MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol.

... konulu sunumlar: "MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol."— Sunum transkripti:

1 MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

2 plan hafta Ders konusu 30.4.2015 Manyetik özellikler-süper iletkenler
2. vize 2. Vize sınav çözümleri-1 st manyetik özellikler- süperiletkenlik tekrar-1st Optik özellikler-1st Optik özellikler

3 Manyetikliği Etkileyen faktörler
yapısal faktörler Kristal türü ve iç yapı kusurları manyetikliği önemli ölçüde etkiler. deformasyon Mıknatıslanan bir malzemede manyetik momentler birbirlerine paraleldir. Deformasyonla manyetik momentler yönleri dağılır ve mıknatıslanma kaybolur.

4 Domenler Tc sıcaklığı altında ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerde, manyetik dipol momentlerinin paralel yönlendiği mikro bölgeler bulunur. Bu bölgelere domen denir. Her biri kendi doygunluk mıknatıslanmasına sahiptir. Bu bölgeler domen sınırları veya duvarları ile birbirinden ayrılır. Mıknatıslanmanın yönü bu sınırlardan geçerken değişir.

5 Domenler Çok kristalli bir malzemede her bir tanede birden fazla domen bulunabilir. Dolayısı ile makro büyüklükteki bir parçada çok sayıda domen vardır. Her bir domen manyetik alanda farklı yönlenebilir. Parçanın tümü için M alanının büyüklüğü (mıknatıslanma) tüm domenlerin mıknatıslanmalarının vektör toplamına eşittir. Her bir domenin katkısı hacim oranı ile orantılıdır. Mıknatıslanmamış bir parçada domenlerin mıknatıslanmalarının toplamı sıfırdır.

6 Domenler Ferromanyetik veya ferrimanyetik bir malzemede her bir domen içinde dipollerin tamamı ayni yöndedir. Ancak komşu domenlerde bu ortak yön değişiktir. Domen 1 Domen 2 Domen sınırı

7 Domenler Domen sınırında manyetik dipol yönlenmesindeki kademeli değişim Domen sınırı

8 Domenler

9 Domenler Alnico mikroyapısı-domen bantları TEM
Elektrik çeliğinin tek bir tanesi içinde manyetik domenler. Foto genişliği 0.1mm. Kerr etkisi ile çekilmiş (MOKE).

10 Domenler manyetik alan yok manyetik alan var- MOKE
1000 angström kalınlığında Kobalt filminde domen yapıları: manyetik alan yok manyetik alan var- MOKE

11 Manyetik Özelliklerin Ölçümü
Manyetik malzemelerin özellikleri malzemenin B-H histeresiz eğrisinden belirlenir. Malzemeye H alanı uygulanır ve bunun sonucu olan B ölçülür.

12 Domenler ve histerisiz
ilk manyetik geçirgenlik:i Ferro-ferrimanyetik bir malzemede B-H davranışı Doygunluk akı yoğunluğu:Bs mıknatıslanma: Ms Bs (Ms) Akı yoğunluğu (B) Mıknatıslanma (M) Ferro ve ferrimanyetik malzemeler için akı yoğunluğu (B) ve alan şiddeti (H) orantılı değil! dış Manyetik alan (H) dış alanla paralel yönlenen domenler yönlenmeyenlere göre daha hızlı büyür.

13 Domenler Manyetik domenler mıknatıs Manyetik alan yok!
Manyetik alan etkisi! mıknatıs

14 Domenler ve histerisiz
H arttıkça B önce yavaşça daha sonra süratle artmaya başlar ve en sonunda bu artış sona erer ve B H’den bağımsız hale gelir. B’nin aldığı en yüksek değere doygunluk akı yoğunluğu (Bs), buna denk gelen mıknatıslanmaya ise doygunluk Mıknatıslanması denir.

15 Domenler ve histerisiz
B vs H eğrisinin eğimi geçirgenlik olduğundan, geçirgenlik H ile değişir ve ona bağlıdır. B vs H eğrisinin H=0 noktasındaki eğimi ilk geçirgenlik (initial permeability) bir malzeme parametresidir.

16 Domenler ve histerisiz
H alanı etkisi altında domenler şekil ve boyut değiştirirler. Başlangıçta domenlerin momentleri rastgele yönlenmiştir ve bu nedenle net bir mıknatıslanma olmaz. Dışardan uygulanan alana paralel yönlenen domenler diğerlerinden daha fazla büyür ve onların yerini alır. alan şiddetinin artması ile en sonunda parça alan ile ayni yönlenmede tek bir domen haline gelir. Bu domen H alanı ile birlikte yönlendiğinde doygunluk gerçekleşir.

17 histerisiz Doygunluk noktasından itibaren H alan şiddeti alanın yönü değiştirilerek azaltıldığında B-H eğrisi orijinal çizgisini takip etmez. B alanının uygulanan H alanının gerisinde kalması veya daha yavaş değişmesi ile bir histerisiz etkisi oluşur.

18 histerisiz H alanı sıfırlandığında parçada hala bir miktar mıknatıslanma vardır. Buna remanens veya remanens akı yoğunluğu (Br) denir. Bir dış manyetik alan (H) olmaksızın malzeme mıknatıslanmış olarak kalır. Mıknatıslanma alan ters yönde Hc değerine ulaştığında sıfırlanır. Hc: koersif kuvvet

19 histerisiz Kalıcı mıknatıslanma doygunluk Koersif kuvvet

20 histerisiz Histerisiz davranışı ve kalıcı mıknatıslanma domen sınırlarının hareketi ile açıklanabilir. Alan yönünün doygunluktan itibaren tersine döndürülmesi ile domen yapısının değişim süreci de tersine döner. İlk anda, tersine dönen alanla tek bir domenin rotasyonu gerçekleşir. Daha sonra yeni alanla birlikte yönlenmiş manyetik momentleri olan domenler oluşur ve bunlar daha önceki domenlerin yerini alarak büyür.

21 histerisiz Bu mekanizmada kritik olan manyetik alanın ters yönde büyümesi sırasında domen sınırlarının hareketlenmesine direnç konusudur. B’nin H değişime ayak uyduramaması ve geri kalmasının ve bir histerisiz etkisi ortaya çıkmasının nedeni bu dirençtir. Uygulanan alan sıfırlandığında yapıda hala hatırı sayılır miktarda daha önceki alana göre yönlenmiş domen bulunur. remanens (Br) bu şekilde ortaya çıkar.

22 histerisiz Parçadaki alanı sıfıra düşürmek için, orijinal alanınkine ters yönde, Hc şiddetinde bir dış H alanı uygulamak gerekir. Hc’ye koersivite veya koersif kuvvet denir. Ters yönde alan uygulanmasına devam edildikçe en sonunda ters yönde doygunluk elde edilir. Alanın ikinci kez yön değiştirmesiyle tekrar ilk doygunluk mıknatıslanma noktasına ulaşılır ve B-H çevrimi bir histerisiz etkisi içerecek şekilde tamamlanmış olur. Bu çevrimde negatif remanens (-Br) ve pozitif koersivite (+Hc) değerleri de mevcuttur.

23 histerisiz Ferro ve ferrimanyetik malzemelerinki tipik lineer olmayan bir histerisiz davranışı iken, para- ve diamanyetik malzemelerde B’nin H ile değişimi lineerdir. ferromanyetik/ ferrimanyetik Akı yoğunluğu B (tesla) Diamanyetik/ paramanyetik Manyetik alan kuvveti, H (A/m)

24 Para/diamanyetik malzemeler
30 A/M şiddetindeki bir manyetik alanda Ferro/ferrimanyetik malzemelerde akı yoğunluğu  1.5 Tesla Paramanyetik ve diamanyetik  Tesla ferromanyetik/ ferrimanyetik Akı yoğunluğu B (tesla) Diamanyetik/ paramanyetik Manyetik alan kuvveti, H (A/m)

25 Manyetik anizotropi Manyetik histerisiz eğrileri bazı faktörlere bağlı olarak farklı şekiller alır. Malzemenin tek veya çok kristalli olması Çok kristalli olması halinde, tanelerin tercihli yönlenmesi Gözenek veya ikinci faz partiküllerinin varlığı Sıcaklık ve stres uygulanmışsa, stres durumu Mesela, ferromanyetik bir malzemenin tek kristali için B (veya M) vs H eğrisi uygulanan H alanına göre kristalin kristallografik yönlenmesine bağlıdır.

