Giriş Yrd. Doç. Dr. Enis GÜNAY

Giriş Yrd. Doç. Dr. Enis GÜNAY
Erciyes Üni. Müh. Fak. Elektrik-Elektronik Müh. Bölümü

Madde ve Maddenin Özellikleri
Madde Nedir? Boşlukta yer kaplayan, kütlesi ve hacmi olan katı, sıvı veya gaz şeklinde bulunan her şeye madde denilmektedir. (hava, su, canlılar, bitkiler vb.) Ayırt edici özellikler: Bir maddenin diğer maddelerden farklılık gösteren yanları, ayırt edici özellikleridir. Bunlar, maddenin şekline, miktarına, tadına, kokusuna vb. bağlı olmayan, madde üzerinde doğrudan doğruya görünmeyen farkları ortaya koyan özelliklerdir. Öz kütle, esneklik, erime ve kaynama noktası, öz ısı, genleşme ve çözünürlük sıkça karşılaşılan belli başlı ayırt edici özelliklerdir. Maddenin Özellikleri 1) Mekanik Özellikler: Uygulanan yüke karşı malzemenin verdiği cevap olarak bilinir. (Dayanıklılık, esneklik, yorulma ve bükülmezlik vb.) 2) Fiziksel Özellikler: Elektriksel, manyetik, optik, ısısal, elastik, ve kimyasal davranışlarını gösterir.

Maddenin Özellikleri Kütle:
Bir cisimde mevcut olan madde miktarıdır. Birimi kilogram’dır. Ağırlık: Bir cisme etkiyen yerçekimi kuvvetidir. Birimi Newton’dur (N). Not: Dünya’da ve diğer gezegenlerde ağırlıklar farklıdır ancak kütle aynı kalır. Hacim: Maddenin boşlukta kapladığı yer

Maddenin Özellikleri Element:
Yapısında tek cins atom bulunduran saf maddeler. Elementler saf ve homojendirler. En küçük yapıtaşları atomlardır. Fiziksel ve kimyasal yöntemlerle ayrıştırılamazlar. Belirli bir erime ve kaynama noktaları vardır. Sembollerle ifade edilirler. Örnek: Demir-Fe, Karbon-C, Nitrojen-N.

Maddenin Özellikleri Bileşik:
Farklı cins atomların belli oranlarda bir araya gelerek oluşturdukları maddeler. Saf ve homojen olup, kendisini oluşturan her bir madde kimyasal özelliğini kaybeder. Kimyasal yollarla ayrıştırılabilirler. Formüllerle ifade edilirler. Örnek: Su – H2O, Sodyumklorür -NaCl

Maddenin Özellikleri Karışım:
Birden fazla maddenin kimyasal özellikleri değişmeyecek şekilde rastgele oranlarda bir araya getirilmesi ile oluşturulan maddeler. Karışımlar fiziksel yollarla ayrıştırılabilirler. Karışımlar saf değildirler fakat kendisini oluşturan maddeler kimyasal özelliklerini korurlar. Homojen Karışımlar: Her yerinde aynı özellikleri gösteren karışımlar. Heterojen Karışımlar: Karışımın değişik yerlerinde farklı özellikler gösteren karışımlar. Emülsiyon: Bir sıvının başka bir sıvı içerisinde oluşturduğu heterojen karışım. Süspansiyon: Bir sıvı içerisinde bir katının oluşturduğu heterojen karışım. Aerosol: Bir katı veya sıvının gaz içinde dağılmasıyla oluşan karışımlardır.

Karışım ile Bileşik Arasındaki Farklar
Karışımı oluşturan maddeler karışım içerisinde kendi özelliğini koruduğu halde bileşiği oluşturan elementler fiziksel ve kimyasal tüm özelliklerini kaybederler. Karışımı oluşturan maddeler her oranda karıştığı halde, bileşiği oluşturan elementlerin kütleleri arasında her zaman basit bir oran vardır. Karışımlar fiziksel yollarla oluşur ve fiziksel yöntemler bileşenlerine ayrılır. Bileşikler ise kimyasal yolla oluşur ve kimyasal yöntemlerle ayrışırılar. Karışımların formülü olmadığı halde, her bileşiğin mutlaka bir kimyasal formülü vardır. Karışımların belirli fiziksel özelliği (öz kütle, kaynama noktası, erime noktası...) olmadığı halde bileşikler bu özelliklere sahip saf maddelerdir.

Karışım ile Bileşik Arasındaki Ortak Yanlar
Karışımlar ve bileşikler oluşurken toplam kütle korunur. Bu durum her ikisi içinde ortaktır. Karışımlar ve bileşikler en az iki cins atom ihtiva ederler.

Maddenin Özellikleri Öz kütle:
Bir maddenin birim hacminin kütlesine denir. Genleşme: Isı etkisi ile bir cismin boyunda ve yüzeyinde meydana gelen değişikliktir. Esneklik: Bir maddeye etki eden kuvvetten dolayı maddenin şeklinde meydana gelen değişikliktir. Çözünürlük: Bir maddenin diğer madde içerisinde çözünme oranı. İletkenlik: Madde içerisinde serbest elektronların bir noktadan bir başka noktaya hareket edebilme özelliği.

Maddenin Özellikleri Erime Noktası:
Katı haldeki bir maddenin sıvı hale geçebilmesi için gerekli olan sıcaklık değeri. Donma Noktası: Sıvı haldeki bir maddenin katı hale geçebilmesi için gerekli olan sıcaklık değeri. Not: Erime ve donma noktası aynıdır. (Su için 0 °C, azot -209,86 °C, hidrojen -258,975 °C, altın 1064 °C). Kaynama Noktası: Sıvı halindeki bir maddenin kaynaması için gerekli olan sıcaklık değeri. Yoğunlaşma Noktası: Gaz halindeki maddenin sıvı hale geçebilmesi için gerekli olan sıcaklık değeri. Not: Kaynama ve yoğunlaşma noktası aynıdır. (Su için 100 °C, azot -195,8 °C, hidrojen -252,8 °C, altın °C).

