Yüklü tanecikler, elektrik alanının (Bk. ALAN VE KUVVETLER) etkisi altında hareket ettiklerinde, elektrik akımı oluşur. Elektrik alanı bir potansiyel farkıdır (akımın aktığı bir yokuş olarak tanımlanabilir) ve birim uzaklık başına voltla, genellikle de volt/ metre cinsinden ölçülür. Sözgelimi, pilin kutupları arasında potansiyel farkı (elektrik alanı) vardır. Kutupları birbirine yaklaştırmak ya da gerilimi yükseltmek, farkı ve alanın gücünü artıracaktır. Tıpkı yokuş aşağı yuvarlanan topun, eğim arttıkça hızlanması gibi, potansiyel farkının artması da, yüklü taneciklerin hızlanmasını sağlar.
Bir elektrik alanında, serbest eksi yüklü tanecikler, artı elektrota (anot), artı yüklü tanecikler de eksi elektrota (katot) doğru hareket ederler. İki tür yük de hareket edebildiğinde, akım, ikisinin toplamından oluşur. ELEKTRON'lar, küçük ve hareketli, eksi yüklü taneciklerdir. Maddelerdeki iletim olayında başlıca rolü oynarlar. Artı yüklü tanecikler olan PROTON' lar ise, daha büyüktür. Bunların kütlesi, elektronla-rınkinden 'yaklaşık 1 800 kez fazladır. Ayrıca, birçok atomda protonlar, nötronlarla (yüksüz tanecikler) bir araya gelerek, daha da büyük bir kütle oluşturur ve elektronlara göre daha hareketsiz kalırlar. Maddelerin çoğu (katı, sıvı ya da gaz) kararlı ve yüksüz atomlar ile moleküllerden oluşur. Başka bir deyişle, proton sayısı, elektronlarla dengelenir.
Maddelerde elektrik iletimi üç yoldan gerçekleşir: Elektronlar bağlı oldukları atomlardan koparılırlar (iyonlaşma daha çok gazlarda görülür); iyonik bağlı kimyasal maddelerde, atomların elektrik alanının etkisiyle kopabilen gevşek bağlı iyonlar iletimi sağlar; metallerde bir «bulut» halinde bulunan elektronlar, elektrik alanıyla kolayca hareket ederek iletimi gerçekleştirirler.
Yüklerin «top»a benzetilmesi, elektrik akımının bazı maddelerdeki özelliklerini açıklamada yetersiz kalmaktadır. Doyurucu bir açıklama için, fiziğin daha karmaşık bölümlerini(kuvantum mekaniği .gibi) incelemek gerekir.
Bazı maddelerin elektriği ötekilerden daha iyi ve kolay iletmesi, iletken ve yalıtkan terimlerini doğurmuştur. Üstün iletkenler (süperiletkenler) dışında, yüklerin hiç bir dirençle karşılaşmadan hareket edebildiği kusursuz bir iletken ya da hiç hareket etmediği kusursuz bir yalıtkan yoktur.

Gazlarda iletim: Pilin kutuplan birbirine yaklaştırıldığında, aralarında bir kıvılcım oluşur. Bu, havada elektrik iletiminin görünür belirtisidir. Ancak, kıvılcımın görülmesinden önce, kıvılcımın oluşmasında rol oynayan bir «görünmeyen» olaylar dizisi vardır.
Hava, yüksüz gaz atomları ile moleküllerinden oluşur. Gaz atomlarının hareketlerinden (gazın sıcaklığına bağlı ısıl enerji) dolayı, elektronları atomların dış yörüngelerinden koparan çarpışmalar olur. Bu olay, serbest elektronlar ve artı iyonlar (elektronlarını yitirdikleri için artı) oluşturur. Elektrik alanında, artı iyonların ve elektronların hareketleri, küçük bir elektrik akımı yaratır (bir amperin 10 ,2'de birinden küçük).
Elektriksel alanın kuvveti' arttıkça, elektronlar, çarpıştıkları atomlardan daha çok elektron kopartabilecek yüksek hızlara ulaşırlar. Böylece, daha çok elektron ve artı iyon ortaya çıkar. Tıpkı bir kartopun-dan çığ oluşması gibi, akım hızla artar.
Ayrıca, katoda ulaşan bazı artı iyonlar, metalden elektron koparacak düzeyde enerjiye ulaşarak, boşaltım akımını daha da artırır. Gaz daha çok uyarılır, sıcaklık artar ve bu enerjinin bir bölümü IŞIK foton-ları olarak yayılır. Gazdaki boşalım, görünür hale gelir.
İki elektrot arasındaki hava basıncı azaltılırsa, akımın geçmesi için çok daha düşük bir gerilim yeterli olur. Bunun nedeni, ne yoldan olursa olsun, serbest duruma geçen elektronların, seyrek gaz tanecikleriyle hiç çarpışmadan yüksek hızlara ulaşma olanağı bulmalarıdır (basınç, hava taneciklerinin sayısını artırdığından, hızlanmayı engelleyen bir etmendir). Böylece, yeterli enerjiyle atomları iyonlaştıran ve yoğun bir ışık oluşturan çarpışmalar gerçekleşir. Bu tür i-yonlaşmanın başlıca örnekleri arasında, reklam ışıklarında ve sokak lambalarında kullanılan DEŞARJ TÜPÜ sayılabilir.

