Elektrik akımı

Basit bir elektrik devresi. Burada akım i ile gösterilmiştir. Potansiyel (v), direnç (R) ve akım (i) arasındaki ilişki V= IR ile gösterilir. Bu formül Ohm Kanunu olarak bilinir.

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.

Elektron akımının yönü, elektronların yönü, yıldırımın yönü, şimşeğin yönü

Elektrik akımıyla meydana gelen; elektrik iletimi, yıldırım oluşması, şimşek oluşması gibi olaylar maddelerin atomlarının etrafındaki serbest elektronların hareketlerinden ibarettir. Elektronlar eksi yüklüdür. Günümüzdeki teoriler elektrik akım yönünün eksiden(-), artıya(+) doğru olduğunu göstermektedir. Elektrik şemalarında akım yönü eskiden kalmış alışkanlık olduğu için pratiklik açısından (+)dan (-)ye şeklinde gösterilir, gerçekte bu yanlış bir bilgidir, modern bilimde hesaplamalarda kitaplarda düzeltilmesi gerekir. Yıldırım oluşmasında, yağmurlu havada bulutlar + yükte ise yıldırım topraktan havaya doğru oluşur, bulutlar - yüklü ise yıldırım bulutlardan toprağa doğru akar.

Sembol

Akımın geleneksel sembolü I’dır. Bu sembolün kaynağı Fransız bir deyişi olan“intensité de courant” dır ve anlamı akım şiddetidir. Akım şiddeti genellikle akım olarak adlandırılır. I sembolü Andre Marie Ampere tarafından kullanıldı. Kendi adını taşıyan Ampere Yasası 1820 yılında keşfetti ve daha sonra elektrik akımının birimi Amper olarak isimlendirildi. Bir ya da birkaç dergi 1896 yılına kadar C yerine I kullanmamasına ragmen bu simge Fransa’dan Büyük Britanya’ya kadar ulaştı ve standart bir kullanıma dönüştü

Elektrik akımının fiziği

Kuralları

Bu elektrik devresinde yük taşıyıcıları elektronlardır ve elektronlar elektrik akımına ters yönde hareket hareket etmektedir.

Bu sembol bir devredeki bataryayı temsil etmektedir.

İletken maddelerdeki elektrik akımını oluşturan hareketli yüklü parçacıklara yük taşıyıcıları denir. Elektrik devrelerindeki telleri ve diğer iletkenleri oluşturan metallerde, pozitif yüklü atom çekirdeği sabit bir konumda tutulur ama negatif yüklü elektronlar hareket edebilecek kadar özgürdür. Böylelikle metaller kendi yüklerinin bir konumdan diğer bir konuma taşınmasına izin verirler. Diğer maddelerde, özellikle yarı iletkenlerde, taşınan yükler pozitif ya da negatif yükler olabilir. Hangi maddenin elektrik akımında taşınacağını belirleyen şey kullanılan diğer katkı maddelerdir. Pozitif ve negatif yük taşıyıcıları bazen eş zamanlı olarak da bulunabilir. Bu olay elektrokimyasal pilde gerçekleşebilmektedir.

Pozitif yüklerin akışı aynı elektrik akımını verir. Elektrik akımına zıt yönde hareket eden elektronların akışı gibi aynı etkiye sahiptir. Akım, pozitif ya da negatif yüklerin akışı ile oluşturulabilir. Bundan dolayı akım yönünün neresi olacağına dair kural, yük taşıyıcıların pozitif ve negatif olmasından bağımsızdır. Akımın yönü keyfi olarak tanımlanmıştır ve bu yön pozitif yüklerin hareket yönüyle aynıdır.

Bu kuralın geleneksel bir sonucu vardır. Metal tellerde ve elektrik devrelerindeki diğer kısımlarda yük taşıyıcıları elektronlar olduğu için, bir elektrik devresindeki yük akışı daha önce geleneksel olarak belirlenmiş elektrik akımının yönünün tersidir.

Referans Yönü

Teldeki ya da bir bileşendeki akım her iki yönde olabileceği için, pozitif yüklerin akış yönü bir notasyonla simgelenmelidir. I değişkeni akımı temsil etmek için kullanılır ve şematik olarak çizilmiş elektrik devresinde her zaman bir ok ile gösterilir. Buna I akımının referans yönü denir. Eğer akım ters yönde hareket ediyorsa I değişkeni negatif bir değere sahip olur.

