Seramiklerde ısıl genleşme

Transkript

1 ısıl özellikler

2 Seramiklerde ısıl genleşme Seramik malzemelerde atomlar arası bağlar kuvvetlidir. Bu nedenle, seramiklerin ısıl genleşme katsayıları düşüktür 0.5 x x 10-6 C -1 amorf ve kübik kristal yapılı seramiklerde l izotropik, kübik olmayan kafes yapılı diğerlerinde ise anizotropiktir. İnorganik camlarda genleşme katsayısı bileşime bağlıdır.

3 Seramiklerde ısıl genleşme Fused silika (yüksek saflıkta SiO 2 camı) küçük genleşme katsayısına sahiptir: 0.4 x 10-6 ( C -1 ). Bu durum düşük atomik istiflenme yoğunluğundan kaynaklanır. Atomlar arasındaki açılma makro ölçekte ancak küçük değişimler verir. Çalışırken ısıl değişimlere uğrayan seramik malzemeler küçük ve izotropik ısıl genleşme katsayılarına sahip olmalıdır. Aksi takdirde bu kırılgan malzemeler, termal şoka bağlı homojen olmayan boyutsal değişimlere ve buna bağlı gerilmelere uğrar ve kırılırlar.

4 Polimerlerde ısıl genleşme Bazı polimerler ısıtıldıklarında çok şiddetli ısıl genleşme tecrübe ederler. Isıl genleşme katsayıları 50 x 10-6 ile 400 x 10-6 C -1 aralığında değişir. En yüksek l değerleri, ikincil moleküller arası bağları zayıf ve çapraz bağlanmalar en az seviyede olduğu için lineer bağlı polimerlerde görülür. Çapraz bağlanmanın artması ile genleşme katsayısı düşer. En düşük genleşme katsayıları bağlanmanın tamamının kovalent esaslı olduğu fenol formaldeit gibi termo-set polimerlerde görülür.

5 Polimerlerde ısıl genleşme lineer bağlı polimerler: ikincil moleküller arası bağları zayıf ve çapraz bağlanmalar en az seviyede olduğu için yüksek l değerleri Çapraz bağlı polimerler: Düşük genleşme katsayısı

6 Isı iletkenliği Bir malzemenin ısıyı iletme kabiliyeti Kararlı ısı akışı için Isı akısı (W/m 2 ) q k dt dx Isı iletkenliği (W/mK) = k T 2-T 1 x 2 -x 1 T 1 x 1 Isı akısı x 2 T 2 T 2 > T 1 Atomik ölçekte: sıcak bölgelerdeki atomik titreşimler ve serbest elektronlar ısı enerjisini daha soğuk bölgelere taşırlar.

7 Isı iletim mekanizmaları Katı malzemelerde ısı hem kafes titreşim dalgaları (fononlar) (k l ) hem de serbest elektronlar (k e ) tarafından taşınır. Toplam iletkenlik bu 2 mekanizmanın katkılarını içerir. k = k l + k e k l : kafes titreşimleri ile iletkenlik k e : elektron ısıl iletkenliği; serbest elektronların sayısındaki artış ile artar. Pratikte bu iki mekanizmadan biri ön plana çıkar.

8 Isı iletim mekanizmaları k l katkısı sıcaklık gradyanının bulunduğu bir maddede fononların yüksek sıcaklık bölgelerinden düşük sıcaklık bölgelerine hareketi ile meydana gelir. k e katkısı Bir maddenin sıcak bölgesinde serbest elektronlara kinetik bir enerji yüklenir. Bu elektronlar soğuk bölgelere hareketlenirler ve kinetik enerjileri fononlarla veya kafesteki diğer yapısal hatalarla çarpışma sonucunda bu soğuk bölgelerdeki atomlara titreşim enerjisi olarak geçer.

