Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi

... konulu sunumlar: "Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi"— Sunum transkripti:

1 Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi
Bölüm III: Malzemelerin Elektriksel Özellikleri (İletkenler)

2 Bölüm III: Malzemelerin Elektriksel Özellikleri (İletkenler)
İletken Malzemeler Elektrik Müh. Kullanılan İletkenler Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler Diğer İletken Malzemeler Sıvı İletken Malzemeler Termo Bi-metaller Süper İletkenler

3 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.

4 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.

5 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.

6 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.

7 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.

8 Enerji-Band Diyagramları

9 İletken Malzemelerin Özellikleri
İletken malzeme denince akla önce metaller gelir. Metallerin yalıtkanlarla karşılaştırıldığında kendi aralarında ortak özellikleri vardır. Bunlar: Metaller atomik yapılarında elektrik akımının iletimini sağlayan serbest elektronları mevcuttur. Serbest elektronların çokluğu, elektrik iletimini sağladığı gibi ısı iletimini de sağlar. Üzerlerine düşen ışığın bir kısmını absorbe ederken bir kısmını da yansıtırlar. Metaller üzerlerine bir basınç uygulandığında sıkışabilme esnekliğine sahiptirler ve yoğunlukları fazladır.

10 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.

11 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.

12 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.

13 Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
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.

14 Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
Bakır a) bakır tel sargı b) çok telli bakır kablo

15 Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
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.

16 Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
Gümüş a) gümüş sargılı trafo b) gümüş kablo

17 Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
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.

18 Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
Altın Altın kaplamalı ve altın su yollu baskı devre kartları

19 Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
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.

20 Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
Platin

21 Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
Sinterleme ile Elde Edilen Kontak Malzemeleri: Wolfram (33700C) ve Molibden (26200C) gibi metaller erime sıcaklıklarının çok yüksek oluşu nedeniyle ancak sinterleme yapılarak kullanılabilirler. Sintirleme işlemi, toz halindeki parçacıkların erime sıcaklığının altında preslenmesi ile yapılmaktadır. Bu tür kontaklar elektrik akımına ve aşınmaya karşı aşırı dayanıklılık beklenen yerlerde tercih edilirler.

22 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

23 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.

24 Sıvı İletken Malzemeler
Civa

25 Sıvı İletken Malzemeler
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.

26 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.

27 Süper İletkenler Güç kaybı, elektriksel dirençle orantılı olduğu için elektronik mühendisleri elektriksel direnci olabildiğince aza indirmeyi amaç edinmişlerdir. Metal ağırlıklı bazı maddeler Tc olarak adlandırılan kritik bir sıcaklık altında elektriksel dirençliliklerini tamamen kaybederler. Bu özellikteki malzemeler süperiletken olarak adlandırılır. Tc eşik değeri, malzemeden malzemeye değişiklik göstermesine rağmen -1230C (150 K)’den daima düşüktür. Ödev: Meissner olayı nedir? Süper iletkenliğin mühendislik uygulamalarını araştınız…