26 Manyetik anizotropi Manyetik davranışın kristallografik yöne bağlı olmasına manyetik anizotropi denir. Manyetik alan kuvveti, H (A/m) Akı yoğunluğu B (tesla) Demir ve nikel tek kristalleri için manyetizasyon eğrileri

27 Manyetik anizotropi Kobalt tek kristalleri için manyetizasyon eğrileri
Manyetik alan kuvveti, H (A/m) Akı yoğunluğu B (tesla) Kobalt tek kristalleri için manyetizasyon eğrileri

28 Manyetik anizotropi Bu malzemelerin her biri için mıknatıslanmanın en kolay gerçekleştiği bir kristallografik yön vardır. Bu yönde doygunluk en küçük H alanı ile elde edilir. Bu yöne kolay mıknatıslanma yönü denir. Örneğin, Nikelde bu yön [111] yönüdür. [110] ve [100] yönlerinde doygunluk daha büyük H alanlarında ortaya çıkar. Fe ve Co için kolay mıknatıslanma yönleri sırası ile [100] ve [0001]’dir.

29 Manyetik anizotropi Bunun tersi olarak zor kirtallografik yön, doygunluk mıknatıslanmasına en zor ulaşılan yöndür. Ni, Fe ve Co için zor mıknatıslanma yönleri sırası ile [100], [111], ve [10-10]/[11-20] dır. Kolay mıknatıslanma yönleri uygulanan H alanının yönüne en yakın konumlanan domenler diğerlerinden daha avantajlıdır ve diğerleri küçülürken onlar daha çabuk büyür.

30 Manyetik malzemeler

31 Manyetik malzemeler Demirin 6 adet 3d elektronu var. Bunlardan 2 tanesi ters spinli. Geriye kalan 4 elektrondan gelen 4 Bohr magneton spin manyetik momentine sahip! Kobaltın çiftlenmemiş 3, nikelin 2 elektronu var. Yörünge momentlerini de hesaba kattığımızda, Atom başına Fe; 2.22 μB / Co; 1.72 μB / Ni; 0.60 μB Manyetik moment Bohr magnetons, B Elektron sayısı

32 Manyetik Malzemeler Malzeme Tipi Hc (A/m) Uygulama Yumuşak Sert
Manyetik malzemeler aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi yok edici kuvvet (Hc) özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Malzeme Tipi Hc (A/m) Uygulama Yumuşak Hc<1000 Elektromıknatıs, trafo motor, jeneratör Sert 50.000<Hc Hoparlör, video kayıt cihazı, TV, saat

33 manyetik malzemeler Gerek ferro gerek ferrimanyetik malzemeler histerisiz eğrilerinin karakterine göre ya sert ya da yumuşak olarak tanımlanırlar. Histerisiz eğrisi içinde kalan alan B-H çevriminde malzemenin birim hacminde manyetik enerji kaybını temsil eder. Bu manyetik enerji kaybı malzeme içinde ısınma şeklinde gerçekleşir ve malzeme sıcaklığı artar.

34 Yumuşak manyetik malzemeler
Bu nedenle histerisiz eğrisi içinde kalan alan küçük olmalıdır. Tipik olarak bu eğri ince ve dar olmalıdır. Bu durumda yumuşak manyetik malzemeler yüksek bir erken geçirgenlik ve düşük koersivite sahibi olmalıdır. Bu özelliklere sahip bir malzeme oldukça zayıf bir alan uygulaması ile doygunluk manyetizasyonuna ulaşabilir (kolayca manyetize ve demanyetize olabilir).

35 Yumuşak Manyetik Malzemeler
Kolay mıknatıslanırlar. Mıknatıslanmaları kolay kaybolur. Manyetik geçirgenlikleri yüksektir. Kalıcı mıknatıslanmaları düşüktür. Yok edici manyetik alan kuvvetleri küçüktür. Hc < 1000 A/m

36 yumuşak ferromanyetik malzeme
yumuşak mıknatıslar küçük koersif kuvvet İdeal yumuşak manyetik malzeme yumuşak ferromanyetik malzeme

37 Yumuşak manyetik malzemeler
Yumuşak manyetik malzemeler alternatif manyetik alanlara maruz kalan ve bu nedenle enerji kayıpları az olması gereken cihazlarda kullanılırlar. Örnek: transformatörler; elektrik motorları Demir, metal türü yumuşak manyetik malzemedir.

38 Yumuşak manyetik malzemeler
Doygunluk akı yoğunluğu veya mıknatıslanma sadece malzeme bileşimi tarafından belirlenir. Örneğin kübik ferritlerde, FeO–Fe2O’de Fe2+ metal iyonunun Ni2+ gibi divalent metal iyonu ile yer değiştirmesi doygunluk mıknatıslanmasını değiştirecektir. Ancak, histerisiz eğrisinin şeklini belirleyen duyarlılık ve koersivite (Hc) bileşimden ziyade yapısal değişkenlerden etkilenir.

39 Yumuşak manyetik malzemeler
düşük bir koersivite değeri manyetik alanın şiddeti ve/veya yönü değiştiğinde doman sınırlarının kolayca hareket edebilmesi demektir. Manyetik malzemede manyetik olmayan bir fazın partikülleri veya boşluklar vb yapısal hatalar domen sınırlarının hareketini engelleyerek koersiviteyi arttırırlar. Dolayısı ile yumuşak manyetik malzemelerde bu gibi hatalar bulunmamalıdır.

40 Yumuşak manyetik malzemeler
Yumuşak manyetik malzemeler için önemli bir diğer özellik elektrik direncidir. Histerisiz enerji kayıplarına ilave olarak, manyetik malzemelerde zamanla manyetik alan şiddeti ve yönündeki değişiklikle Eddy akımları oluşur ve enerji kaybına yol açar. Yumuşak manyetik malzemelerde Eddy akım kayıplarını, elektriksel direnci arttırarak en aza indirmek isteriz. Bu nedenle Ferromanyetik malzemeler saf demir yerine katı eriyik alaşımlarından (Fe-Si ve Fe-Ni alaşımları) imal edilir.

41 Yumuşak manyetik malzemeler
Doğal yalıtkan oldukları için seramik ferritler yumuşak manyetik malzemelere gerek duyulan uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar. Ancak, oldukça küçük duyarlılıkları olduğu için kullanımları sınırlıdır. Yumuşak manyetik malzemelerin histerisiz kayıpları bazı uygulamalar için manyetik alanda bir ısıl işlemle daha da küçültülebilir. Yumuşak manyetik malzemeler jeneratörlerde, motorlarda, dinamolarda ve anahtarlı devrelerde yaygın olarak kullanılırlar.

42 Transformatör çekirdekleri
Transformatör çekirdeklerinde kolayca mıknatıslanıp, bu mıknatıslanmayı kolayca kaybeden yumuşak manyetik malzemelerin kullanılması gerekir. İdeali, manyetik anizotropik olan tek kristallerin kullanılmasıdır. Ancak tek kristallerin üretimi maliyetlidir. Bunun yerine haddeleme ile yönlenme sağlanmış elektrik sacları kullanılır. Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan manyetik alana paralel olacak şekilde üretilen elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da, çekirdek kayıpları sınırlıdır.