Elektrik devreleri analiz edildiğinde, herhangi bir devre elemanının üzerinden geçen akımın yönü ilk olarak bilinemez. Bundan dolayı akımın referans yönü önce keyfi olarak belirlenir. Devredeki akımlar çözüldüğünde, bir devre elemanının üstünden geçen akımın negatif değere olması seçilen referans yönüne ters yönde hareket ettiğini gösterir. Elektronik devrelerde, akımın referans yönü genellikle bütün akımlar zemine doğru hareket ediyormuş gibi seçilir. Bu genellikle akımın gerçek yönüne karşılık gelir çünkü güç kaynağı potansiyeli çoğu devrede yere göre pozitiftir.

Çeşitli ortamlarda elektrik akımı

Metalik katılarda elektrik yükü elektron ile düşük elektriksel potansiyelden yüksek elektriksel potansiyele doğru akar. Diğer alanlarda herhangi bir yüklü objenin akışı ( örneğin iyonlar) bir elektrik akımına sebep olabilir. Yük taşıyıcıların türünden bağımsız bir akım tanımı yapmak gerekirse, geleneksel olarak akım pozitif yüklerin akış yönüyle aynı yöndedir. Metallerde yük taşıyıcıları elektronlar negatif olduğu için akım elektronların akış yönünün tersi yönündedir. Yük taşıyıcıların pozitif olduğu iletkenlerde ise akımın yönü yük taşıyıcıların hareket yönüyle aynıdır

Boşlukta iyon ya da elektron demeti oluşabilir. Diğer iletken maddelerde ise elektrik akımı hem pozitif yüklü parçacıkların hem de negatif yüklü parçacıkların aynı zamanda hareket etmesiyle oluşabilir. Diğerleri içinse elektrik akımı tamamıyla pozitif yük akışı ile sağlanabilir. Örneğin elektrolitlerdeki elektrik akımı pozitif ve negatif yüklü iyonların akışıyla gerçekleşir. Kurşun asit elektrokimyasal pillerdeki elektrik akımı pozitif hidrojen iyonlarının bir yönde, negatif sülfat iyonlarının ise diğer yönde hareket etmesiyle oluşur. Kıvılcımlardaki ve plazmalardaki elektrik akımı elektronlardan kaynaklı olduğu gibi pozitif ve negatif iyonlardan da kaynaklıdır. Buz ve belli katı elektrolitlerdeki elektrik akımı tamamıyla iyonların akışından oluşmaktadır.

Metaller üzerindeki akım

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.

Yüklerin herhangi bir yüzey boyunca kararlı akışı olan akım ( amper cinsinden ) aşağıdaki denklemle hesaplanabilir.

$I={Q \over t}\,,$

Burada Q, t zamanı içerisinde yüzey boyunca iletilmiş elektriksel yüktür. Eğer Q ve t, coulomb ve saniye cinsinden ölçülürse, I amper cinsinden olur. .

Daha genel olarak, elektrik akımı verilmiş yüzey boyunca yüklerin akış hızı olarak betimlenebilir.

$I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}\,.$

Gazlar ve plazmalar

Havadaki ve kırılımın aşağısındaki sıradan gazlarda elektriksel iletimin etkin bileşeni radyoaktif gazlar, ultraviyole ışık ya da kozmik ışınlar tarafından oluşturulan görece az hareketli iyonlardır. Gazlar yalıtkandır. Çünkü elektriksel iletkenlikleri düşüktür. Ama uygulanan elektrik alan kırılım değerine yaklaştığında serbest elektronlar elektrik alan tarafından yeterince ivmelenecek konuma gelirler. Elektriksel kırılım plazma oluşturabilecek bir süreçtir. Bir plazma yeterince hareketli elektron ve pozitif iyon taşıdığı için elektriksel iletkene dönüşür. Bu işlem boyunca plazma kıvılcım, elektrik ark, yıldırım gibi ışık emici iletken yol formunu alır.

