Elektrik Akımı Nedir?

Elektrik her yerdedir – cep telefonlarımız, bilgisayarlarımız, ışıklarımız, lehim havyalarımız ve klimalarımız gibi teknolojik cihazlara güç sağlar. Modern dünyamızda elektrikten kaçmak oldukça zor. Elektrikten kaçmaya çalıştığınızda bile, gök gürültülü fırtınadaki şimşekten beynimizdeki sinapslara kadar, doğanın her yerinde hala elektriksel sinyallerin iş başında olduğunu görmekteyiz. Peki elektrik tam olarak nedir? Bu çok karmaşık bir sorudur ve daha derine inip daha fazla soru sorduğunuzda, gerçekten kesin bir cevap yoktur, yalnızca elektriğin çevremizle nasıl etkileşime girdiğine dair soyut temsiller ve kabuller vardır.

Bu eğitimde elektriğe odaklanacağız: elektronik aletlerimize güç veren şeylere. Amacımız, elektriğin bir güç kaynağından kablolar üzerinden LED’leri yakmak, motorları döndürmek ve iletişim cihazlarımızı güç sağlamak için elektriğin, kablolar yoluyla nasıl aktığını anlamaktır.

Elektrik kısaca elektrik yükünün akışı olarak tanımlanır, ancak bu basit ifadenin arkasında çok şey var. Elektrik akımı nereden geliyor? Onları nasıl hareket ettiririz? Nereye taşınırlar? Bir elektrik yükü nasıl mekanik harekete neden olur veya bir şeyleri aydınlatır? Çok fazla soru var! Elektriğin ne olduğunu açıklamaya başlamak için, madde ve moleküllerin ötesinde, hayatta etkileşime girdiğimiz her şeyi oluşturan atomlara yakınlaşmamız gerekiyor.

Elektriğin temellerini anlamak için, yaşamın ve maddenin temel yapı taşlarından biri olan atomlara odaklanarak başlamalıyız. Atomlar, hidrojen, karbon, oksijen ve bakır gibi kimyasal elementler olarak yüzden fazla farklı biçimde bulunur. Pek çok türde atom, fiziksel olarak görebileceğimiz ve dokunabileceğimiz maddeyi oluşturan moleküller oluşturmak için birleşebilir.

Atom bile elektriğin işleyişini açıklayacak kadar küçük değil. Bu bir elektrik atomudur diyeeceğimiz bir atom henüz keşfedilmemiştir. Bir seviye daha aşağıya inip atomların yapı taşlarına bakmalıyız: protonlar, nötronlar ve elektronlar.

Atomların Yapı Taşları

Bir atom, üç farklı parçacığın birleşiminden oluşur: elektronlar, protonlar ve nötronlar. Her atom, protonların ve nötronların yoğun bir şekilde bir arada paketlendiği bir çekirdeğe sahiptir.  Elektronlar ise çekirdeğin yörüngesinde hareket ederek çekirdeği çevreler.

Her atomun içinde en az bir proton olması vardır. Bir atomdaki proton sayısı önemlidir, çünkü atomun hangi kimyasal elementi temsil ettiğini tanımlar. Örneğin, sadece bir protonlu bir atom hidrojendir, 29 protonlu bir atom bakırdır ve 94 protonlu bir atom plütonyumdur. Bu proton sayısına, atomun atom numarası denir. Protonun çekirdek ortağı nötronlar önemli bir amaca hizmet eder; protonları çekirdekte tutarlar ve bir atomun izotopunu belirlerler.

Elektronlar, elektriğin işleyişi için çok önemlidir (adlarında ortak bir temaya dikkat edin?) En kararlı, dengeli durumunda, bir atom, protonlarla aynı sayıda elektrona sahip olacaktır. 

