Elektriğin Hızı

Bilindiğigibi, iletken bir elementin atomunun en dış ‘değerlik’ (‘valens’) yörüngekabuğundaki bir veya birkaç elektron, gereken enerjiyi kazandığı takdirde, omalzemenin yapısı içerisinde, örneğin metal kristalinde serbestçe dolaşmayeteneğine sahip olurlar. Budurumlarıyla iletkenliğe katkıda bulunabildiklerinden, ‘iletim’ veya‘iletkenlik’ elektronları olarak anılırlar. Malzemenin birim hacmi başınailetkenlik elektronlarının sayısı, ki buna n diyelim, elementin türüneve sıcaklığına bağlı olarak değişir. İletkenlik elektronları olağan odakoşulları altında, 1000 km/s düzeyinde hızlarla hareket halinde olmaklabirlikte, onların bu ‘ısıl hareketliliği’ gelişigüzel yönlerde olduğundan, netbir yer değiştirmeyle sonuçlanmaz. Halbuki iletken üzerine bir gerilimuygulandığında, içinde oluşan elektrik alanı, iletim elektronlarına, elektrikalanının tersi yönde bir ivme kazandırır. Ancak, ivmelenen elektronlar ikidebirde, yolları üzerindeki atomlar veya diğer elektronlarla çarpışarak hareketyönlerini değiştirmek zorunda kalmaktadır. Sonuç olarak, alttaki bakır telkesitinde gösterildiği gibi, zig zaklı bir patika izlerler. Fakat elektrikalanı nedeniyle, sürekli olarak alan yönünün tersine ivmelendirildiklerinden,bu yönde, ‘sürüklenme’ (‘drift’) hızı denilen bir hız bileşeni kazanmışolurlar. İletken üzerinden geçen akıma vücut veren, bu hız bileşenidir. Bu hızbileşeninin büyüklüğü hakkında fikir edinmek için, örneğin 1 mm yarıçapındakibir bakır telden 1 amperlik akım geçmekte olduğunu varsayalım. İletimelektronları, birim hacim başına n sayısal yoğunluğuna sahip olduklarınave uygulanan elektrik alanının tersi yönde vD hızıyla hareketettiklerine göre; elektrik alanına dik bir birim alandan saniyede geçen elektronsayısı nvD, yük miktarı ise J=envD olur. Burada J, akım yoğunluğudur ve telin kesit alanı A olarak alınırsa, I=J.A akımıverir. Dolayısıyla, I= envD.A eşitliğinden, vD=I/(enA)elde edilir. Özgül ağırlığı ρ=8,92 g/cm3, kütle numarası 63,5 olanbakır için, atom başına 1 serbest elektron varsayımıyla;

n =(ρ/63,5)NAV = ((8,92 g/cm3)/(63,5 g/mol)) 6,02x1023atom/mol = 8,5×1022 elektron/cm3

olur. 1 amperlik akım, telin kesitinden saniyede 1 Coulomb© eşdeğeri elektron geçtiği anlamına geldiğine ve elektronun yükü 1,6×10-19C, telimizin kesit alanı da A=πR2=π.(10-1 cm)2=3,14×10-2cm2 olduğuna göre;

vD = I/(enA) = (1 C/s)/(1,6×10-19C/e x 8,5×1022 e/cm3 x 3,14×10-2 cm2)= 0,0023 cm/s veya 0,000023 m/s

olarak bulunur

Aslında; iletim elektronlarının sadece küçük bir oranınıniletim işlevine katkıda bulunması; akımın iletken içerisinden homojen birşekilde dağılmış olmayıp, ağırlıklı olarak yüzeyden geçmesi; iletkeninyapısındaki yalıtkan safsızlıklar ve iletkenin kesitindeki daralmalar, bu hızıarttırır. Ancak yine de, elektronların ısıl hareketlilik nedeniyle gelişigüzelyönlerdeki hızları saniyede binlerce metre iken, bir elektrik alanının etkisiylekazandıkları sürüklenme hızı, saniyede birkaç milimetre düzeyindedir. Tabii, buhareket hızı, doğru akım için geçerlidir. Alternatif akım halinde elektronlarsadece, bulundukları ortalama bir konum etrafında, kah bir, kah da diğer yönedoğru salınıp dururlar ve net olarak yer değiştirmezler.

Elektrik akımının hızı, aslında pek bir şey ifade etmiyor.Çünkü elektrik sinyalleri, içinde adeta bir elektron denizi barındırmakta olaniletken üzerinden, elektronların hareketiyle değil, elektronların birbirlerini,etraflarında oluşturdukları elektrik alanları aracılığıyla etkilemelerisayesinde veya sonucunda yayılıyor. Elektrik alanlarının seyahat hızı ise;boşlukta ışık hızına eşit, iletken ortamlarda da ışık hızına yakın.

Kısacası, Alternatif akımda, akımın ortalama hızı sıfır.Doğru akım içinse; özellikleri ve geometri boyutları bilinen bir iletkendengeçen akım ölçüldüğünde, akım değerinden hareketle, bu akımı oluşturan yüklerinortalama hareket hızını hesaplamak mümkün. Dolayısıyla, ‘akımın hızı’, dolaylıolarak ölçülmüş oluyor. Bu yüzden, doğrudan ‘akım hızı ölçeri’ne gereksinimduyulmuyor olsa gerek. Fakat, doğru akımın hızını, en az bir durumda, doğrudanölçmek mümkün. Tuz kristali 700°C’ye ısıtıldığında iletken hale gelir ve busıcaklığın üzerindeki bir tuz kristaline yeterince yüksek bir DC gerilimuygulandığında, akımı ileten elektronlar kristal içerisinde ilerledikçe,kristalin rengini değiştirir. Dolayısıyla, kristal boyunca ilerleyen bir renkkoyuluğunun hızını ölçmek suretiyle, akımın hızı ölçülebilir.

Kaynak:Tübitak