Elektrik akımının tanımı
Bakır gibi bir iletkende, rastgele ve yüksek hızda serbestçe hareket eden ancak metalden kaçmayan elektronlar bulunur. Serbestçe hareket edebilen elektronlara serbest elektronlar denir. Elektronlar her yöne serbestçe hareket etse de, belirli bir yönde toplam bir elektron akışı yoktur. Bu durum, bakır telin iki ucu arasında potansiyel farkı olmadığında ortaya çıkar.
Bakır tel bir elektrik kaynağına bağlandığında, telin iki ucu arasında potansiyel farkı oluşur ve böylece bakır telin içinde bir elektrik alanı meydana gelir. Elektrik alanının varlığı, serbest elektronların F = q E = e E elektrik kuvvetine maruz kalmasına neden olur; burada F = elektrik kuvveti , e = elektron yükü, E = elektrik alanıdır . Bu elektrik kuvveti, serbestçe hareket eden tüm elektronların birlikte ivmelenmesine neden olur ve bu ivme, elektrik kuvvetiyle aynı yöndedir.
Birlikte hareket eden serbest elektronlar, bakır telde kalan atomlar arasında bulunur ve tüm elektronlar atomlarla çarpışır. Çarpışma, serbest elektronların yönünün değişmesine neden olur. Tüm bu elektronlar her zaman bir elektrik kuvvetine maruz kalır, böylece tüm elektronlar elektrik kuvvetinin yönüyle aynı yönde ivmelenir. Bir an hareket ettikten sonra, serbest elektronlar bakır teldeki atomlarla çarpışır. Ancak serbest elektronlar her zaman bir elektrik kuvvetine maruz kalır, böylece tüm elektronlar tekrar ivmelenir. Bu nedenle, çeşitli yönlerde rastgele hareket etmenin yanı sıra, tüm serbest elektronlar aynı zamanda elektrik kuvvetinin 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 eder. Her bir serbest elektronun rastgele hareketi çok hızlıdır, oysa serbest elektronların elektrik kuvveti yönündeki hareketi çok yavaştır. Serbest elektronların elektrik kuvveti yönündeki bu hareketine sürüklenme hızı da denir.
Elektrik akımı, belirli bir zaman aralığında bir iletkenin kesitinden geçen elektrik yükünün akışı olarak tanımlanır. Anlaşmaya göre, elektrik akımının yönü pozitif yükün yönüyle aynıdır. Bu anlaşma, iletkende aslında hareket eden şeyin negatif yüklü serbest elektronlar olduğu bilinmeden önce yapılmıştır. İletkendeki elektronların hareket yönü, elektrik akımının yönünün tersidir. Dolayısıyla, iletkende akan akımdan bahsederken, kastedilen şey pozitif yükün akışıdır ve bu da bir anlaşmanın sonucu olduğu için geleneksel akım olarak da adlandırılır.
Elektrik akımının denklemi
Elektrik akımı matematiksel olarak şu denklemle ifade edilir:
I = Δ Q / Δt
I = elektrik akımı, ΔQ = elektrik yükü miktarı, Δt = zaman aralığı.
Elektrik akımı birimi
Elektrik yükünün birimi Coulomb, zamanın birimi saniyedir, dolayısıyla elektrik akımının birimi Coulomb/saniyedir. Coulomb/saniye, Fransız fizikçi Andre Marie Ampere'nin (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 saniyede bir telin kesit alanından geçen 1 Coulomb'luk elektrik yüküne eşittir. Elektrik akımları 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 problem 1:
Telden 8 saniye boyunca 2 amperlik bir akım geçiyor. Bir noktadan geçen yük miktarını ve bu yükteki elektron sayısını belirleyin!
Bilinen:
Elektrik akımı (I) = 1 Amper
Zaman aralığı (t) = 2 saniye
Aranan: yük (Q) ve elektron sayısı (e)
Çözüm:
Elektrik akımının denklemi:
ben = Q/t
I = elektrik akımı, Q = elektrik yükü, t = zaman aralığı
Elektrik yükü:
Q = I t = (2 Amper)(8 saniye) = 16 C.
Bir elektronun yükü 1.6 x 10⁻¹⁹ Coulomb'dur , dolayısıyla 16 Coulomb'luk yük, 16 C / 1.6 x 10⁻¹⁹ Coulomb = 10 x 10¹⁹ elektron kadar elektron içerir.
Elektrik akımı, sürüklenme hızı ve akım yoğunluğu
Sağa doğru hareket eden ve elektrik alanı E yönünde v hızıyla sürüklenen pozitif yükü inceleyin.
