Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü Bahar Yarıyılı Bölüm-6 Özeti Ankara Aysuhan OZANSOY

Transkript

1 FİZ102 FİZİK-II Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü Bahar Yarıyılı Bölüm-6 Özeti Ankara Aysuhan OZANSOY

2 Bölüm 6: Akım, Direnç ve Devreler 1. Elektrik Akımı ve Akım Yoğunluğu 2. Direnç ve Ohm Kanunu 3. Özdirenç 4. Elektromotor Kuvvet ve Devreler 5. Elektrik Devrelerinde Güç ve Enerji 2 A.Ozansoy

3 1. Elektrik Akımı ve Akım Yoğunluğu 1.1. Elektrik akımı Bu ve sonraki 3 bölümde hareket halindeki yükleri inceleyeceğiz. Birim zamanda, belli bir kesit alanından geçen yük miktarına elektrik akımı ya da kısaca akım denir. Şekil [1] den alınmıştır. I ort = ΔQ Δt I I I ani lim Δ t 0 ΔQ Δt = dq dt 3 A.Ozansoy

4 v = d v : sürüklenme hızı s Akım:[Coulomb/Saniye] [A] A:Amper Elektrik akımının yönü; pozitif yüklerin akış yönüdür. Akımın yönünü belirlemedeki bu seçime konvensiyonel akım denir. Akımın yönüyle ilgili bu seçim tamamen keyfidir. Akımın yönünden bahsetmiş olsak da elektrik akımı skaler bir niceliktir. İletken içinde elektronlar sürekli hareket halindedir. Buna rağmen, bir kesitten geçen net yük sıfır olur.ancak, bir potansiyel farka bağlanırsa yük akışı olur. 4 A.Ozansoy

5 Bazı Akım Değerleri Akımın bulunduğu yer Akım (A) Bilgisayar devrelerinde TV tüpündeki elektron ışını 10-3 İnsan için tehlikeli El feneri Otomobil marş motoru 200 Yıldrımda tepe akımı A.Ozansoy

6 1.2. Madde İçinde Akımlar Yükün madde içindeki hareketini maddenin özellikleri belirler (iletken, yalıtkan, yarıiletken, süperiletken.) Yüklerin madde içinde nasıl taşındığına bakalım: a) Elektrostatik Durumda: İletken içinde her yerde elektrik alan sıfırdır ve akım yoktur. Bu, tüm yüklerin durgun olduğu anlamına gelmez. Bir iletkende serbest elektronlar rastgele hareket ederler. Elektronların hareketi rastgele olduğundan belli bir yönde net yük akışı olmaz. Elektronların rastgele hareketlerinin sürati v r ~ 10 6 m/s Şekil, Kaynak [2] den alınmıştır. 6 A.Ozansoy

7 b) İletkenin iki ucu bir güç kaynağına bağlanırsa: İletken üzerindeki tüm noktaların potansiyeli aynı değildir. Bir potansiyel fark yaratılmış olur, bu durumda iletkende bir elektrik alan oluşturulur. Bu alan elektronların rastgele hareketini değiştirir. Alan, elektronlar üzerine bir kuvvet uygular. Elektronlar kuvvetle zıt yönlü bir sürüklenme kazanırlar. Bu sürüklenme hızı v d ~ m/s mertebesindedir. Bu kesim, Kaynak [1] den alınmıştır. 7 A.Ozansoy

8 1.3. Akım Yoğunluğu Yükün genel hareketi, bu hareketin ayrıntıları dikkate alınarak incelenir. Bu nedenle akım yoğunluğu tanımlanır. Akım yoğunluğu; birim kesit alanına düşen akım demektir. dq = qnav dt, r J = I r A Akım yoğunluğu d r = nqv d I = dq dt Birim hacimdeki parçacık sayısı I Skaler Uzunlamasına bir nesnenin içindeki yük akışı Bir devre için değeri sabit J Vektörel Bir noktadaki yük akışı nasıl? Bir devrede J nin değeri her yerde aynı olmayabilir. (+) yük için J ve v d aynı yönlü (-) yük için J ve v d zıt yönlü 8 A.Ozansoy

