Elektronların, elektrik hızında hareket ettiğine dair genel bir inanç vardır. Çünkü elektrik anahtarını etkinleştirdiğimizde sanki anlık bir eylemmiş gibi hemen akım elde ederiz. Durum gerçekten böyle mi? Bu yazımızda birlikte inceleyeceğiz. Önce iletkenin tanımını yapalım. İletken, serbest hareket edebilen elektronlar içeren bir malzemedir. Örneğin, metaller iyi iletkenlerdir, çünkü birçok serbest elektrona sahip olma koşulunu tam olarak karşılarlar. Bir iletkende sadece elektronlar değil aynı zamanda iyonlar da vardır.
Bir iletkende elektronlar hangi hızda hareket eder? Sorusuna cevap bulmak için iletkenlerin yapısını biraz daha yakından tanıyalım. Bir iletkende iki tür elektrik yükü vardır. İyonların oluşturduğu pozitifler (elektron kaybetmiş atomlar) ve negatif yüklü olan elektronlar. İyonlar, elektronlardan çok daha ağırdır. Unutmayalar ki protonlar elektronlardan 1800 kat daha büyüktür, bu nedenle hareketsiz kalırlar. Böylece, negatif yüklü elektronlar, iletken boyunca hareket eder ve elektrik akımları oluştururlar. Ne kadar çok elektron hareket ettirilebilirse, elektrik akımı o kadar büyük olur. Özetle, bir iletkendeki elektrik akımının, yük taşıyıcılarının elektronlar olduğunu söylüyoruz.
Birim hacim başına serbest elektron sayısını ne simgesi ile gösterilir. Bu parametre, bir malzemenin bir iletken olup olmadığını karakterize etmemizi sağlar. Örneğin, bakır 8,45.1022, gümüş 5,86.1022, alüminyum 18,07.1022 santimetre küp başına serbest elektrona sahiptir. Metallerde serbest elektron yoğunluğunun büyüklük derecesinin 1022 olduğunu görebiliriz.
Ancak çok sayıda serbest elektronun mevcut olması, elektrik akımı ürettikleri anlamına gelmez. Elektronlar herhangi bir yönde hareket ederler, bu nedenle tek yönde hareket ettiklerinde akım oluşturmazlar. Serbest elektronların tümü veya çoğu aynı hızda ve aynı yönde hareket ettiğinde elektrik akımı oluşur.
Elektrik Devresi
Bir elektronun elektrik iletimi için en önemli özellik, e harfiyle ifade edilen ve -1.6.1019 Kulomb (C) değerine sahip olan elektrik yüküdür.
Elektrik devresi, elektronların iletkenden itileceği kapalı bir devredir. Dürtü, bir jeneratör veya elektrik aküsü vasıtasıyla iletkene sokulan elektrik alanı (E) tarafından üretilir.
Ohm yasası, elektronların hareketinin elektrik alanı ile aynı yönde olduğunu belirtir. Negatif yüklü elektronlar, elektrik alan vektöründen ters yönde hareket ederler. Dikkate alınması gereken, uygun parametre j yani yoğunluktur. Ohm yasasında belirtildiği üzere, mevcut yoğunluk elektrik alanına orantılı ve paraleldir. Orantılılık faktörüne iletkenlik denir ve σ işaretiyle gösterilir.
Akım yoğunluğu j, bu iletkenin S bölümüne göre bir iletken boyunca dolaşan Yoğunluk I olarak tanımlanır.
Yoğunluk I, t zamanında hareket eden elektrik yükü Q miktarı olarak tanımlanır. Ölçüm birimi Amper (A)’dır.
Akım yoğunluğu, elektrik alanından güç alan elektronların hızının ve elektrik yükünün yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak ifade edilebilir. Pe ile gösterilir.
Vektör gösteriminde aşağıdaki gibi olacaktır.
Elektron yoğunluğu, birim hacim başına hareket için mevcut olan serbest yük kapasitesidir. Mevcut elektron sayısıyla doğrudan ilişkilidir, çünkü her elektron bir elektrik şarj ünitesine katkıda bulunur. Böylece, yük yoğunluğu serbest elektron miktarına göre, ne aşağıdaki denklemdeki gibi kullanılarak tanımlanabilir.
Elektrik Devresinde Elektron Hızı
Bir elektrik devresindeki elektronların hızını hesaplayabilecek duruma gelmiş olduk. Normalde tesislerde milimetre kare başına 10 Amper’lik bir akım yoğunluğuna sahibiz, bu da santimetre kare başına 1000 Amper’e tekabül etmektedir.
Bakır iletken için santimetre küp başına serbest elektron yoğunluğunun 8,45.1022 olduğunu daha önce belirtmiştik. Formül ile gösterecek olursak ne=8,45.1022. Yani yükü, e = 1.6.1019 C.
Bu hesaplama ile elektronların hızının saniyede yaklaşık 1 milimetre olduğunu doğrulayabiliriz. 300.000 km / s ışığa kıyasla çok yavaş bir hız gibi görünebilir, ancak yine de uzay-zamanın modifikasyonu üzerinde doğrudan etkileri olan göreceli bir hızdır
