Lamba
anında
yanar ama…
…elektronlar telin içinde kaplumbağa hızıyla ilerler. Çelişki değil: elektronlar birbirini iterek enerjiyi zincirleme aktarır. Bu ünitede akımın, potansiyel farkının ve direncin hesabı var.
Elektrik akımı, modern yaşamın vazgeçilmez bir parçasıdır ve günlük yaşantımızda sıkça kullandığımız elektrikli cihazların çalışması için temel bir gerekliliktir. Ayrıca canlı organizmaların sinir sistemleri de elektrik sinyalleri ile çalışır; bu bilgi alışverişi sinir hücrelerinin (nöronların) elektriksel sinyaller aracılığıyla iletimiyle gerçekleşir.
İletken özellik taşıyan katıların atomlarında, dış yörüngede bulunan elektronlar, atom çekirdeğine zayıf bir kuvvetle bağlıdırlar. Bu elektronlar küçük bir enerji alarak serbest hâle geçebilirler.
Ancak protonlar yüklü olmalarına rağmen hareket etmediklerinden elektrik akımı oluşturmazlar. Bu nedenle elektronlar katı iletkenlerdeki temel yük taşıyıcılarıdır.
Serbest elektronlar, bir iletken içinde rastgele ve zigzag şeklinde hareket ederler. Bu hareket düzensizdir ve belirli yöne ya da düzene sahip değildir.
Bu rastgele hareketlerin sonucunda, iletkenin kesiti boyunca geçen net yükün miktarı ortalama olarak sıfırdır. Bu nedenle tel üzerinde net bir elektrik akımı oluşmaz.
İletken bir tele pil bağlandığında, pilin artı (+) ucunun bağlı olduğu taraftan diğer tarafa yani eksi (−) uca doğru bir elektrik alan oluşur. İletkende bulunan serbest elektronlar, bu elektrik alanın uyguladığı elektriksel kuvvet ile elektrik alana ters yönde hareket ederler. Elektrik alan etkisiyle belirli bir zaman içinde iletkenin içinden net bir yük geçişi gerçekleşir. İletkenden geçen bu net yüke elektrik akımı denir. Elektrik akımı iletken katılarda elektron hareketinin ters yönünde oluşur.
Elektrik devrelerinde, elektrik akımının artı (+) kutuptan eksi (−) kutba doğru, elektronların ise elektrik akımına ters yönlü hareket ettiği kabul edilir.
İletken bir telin bir pile bağlanması durumunda, tel üzerinden geçen elektronlar pil tarafından üretilmez; iletkende bulunan serbest elektronlar sayesinde akım oluşur.
Elektronların sürüklenme hızı, iletken bir malzeme içinde çok düşüktür ve genellikle santimetrelerle ifade edilir. Bir devreye pil bağlandığında, devredeki elektrik alan etkisiyle serbest elektronlar birbirlerine itme uygulayarak enerji iletirler. Bu zincirleme itme hareketi, tüm serbest elektronlar arasında hızla yayılır. Serbest elektronlar düşük sürüklenme hızlarına sahip olmalarına rağmen, bu itme etkisi hızla yayılarak devreyi etkiler ve elektrik akımı oluşur.
Elektrik akımı; iletkenin kesit alanından birim zamanda geçen yük miktarını ifade eder. Akım şiddeti skaler bir büyüklük olup ampermetre ile ölçülür. Akım şiddeti (I) ile gösterilir, birimi amperdir (A).
İletkenin kesit alanından birim zamanda ne kadar fazla yük geçişi olursa akım şiddeti o kadar artar.
Bir iletkenin kesitinden 1 s'de 1 C yük geçerse, 1 A akım oluşur.
Katı iletkenlerde yük taşıyıcılar serbest elektronlardır ve net yük negatif yüklerin toplanmasıyla bulunur. Sıvı iyon çözeltilerinde ve plazmalarda hem negatif yükler hem de pozitif yükler yük taşıyıcıdır; net yükün bulunması için pozitif ve negatif yüklerin mutlak değerleri toplanır.
