Elektrik ve Manyetizma (TYT Fizik / 10.Sınıf Fizik)

Description

Elektrik akımı, elektriksel akım veya cereyan, en kısa tanımıyla elektriksel yük taşıyan parçacıkların hareketidir. Bu yük genellikle elektrik devrelerindeki kabloların içerisinde hareket eden elektronlar tarafından taşınmaktadır. Ayrıca, elektrolit içerisindeki iyonlar tarafından ya da plazma içindeki hem iyonlar hem de elektronlar tarafından taşınabilmektedir.

Bir kesit üzerinden birim zamanda geçen yük miktarı elektrik akımının büyüklüğünü verir. SI birimi Amper'dir (kısaltması A). Herhangi bir kesit üzerinden bir saniye içerisinde bir Coulomb'luk yük geçmesi bir Amper'lik akıma tekabül eder. Ampermetre adı verilen bir aletle ölçülmektedir.Ohm Kanunu'na uyan maddeler üzerinden geçen akım bu maddenin direnci ile ters orantılı, akımı oluşturan gerilim ile doğru orantılıdır. Doğadaki çoğu madde Ohm Kanunu'na büyük oranda uyar, ancak akım ve gerilim arasındaki bağıntı çok daha karışık olabilir. Yarı iletkenler bu duruma güzel bir örnektir.

Elektrik akımları, ampüllerde yaratılan ışığı açıklayabilen Joule yasasının ortaya çıkmasını sağlar. Elektrik akımı ayrıca motorlarda, indüktörlerde ve jeneratörlerde kullanılan manyetik alanın yaratılmasını sağlar.

Elektrik akımı içinde yük taşıyan parçacıklar yük taşıyanlar olarak adlandırılır. Metal atomları içerisinde bulunan bir ya da birden fazla elektron ait olduğu atoma sıkı bir şekilde bağlı olmadığı için metal içerisinde serbestçe hareket edebilir. Metal iletkenlerdeki yük taşıyıcıları bu iletim elektronlarıdır. Akım şiddeti elektronların toplamına bağlıdır.

Katı iletken metal, hareketli veya serbest elektronlara sahiptir. Bu elektronlar metalin kristal yapısına bağlıdırlar, fakat herhangi bir atoma bağlı değillerdir. Herhangi bir dış elektriksel alan uygulamadan bile bu elektronlar ısı enerjisinden dolayı rastgele hareket ederler. Fakat normalde bir metaldeki net akım sıfırdır. Herhangi bir zamanda metal objenin herhangi bir kesitinde bir yönden diğerine geçen elektronların sayısı aksi yönde geçiş yapanlarınkine ortalamada eşittir. Bir metal telin iki ucu arasına batarya gibi bir DC kaynağı bağlandığında iletkende bir elektrik alanı oluşur. Bu elektrik alanı metaldeki serbest elektronların alanın tersi yönünde sürüklenmesine sebep olur. Ortalamada bir yöne daha fazla hareket eden elektronlar elektrik akımını yaratmış olurlar.

Bir metalde, her atomun dış kabuğundaki elektronlar ait olduğu atoma yalıtkan maddelerdeki kadar bağlı değildir. Bu elektronlar metal kafesi içinde hareket etmek konusunda özgürdür. Bu iletim elektronları akımı oluşturan yük taşıyıcılar olarak görev edinebilir. Metaller özellikle iletkendir çünkü metaller atomuna çok sıkı bağlı olmayan çok sayıda elektronlara sahiptir. Karakteristik olarak bir kafeste bir elektron ile. Herhangi bir dış elektrik alan uygulanmadığı takdirde bu elektronlar termal enerjiden dolayı rastgele hareket ederler fakat ortalama olarak metal içerisinde herhangi bir akım yoktur. Oda sıcaklığında bu elektronların rastgele hareketinin ortalama hızı saniyede 106 metredir. Metal telin geçtiği bir yüzey boyunca elektronlar yüzey üzerinde her iki yönde ve eşit oranda hareket ederler. George Gamow’un, popüler bilim kitabı “1-2-3 Sonsuz…Sonsuz Bilimin Gerçekleri ve Çözümlenmesi” (1947) kitabında belirttiği gibi “Metalik maddeler, dış kabuklarının atoma gevşek bağlanması nedeniyle ve genellikle elektronlardan birini hareket etmekte özgür kıldığı için diğer maddelerden farklıdır. Böylelikle, metalin içinin çok sayıda atomuna tam bağlanmamış elektronlardan oluştuğu görülebilir. Bu elektronlar kalabalık içerisinde hareket eden insanlar gibi amaçsızca dolanabilir. Bir metal telin zıt uçlarına elektriksel kuvvet uygulandığında ise bu serbest elektronlar iletken katının yük taşıyıcıları olurlar ve biz bu duruma elektrik akımı deriz.