9 Doğru Akım (D.C.) ve Alternatif Akım (A.C) Büyüklüğü ve yönü zamanla değişmeyen akıma doğru akım, büyüklüğü ve yönü zamanla değişen akıma alternatif akım denir. 9 A.Ozansoy

10 2. Direnç ve Ohm Kanunu Yükün madde içinde ne kadar kolaylıkla hareket ettiğini, o maddenin elektriksel direnci belirler. Düzgün kesit alanına sahip bir iletkende, J her kesit alanında sabittir. İletkenin uçları arasına bir potansiyel fark uygulanırsa, iletken içinde bir E ve bir J oluşur. Potansiyel fark sabitse akım da sabit olacaktır. r J r = σe Bir çok maddede akım yoğunluğunun elektrik alana oranı sabittir. Buna OHM KANUNU denir. Orantı katsayısına da iletkenlik katsayısı denir. Mikroskopik Ohm Yasası İletkenlik katsayısı 10 A.Ozansoy

11 3. Özdirenç ρ 1 σ Özdirenç(ρ): [Ω.m] Özdirenç, maddenin cinsine ve sıcaklığa bağlı bir niceliktir. Mükemmel bir iletkenin özdirenci sıfır, mükemmel bir yalıtkanın özdirenci sonsuzdur. Yarıiletkenlerin özdirençleri iletkenler ve yalıtkanlar arasındadır. Bu maddelerin iletkenlikleri, sıcaklıklarındaki ve saflıklarındaki en küçük bir bozulmadan etkilendiklerinden dolayı oldukça önemlidirler. 11 A.Ozansoy

12 Bu kesim, Kaynak [1] den alınmıştır. R L L ρ σ A = A = Direnç birimi Ohm (Ω) dur. George Simon Ohm ( ), Alman fizikçi ve matematikçi 12 A.Ozansoy

13 Özdirenç ve Sıcaklık ρ = ρ α [ + ( T )] 0 1 T 0 T 0 daki özdirenç Özdirencin sıcaklık katsayısı 13 A.Ozansoy

14 Metallerde: Sıcaklık arttıkça özdirenç artar. Sıcaklık arttıkça serbest elektronlar örgü iyonları ile daha çok çarpışır ve örgü iyonları daha çok titreşir. Böylece özdirenç artar. Yarıiletkenlerde: Sıcaklık arttıkça yarıiletkenin daha çok elektronu serbest duruma geçer, yük taşıyıcıların yoğunluğu artar. Bu nedenle özdirenç azalır. Süperiletkenlerde: Belli bir kritik sıcaklığın (T c )altında özdirenç sıfır olur. T c nin değeri kimyasal bileşime, moleküler yapıya ve basınca bağlıdır. Süperiletkenlerin önemli bir özelliği bunlara bir kez akım uyguladıktan sonra voltaja gerek kalmadan akımın devam edebilmesidir. 14 A.Ozansoy

15 4. Elektromotor Kuvvet (EMK) ve Devreler Bir elektrik devresi, en basit anlamıyla elektrik akımın aktığı yoldur. Bir güç kaynağı ve iletken tellerle basit bir devre yapılabilir. Elektrik devrelerinde enerji bir noktadan başka bir noktaya aktarılır. Bir iletkenin düzgün bir akma sahip olabilmesi için kapalı bir devre olması gerekir. Çünkü, kapalı bir devrenin parçası olmayan bir iletkende E uygulandığında sadece çok kısa bir süre akım akar. Elektrik devrelerinde akımı sabit tutabilmek için elektromotor kuvvet kaynağına ihtiyaç vardır. 15 A.Ozansoy

