Bölüm-6_sunu

FİZ102
FİZİK-II
Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü
2014-2015 Bahar Yarıyılı Bölüm-6 Özeti
21.04.2015 Ankara
Aysuhan OZANSOY
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
09.04.2014
1. Elektrik Akımı ve Akım Yoğunluğu
1.1. Elektrik akımı
Bu ve sonraki 3 bölümde hareket halindeki yükleri inceleyeceğiz.
Î 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 ani
I ≡ lim Δt →0
3
ΔQ dQ
=
Δt
dt
A.Ozansoy
09.04.2014
v
d
= v s : sürüklenme hızı
Akım:[Coulomb/Saniye]≡[A]
A:Amper
¾ Elektrik akımının yönü; pozitif
yüklerin akış yönüdür. Akımın
yönünü belirlemedeki bu seçime
konvensiyonel akım denir.
¾ Akımın yönüyle ilgili bu seçim
tamamen keyfidir.
¾ Akımın yönünden bahsetmiş olsak
da elektrik akımı skaler bir
niceliktir.
Î 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
09.04.2014
Bazı Akım Değerleri
5
Akımın bulunduğu yer
Akım (A)
Bilgisayar devrelerinde
10-12-10-6
TV tüpündeki elektron ışını
10-3
İnsan için tehlikeli
10-2-10-1
El feneri
0.5-1
Otomobil marş motoru
200
Yıldrımda tepe akımı
104
A.Ozansoy
09.04.2014
1.2. Madde İçinde Akımlar
Yükün madde içindeki hareketini maddenin özellikleri belirlerÎ (iletken,
yalıtkan, yarıiletken, süperiletken.)
¾ 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 vr ~ 106 m/s
Şekil , Kaynak [2]’ den
alınmıştır.
6
A.Ozansoy
09.04.2014
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 vd ~10-4 m/s
mertebesindedir.
Bu kesim, Kaynak [1]’ den alınmıştır.
7
A.Ozansoy
09.04.2014
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
dq = qnAvd dt , I =
dt
r I
r
J = r = nqvd
A
Akım
yoğunluğu
Birim hacimdeki
parçacık sayısı
I
J
Skaler
Vektörel
Uzunlamasına bir
nesnenin içindeki
yük akışı
Bir noktadaki yük
akışı nasıl?
Bir devre için değeri
sabit
Bir devrede J’ nin
değeri her yerde
aynı olmayabilir.
(+) yük için J ve vd aynı yönlü
(-) yük için J ve vd zıt yönlü
8
A.Ozansoy
09.04.2014
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
09.04.2014
2. Direnç ve Ohm Kanunu
Yükün madde içinde ne kadar kolaylıkla hareket ettiğini, o maddenin
elektriksel direnci belirler.
¾ Düzgün kesit alanına sahip bir iletkende,
J her kesit alanında sabittir.
¾ İletkenin uçları arasına bir potansiyel
fark uygulanırsa, iletken içinde bir E ve bir
J oluşur. Potansiyel fark sabitse akım da
sabit olacaktır.
r
r
J = σE
¾ 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
09.04.2014
3. Özdirenç
ρ≡
1
σ
Özdirenç(ρ): [Ω.m]
Î Özdirenç, maddenin cinsine ve sıcaklığa bağlı bir niceliktir.
ÎMükemmel bir iletkenin özdirenci sıfır, mükemmel bir yalıtkanın özdirenci
sonsuzdur.
ÎYarıiletkenlerin özdirençleri iletkenler ve yalıtkanlar arasındadır. Bu
maddelerin iletkenlikleri , sıcaklıklarındaki ve saflıklarındaki en küçük bir
bozulmadan etkilendiklerinden dolayı oldukça önemlidirler.
11
A.Ozansoy
09.04.2014
Bu kesim, Kaynak [1]’ den alınmıştır.
L
L
R=
=ρ
σA
A
12
Direnç birimi Ohm (Ω)’ dur.
