Elektrik akımı

Elektrik akımının tanımı

Bakır gibi bir iletkenin içinde, yüksek hızlarda serbestçe ve rastgele hareket eden ancak metalden dışarı çıkmayan elektronlar bulunur. Serbestçe hareket edebilen elektronlara serbest elektronlar denir. Elektronlar her yöne serbestçe hareket etse de, belirli bir yönde net bir elektron akışı yoktur. Bu durum, bakır telin iki ucu arasında potansiyel farkı olmadığında ortaya çıkar.

Tel bir elektrik kaynağına bağlandığında, bakır telin iki ucu arasında bir potansiyel farkı oluşur ve böylece bakır telde bir elektrik alanı meydana gelir. Elektrik alanının varlığı, serbest elektronların F = q E = e E şeklinde bir elektrik kuvveti deneyimlemesine neden olur ; burada F = elektrik kuvveti, e = elektron yükü, E = elektrik alanıdır . Elektrik kuvveti, serbestçe hareket eden tüm elektronların elektrik kuvvetiyle aynı yönde ortak bir ivme yaşamasına neden olur.

Birlikte hareket eden bu serbest elektronlar, bakır teldeki sabit atomlar arasında yer alır ve tüm elektronların bu atomlarla çarpışmasına neden olur. Bu çarpışmalar, serbest elektronların hareket yönlerini değiştirmesine yol açar. Tüm bu elektronlar sürekli olarak bir elektrik kuvvetine maruz kalır ve bu da onların elektrik kuvvetiyle aynı yönde ivmelenmelerine neden olur. Bir an hareket ettikten sonra, serbest elektronlar bakır teldeki atomlarla tekrar çarpışır. Ancak, serbest elektronlar her zaman bir elektrik kuvvetine maruz kalır ve bu da tüm elektronların tekrar ivmelenmesine neden olur.

Dolayısıyla, çeşitli yönlerde rastgele hareket etmelerinin yanı sıra, tüm serbest elektronlar elektrik kuvveti yönünde ve elektrik alanının ters yönünde yavaşça birlikte hareket ederler. Elektrik alanının yönü yüksek elektrik potansiyelinden düşük elektrik potansiyeline doğrudur, elektronlar ise düşük potansiyelden yüksek potansiyele doğru hareket ederler. Her bir serbest elektronun rastgele hareketi çok hızlıdır, oysa serbest elektronların elektrik kuvveti yönündeki toplu hareketi çok yavaştır. Serbest elektronların elektrik kuvveti yönündeki bu toplu hareketine sürüklenme hızı da denir.

Elektrik akımı, belirli bir zaman aralığında bir iletkenin kesitinden geçen elektrik yükünün akışı olarak tanımlanır . Geleneksel olarak, elektrik akımının yönü, pozitif yüklerin hareket yönüyle aynıdır. Bu kabul, bir iletkende aslında hareket eden şeyin serbest, negatif yüklü elektronlar olduğu bilinmeden önce yapılmıştır. Bir iletkendeki elektron hareketinin yönü, elektrik akımının yönünün tersidir. Bu nedenle, bir iletkende akan akımdan bahsederken, kastedilen şey pozitif yüklerin akışıdır; bu da bu kabulün sonucu olduğu için geleneksel akım olarak da bilinir.

Elektrik akımı formülü

Elektrik akımı matematiksel olarak şu denklemle ifade edilir:
I = ΔQ / Δt
Formül açıklaması: I = elektrik akımı, ΔQ = elektrik yükü miktarı, Δt = zaman aralığı.

Elektrik akımının birimi

Elektrik yükünün birimi Coulomb, zamanın birimi saniyedir, dolayısıyla elektrik akımının birimi Coulomb/saniyedir. Coulomb/saniye , Fransız fizikçi Andre Marie Ampere'in (1775-1836) adından dolayı Amper olarak da adlandırılır . 1 Amper = 1 Coulomb/saniye (1 A = 1 C/s). Başka bir deyişle, 1 Amperlik bir elektrik akımı, 1 saniye boyunca bir telin kesit alanından geçen 1 Coulomb'luk elektrik yüküne eşittir. Elektrik akımı, Amper cinsinden ifade edilmesinin yanı sıra, miliamper (1 mA = 10⁻³ ^A ), mikroamper (1 μA = 10⁻⁶ ^A ), nanoamper (1 nA = 10⁻⁹ ^A ) veya pikoamper (1 pA = ^10⁻¹² A) cinsinden de ifade edilir.

