. Neden?
Çünkü lambanın yanması için elektronların pilden lambaya gitmesi gerekmiyor. İletken tel zaten baştan sona serbest elektronlarla doludur. Anahtar kapatıldığı anda devreye uygulanan potansiyel fark bütün tel boyunca aynı anda etkili olur ve her noktadaki elektronlar aynı anda sürüklenmeye başlar. Lambanın içindeki elektronlar da hemen hareket ettiği için ışık anında görünür.
Bir önceki ünitedeki bilye zinciri benzetmesinin tam karşılığı budur: soldaki bilyeye vurduğunda sağdaki anında fırlar, ama hiçbir bilye borunun bir ucundan diğerine gitmez.
Üç hâlde de akım vardır ama yük taşıyıcıları farklıdır. Düğmelerle geç: solda o ortamdaki taşıyıcıların hareketi canlanır.
Katı iletkenlerde elektrik akımı, serbest elektronların hareketiyle gerçekleşir.
Metallerin atomlarının dış yörüngelerinde bulunan serbest elektronlar, iletken içinde serbestçe hareket eder. Bu serbest elektronlar, uygulanan potansiyel fark ile yavaşça pozitif kutba doğru sürüklenir. Elektrik akımının oluşumu, bu sürüklenme hareketi sonucunda meydana gelir.
Metallerin kristal yapıları içinde serbest elektronların sayıca fazla olmasından dolayı metaller yüksek elektriksel iletkenlik özelliği gösterir.
Potansiyel fark yokken serbest elektronlar düzensiz hareket eder; iletkene gerilim kaynağı bağlandığında ise belirli bir yönde ve kapalı devre boyunca hareket eder. Yani akımı oluşturan şey elektronların hareket etmesi değil, hareketlerinin bir yöne düzenlenmesidir.
Atomlar katı bir cisim oluşturmak için bir araya geldiğinde atomların dış yörüngelerinde bulunan elektronlar, o katı cismin iletkenliğini belirler. Metaller, oda sıcaklığında elektrik akımını iyi ileten katı maddelerdir. Örneğin bakır atomunun son yörüngesinde bulunan serbest elektron, bakıra iletkenlik özelliği kazandırır.
Yalıtkan maddeler, iletkenlerin aksine serbest elektrona sahip olmadığından elektriği iletmez.
Sıvılarda elektrik akımı, sıvı içindeki iyonlar aracılığıyla gerçekleşir.
Tuz ile sudan oluşan bir çözelti düşünelim. Bu çözelti anot ve katot elektrotlar aracılığı ile üretece bağlandığında tuz, pozitif yüklü sodyum (Na⁺) iyonları ile negatif elektrik yüklü klor (Cl⁻) iyonlarına ayrılır.
Pozitif yüklü iyonların (katyonlar) negatif kutba (katot), negatif yüklü iyonların (anyonlar) pozitif kutba (anot) doğru hareket etmesiyle elektrik akımı oluşur.
Adları karıştırma: katyon pozitif iyondur ve katoda gider; anyon negatif iyondur ve anoda gider. Zıt yükler birbirini çektiği için isimler kutupların tersi gibi görünür — ama kural basit: iyon, kendi adına benzeyen elektroda gider.
Sıvı iletkenden geçen akımın yönü, pozitif iyon ile aynı yöndedir.
Normal koşullarda gazlar, elektriği iletmez ancak düşük basınç ve yüksek sıcaklık altında iletken hâle gelebilir.
Bunun temel nedeni, gaz atomlarının veya moleküllerinin birbirinden uzakta olması ve serbest elektronlarının bulunmamasıdır.
Bununla birlikte düşük basınç ve yüksek sıcaklık altında gaz atomlarındaki elektronlar koparak serbest hâle geçebilir. Bu serbest elektronlar veya iyonlar, gazın elektrik akımını iletmesini sağlar.
Bu durum, neon ve floresan lambalar gibi aydınlatma araçları ile plazma televizyonlarında gözlemlenir. Gazlar ayrıca güçlü bir elektrik alanı altında da iletken hâle gelebilir.
Üç ortamın yük taşıyıcıları, akımın yönü ve günlük hayattaki karşılıkları tek tabloda. Filtreleyerek aradığını bul:
1. “Çözeltide pozitif ve negatif iyonlar birbirini götürür.” Götürmez. Tanım “yüklerin cinsine bakılmaksızın” der: dört tüp örneğinde 2 pozitif + 2 negatif iyon 4 birim akım verir, 0 değil. Zıt yüklü iyonlar zıt yönlere gittiği için katkıları toplanır.
2. “Kesit alanı büyük olan yerden daha çok yük geçer.” Geçmez. Aynı telin farklı kesitlerinden geçen toplam yük miktarları eşittir — yük hiçbir yerde birikmez. Kesit daralınca yükler hızlanır, sayıları değişmez.
3. “Elektronların yönü akımın yönüdür.” Tam tersi: elektrik akımının yönü elektronların hareket yönüne zıttır. Akım + kutuptan − kutba, elektronlar − kutuptan + kutba gider. Sorularda hangisinin sorulduğunu okumadan işaretleme.
