FİZ121
FİZİK
Ankara Üniversitesi Diş Hekimliği Fakültesi
2013-2014
2013
2014 Bahar Yarıyılı Ders
Ders-7
7 ve Ders
Ders-8
8
02.04 ve 09.04.2014 Ankara
Aysuhan OZANSOY
Bölüm 6: Akım,
Ak m Di
Direnç ve Devreler
D
l
1. Elektrik Akımı ve Akım Yoğunluğu
1 1 El
1.1.
Elektrik
kt ik Ak
Akımı
1.2. Madde İçinde Akımlar
1 3 Akım Yoğunluğu
1.3
2. Direnç ve Ohm Kanunu
2 1 Özdirenç
2.1.
2.2. Özdirenç ve Sıcaklık
3 Elektromotor Kuvvet ve Devreler
3.
4. Elektrik Ölçü Aletleri
5. Kirchoff Kuralları
6. Akımın Biyolojik Etkileri
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.
Belli bir Δt zaman aralığında geçen yük miktarı ΔQ ise ortalama akım:
I ort
ΔQ
=
Δt
Ani (anlık) akım ΔtÆo limit durumunda verilir.
3
A.Ozansoy
I ≡ I ani
I ≡ lim Δt →0
ΔQ dQ
=
Δt
dt
09.04.2014
Akım:[Coulomb/Saniye]≡[A]
A:Amper
¾ Elektrik
El kt ik akımının
k
yönü;
ö ü pozitif
itif
yüklerin akış yönüdür. Akımın
yönünü belirlemedeki bu seçime
konvensiyonel akım denir.
denir
¾ Akımın yönüyle ilgili bu seçim
y
tamamen keyfidir.
¾ Akımın yönünden bahsetmiş olsak
da elektrik akımı skaler bir
niceliktir.
niceliktir
ç nde elektronlar sürekl
sürekli
Î İletken içinde
hareket halindedir. Buna rağmen, bir
kesitten geçen net yük sıfır olur. Ancak ,
potansiyel
y farka bağlanırsa
ğ
yük akışı
y
ş
bir p
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 marşş 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.
yoktur Bu,
Bu tüm yüklerin durgun olduğu anlamına gelmez.
gelmez
Bir iletkende serbest elektronlar rastgele hareket ederler.
Elektronların hareketi rastgele olduğundan belli bir yönde net yük akışı
olmaz.
olmaz
Elektronların
El
k
l
rastgele
l
hareketlerinin sürati u ~10^6 m/s
Şekil , Kaynak [2]’ den
alınmıştır.
mş
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
d
durumda
d iletkende
il tk d bir
bi elektrik
l kt ik alan
l
oluşturulur.
l t
l
B alan
Bu
l
elektronların
l kt
l
rastgele
t l
hareketini değiştirir. Alan, elektronlar üzerine bir kuvvet uygular. Elektronlar
kuvvetle zıt yönlü bir sürüklenme kazanırlar. Bu sürüklenme hızı vd ~10-4 m/s
mertebesindedir.
mertebesindedir
Bu kesim, Kaynak [1]’ den alınmıştır.
7
A.Ozansoy
09.04.2014
8
A.Ozansoy
09.04.2014
Doğru Akım (D.C.) ve Alternatif Akım (A.C)
Büyüklüğü
Bü
üklüğü ve yönü
ö ü zamanla
l değişmeyen
d ği
akıma
k
d
doğru
ğ akım,
k
bü
büyüklüğü
üklüğü ve
yönü zamanla değişen akıma alternatif akım denir.
9
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
d
dq = qnAvd dt , I =
dt
r I
r
J = r = nqvd
A
Akım
yoğunluğu
I
J
Skaler
Vektörel
Uzunlamasına bir
nesnenin içindeki
yük akışı
Bir noktadaki yük
akışı nasıl?
Bir devre için
ç değeri
ğ
sabit
Bir devrede J
J’ nin
değeri her yerde
aynı olmayabilir.
(+) yük için J ve vd aynı yönlü
(-) yük için J ve vd zıt yönlü
10
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.
olacaktır
r
r
J = σE
¾ Bir çok maddede akım yoğunluğunun
elektrik alana oranı sabittir. Buna OHM
KANUNU denir.
d i O
Orantı
t k
katsayısına
ts s
d
da
iletkenlik katsayısı denir.
Mikroskopik Ohm Yasası
İletkenlik katsayısı (Yüzeysel yük yoğunluğu ile karıştırmayın…!
karıştırmayın !
11
A.Ozansoy
09.04.2014
2.1. 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.
arasındadır Bu
maddelerin iletkenlikleri , sıcaklıklarındaki ve saflıklarındaki en küçük bir
bozulmadan etkilendiklerinden dolayı oldukça önemlidirler.
12
A.Ozansoy
09.04.2014
Bu kesim, Kaynak [1]’ den alınmıştır.
L
L
R=
=ρ
σA
A
13
Direnç birimi Ohm (Ω)’ dur.
George
g Simon Ohm ((1789-1854),
),
Alman fizikçi ve matematikçi
A.Ozansoy
09.04.2014
2.2. Özdirenç ve Sıcaklık
ρ = ρ 0 [1 + α (T −T 0)]
T 0’ d
daki
ki
özdirenç
14
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
ç y
yarıiletkenin daha ç
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.
15
A.Ozansoy
09.04.2014
3. 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
j bir noktadan başka bir noktaya
y 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.
akar
Î Elektrik devrelerinde akımı
sabit tutabilmek için elektromotor
kuvvet kaynağına ihtiyaç vardır.
vardır
16
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. EMK kaynağı yükleri düşük potansiyelden yüksek
potansiyele doğru hareket ettirir.
ÎEMK bir kuvvet değil,
değil bir potansiyel farktır. ε ile gösterilir.
gösterilir
ÎDevrelerde
sembolü ile gösterilir.
Terminal voltaj (uç voltajı
Vabb=ε (açık devre)
Fn: Elektrostatik olmayan
kuvvet
EMK kaynağı kapalı bir devrenin elemanı
olmadığında, Fn=Fe dir. Uçlar arasında
net yük akışı olmaz.
17
A.Ozansoy
09.04.2014
Î Dış
D devrede
d
d akım
k
a’’ d
dan b’ ye;
kaynak içinde akım b’ den a’ ya
doğrudur.
ÎPozitif bir q yükü ideal bir
EMK kaynağından geçerken,
potansiyel artışı (ε),
( ) devrenin
geri
kalan
noktalarındaki
potansiyel düşüşüne eşittir.
Vab=ε=IR (kapalı devre)
Vab=ε-Ir-IR
(r: emk kaynağının
i direnci)
iç
di n i)
I=ε / (R+r)
18
A.Ozansoy
09.04.2014
Anlatılanları basit bir devre üzerinde görelim:
Bu kesim,
kesim Kaynak [1]
[1]’ den alınmıştır
alınmıştır.
19
A.Ozansoy
09.04.2014
Kapalı bir devrede,
devrede herhangi
bir
noktadan
başlayarak
potansiyel
düşmelerinin
toplamı
p
sıfırdır.
20
A.Ozansoy
09.04.2014
Potansiyelin konuma
göre değişim grafiği Î
Terminal Voltaj (Uç Voltajı)
21
A.Ozansoy
09.04.2014
22
A.Ozansoy
09.04.2014
Devre Elemanı Olarak Direnç:
Uçları
U
l
arasında
d belli
b lli bir
bi değerde
d ğ d
di
direnç
bulunan devre elemanına direnç denir. Elektrik
devrelerinde
bulunan
dirençler
silindir
ş klind di ve üzerinde
şeklindedir
ü
ind
di ncin değerini
direncin
d ğ ini
gösteren renkli şeritler yer alır.
Dirençlerin Bağlanması
II)Paralel Bağlı Dirençler
I) Seri Bağlı Dirençler
I=I1=I2=I3
V=V1+V2+V3
Reş=R1+R2+R3
23
V=V1=V2=V3
I=I1+I2+I3
1/Reş=1/R1+1/R2+1/R3
A.Ozansoy
09.04.2014
Ara Not: Direncin Renk Kodundan Okunması
Bu kesim,
kesim Kaynak [3]’
[3] ten alınmıştır
alınmıştır.
(Tolerans)
RENK
Değer
Siyah
y
0
1Ω
Kahverengi
1
10Ω
±%1
(F)
Kırmızı
2
100Ω
±%2
(G)
Turuncu
3
1KΩ
-
Sarı
4
10KΩ
-
Yeşil
5
100KΩ
±%0.5
Mavi
6
1MΩ
±%0.25 (C)
Mor
7
10MΩ
±%0.10 (B)
Gri
8
±%0.05
Beyaz
9
-
Altın
-
0.1
±%5
(J)
Gümüş
-
0.01
±%10
(K)
Örne
k
24
(Çarpan)
Kahve
rengi
Siyah
1
0
Kırmızı Tolerans
Kahverengi
2
A.Ozansoy
%1
(D)
Direncin değeri Ω
1000 = 1k Ω ± %1
09.04.2014
4 Elektrik
4.
El kt ik Ölçü
Öl ü Al
Aletleri:
tl i:
Bu kesim, Kaynak [1]’ den alınmıştır.
25
A.Ozansoy
09.04.2014
Voltmetre:
Potansiyel farkı
ölçmede kullanılır.
Potansiyel
P
t
i l f
fark
k
ölçülecek yere paralel
bağlanır.
Voltmetrenin hassas
ölçüm yapabilmesi için
Rv değerinin çok büyük
olması gerekir.
26
A.Ozansoy
09.04.2014
27
A.Ozansoy
09.04.2014
5. Kirchhoff Kuralları
1. Bir
1
B d
düğüm
ğ
noktasına
k
giren akımların
k l
toplamı
l
çıkan
k
akımların
k l
toplamına
l
eşittir.
2. Kapalı bir çevrim (ilmek) boyunca tüm potansiyel farkların toplamı
sıfırdır.
f d
∑V = 0
28
A.Ozansoy
09.04.2014
6. Akımın Biyolojik Etkileri
29
A.Ozansoy
Bu kesim, Kaynak
y
[1]’
[ ] den alınmıştır.
ş
09.04.2014
30
A.Ozansoy
09.04.2014
Kaynaklar
1. http://www.seckin.com.tr/kitap/413951887 (“Üniversiteler için
Fizik”, B. Karaoğlu, Seçkin Yayıncılık, 2012).
2.http://cnx.org/content/m42212/latest/?collection=col11406/latest
3. FİZ255 Elektrik ve Manyetizma Laboratuarı Deney Kılavuzu, A.Ü.
Fen Fakültesi Fizik Bölümü
4. Diğer tüm şekiller ; “Üniversite Fiziği Cilt-I “, H.D. Young ve R.A.
Freedman, 12. Baskı, Pearson Education Yayıncılık 2009, Ankara
31
A.Ozansoy
09.04.2014
Download

7.Ders