43 Silisli demir-elektrik sacı
Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan manyetik alana paralel olacak şekilde üretilen elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da, çekirdek kayıpları sınırlıdır : Fe-3Si Primer sarım sekonder Demir alaşımlı çekirdek B alanı Hadde düzlemi Hadde yönü [001] yönü (110) düzlemi

44 Silisli demir-elektrik sacı
1900’da demire silisyum ilave edilmesinin yararlı olduğu anlaşıldı. %3 kadar Si sadece geçirgenliği arttırmakla kalmadı, alaşımsız demire göre koersif kuvveti de düşürdü. Kütle metal çekirdekler yerine laminasyon sac plakalar kullanılarak Eddy akım hatları kesildi ve böylece çekirdek kayıpları azaltıldı. Hidrojen tavları ile karbon miktarı düşürülerek, tane çapı ayarlanarak, haddeleme ile uygun tekstür oluşturularak, tabaka levha içinde çekme gerilmeleri oluşturularak histerisiz kayıpları daha da azaltıldı. Zamanla çekirdek kayıpları 8W/kg’dan 0.4W /kg seviyesine düştü.

45 Yumuşak Manyetik Malzemeler
bileşim İlk bağıl geçirgenlik (i) Doygunluk akı yoğunluğu Bs (tesla) Histerisiz kaybı (J/m3) Direnç (.m) Ticari demir ingot 99.95 Fe 150 2.14 270 1.0 x 10-7 Yönlenmiş Si-Fe 97Fe-3Si 1400 2.01 40 4.7 x 10-7 45 permaloy 55Fe-45Ni 2500 1.60 120 4.5 x 10-7 supermaloy 79Ni, 15Fe, 5Mo, 0.5Mn 75000 0.80 - 6.0 x 10-7 Ferroxcube A 48 MnFe2O4, ZnFe2O4 0.33 40 2000 Ferroxcube B 36 NiFe2O4, ZnFe2O4 650 0.36 35 107

46 Sert manyetik malzemeler
H alanını kaldır, yönlenme kalır! => Kalıcı mıknatıs! B H alanı uygula ve yönlenme sağla Mıknatıslanmanın sona ermesi için negatif alan uygulamak gerekir! koersivite, HC uygulanan Manyetik alan (H) Manyetik alan yok iken durum

47 Sert Manyetik Malzemeler
sert manyetik malzemeler yüksek bir remanens, koersivite ve doygunluk akı yoğunluğuna ilave olarak düşük bir erken geçirgenlik ve geniş bir histerisize sahip olmalıdır. Kalıcı manyetiklikleri yüksektir. Yok edici manyetik alan kuvvetleri büyüktür. Histerezis eğrileri yüksek ve geniştir. Hc > A/m

48 Sert ferromanyetik malzeme
Sert mıknatıslar Büyük koersif kuvvet İdeal sert manyetik malzeme Sert ferromanyetik malzeme

49 Sert manyetik malzemeler
Bu malzemelerin uygulama alanlarında en önemli özellikler: koersivite ve enerji çarpanıdır: (BH)max B-H eğrisinin 2. çeyreği içine sığabilen en büyük B-H dikdörtgeninin alanı. Birimi kJ/m3 (MGOe). (BH)max, sert bir mıknatısı demanyetize etmek için gerekli enerjiyi temsil eder.

50 Sert manyetik malzemeler
(BH)max ne kadar büyük ise, malzeme manyetik özellikleri yönünden o kadar serttir. Histerisiz davranışı, manyetik domen sınırlarının hareketliliğine bağılıdır. Domen sınırlarının hareketi engellenerek, koersivite ve duyarlılık arttırılabilir ve bu şekilde demanyetizasyon için kuvvetli bir dış alan gerekli olur. Bu özellikler malzemenin mikroyapısı ile ilişkilidir.

51 Sert Manyetik Malzemeler
Endüstride kullanılan en önemli sert ferromanyetik malzeme alnico alaşımlarıdır. (%50’si Al, Ni, Co, geri kalanı Fe). Sert manyetik malzemeler, mıknatıslanmaya yüksek direnç göstermesi gereken kalıcı mıknatısların imalatında kullanılırlar. Hoparlör Video kayıt cihazı TV

52 sert manyetik malzemeler
Bu mıknatıslar hiçbir manyetik alan yardımı olmaksızın kullanılmak üzere yapılmışlardır. Kalıcı (sert) mıknatıslar ilk başta manyetik alan yardımıyla mıknatıslanırlar ve bu özelliklerini devam ettirirler. Sert manyetik malzemeler 2 gruba ayrılırlar. Geleneksel ve yüksek enerji mıknatısları

53 sert manyetik malzemeler
Geleneksel olanlarda (BH)max değerleri yaklaşık 2 ile 80 kJ/m3 (0.25 and 10 MGOe) arasında değişir. Bu malzemeler mıknatıs çelikleri, Cunife (Cu–Ni– Fe) alaşımları, Alnico (Al–Ni–Co) alaşımları—ve hekzagonal ferritler BaO–6Fe2O3 dir. Sert mıknatıs çelikleri genellikle Tungsten ve/veya Cr ile alaşımlanırlar. Uygun ısıl işlemle bu 2 element karbon ile birleşerek W- ve Cr-karbürleri yaparlar. Bu karbürler domen sınırlarının hareketini engeller ve manyetik sertliği arttırırlar.

54 Kalıcı Mıknatıslar Geleneksel Kalıcı Mıknatıs Çeşitleri:
Çelik: Karbon, alaşım ve paslanmaz türde çeşitleri vardır. Alniko: Alüminyum, Nikel ve Kobaltın demir esasıyla karıştırılması ile elde edilir. Ferrit: Fe2O3 ihtiva eder. Manyetik özellikleri çok kolay bir biçimde kullanılmasını mümkün kılar.

55 Kalıcı Mıknatıslar Mıknatıs taşı: ilk kalıcı mıknatıs: Doğada bulunan Fe3O4. Üretilen manyetik alan düşük fakat mıknatıslanma kaybına direnç bir hayli yüksek. Manyetik karbon çeliği: 18. Yüzyılda geliştirilmiş! Domen hareketlerini sınırlamak üzere uygun ısıl işlemle karbür çökeltileri oluşturmaları için W ve/veya Cr ile alaşımlanmış çelikler. Alnico Mıknatısları: (alloys based on Al, Co, and Ni) 1930’larda geliştirilen ilk modern mıknatıslar. Yüksek Curie sıcaklıkları (~850°C) sayesinde günümüzde hala kullanılıyorlar.

56 Kalıcı Mıknatıslar Kobalt Platin mıknatısları: 1950‘lerde geliştirildi. Daha üstün manyetik özellikleri ve korozyon dirençleri biyomedikal uygulamalarda işe yaradı. Fakat pahalı. Sert ferritler: (BaFe12O19 / SrFe12O19) son yıllarda en önemli ticari kalıcı mıknatıslar. Anizotropik yapıları sayesinde oldukça yüksek bir koersif kuvvete sahipler. Fakat enerji çarpanları düşük. Hammaddesinin bol olması ve kolayca ve ucuza bulunması cazip yapıyor.

57 Yüksek enerji sert mıknatısları
(BH)max değeri en az 80 kJ/m3 (10 MGOe) olan sert manyetik malzemeler yüksek enerji mıknatısları olarak bilinirler. Bu malzemeler son yıllarda geliştirilen değişik bileşimlerde metaller arası bileşiklerdir. En popüler 2 tanesi: SmCo5 Nd2Fe14B.

58 Yüksek enerji sert mıknatısları

59 Samarium–Cobalt mıknatısları
SmCo5 mıknatısları için BHmax değerleri 120 ile 240 kJ/m3 (15 and 30 MGOe) arasındadır. Geleneksel mıknatısların enerji çarpan değerinden bir hayli yüksektir. Ayrıca Sm-kobaltların koersiviteleri de yüksektir. Toz metalurjisi teknikleri ile üretilirler. Önceden uygun şekilde hazırlanmış alaşım öğütülür ve toz taneleri manyetik alanda yönlendirilir ve arzu edilen şekilde preslenir.

60 Samarium–Cobalt mıknatısları
Preslenmiş parça yüksek sıcaklıklarda sinterlenir ve son olarak manyetik özellikleri geliştirmek için ayrı bir ısıl işlem uygulanır. Samaryum nadir ve pahalı bir elementtir. Diğer yandan kobaltın fiyatı da oldukça değişken ve kaynakları güvenilmezdir.