Atom Maddelerin en küçük yapı taşlarına atom denir.
Atomlar, elektron, nötron ve protonlardan oluşur. 1.Elektronlar: Çekirdek etrafında yörüngelerde bulunurlar ve (-) yüklüdürler. Boyutları çok küçüktür. 2. Nükleus (çekirdek): Proton: (+) yüklü parçacıktır. Elektrondan 1836 kat büyüktür. Nötron: Yüksüzdür. Boyutları proton kadardır. - +

Atom Atom, ortada bir çekirdek ve çekirdeğin çevresinde dönen elektronlardan oluşmuştur. Eksi (-) yüklü olan elektronlar yörüngelerinin bulunduğu yarı çapa orantılı olarak enerjiye sahiptirler. Atomlarda çekirdeğe en yakın yörüngedeki elektronların enerji seviyeleri en düşüktür. Çekirdekten uzaklaştıkça enerji seviyeleri artar.

Atom Nötronların elektriksel ve kimyasal etkileşimlerde işlevi (etkisi) yoktur. Atomdaki elektronlar K, L, M, N, O, P, Q kabuklarında dağılmıştırlar. Sırasıyla en içteki kabukta en fazla 2, ikinci kabukta en fazla 8, üçüncü kabukta en fazla 18, dördüncü kabukta en fazla 32 elektron bulunur. Örneğin, elektrik iletiminde sıklıkla kullanılan 29 elektrona sahip bakır atomun 29. elektron tek başına dönmektedir. 11 elektronlu Na 29 elektronlu Cu

Atom Her yörünge üzerinde hareket halinde olan elektronlar, bulundukları yörüngeye göre belirli bir enerji düzeyine sahiptirler. Elektronlara sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer. Bir maddenin elektriksel olaylarının oluştuğu son kabukta bulunan elektronlarına valans elektronları adı verilmektedir. Valans elektronu uygulanan bir enerji ile serbest hale geçerek atomu terk eder ve söz konusu madde iletken olur. 29 elektronlu Cu

Enerji-Band Diyagramları
Bilindiği gibi elektronlar, atom çekirdeği etrafında belirli yörüngeler boyunca sürekli dönmektedir. Bu hareket, dünyanın güneş etrafında dönüşüne benzetilir. Hareket halindeki elektron, şu iki kuvvetin etkisi ile yörüngesinde kalmaktadır: 1) Çekirdeğin çekme kuvveti 2) Dönme hareketi ile oluşan merkezkaç kuvveti

Hareket halinde olması nedeniyle her yörünge üzerindeki elektronlar belirli bir enerjiye sahiptir. Eğer herhangi bir yolla elektronlara, sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer. Valans elektrona uygulanan enerji ile de elektron atomu terk eder. Yukarıda belirtildiği gibi valans elektronun serbest hale geçmesi, o maddenin iletkenlik kazanması demektir.

Valans elektronlarına enerji veren etkenler: 1) Elektriksel etki 2) Isı etkisi 3) Işık etkisi 4) Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi 5) Manyetik etki Ancak, valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri madde yapısına göre şöyle değişmektedir: İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir. Yarı iletkenlerde oldukça fazla enerji gereklidir. Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir.

a) Yalıtkan b) Yarıiletken c) İletken Bant-enerji diyagramları

Elektrik Yükü (Nötr ve İyon)
Atomdaki proton ve elektron sayıları eşit olduğundan , atomun tümü elektriksel olarak nötrdür.. Nötr: İyon: + yüklü iyon: Dış etkilerle atomun son yörüngesinde bulunan elektronun biri alınırsa elektriksel denge bozularak atom, artı yüklü iyon durumuna geçer. - yüklü iyon: Dengedeki bir atomun son yörüngesine bir elektron girecek olursa atom eksi yüklü iyon durumuna geçer.

Elektrik Yükü (Nötr ve İyon)

Atomlar Arası Bağlar Madde içerisindeki atomlar kimyasal bağlar sayesinde bir arada tutularak düzenli bir geometri oluştururlar. Sertlik, elektriksel, ısısal, iletkenlik, v.b. özellikler kimyasal bağlara göre şekillenmektedir.

Atomlar Arası Bağlar

Atomlar Arası Bağlar Metaller ile ametaller arasında metallerin elektron vermesi ametallerin elektron almasıyla oluşan bağlanmadır. Metaller elektron vererek (+) değerlik, ametaller elektron alarak (–) değerlik alırlar. Bu şekilde oluşan (+) ve (–) yükler birbirini büyük bir kuvvetle çekerler. Bu çekim iyonik bağın oluşumuna sebep olur. Onun için iyonik bağlı bileşikleri ayrıştırmak zordur.

Atomlar Arası Bağlar Elektron aktarımıyla oluşan bileşiklerde, kaybedilen ve kazanılan elektron sayıları eşit olmalıdır. İyonik katılar belirli bir kristal yapı oluştururlar. İyonik bağlı bileşikler oda sıcaklığında katı halde bulunurlar. İyonik bileşikler katı halde elektriği iletmez. Sıvı halde ve çözeltileri elektriği iletir.

Atomlar Arası Bağlar İki atom arasında, bir veya daha fazla elektronun paylaşılmasıyla karakterize edilen kimyasal bağın bir tanımıdır. Genellikle bağ, ortaya çıkan molekülü bir arada tutan ortak çekim gücü olarak tanımlanabilir.

Atomlar Arası Bağlar Paylaşılan elektron ya da elektronlar, her iki çekirdek etrafında dolanacaklar, iki çekirdek arasındaki bölgede daha uzun süre bulundukları için bu bölgede (-) yüklü bir alan yaratacaklardır. Bu alan, her iki çekirdeğe bir çekme kuvveti uygulayarak bir bağ yaratır. Kovalent bağ, söz konusu atomların dış yörüngelerinin dolması ile meydana gelir.

Atomlar Arası Bağlar Örnek: Na, Cu gibi metaller metalik bağlar oluştururlar.