Plazma, atomlardan ya da moleküllerden uzaklaştırılmış elektronların bulunduğu maddenin hallerden biridir. Bir plazma ancak ya yüksek sıcaklık ya da yüksek elektrik uygulaması ile ya da yukarıda bahsedildiği gibi değişen manyetik alan ile oluşturulabilir. Elektronlar protonlardan daha az kütleye sahip oldukları için plazma içerisinde onlardan hızlı bir şekilde ivmelenebilirler. Bundan dolayı akım yığınını elektronlar taşırlar. Serbest iyonlar yeni kimyasal bileşikler yapmak için yeniden birleşime katılabilirler. ( Örneğin atmosferdeki oksijenin tek oksijene parçalanması [O₂ → 20], daha sonra bir araya toplanarak ozon oluşturması [O₃]).

Boşlukta

İdeal bir boşlukta yüklü parçacıklar olmadığı için boşluk elektriksel olarak mükemmel bir yalıtkan gibi davranır. Ama metal elektrot yüzeyi boşluktaki alanın iletken olmasını sağlayabilir. Bunu, serbest elektronları ya da iyonları elektron alan emisyonu ya da termiyonik emisyon ile enjekte ederek yapar. Termiyonik emisyon, termal enerjinin metalin çalışma fonksiyonunu aştığında gerçekleşir. Elektron alan yayılımı ise metalin yüzeyindeki elektrik alanın kuantum tünellemeye neden olacak şekilde yüksek olduğu zamanlar gerçekleşir. Bunun sonucu olarak metaldeki serbest elektronlar boşluğa enjekte edilir. Dışarıdan ısı verilen elektrotlar bir elektron bulutu oluşturmak için kullanılır. Lamba teli ya da dolaylı olarak elektron tüpünün ısı verilen katodu gibi. Ayrıca soğuk katotlar termiyonik emisyon ile kendiliğinden elektron bulutu yaratabilirler. Aynı zamanda küçük akkor alanlar (katot ya da anot noktası da denilir) oluşturulabilir. Bunlar, yeri belirlenmiş yüksek akımlar tarafından yaratılan elektrot yüzeyinin akkor bölgeleridir. Bu bölgeler elektron alan yayılımı tarafından başlatılmış olabilir fakat daha sonra konumlandırılmış termiyonik emisyon tarafından devam ettirilir boşluk arkı oluştuğunda. Bu küçük elektron yayan alanlar yüksek elektrik alana maruz bırakılan metal yüzeyler üzerinde oldukça hızlı bir şekilde oluşur. Elektron tüpü ve Kriton elektronik anahtarlarından bazılarıdır

Süper iletkenlik

Süper iletkenlik elektriksel olarak tamamıyla sıfır dirence sahip olma olgusudur. Ayrıca belirli kritik bir sıcaklığa soğutulmuş maddelerde gerçekleşen manyetik alan uzaklaştırmasıdır. Süper iletkenlik 8 Nisan 1911 yılında Heike Kamerlingh Onnes tarafından Leiden’de keşfedilmiştir. Ferromıknatıslık ve atomik spekstroskobi gibi, süper iletkenlik kuantum mekaniğinin bir olgusudur. Süper iletkenlik Meissner etkisi ile karakterize edilmiştir. Süper iletken konumuna geçildiğinde manyetik alan çizgileri süper iletkenin iç kısmından tamamıyla çıkarılır. Meissner etkisi olayı, süper iletkenliğin klasik fizikteki idealleştirilmiş mükemmel iletkenlik algısıyla anlaşılamayacağını vurgular.

Yarı iletken

Yarı iletkenlerdeki akımın nedenini pozitif deliklerin akışı olarak düşünmek bazen yararlıdır. ( hareketli pozitif yükler taşır, bu delikler yarı iletken kristallerin değerlik elektronlarını kaybettiği yerdir). Bu p tipi yarı iletkenlerde gerçekleşen bir durumdur. Bir yarı iletken büyüklük olarak iletken ve yalıtkanın ortasında bir elektriksel iletkenlik değerine sahiptir. Yani yarı iletkenlerde iletkenlik kabaca santimetre başına 10⁻² 10⁴ siemens arasında değişir (S*cm⁻¹).