9 polimer Artan k seramik metal Isı iletkenliği: karşılaştırma malzeme k (W/mK) Enerji transferi Altın Alüminyum Tungsten çelik Magnezya (MgO) Alümina (Al 2 O 3 ) Soda camı Silika (kris. SiO 2 ) polipropilen polietilen polistren teflon 315 Atomik titreşimler 247 ve serbest elektronların 178 hareketi Atomik titreşimler Zincir moleküllerin 0.46 titreşimi veya rotasyonu

10 Isı iletkenliği (W/m.K) metaller Yüksek saflıktaki metallerde ısı iletimine elektron katkısı fonon katkısından çok daha verimlidir. Çünkü, elektronlar fononlar kadar kolay saçılmazlar ve daha hızlıdırlar. Metaller, ısı taşımaya katkıda bulunacak çok sayıda serbest elektron sahibi oldukları için mükemmel ısı ileticisidirler. Metallerin ısı iletkenlikleri 20 ile 400 W/m K arasında değişir. Cu-Zn alaşımları için bileşimle ısı iletkenliği değişimi bileşim (ağ% Zn)

11 Isı iletkenliği (W/m.K) metaller Metalleri diğer elementlerle alaşımlamak tıpkı elektrik iletkenliğinde olduğu gibi ısı iletkenliğini de düşürür: özellikle katı eriyikte çözünmüş yabancı atomlar saçılma merkezleridir ve elektron hareketliliğine zarar verirler. Cu-Zn alaşımları için bileşimle ısı iletkenliği değişimi bileşim (ağ% Zn)

12 metaller Saf metallerde serbest elektronlar hem ısı hem de elektrik iletkenliğinden sorumlu oldukları için, iki iletkenlik birbirleri ile ilişkilidir: Wiedemann Franz kanunu: elektrik iletkenliği, ( m) -1 L: 2.44 x 10-8.W.K -2 Isı iletkenliği W/mK L, ısı enerjisi tamamen serbest elektronlar tarafından taşınıyorsa, sıcaklıktan bağımsız ve tüm metaller için aynidir.

13 Isı iletkenliği (W/m.K) Seramiklerde Isıl iletkenlik Metalik olmayan malzemeler yeterli sayıda serbest e-ları olmadığı için ısıl yalıtkandırlar. Bu nedenle ısı iletiminden fononlar sorumludur: k e << k l Diğer yandan, fononlar, kafes hataları tarafından saçıldıkları için, ısı enerjisinin taşınmasında serbest elektronlar kadar etkili değildir. Sıcaklık ( C)

14 Seramiklerde Isıl iletkenlik Oda sıcaklığında seramiklerin ısı iletkenlikleri yaklaşık 2 ile 50 W/m K arasında değişir. Cam ve diğer amorf seramikler, atomik yapı düzensiz, dağınık olduğunda fonon saçılması daha da fazla olduğu için kristal yapılı seramiklerden daha da düşük iletkenlik değerlerine sahiptir.

15 Seramiklerde Isıl iletkenlik Artan sıcaklıkla kafes titreşimlerinin saçılması daha belirgin hale gelir. Bu nedenle seramiklerin bir çoğunda ve özellikle düşük sıcaklık bölgesinde ısıl iletkenlik sıcaklıkla düşer. İletkenlik yüksek sıcaklıklarda radyant ısı transferi sayesinde artar. Saydam seramik bir malzemede ciddi miktarlarda infrared radyant ısı taşınabilir. Bu prosesin verimliliği sıcaklıkla artar. Seramik malzemelerde gözeneklilik ısı iletkenliği üzerinde dramatik bir etkiye sahiptir.

16 Seramiklerde Isıl iletkenlik Gözenek hacmini arttırmak bir çok durumda, ısı iletkenliğini düşürür. Hatta, ısı yalıtımı için kullanılan seramiklerin bir çoğu gözenekli yapıdadır. İç gözenekler çoğunlukla çok düşük ısı iletkenliği (0.02 W/mK) olan durgun hava içerirler. Ayrıca, gözenekler içindeki gaz ortam konveksiyonu verimsiz ve etkisizdir. Gözeneklerden ötürü ısı transferi yavaş ve verimsizdir.

17 Polimerlerde ısıl iletkenlik Bir çok polimer için ısıl iletkenlik 0.3 W/mK seviyelerindedir. enerji transferi zincir moleküllerinin titreşimi ve rotasyonu ile gerçekleşir. Isıl iletkenliğin büyüklüğü kristallik derecesine bağlıdır. Yüksek ölçüde kristal ve düzenli yapıda olan bir polimerin ısıl iletkenliği amorf yapılı benzerinden daha yüksektir. Bu, molekül zincirlerinin kristal yapı düzeninde daha koordinasyonlu titreşimlerinden ötürüdür.