Sinir sistemi karmaşık bir elektriksel iletişim ağıdır. Beyinden parmak uçlarına uzanan sinir hücreleri elektriksel sinyaller aracılığıyla iletişim kurar. Acıyı neredeyse anında hissetmenin sebebi bu sinyallerin hızıdır. Fark şu: elektrik devreleri enerji taşır, sinir sistemi bilgi taşır.
Sınıftaki floresan lambanın içinde gaz var ve gazlar normalde elektriği iletmez. Ama tüpün içi düşük basınçlıdır; bu koşulda gaz atomlarından elektronlar koparak serbest hâle geçer ve gaz iletken olur. Aynı fizik neon tabelalarda ve plazma televizyonlarda da çalışır.
Saf su elektriği kötü iletir; içine tuz attığında iletkenliği artar çünkü tuz Na⁺ ve Cl⁻ iyonlarına ayrılır. Denizde fırtınada yüzmemek, ıslak elle prize dokunmamak gibi uyarıların fizik temeli budur: iyon varsa akım geçer.
Bakır atomunun son yörüngesinde bulunan serbest elektron, bakıra iletkenlik özelliği kazandırır. Metallerin kristal yapısında serbest elektron çok olduğu için metaller yüksek elektriksel iletkenlik gösterir. Kablonun dışındaki plastik ise yalıtkandır: serbest elektronu yoktur.
Şarj aletinin üstündeki 2 A, saniyede 2 coulomb yük aktardığı anlamına gelir. Aynı bataryayı 1 A ile şarj etseydin iki kat uzun sürerdi: q = I · t — aynı yükü daha küçük akımla geçirmek daha çok zaman ister.
Takviye kablosuyla iki akü birleştirildiğinde çalışan araçtan biten aküye akım akar. Kırmızı kabloyu artı, siyahı eksi kutba bağlama kuralı tesadüf değil: akımın + kutuptan − kutba aktığı kabulüne göre kurulmuş bir renk düzenidir.
Evdeki sigortanın üstünde 16 A yazar. Bu, o hattan güvenle geçebilecek en büyük akımı gösterir. Aynı prize çok sayıda yüksek güçlü cihaz takınca birim zamanda geçen yük sınırı aşar, sigorta hattı keser. Sigorta bir güvenlik anahtarıdır.
Musluğu az açtığında kova geç dolar, çok açtığında hızlı. Birim zamanda geçen su miktarı = debi; devredeki karşılığı akım. Kova bir süre sonra taşar; devrede ise yük hiçbir yerde birikmez, kapalı yolda dolaşır.
Hastanede kalbin çalışmasını gösteren EKG cihazı, vücuttaki elektrik sinyallerini ölçer. Vücut, içindeki iyonlu sıvılar sayesinde iletkendir — yani sende de akım sıvı iletkenlik kuralıyla geçer. Elektrotlara jel sürülmesinin sebebi de budur: iyon köprüsü kurmak.
Rastgele bir elektrik akımı sorusu gelir; doğru cevabı seçersin. Yanlışta gerekçe hemen görünür.
Elektrik akımının tanımı, I = q / t bağıntısı, akımın yönü ve katı, sıvı ile gazlarda iletim üzerine test
Bir iletkenin dik kesitinden, yüklerin cinsine bakılmaksızın birim zamanda geçen yük miktarına elektrik akımı denir.
I = q / t
I · amper (A) | q · coulomb (C) | t · saniye (s). 1 A = 1 C / 1 s.
Elektrik yüklerinin kaynağı, atomun çekirdeğindeki pozitif protonlar ve çekirdeğin etrafındaki negatif elektronlardır.
qe = −1,6 · 10⁻¹⁹ C · qp = +1,6 · 10⁻¹⁹ C
Protonun yük miktarı elektronunkine eşittir, yalnız işaretleri zıttır. Serbest elektronun hareketi, elektrik akımının temelini oluşturur.
Elektrik akımının yönü elektronların hareket yönüne zıttır.
Devrede akım üretecin + kutbundan − kutbuna; elektronlar − kutuptan + kutba doğrudur.
Sıvı iletkenden geçen akımın yönü, pozitif iyon ile aynı yöndedir.
Katılarda ve iletken metallerde elektrik akımı, serbest hâldeki elektronların hareketi ile sağlanır.
Serbest elektronlar potansiyel fark uygulanınca yavaşça pozitif kutba doğru sürüklenir. Potansiyel fark yokken hareketleri düzensizdir.
Yalıtkanlar serbest elektrona sahip olmadığından elektriği iletmez.
Sıvılarda ve elektrolit çözeltilerinde elektrik akımı, pozitif ve negatif yüklü iyonların hareketi ile sağlanır.
Tuzlu suda tuz, Na⁺ ve Cl⁻ iyonlarına ayrılır. Katyonlar (pozitif) katoda, anyonlar (negatif) anoda doğru hareket eder.
Normal şartlarda gazlar elektriği iletmez — atom ve molekülleri birbirinden uzaktır ve serbest elektronları yoktur.
Yüksek sıcaklık ve düşük basınçta veya güçlü bir elektrik alanı altında iletken hâle gelebilir: atomlardan kopan elektronlar ve iyonlar akımı taşır.
Gözlendiği yerler: neon ve floresan lambalar, plazma televizyonlar.