61 sert mıknatısların PM üretimi
alaşımın hazırlanması d<0.5mm tane boyutuna mekanik kırma daha küçük boyutlara öğütme manyetik alanda yönlendirme ve presleme sinterleme tornalama mıknatıslama

62 Neodmiyum–demir–bor mıknatısları
Bu nedenle Nd-Fe-B mıknatısları tercih edilen yüksek enerji mıknatısları olmuştur. Bu mıknatısların enerji çarpan değerleri Sm-Co mıknatısları ile yarışır seviyededir. İlk kez 1984’de üretilmiştir. Curie sıcaklıkları düşüktür (312°C); bu nedenle yüksek sıcaklık uygulamalarına uygun değildir. Minyatürleşmenin kritik olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

63 Neodmiyum–demir–bor mıknatısları
mıknatıslanma ve de-mıknatıslanma domen sınırı hareketliliğine ve bu da malzeme mikroyapısı, yani tanelerin boyutu, şekli ve yönlenmeleri, ikinci faz partikülleri ve dağılımları ile ilişkilidir. malzeme mikroyapı özellikleri nasıl üretildiklerine bağlıdır. Nd2Fe14B mıknatıslarının üretiminde 2 farklı proses süreci vardır. Toz metalurjisi (sinterleme) ve hızlı katılaştırma (sıvı savurma). Toz metalurjisi pratiği SmCo5 malzemeninkine benzerdir.

64 Neodmiyum–demir–bor mıknatısları
Hızlı katılaştırma ise, alaşım sıvı halden çok yüksek hızlarda katılaştırılarak ya amorf ya da çok küçük taneli ince bir şerit elde edilir. Bu şerit daha sonra toza dönüştürülür ve arzu edilen şekle preslenip ısıl işlem uygulanır. Daha sık uygulanan hızlı katılaştırma prosesidir.

65 Neodmiyum–demir–bor mıknatısları

66 Neodmiyum–demir–bor mıknatısları
Döküm ingot Hidrojen doplaması ile ingot ufalanıyor Ön Öğütme ile parça boyutu 5mm seviyesine –asal gaz Her bir tane tek kristal oluncaya kadar öğütme Manyetik alanda yönlendirme Presleme (%60 yoğunluk) 1060 C’de 1 saat sinterleme tornalama

67 Neodmiyum–demir–bor mıknatısları

68 Yüksek enerjili mıknatıslar
Yüksek enerji mıknatıslar için yaygın bir uygulama motorlardır. Mıknatıslar manyetik alanları elektrik enerjisi tüketmeden kesintisiz var olduğu için elektromıknatıslardan çok daha üstündür. Çalışma sırasında ısınma olayı de yoktur. Mıknatıs kullanan motorlar elektromıknatıs kullananlardan çok daha küçüktür. Popüler motor uygulamaları: kablosuz matkap, tornavida, otomobillerde cam silecekleri, yıkayıcıları, fan motorları, ses ve görüntü kayıt ediciler, saatler Bu mıknatısları kullanan diğer uygulamalar ses sistemlerindeki hoparlörler, hafif kulaklıklar, işitme cihazları, bilgisayar donanımları.

69 Sert Manyetik Malzemeler
bileşim Remnans, Br, tesla Koersivite, Hc, amp-sarım/m Tungsten çeliği 92.8 Fe, 6W, 0.5Cr, 0.7C 0.95 5900 CuNiFe 20 Fe, 20 Ni, 60 Cu 0.54 44000 Sinter AlNiCo 8 34 Fe, 7 Al, 15 Ni, 35 Co, 4 Cu, 5 Ti 0.76 125000 Sinter ferrit 3 BaO-6Fe2O3 0.32 240000 Co nadir toprak SmCo5 0.92 720000 Sinter Nd-Fe-B Nd2Fe14B 1.16 848000

70 sert manyetik malzemeler

71 sert manyetik malzemeler
Sert mıknatısların en önemli uygulama alanlarından biri motorlardır. Sert mıknatıslar mıknatıslanmaları kalıcı olduğu ve uzun sürelerle korunduğu, elektrik enerjisi kullanılmadığı ve ısınma yaşanmadığı için elektro mıknatıslardan çok daha üstündür. Sert mıknatıs kullanan motorlar elektro mıknatıs kullananlardan çok daha küçüktür. Küçük aletlerde sert mıknatıslar motor uygulamalarında çok caziptir. Kablosuz matkaplarda, vidalama ünitelerinde, otomobillerde cam sileceklerinde, su püskürtücülerinde, kontak devrelerinde, havalandırma sistemlerinde, kayıt cihazlarında, saatlerde sert mıknatıslar tercih edilmektedir. Sert mıknatıslardan yararlanılan diğer uygulamalar arasında audio sistemlerindeki hoparlörler, kulaklıklar, bilgisayar donanımları vardır.

72 Manyetik depolama Bilgi depolama işlerinde manyetik malzemeler önemlidir. Dijital bilginin saklanmasında manyetik kayıtlar yegane teknoloji haline gelmiştir. Masaüstü ve diz üstü bilgisayarlar, ipod ve MP3 çalıcılar, yüksek tanımlı video kayıt cihazları, kredi kartları ve benzeri disk saklama ortamlarının yaygınlığı manyetik malzemelerin önemini ortaya koymaktadır. Bilgisayarlarda ise, öncelikli depolama işleri için yarı iletken malzemeler ön plandadır ve manyetik hard diskler daha fazla bilgiyi daha ekonomik saklayabildikleri için ikincil depolama için kullanılırlar. Ancak manyetik kayıt ve depolama işinde transfer hızları daha yavaştır.

73 Manyetik depolama 2 tür manyetik kayıt ortamı vardır: manyetik bantlar ve hard disk sürücüleri Manyetik bantlarda uç, yazma ve okuma operasyonları sırasında manyetik saklama ortamı ile temas halindedir. Bant hızları 10 m/s kadardır. Hard disklerde bu uç manyetik maddeye çok yakın ve onun hemen üstünde yer alır ve manyetik ortam çok yüksek devir hızlarında hareket ederken kendiliğinden oluşan bir hava yastığı üzerinde tutulur.

74 Manyetik depolama Kayıt ve televizyon endüstrileri ses ve görüntü kayıt ve tekrar üretim işleri için büyük ölçüde manyetik bantlara güvenmektedir. Kompüter bitleri, ses ve görüntüler bir teyp veya disk şeklindeki manyetik depolama ortamının çok küçük bölümlerine manyetik olarak kaydedilir. Manyetik depolamada bilgiler + ve – mıknatıslanma seviyelerine denk gelecek şekilde “1” ve “0” olarak dijital olarak saklanırlar. Bu transfer (yazma) ve kaydedileni alma (okuma) işlemi okuma ve yazma kısımları olan bir kayıt sistemi tarafından gerçekleştirilir.

75 Manyetik bantlar hard disk sürücülerinden daha önce geliştirilmiştir.
Bugün bant kaydı hard disk sürücülerden daha ucuzdur fakat birim alana kaydedilebilen bilgi miktarı bantlarda 100 kat daha azdır. kayıt-saklama işinde kullanılan bantlarda kayıt ortamındaki partiküller: birkaç on nanometre boyunda (a) İğne şekilli ferromanyetik metal CoPtCr veya CoCrTa partikülleri (b) Plaka şekilli baryum-ferrit partikülleri

76 Manyetik bantlar Bantlar uygulamaya göre bu partiküllerden sadece birini kullanır. Bu partiküller organik bir bağlayıcı içinde mükemmel bir şekilde dağıtılır ve 50 nm kalınlığında manyetik bir tabaka oluşturulur. Bu tabakanın altında manyetik olmayan altlık vardır. Her iki partikül de anizotropiktir; yani kolay indüklenme yönü vardır.

77 Manyetik bantlar Bant kasetlerinin yüksek kapasiteli olmaları avantaj oluştururken sıralı erişimli bir kayıt ortamı olmaları dezavantajdır. Yani bant kasetlerinin başındaki veya sonundaki bilgiye ulaşmak için ileri/geri sardırma gerekir. Bant kasetlerinin bilgi depolama kapasiteleri 600 MB ile 200 GB arasındadır.

