Elektrik Akımı: Yük Hareketi, Akımı Belirleyen Değişkenler ve Akım-Yük-Zaman İlişkisi

Akımı 'yük akışı' diye tanımladığımıza göre önce akan şeyi tanımamız gerekir. Bütün maddeler atomlardan, atomlar da çekirdekteki protonlar ve nötronlar ile çekirdeğin çevresindeki elektronlardan oluşur. Proton ve elektronun elektrik yükü denen bir özelliği vardır: Proton pozitif (+), elektron negatif (−) yüklüdür; nötron ise yüksüzdür. Bir protonun yükü ile bir elektronun yükü büyüklükçe eşit, işaretçe zıttır. Bu en küçük yük miktarına temel yük denir ve e ile gösterilir: e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C. Normal bir atomda proton ve elektron sayısı eşit olduğu için atom nötrdür; toplam yükü sıfırdır.

Elektrik yükünün SI birimi, Fransız fizikçi Charles-Augustin de Coulomb'un onuruna coulomb (C) olarak adlandırılmıştır ve q harfiyle gösterilir. Temel yük çok küçük bir değer olduğu için 1 C, aslında çok büyük bir yük miktarıdır: 1 C'luk yük için yaklaşık 6,25 × 10¹⁸ elektron gerekir. Yükün önemli bir özelliği kesikli (kuantumlu) olmasıdır: Bir cismin yükü her zaman temel yükün tam katıdır. n tane elektron fazlası olan bir cismin yükü q = −n · e, n tane elektron eksiği olan cismin yükü ise q = +n · e olur. Yarım elektron ya da 2,7 elektron gibi bir yük taşıyıcı yoktur; bu nedenle bir yük değerinin temel yüke bölümü her zaman bir tam sayı çıkar.

Bir ortamda yer değiştirerek yük taşıyabilen parçacıklara yük taşıyıcıları denir. Metallerde atomların en dıştaki elektronları çekirdeğe zayıf bağlıdır; bu elektronlar atomdan kopar ve metalin içinde serbestçe dolaşır. Bunlara serbest elektronlar denir ve metallerdeki akımı bunlar taşır; pozitif yüklü atom kalıntıları ise yerlerinde titreşir, yer değiştirmez. Elektron kaybetmiş ya da kazanmış atom veya atom gruplarına iyon denir: Elektron kaybeden atom pozitif iyon, elektron kazanan atom negatif iyon olur. Tuzlu su gibi çözeltilerde ve yıldırım, neon lamba gibi iyonlaşmış gazlarda akımı iyonlar taşır. Kısacası bir maddenin elektriği iletip iletmemesi, içinde hareket edebilen yük taşıyıcısı bulunup bulunmamasına bağlıdır: Plastik, cam, kuru tahta gibi yalıtkanlarda serbest yük taşıyıcısı yok denecek kadar azdır.

Masanın üzerinde duran, hiçbir yere bağlı olmayan bir bakır tel düşünelim. Telin içindeki serbest elektronlar boş durmaz; oda sıcaklığında bile çok hızlı ve rastgele hareket eder, atom kalıntılarına çarpıp sürekli yön değiştirirler. Ancak bu hareket her yöne eşit olasılıkla olduğu için telin herhangi bir kesitinden sağa geçen elektron sayısı ortalamada sola geçen elektron sayısına eşittir. Kesitten geçen net yük sıfırdır; bu nedenle elektronlar hareket ettiği hâlde elektrik akımı yoktur. Bu, kalabalık bir meydanda her yöne yürüyen insanlara benzer: Herkes hareket ediyordur ama kalabalık bir bütün olarak hiçbir yere gitmez.

Telin uçları bir pilin kutuplarına bağlandığında durum değişir. Pilin oluşturduğu potansiyel fark, telin içinde serbest elektronları bir yöne doğru iten bir etki oluşturur. Negatif yüklü elektronlar pilin + kutbunun bağlı olduğu uca doğru çekilir. Rastgele hareket sürer ama artık üzerine bu yöne doğru yavaş bir sürüklenme eklenir; böylece kesitten bir yöne geçen elektron sayısı diğer yöne geçenden fazla olur ve net bir yük akışı, yani elektrik akımı oluşur. Bu sürüklenme şaşırtıcı biçimde yavaştır: Sıradan bir bakır telde elektronların ortalama ilerleme hızı genellikle saniyede bir milimetrenin bile altındadır. Yine de anahtar kapandığı anda ampul hemen yanar; çünkü geçen hafta gördüğümüz gibi tel baştan uca serbest elektronla doludur ve itme etkisi bütün tele neredeyse anında yayılır, tüm elektronlar aynı anda sürüklenmeye başlar.

Bu gözlemler, bir iletkende akım oluşması için gereken değişkenleri belirlememizi sağlar. Birincisi, ortamda hareket edebilen yük taşıyıcıları bulunmalıdır; yalıtkanlarda akım oluşmamasının nedeni budur. İkincisi, taşıyıcıları bir yöne iten bir potansiyel fark olmalıdır; pil çıkarılırsa sürüklenme biter, yalnızca rastgele hareket kalır. Üçüncüsü, taşıyıcıların dolaşabileceği kesintisiz bir kapalı yol gerekir; yol açıksa elektronlar telin bir ucunda kısa sürede birikir, oluşan yük birikimi yeni gelenleri durdurur ve akım kesilir. Bu koşullar sağlandığında akımın ne kadar büyük olacağını ise kesitten geçen yük miktarı ve bunun için geçen süre belirler; bu ilişkiyi bir sonraki bölümde nicel olarak kuracağız.

Bir iletkende akımın ne kadar güçlü olduğunu anlamak için telin içine hayalî bir kesit yerleştirelim; bu, teli dik olarak kesen ince bir dilim gibidir. Belli bir t süresince bu kesitten geçen toplam yük miktarını q ile gösterirsek, birim zamanda geçen yük miktarı q'nun t'ye bölümü olur. İşte bu oran elektrik akımını (akım şiddetini) verir: I = qt. Akım değişiyorsa aynı tanım küçük bir zaman aralığında geçen yük için yazılır: I = ΔqΔt. Bu tanım, geçen haftaki 'birim zamanda geçen su miktarı' fikrinin, akan şeyin su değil elektrik yükü olduğu hâlidir.

Formüldeki birimler SI'da şöyledir: yük coulomb (C), zaman saniye (s), akım amper (A). Buradan 1 A = 1 C/s sonucu çıkar: Bir iletkenin kesitinden her saniye 1 C yük geçiyorsa iletkenden 1 amperlik akım geçiyordur. Bu da her saniye yaklaşık 6,25 × 10¹⁸ elektronun kesitten geçmesi demektir. Amper, SI'nın yedi temel biriminden biridir; 2019'dan beri temel yükün değeri sabitlenerek tanımlanır. Küçük akımlar için miliamper (1 mA = 10⁻³ A) ve mikroamper (1 μA = 10⁻⁶ A) kullanılır. Hesaplarda süre dakika ya da saat olarak verilmişse önce saniyeye çevrilmelidir: 1 dk = 60 s, 1 h = 3600 s.

Akımı yük taşıyıcılarının sayısıyla da yazabiliriz. t sürede kesitten n tane elektron geçiyorsa geçen yük q = n · e olur; o hâlde I = n · et yazılır. Bu ifade, akımı oluşturan değişkenleri açıkça gösterir: kesitten geçen taşıyıcı sayısı (n), her taşıyıcının yükü (e) ve geçen süre (t). Aynı ilişki ters yönde de kullanılır: Akım ve süre biliniyorsa geçen yük q = I · t, akım ve yük biliniyorsa gereken süre t = qI ile bulunur. Önemli bir nokta da şudur: Seri (tek yollu) bir devrede her kesitten aynı sürede aynı miktarda yük geçer; bu yüzden geçen hafta gördüğümüz gibi akım her noktada aynıdır. Telin kalın ya da ince olması bu sonucu değiştirmez; ince bölümde taşıyıcılar biraz daha hızlı sürüklenir, ama kesitten saniyede geçen yük aynı kalır.

Geçen hafta devre şemalarında akımın dış devrede pilin + kutbundan − kutbuna doğru gösterildiğini söylemiş, bu seçimin nedenini bu haftaya bırakmıştık. Şimdi telin içine baktığımızda bir tuhaflık fark ediyoruz: Metallerde hareket eden taşıyıcılar negatif yüklü elektronlardır ve elektronlar pilin + kutbu tarafından çekilip − kutbundan itildiği için dış devrede − kutuptan + kutba doğru hareket eder. Yani şemalarda gösterilen akım yönü ile elektronların gerçek hareket yönü birbirine terstir. Bu bir hata değil, tarihsel bir uzlaşmadır.

18. yüzyılda elektrik üzerine çalışan bilim insanları, yüklere pozitif ve negatif adlarını verirken akımı bir 'akışkanın' pozitiften negatife doğru hareketi olarak düşündüler; bu adlandırmada Benjamin Franklin'in çalışmaları etkili oldu. Akım yönü bu düşünceye göre pozitif yüklerin hareket yönü olarak benimsendi. Elektron ise ancak 1897'de J. J. Thomson'ın deneyleriyle keşfedildi ve metallerdeki akımı aslında negatif yüklerin taşıdığı anlaşıldı. O zamana kadar bütün kurallar, şemalar ve hesaplar eski yöne göre kurulmuştu. Üstelik fiziksel sonuç açısından iki görüş eşdeğerdir: Pozitif yükün bir yöne hareketi ile aynı miktarda negatif yükün ters yöne hareketi, kesitten aynı net yük aktarımını yapar. Bu yüzden eski yön korunmuş ve geleneksel (teknik) akım yönü adını almıştır.

Günümüzde akım yönü denildiğinde her zaman geleneksel yön kastedilir: pozitif yüklerin hareket yönü, yani dış devrede + kutuptan − kutba doğru. Pilin içinde ise akım − kutuptan + kutba doğru devam eder ve böylece kapalı bir döngü tamamlanır. Bir soruda elektronların hareket yönü verilmişse akımın yönünü bulmak için bu yönü tersine çevirmek yeterlidir. Çözeltilerdeki pozitif iyonlar ise akım yönünde, negatif iyonlar akıma ters yönde hareket eder; ama ikisinin katkısı da aynı yöndeki akımı oluşturur. Akımın büyüklüğünü hesaplarken yükün işaretine değil büyüklüğüne bakılır; işaret yalnızca yön belirlemede kullanılır.

I = qt bağıntısı üç değişkeni birbirine bağlar ve biri sabit tutulduğunda diğer ikisi arasında basit orantılar ortaya çıkar. Süre sabitken kesitten geçen yük iki katına çıkarsa akım da iki katına çıkar; akım ile yük doğru orantılıdır. Yük sabitken aynı yükün geçmesi için gereken süre iki katına çıkarsa akım yarıya iner; akım ile süre ters orantılıdır. Akım sabitken geçen yük süreyle doğru orantılı artar: 2 A'lik akımda 1 saniyede 2 C, 10 saniyede 20 C yük geçer. Bu orantılar, formülü ezberlemeden 'bir şey değişirse ne olur?' sorularını hızla yanıtlamamızı sağlar. Örneğin akım 3 katına çıkarılıp süre 3'te 1'e indirilirse q = I · t çarpımı değişmez; geçen yük aynı kalır.

İlişkiyi grafiklerle de okuyabiliriz. Sabit akımlı bir devrede kesitten geçen toplam yükün zamana göre grafiği (q-t grafiği) orijinden geçen bir doğrudur. Bu doğrunun eğimi, yani yükteki değişimin zamandaki değişime oranı ΔqΔt, doğrudan akımı verir. Eğim ne kadar dikse akım o kadar büyüktür; iki farklı telin q-t doğruları karşılaştırılarak hangisinden daha büyük akım geçtiği bir bakışta görülebilir. Doğru yataylaşırsa (eğim sıfır) yük artmıyor, yani akım yok demektir. Geçen haftalarda konum-zaman grafiğinin eğiminden hız bulduğumuzu hatırlarsan aynı düşünce yolunu burada da kullandığımızı fark edersin.

Akımın zamana göre grafiği (I-t grafiği) ise sabit akımda yatay bir doğrudur. Bu grafikte doğrunun altında kalan dikdörtgenin alanı akım ile sürenin çarpımına, yani I · t = q değerine eşittir: I-t grafiğinin altındaki alan, kesitten geçen yükü verir. Akım farklı zaman aralıklarında farklı değerler alıyorsa her aralığın alanı ayrı ayrı bulunup toplanır. Toplam yük toplam süreye bölünürse o zaman aralığındaki ortalama akım bulunur. Bu yöntem, örneğin bir telefonun şarj olurken önce yüksek, sonra düşük akım çektiği durumlarda bataryaya ne kadar yük aktarıldığını hesaplamak için kullanılır.

Elektrik akımı yalnızca metal tellerde oluşmaz; yük taşıyıcısı ve potansiyel fark bulunan her ortamda akım olabilir. Metallerde taşıyıcılar yalnızca serbest elektronlardır ve tek yönde (akıma ters) sürüklenirler. Çözeltilerde (elektrolitlerde) ise durum farklıdır: Örneğin tuz suda çözündüğünde pozitif sodyum iyonları ve negatif klor iyonları oluşur. Çözeltiye iki elektrot daldırılıp bir pile bağlanırsa pozitif iyonlar − kutba bağlı elektroda, negatif iyonlar + kutba bağlı elektroda doğru hareket eder. İki tür iyon zıt yönlerde hareket etse de ikisinin katkısı aynı yöndeki akımı oluşturur; çünkü pozitif yükün sağa gitmesi ile negatif yükün sola gitmesi aynı net yük aktarımıdır.

Bu yüzden çözeltide akım hesaplanırken bir kesitten geçen pozitif ve negatif yüklerin büyüklükleri toplanır: I = |q₊| + |q₋|t. Yalnızca bir tür iyonu hesaba katmak sık yapılan bir hatadır. Bir iyonun yükü, kaybettiği ya da kazandığı elektron sayısına bağlıdır: +2 yüklü bir iyon 2e, −1 yüklü bir iyon e kadar yük taşır. Gazlar normalde yalıtkandır; ancak yüksek potansiyel fark, ısı ya da ışınım etkisiyle iyonlaşan gazlarda hem pozitif iyonlar hem de serbest kalan elektronlar akımı taşır. Yıldırım, floresan ve neon lambalar ile kaynak arkı bu tür iletime örnektir. Yarı iletkenlerde (silisyum gibi) ise elektronların yanı sıra 'boşluk' denen pozitif taşıyıcılar da görev yapar; bu konuyu ileriki sınıflarda göreceksin.

Günlük yaşamdaki akım değerleri çok geniş bir aralığa yayılır: Bir LED lambadan yaklaşık 20 mA, bir telefon şarj kablosundan 1-3 A, bir su ısıtıcısından 8-9 A civarında akım geçerken bir yıldırımda akım on binlerce ampere ulaşabilir. Pillerin ve bataryaların üzerinde yazan mAh (miliamper-saat) değeri aslında bir yük birimidir: Akım ile sürenin çarpımı yük verdiği için 1 Ah = 1 A × 3600 s = 3600 C'dur. İnsan vücudu da tuzlu sıvılar içerdiği için iletkendir; vücuttan geçen birkaç on miliamperlik akım bile kasları kilitleyebilir ve kalp ritmini bozarak hayati tehlike oluşturabilir. Bu nedenle prizlere iletken cisim sokulmamalı, ıslak elle elektrikli cihazlara dokunulmamalı ve hasarlı kablolar kullanılmamalıdır.