18 Polimerlerde ısıl iletkenlik Polimerler düşük ısı iletkenlikleri nedeniyle çoğunlukla ısıl yalıtkan olarak kullanılırlar. Seramiklerde olduğu gibi yalıtkanlık özellikleri küçük gözeneklerin köpürtme yoluyla yapıda bulundurulması ile daha da arttırılabilir. İçme bardakları olarak kullanılan polistrende bu uygulamadan faydalanılır.

19 Isıl gerilmeler Isıl gerilmeler bir malzemede sıcaklık değişimleri ile ortaya çıkan gerilmelerdir. Bu gerilmeler arzu edilmeyen plastik deformasyona ve kırılmalara yol açabileceği için neden kaynaklandıklarını ve karakterlerini anlamak önemlidir. Engellenen ısıl genleşme ve büzülme ısıl gerilmelere yol açar. Homojen olarak ısıtılan veya soğutulan homojen ve izotropik bir çubuk düşünelim: Serbest genleşme veya büzülme gerçekleşebildiğinde ısıl gerilmeler oluşmaz.

20 Isıl genleşme-ısıl gerilme Melbourn Avustralya da aşırı sıcak havalarda ısıl genleşme ve buna bağlı ısıl gerilmelerle eğilen demir yolu rayları

21 Isıl gerilmeler Ancak bu çubuk uçlarından hareketi önlenecek şekilde sabitlenirse, ısıl gerilmeler oluşur. Sıcaklığın T 0 dan T f ye kadar değişmesi ile ortaya çıkan bu gerilmelerin büyüklüğü E elastik modül, l lineer ısıl genleşme katsayısıdır. Isıtmada (T f >T 0 ), oluşan gerilme çubuğun genleşmesi engellendiğinden basma gerilmesi ( <0), soğutmada tersi olacağından çekme gerilmesi ( >0) olacaktır.

22 problem pirinç bir çubuk oda sıcaklığında (20 C) gerilmesizdir. Çubuk ısıtılır fakat uzamasına izin verilmez. Hangi sıcaklıkta gerilme 172 MPa seviyesine çıkar? T 0 başlangıçta 0 adım 1: engellemesiz ısıl genleşme 0 compress T f room thermal (T f T 0 ) adım 2: çubuğu ilk boyutuna gelecek şekilde basmaya uğratın. 0 room thermal

23 No problem! Isıl gerilme aşağıdaki gibi hesaplanır. 0 E( compress ) basma = - ısıl yanıt: 106ºC E( thermal ) E (T f T 0 ) E (T 0 T f ) 20ºC T f T 0 Pirinç için: 100 GPa E -172 MPa (basma) Pirinç için: 20 x 10-6 /ºC

24 Sıcaklık gradyanlarından doğan gerilmeler Katı bir madde ısıtıldığında veya soğutulduğunda içindeki sıcaklık dağılımı bu maddenin boyut ve şekline, ısıl iletkenliğine ve sıcaklık değişiminin hızına bağlı olur. Bir parçada sıcaklık gradyanları oluştuğunda ısıl gerilmeler meydana gelir. Hızlı sıcaklık değişimlerinde dış kısımlar iç kısımlardan daha farklı sıcaklıklarda olabilir ve bunun neticesinde parça içindeki sıcaklık dağılım bozukluğu gerilmeler oluşturur.

25 Sıcaklık gradyanlarından doğan gerilmeler Örneğin, ısıtılan bir parçada dış kısımlar daha sıcaktır ve iç kısımlardan daha fazla uzamak ister. Neticede iç kısımlar tarafından bir engelleme olacağından dış kısımlar basma gerilmeleri tecrübe ederler. Yüzeydeki basma gerilmeler iç kısımlarda da çekme gerilmeleri tarafından dengelenir.