George Simon Ohm (1789-1854),
Alman fizikçi ve matematikçi
A.Ozansoy
09.04.2014
Özdirenç ve Sıcaklık
ρ = ρ 0 [1 + α (T −T 0)]
T0’ daki
özdirenç
13
Özdirencin
sıcaklık
katsayısı
A.Ozansoy
09.04.2014
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 (Tc) altında özdirenç sıfır
olur. Tc ‘ 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
09.04.2014
4. Elektromotor Kuvvet (EMK) ve Devreler
ÎBir 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.
Î 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.
Î Elektrik devrelerinde akımı
sabit tutabilmek için elektromotor
kuvvet kaynağına ihtiyaç vardır.
15
A.Ozansoy
09.04.2014
Î Yükler direnci olan bir malzeme içerisinden geçerken potansiyel enerjide her zaman
bir azalma olur. Bu nedenle devrenin bir parçasında potansiyel enerjinin sürekli
yükselmesi gerekir.
ÎEMK kaynağı, devrede yüklerin hareketini sağlayan, yüklerin potansiyel enerjilerini
artırabilecek olan pil, batarya, jeneratör benzeri aygıtlardır. EMK kaynağını bir yük
pompası olarak düşünebiliriz.
ÎEMK bir kuvvet değil, bir potansiyel farktır. ε ile gösterilir.
ÎDevrelerde
sembolü ile gösterilir.
ÎEMK kaynakları, başka enerji türlerini kullanarak
oluştururlar.
•
Pil, batarya, akü : kimyasal enerjiyi
•
Jeneratör : Mekanik enerji
•
Güneş pili : ışık enerjisi
16
A.Ozansoy
elektriksel potansiyel fark
09.04.2014
Elektrik Pili
Luigi Galvani (1737- 1798): 1780’lerde kurbağa bacağına farklı
metaller sokulması sonucu kasılması ile ilgili deneylerÎ « hayvansal
elektrik»
Alessandro Volta(1745 - 1827):
- Galvani’ nin sonuçlarında kuşku duyuyor. Elektriğin kaynağı hayvanın
kendisi değil, farklı metaller olduğu sonucuna vardı.
- 1800 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
09.04.2014
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
09.04.2014
Kendi bataryanızı yapın:
Gerekli malzemeler: Bakır para,
alüminyum folyo, tuzlu suda
ıslatılmış mukavva (ya da kağıt
havlu), iletken tel.
Î Alüminyum
folyoları
ve
mukavvaları (ya da kağıt
havluları)
bakır
paralar
büyüklüğünde disk şeklinde
kesin.
Î Bir bakır para, arasında tuzlu
suda ıslatılmış mukavva ve
üstünde
alüminyum
folyo
üçlüsü bir pili oluşturacaktır.
Î Bu üçlüden 8-10 tanesi
üstüste
yerleştirildiğinde
bataryayı oluşturur. İletken
telleri bataryaya bağlayıp
uçlarını değdirdiğinizde küçük
bir kıvılcım oluşur.
Bu kesim Kaynak[3]’ ten alınmıştır.
19
A.Ozansoy
09.04.2014
Bu kesim, Kaynak [1]’ den alınmıştır.
Vb-Va=+ε
Vc-Vb=-Ir
Va-Vc=-IR
20
A.Ozansoy
09.04.2014
Potansiyelin konuma göre değişim grafiği
Terminal Voltaj (Uç Voltajı)
5. Elektrik Devrelerinde Güç ve Enerji
P=V I
P=I2R=V2/R Dirençte harcanan (ısıya dönüşen) güç
P=εI- I2r (Kaynaktan güç çıkışı)
P=εI+ I2r (Kaynağa güç girişi)
21
A.Ozansoy
09.04.2014
Kaynaklar
1. http://www.seckin.com.tr/kitap/413951887 (“Üniversiteler için
Fizik”, B. Karaoğlu, Seçkin Yayıncılık, 2012).
2. Fen Bilimcileri ve Mühendisler için Fizik, D. C. Giancoli, Akademi
Yayıncılık, 2009.
3. 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
09.04.2014