16 Yükler direnci olan bir malzeme içerisinden geçerken potansiyel enerjide her zaman bir azalma olur. Bu nedenle devrenin bir parçasında potansiyel enerjinin sürekli yükselmesi gerekir. EMK kaynağı, devrede yüklerin hareketini sağlayan, yüklerin potansiyel enerjilerini artırabilecek olan pil, batarya, jeneratör benzeri aygıtlardır. EMK kaynağını bir yük pompası olarak düşünebiliriz. EMK bir kuvvet değil, bir potansiyel farktır. ε ile gösterilir. Devrelerde sembolü ile gösterilir. EMK kaynakları, başka enerji türlerini kullanarak oluştururlar. elektriksel potansiyel fark Pil, batarya, akü : kimyasal enerjiyi Jeneratör : Mekanik enerji Güneş pili : ışık enerjisi 16 A.Ozansoy

17 Elektrik Pili Luigi Galvani ( ): 1780 lerde kurbağa bacağına farklı metaller sokulması sonucu kasılması ile ilgili deneyler «hayvansal elektrik» Alessandro Volta( ): - Galvani nin sonuçlarında kuşku duyuyor. Elektriğin kaynağı hayvanın kendisi değil, farklı metaller olduğu sonucuna vardı yılında ilk pili yaptı. - Batarya oluşturdu. Gümüş ve çinko metaller arasına tuz çözeltisi ya da seyreltilmiş asit emdirilmiş bez parçası koydu. Volta nın makalesinde kullandığı resim. Kaynak [2] den alınmıştır. 17 A.Ozansoy

18 En basit bataryada, -Benzer olmayan iki adet metal (elektrot olarak adlandırılır) bulunur. - Elektrotlar, elektrolit olarak adlandırılan seyreltilmiş bir çözelti içerisindedir. - Metallerin çözelti dışında kalan kısımlarına uç (terminal) denir. Şekil, Kaynak [2] den alınmıştır. 18 A.Ozansoy

19 Kendi bataryanızı yapın: Bu kesim Kaynak[3] ten alınmıştır. 19 A.Ozansoy Gerekli malzemeler: Bakır para, alüminyum folyo, tuzlu suda ıslatılmış mukavva (ya da kağıt havlu), iletken tel. Alüminyum folyoları ve mukavvaları (ya da kağıt havluları) bakır paralar büyüklüğünde disk şeklinde kesin. Bir bakır para, arasında tuzlu suda ıslatılmış mukavva ve üstünde alüminyum folyo üçlüsü bir pili oluşturacaktır. Bu üçlüden 8-10 tanesi üstüste yerleştirildiğinde bataryayı oluşturur. İletken telleri bataryaya bağlayıp uçlarını değdirdiğinizde küçük bir kıvılcımoluşur.

20 Bu kesim, Kaynak [1] den alınmıştır. V b -V a =+ε V c -V b =-Ir V a -V c =-IR 20 A.Ozansoy

21 Potansiyelin konuma göre değişim grafiği Terminal Voltaj (Uç Voltajı) 5. Elektrik Devrelerinde Güç ve Enerji P=V I P=I 2 R=V 2 /R Dirençte harcanan (ısıya dönüşen) güç P=εI- I 2 r (Kaynaktan güç çıkışı) P=εI+ I 2 r (Kaynağa güç girişi) 21 A.Ozansoy

22 Kaynaklar 1. ( Üniversiteler için Fizik, B. Karaoğlu, Seçkin Yayıncılık, 2012). 2. Fen Bilimcileri ve Mühendisler için Fizik, D. C. Giancoli, Akademi Yayıncılık, Atom ve Molekül, P.R. Cox ve M. Parsonase, TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları 45, Gençlik Kitaplığı 5, 2009, Ankara 4. Diğer tüm şekiller ; Üniversite Fiziği Cilt-I, H.D. Young ve R.A. Freedman, 12. Baskı, Pearson Education Yayıncılık 2009, Ankara 22 A.Ozansoy