26 Isıl şok Hızlı soğutma soğuk yüzey, sıcak merkez büzülen yüzey/engelleyen merkez yüzeyde çekme/merkezde basma Yüksek sıcaklıkta düzgün sıcaklık profili basma çekme Yüksek sıcaklıkta düzgün gerilme profili Su verme sonrası sıcaklık profili basma çekme Su verme sonrası gerilme profili

27 Gevrek malzemelerin ısıl şoku Sünek metaller ve polimerler için, plastik deformasyon sayesinde ısıl gerilmelerin şiddeti azalabilir. Ancak seramik malzemelerin sünek olmayan karakterleri, bu gerilmelere bağlı gevrek kırılma riskini arttırır. Gevrek bir malzemenin hızlı soğutulması termal şok kaynaklı bu gibi gerilmelere yol açmakta, yüzeyde oluşan gerilmeler çekme gerilmeleri olduğu için risklidir ve kırılmaya hızlı ısıtma durumlarında olduğundan daha yatkındır.

28 Gevrek malzemelerin ısıl şoku Bu şekilde hasarlanmalara dayanıklılık ısıl şok direnci diye bilinir. Hızlı soğutulan bir seramik parça için, ısıl şok sadece sıcaklık değişiminin miktarına değil, malzemenin mekanik ve ısıl özelliklerine de bağlıdır. Yüksek kırılma mukavemetine ve yüksek ısıl iletkenliğe, düşük elastiklik modülüne ve düşük ısıl genleşme katsayısına sahip seramiklerin ısıl şok direnci yüksektir. Isıl şok direnci:

29 Isıl şok direnci homojen olmayan ısıtma/soğutma üstteki ince bir tabaka hızla T 1 den T 2 ye soğutuluyor. Soğutma ile ortaya çıkan sıcaklık farkı: ( T T ) 2 1 Hızlı soğutma Soğuma sırasında büzülmek ister T 2 Büzülmeye karşı çıkar su verme hızı k eşitle T 1 Yüzeyde çekme gerilmesi oluşur. E (T 1 T 2 ) Kırılma için kritik sıcaklık farkı ( = f ) (T 1 T 2 ) fracture f E Su verme hızı(kırılma için) = ısıl şok direnci fk E l f k yüksek ise ısıl şok direnci de yüksek! E l

30 Gevrek malzemelerin ısıl şoku Isıtma ve soğutma hızları düşürülerek ve parçadaki sıcaklık gradyanları hafifleştirilerek ısıl şoklar büyük ölçüde önlenebilir. Isıl genleşme katsayısının uygun seçimi ile de ısıl şoklara karşı önlem alınabilir. Isıl genleşme katsayısı yaklaşık 9 x10-6 ( C -1 ) olan soda camı ısıl şoka çok hassastır. Bu camdaki CaO ve NaO miktarlarını azaltırken yeterli miktarda B 2 O 3 ilave ederek ısıl genleşme katsayısı 3x10-6 ( C -1 ) seviyelerine düşürülebilir. Bu bileşimdeki cam mutfak ve fırın ısıtmalarısoğutmaları için son derece uygundur.

31 Gevrek malzemelerin ısıl şoku İri gözenekler ve sünek bir ikinci fazın malzemeye kazandırılması da, ısıl gerilmelerden oluşan çatlakların ilerlemesini yavaşlatarak ısıl şok karakterini iyileştirir. Seramik malzemelerde mekanik mukavemet değerlerini ve optik özellikleri iyileştirmek için ısıl gerilmeleri parça bünyesinden almak gerekir. Bu işlem bir tav uygulaması ile yapılır.

32 Isıl koruma sistemleri uygulama: Uzay mekiği Re-entry T Distribution reinf C-C (1650ºC) silica tiles ( ºC) nylon felt, silicon rubber coating (400ºC) Silika plaka ( ºC): Büyük ölçekli uygulama -- mikroyapı ~90% gözeneklilik! Si fiberler ısıl işlem sırasında birbirlerine bağlanıyor. 100 mm

33 Termoelektrik ısıtma ve soğutma İki farklı elektrik iletken malzeme bir araya getirildiğinde e- lar daha yüksek E f ye sahip malzemeden diğerine taşınır. Bu iki malzemenin E f değerleri birbirlerine eşitleninceye kadar devam eder. Daha düşük E f li malzeme negatif yüklüdür. Bu durum sıcaklığa bağlı bir devre gerilimine neden olur. Yüksek E f den enerji e- ler aracılığı ile düşük E f ye taşındıkça bu malzeme ısınır. e- kaybeden ise soğur.