Kesit alanı A olan bir iletken üzerinde, pozitif yük t zaman aralığında s = vt kadar mesafe kat eder.
Hacim başına düşen yüklü parçacık sayısı (yüklü parçacık yoğunluğu) n ve iletkenin hacmi A s = A vt ise,
İletkenin hacmindeki yüklü parçacık sayısı n A v t'dir. Her yüklü parçacığın yükü q ise, t süresi boyunca iletkenin ucundan geçen yük miktarı Q = nq A v t olur. Dolayısıyla, iletkenin ucundan geçen elektrik akımı I = Q / t = nq A v'dir. Akım yoğunluğu veya kesit alanı A başına düşen akım ise J = I / A = nq v'dir.
İletkenden geçen akımın, yüklü parçacıkların yoğunluğunun (n) çarpımına eşit olduğu sonucuna varılabilir.
Her bir parçacığın yük miktarı (q), iletkenin alanı (A) ve yüklü parçacıkların hızı (v).
Aşağıdaki örnek soruları inceleyin.
Örnek problem 2:
Kesit alanı 3 x 10⁻⁶ m² olan bir bakır telden 10 amperlik sabit bir akım geçmektedir . Serbest elektron yoğunluğu 8.4 x 10²⁸ elektron /m³'tür . Serbest elektronların sürüklenme hızını belirleyiniz!
Bilinen:
Elektrik akımı (I) = 10 Amper
Telin kesit alanı (A) = 3 x 10 -6 m 2
Serbest elektron yoğunluğu ( n) = 8.4 x 10²⁸ m⁻³
Elektron yükü (q) = 1.6 x 10⁻¹⁹ C
Aranan: Serbest elektron sürüklenme hızı (v)
Çözüm:
Elektronların hızı, daha önce türetilmiş bir formül kullanılarak hesaplanır:
I = elektrik akımı, n = yüklü parçacık yoğunluğu = elektron yoğunluğu, q = bir elektron yükü, A = iletkenin kesit alanı, v = elektron sürüklenme hızı
Elektron sürüklenme hızı 0.248 x 10⁻³ metre /saniye = 0.248 milimetre/saniyedir.
Serbest elektronlar bir telde saniyede 0.248 milimetre hızla birlikte hareket ederler. Başka bir deyişle, her saniyede tüm serbest elektronlar 0.248 milimetre kadar yol kat ederler. Bu çok yavaş bir hızdır. Serbest elektronların hareketi çok yavaşsa, elektrik lambası anahtar açıldıktan hemen sonra neden yanar?
Bunu anlamak için, elektronların iletken içinde hortumun içindeki su akışı gibi aktığını düşünün. Hortum suyla doluysa ve hortumun bir ucu musluğa bağlıysa, su hemen hortumun diğer ucundan akar. Benzer şekilde, bakır telde ve ampul telinde de serbest elektronlar bulunur. Anahtar açıldığında, ışık hızına yaklaşan bir hızda (ışık hızı = 3 x 10⁸ metre/saniye) bir elektrik alanı oluşur ve bu da serbest elektronların o anda birlikte hareket etmeye başlamasına neden olur. Ampul telinde zaten serbest elektronlar vardır, bu nedenle ışık o anda yanar.
Sorunlar ve çözümler
1. Bir telde 2 dakika boyunca 10 A'lık sabit bir akım mevcuttur. İletkenin herhangi bir noktasından geçen yük miktarı ne kadardır ?
Bilinenler:
Elektrik akımı (I) = 10 A
Zaman aralığı (t) = 2 dakika = 2 x 60 saniye = 120 saniye
Aranıyor: Şarj (Q)
Çözüm :
Elektrik akımının denklemi:
I = q/t
I = elektrik akımı, q = elektrik yükü, t = zaman aralığı
Elektrik yükü:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. Devredeki bir noktadan 5 dakika boyunca 60 C'luk yük geçiyor. Elektrik akımı nedir?
Bilinenler:
Zaman aralığı (t) = 5 dakika = 5 x 60 saniye = 300 saniye
Elektrik yükü (Q) = 60 C
Aranan: Elektrik akımı (I)
Çözüm :
Elektrik akımı:
ben = Q/t
ben = 60 / 300
I = 0.2 Coulomb/saniye
I = 0.2 Amper
3. SI sisteminde elektrik akımının birimi…
Çözüm
Coulomb/saniye
Saniye başına Coulomb birimine özel bir isim verilmiştir: Amper.