Bir metal telin iki ucu boyunca herhangi bir DC gerilim kaynağı, örneğin bir batarya uygulandığı takdirde, iletken tel boyunca elektrik alanı oluşturulmuş olur. Elektrik alan ile serbest elektronlar arasında anlık temas kurulduğu an, elektronlar pozitif uca sürüklenmeye zorlanırlar. Bundan dolayı tipik bir katı iletkende yük taşıyıcıları elektronlardır.

Elektrik akımı bir manyetik alan meydana getirir. Bu manyetik alan, akım geçiren teli çevreleyen dairesel alan çizgileri olarak gözde canlandırılabilir.

Elektrik akımı bir galvanometre yardımıyla doğrudan ölçülebilir, ama bu yöntem devrenin koparılmasını gerektirmektedir, bu da bazi durumlarda zorluk yaratır. Akım, devreyi koparmadan, meydana getirdiği manyetik alan sayesinde de ölçülebilir. Bu amaçla kullanılan cihazlar arasında Hall etkisi sensörleri, akım transformatörleri ve Rogowski bobinleri de vardır.

Özel görelilik kuramı kullanılarak manyetik alan, akımı taşıyan parçacıklarla aynı hızda giden bir gözlemci için durağan bir elektrik alan dönüştürülebilir. Zaten akımın kendisi de ölçüldüğü referans sistemine bağlıdır, çünkü akım, parçacıkların hızına ve bu da referans sistemine bağlıdır.

Bir elektromıknatıs bobininde silindirik bir çekirdek üzerinde sarılan yalıtılmış çok sayıda dairesel sarımlar vardır. Bu sarımlar üzerinde elektrik akımı olduğunda silindirik çekirdek bir mıknatıs gibi davranır. Sarımlar üzerindeki akım yok edildiği takdirde bobin aynı anda manyetizma özelliğini kaybeder. Bu tarz aletlere elektromıknatıs diyoruz.

Elektrik akımı manyetik alan üretir. Manyetik alan, telin etrafındaki çembersel alan çizgileri modeliyle göz önünde canlandırabilir. Telin üzerindeki akımın uzunluğu telin uzunluğu boyunca devam eder.

Manyetizma da ayrıca elektrik akımı üretir. Bir iletken, büyüklüğü değiştirilen bir manyetik alana maruz bırakıldığında elektromotor kuvvet (EMF) üretilir. Eğer uygun bir yol varsa iletken üzerinde akım üretilmiş olur.

Elektrik akımı direkt olarak galvanometre ile ölçülebilir fakat bu metot elektriksel devrenin bozulmasına neden olur. Bu durum ölçümü bazen uygunsuz hale getirir. Akım ayrıca kendisiyle ilişkili olan manyetik alanın belirlenmesiyle herhangi bir bozulma olmadan ölçülebilir. Bu ölçümün yapılmasını sağlayan aletler Hall etkisi sensörü, akım kelepçesi, akım transformatörü ve Rogowski bobinidir.

Joule Yasası

Ohm ısınması ya da direnç ısınması olarak bilinen Joule Yasası iletkenin üzerindeki elektrik akımının kanal boyunca ısı yayma işlemiyle ilgilidir. Bu yasayı ilk olarak 1841 yılında James Prescott Joule çalıştı. Joule uzun bir teli sabit kütleye sahip bir suya batırdı ve telin üzerindeki belli bir akımın sudaki sıcaklığı nasıl arttırdığını 30 dakikalık periyotlarla ölçtü. Akımın büyüklüğünü ve telin uzunluğunu değiştirerek yaptığı deneyler neticesinde üretilen ısının teldeki akımın karesiyle ve telin elektriksel direnciyle doğru orantılı olduğunu tespit etti.

Bu ilişki Joule’ün ilk yasası olarak bilinir. Daha sonra, enerjinin Uluslararası Birimler Sistemindeki birimi Joule olarak isimlendirildi ve J sembolüyle gösterilmeye başlandı. Yaygın bir şekilde bilinen gücün birimi watt saniye başına 1 joule’a eşittir.

TAKE THIS COURSE