ATÖLYE ÇALIŞMASI II - Ünite 3: Metallerin Elektriksel İletkenliği Özeti :

PAYLAŞ:

Ünite 3: Metallerin Elektriksel İletkenliği

Teorik Bilgi

Maddenin üzerinden geçen elektrik akımına gösterdiği kolaylığa “elektriksel iletkenlik” denir. Elektrik akımını ileten maddelere “iletken” iletmeyen maddelere “yalıtkan” denilmektedir. Bir maddenin direnci ne kadar küçük olursa üzerinden akım kolay geçer ve o madde o kadar iyi bir iletkendir. Katı maddelerin elektrik iletkenliğine bakıldığından demir, bakır, alüminyum gibi maddelerin elektrik akımını iyi ilettikleri, plastik ve elmasın ise elektrik akımını hiç iletmedikleri ve yalıtkan oldukları anlaşılmaktadır.

Elektrik Akımı

Elektronların iletken içindeki hareketi elektrik akımını oluşturmaktadır. İletken telin bir kesitinden birim zamanda geçen yük miktarına elektrik akımı denir.

$\small \Delta$ t zaman aralığını

$\small \Delta$ Q yük miktarını

(I) S yüzeyinden dik geçen elektrik akımı

şeklinde ifade edilmektedir.

Metallerde serbest elektronlar elektrik akımı oluşturan negatif yüklü parçacıklardır. Bir elektronun yükü e=1.6x10 ^-19 C'dur.

İletkenin kesin alanından bir saniyede geçen yük miktarına Q dersek iletkenden geçen $\small I$ akımı

şeklinde bulunur.

Günlük yaşantımızda kullanmış olduğumuz cep telefonu, hesap makinesi ve saat gibi doğru akımla çalışan bir aygıtın çalıştırılabilmesi için aygıttan sürekli ve aynı büyüklükte akımın geçmesi gerekmektedir. Elektrik akımının sürekli olması, elektron hareketliliğinin sürekli olması anlamına gelmektedir. Elektron hareketini sürekli hale getirmek için elektrik enerjisi üreten kaynaklar kullanılması gerekmektedir. Elektrik enerjisi üreterek sürekli olarak elektrik akımı oluşmasını sağlayan kaynaklara elektrik enerji kaynağı, elektrik akım kaynağı ve güç kaynağı adı verilmektedir. Güç kaynağının uzun bacağı pozitif(+) kısa bacağı ise negatif (-) kutuptur. R harfi ise direnci göstermektedir. Direnç hesap makinesi cep telefonu gibi aygıtlar olabilir. Güç kaynağının ucuna direnç bağlandığında güç kaynağının negatif kutbundan çıkan elektronlar direnç içerisinden geçerek güç kaynağının pozitif(+) kutbuna gelerek devreyi tamamlamaktadır. Serbest elektronlar negatif yüklü parçacık olduğundan elektronlar üzerine etkiyen elektriksel kuvvet oluşan elektrik alana ters yönde olur ve elektronlar elektriksel kuvvet yönünde yani elektrik alana ters yönde $\small \nu$ _S sürüklenme hızı ile hareket etmektedir. Böylece sürekli olarak elektron akışı sağlanır ve dış devreden bir $\small I$ akımı akar. Akımla elektrik alan her zaman aynı yönde olmaktadır. Kesit alanı S olanda bir iletkende $\small I$ akımı serbest elektronların sürüklenme hızına bağlı olarak

şeklinde ifade edilmektedir.

Bir iletkenin birim yüzeyinden geçen elektrik akımına elektrik akım yoğunluğu denir. Akım yoğunluğu akım yönünde olan ve J harfi ile gösterilir. Akım ifadesi de kullanılarak akım yoğunluğunun büyüklüğü

şeklinde ifade edilir. S $\small I$ birim sisteminde akım yoğunluğunun birimi A/m2 dir.

Direnç ve Ohm Yasası

Bir elektrik devresinde iletkenin iki ucu arasına bir V potansiyel farkı uygulandığında iletkende bir I akımı oluşur. Elektrik devresinde akım bir uçtan diğer uca oluşuncaya kadar zorluklarla karşılaşmaktadır. İletkenin elektrik akımına gösterdiği zorluğa direnç denilmektedir. R harfi ile gösterilir. Her iletkenin bir direnci vardır. Elektrik devresinde direnç akımı engellemek ve zorlamak gibi görevi vardır. İletken içindeki bir noktadaki elektrik alan o noktadaki akım yoğunluğunu belirlemektedir. Metallerde sabit sıcaklıkta akım yoğunluğu elektrik alanla doğru orantılı olarak değişmektedir. Sabit sıcaklıkta akım yoğunluğunun elektrik alana oranı sabit olup, bu sabite elektriksel iletkenlik adı verilmektedir. Sabit sıcaklıkta akım yoğunluğu ile elektrik alan arasındaki bu ilişki ohm yasası olarak bilinir.

İletken içinde oluşan elektrik alanın kaynağı iletkenin iki ucu arasında uygulanan potansiyel farktır. Bir iletkenin iki ucuna V potansiyel farkı verildiğinde bir iletkenin A ve B noktaları arasında kadar bir potansiyel fark uygulanmış olur. Böylece iletkende bir E elektrik alanı oluşur. V potansiyel farkı ile E elektrik alanının büyüklüğü arasında

V=V _B -V _A =EL şeklinde bir bağlantı vardır.

İletkende oluşan elektrik alanı $\small E=\tfrac{V}{L}$ şeklinde olacaktır.

Potansiyel farkı ile I akımı arasındaki ilişkiyi gösteren ve uygulamalarda kullanılan “ohm yasası” olarak bilinmektedir. Ohm yasasına göre sabit sıcaklıkta bir iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkın o iletkenden geçen akıma oranı sabit olup, bu sabite direnç denir.

V potansiyel fark
I akım
R direnç

veya $\small V$ = $\small I$ . $\small R$ ohm yasasıdır.

İletkenden geçen akım ampermetre ile ölçülür. Ampermetrenin direnci önemsenmeyecek kadar düşüktür ve devreye seri olarak bağlanır. İletkenin iki ucu arasındaki potansiyel fark voltmetre kullanılarak ölçülür.

Ohm yasasına göre sabit sıcaklıktaki bir iletkenden geçen akım iletkenin iki ucu arasındaki potansiyel farkı ile doğru orantılı olarak değişir.

Bir iletkenin direnci iletkenin boyuna kesit alanına bağlı olarak değişmektedir. Bir iletkenin uzunluğu ile doğru orantılı olarak değişir. İletkenin uzunluğu arttıkça iletkenin direnci de artar. Bir iletkenin kesit alanı arttıkça iletkenin direnci azalır. Veya kesit alanı azaldıkça direnç artar. Direnci ile kesit alanı arasında ters orantılı bir durum vardır. Bir iletkenin direnci iletkenin cinsine bağlı olarak da değişmektedir. Ayın uzunluk ve kesitte bakır ve alüminyumun dirençleri farklılık gösterir. Direnç değerlerinin farklılığı elektriksel iletkenliklerinin farklı olmasından kaynaklanır. Elektriksel iletkenliği küçük olan iletkenin direnci büyük olur. Dirençle elektriksel iletkenlik arasında ters orantı bir bağıntı bulunur. Elektriksel özdirenç p harfi ile gösterilir. Elektriksel iletkenlik ve özdirenç arasında

şeklinde ifade edilir.

İletkenin direnci elektriksel özdirenci ile doğru orantılıdır. İletken maddelerin özdirenci sıcaklığa bağlıdır ve artan sıcaklıkla özdirenç artar. İletkenin özdirenci belirli bir sıcaklık aralığında aşağıda verilen denkleme uygun olarak sıcaklık arttıkça doğrusal olarak değişir.

ρ = ρ 0[1+α(T-T0)]

Burada ρ ℃ cinsinden herhangi bir T sıcaklığındaki iletkenin özdirencini, P ₀ iletkenin T ₀ gibi bir referans sıcaklığındaki özdirencini ve α özdirencin sıcaklık katsayısını göstermektedir. α özdirencin sıcaklık katsayısı;

olarak elde edilir.

Burada ∆ $\small \rho$ özdirençteki değişimi ve $\small \Delta T$ sıcaklık değişimi gösterir.

R=R0[1+ $\small \alpha$ (T-T ₀ )]

Burada R iletkenin herhangi bir T sıcaklığında Ω cinsinden direncini ve R0 iletkenin T0 gibi bir referans sıcaklığındaki direncini göstermektedir. Direncin sıcaklık değişiminden faydalanılarak direnç termometreleri yapılır. Tel ısındıkça telin direnci artar böylece hassas olarak sıcaklık ölçümü yapılır.

Dört-Uç Tekniği

Dört-uç tekniği yüksel elektriksel iletkenliği sahip malzemelerin deneysel olarak iletkenliklerini belirlemek için kullanılan bir tekniktir.

Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler

Metallerin elektriksel iletkenliği deneyinde kullanacağınız araç ve gereçler aşağıda listelenmiştir:

DC güç kaynağı 14 V AC/12 1 adet
Gerilim yükseltici 1 adet
Dijital multimetre 2 adet
Alüminyum çubuk 1 adet
Bakır çubuk 1 adet
50 cm uzunluğunda bağlantı kablosu 3 adet
7-50 cm uzunluğunda kırmızı bağlantı kablosu 4 adet

DC Güç Kaynağı

DC güç kaynağı akım kaynağı olarak kullanılır.

Gerilim Yükseltici

Deneyde iletkenlik değeri yüksek bakır ve alüminyum malzemeler kullanılacağından büyük akım değerleri uygulanmaz. Bu durumda çok küçük akımlar uygulandığında akımın meydana getireceği potansiyel fark da küçük olur. Küçük değerdeki potansiyel farkı okunabilecek değere yükseltmek gerekir. Bu işlemi yapmak için gerilim yükseltici kullanılması gerekir.

Dijital Multimetre

Akım, gerilim ve direnç ölçmek için geliştirilmiş elektronik ölçü aletine multimetre denir. Multimetrenin ortasında dönebilen bir kademe ayarı yapan bir anahtar bulunur. Kademe anahtarı çevrilerek direnç, voltaj ve akım bölgesine getirildiğinde multimetre sırasıyla ohm metre, voltmetre ve ampermetre olarak kullanılabilir. Multimetrelerin dijital ve analog olmak üzere iki çeşidi vardır. Multimetrenin kademe anahtarı V harfi ile gösterilen bölgesine getirildiğinde multimetre voltmetre olarak görev yapar. Multimetreyi ampermetre olarak kullanmak için kademe anahtarını A harfi ile gösterilen bölgesine getirilmelidir.

Alüminyum ve Bakır Çubuklar

Deneyde kullanılacak demir ve bakır çubukların kesitleri ve boyları aynı olup kesitleri S=4,91x10-4 m2 ve uzunluğu L=0,315 uzunluğu sahiptir.

Deney Düzeneğinin Kurulması ve Deneyin Yapılışı

Bir Bakır Çubuğun Elektriksel İletkenliğinin Belirlenmesi

Güç kaynağını de akım kaynağı olarak ayarlamak için güç kaynağının sağ alt köşesinde bulunan 0-12 V 2 A yazılı kısımdaki kırmızı (+) uca kırmızı bağlantı kablosunu ve mavi (-) bağlantı kablosu takılır. Güç kaynağının (+) ucundan çıkan kırmızı bağlantı kablosu dijital multimetrenin 20 A yazan girişine takılır. Dijital multimetrenin COM yazan girişine diğer kırmızı kablonun bir ucu takılır ve kablonun boşta kalan ucu bakır çubuğun sol tarafındaki girişine takılır. Güç kaynağının (-) ucundan çıkan mavi bağlantı kablosu bakır çubuğun sol tarafındaki girişine takılır. Güç kaynağında V ve A olarak görülen gerilim ve akım ayar düğmeleri sağa sola çevrilerek gidebileceği son noktaya kadar getirilir. Dijital multimetrenin ortasında bulunan kademe anahtarı çevrilerek 20 A konumuna getirilir ve multimetre ampermetre olarak kullanılmış olur.

Alüminyum Çubuğun Elektriksel İletkenliğinin Belirlenmesi

Bu bölümde alüminyum çubuğun elektriksel iletkenliği belirlenecektir. Devredeki bakır çubuğu alüminyum çubuk ile değiştirilir. DC akım kaynağının ve gerilim yükselticisinin bağlantı fişleri elektrik prizine takılır ve cihatlar açılmaz. Böylece alüminyum çubuk için deney düzeneği kurulmuş olur. Ampermetre ve Voltmetre POWER düğmesine basılarak açılır. Ampermetre ve Voltmetrenin ekranlarında -0,00değeri görülür. Gerilim yükselticisinin arkasında bulunan düğmesine basılarak açılır. Gerilim yükselticisinin ayar düğmesi çok yavaş bir şekilde çevrilerek gerilim sıfırlanır. Güç kaynağının arkasında bulunan düğme basılarak açılır. Güç kaynağının V gerilim ayar düğmesini sola doğru çevirerek gidebileceği son noktaya kadar getirilir. Güç kaynağındaki A akım ayar düğmesi sola doğru çevrilerek farklı akım değerleri uygulayarak oluşan gerilimler voltmetre ile ölçümü yapılır.

Deneysel Sonuçların Değerlendirilmesi

Bakır Çubuğun Elektriksel İletkenliğinin Hesabı

I-V değişim grafiğinin eğitimi(tan $\small \theta$ ) hesaplanır.

Alüminyum Çubuğun Elektriksel İletkenliğinin Hesabı

I –V değişim grafiğinin eğiminden alüminyum çubuğun R direnci aşağıdaki şekilde hesaplanır.