METALLERİN ELEKTRİKSEL İLETKENLİĞİ

Her maddenin kendine özgü fiziksel özellikleri vardır. Bu özelliklere maddenin ayırt edici (karakteristik) özellikleri denir. Bu özellikler maddeyi hem tanımamızı hem de diğer maddelerden ayırmamızı sağlar.

Bir maddenin üzerinden geçen elektrik akımına gösterdiği kolaylığa “elektriksel iletkenlik” denir.

Elektrik akımını ileten maddelere “iletken” ve iletmeyen maddelere ise “yalıtkan” adı verilir.

Bir maddenin direnci ne kadar küçük ise, o maddeden elektrik akımı o kadar kolay geçer ve madde o kadar iyi bir iletkendir. Katı maddelerin elektriksel iletkenlikleri incelendiğinde altın, gümüş, bakır, alüminyum gibi metallerin elektrik akımını iyi ilettikleri; plastik, elmas gibi yalıtkanların ise elektriği hemen hemen hiç iletmedikleri dikkat çeker.

İletkenlerin elektriksel iletkenliği 5×107 (ohm·m)-1 civarındadır ve yalıtkanların ise 1×10-12 (ohm·m)-1’den küçüktür.

Katı maddelerde akım oluşmasını sağlayan serbest elektronların sayısından ve madde içerisindeki hareket kabiliyetlerinden kaynaklanır. Metallerde serbest elektron sayısı fazladır ve bu yüzden metaller elektrik akımını iyi iletirler. Yalıtkanlar ise serbest elektronları hemen hemen hiç olmayan katılardır.

Elektriksel iletkenlikleri iletkenler ve yalıtkanlar arasında olan katı maddelere ise yarıiletken adı verilir.

Silisyum ve germanyum en iyi bilinen örnekleridir ve yarıiletkenler elektroniğin gelişimine hız kazandırmış malzemelerdir.

Serbest elektronların iletken içindeki hareketi elektrik akımı oluşturur. İletken bir telin herhangi bir kesitinden birim zamanda geçen yük miktarına elektrik akımı denir.

Günlük hayatımızda kullandığımız saat, hesap makinesi, cep telefonu gibi doğru akımla çalışan herhangi bir aygıtın çalıştırılabilmesi için, aygıtın içinden sürekli ve aynı büyüklükte elektrik akımının geçmesi gerekir. Elektrik akımının sürekli olması, elektron hareketinin sürekli olması anlamına gelir. Elektron hareketini sürekli hale getirebilmek için elektrik enerjisi üreten kaynaklar kullanmak gerekir. Elektrik enerjisi üreterek sürekli elektrik akımının oluşmasını sağlayan kaynaklara “elektrik enerjisi kaynağı”, “elektrik akımı kaynağı”, “güç kaynağı” veya “üreteç” adı verilir. Güç kaynaklarına en basit örnek pillerdir. Kapalı bir devrede güç kaynağının bir ucundan çıkan elektronlar belirli bir yolu takip ederek güç kaynağının diğer ucuna gelirler. Böylece güç kaynağı elektron akışının sürekli olmasını sağlayarak sürekli bir elektrik akımı oluşturur ve aygıt çalışır.

Bir iletkende birim yüzeyden geçen elektrik akımına yani birim alan başına düşen elektrik akımına “akım yoğunluğu” denir. Akım yoğunluğu akım yönünde (dolayısı ile elektrik alan yönünde) olan bir vektördür ve J ile gösterilir. SI birim sisteminde akım yoğunluğunun birimi A/m2’dir.

Negatif yüklü parçacıklar olan elektronlar bir konumdan başka bir konuma hareket ettiklerinde, bu elektronlara “serbest elektron” denir. Bir katı maddeye potansiyel fark uygulandığında, serbest elektronların sayısı ve hareket kabiliyetleri elektriksel iletkenliği belirler

Elektrik devresinde akım bir uçtan diğer uca ulaşıncaya kadar zorluklarla karşılaşır. Bir iletkenin elektrik akımına karşı gösterdiği zorluğa “direnç” denir ve direnç R harfi ile temsil edilir. Elektrik iletiminde ya da elektrik devrelerinde kullanılan her iletkenin bir direnci vardır.

Direnç, iletken içerisinde hareket eden serbest elektronların, iletken içindeki atomlarla ve diğer serbest elektronlarla çarpışmalarından kaynaklanır. Elektrik devrelerinde direncin temel görevi akımı sınırlamak ya da düzenlemektir.

R dirençli bir iletkenin iki ucu arasına bir potansiyel fark uygulandığında, iletkenin içinde bir E elektrik alanının ve bir J akım yoğunluğunun oluştuğunu öğrenmiştik. İletken içinde bir noktadaki elektrik alan o noktadaki akım yoğunluğunu belirler. Birçok metalde sabit sıcaklıkta akım yoğunluğu elektrik alanla doğru orantılı olarak değişir yani elektrik alan ne kadar artarsa akım yoğunluğu da o kadar artar. Buna göre, sabit sıcaklıkta akım yoğunluğunun elektrik alana oranı sabit olup, bu sabite “elektriksel iletkenlik (σ, sigma diye okunur)” adı verilir ve elektriksel iletkenlik akımı oluşturan elektrik alandan bağımsızdır. Sabit sıcaklıkta akım yoğunluğu ile elektrik alan arasındaki bu ilişki “Ohm Yasası” olarak bilinir.

Geometrileri aynı ancak elektriksel iletkenlikleri farklı olan iki iletkene aynı büyüklükte bir elektrik alan uygulanırsa, daha büyük elektriksel iletkenliğe sahip olan iletkenin akım yoğunluğunun daha büyük olacağı da açıktır. Buna göre, bir iletkenin üzerinden geçen elektrik akımına gösterdiği kolaylığa bir başka deyişle iletkenin serbest elektronların akışına izin verme yeteneğine “elektriksel iletkenlik” denir. Elektriksel iletkenliğin birimi (Ω·m)-1’dir.

Bir iletkenin elektriksel iletkenliğinin tersine elektriksel özdirenç (t, ro diye okunur) adı verilir. O halde yüksek elektriksel özdirence sahip bir iletkenin elektriksel iletkenliği küçük olacaktır ya da bir iletkenin elektriksel özdirenci ne kadar küçükse elektriksel iletkenliği o kadar büyük olacaktır. Elektriksel özdirencin birimi (Ω·m)’dir.

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

Çok düşük sıcaklıklarda pek çok metalin özdirenci (veya direnci) çok küçüktür fakat sıfır değildir. Bazı metaller çok düşük sıcaklıklara soğutulduklarında, kritik bir sıcaklık değerinde özdirençlerinin aniden sıfıra düştüğü görülür. Bu olaya süperiletkenlik ve bu özelliği gösteren maddelere de süperiletken adı verilir. Örneğin civa 4,2 Kelvin (K) sıcaklığının altında süperiletkendir

• DC güç kaynağı (14 V AC/12 VDC, 5 A) .......................................... 1 adet
• Gerilim yükseltici ......................................................................... 1 adet
• Dijital multimetre ......................................................................... 2 adet
• Alüminyum çubuk ........................................................................ 1 adet
• Bakır çubuk ................................................................................ 1 adet
• 50 cm uzunluğunda mavi bağlantı kablosu ...................................... 3 adet
• 50 cm uzunluğunda kırmızı bağlantı kablosu ................................... 4 adet