Atomlar Arası Bağlar Metalik bağ iyi elektrik iletkenliği sağlar. Uygulanan bir voltaj (gerilim) etkisi altında, valans elektronları hareket eder, devre tamamlanırsa akıma neden olur.

Atomların Yapı Türleri ve Bohr Atom Modeli
1. Atomik Yapı Türleri Kristal (Metalik) Yapı Amorf Yapı Bileşik Yapı Kolloidal Yapı Seramik Yapı 2. Bohr Atom Modeli

Atomların Yapı Türleri

Amorf cisimlerde moleküllerin birbirlerine göre konumları sabit olmakla birlikte geometrik yapıları herhangi bir matematik kuralı ile açıklanamaz. Amorf katılar farklı doğrultu ve yönlerde, ayrıca farklı uzaklıklarda bulunan atomlardan oluşmuştur. Gazlar, sıvılar, camlar ve plastiklerin büyük bir çoğunluğu amorf yapıya sahiptir.

Katların Fiziksel Yapıları
Kristallerde ise moleküller arası uzaklıklar ve uzaklıkları belirten açıların katı madde içinde sabit olduğu görülür. X ışınları ve başka yöntemler kullanılarak yapılan araştırmalar, metallerin ve yarıiletkenlerin pek çoğunun kristal yapılı oldukları gözlenmiştir.

Kristal Yapılar Kristal yapılar da kendi içerisinde birçok farklı şekilde bulunurlar. Bunlardan bazıları: Basit Kübik Kristaller (BKK) (Simple Cubic Cyrstals): Her bir köşesinde bir atom bulunduran kübik yapıdır. “a” ile gösterilen boyut kafes sabitini (lattice constant) tanımlar. Bu yapılara örnek olarak Polonium gösterilebilir.

Kristal Yapılar Gövde Merkezli Kübik Krsitaller (GMK) (Body- Centered Cubic Cyrstals): Bir GMK kristali, köşe atomlarına ek olarak, kübik yapının ortasında da bir atom bulunduran kristal yapısıdır. Bu özelliği gösteren yapılara örnek olarak Sodyum, Molybdenum, Tungsten gösterilebilir.

Kristal Yapılar Yüzey Merkezli Kübik Kristal Yapılar (YMK) (Face-Centered Cubic Cyrstals): 8 köşe atomuna ek olarak 6 adet yüzey atomu da bulunduran yapıdır. Bir çok element bu kristal formda bulunur. Alüminyum, Bakır, Altın, Gümüş, Nikel, Platinyum v.b.

Kristal Yapılar Elmas Yapı (Diamond Structure): Silikon ve Germanyum gibi yarı iletken yapılarda görülür. İki YMK’nın birbirine geçmesiyle oluşur.

Kristal Yapılar Çinko Sülfür Yapısı (Zinc Blende Structure):
Bir başka yarıiletken yapı olan GaAs (Galyum Arsenide) bu özelliği gösterir. Ayrıca GalyumFosfat, ÇinkoSülfat ve KadmiyumSülfat da bu yapıdadır.

Bohr atom modeline göre hidrojen atomu.
1913 yılında Neils Bohr, hidrojen atomunun spektrum çizgilerini ve Planck'ın kuantum kuramını kullanarak Bohr kuramını ileri sürdü. Pozitif yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü elektronlardan oluşan en basit atom modelinde, elektronların toplam yükünün çekirdek yüküne denk olduğu kabul edilirse, atom elektriksel olarak nötr durumda olduğu düşünülebilir. Bohr atom modeline göre hidrojen atomu.

Bohr atom modeline göre hidrojen atomu.
Örneğin her bir atomunda tek bir elektron bulunduran hidrojene bir bakalım. Şekilden de görülebileceği üzere çekirdek ve elektron arasında iki kuvvet meydana gelmektedir. 1. Çekim kuvveti 2. Merkezkaç kuvveti Bohr atom modeline göre hidrojen atomu.

Bohr Atom Modeli Bu kuvvetlerden ilki Coulomb’un ortaya koyduğu çekim kuvvetidir. Coulomb Yasası: Elektrik yüklü iki parçacık arasındaki kuvvetin büyüklüğü, yüklerin çarpımı ile doğru, yüklerin arasındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır şeklinde ifade edilir. Burada q = elektronik yük; = boşluğun geçirgenlik katsayısını r = Yüklü parçacıkların arasındaki uzaklığı göstermektedir.

Bohr Atom Modeli Sabit bir yörünge bu kuvvetlerin birbirlerini dengelemeleri sonucu ortaya çıkar. Elektronun potansiyel enerjisi: Elektronun kinetik enerjisi: Elektronun toplam enerjisi:

Bohr Atom Modeli Elektronun çekirdeğe ne kadar yakınlaşırsa üzerindeki enerji miktarının o kadar azalır. Çekirdeğe en yakın elektron kararlıdır, ışık yaymaz.

Bohr Atom Modeli Bir elektron yüksek enerji düzeyinden daha düşük enerji düzeyine geçtiğinde, seviyeler arasındaki enerji farkına eşit bir ışık yayınlar. Burada bağıntısı geçerlidir. h= Planck sabiti, v= yayımlanan enerjinin frekansı, hv= foton enerjisi ifade eder.

Bohr Atom Modeli Elektron'a yeterli enerji verilirse elektron bulunduğu enerji seviyesinden daha yüksek enerji seviyesine sıçrar. Atom bu durumda kararsızdır. Kararlı hale gelmek için elektron tekrar eski enerji seviyesine dönerken almış olduğu enerji seviyesini eşit enerjide bir Foton (ışın taneciği) fırlatır. Atom bu şekilde ışıma yapar.

Bohr Atom Modeli Bohr’a göre sabit bir yörünge, elektronun açısal momentumunun durumuna göre belirlenebilir. Burada n sabit bir sayıyı ifade eder ve ≥1’dir. Elektronun toplam enerjisinin r ve v’den sadeleştirilmiş hali: Böylece açısal momentum ayrık enerji seviyeleri oluşturmaktadır. Farklı enerji seviyeleri arasındaki geçişler sırasında yayımlanan foton frekansları böylece belirlenebilmektedir.

