Elektrik Hızı Kaçtır Nasıl Ölçeriz

Bilindiği gibi, iletken bir elementin atomunun en dış ‘değerlik’ (‘valens’) yörünge kabuğundaki bir veya birkaç elektron, gereken enerjiyi kazandığı takdirde, o malzemenin yapısı içerisinde, örneğin metal kristalinde serbestçe dolaşma yeteneğine sahip olurlar.

Bu durumlarıyla iletkenliğe katkıda bulunabildiklerinden, ‘iletim’ veya ‘iletkenlik’ elektronları olarak anılırlar. Malzemenin birim hacmi başına iletkenlik elektronlarının sayısı, ki buna n diyelim, elementin türüne ve sıcaklığına bağlı olarak değişir. İletkenlik elektronları olağan oda koşulları altında, 1000 km/s düzeyinde hızlarla hareket halinde olmakla birlikte, onların bu ‘ısıl hareketliliği’ gelişigüzel yönlerde olduğundan, net bir yer değiştirmeyle sonuçlanmaz.
 
Halbuki iletken üzerine bir gerilim uygulandığında, içinde oluşan elektrik alanı, iletim elektronlarına, elektrik alanının tersi yönde bir ivme kazandırır. Ancak, ivmelenen elektronlar ikide birde, yolları üzerindeki atomlar veya diğer elektronlarla çarpışarak hareket yönlerini değiştirmek zorunda kalmaktadır. Sonuç olarak, alttaki bakır tel kesitinde gösterildiği gibi, zig zaklı bir patika izlerler.
 
Fakat elektrik alanı nedeniyle, sürekli olarak alan yönünün tersine ivmelendirildiklerinden, bu yönde, ‘sürüklenme’ (‘drift’) hızı denilen bir hız bileşeni kazanmış olurlar. İletken üzerinden geçen akıma vücut veren, bu hız bileşenidir. Bu hız bileşeninin büyüklüğü hakkında fikir edinmek için, örneğin 1 mm yarıçapındaki bir bakır telden 1 amperlik akım geçmekte olduğunu varsayalım. İletim elektronları, birim hacim başına n sayısal yoğunluğuna sahip olduklarına ve uygulanan elektrik alanının tersi yönde vD hızıyla hareket ettiklerine göre; elektrik alanına dik bir birim alandan saniyede geçen elektron sayısı nvD, yük miktarı ise J=envD olur.
Burada J, akım yoğunluğudur ve telin kesit alanı A olarak alınırsa, I=J.A akımı verir. Dolayısıyla, I= envD.A eşitliğinden, vD=I/(enA) elde edilir.
Özgül ağırlığı ρ=8,92 g/cm3, kütle numarası 63,5 olan bakır için, atom başına 1 serbest elektron varsayımıyla;

Image

n = (ρ/63,5)NAV = ((8,92 g/cm3)/(63,5 g/mol)) 6,02×1023 atom/mol = 8,5×1022 elektron/cm3

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

vD = I/(enA) = (1 C/s)/(1,6×10-19 C/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 oranının iletim işlevine katkıda bulunması; akımın iletken içerisinden homojen bir şekilde dağılmış olmayıp, ağırlıklı olarak yüzeyden geçmesi; iletkenin yapısındaki yalıtkan safsızlıklar ve iletkenin kesitindeki daralmalar, bu hızı arttırır. Ancak yine de, elektronların ısıl hareketlilik nedeniyle gelişigüzel yönlerdeki hızları saniyede binlerce metre iken, bir elektrik alanının etkisiyle kazandıkları sürüklenme hızı, saniyede birkaç milimetre düzeyindedir. Tabii, bu hareket hızı, doğru akım için geçerlidir. Alternatif akım halinde elektronlar sadece, bulundukları ortalama bir konum etrafında, kah bir, kah da diğer yöne doğru 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 olan iletken üzerinden, elektronların hareketiyle değil, elektronların birbirlerini, etraflarında oluşturdukları elektrik alanları aracılığıyla etkilemeleri sayesinde 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 iletkenden geçen akım ölçüldüğünde, akım değerinden hareketle, bu akımı oluşturan yüklerin ortalama hareket hızını hesaplamak mümkün. Dolayısıyla, ‘akımın hızı’, dolaylı olarak ölçülmüş oluyor. Bu yüzden, doğrudan ‘akım hızı ölçeri’ne gereksinim duyulmuyor olsa gerek. Fakat, doğru akımın hızını, en az bir durumda, doğrudan ölçmek mümkün. Tuz kristali 700°C’ye ısıtıldığında iletken hale gelir ve bu sıcaklığın üzerindeki bir tuz kristaline yeterince yüksek bir DC gerilim uygulandığında, akımı ileten elektronlar kristal içerisinde ilerledikçe, kristalin rengini değiştirir. Dolayısıyla, kristal boyunca ilerleyen bir renk koyuluğunun hızını ölçmek suretiyle, akımın hızı ölçülebilir.

 

Kaynak:Tübitak 

Bu yazı Uncategorised kategorisine gönderilmiş. Kalıcı bağlantıyı yer imlerinize ekleyin.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir