Elektrik Akımı

Sinir sistemi, beyinden parmak uçlarına kadar uzanan sinir hücreleriyle elektriksel sinyaller aracılığıyla iletişim kuran karmaşık bir ağdır. Sinir sistemindeki elektriksel sinyaller ile elektrik devresindeki elektrik akımı, ikisi de yüklü parçacıkların hareketiyle ilişkilidir; elektrik devreleri enerji taşırken sinir sistemi bilgi taşır.

Elektrik Akımının Tanımı ve Matematiksel Modeli

Elektrik akımı, yüklü parçacıkların hareketi sonucunda oluşur. Elektrik yüklerinin kaynağı, atomun yapısında bulunan elektron ve protonlardır. Bir elektronun yükü q_e = −1,6 · 10⁻¹⁹ C (coulomb), protonun yük miktarı ise elektronunkine eşit büyüklükte fakat pozitiftir (q_p = +1,6 · 10⁻¹⁹ C).

Bir iletkenin dik kesitinden, yüklerin cinsine bakılmaksızın birim zamanda geçen toplam yük miktarına elektrik akımı denir. I sembolüyle gösterilir ve SI'da birimi amperdir (A). Bir iletkenin dik kesitinden geçen toplam yük miktarı q, yükün kesitten geçme süresi t olmak üzere:

I = q / t

Bir iletkende birim zamanda geçen yük miktarı ile elektrik akımı doğru orantılıdır.

Katı İletkenlerde Elektrik Akımı

Katı iletkenlerde elektrik akımı, serbest elektronların hareketiyle gerçekleşir. Metallerin atomlarının dış yörüngelerinde bulunan serbest elektronlar iletken içinde serbestçe hareket eder; potansiyel fark uygulandığında bu elektronlar yavaşça pozitif kutba doğru sürüklenir ve elektrik akımı bu sürüklenme hareketiyle oluşur. Metallerin kristal yapısında serbest elektronların sayıca fazla olması, metallerin yüksek elektriksel iletkenlik göstermesinin nedenidir. Örneğin bakır atomunun son yörüngesindeki serbest elektron, bakıra iletkenlik özelliği kazandırır; yalıtkan maddeler ise serbest elektrona sahip olmadığından elektriği iletmez.

Elektrik akımının yönü, elektronların hareket yönüne zıttır. Elektrik devresindeki akım, üretecin pozitif (+) kutbundan negatif (−) kutbuna doğru kabul edilirken, elektronlar bu sırada negatif kutuptan pozitif kutba doğru hareket eder.

Sıvılarda ve Gazlarda Elektrik Akımı

Sıvılarda elektrik akımı, sıvı içindeki iyonlar aracılığıyla gerçekleşir. Örneğin tuzlu su çözeltisi anot ve katot elektrotlarla üretece bağlandığında, tuz pozitif yüklü sodyum (Na⁺) iyonları ile negatif yüklü klor (Cl⁻) iyonlarına ayrışır. Pozitif yüklü iyonlar (katyonlar) negatif kutba (katot), negatif yüklü iyonlar (anyonlar) pozitif kutba (anot) doğru hareket ederek elektrik akımını oluşturur. Sıvı iletkenden geçen akımın yönü, pozitif iyonun hareket yönüyle aynıdır.

Normal koşullarda gazlar elektriği iletmez; bunun nedeni gaz atomlarının/moleküllerinin birbirinden uzak olması ve serbest elektronlarının bulunmamasıdır. Ancak düşük basınç ve yüksek sıcaklık altında gaz atomlarındaki elektronlar koparak serbest hâle geçebilir; bu serbest elektronlar veya iyonlar gazın elektriği iletmesini sağlar. Bu durum neon ve floresan lambalar ile plazma televizyonlarında gözlemlenir.

Örnek: Çözeltilerdeki İyon Hareketiyle Akım Karşılaştırması

Dört farklı tüpte (A, B, C, D) aynı sürede geçen pozitif ve negatif iyonlar sayılır: A tüpünde 1 pozitif + 2 negatif iyon (toplam 3 birim yük), B tüpünde 3 negatif iyon (toplam 3 birim), C tüpünde 2 pozitif + 2 negatif iyon (toplam 4 birim), D tüpünde 2 pozitif + 1 negatif iyon (toplam 3 birim). Elektrik akımı, yüklerin işaretine bakılmaksızın toplam geçen yük miktarıyla doğru orantılı olduğundan: I_C > I_A = I_B = I_D. Bu örnek, akım hesabında pozitif ve negatif yüklerin ayrı ayrı değil, toplam yük miktarı olarak dikkate alındığını gösterir.

Örnek: Elektron Sayısından Akım Hesabı

Katı bir iletkenin bir kesitinden 2 saniyede 10·10¹⁹ (=10²⁰) tane elektron geçmektedir. Bir elektronun yükü q = −1,6·10⁻¹⁹ C ise geçen toplam yük: q = 1,6·10⁻¹⁹ · 10·10¹⁹ = 16 C. Elektrik akımı: I = q/t = 16/2 = 8 A olarak bulunur.

Elektronların Yavaşlığına Rağmen Anlık Işık Verme

Bir elektrik devresinde serbest elektronların sürati yaklaşık 10⁻⁴ m/s seviyesinde olmasına rağmen, anahtar kapatıldığı anda lamba hemen ışık verir. Bunun nedeni, elektronların tek tek uzun mesafeler kat etmesi değil, devredeki tüm elektronların neredeyse aynı anda (elektromanyetik etkileşimle) hareket etmeye başlamasıdır — devrenin bir ucundaki potansiyel fark, devre boyunca ışık hızına yakın bir hızla yayılarak tüm serbest elektronları aynı anda harekete geçirir; bu nedenle akım, elektronların bireysel sürüklenme hızından bağımsız olarak devrede anında etkili olur.

Özet

• Elektrik akımı, bir iletkenin kesitinden yüklerin cinsine bakılmaksızın birim zamanda geçen toplam yük miktarıdır: I = q/t; SI biriminde amper (A) ile ölçülür.
• Katı iletkenlerde akım serbest elektronların hareketiyle oluşur ve akımın yönü elektronların hareket yönüne zıttır (akım + kutuptan − kutba, elektronlar − kutuptan + kutba); sıvılarda akım iyonların hareketiyle oluşur ve yönü pozitif iyonla aynıdır; gazlar normalde yalıtkandır ama yüksek sıcaklık/düşük basınçta iletken hâle gelebilir.
• Elektronların gerçek sürüklenme hızı çok düşük olmasına rağmen (10⁻⁴ m/s mertebesinde), devredeki tüm elektronların aynı anda harekete geçmesi sayesinde elektrik akımı ve dolayısıyla lambanın ışık vermesi anahtar kapatılır kapatılmaz gerçekleşir.