Bohr Atom Modeli Bohr varsayımları (postulatları) şöyle özetlenebilir:
Bir atomdaki elektronlar çekirdekten belli uzaklıktaki yörüngelerde hareket eder ve bu yörüngelerdeki açısal momentumu h/2π'nin tam katlarıdır. Her kararlı hâlin sabit bir enerjisi vardır. Her hangi bir kararlı enerji seviyesinde elektron dairesel bir yörüngede (orbitalde) hareket eder. Bu yörüngelere enerji düzeyleri veya kabukları denir.

Bohr Atom Modeli Bohr varsayımları (postulatları) şöyle özetlenebilir:
Elektron kararlı hâllerden birinde bulunurken atom ışık (radyasyon) yayınlamaz. Elektron hareketinin mümkün olduğu kararlı seviyeler, K, L, M, N, O gibi harflerle veya en düşük enerji düzeyi 1 olmak üzere, her enerji düzeyi + bir tam sayı ile belirlenir ve genel olarak "n" ile gösterilir, (n: 1,2,3 ...¥) Bugünkü bilgilerimize göre; Bohr kuramının, elektronların dairesel yörüngelerde hareket ettikleri ifadesi yanlıştır.

İletken Malzemeler Atomun Temel Parçaları
1.Elektronlar: Çekirdek etrafında yörüngelerde bulunurlar ve (-) yüklüdürler. Boyutları çok küçüktür. 2. Nükleus (çekirdek): Proton: (+) yüklü parçacıktır. Elektrondan 1836 kat büyüktür. Nötron: Yüksüzdür. Boyutları proton kadardır.

İletken Malzemeler Çekirdeği çevreleyen elektronların yörünge konumları “Kabuk “ olarak adlandırılır. Her bir kabuk 2n2 formülü ile belirlenen elektron sayısına sahiptir. En dıştaki kabuk “valans kabuğu” olarak adlandırılır.

İletken Malzemeler Valans kabuğu, malzemenin iletkenlik özelliğini belirler. Örneğin Bakır atomu (Cu) valans yörüngesinde sadece 1 elektrona sahiptir. Bu onu iyi bir iletken kılar ve bu yörünge n=4 kabuk sayısına sahip olduğu için, 2n2 formülüne göre 32 elektron alma kapasitesine sahiptir.

İletken Malzemeler Bir atomun en dış yörüngesinde az sayıda (1-2-3) elektron varsa, bu elektronları çekirdeğe bağlayan güç zayıftır. Örneğin bakır atomunun son yörüngesinde 1 elektron vardır ve bu çekirdek tarafından kuvvetlice çekilmediğinden çok kolayca serbest hale geçebilir. Bakırdan yapılmış bir iletkenin iki ucuna belli bir gerilim uygulanırsa, elektronlar pilin eksi (-) ucundan artı (+) ucuna doğru gitmeye başlar. İşte bu elektron hareketi "elektrik akımıdır". Gerilim kaynağının artı ucu elektronları yakalarken, eksi ucu maddeye elektron verir.

İletken Malzemeler Burada gerilimi, bir çeşit elektron pompası olarak düşünebiliriz. Gerilimin büyüklüğü artarsa, elektronlar daha hızlı bir şekilde ilerlerler. Yani ortalama hızları artar. Başka bir deyişle son yörüngesinde (valans bandı) elektron bulunduran maddeler elektrik akımını daha iyi iletirler. En dış yörüngesinde 2 elektron bulunduran demir ve 3 elektron bulunduran alüminyumun iletkenlikleri bakıra göre azdır.

Elektrik Mühendisliğinde Kullanılan İletkenler
Başta elektrik telleri olmak üzere, kablolar ve baralar iletkenlerin sıkça kullanıldıkları yerlerin başında gelmektedir. Elektrik iletiminde kullanılacak iletkenlerin seçiminde I2R ısıl güç kaybına sebep olacak iletken dirençliliğin düşük olması istenir. Yaygın olarak kullanılan metaller içerisinde gümüş, bakır, altın, alüminyum sayılabilir. Bir tasarım yapılırken malzemenin maliyeti önem kazanmaktadır. Bu noktada cevher maliyeti, cevher ayrıştırma maliyeti, imalat maliyeti gibi noktalar da önem kazanmaktadır.

Elektrik Mühendisliğinde Kullanılan İletkenler
Eleman Dirençlilik (X10-8 Ω) Cevher Maliyeti Cevher Ayrıştırma Maliyeti İşlenmemiş Malzeme Maliyeti ($/ton) Fabrikasyon İşçilik Maliyeti Gümüş 1.61 yüksek düşük Bakır 1.70 orta 2700 Altın 2.20 Alüminyum 2.74 1850 Elektrik iletkeni olarak sıklıkla kullanılan materyallerin maliyet açısından karşılaştırılması.

Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
Bütün elektriksel kontakların görevi akım devrelerini kusursuz bir şekilde irtibatlandırmak ve kesmektir. Bu noktada kontak malzemelerinden beklenen özellikler şu şekildedir: Elektriksel iletkenliği iyi olmalıdır. Sabit kalan bir kontak direnci. İyi derecede ısıl iletkenlik. Kavrulmanın çok az olması. Kontakların kaynak yapmaması. Kimyasal dayanıklılık. Çok küçük erozyon (Bir kontaktan diğer bir kontağa eleman taşınması). Aşınmaya karşı yüksek dayanım.

Bakır:Kırmızı renkte ağır bir metaldir. Kolay bükülebilir, çok ince tel levha haline getirilebilir, sıcak ve soğuk olarak işlenebilir. Bakır gümüşten sonra en büyük elektriksel iletkenliği olan bir metaldir. Ayrıca ısı iletkenliği de yüksek olduğundan elektrik ve ısıtma endüstrisinde sıkça kullanılır.bileşikler oluşturur. Elektronikte özellikle kontak malzemesi olarak kullanıma oldukça elverişlidir. Bakır kontaklar zamanla havadan oksitlenerek, elektrik akımının geçişine mani olacak bileşikler oluşturur.

