Fonon (Phonon) – Elastik dalga paketidir. Enerjisi, dalga boyu veya frekansı ile karakterize edilir ki bu enerji malzemeye transfer edilir. Özgül ısı (Specific heat) – bir gram malzemenin sıcaklığını bir derece arttırmak için gereken enerji miktarıdır. Heat Capacity and Specific Heat

Figure 21.1 Heat capacity as a function of temperature for metals and ceramics.

Figure 21.2 The effect of temperature on the specific heat of iron. Both the change in crystal structure and the change from ferromagnetic to paramagnetic behavior are indicated.

How much heat must be supplied to 250 g of tungsten to raise its temperature from 25 o C to 650 o C? Example 21.1 SOLUTION Specific Heat of Tungsten If no losses occur, 5000 cal (or 20,920 J) must be supplied to the tungsten.

 Lineer termal uzama katsayısı (Linear coefficient of thermal expansion) – Sıcaklığı bir derece arttırıldığında malzemenin birim boyutunda meydana gelen değişimi ifade eder.  Isıl gerilmeler (Thermal stresses) – Sıcaklıklarda meydana gelen değişimin, malzeme hacminin farklı noktalarında meydana gelen genleşme veya büzülme farklarından dolayı meydana gelen gerilmelerdir Thermal Expansion

The relationship between the linear coefficient of thermal expansion and the melting temperature in metals at 25°C. Higher melting point metals tend to expand to a lesser degree.

(a) The linear coefficient of thermal expansion of iron changes abruptly at temperatures where an allotropic transformation occurs. (b) The expansion of Invar is very low due to the magnetic properties of the material at low temperatures.

Explain why, in Figure, the linear coefficients of thermal expansion for silicon and tin do not fall on the curve. How would you expect germanium to fit into this figure? Example:Bonding and Thermal Expansion Figure 21.3 The relationship between the linear coefficient of thermal expansion and the melting temperature in metals at 25°C. Higher melting point metals tend to expand to a lesser degree.

Example SOLUTION Both silicon and tin are covalently bonded. The strong covalent bonds are more difficult to stretch than the metallic bonds (a deeper trough in the energy-separation curve), so these elements have a lower coefficient. Since germanium also is covalently bonded, its thermal expansion should be less than that predicted by Figure 21.3.

Design the dimensions for a pattern that will be used to produce a rectangular-shaped aluminum casting having dimensions at 25 o C of 25 cm  25 cm  3 cm. Example 21.4 SOLUTION The linear coefficient of thermal expansion for aluminum is 25  / o C. The temperature change from the freezing temperature to 25 o C is = 635 o C. The change in any dimension is given by: Example: Design of a Pattern for a Casting Process For the 25-cm dimensions, l f = 25 cm. We wish to find l 0 :

Example: SOLUTION (Continued) For the 3-cm dimensions, l f = 3 cm. If we design the pattern to the dimensions cm  cm  3.05 cm, the casting should contract to the required dimensions.

A ceramic enamel is to be applied to a 1020 steel plate. The ceramic has a fracture strength of 4000 psi, a modulus of elasticity of 15  10 6 psi, and a coefficient of thermal expansion of 10  / o C. Design the maximum temperature change that can be allowed without cracking the ceramic. Example:Design of a Protective Coating

Example: SOLUTION If only the enamel heated (and the steel remained at a constant temperature), the maximum temperature change would be: However, the steel also expands. Its coefficient of thermal expansion (Table 21-2) is 12  / o C and its modulus of elasticity is 30  10 6 psi. The net coefficient of expansion is

 Termal iletkenlik (Thermal conductivity) – mikroyapıya bağımlı ve malzeme içerisinde ısı transfer hızının ölçüsü olan bir malzeme özelliğidir.  Lorentz sabiti – elektrik ve termal özellikleri ilişkilendiren bir katsayıdır. Thermal Conductivity

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license. Figure: When one end of a bar is heated, a heat flux Q/A flows toward the cold ends at a rate determined by the temperature gradient produced in the bar.

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license. Figure: The effect of temperature on the thermal conductivity of selected materials. Note the log scale on the y- axis.