Gazlar yalıtkandır, elektrik akımını iletmezler. Ancak enerji verilip plazma hâline getirilirse iletkenlik özelliği kazanırlar.
Pozitif yüklenmiş bir elektroskop kuru hava ortamında uzun süre bekletilse dahi elektroskobun yaprakları kapanmaz. Bunun nedeni, çevredeki havada yeterli miktarda serbest yük taşıyıcısı olmamasıdır.
Ancak elektroskobun etrafındaki havayı (örneğin bir mum kullanarak) ısıtıp plazma hâline getirirsek durum değişir. Plazma, yüksek sıcaklıklarda gazların iyonlaşması sonucu oluşan yüksek iletkenlik özelliğine sahip bir hâldir. Havayı plazma hâline getirdiğimizde gaz molekülleri iyonlaşır ve serbest yük taşıyıcıları oluşur; çevredeki hava iletken hâle gelir ve elektroskobun yaprakları kapanır.
İki nokta arasındaki elektriksel potansiyel farkı, bu iki nokta arasındaki birim yükün taşınması için gereken enerjiyi tanımlar. Yani bu fark, birim yükün bir noktadan diğerine taşınması sırasında potansiyel enerjideki değişimi ifade eder. Elektrik devresinde elektronun devrede dolaşması için gerekli enerjiye potansiyel fark denir, "ΔV" ile gösterilir, birimi volttur.
X ve Y tankları, aralarında bir vana ile birbirine bağlanmış durumda. Vana kapalı hâlde iken, X tankındaki su seviyesi daha yüksek bir konumdadır; bu durumda X tankındaki suyun potansiyel enerjisi daha yüksektir.
Vana açıldığında, potansiyel enerji nedeniyle su X tankından Y tankına doğru akar. Su, yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğru hareket eder ve bu, X tankındaki su seviyesinin azalmasına, Y tankındakinin artmasına neden olur. Her iki tankın da potansiyel enerjileri eşit olana kadar su akışı devam eder.
Bir motor vasıtasıyla Y tankındaki su tekrar X tankına gönderilirse, X'ten Y'ye su akışı tekrar başlar. Motor X tankındaki suya tekrar potansiyel enerji kazandırmış olur. Elektrik devrelerindeki pillerin ya da güç kaynaklarının görevi bu örnekteki su motoruna benzetilebilir.
Elektrik akımı daima yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğrudur.
Potansiyelleri 5 V ve 2 V olan iki nokta arasındaki potansiyel fark ΔV = 3 V'tur ve akım 5 V'tan 2 V'a doğru akar.
Pilin pozitif (+) kutbunun potansiyeli negatif (−) kutbuna göre daha yüksektir. Bu nedenle devrede akım pozitif kutuptan negatif kutba doğru akar; bu, elektrik devrelerindeki doğru akımın genel akış yönüdür. Pilin iki ucu arasındaki potansiyel fark 3 V ise, negatif uç 6 V iken pozitif uç 9 V olmalıdır.
Elektronların akış yönü, pilin negatif (−) kutbundan pozitif (+) kutbuna doğrudur. Bu nedenle elektronlar düşük potansiyelden yüksek potansiyele doğru akarlar.
Devre şemalarını okuyabilmek için önce sembolleri tanımak gerekir. Bir sembole tıkla.
Elektrik devrelerinde, iletkenlerin içinde elektrik akımı taşıyan serbest elektronlar, dirençle karşılaşarak enerji kaybederler ve bu durum iletkenin ısınmasına neden olur. Elektronlar iletkenin içinde serbestçe hareket ederken atomlarla çarpışır; bu çarpışmalar sonucunda enerji kaybeder ve bu enerji, direnç nedeniyle ısıya dönüşür.