34 Termoelektrik ısıtma ve soğutma termoelektrik etki (Peltier Seebeck etkisi) ısı farklılıklarının elektrik voltajına veya elektrik voltaj farkının ısıya dönüştürülmesi olayıdır. Metal ve alaşımlar için bu etki küçüktür: mv/k. Bi 2 Te 3 ve PbTe gibi yarı iletkenler içinse önemlidir mv/k Uygulamalar: ısıl çiftler aracılığı ile sıcaklık ölçümü (bakır/ constantan, Cu-45%Ni, chromel, 90%Ni-10%Cr, ) Termoelektrik enerji santralleri (Sibirya ve Alaska) termoelektrik buzdolabı

35 Termoelektrik ısıtma ve soğutma İki malzeme uçlarından bir halka oluşturacak şekilde birbirine bağlanır. bu uçlardan biri ısıtılır. İki uç arasındaki sıcaklık farkı ile orantılı bir voltaj farkı meydana gelir. Seebeck S dv dt Coefficient ( mv/k) S bakır demir ısı

36 Termoelektrik ısıtma ve soğutma Seebeck etkisinin tersi Peltier etkisi olarak bilinir. Bu uçlardan geçen bir direkt akım uçlardan birinin ısınmasına diğerinin soğumasına neden olur. Kurşun tellurit ve/veya bizmut tellurit termoelektrik cihazlarda ısıtma ve soğutmada kullanılan malzemelerdir.

37 Isıl denge İki madde sıcaklıkları eşitlendiğinde ısıl denge içindedirler. Doğada ısı her zaman sıcak bölgeden soğuk bölgeye taşınır.

38 Isı iletimi (heat conduction) Isı iletimi ısının doğrudan temas ile bir maddeden diğerine geçmesidir. Bakır ve alüminyum ısıyı çok iyi iletirler.

39 yalıtkan Isıl yalıtkan ısı iletimi sınırlı olan malzemedir. Isı plastikte çok yavaş taşınır ve bu sayede elinizin sıcaklığı hemen artmaz.

40 yalıtım Stayroform gözeneklerinde hava saklayarak yalıtkanlık kazanır. Katılar genellikle sıvılardan, sıvılar ise gaz maddelerden daha iyi ısı iletkenidirler.

41 Isıl yalıtkanlık Isı iletme kabiliyeti malzemenin yapısal özelliklerine de bağlıdır. cam bir kap veya beher şeklinde imal edildiğinde ısı iletimi kabiliyeti yüksektir. Ancak cam fiber şeklinde imal edildiğinde fiberlerin arasında hapsolan hava onu ısıl yalıtkan yapar.

42 Cam yünü

43 Isı iletimi denklemi Q= ka (T2 -T1)/x 2 -x 1 Q/A= Q = ısı miktarı (W) k = ısı iletkenliği (W/mK) A = ısının geçtiği kesit alanı (m 2 ) x 2 -x 1 = ısının kat ettiği mesafe (m) T 1, T 2 = iki uçtaki sıcaklıklar

44 problem 5 cm kalınlığında 2.5 x 4 m boyutlarında bir duvarı kaplayan 5 cm kalınlığında bir fiberglas battaniye düşünün. Dışardaki sıcaklık 5 C, içerdeki sıcaklık 25 C olsun. Bu duvardan ne kadar ısı kaybı olur? Fiberglas için k = W/m.K

45 No problem! Q = k A (T2 -T1)/l k = W/mK A = 2.5 x 4 = 10 m 2 l = 5 cm = 0.05 m T 2 - T 1 = 25-5 = 20 K O halde Q = W/m.K x 10 m 2 x 20 K / 0.05 m Q = 152 W

46 konveksiyon Konveksiyon ısının sıvı ve gazların hareketi ile taşınması olayıdır. Gazlarda konveksiyon gazlar ısıtıldıklarında genleştiği için gerçekleşir. Isınmış gaz yükseldiği soğuk gaz çöktüğü için gerçekleşen akımlar ısının transferine yol açar. Sıvılarda konveksiyon yoğunluk farkları sayesinde gerçekleşir.