Bakır a) bakır tel sargı b) çok telli bakır kablo

Gümüş: Saf gümüş, beyaz parlak renkte yumuşak bir metaldir. Altından sonra tel haline getirilmeye en uygun bir metal olup soğuk olarak işlenebilme özelliğine sahiptir. Havadan etkilenmez ancak asitlere ve endüstri gazlarına karşı dayanıklı değildir. Ölçü aletlerinin kontaklarında, şalterlerde, kontaktörlerde, rölelerde, lehimcilikte kullanılır.

Gümüş a) gümüş sargılı trafo b) gümüş kablo

Altın: Saf altın (%99.95) elektrik akımını ve ısıyı iyi iletir. Hemen hemen bütün kimyasal etkilere karşı dayanıklıdır. Ancak çok yumuşak olup kontaklarda yapışma ve kaynama eğilimi gösterir. Bu nedenle kontak malzemesi olarak saf altın nadiren kullanılır. Gümüş, platin, nikel, kobalt, bakır ile alaşım yapmak suretiyle mekanik dayanımı yükseltilir ve kontakların yapışma eğilimi azaltılır.

Altın Altın kaplamalı ve altın su yollu baskı devre kartları

Platin: Parlak ve beyaz renkli yumuşak bir metaldir. Havada ve yüksek ısı derecelerinde oksitlenmez ve işlenmeye elverişlidir. Platinden yapılmış kontaklar kimyasal etkilere karşı son derece dayanıklı olup hemen hemen hiç kavrulmazlar. Nikel, İridyum ve Wolfram gibi metallerle alaşım yapılarak platinin kavrulmaya karşı dayanımı daha da yükseltilebilir. Ölçü aleti kontakları, elektrik dirençleri, paratoner uçlarında kullanılırlar.

Platin

Diğer İletken Malzemeler
METALLER ALAŞIMLAR Alüminyum Demir Çelik Tunç (Bakır+Kalay) Pirinç (Bakır+Çinko) Çinko Kurşun Manganez Lehim (Kurşun+Kalay) Konstantan (Nikel+Bakır) Kalay Nikel Kadmiyum Manganin (Manganez+nikel+bakır) Nikelin (Bakır+Nikel) Tungsten Molibden Krom Krom-Nikel Sac

Sıvı İletken Malzemeler
Civa: Beyaz renkli, sıvı bir madendir. Oda sıcaklığında buharlaşır. Buharı zehirlidir. Elektriği ve ısıyı iyi iletir. Isı değişimlerine karşı hassastır. Elektromekanik şamandıralarda kontak malzemesi ve kumanda elemanı olarak kullanılır. Isı değişimlerine çok hassas olduğundan termometrev e barometre gibi bir çok alette kullanılır.

Civa

Su: Saf su renksiz, kokusuz ve tatsız bir sıvıdır. 00C’de donar, 1000C’de kaynar. Saf su elektrik akımı iletmez, yalıtkandır. İletken hale getirmek için içerisine asit veya metal tuzları konur. Basınç arttıkça kaynama noktası artar. Su donacak kadar soğutulduğu zaman buz meydana gelir ve hacmi 1/10 oranında artar. Su, akümülatör, pil elektrolitlerinin hazırlanmasında kullanılır.

Termo Bi-metaller Farklı ısıl-genleşme katsayıları olan iki ayrı metal yada metal-alaşım tabakasının birbirlerine sıcak pres kaynağı ile yapıştırılarak oluştururlar. -700C ile +5000C sıcaklık sahasında kullanılabilen termo bi-metaller: Nikel-Demir, Bizmut-Tellurium gibi alaşım malzemelerinden üretilirler. Isıtıldıklarında ısıl genleşme katsayısı büyük olan metal diğerine nazaran daha çok uzayacaktır. Farklı değerlerde uzama sonucu bimetalde ısıl-katsayı düşük olan metal elemana doğru bir bükülme meydana gelecektir. Otomatik sigortalarda, motor güvenlik şalterlerinde, flouresans lamba ateşlemesinde, ısıtıcı cihazlarda kullanılırlar.

Malzemelerin Dielektrik Özelliği (Yalıtkanlar)
Yalıtkanlık Yalıtkan Cisimlerin Elektriksel Özellikleri Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Gaz Yalıtkanlar Sıvı Yalıtkanlar

Yalıtkanlar Elektrik akımı iletmeyen malzemeler yalıtkanlar grubuna girerler. En dış yörüngedeki serbest elektron miktarı altıdan fazla olan maddelerin elektronları atom çekirdeğine sıkı sıkıya bağlıdır. Dolayısıyla elektriği iletmezler. Ancak her yalıtkan belirli şartlar altında belirli bir iletkenlik gösterirler. Yalıtkan malzemelerin yalıtkanlık dereceleri, ısı, yüksek değerli elektriksel basınç, rutubet etkisi veya yabancı cisimlerle etkileşim sebebiyle değebilir.

Yalıtkan Cisimlerin Elektriksel Özellikleri
Yalıtkan Delinmesi: Aslında elektrik akımını hiç geçirmeyen madde yoktur. Yalıtkan olarak bilinen maddeler "çok az" bir akım geçirirler. Yalıtkana uygulanan gerilim arttıkça geçirdiği akım da artmaya başlar. Belli bir gerilim seviyesinden sonra yalıtkan tamamen iletken olur. Buna yalıtkanın delinmesi denir. Elektrik ve elektronik çalışmalarında kullanılan el takımlarının sap izoleleri incelenecek olursa, burada yalıtkanın dayanabileceği son (maksimum) gerilim değeri yazılıdır. Örneğin penselerin sap izolesinde Volt yazar. Bu, plastik yalıtkan Volt'tan sonra iletken hale geçebilir anlamı taşır.