Direnç, R sembolü ile gösterilir. SI birim sisteminde birimi ohmdur (Ω). Direnç arttıkça, akıma karşı gösterilen zorluk da artar ve dolayısıyla devredeki akım şiddeti azalır.
Bir maddenin direnci, maddenin atomik yapısına, boyutlarına (ebatlarına) ve sıcaklığına bağlıdır. Maddelerin direnci, iletkenin boyu ile doğru orantılı ve kesiti ile ters orantılıdır. Yani bir iletkenin uzunluğu arttıkça direnci de artar, kesit alanı arttıkça direnci azalır. Ayrıca sıcaklık arttıkça direnç genellikle artar.
“Boyut büyüyünce direnç artar” diye ezberleme: uzunluk ile direnç doğru, kesit alanı ile ters orantılıdır. A bir alandır (m²), çap değil — çap iki katına çıkarsa alan dörde katlanır ve direnç dörtte bire iner.
Metal bir telin uzunluğu artırılırsa, serbest elektronlar telin içinden geçerken daha fazla atomla çarpışma yaşarlar. Bu, elektronların serbestçe hareket edebilmesini engelleyen bir faktördür ve dirençle sonuçlanır. Yani uzunluk arttıkça direnç artar.
İletkenin kesit alanı arttıkça direnç azalır, çünkü daha geniş bir kesitte elektronlar daha serbestçe hareket edebilirler ve bu da daha az dirence yol açar.
Öz direnci küçük olan maddeler iyi iletkenler olarak kabul edilir, çünkü serbest elektronlar bu maddelerde daha serbestçe hareket edebilirler. Bu tür maddeler genellikle metalik maddelerdir; metalik yapıdaki atomlar arasında serbest elektronlar bulunur ve bunlar elektrik akımını kolayca taşıyabilirler.
Öz direnci büyük olan maddeler ise kötü iletkenler veya yalıtkanlar olarak kabul edilir, çünkü elektrik akımını iletmekte zorlanırlar. Bu maddelerde serbest elektronlar bulunmaz veya bulunanlar hareket etmekte sınırlıdır. Seramikler, camlar ve plastikler gibi malzemeler genellikle bu kategoriye girer. Öz direnci çok büyük olan maddeler ise tam bir yalıtkan olarak kabul edilirler.
| Madde | Öz direnç (Ω·m) |
|---|---|
| Gümüş | 1,59 · 10⁻⁸ |
| Bakır | 1,7 · 10⁻⁸ |
| Alüminyum | 2,82 · 10⁻⁸ |
Bazı maddelerin 20 °C'deki öz direnç değerleri. Listedeki en iyi iletken gümüştür; bakır ona çok yakındır ve daha ucuz olduğu için kablolarda tercih edilir.
Katı iletkenlerde, yük taşıyıcılar serbest elektronlardır. Bir devreye pil bağlandığında pil devrede elektrik alan oluşturur; bu alan serbest elektronlara ters yönde bir kuvvet uygular ve elektronlar hareket etmeye başlar. İletkenin birim kesitinden geçen net yük miktarı negatif yüklerin toplanması ile bulunur: qnet = |−q| + |−q| + |−q| = 3q.
Sıvı iyon çözeltilerinde ve plazmalarda hem negatif yükler hem de pozitif yükler yük taşıyıcıdır. Net yükün bulunması için pozitif yükler ve negatif yükler toplanır: qnet = |−3q| + |+2q| = 5q.
Verilen değişiklikte iletkenin direncinin nasıl değişeceğini seç.
Bu ünitenin kavramları, evindeki her kabloda ve her lambada iş başında.
Elektronların sürüklenme hızı çok düşüktür ve genellikle santimetrelerle ifade edilir. Ama serbest elektronlar birbirlerine itme uygulayarak enerji iletir ve bu zincirleme itme hareketi hızla yayılır. Anahtar açılır açılmaz tüm devre etkilenir.