47 konveksiyon Konveksiyon yönseldir!

48 konveksiyon Gaz ve sıvı hareketliliği yoğunluk ve sıcaklık farklılıklarından kaynaklandığında buna serbest konveksiyon denir. Gaz ve sıvı hareketliliği bir pompa veya fan etkisi gibi dış kaynaklı ise buna zorlanmış konveksiyon denir.

49 Isı transfer hızı (kw) konveksiyon Konveksiyonla ısı transferi hıza bağlıdır. Tüm akışkanlarda hareketliliğin artması konveksiyonla ısı transferini arttırır. akışkan hızı (m/s)

50 konveksiyon Konveksiyon yüzey alanına bağlıdır. Akışkanla temas eden yüzey alanı arttıkça ısı transfer hızı da artar. Bu nedenle konveksiyon prensibi ile çalışan tüm ısı cihazlarında malzeme yüzey alanının azami ölçüde arttırılması için ısı değiştirici plakaları kanatlı imal edilir.

51 konveksiyon

52 Doğal konveksiyon Sahillerdeki deniz esintilerinden konveksiyon sorumludur. Gündüz saatlerinde kara denizden çok daha sıcaktır. Kara üzerindeki sıcak hava yükselip boşalttığı alan denizden gelen soğuk hava ile dolduğunda deniz esintisi oluşur. Geceleri bunun tam tersi olur ve kara esintisi yaşanır.

53 Doğal konveksiyon Yeryüzü iklimi büyük ölçüde Okyanuslardaki konveksiyon akımlarınca kontrol edilir.

54 konveksiyon Q = h A (T2 -T1) Q = ısı akısı (W) h = ısı transfer katsayısı (W/m 2 K) A = akışkanın temas ettiği yüzey alanı (m 2 ) T2 - T1 = sıcaklık değişimi

55 problem Pencere yüzey sıcaklığı 18 C. Pencereyi ısı transfer katsayısı 100 W/m 2 K olacak şekilde 5 C sıcaklığında bir rüzgar yalıyor. Pencere yüzey alanı 0.5 m 2 ise, pencere ile hava arasında ne kadar ısı transfer olur? Q = h A (T2 -T1) Q = 100 W/m 2 K x 0.5 m 2 (18-5)K Q = 650 W

56 Radyasyon Radyasyon ısının elektromanyetik dalgalarla taşınmasıdır. Isıl radyasyon sıcaklıkları nedeniyle cisimler tarafından üretilen ışık da dahil olmak üzere elektromanyetik dalgalardır. Bir cismin sıcaklığı ne kadar yüksek ise o kadar fazla ısıl radyasyon yayar.

57 Yerkürenin radyasyon faaliyeti Gezegenimizin radyasyon bileşenleri Yeryüzünden salınan enerji Yeryüzüne düşen güneş enerjisi Yeryüzünden yansıyan güneş enerjisi

58 Radyant ısı Isıl radyasyonu görmeyiz çünkü insan gözünün ayırt edemeyeceği infrared dalga boylarında oluşur. Cisimler farklı sıcaklıklarda farklı renkli alır.

59 Radyant ısı Oda sıcaklığındaki bir kaya parlamaz. 20 C deki spektrum görünür dalga boylarında değildir. Cisimler ısıtıldıkça görünür ışık saçmaya ve parlamaya başlarlar. 600 C de cisimler soluk kırmızı renk alırlar; elektrikli ısıtıcıdaki reziztanslar gibi).

60 Sıcaklık ( C) Radyant ısı Sıcaklık yükseldikçe ısıl radyasyon daha kısa dalga boyuna sahip daha yüksek enerjili ışınım yayar C de renk sarıportakal iken 1500 C de beyaza döner. Beyaz Açık sarı Sarı Portakal Kiraz kırmızısı Koyu kırmızı Bir ampülü ara ayarda izlemeye başlarsanız filaman ısındıkça renginin değiştiğini fark edersiniz. Ampül filamanından yayılan parlak beyaz ışık 2600 C ye kadar ısınmış filamanın verdiği ısıl radyasyondur.