1. Sızıntı akımlarına karşı dayanım: Bir yalıtkanın dış yüzeyinde mevcut olan yabancı maddeler bu yüzden sızıntı akımı olarak adlandırılan bir akım akışına neden olurlar. Yalıtkanın sızıntı akımının oluşmasına karşı gösterdiği dirençliliğe sızıntı akımı dayanımı denir.

2. Dielektrik dayanım: Bir yalıtkan malzemeyi iletken hale sokmaksızın birim kalınlığı başına uygulanacak en büyük gerilim değeri dielektrik dayanımı olarak adlandırılır. kV/mm birimi kullanılır.

Isıl kaçak: Yalıtkan malzeme içinde belirli miktarlarda yabancı madde var ise, bir sızıntı akımı başlar ve bu akım malzemeyi ısıtmaya başlar. Sonrada sızıntı akımının yolunu izleyen esas kaçak akım başlar. Kaçak akım ısınma neticesinde ortaya çıktığı için buna ısıl kaçak denir. Erozyon kaçağı: Bazen de yalıtkan malzemede üretimden kaynaklanan mikroskobik kaçaklar mevcut olabilir. Bu durumda da erozyon kaçağı adı verilen kaçak akımlar oluşur.

3. Elektriksel direnç değerleri: Gerilim altında bulunan bir malzemenin göstermiş olduğu direnç değeridir. Ölçülen izolasyon direncinden yararlanılarak, birim boyut başına hesaplanan değere, o yalıtkanın özgül direnci denir. Birimi Ω.cm’dir.

4. Dielektriksel kayıp faktörü: Dielektriksel kayıpların bir ölçeğidir. Bunlar yalıtkan malzemelerde ısı olarak açığa çıkarlar. Bu kayıplar, gerilimin büyüklüğüne, sıcaklığa ve frekansa bağlı olarak değişirler. Genellikle yüksek frekanslarda artan bir değer gösterirler. Bu nedenle yüksek frekanslarda çok özel yalıtkanlı (polietilen vb.) kablolar kullanılır.

5. Yalıtkanların ark dayanımları: Elektrik arkı etkisine maruz kalan bir yalıtkanın ne ölçüde akım geçireceği ve nasıl bir değişime uğrayacağı ancak test yapmakla anlaşılabilir.

Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri
Berilyum Oksit: Seramik benzeri beyaz renkli katı bir malzemedir. Yüksek değerde sıcaklık iletkenliği gereken yerlerde elektriksel izolasyon malzemesi olarak kullanılır. Güç devrelerinde kullanılan yarıiletkenlerde elektriksel izolasyon için ısı emici pulcuk şeklinde imal edilmekte ve kullanılmaktadır. Zehirlidir toz halindeyken solunması ciddi akciğer rahatsızlıklarına neden olur. Elektriksel izolasyon için ısı emici pulcuklar

A.B.S. (Acrylonitrile Butadiene Styrene) Akrilonitril, bütadien, ve sıvı hidrokarbon bileşiminden oluşan plastik bir malzemedir. Dielektrik dayanımı 20MV/m’dir. Bir çok cihazın dış kaplamasında kullanılır.

A.B.S. A.B.S. kaplamalı mikser ve telefon

Asetat Elektriksel yönden iyi bir izolasyon özelliğine sahip olduğundan elektriksel güvenlik ekipmanlarında, elekriksel yalıtkanlık istenilen yerlerde kullanılır. En çok sinema ve mikrofilmlerin imalatında kullanılır.

Asetat Asetat uygulamaları

Akrilik Yalıtkanlığın yanı sıra katılık ve şeffaflık özelliğinin birlikte bulunması gerektiği yerlerde akrilik kullanılır. Işıklandırılmış işaretler, otomobillerin arka lambaları, ışıklandırma üniteleri v.b.

Akrilik Otomobil panel göstergesi ve stop lambası

Seramik Seramik çoğunluğu metal ve ametal malzemelerin karışımından meydana gelen oksitlerdir. Yüksek sıcaklık iletkenliği yardımıyla iyi derecede elektriksel izolasyon özelliği sağladığı gibi elektronikte direnç, kapasitör v.b. yapımında kullanılmaktadır.

Seramik: Seramik izolatörler ve soket

Cam Silisyum, sodyum, potasyum karbonatları, kireç ve kurşun oksitleri gibi türlü maddelerin ergitilmelerinden elde edilir. Esas rengi saydam ve şekilsizdir. Sıcak olarak çeşitli şekillere girdirilebilir. Su, yağ ve asitlerden etkilenmez. Kırılgan olup ani ısı değişimlerinde çatlama eğilimi gösterir.

Porselen Pişmiş beyaz renkte yalıtkan bir topraktır. Su geçirmez Dayanıklı, sert, ani ısı değişimlerinden (0-100C) ve asitlerden etkilenmezler. Isıyı çok az geçirir, kırılgandır.

Polivinilklorür – PVC Polyvinylcloride veya kısaca PVC belki en çok yaygın olan bir izolasyon malzemesidir. Saf halde iken cam gibi kırılgandır. İçine yağ kapsayan maddeler katılınca özellikleri değişir ve ısı ile plastikleşir. Elektrik akımı taşıyan kabloların büyük bir çoğunluğu PVC ile kaplanarak yalıtılır. Elektrikli ve elektronik cihaz gövdeleri genellikle PVC’den imal edilirler.

Diğer Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri
Delrin Teflon Kapton Kynar Lexan ve Merlon Melamin Mika Neopren Nomex Naylon Phenolics Polyester Poliüretan Silikon kauçuk Epoksi Fiberglas Silikon Fiberglas Plastik Ebonit

Gaz Yalıtkanlar Gazlar
İyonize olmadıkça iletken duruma geçmezler. Bu işlem, iyonlaştırma gerilimi belirli bir değere gelince elektriksel bir boşalma ile kendi kendine meydana gelir. Çeşitli gazlara ait dielektrik sabitleri normal sıcaklıkta birbirine eşittir. Bunlara ait fark %3 'ü geçmez. Bu değerler, sıcaklık ve basınç değişmesiyle farklı olabilir. Gazların dielektrik dayanımları sıcaklığa, basınca, elektrot şekline, elektrotlar arası uzaklığa göre değişir. Basınç arttıkça dielektrik dayanım azalır.