Örnek soru 1:

Bir telden 8 saniye boyunca 2 amperlik bir akım geçiyor. Bir noktadan geçen yükün büyüklüğünü ve bu yükteki elektron sayısını belirleyin!
Pembahasan
Şunlar bilinmektedir:
Elektrik akımı (I) = 1 Amper
Zaman aralığı (t) = 2 saniye
Soruldu: yük (Q) ve elektron sayısı (e)
Cevap :
Elektrik akımı formülü:
ben = Q/t
Formül açıklaması: I = elektrik akımı, Q = elektrik yükü, t = zaman aralığı
Elektrik yükü:
Q = I t = (2 Amper)(8 saniye) = 16 Coulomb.

Bir elektronun yükü 1,6 x 10⁻¹⁹ ^{Coulomb'dur , dolayısıyla 16 Coulomb'luk bir yük, 16 C / 1,6 x 10⁻¹⁹} Coulomb = 10 x ^10¹⁹ elektron kadar elektrona sahiptir.

Elektrik akımı, sürüklenme hızı ve akım yoğunluğu

Kesit alanı A olan bir iletkende, elektrik alanı E yönünde v sürüklenme hızıyla sağa doğru hareket eden pozitif bir yükü ele alalım. Pozitif yük, t zaman aralığında s = vt mesafesi kat eder.

Hacim başına düşen yüklü parçacık sayısı (yüklü parçacık yoğunluğu) n ve iletkenin hacmi A s = A vt ise, iletken hacmindeki yüklü parçacık sayısı n A v t'dir. Her yüklü parçacığın yükü q ise, t zaman aralığında iletkenin ucundan geçen yük miktarı Q = nq A v t'dir. Dolayısıyla iletkenin ucundan geçen elektrik akımı I = Q/t = nq A v'dir. Akım yoğunluğu veya kesit alanı A başına akım ise J = I/A = nq v'dir. Sonuç olarak, iletkende akan akım, yüklü parçacık yoğunluğunun (n), her parçacığın yükünün büyüklüğünün (q), iletkenin kesit alanının (A) ve yüklü parçacıkların sürüklenme hızının (v) çarpımının sonucudur.

Aşağıdaki örnek problemi inceleyerek, her bir yüklü parçacığın hızı ile tüm yüklü parçacıkların sürüklenme hızı arasındaki farkı anlayın.

Örnek soru 2:

Kesit alanı 3 x 10 olan bir bakır telden 10 Amperlik sabit bir akım akmaktadır.^-6 m²Serbest elektron yoğunluğu 8,4 x 10'dur.²⁸ elektron/m³Serbest elektronların sürüklenme hızını belirleyin!
Pembahasan
Şunlar bilinmektedir:
Elektrik akımı (I) = 10 Amper
Tel kesit alanı (A) = 3 x 10^-6 m²
Serbest elektron yoğunluğu (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Elektron yükü (q) = 1,6 x 10^-19 C
Soruldu: Serbest elektron sürüklenme hızı (v)
Cevap :
Elektronların hızı, daha önce türetilen formül kullanılarak hesaplanır:

Açıklama: I = elektrik akımı, n = yüklü parçacık yoğunluğu, n = serbest elektron yoğunluğu, q = bir elektronun yükü, A = iletkenin kesit alanı, v = elektron sürüklenme hızı

Elektronun sürüklenme hızı 0,248 x 10⁻³ ^metre /saniye = 0,248 milimetre/saniyedir.

Serbest elektronlar bir telde saniyede 0,248 milimetre hızla birlikte hareket eder. Başka bir deyişle, her saniye tüm serbest elektronlar 0,248 milimetre hareket eder. Bu çok yavaş bir hızdır. Serbest elektronların hareketi bu kadar yavaşsa, bir elektrik lambası anahtar açıldıktan hemen sonra neden yanar?

Bunu anlamak için, bir iletkendeki elektron akışını bir hortumdaki su akışı olarak düşünün. Hortum suyla doluysa, hortumun bir ucu musluğa bağlandığında, su hemen diğer ucundan akacaktır. Benzer şekilde, bakır telde ve ampul telinde serbest elektronlar vardır. Anahtar açıldığında, ışık hızına yaklaşan bir hızda (ışık hızı = 3 x 10⁸ ^metre /saniye) bir elektrik alanı oluşur ve bu da serbest elektronların hemen birlikte hareket etmeye başlamasına neden olur. Ampul telinde zaten serbest elektronlar vardır, bu nedenle ampul hemen yanar.