78 Manyetik Kayıt Ortamları

79 Hard disk sürücüler Manyetik saklama için kullanılan hard disk sürücüleri çapları 65 mm ile 95 mm arasında değişen rijid dairesel disklerden ibarettir. Yazma ve okuma sırasında disklerin rotasyon hızı devir/dk seviyelerindedir. Hard disk sürücüleri ile Hızlı kayıt ve okuma ve yüksek yoğunlukta kayıt yapmak imkanı vardır. Kayıt ucu esas kutup okuma ucu Kayıt tabakası Yumuşak altlık Dönüş kutbu Akış çizgileri

80 Hard disk sürücüler Transmission electron micrograph showing the
microstructure of the perpendicular magnetic recording medium used in hard-disk drives. This “granular medium” consists of small grains of a cobalt–chromium alloy (darker regions) that are isolated from one another by an oxide grain-boundary segregant (lighter regions).

81 Manyetik Kayıt Ortamları
Disk ya da kaset üzerinde çok sayıda gözle görülmeyen küçük manyetik izler (track) vardır. Floppy diskin gerçek iç görüntüsü Görünmeyen manyetik izler

82 Manyetik Kayıt Ortamları
Floopy Diskler Floppy diskler kaset bantları ile aynı malzemeden yapılmıştır. Ancak şekil itibarı ile teyp kasetleri gibi şerit şeklinde olmayıp yassı disk şeklindedir. Manyetik bant kasetlerinin aksine bilgiye doğrudan erişilebilir.

83 özet Temel kavramlar malzemelerin makroskopik manyetik özellikleri malzemenin atomlarının manyetik dipol momentleri ile bir dışmanyetik alanla etkileşimin sonucudur. bir bobin içindeki manyetik alan kuvveti (H) sarım sayısı ve akımın şiddeti ile doğru, bobin uzunluğu ile ters orantılıdır. manyetik akı yoğunluğu ve manyetik alan kuvveti birbirleri ile orantılıdır. Vakumdaki orantı katsayısı vakumun geçirgenliği, ortamda bir malzeme bulunduğunda malzemenin geçirgenliğidir.

84 özet her bir elektronun hem yörünge hem de spin manyetik momenti vardır. bir elektronun yörünge manyetik momenti Bohr magneton değeri ile elektronun manyetik kuantum sayısının çarpımına eşittir. spin manyetik momenti Bohr magnetonun + veya – işaretli değeridir. (yukarı spinler için +, aşağı spinler için -) Bir atom için net manyetik moment her bir elektrondan gelen katkıların toplamına eşittir. Elektron çiftlerinin spin ve yörünge momentleri birbirlerini siler. Bu silme durumları tamamlandığında atomun net bir manyetik momenti olmaz.

85 özet Diamanyetizma bir dış alan etkisinde elektron yörünge hareketlerinde meydana gelen değişimlerden kaynaklanır. Bu etki çok küçüktür ve uygulanan alana ters yöndedir. Paramanyetik malzemeler kalıcı atomik momentleri olan malzemelerdir. Dipoller bir dış alandan etkilenir ve ona paralel yönlenirler Diamanyetik ve paramanyetik malzemeler non-manyetik kabul edilirler çünkü mıknatıslanmalar çok küçük olup sadece sadece bir dış alan varken vardır.

86 özet Ferromanyetizma Büyük ve kalıcı mıknatıslanmalar ferromanyetik malzemelerde (Fe,Co, Ni) elde edilir. Atomik manyetik dipol momentleri spin kaynaklıdır ve komşu atomların momentleri ile birleşip ortak yönlenirler.

87 özet Antiferromanyetizm ve ferrimanyetizm
Bazı iyonik malzemelerde komşu katyonların spin momentlerinin zıt yönde eşleşmesine rastlanır. Spin momentlerinin tamamen silindiği malzemeler antiferromanyetik olarak adlandırılırlar. Ferrimanyetik malzemelerde spin moment silinmesi tamamlanmamıştır ve bu nedenle kalıcı bir manyetizma mümkündür. Kübik ferritler için net manyetikleşme oktahedral kafes konumlarında bulunan ve spin momentleri ortaklaşa yönlenen divalent iyonlardan (Fe+2) kaynaklanır.

88 özet Sıcaklığın manyetik malzeme üzerindeki etkisi
Artan sıcaklıkla artan ısıl titreşimler ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerde dipol eşleşme kuvvetlerini boşa çıkarır. Sonuçta, doygunluk manyetizasyonu sıcaklıkla Curie noktasına kadar giderek azalır ve kaybolur. Curie sıcaklığında ise sıfıra iner. Tc üstündeki sıcaklıklarda ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler paramanyetiktir.

89 özet Domenler ve histerisiz
Curie noktası altında ferromanyetik veya ferrimanyetik malzemeler domenlerden oluşur. Domenler bütün dipol momentlerinin ortaklaşa yönlendiği küçük hacim elemanlarıdır. Malzemenin toplam mıknatıslanmaları bütün domenlerin mıknatıslanmalarının vektör toplamıdır. Bir dış manyetik alan uygulandığında alana paralel yönde mıknatıslanmaları vektörleri olan domenler büyür ve alana uygun yönlenmemiş diğerleri azalır.

90 özet doygunluk manyetizasyonunda parça dış alan ile paralel yönlenmiş tek bir domendir. manyetik alan şiddetinin artması veya yönünün değişmesi durumunda domen yapısının değişimi domen sınırlarının hareketi ile gerçekleşir. Hem histerisiz hem de kalıcı mıknatıslanma domen sınırlarının hareketine dirençten kaynaklanır. eksiksiz bir histerisiz eğrisinden ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler için Remanens—H 0 iken B alanının değeri (Br) koersivite—B 0 iken H alanının değeri (Hc) elde edilir.

91 özet Manyetik anizotropi
M(B) vs H ilişkisi ferromanyetik tek kristaller için anizotropiktir—yani manyetik alanın uygulandığı kristallografik yöne bağlıdır. doygunluk mıknatıslanmasının en küçük H alanında elde edildiği kristallografik yön kolay mıknatıslanma yönüdür. Fe, Ni, ve Co için kolay mıknatıslanma yönleri sırası ile [100], [111] ve [0001] dir. manyetik demir esaslı alaşımlardan imal edilen transformatör çekirdeklerinde kayıpları en aza indirmek için bu kolay mıknatıslanma yönlerinden yararlanılabilir.

92 özet Yumuşak-sert manyetik malzemeler
yumuşak manyetik malzemelerde domen sınırı hareketi dirençle karşılaşmaz, kolaydır. Bu sayede dar histerisiz eğrileri ve düşük enerji kaybı gösterirler. sert manyetik malzemeler için domen sınırı hareketi çok daha güçtür. Bu nedenle histerisiz çevrimleri geniş ve büyük enerji kayıpları yüksektir. Bu malzemeleri demanyetize etmek için çok daha büyük alanlar gerekir. Mıknatıslanma kalıcıdır.

93 özet Manyetik depolama
veri depolaması manyetik malzemelerle yapılır. Bu amaçla kullanılan 2 manyetik ortam hard disk sürücüleri ve manyetik bantlardır. hard disk sürücülerinde kullanılan kayıt malzemesi HCP yapılı Co-Cr alaşımın nanometre boyutlu taneleridir. Bu taneler kolay manyetikleşme yönleri ([0001]) disk düzlemine dik olacak şekilde yerleşmiştir. bant esaslı veri depolamada, ya iğnesel şekilli ferromanyetik metal tanecikleri ya da yassı şekilli ferromanyetik baryum–ferrit taneleri kullanılır. Partikül boyutu birkaç 10 nanometre kadardır.