Design a glass window 4 ft  4 ft square that separates a room at 25 o C from the outside at 40 o C and allows no more than 5  10 6 cal of heat to enter the room each day. Assume thermal conductivity of glass is 0.96 W. m -1 K -1 or cal/cm. s. K. Example 21.6 SOLUTION Example:Design of a Window Glass where Q/A is the heat transferred per second through the window.

Example: SOLUTION (Continued)

 Termal şok (Thermal shock) – Sıcaklıktaki ani değişimler sonucu oluşan oluşan termal gerilmelerin malzemelerde oluşturduğu hasardır. Thermal Shock

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license. Figure: The effect of quenching temperature difference on the modulus of rupture of sialon. The thermal shock resistance of the ceramic is good up to about 950°C.

İletkenlik Elektrik iletkenlik, malzeme içerisinde atomik boyutlarda “yük taşıyan elemanlar” (charge carriers) tarafından gerçekleştirilir. Bunlar elektron veya elektron boşluklarıdır. Bunların yük değerleri: 0.16 x C.

V: volt, I: akım, R: direnç  : öz dirençlik, , A: alan, l: boy  : iletkenlik q: yük :C,  : hareketlilik (mobility)(m 2 /(V.Sn) N: yük yoğunluğu: 1 /m 3 : ortalama hız, m/s, E: elektrik alan, V/m

Enerji seviyeleri Pauli exclusion kuralı: 2 tane elektron yörünge içerisinde aynı yerde bulunamaz.Her bir yörünge birbirinin tersi spine sahip iki elektrona sahiptir. Bir Na atomu 3s yörüngede bir elektrona sahiptir. 4 adet Na atomunda 4 elektron Pauli prensibine göre aynı yörüngede bulunamaz. Bu nedenle 3s yörüngeleri arasında hafif seviye farkı vardır. Aynı zamanda delokolize olan bu 4 elektron çok hareketlidir ve 4 farklı Na atomları tarafından paylaşılır. Bu elektronlar aynı zamanda Na atomlarını bir arada tutacak bir bağ oluştururlar.

Bu komşu yarı dolu 3s yörüngeleri arasındaki mesafe çok küçüktür ve bir enerji bandı (valans bandı) oluştururlar. Bu bant içerisindeki yüksek hareketliliğe sahip bu elektronlar valans elektronları olarak adlandırılırlar ve elektron bulutu oluşturarak katı malzeme içerisinde sürekli hareket edebilirler. Sonuç olarak bu yapıya sahip olan metallerin elektrik iletkenlikleri yüksektir.

Fermi enerji seviyeleri 0 o K sıcaklıkta valans bandının sahip olabileceği en yüksek enerji Fermi seviyesi olarak adlandırılır. Herhangi bir sıcaklıkta enerji bandının sahip olabileceği enerji ise 0 ile 1 arasında değer alabilen Fermi fonksiyonu ile dikkate alınır. 0 o K de Ef in üzerinde enerjiye sahip elektron bulunmadığı için malzeme iletken değildir.Bu nedenle belli bir seviyede, ısı gibi, dış enerjiye ihtiyaç vardır.

K: boltzman sabiti:13.8 x J/ o K) E>>Ef  f(E) = 0 E<<Ef  f(E) = 1 E=Ef  f(E) = 0.5 T arttıkça f(E) 0 a yaklaşır. Sonuç olarak metallerde sıcaklık elektronların fermi seviyesinin üzerindeki enerji seviyelerinde bulunmasını sağlayabildiği için iyi iletkendirler. Bu elektronlara serbest elektronlar denir.

Elmas gibi kovalent bağa sahip malzemelerde elektronların valans bandından iletkenlik bandına geçmesi için yenmeleri gereken bir enerji aralığı (Eg) söz konusudur. ~6eV

~1.107eV Silisyumda Eg seviyesi Elmasa göre çok daha düşüktür. Oda sıcaklığı az fakat önemli sayıda elektronların, arkalarında boşluk bırakarak (elektron boşlukları (+ yüklü) valans bandından iletkenlik bandına geçmesine sebep olur. Bu nedenle Si oda sıcaklığında dahi iletkenlik gösterebilir. Hem pozitif hem de negatif taşıyıcılar iletkenlikte etkin olur

İletkenlik İletken, yüksek seviyelerde elektrik iletkenliğe sahip malzemelere verilen isimdir. İletkenlik seviyeleri 10x10 6  -1 m -1 seviyelerindedir. İletkenlik bu eşitlikle hesaplanır. Yük elektronlar ile taşınır.