Klasik kristal yarı iletkenlerde elektronlar belirli bir bant (enerji seviyesi menzili) sınırı içinde enerjiye sahip olabilirler. Enerjik olarak bu bantlar atomun uyarılmamış halinin enerjisi ile serbest elektronun enerjisi arasında bir yerdedir. Uyarılmamış hal, elektronların atom çekirdeğine sıkıca bağlı olduğu bir haldir. Serbest elektron enerjisi ise bir elektronu maddeden tamamıyla koparmak için gerekli olan enerjidir. Her bir enerji bandı elektronların çok sayıda farklı kuantum durumlarına karşılık gelir. Düşük enerjili çoğu hal (çekirdeğe yakın olma) belirli bir banda, yani değerlik bir banda kadar doldurulmuş haldedir. Yarı iletken ve yalıtkanlar metallerden farklıdır çünkü herhangi bir metalin değerlik bandı sıradan çalışma koşulları altındaki elektronlar tarafından doldurulmuştur. Çok az sayıda yarı iletken iletim bandındadır

Yarı iletkenlerin değerlik bandından iletim bandına elektronları uyarabilme kolaylığı bantlar arasındaki farka bağlıdır. Bantlar arasındaki enerji boyutundaki bu fark yarı iletken ve yalıtkanlar arasındaki keyfi ayırıcı çizgi (yaklaşık olarak 4eV) olarak görev edinmektedir.

Kovalent bağlarda, bir elektron komşusundaki bir kimyasal bağa katılabilir. Pauli dışlama ilkesi, elektronların yüksek anti bağ durumuna yükseltilmesi gerektiğini belirtir. Bir boyutun söz konusu olduğu lokalleşmemiş durumlarda, yani nanotellerde, her bir enerji için elektronların tek bir yönde aktığı bir hal görülür. Diğer hallerde ise elektronların diğer yönde akması söz konusudur. Net akım akışı için herhangi bir yöndeki daha fazla hal diğer yöndekinden daha çok işgal edilmelidir. Bunun olabilmesi enerji gereklidir. Genellikle şu belirtilir : Dolu band elektriksel iletkenliğe katkıda bulunmaz. Ama bir yarı iletkenin sıcaklığı mutlak sıfırın üstüne çıktığında, yarı iletkenin içinde kafes titreşimi tüketimi yapmak ve iletim bandına elektronları uyarmak için çok enerji gereklidir. İletim bandındaki akım taşıyan bu elektronlara serbest elektronlar denir.

Elektrolitler üzerindeki akım

Elektrolitler içlerinde elektrik akımını mümkün kılacak serbest iyonlar bulunduran maddelerdir. Örneğin eğer elektrik alan Na+ ve CI- dan oluşan bir çözeltiye uygulanırsa (ve koşullar uygunsa ) Sodyum iyonları negatif elektroda (katod) doğru hareket edecektir. Klor iyonları ise pozitif elektroda (anod) doğru hareket edecektir. Reaksiyon iyonları absorbe eden her iki elektrot yüzeyinde de gerçekleşecektir. Elektrokimyasal hücreler bir elektrolit ve bu elektrolide yerleştirilmiş elektrotlardan oluşur. Bu hücreler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine çevirmek (pil) ya da elektrik enerjisi kullanarak bir kimyasal tepkimeyi gerçekleştirmek için (elektroliz) kullanılırlar. Her iki durumda da elektrotların çevresinde iyonlar oluşur ya da yok olur. Bu tepkimeler sırasında elektrolit içerisinde birbirini nötrleyen ya da birbirinden ayrılan anyon ve katyonlar (negatif ve pozitif yüklü iyonlar) elektrotlara doğru ya da aksi yönde hareketleri sırasında elektrik akımını oluştururlar. Örnek olarak, sıkça rastlanan kurşunlu pillerde elektrik akımı pozitif yüklü hidrojen iyonlarının bir yöne negatif yüklü sülfat iyonlarının diğer yöne hareket etmesinden meydana gelir.

Proton iletkenleri olarak adlandırılan su-buz ve belli katı elektrolitler hareket edebilen hidrojen iyonlarına (proton) sahiptir. Bu gibi maddelerde elektrik akımı hareket hâlindeki protonlardan oluşur. Bu durum metallerdeki elektron hareketinin tersidir

Belirli elektrolit karışımlarda hareketli elektrik yükler açık renge sahiptir. Renkteki bu yavaş ilerleme akımı görülebilir hale getirir.

Diğer ortamlar

Vakumda elektronlardan ya da iyonlardan meydana gelmiş bir ışın elektrik akımına neden olabilir. Benzer şekilde kıvılcım ve plazmalarda elektrik akımı hareket eden elektronlar ve pozitif ya da negatif yüklü iyonlardan meydana gelir. Yarı iletkenler üzerinde elektrik akımı, elektronların yanı sıra, pozitif yüklü elektron boşlukları (Yarı iletken kristali üzerinde eksik olan değerlik elektronlar) tarafından da taşınır. P tipi yarı iletkenlerde elektrik akımı büyük oranda bu şekilde oluşur.

Elektromanyetizma

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 dönüştürüllebilir. Zaten akımın kendisi de ölçüldüğü referans sistemine bağlıdır, çünkü akım, parçacıkların hızına ve bu da referans sistemine bağlıdır.

Elektromıknatıs

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.

Amper yasasına göre, bir elektrik akımı manyetik alan üretir.

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.

Radyo dalgaları

Bir elektrik akımı uygun şekilli bir iletken üzerinde radyo frekansıyla aktığında radyo dalgaları üretilir. Bu dalgalar ışık hızında seyahat eder ve uzak iletkenlerde bir elektrik akımına neden olabilirler.

Matematiksel modeller

Akım miktarının hesaplanması

Sabit bir akım I amper olarak şu şekilde hesaplanabilir:

$I={Q \over t}$

burada

$Q\!\$ ölçülen süre boyunca kesitten geçen elektrik yükü, coulomb (amper saniye) olarak ve

$t\!\$ zaman, saniye olarak

Devamında:

$Q=It\!\$ ve $t={Q \over I}$

Ohm yasası

Ohm Kanunu, elektrik devresinde iki nokta arasında kalan bir iletkenin üzerinden geçen akımın, bu iki nokta arasındaki potansiyel farkıyla doğru orantılı olduğunu belirtir. Bir diğer deyişle; ideal bir direnç veya diğer omik aygıtlarda uygulanan gerilimin akıma oranıdır. Bu orantılılık direncin tanımını verir. Bu ilişkiyi tanımlayan matematiksel denklem oldukça popülerdir.

$I={\frac {v}{R}}$

Burada I, iletkenin üzerinden geçen akımdır ve bu akımın birimi Amperdir. Formüldeki V bu iletkenin uçları arasında ölçülen potansiyel farktır ve birimi Volttur. R ise iletkenin direncidir ve birimi ohm’dur. Özel olarak belirtilmeli ki, Ohm kanunu R’nin akımdan bağımsız bir sabit olduğunu göstermektedir.

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.

$Q\propto I^{2}R$

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.

Akım yoğunluğu

Elektrik akımı yoğunluğunun bir ölçümüdür. Bu elektrik akımının seçili alana oranını veren bir vektörel büyüklüktür SI birimlerinde, akım yoğunluğu amper bölü metrekare ile ölçülür.

$J={\frac {I}{S}}$

Akım yoğunluğu ve Ohm yasası ilişkisi

Akım yoğunluğu, elektrik akımının yoğunluğu olarak tanımlanır. Akım yoğunluğu birim alan başına düşen elektrik akımı vektörüdür. Uluslararası Birimler Sisteminde metre kare başına amper cinsinden birimlendirilir.

$I=\int {\vec {J}}\cdot d{\vec {A}}$

Burada $I$ iletkendeki akım, ${\vec {J}}$ akım yoğunluğu, ve $d{\vec {A}}$ ise kesit alanı vektörünün diferansiyelidir.

Belirli bir dirence sahip maddelerdeki akım yoğunluğu ${\vec {J}}$ (birim alan başına elektrik akımı) bulunduğu ortamdaki elektrik alanı ${\vec {E}}$ ile doğru orantılıdır. Bu orantılılık maddenin iletkenliği $\sigma$ olarak adlandırılır. Maddenin iletkenliği maddenin kendine has özelliği ile ilgilidir. Daha genel olarak, maddenin iletkenliği maddenin sıcaklığına bağlıdır

${\vec {J}}=\sigma {\vec {E}}\,$

Maddenin iletkenliğinin $\sigma$ ) karşıtı olan terim ise maddenin direncidir $\rho$.