94 özet Manyetik alanda malzeme davranışları:
ferri- veya ferro-manyetik (yüksek mıknatıslanma) paramanyetik (zayıf mıknatıslanma)) diamanyetik (ters manyetik moment) Sert mıknatıslar: yüksek koersivite Yumuşak mıknatıslar: düşük koersivite Manyetik depolama polimer filmlerinde partiküller: bant veya flopy şeklinde g-Fe2O3 cam disk üzerinde CoPtCr veya CoCrTa ince filmleri (hard drive)

95 süperiletkenlik

96 Süperiletkenlik Bir metali sert yaylar ile bağlanmış gibi hareket edebilen pozitif iyonlardan oluşan bir kafes olarak düşünebiliriz. Kafeste hareket eden elektronlar elektrik akımı oluştururlar. Normal olarak elektronlar birbirlerini iterler ve kafes yapısı tarafından saçılırlar ve bu şekilde ortaya bir direnç çıkar. Akım normal bir iletkenden geçerken enerji kaybı olur.

97 Süper iletkenlik Süper iletkenler elektriği enerji kaybı yaşanmadan iletirler. Empüriteler ve kafes yapısı benzer olmasına karşın, süper iletkenlerde elektronlar karmaşık kafes yapısında engelsiz hareket ederler. Hareket halindeki ikinci bir e- bu pozitif bölgeye doğru çekilir. İkinci e- birincisini takip eder ve kafes içinden birbirlerine bağlı olarak geçerler: 2 e- un işbirliği! Hiçbir şeye çarpmadıkları ve hiçbir sürtünme yaratmadıkları için elektriği kayıp olmadan iletirler.

98 Süperiletkenlik Elektrik bir kristal yapıda atomların dış kısımlarını, elektronları kullanarak hareket eder. Kristal yapıyı bir ağaç gibi düşünürsek ve bu ağacın şiddetle sarsıldığını düşünürsek, bu durumda bir insanın ağaca tırmanması güçleşir. Özellikle tırmanan kişinin acelesi varsa. Elektronlar için de durum benzerdir. Elektronlar Kristal yapının ısısı nedeniyle sürekli olarak titreşen atomlarla çarpışırlar.

99 Süperiletkenlik Elektronların hızını arttırmak için öncelikle atomların titreşimlerini durdurmak gerekir. Süper iletkenlik bazı metal, alaşım ve seramiklerde mutlak sıfır derece yakınlarındaki sıcaklıklarda elektrik akımının bir dirençle karşılaşmadan iletilmesidir.

100 süperiletkenler Bir çok saf metal 0 K yakınlarına soğutulduklarında elektrik direnci giderek düşer ve her bir metal için karakteristik bir değere yaklaşır. Bazı malzemelerde ise çok düşük bir sıcaklıkta direnç bu küçük değerden birden sıfıra kadar düşer. Bu davranışı sergileyen malzemelere süperiletken adı verilir. Bu malzemelerin süper iletkenlik vasıfları kazandıkları sıcaklığa kritik sıcaklık (Tc) denir.

101 Süperiletkenliğin keşfi
Helyum sıvılaştırıcısı 1908’de Leiden’de tamamlandı. Süper iletkenlik ilk kez 1911’de Hollandalı Fizikçi Kamerlingh Onnes tarafından gözlendi. Onnes, soğuk telin direncinin azalacağını düşündü. Onnes çok saf bir civa telinden akım geçirerek sıcaklığı düşürürken direnci ölçtü. 4.2K’de hiç direnç yoktu. Kamerlingh Onnes (solda) and Van der Waals (sağda) Leiden helyum sıvılaştırıcısı ile

102 Süper iletkenlik Normal iletken ve süper iletkenler için 0 K civarında elektrik direnci-sıcaklık ilişkisi Hg Elektrik direnci Copper (normal) bakır süperiletken Sıcaklık (K) 4.2 K Tc = malzemenin altında süper iletken olduğu kritik sıcaklık

103 Süper iletkenlik Süper iletkenlik esasen elektrik iletkenliği ile ilgili bir konu olmakla birlikte, süper iletkenlik durumu ile yakından alakalı manyetik konular da mevcuttur. Diğer yandan süper iletkenler çok yüksek alanlar üretebilen mıknatıslarda kullanılırlar. Kritik sıcaklık genellikle 1 K dereceden düşük, metal ve alaşımları için 20 K civarındadır. Bazı karmaşık oksit seramiklerinin kritik sıcaklıklarının 100 K üstünde olduğu gösterilmiştir.

104 Süper iletkenlik Süper iletkenlik hali 3 çok önemli parametre ile tanımlanır: Kritik sıcaklık (Tc) bir malzemede süper iletkenliğin görülebileceği en yüksek sıcaklık. Bu sıcaklığın altında malzemenin direnci sıfırdır. Kritik manyetik alan (Hc) dışardan uygulanan manyetik alan bu kritik değerin üstüne çıkarsa, malzeme süper iletkenliğini kaybeder. Kritik akım yoğunluğu (Jc) süper iletkenin direnç görmeden (süper iletkenliğini kaybetmeden) taşıyabileceği, birim kesit alanı için maksimum akım.

105 Süper iletkenlik Tc altındaki sıcaklıklarda, süper iletkenlik özelliği kritik alan (Hc) denilen yeterli büyüklükteki bir manyetik alan uygulanması ile son bulur. Kritik alan (Hc) sıcaklığa bağlıdır ve artan sıcaklıkla düşer. Ayni durum akım yoğunluğu için de geçerlidir. Bir malzemenin altında süper iletkenlik kazandığı bir kritik akım yoğunluğu değeri (Jc) vardır.

106 Süper iletkenliğin sınırları
26 metal + 100’lerce alaşım ve bileşik süper iletken! Jc = kritik akım yoğunluğu J < Jc süper iletken Hc = kritik manyetik alan H < Hc süper iletken Hc= Ho (1- (T/Tc)2) bu sınırlar içinde kalan sıcaklık, manyetik alan ve akım yoğunluğu değerlerinde malzeme süper iletken gibi davranacaktır. Dışında ise malzeme tekrar normal bir iletkendir.

107 Bardeen, Cooper ve Schrieffer (BCS) teorisi
Bardeen, Cooper, ve Schrieffer (BCS) süper iletkenliğin elektronların Cooper çiftleri denen parçacıkları oluşturacak şekilde birbirilerine bağlanması ile ortaya çıktığını ileri sürmüşlerdir (1957). elektronlar kristal yapı ile etkileşimleri sonucunda ayni yüke sahip olmalarına rağmen birbirlerine doğru çekilirler. kritik sıcaklığa soğutulduğunda metaldeki elektronlar Cooper çiftleri oluştururlar.

108 BCS çekim mekanizması Elektronların kristal kafes yapısını hafifçe deforme etmesinden ileri gelir. Elektronlar arasındaki bu çekim fonon değişimi olarak tarif edilir. çöken matris üstündeki 2 kişiyi birbirlerine yakınlaştırır.

109 Süperiletkenler Cooper çiftleri fonon değiştiren elektronlardır ve birbirlerine bağlıdır. Birbirine bağlı elektronlar bozon gibi davranırlar. Dalga fonksiyonları Pauli Exclusion prensibine uymaz ve ayni quantum seviyesinde bulunabilirler. bağlı fononlar daha az enerjiye sahiptirler. Böylece latis çarpmaları engellenmiş ve direnç düşürülmüş olur. Kafes yapısındaki atomlar pozitif ve negatif bölgeler olarak titreştiklerinde elektron çifti çarpışma olmadan birbirlerine yakınlaşıp uzaklaşırlar.

110 Cooper çiftleri Bu elektron çiftlerinin hareketleri ısıl titreşimlerden ve yabancı-empürite atomları tarafından saçılmaya uğratılamayacak kadar koordineli ve verimli bir şekilde gerçekleşir. Dolayısı ile, elektron saçılması ile orantılı olan direnç sıfır değerine düşer. kT<bağ enerjisi oldukça akım hiçbir kayıp yaşamadan metalden geçer.