İyonik maddeler ve çözeltiler: Sofra tuzu (sodyum klorür: NaCl) billurunda, eksi yüklü klor iyonları, artı yüklü sodyum iyonlarına bağlanmıştır. Billurdan geçirilecek elektrik akımı, artı iyonları katoda, eksi iyonları da anoda doğru harekete geçirir. Billur yapısında iyonlar çok sık ve sağlam olduklarından, hareket çok yavaş olur. Tuz ısıtılıp eritilirse, hareket çok daha kolay olur ve akım daha da yükselir.
İyonların hareketini artırmanın başka bir yolu da, billuru SU'da çözündürmektir. Molekülleri kolaylıkla hidrojen ve oksijen iyonlarına ayrışmadığı için, arı su, iyi bir yalıtkandır. Bununla birlikte, içinde herhangi bir iyonik madde çözeltisi bulunduğunda, hareketi kolaylaştıran bir ortama dönüşür.

Metaller: En iyi elektrik iletkenleri, metallerdir. Metallerin atom çekirdekleri, elektron «bulutu»yla çevrili düzenli billur yapılar oluştururlar. Metal atomlarının dış yörüngelerinden gelen elektronlar (her atomdan bir ya da iki tane) bir gaz molekülü gibi olduklarından, elektronlar için «bulut» ya da «gaz» terimi kullanılmaktadır. Bu nedenle, en küçük elektrik alanları bile, çok büyük akımlar oluşturur. Elektronlar aynı zamanda ışıkla etkileşerek, metallere parlaklık ve opaklık (saydam olmama) gibi özellikler kazandırır.
Elektronlar düzenli billurdan, herhangi bir engellemeyle karşılaşmadan geçerler. Yapıdaki en ufak düzensizlikler bile, bir saçılmaya ve bu nedenle de iletkenlikte azalmaya yolaçar. Düzensizlikler çoğu kez, atomların ısıl titreşimlerinden (ısıdan dolayı) oluşur. Sıcaklık yükseldikçe titreşim artar, elektronlar daha çok saçılır ve iletkenlik azalır. Bazı alaşımların katılması ve arı olmayan metallerin kullanılması da, billur düzenini bozup iletkenliği düşürür.
Elektrik iletkeni olarak kullanılacak olan metal, olabildiğince çok hareketli elektron «bulutu» içermeli, kolaylıkla arılaştırılabilmeli ve atomlarının ısıl titreşimlerinden doğan direnç düşük olmalıdır. Bu özellikleri taşıyan metaller arasında ilk akla gelen örnek, sodyum metalidir; ama sodyum elektronları, kolayca ısıl saçılmaya uğrar. Oda sıcaklığında (ve üstünde) GÜMÜŞ, en iyi iletkendir. İkinci iyi iletken de bakırdır. Bu iki metal kolayca arılaştırılabilir. Elektrik alanında kullanma amacıyla, arılık oranı %99,97' yi geçen binlerce ton bakır üretilmektedir.

Yalıtkan ve yarıiletkenler: Yalıtkanda bütün elektronlar, atomlarına sıkı sıkıya bağlıdırlar ve iletken «bulut» oluşturmazlar.
YARIİLETKEN'lerde, atomların bazı elektronları, yahtkanlardaki kadar sıkı bağlı değildir. Atomların ısıl titreşimi, birkaç elektronu hareketli bir «bulut» oluşturmaya iterek, iletkenliği sağlayabilir. Metallerle karşılaştırıldığında bunların iletkenliği oldukça düşüktür; ama metallerin tersine bunlarda, sıcaklık yükseldikçe ve «bulut» haline geçen elektron sayısı arttıkça, iletkenlik de artar. Belli bir sıcaklıkta, özel olarak seçilen bazı maddelerin eklenmetei iletken elektronların yoğunluğunu artırır, böylece iletkenlik de artar.

Üstün İletkenler: Bazı metal ve alaşımlar, mutlak sıfıra (—273°C) kadar soğutulduklarında, ansızın e-lektriksel dirençlerini yitirirler. Devreye bir kez verilen akım durmadan akar. Buna ÜSTÜN İLETKENLİK (süperiletkenlik) denir. Üstün iletkenliğin birçok kullanım alanı vardır; ama, gerekli düşük sıcaklığın elde edilmesi, bazı teknolojik zorluklar ortaya çıkarır. Üstün iletkenlerde elde edilen çok yüksek akımların yanı sıra, oluşan güçlü magnetik alanlar da çeşitli biçimlerde yararlı olur: Sözgelimi, yüksek hızlı trenlerde ve benzeri alanlarda uygulamalar geliştirilmektedir.

Kaynak:4
4.cilt / s.1153-1155

» Nüve Forum » kütüphane » Bilim ve Teknoloji » Fizik » Tanecik fiziği