Gaz Yalıtkanlar Hava Havanın içindeki toz, kömür, nem gibi maddeler iletkenliğini artırır yani yalıtkanlığını azaltır. Yüksek gerilimde enerji taşıyan hatlarda doğal bir yalıtkan olarak işlev görür. Kondansatör ve transformatör gibi araçlarda ise yalıtkan bir çekirdek görevi görür.

Sıvı Yalıtkanlar Şalter Yağı:
Çalışması esnasında ark oluşturan şalter gibi cihazlarda oluşan ısıyı hızlı bir şekilde almak ve arkın kısa bir zamanda sönmesini sağlamak amacıyla kullanılır.

Sıvı Yalıtkanlar Transformatör Yağı:
Tranformatör yağı, hem yalıtkanlık hem de soğutma amaçlı kullanılır. Genellikle madeni yağlar kullanılır. Tranformatör yağının bazı aşağıda verilmiştir : Katılaşma noktası Parlama ve yanma noktası Isı iletimi Akıcılık (viskozite) v.b.

Manyetik Alan ve Manyetik Akı
İçinden elektrik akımı geçen bir iletkenin çevresinde manyetik alan (H) doğar. Bu manyetik alanın içine manyetiklik özelliğine sahip bir malzeme konacak olursa manyetik alan şiddeti daha da artar ve kuvvet çizgileri sıklaşır. Malzeme varlığından doğan ek manyetik alan artımına “manyetik akı (B)” denir. µ : manyetik geçirgenlik katsayısı µr: Bağıl manyetik geçirgenlik katsayısı

Manyetik Alanla İlgili Birimler

Manyetik Alanla İlgili Birimler
Manyetik Moment

Manyetiklik Türleri 1) Diyamanyetik malzemeler
2) Paramanyetik malzemeler 3) Ferromanyetik malzemeler 4) Ferrimanyetik malzemeler

Manyetiklik Türleri Diyamanyetik Malzemeler:
Diyamanyetik malzemelere bir manyetik alan uygulandığında çok küçük bir elektron hareketlenmesi oluşur. Diyamanyetik malzemelerde manyetik moment manyetik alana ters yönde oluşur. Diyamanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar. Örnek: Fe

Manyetiklik Türleri Paramanyetik Malzemeler:
Atomları daha önceden bir manyetik momente sahip olan cisimlere paramanyetik malzemeler denir. Manyetik alan uygulandığında manyetik alan ile manyetik moment aynı yönde olur. Paramanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar. Örnek: Cr ve Al

Manyetiklik Türleri Ferromanyetik Malzemeler:
İyonlarla serbest elektronlar bir arada bulunduğu ortamda elektronlarla komşu iyonlar arasında etkileşme olur. Ferromanyetik malzemelerde mıknatıslanma etkisi kuvvetlidir. Ferromamyetik malzemeler manyetik bir alana maruz kaldıklarında kalıcı olarak mıknatıslanabilirler. Örnek: Ni ve Co

Manyetiklik Türleri Ferrimanyetik Malzemeler:
Farklı manyetik momente sahip malzemeler, atomik mıknatısları birbirlerine paralel olmayıp, birbirlerini yok etmeyecek şekildedirler. Örnek: Manyetit(Fe3O4)+Ni karışımı

Yarıiletkenler Yarıiletkenler Yarıiletken Yapım Teknikleri
Germanyumun kimyasal yapısı Silisyum kimyasal yapısı Yarıiletken Yapım Teknikleri n Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi p Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi Yarıiletkenlerde Akım Akışı Yarıiletken Malzemelerin Üretimleri

Yarıiletkenler Yarıiletkenler: Elektrik akımını bir değere kadar akmasına izin vermeyen bu değerden sonra sonsuz küçük direnç gösteren maddelerdir. Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3-5. gruba girerler. İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar. Normal halde yalıtkandırlar. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır.

Yarıiletkenler Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar tekrar atomlarına dönerler. Basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman halinde de elde edilir. Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. Bu tür yarı iletkenler içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleri arttırılmaktadır.

Yarıiletkenler Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri Adı Kullanım Yeri Germanyum (Ge) (Basit) Diyot, transistör, entegre devre Silikon (Si) (Basit) Selenyum (Se) (Basit) Diyot Bakır oksit (kuproksit) (CuO) (Bileşik) Galliyum Arsenic (Ga As) (Bileşik) Tünel diyot, laser, fotodiyot, led Indiyum Fosfor (In P) (Bileşik) Diyot, transistör Kurşun Sülfür (Pb S) (Bileşik) Güneş pili (Fotosel)

Germanyum Yarımetalik, yani metal ile ametaller arasında özellikler gösterir. Periyodik cetvelde 4. gruptadır. Atom numarası 32’dir. YMK yapıya sahiptir.

Germanyum Germanyum nadir elementlerden olup, yer kabuğunda % 0,0004-0,0007 oranında bulunur. Yer kabuğunda yoğun olarak bulunmadığından, germanyumun elde edilmesi oldukça zordur. Hiçbir zaman serbest halde bulunmaz.

Silisyum (Silikon) Silisyum, yeryüzünde en çok bulunan elementlerden biridir. Atom numarası 14'tür. "Si" simgesi ile gösterilmektedir. Camın ana maddesi kum olarak bilinir. Silisyum kumda çok bulunmaktadır.

Silisyum Kovalent Bağ Yapısı

Silisyum ve Germanyum

Galyum ve Arsenik

GaAs Kovalent Bağ Yapısı

Elektronlar ve Oyuklar
Silisyum gibi katkısız bir yarıiletken içerisinde uyarılmış bazı elektronlar, bant değiştirerek iletim bandına girerler ve böylece akım oluşturabilirler. Silisyum içerisindeki bir elektron band aralığından karşıya geçtiğinde yörünge içerisinde bir boşluk (oyuk) bırakırlar.