111 süperiletkenlik Süperiletkenlik geçiş sıcaklığı altında çiftlenmiş elektronlar makroskopik olarak tek bir kuantum seviyesi oluşturan bir takımdır ve dirençle karşılaşmadan hareket ederler. Pozitif yüklü kafes iyonları Fonon etkileşimi ile enerji değişimi Cooper çifti elektron elektron cooper çiftinin kafes içindeki hareketi

112 Süper iletkenlik türleri
Süperiletkenler bir dış manyetik alanla etkileşimlerine göre 2 türe ayrılırlar: Tip I geçiş sıcaklığı (Tc) altında mükemmel diamanyetik karakter sergiler. Tek bir kritik manyetik alana (Hc) sahiptir. Tip II alt kritik alan (Hc1) altında manyetik akıyı iter ve dışarda tutar. Hc1 ve üst kritik alan (Hc2) arasında ise bunu kısmen yapar.

113 Süper iletkenlik türleri
normal Tip I Süperiletken + normal Manyetik alan Tc Tip II sıcaklık Hc2 Hc Hc1

114 Tip I süperiletkenlik Mıknatıslanma vs manyetik alan kuvveti
Süper+ normal normal Mıknatıslanma vs manyetik alan kuvveti Bir dış manyetik alan uygulandığında Tip I süper iletkenlerde keskin bir düşme görülür.

115 Tip I süperiletkenlik Tip I malzemeler, süper iletkenlik durumunda tamamen Diamanyetiktir. uygulanan bir manyetik alanın tamamı malzeme dışında kalır (Meissner etkisi). Alan büyüklüğü H arttırıldıkça kritik alan değerine, Hc, ulaşılıncaya kadar malzeme diamanyetik kalır. Bu noktada süper iletkenlik sona erer; iletkenlik normal hale döner ve tam bir manyetik akı geçirgenliği sağlanır. Örnek: Alüminyum, kalay, kurşun, civa.

116 Tip I Süperiletkenlik M Tip I akım sadece dış yüzeyde HC H
dolayısı ile akım miktarı sınırlı M H HC

117 Meissner Etkisi T<Tc T>Tc
süper iletken durumda iken bir malzeme manyetik alanı kendi bünyesi dışında tutar. Bu malzeme normal iletken haline dönünce, manyetik alan malzeme bünyesine sirayet eder. T<Tc T>Tc süperiletken normal Süper iletkenler manyetik alanları iterler. Bu sayede süper iletkenler mıknatısların üstünde havada askıda dururlar.

118 Meissner etkisi Soğutulmuş bir süper iletken üstünde bir mıknatısın havada askıda durması Meissner Etkisi olarak bilinir. Bir süper iletken manyetik alanda iken kritik sıcaklığın altına soğutulursa, manyetik alan süper iletkeni çevreler fakat ona nüfuz edemez. Mıknatıs süper iletkende iki malzemenin birbirlerini itmesine yol açan tersine bir manyetik kuvvet yaratan bir akım oluşturur.

119 Meissner etkisi bütün manyetik alanları itecek şekilde diamanyetik! Süper iletkenliğin klasik işareti! kuvvetli bir nadir element mıknatısını havada askıda tutmak için kullanılabilir. Kritik sıcaklığın altına soğutulmuş bir süper iletkenin bir mıknatısı itmesi ve havada askıda tutması

120 Tip II Süperiletkenlik
Tip II süper iletkenler düşük alan uygulamalarında tamamen diamanyetiktir. Manyetik alanın malzeme dışında tutulması tamdır. Ancak süper iletken durumdan normal iletkenliğe geçiş yavaş ve kademeli olur. Bu geçiş tek bir noktada değil, alt ve üst kritik alanlar (Hc1 ve Hc2) arasında gerçekleşir. Manyetik akı malzeme bünyesine Hc1’de geçmeye başlar ve manyetik alan arttıkça nüfuziyet artar; nihayet Hc2 değerinde tamamlanır.

121 Tip II süperiletkenlik
HC1 ve HC2 arasındaki alanlarda malzeme çift karakterli bir durumdadır; hem süper hem de normal iletken alanları mevcuttur. Bir çok pratik uygulama için Tip II süper iletkenleri, daha yüksek kritik sıcaklık ve kritik manyetik alan değerleri nedeniyle Tip I süper iletkenlerine tercih edilir. Günümüzde en yaygın olarak kullanılan 3 süper iletken Nb-Zr ve Nb-Ti alaşımları ve Nb3Sn metaller arası bileşiğidir.

122 Tip II süperiletkenlik
Tip II süperiletkenleri Tip I’den farklı olarak 2 kritik alan sahibidirler. İlk kritik alana ulaşıldıktan sonra, manyetik akı malzemeye kısmen nüfuz eder ve normal ve süper iletkenlikten oluşan karışık bir duruma geçer. 2. kritik alan geçildikten sonra süper iletkenlik birden bire sona erer. Tip I süper iletkenler genellikle daha yüksek kritik sıcaklığa sahiptirler. örnekler YBCO, vanadyum, ve BSCCO

123 Tip II süperiletkenlik
Tip II akım telin içinde akıyor. dış manyetik alan uygulandığında Tip II süper iletkenlerde alan kademeli olarak azalır. -M Süper iletken Süper+ normal normal Hc Hc1 Hc2 Tam diamanyetizm H

124 Süper iletken malzemeler
Elementler dışındaki tüm süper iletkenler Tip II’dir. Tip II süper iletkenler Tip I süper iletkenlerden daha büyük bir kritik sıcaklığa (Tc) sahiptir. Ti, Cu ve Pb gibi bir çok metalde kritik sıcaklıkta direnç birden sıfıra düşer. Metal ve alaşımlarda kritik sıcaklık 20 K ve altındadır ve ulaşılması güçtür. Yitriyum Baryum Bakır Oksit (YBCO) kritik sıcaklığı 92 K iken diğer seramiklerin kritik sıcaklığı daha da yüksektir. Oldukça ucuz bir soğutucu olan sıvı azottan yararlanılarak erişilebilir.

125 Süper iletken malzemeler

126 sıcaklıklar C K Su kaynama 100 373.2 Vücut sıcaklığı 37 310.2
Oda sıcaklığı 25 298.2 Su donma 273.2 Civa donma -38.8 234.4 Kuru buz -78.0 195.2 Sıvı oksijen -183.0 90.2 Sıvı azot -196.0 77.2 Sıvı helyum -269.0 4.2 Mutlak sıfır -273.3 0.0

127 Saf metaller Bazı metaller ancak aşırı düşük sıcaklıklarda süper iletken hale geçebilirler. Bunlardan bazıları civa, kurşun, kalay, alüminyum, niobyum, kadmiyum, galyum, çinko ve zirkonyumdur. Pratik uygulamalar için kritik sıcaklıkları çok düşüktür. Örnek; Al’un kritik sıcaklığı K. ulaşılması çok güç. Alüminyum çok düşük sıcaklıklarda süper iletkendir. Pb da çok düşük sıcaklıklarda süper iletkendir.

128 Metal alaşımları Nb-Ti, ve Nb-Zr gibi metal alaşımları genellikle Tip II süper iletkenidirler. Metal Alaşımları saf metallerden daha yüksek kritik sıcaklıklara ve manyetik akılara sahiptirler. Pratik uygulamalar için Saf metallerden daha faydalıdırlar. Nb-Ti alaşımının kafes yapısı.

129 Yüksek Tc seramik süperiletkenleri
Yitriyum Baryum Bakır Oksit sıvı azotun kaynama noktası (Tc=90 K) üzerinde Tc değerine sahip ilk süper iletkendir. Talyum Baryum Kalsiyum Bakır Oksit süperiletkenler arasında en yüksek Tc değerine sahiptir (Tc=125 K) Bakır oksitlerin kristal yapı özellikleri sayesinde iyi süperiletken oldukları söylenebilir. Süperiletkenliğin ortaya çıkması için antiferro- mıknatıslanmanın giderilmesi gerekir. Cu Fe

130 Diğer Cu-oksit süperiletkenleri

131 Süper iletken malzemeler
Elektriksel olarak yalıtkan olan bazı seramik malzemeler, yüksek kritik sıcaklıklarla süper iletken davranış gösterir. Araştırmalar 92 K kritik sıcaklığa sahip YBa2Cu3O7 üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu malzeme karmaşık perovskit kristal yapısına sahiptir. Daha da yüksek kritik sıcaklıklara sahip yeni süper iletken seramik malzemeler bulunmuştur. Bu malzemelerin kritik sıcaklıkları sıvı hidrojen ve sıvı helyuma göre çok daha ekonomik olan sıvı azotun kullanılmasına izin veren 77 K üstünde olduğundan teknolojik yönden umut vericidir. Ancak bu yeni süper iletken seramiklerin kırılganlığı faydalı biçim ve formlarda üretilmelerinde sıkıntı yaratmaktadır.

