1.1 Metallarda elektrik cərəyanı
Elektrik cərəyanı yüklü zərrəciklərin nizamlı hərəkətidir. Bəs metal məftildə hansı zərrəciklər hərəkət edir və niyə məftil qızır? Bu dərsdə bunu öyrənəcəyik.
- metalın daxili quruluşu: ionlar və sərbəst elektronlar;
- cərəyan zamanı elektronların hərəkəti;
- müqavimətin yaranması və temperaturdan asılılığı;
- ifratkeçiricilik.
Metalın daxilində nə var?
Metal atomları kristal qəfəs əmələ gətirir. Hər atom xarici elektronlarının bir hissəsini itirir və müsbət iona çevrilir. Ayrılan elektronlar heç bir atoma bağlı deyil, bütün metal boyunca hərəkət edə bilir. Onlara sərbəst elektronlar deyilir.
Məftilə gərginlik verilməyəndə sərbəst elektronlar yalnız istilik hərəkəti edir: hər biri təsadüfi istiqamətə qaçır. Ümumilikdə heç bir istiqamətə yük daşınmır, ona görə cərəyan yoxdur.
Gərginlik veriləndə nə baş verir?
Məftilin uclarına gərginlik veriləndə metalın içində elektrik sahəsi yaranır. Sahə sərbəst elektronlara təsir edir və onlar xaotik hərəkətlə yanaşı, mənfi qütbdən müsbət qütbə doğru yavaş-yavaş sürüşməyə başlayır. Bu nizamlı hərəkət elektrik cərəyanıdır.
Metallarda elektrik cərəyanı sərbəst elektronların nizamlı hərəkətidir.
Cərəyanın istiqaməti şərti olaraq müsbət yüklərin hərəkət istiqaməti kimi qəbul edilib. Elektronlar mənfi yüklü olduğu üçün cərəyanın əks istiqamətində hərəkət edir.
Elektronların nizamlı hərəkətinin sürəti çox kiçikdir, adətən saniyədə bir millimetrdən də az. Bəs açarı basanda lampa niyə dərhal yanır? Çünki elektrik sahəsi məftil boyunca işıq sürətinə yaxın sürətlə yayılır və bütün məftildəki elektronlar demək olar ki, eyni anda hərəkətə başlayır.
Cərəyanı məhz elektronların daşıdığını 1916-cı ildə Tolmen və Stüart təcrübə ilə göstəriblər: sürətlə fırlanan sarğacı birdən dayandıranda ətalətlə irəli gedən yüklü zərrəciklər qısa bir cərəyan yaradır. Ölçmələr bu zərrəciklərin elektron olduğunu göstərdi.
Müqavimət haradan yaranır?
Nizamlı hərəkət edən elektronlar qəfəsin ionları ilə toqquşur və enerjilərinin bir hissəsini onlara verir. Metalın elektrik müqaviməti bu toqquşmalardan yaranır. Toqquşmalar zamanı ionların rəqsi güclənir, ona görə cərəyan keçən məftil qızır.
Dövrə hissəsi üçün Om qanunu: cərəyan şiddəti gərginliklə düz, müqavimətlə tərs mütənasibdir.
I = U / RI — cərəyan şiddəti (A), U — gərginlik (V), R — müqavimət (Ω)
Müqavimət temperaturdan necə asılıdır?
Metal qızdıqca ionlar daha güclü rəqs edir, elektronlar onlarla daha tez-tez toqquşur. Ona görə metalın müqaviməti temperatur artdıqca artır.
R = R₀ · (1 + α · t)R₀ — 0 °C-də müqavimət, t — temperatur (°C), α — müqavimətin temperatur əmsalı (1/°C)
Mis məftilin 0 °C-də müqaviməti 10 Ω-dur. 50 °C-də onun müqaviməti nə qədər olar? Misin müqavimətinin temperatur əmsalı α = 0,0043 1/°C.
R = 10 Ω · (1 + 0,0043 · 50) = 10 Ω · 1,215 ≈ 12,2 Ω
Cavab: təxminən 12,2 Ω. Yəni məftil 50 dərəcə qızanda müqaviməti 20 faizdən çox artır.
Bu xassədən müqavimət termometrlərində istifadə olunur: məftilin müqavimətini ölçüb temperaturu tapırlar.
İfratkeçiricilik
Bəzi metallar və ərintilər çox aşağı temperaturda müqavimətini tamamilə itirir. Bu hadisəyə ifratkeçiricilik deyilir. Onu 1911-ci ildə Hollandiya alimi Kamerlinq-Onnes civəni təxminən −269 °C-yə qədər soyudanda kəşf edib. İfratkeçirici məftildə cərəyan enerji itirmədən axır. Bu hadisədən güclü elektromaqnitlərdə, məsələn, xəstəxanalardakı MRT cihazlarında istifadə olunur.
Özünü yoxla
1. Metallarda elektrik cərəyanını hansı zərrəciklər yaradır?
Sərbəst elektronlar.
2. Cərəyan olmayanda sərbəst elektronlar hərəkətsiz durur?
Xeyr. Onlar istilik hərəkəti edir, amma bu hərəkətdə yük heç bir istiqamətə daşınmır.
3. Elektronlar cərəyanın istiqamətində, yoxsa əksinə hərəkət edir?
Əksinə. Cərəyanın istiqaməti müsbət yüklərin hərəkət istiqaməti kimi qəbul edilib, elektronlar isə mənfi yüklüdür.
4. Lampanın közərmə telinin müqaviməti yanan anda böyükdür, yoxsa soyuq olanda?
Yanan anda. Tel çox qızır, metalın müqaviməti isə temperatur artdıqca artır.
5. Alüminium məftilin 0 °C-də müqaviməti 20 Ω-dur. 100 °C-də müqaviməti nə qədər olar? (α = 0,004 1/°C)
R = 20 Ω · (1 + 0,004 · 100) = 20 Ω · 1,4 = 28 Ω.