Elektronlar ve Oyuklar
Harici bir voltaj etkisi altında malzeme içerisinde elektronlar ve oyuklar hareket edebilir. N-tipi yarıiletkende katkı maddesi ekstra elektron sağlayarak iletkenliği artırır. P-tipi yarıiletkende ise katkı maddesi ekstra oyuklar oluşturarak iletkenliği artırır.

N-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi
Germanyum (Ge) (4e) Arsenik (Ar) (5e) veya Antimon (Sb) (5e) katkılanırsa, 4’er elektron kovalent bağ yapar. 1 elektron da boşta (serbest) kalır. Dış etki uygulanırsa bir elektron akışı meydana gelir.

N-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi
N-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron vererek pozitif yüklenen katkılama atomları “Donör İyonları” olarak tanımlanır. N-tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcılar elektronlardır. N-tipi yapı içerisinde az miktarda oyuklar da mevcut olabilir. N-tipi malzeme içerisinde oyuklara azınlık taşıyıcıları adı verilmektedir.

N-Tipi Yarıiletken İçerisinde Elektron Akışı
Kristale bir gerilim uygulandığında içindeki serbest hale elektronlar, bataryanın negatif kutbu tarafından itilirler ve pozitif kutup tarafından çekilerek kaynağın (-) kutbundan (+) kutbuna doğru sürekli bir elektron akışı meydana getirirler. Ancak akım yönünün ise (+)’dan (-)’ye doğru olduğu kabul edilir.

P-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi
Germanyum (Ge) (4e) Indium (ln) (3e) katkılanırsa, Indium atomu komşu Germanyum atomundan 1 elektron alır ve aralarında kovalent bağ oluşur. 1 elektron kaybeden Germanyum atomunda bir elektron boşluğu (oyuk) oluşur. Bu maddeye P-tipi madde denir.

P-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi
P-tipi yarıiletken yapıda, yapıya katılan ve elektron alan katkılama atomları “Akseptör İyonları” olarak tanımlanır. P-tipi maddelerde çoğunluk akım taşıyıcısı oyuklardır. Aynı zamanda bu yapı içerisinde az da olsa serbest elektron bulunur. Bunlara da azınlık taşıyıcıları adı verilir.

P-Tipi Yarıiletken İçerisinde Elektron Akışı
Pozitif elektrik yüklü oyuklardır. P-tipi madde içerisinde bataryanın pozitif ucundan negatif ucuna doğru, elektronlar ise negatif kutuptan pozitif kutba doğru itilirler. Aslında oyuklar hareket etmemektedir. Oyuklarla elektronlar yer değiştirmektedir.

Yarıiletken Malzemelerin Üretimleri
Germanyum ve Silisyum hammaddeleri tabiatta saf halde bulunmadıkları için öncelikle saflaştırma işlemlerine tâbi tutulurlar. Saflaştırma işlemi için hammaddeler ilk önce bir dizi kimyasal reaksiyon ve bölgesel arıtma işlemine tâbi tutulurlar. Germanyum ve silisyumun saflaştırma işlemleri farklıdır.

Germanyumun Elde Edilmesi
Germanyum gümüş grisi bir geçiş elementidir. Germanyum yerküre kabuğunun yüzde ile ’sini oluşturur. Arygyrodite Germanite ve Renierte gibi yaygın olmayan minerallerde bulunur. Germanyumun yarıiletken olarak kullanılabilmesi için öncelikle içindeki yabancı madde oranının 1/ ’un altına düşürülmesi gerekmektedir. Bunun için bölgesel saflaştırma işlemi yapılır.

Germanyumun Saflaştırılması
Germanyumun saflaştırılmasında en çok uygulanan yöntem "Bölgesel saflaştırma”dır. Çubuk şekline getirilmiş, yaklaşık 100 gram ağırlığındaki germanyum görüldüğü gibi özel bir pota içerisine konularak, saatte 5-6 cm 'lik hızla, endüksiyon yolu ile ısıtılan bir fırının içerisinden geçirilir. Isıtıcı sistem, germanyumun erime derecesi olan 936°C 'ye ayarlanmıştır. Isıtıcı bobinin altında eriyen katı yavaşça soğur, saf kristal ayrışır ve yabancı maddeleri erimiş bölgede bırakır. Saf olmayan Germanyum çubuk Saflaştırılmış Germanyum çubuk

Germanyumun Saflaştırılması
Bu işlem yeniden kristalize edilen katının saflığı istenen düzeye gelene kadar tekrarlanabilir. Yüzde oranına kadar saflık elde etmek mümkündür. Bu halde Germanyum henüz polikristaldir ve yarıiletken devre elemanı yapımında kullanılabilmesi için monokristal yapı şeklinde getirilmesi gerekmektedir.

Germanyumun Monokristalizasyonu
Polikristal yapılı Germanyum bir hazne içerisine yerleştirilerek erime derecesine kadar ısıtılır. Erimiş Germanyum içerisine tohum kristal halindeki Germanyum çubuk yardımıyla daldırılıp yavaş yavaş döndürülerek yukarı doğru çekilir. Sonuçta monokristal yapıya sahip bir germanyum kitlesi elde edilmiş olur. Ge Ge

Giriş Yrd. Doç. Dr. Enis GÜNAY

Benzer bir sunumlar

... konulu sunumlar: "Giriş Yrd. Doç. Dr. Enis GÜNAY"— Sunum transkripti:

Benzer bir sunumlar

Proje hakkında

Geri bildirim

Giriş

Sosyal ağ üzerinden giriş yapmak:

Giriş Yrd. Doç. Dr. Enis GÜNAY

Benzer bir sunumlar

... konulu sunumlar: "Giriş Yrd. Doç. Dr. Enis GÜNAY"— Sunum transkripti:

Benzer bir sunumlar

Proje hakkında

Geri bildirim