Artan sıcaklıkla malzemelerde görülen iletkenlikte düşme gerçekleşmektedir. Bunun sebebi, dalga hareketi şeklinde hareket eden elektronların hareketliliğinin artan sıcaklıkla titreşimleri artan atomlar arasındaki etkileşimdir.  : Sıcaklık direnç sabiti

 o : saf metalin direnci  : alaşımın direnci  : Sabit

Isıl eleman Isıl eleman iki metal telden oluşur. Bu metal tellerin farklı sıcaklıklara konması durumunda sıcak taraftaki yüksek enerjiden dolayı sıcaktan soğuk tarafa doğru bir elektron akışı gerçekleşir. Soğuk taraf (-), sıcak taraf (+) olarak davranır.Bu etki Seebeck etkisi, okunan voltajda seebeck voltajı olarak adlandırılır.

İletkenliğe etki eden faktörler; Malzeme türü İletkenlik formülünden –Yük taşıyıcı yoğunluğu –Hareketlilik –Yük Sıcaklık Kimyasal kompozisyon- alaşım olma durumu

Superiletkenlik Metallerin çoğu 0 o K sıcaklığa yaklaştıkça dirençleri sıfır değildir ve belli oranlarda iletkenlik gösterirler, Bazı malzemeler ise farklı olarak belli bir Tc kritik sıcaklığının altında sıfır direnç göstermeye başlarlar. Bu duruma süper iletkenlik adı verilir. süper iletkenlik, Tc sıcaklığın altında kafes titreşimi ile dalga hareketi ile ilerleyen elektronların uyumu ile gerçekleşmektedir.

1,2,3 Süper iletken YBa 2 Cu 3 O 7-x

Yalıtkanlık Yalıtkanlar, iletkenlik seviyeleri çok düşük olan malzemelerdir. İletkenlikleri –  -1 m -1 seviyelerindedir. Enerji aralığı 2 eV un üzerindedir. Yük taşıyıcı olarak elektron yoğunluğu (n e ) çok düşüktür. Bu nedenle genelde çok küçük seviyelerde olan iletim sıcaklık nedeniyle değil, iyonik katışkılar sebebiyle olur. Endüstride seramiklerin %80ni elektronik endüstrisinde kullanılır. %20 si yapısal uygulamalarda kullanılır.

Yalıtkanlar Kapasitörler yüksek yalıtkanlık seviyelerine sahip dielektrik malzemeler kullanılarak üretilir. Yüksek E, Elektrik alan etkisinde dipoller elektrotlar üzerinde birikir. D: Yük yoğunluğu: C/m 2  : elektrik geçirgenlik: C / (V.m)  o : vakumun elektrik geçirgenliği:8.854x C / (V.m)

Manyetik Özellikler Manyetizm: Bazı malzemelerin çekime maruz kalmasını ifade eder. Elektrik akımının kapalı bir çevrimde akması manyetik alan oluşumuna neden olur.

B = indüksiyon (akı yoğunluğu), weber /m 2 H = Manyetik alan gerilimi, amper/m  = geçirgenlik, weber /amper-m  o = vakumun geçirgenliği  r = kısmi geçirgenlik

Paramanyetik katılar Diyamanyetik katılar

Manyetik alan aralığı Başlangıç geçirgenliği,  i H=0 B=0 Ferromanyetik malzemeler, manyetik histerisiz S: Doyma R: Kalıcı C: Zorlayıcı

Eşleşmemiş elektronlar: Bohr manyetikleşme etkisine sebep olurlar Eşleşmiş elektronlar Eğer komşu atomlarda elektronlar aynı manyetik momente sahip olurlarsa, bütün hacimde net bir manyetik etki söz konusu olur. Bu yapılarda Bs mevcuttur.

Domain

Power generation Mıknatıs