Atomun elektronlarının hepsi sonsuza kadar atoma bağlı değildir. Atomun dış yörüngesindeki elektronlara değerlik elektronları denir. Yeterli dış kuvvetle, bir değerlik elektronu atomun yörüngesinden kaçabilir ve serbest kalabilir. Serbest elektronlar yükü hareket ettirmemize izin verir, bu da elektrikle ilgilidir. Elektrik yükünden bahsetmişken …

Yüklerin Hareketi

Bu eğitimin başında bahsettiğimiz gibi, Elektrik, elektrik yükünün akışı olarak tanımlanmaktadır. Yük, maddenin bir özelliğidir ( tıpkı kütle, hacim veya yoğunluk gibi) Ölçülebilir. Bir şeyin ne kadar kütlesi olduğunu ölçebildiğiniz gibi, ne kadar yükü olduğunu da ölçebilirsiniz. Bir nesne iki türde yükle yüklenebilir : pozitif (+) veya negatif (-).

Yükü hareket ettirmek için yük taşıyıcılarına ihtiyacımız vardır. Atomun parçalarına baktığımızda da proton ve elektronların bu işi yapabileceğini gördük. Elektronlar her zaman negatif yük taşırken, protonlar her zaman pozitif yüklüdür. Nötronlar (adlarına göre) nötrdür, hiçbir yükü yoktur. Hem elektronlar hem de protonlar aynı miktarda yükü taşır, sadece türü farklıdır.

Elektronların ve protonların yükü önemlidir, çünkü bize, onlara bir kuvvet uygulama imkanı sağlar. Elektrostatik kuvvet!

Elektrostatik kuvvet (Coulomb yasası olarak da bilinir), yükler arasında işleyen bir kuvvettir. Aynı tipteki yüklerin birbirini ittiğini, zıt tipteki yüklerin ise birlikte çekildiğini belirtir. 

İki yüke etki eden kuvvet miktarı, birbirlerinden ne kadar uzakta olduklarına bağlıdır. İki yük yaklaştıkça, kuvvet (ya birlikte itme ya da uzaklaşma) artar.

Elektrostatik kuvvet sayesinde elektronlar diğer elektronları uzaklaştıracak ve diğer atomun protonları tarafından çekilecektir. Bu kuvvet, atomları bir arada tutan “yapıştırıcının” bir parçasıdır, ancak aynı zamanda elektronların (ve yüklerin) akışını sağlamak için ihtiyacımız olan araçtır!

Artık yüklerin akışını sağlamak için tüm araçlara sahibiz. Atomlardaki elektronlar yük taşıyıcı görevi görebilir çünkü her elektron negatif bir yük taşır. Bir elektronu bir atomdan kurtarabilir ve onu hareket etmeye zorlayabilirsek, elektrik yaratabiliriz.

Yük akışı için tercih edilen temel kaynaklardan biri olan bakır atomunun atom modelini düşünün. Dengeli durumda, bakırın çekirdeğinde 29 proton ve etrafında dönen 29 elektron vardır. Elektronlar, atomun çekirdeğinden farklı mesafelerde yörüngede dolaşırlar. Çekirdeğe daha yakın olan elektronlar, merkeze uzak yörüngelerde bulunanlardan çok daha güçlü bir çekim hissederler. Bir atomun en dıştaki elektronlarına değerlik elektronları denir, bunlar bir atomdan kurtulmak için en az miktarda kuvvet gerektirir.

Değerlik elektronu üzerinde yeterli elektrostatik kuvvet kullanarak, elektronu atomun etrafındaki yörüngeden çıkarır ve serbest bir elektron yaratabiliriz.

Şimdi bir bakır tel düşünün: sayısız bakır atomuyla dolu madde. Serbest elektronumuz atomlar arasındaki boşlukta yüzerken, o boşluğun etrafını çevreleyen yükler tarafından çekilir ve itilir. Bu kaosta, serbest elektron, sonunda tutunabileceği yeni bir atom bulur; bunu yaparken, bu elektronun negatif yükü atomdan başka bir değerlik elektronu çıkarır. Şimdi yeni bir elektron boş uzayda sürüklenme durumuna geçer. Bu zincir etkisi, elektrik akımı adı verilen bir elektron akışı oluşturmak için devam edebilir.