İletkenin kesit alanı arttıkça direnç azalır, çünkü daha geniş bir kesitte elektronlar daha serbestçe hareket edebilirler. Yüksek akım çeken cihazlarda kalın kablo kullanmanın sebebi budur; ince kablo ısınır.
Elektronlar iletkenin içinde atomlarla çarpışır; bu çarpışmalar sonucunda enerji kaybeder ve bu enerji direnç nedeniyle ısıya dönüşür. Sarılı hâlde bırakılan uzun bir kablonun ısınması bu yüzdendir.
Tabloya göre gümüşün öz direnci 1,59·10⁻⁸ Ω·m ile en düşüktür; bakır 1,7·10⁻⁸ ile ona çok yakındır. Öz direnci küçük olan maddeler iyi iletken kabul edilir; bakır neredeyse gümüş kadar iyi ilettiği ve çok daha ucuz olduğu için kablolarda kullanılır.
Canlı organizmaların sinir sistemleri elektrik sinyalleri ile çalışır. Vücudun bilgi alışverişi, sinir hücrelerinin (nöronların) elektriksel sinyaller aracılığıyla iletimiyle gerçekleşir. EKG ve EEG cihazları da bu sinyalleri okur.
Su, yüksek tanktan alçak tanka akar ve seviyeler eşitlenince durur. Motor suya tekrar potansiyel enerji kazandırır ve akış sürer. Elektrik devrelerindeki pillerin ya da güç kaynaklarının görevi bu su motoruna benzetilebilir.
Elektrik akımının artı (+) kutuptan eksi (−) kutba doğru, elektronların ise akıma ters yönlü hareket ettiği kabul edilir. Elektronlar düşük potansiyelden yüksek potansiyele akar; akım ise daima yüksek potansiyelden düşük potansiyele.
Pozitif yüklenmiş bir elektroskop kuru havada uzun süre bekletilse dahi yaprakları kapanmaz, çünkü havada yeterli serbest yük taşıyıcısı yoktur. Yanına bir mum konup hava plazma hâline getirilirse hava iletken olur ve yapraklar kapanır.
Akım şiddeti skaler bir büyüklük olup ampermetre ile ölçülür. Tanımı çok basittir: bir iletkenin kesitinden 1 s'de 1 C yük geçerse, 1 A akım oluşur.
40 sorudan oluşan bu test ile "Elektrik Akımı ve Direnç" ünitesini ne kadar kavradığını gör. Her sorudan sonra anında geri bildirim alacaksın.
İletkenin kesit alanından birim zamanda geçen yük miktarıdır. Skalerdir, ampermetre ile ölçülür, birimi amperdir (A).
Bir iletkenin kesitinden 1 s'de 1 C yük geçerse 1 A akım oluşur. Amper = Coulomb/saniye'dir.
Katı iletkenlerde yük taşıyıcı serbest elektronlardır. Sıvı çözeltilerde ve plazmalarda hem pozitif hem negatif yükler taşıyıcıdır.
Akımın artı kutuptan eksi kutba, elektronların ise akıma ters yönlü hareket ettiği kabul edilir. Akım katılarda elektron hareketinin tersidir.
Elektronun devrede dolaşması için gerekli enerjidir. Elektrik akımı daima yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğrudur.
Elektronlar yavaş ilerler ama birbirlerine itme uygulayarak enerjiyi zincirleme aktarır; bu yüzden devre anında etkilenir.
Maddelerin elektrik akımına karşı gösterdiği zorluk. R sembolüyle gösterilir, SI birimi ohmdur (Ω).
Direnç iletkenin boyu ile doğru, kesiti ile ters orantılıdır. Sıcaklık arttıkça da direnç genellikle artar.
×10⁻⁸ Ω·m (20 °C). Öz direnci küçük olanlar iyi iletken, büyük olanlar kötü iletken veya yalıtkandır.