${\vec {J}}={\frac {\vec {E}}{\rho }}$ ya

${\vec {E}}=\rho {\vec {J}}$

Yarı iletkenlerdeki iletim sürüklenme ve difüzyonun ortak etkisiyle ile gerçekleşebilir. Bu iletkenlik difüzyon sabiti $D$ ve yük yoğunluğu $\alpha _{q}$ ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla akım yoğunluğu :

$J=\sigma E+Dq\nabla n,$

Burada $q$ temel yük, $n$ ise elektron yoğunluğudur. Yük taşıyıcıları yoğunluğun az olduğu yöne doğru ilerler. Bu yüzden, pozitif akım elektronlar için pozitif yoğunluk gradyanı ile sonuçlanır

Doğrusal anizotrop maddelerde, SİMGELER tensörlerdir.

Düşük frekans altında, metal gibi doğrusal maddelerin yüzeyindeki yük yoğunluğu her yerde aynıdır. Bu gibi durumlarda Ohm yasası, metalin baş ve son kısımları arasındaki potansiyel farkının üzerinden geçen akım ile doğru orantılı olduğunu belirtir

$I={V \over R}\,,$

burada $I$ akımdır ve amper cinsinden ölçülür. $V$metalin uç noktaları arasındaki potansiyel farktır ve volt cinsinden ölçülür. $R$ ise metalin direncidir ve ohm cinsinden ölçülür. Yüksek frekansın söz konusu olduğu alternatif akımlardaki deri etkisi, iletkenin kesit alanı boyunca ilerleyen akımın düzensiz dağılmasına neden olur. Böylelikle yüzeyin yakınında akım yoğunluğu daha fazla olur ve bu durum direncin artmasına neden olur.

Sürüklenme hızı

İletken içerisindeki hareketli yüklü parçacıklar tıp ki gazlar gibi rastgele yönlerde hareket ederler. Net bir yük akışının olması için yüklü parçacıklar ortalama bir sürüklenme hızıyla hareket etmelidir.Metallerdeki yük taşıyıcıları elektronlardır ve bunlar bir atomdan başka bir atoma çarpa çarpa düzensiz bir yol izlerler. Başka bir deyişle kararsız yolla akarlar (atomdan atoma sıçrarlar), fakat genellikle elektriksel alan yönünde akarlar. Fakat genel olarak, elektrik alan vektörüne ters yönde sürüklenirler. Elektronların sürüklenme hızı aşağıdaki denklemden hesaplanabilir :

$I=nAvQ\,,$

burada

$I$ elektrik akımı

$n$ birim hacimdeki yüklü parçacık sayısı

$A$ iletkenin kesit alanı

$v$ sürüklenme hızı

$Q$ her bir parçacık üzerindeki yüktür

Karakteristik olarak elektrik yükleri bir katı içerisinde yavaş hareket eder. Örneğin 0.5 mm^2 kesit alanına ve 5 amperlik akıma sahip bir bakır tel içerisindeki elektronların sürüklenme hızı saniyede bir milimetre kadardır. Fakat başka bir örnek verilecek olursa, elektronlar katot ışın tüpünün içindeki boşlukta hem düz bir çizgiye yakın bir yol izlerler hem de ışık hızının onda biri kadar bir hız ile ilerlerler.

Katı maddedeki elektrik akışı tipik olarak çok yavaştır. Örneğin, 0.5 mm² kesitli bir bakır tel 5 A lik bir akım taşırken elektronların akım yönündeki ortalama hızı saniyede milimetreler mertebesindedir. Buna karşılık katot ışınlı tüplerin içerisindeki neredeyse vakum ortamda elektronlar neredeyse doğrusal rotalarda ışık hızının onda birine yakın hızlarda hareket ederler.

Elektriksel yük taşıyan parçacıklar hızlı ya da yavaş da hareket etse, iletkenin yüzeyinde oluşan elektriksel sinyaller genelde ışık hızına yakın hızlarda ilerlerler. Bu sonuca Maxwell denklemlerinin çözümüyle varılabilir. İlk bakışta sezgiye aykırı görünen bu durum bilardo toplarının çok hızlı hareket etmediklerinde bile çarpışmanın etkisini neredeyse anında iletmelerine benzetilerek açıklanabilir.

Elektrik yüklerinin kazanacağı herhangi bir ivme, yani elektrik akımındaki herhangi bir değişiklik elektromanyetik dalgaların oluşmasına neden olur. Bu dalgalar, iletkenin yüzeyinden dışarıya çok yüksek hızlarda yayılır. Maxwell denklemlerinden de hesaplanabileceği üzere bu hız ışık hızına göre hesaplandığında oldukça önemli bir kesir ile ifade edilir. Bundan dolayı elektromanyetik dalga hızı çoğu zaman elektronların sürüklenme hızından büyüktür. Örneğin elektrik iletim hatlarındaki elektromanyetik dalgalar teller arasındaki boşlukta, kaynaktan başlayarak uzak bir yüke kadar yayılabilir. Fakat tel içerisindeki elektronlar yalnızca geriye doğru ve biraz da ileriye doğru küçük mesafeler katedebilir.

Elektromanyetik dalga hızının ışığın boşluktaki hızına oranı, hız faktörü olarak tanımlanır. Bu oran iletkenin şekil ve boyutuna, elektromanyetik özelliğine ve çevresini saran yalıtkan maddelere bağlı olarak değişir

Bahsedilen bu üç hız benzerlik açısından gazların hızları ile karşılaştırılabilir.

• Yük taşıyıcıların düşük sürüklenme hızı, havanın hareketine (rüzgâr) benzemektedir
• Elektromanyetik dalgaların yüksek hızı gaz molekülleri içerisinde hareket eden ses hızına benzemektedir. ( Bu dalgalar bir ortamda her bir parçacıktan daha hızlı hareket eder.)
• Elektrik yüklerinin rastgele hareketi, rastgele titreşen gaz parçacıklarının termal ısı hızını çağrıştırır.

Doğru akım ve alternatif akım

Doğru akım batarya, termokupl, güneş pili, komütatör tipi elektrik makinesi gibi kaynaklar tarafından oluşturulabilir. Doğru akım tel gibi iletkenlerde akabildiği gibi; yarı iletken, yalıtkan hatta katot ışını tüpünde olduğu gibi boşlukta dahi akışa sahip olabilir. Doğru akımı alternatif akımdan (AC) ayıran şey elektrik yüklerinin sabit bir yönde hareket etmesidir. Geçmişte doğru akım için kullanılan terim “galvanik” akımdı. Doğru akım elektrik yükünün hep aynı yönde akmasıyla oluşur. Buna karşılık alternatif akımda eşit zaman aralıklarıyla akım yönü tersine döner. Bunların üretilmesi, iletilmesi ve kullanılması çok farklı özellikler gösterirler. Çeşitli elektronik devre elemanları kullanılarak bu iki akımı birbirine dönüştürmek mümkündür.

Elektrik enerjisi, çeşitli yöntemlerle diğer enerji çeşitlerinin dönüştürülmesiyle üretilir. Ortaya çıkan akım doğru ya da alternatif akım olabilir. Doğru akım en yaygın olarak kimyasal pillerde, güneş pillerinde ve dinamolarda(doğru akım motoru) üretilir. Alternatif akım ise genellikle alternatif akım motorlarında üretilir.

Altenatif akım (AC) devrelerinde elektrik yüklerinin hareketi periyodik olarak yönünü tersine çevirecek şekildedir. Doğru akımda (DC) ise elektrik yüklerinin akışı yalnızca tek yönlüdür.

Evlere ve işyerlerine verilen elektrik alternatif akımdır. AC güç devresinin klasik dalga formu sinüs dalgasıdır. Belirli uygulamalar üçgen dalga ya da kare dalga gibi farklı dalga formlarını kullanabilirler. Elektriksel tellerde taşınan ses ve radyo sinyalleri alternatif akıma örnek olarak verilebilir. Bilgileri AC sinyalleri olarak şifreleme ve dönüştürme bu uygulamaların önemli bir amacıdır.