132 Süper iletkenlikte gelişmeler
Tc > 30 K için yeni sonuçlar raporlandı Y Ba2Cu3O7-x Tc = 90 K Tl2Ba2Ca2Cu3Ox Tc = 122 K YBa2Cu3O7-x 1987’de Paul Chu tarafından keşfedildi Tc: 90-95K Bc2: 100 Tesla Jc: 1.0x109 A/m2 3 metalik elementin oranları nedeniyle “1-2-3” süper iletkeni denir. Suddenly everyone was doing superconductivity. Everyone was doing similar work, making discoveries, & rushing to publish so they could claim to have done it first. Practically, daily new high temp. records were set.

133 Süper iletken malzemeler
CuO2 düzlemleri X lineer zincirler Ba Y Ba (001) düzlemleri YBa2Cu3O7 Atom boşlukları (X) CuO2 düzlemleri arasında elektron birleşmeleri sağlar.

134 yüksek-Tc süper iletkenliği
60 yıl süren araştırmalardan sonra 1970’lerde 23 K’e kadar süper iletken kalabilen metalik bileşikler keşfedildi. 1986’ya kadar kritik sıcaklık 39 K’e kadar yükseldi. Günümüzde 164 K dir. 164 K Paul Chu Alex Müller and Georg Bednorz

135 Süper iletkenlerin uygulamaları
Parçacık hızlandırıcıları Güç iletimi Enerji transferi Elektrik motorları bilgisayarlar Tıp Manyetik kalkan cihazları İnfrared sensörleri Analog sinyal proses cihazları Mikrodalga cihazları Jeneratörlerde süper iletken mıknatıslar Enerji depolama cihazları Sürtünmesiz ulaşım Manyetik ayırıcılar

136 Elektro mıknatıslar Bir telden geçen elektrik akımı tel çevresinde bir manyetik alan yaratır. Manyetik alanın kuvveti telden geçen akım arttıkça artar. Süper iletkenler enerji kaybı olmadan büyük akımlar taşıyabildiğinden kuvvetli elektro mıknatıs yapmak için ideal malzemelerdir. Bu sayede çok küçük ve çok güçlü elektro mıknatıs yapmak mümkündür.

137 elektro mıknatıslar Süperiletkenler kayıp yaşanmadan çok büyük akımlar taşıyabildiğinden kuvvetli mıknatıslar yapmak için ideal malzemelerdir. Bir süper iletken kritik sıcaklığın altına soğutulduğunda ve etrafındaki manyetik alan arttırıldığında, manyetik alan süper iletken etrafında kalır.

138 elektro mıknatıslar tipik Nb3Sn SC mıknatısı
146 A akım ile 10.8 T kuvvetinde bir manyetik alan oluşturur.

139 Güç jeneratörleri Süper iletkenlerle sarılan jeneratörler çok daha küçük ekipman ile ayni miktarda elektrik üretirler. Elektrik üretildiğinde süper iletken teller tarafından iletilebilirler. Enerji, süper iletken bobinlerde ciddi miktarda kayıp olmaksızın uzun sürelerle depolanabilir.

140 Tıp uygulamaları yüksek alan üretebilen süper iletken mıknatıslar bugün tıpta manyetik rezonans görüntüleme donanımlarında kullanılmaktadır. Vücut dokularında ve organlardaki anomaliler kesit alan görüntülerinin elde edilmesi ile teşhis edilebilmektedir. Manyetik rezonans spektroskopi (MRS) ile vücut dokularının kimyasal analizi de mümkündür. Süper iletken quantum engelleme cihazları (SQUIDS) manyetik alan, elektrik akım ve voltajlarda son derece küçük değişimleri ölçebilen cihazlar.

141 Manyetik görüntüleme Manyetik rezonans Görüntüleme Nukleer manyetik
Rezonans Spektroskopi MRI tarayıcılarında süperiletkenler kullanır.

142 Manyetik görüntüleme Nöro-manyetik sinyallerin SQUID tekniği ile ölçülmesi İnsan beyninin nükleer manyetik rezonans (NMR) tekniği ile süperiletken bir mıknatıs tarafından oluşturulan manyetik alanda görüntülenmesi

143 SQUIDs Yerkürenin manyetik alanının milyonda biri kadar olan alanları yakalar: kalp kaslarındaki akımlar bile ölçülebilir.

144 Süper iletkenlik uygulamaları
Elektrik güç dağıtımının süper iletkenlerle yapılması-güç kayıpları çok az olur ve donanımlar böylece düşük voltaj seviyelerinde çalışır. Yüksek enerjili partikül hızlandırıcıları için mıknatıslar Bilgisayarlar için daha yüksek hız sinyal gönderme kabiliyeti

145 enerji nakli Süperiletken kablo – bakır tellere göre daha fazla enerji taşır. Süperiletken kablo. Sıvı azot soğutucu kablonun bir kısmını oluşturur ve süperiletken telin kritik sıcaklık altında kalmasını sağlar. Bu kablolar standart kablolara göre yer ihtiyacını kat ve kat azaltır.

146 enerji nakli Enerji nakil hatlarında %15 seviyelerinde kayıp!
Süperiletkenlerle taşıma kapasitesinde 100 kat artış imkanı 1000 MW enerji 40 cm çapında süperiletkenle taşındı! Yüksek akım için düşük gerilim gereksinimi Daha az yer gereksinimi Çok daha süratli bilgisayar sinyal iletimi hesaplama hızlarında ciddi artış

147 enerji nakil hatları

148 Yüksek hız trenleri manyetik levitasyonla çalışan trenler
raylarla sürtünme sıfırlanıyor. Böylece hız/konfor artıyor. Yamanashi MLX01 MagLev treni

149 Yüksek hız trenleri

150 Telekomünikasyon Süperiletkenker baz istasyonlarında verimli filtre malzemesi olarak kullanılıyor (bugün dünyada 700 istasyonda)! Telefon sinyallerini birbirinden ayırıyor. Elektriksel direnç yüzünden geleneksel filtre malzemeleri sinyallin bir kısmını kaybediyor.

151 Süper iletken ekipmanların ekonomik etkisi
faydalar Daha yüksek yoğunluklu nakil kapasitesi ve daha yüksek ekonomik üretkenlik Azaltılmış çevre etkisi endüstriyel daha ekonomik endüstriyel prosesler: İmalat ve enerji üretimi Elektrik enerji depolama, nakil ve genişleme ulaşım Daha ekonomik elektrik nakli Yüksek hız ve MAGLEV tren teknolojileri Elektrikli otomobil ve otobüs gemi

152 özet Süper iletkenlik mutlak sıfır derece yakınlarında malzemelerin elektrik direnci kaybolur. Bu koşullarda iletkenlik süper olarak adlandırılır. süper iletkenlik, sıcaklık, manyetik alan ve akım yoğunluğu kritik değerlerin üstüne çıkarsa kaybolur. Tip I süper iletkenler için, manyetik alan itme kapasitesi kritik bir sıcaklığın altında eksiksizdir. Alan nüfuziyeti kritik alan, Hc, aşıldığında tamamlanır. Tip II malzemelerde bu nüfuziyet artan manyetik alan ile kademeli olarak artar. yüksek kritik sıcaklıklara sahip yeni seramik malzemeler geliştirilmektedir. Bu malzemeleri sıvı azotla kullanmak mümkün olduğu için uygulama alanları da artacaktır.