Kullanılan elektriğin büyük çoğunluğu herhangi bir enerji çeşidinin önce hareket enerjisine, oradan elektrik enerjisine çevrilmesiyle elde edilir. Alternatif akım motorları genel olarak doğru akım motorlarından daha ucuza mal olurlar, bakımları daha kolaydır ve daha yüksek verimde çalışırlar. Dolayısıyla alternatif akım büyük miktarda üretime daha uygundur. Bunun yanında alternatif akımın iletimi de çeşitli nedenlerden çok daha ucuz ve verimli bir şekilde yapılabilir. Elektrik şebekesinin alternatif akım taşıması bu nedenlerden ötürüdür. Buna karşılık elektrik şebekesinden uzak ya da taşınabilir uygulamalarda piller yardımıyla doğru akım elde etmek daha kolaydır.

Elektrik enerjisinin hareket enerjisine dönüştürülmesinde de alternatif akım motorları benzer avantajlara sahiplerdir. Bu yüzden hareket enerjisi gerektiren uygulamalarda (örneğin elektrikli ev aletleri) alternatif akım tercih edilir. Öte yandan, doğru akım, elektronik cihazların (özellikle dijital) çalışması için çok daha uygundur.

Oluşumu

Elektrik akımı içeren şimşek, statik elektrik, güneş rüzgârı ve kutup ışığı kaynakları elektrik akımının doğada ve evrende görülen örnekleridir.

Metal tellerde bulunan iletim elektronlarının akışını içeren elektrik akımı ise insan yapımıdır. Sokaklarda bulunan elektrik direkleri buna örnek olarak verilebilir. Bu elektrik direkleri elektriksel ve elektronik ekipmanlar içeren küçük teller vasıtasıyla elektriksel enerjinin uzun mesafelere dağıtılmasını sağlar. Eddy akımı ise değiştirilen manyetik alan ile oluşturulan bir akım çeşididir. Benzer şekilde, elektrik akımının iletkenin özellikle yüzeyinde gerçekleşmesi elektromanyetik dalgalara maruz kalmasından dolayıdır. Salınımlı elektrik akımı uygun bir voltaj ile radyo anteni içinde aktığında radyo dalgaları üretilir.

Elektronikte, elektrik akımı içeren başka formlardan bahsedilecek olursa, bir elektron tüpü boyunca ya da bir direnç boyunca elektronların akışı örnek olarak verilebilir.

Akımın ölçümü

Akım, ampermetre adı verilen aletin kullanılması ile ölçülebilir.

Elektrik devrelerindeki akımı ölçmek için çok çeşitli teknikler vardır:

• Shunt Dirençleri
• Hall Etkisi Akım Sensörü Dönüştürücler
• Transformatörler
• Manyetodirenç alan sensörleri

Görüldüğü yerler

Doğada karşılaşılan elektrik akımları arasında yıldırımlar, Güneş rüzgârları ve kuzey ışıkları vardır. İnsan yapımı elektrik akımlarına örnek olarak da metal tellerde akan elektronlar örnek gösterilebilir. Bu duruma uzun mesafelere elektrik enerjisi dağıtan elektrik iletim hatlarında ya da elektrikli ve elektronik aletlerin içlerindeki tellerde rastlanabilir. Akıma Elektronik bilimi dahilinde farklı yerlerde de rastlanabilir. Bunların arasında dirençlerin üzerinden geçen akımlar, vakumlu tüplerdeki vakumdan geçen akımlar, pillerin ya da sinir hücrelerinin içinde akan iyonlar ve bir yarı iletkenden akan elektron boşlukları da vardır.

Tehlikeler

Elektrik akımından kaynaklı en ciddi zararlar elektrik çarpmalarıdır. Elektrik çarpmasının etkileri pek çok etkene dayanır. En onemli etkenler akımın şiddeti, elektriksel temasın yapısı, etkilenen uzuvların durumları, akımın vücutta takip ettiği yol ve akım kaynağının gerilimidir. Çok zayıf bir akım sadece bir karıncalanmaya neden olurken, deriden geçen şiddetli akımlar ciddi yanıklara hatta kalpten geçen akımlar kalp krizine bile sebep olabilir.

Kontrol dışı elektrik kaynaklı ısınmalar da tehlikeli sonuçlar doğurabilir. Fazla güç taşıyan kablolar yaygın bir yangın sebebidir. Cepte birlikte taşınan madeni paralar ve bir AA Pil kadar küçük bir güç kaynağı bile kısa devre sonucu hızlıca ısınıp deride yanıklara sebep olabilir.