61 Kara cisim-ışıksız cisim Üzerine düşen tüm radyasyonu emen ideal bir malzeme. Kara cisimler emdikleri radyasyonu karakteristik ve aralıksız bir spektrumla, göz kamaştırıcı şekilde tekrar verirler. Kara cisimler Hiçbir ışık, görünür elektromanyetik radyasyon yansıtmadığı için soğuk iken siyah görünür. Ancak, kara cisim sıcaklığa bağlı bir spektrum verir ve bu ısıl radyasyona kara cisim radyasyonu denir.

62 Kara cisim radyasyonu Bir ampülün sıcak-beyaz filamanı iyi bir kara cisimdir. Çünkü filamanın tüm ışıması ısıl radyasyondur K eğrisi radyasyonun görünür ışığın tüm aralığında yayıldığını gösterir.

63 Bağıl güç Kara cisim radyasyonu Mükemmel bir kara cisim için güç vs dalga boyu ilişkisi kara cisim spektrumu olarak tariflenir. Dalgaboyu (nm)

64

65 Kara cisim radyasyonu Kara cisim tarafından ısıl radyasyon olarak verilen toplam güç sıcaklığa ve yüzey alanına bağlıdır. Gerçek yüzeyler kara cisim güç değerinden daha düşük enerji verirler: genellikle bu oran %10-90 arasındadır.

66 Kara cisim radyasyonu P = σ AT 4 P = güç (W) σ = Stefan-Boltzmann sabiti 5.67 x 10-8 W/m 2 K 4 A = kara cismin yüzey alanı (m 2 ) T = sıcaklık (K) Stefan-Boltzmann denklemi ısıl radyasyon mutlak sıfırın üstündeki sıcaklığa bağlı olduğundan sıcaklık için K birimi kullanılır!

67 Ampül için örnek hesaplama Ampüldeki filaman 0.5 mm çapında ve 50 mm uzunluğundadır. Bu filamanın yüzey alanı m 2 dir. sıcaklık 3000 K ise, filaman ne kadar güç üretir? P = σ AT 4 P = 5.67 x 10-8 x 4 x 10-8 x 3,000 4 P = W

68 özet Isı kapasitesi Isı kapasitesi bir mol maddenin sıcaklığını 1 C arttırmak için gerekli ısı miktarıdır. Birim ağırlık için bu değer özgül ısı olarak tarif edilir. Katı madde tarafından emilen ısı atomların titreşimsel enerjisini arttırmaya harcanır. Sadece belirli titreşimsel enerji değerlerine izin vardır. Bir birim titreşimsel enerjiye FONON denir. Bir çok kristal yapılı katı için 0 K yakınlarındaki sıcaklıklarda sabit hacimde ölçülen ısı kapasitesi mutlak sıcaklığın kübü ile artar; Debye Sıcaklığı aşıldığında sıcaklıktan bağımsız hale gelir ve 3R değerini alır.

69 özet Isıl genleşme Katı maddeler ısınınca genleşir ve soğuyunca büzülür. Sıcaklık değişimi ile uzunluk değişimi orantılıdır. Orantı katsayısı ısıl genleşme katsayısıdır. Isıl genleşme ortalama atomlar arası mesafe ile temsil edilir. Bu potansiyel enerji vs atomlararası mesafe eğrisindeki çukurun asimetrik karakterinin sonucudur. Atomlararası bağ enerjisi arttıkça, ısıl genleşme katsayısı azalır. Polimerlerin ısıl genleşme katsayısı metallerinkinden, metallerinki seramiklerinkinden büyüktür.

70 özet Isıl iletkenlik Isıl enerjinin yüksek enerji bölgelerinden düşük enerji bölgelerine taşınmasına ısıl iletim denir. Katı maddeler için ısı serbest elektronlar ve titreşimler kafes dalgaları veya fononlar tarafından taşınır. Saf metallerin göreceli yüksek ısıl iletkenlikleri çok sayıda serbest elektron ve bu elektronların ısıyı taşıma verimliliği sayesindedir. Seramikler ve polimerler ise zayıf ısı iletkenidirler. Çünkü serbest elektron miktarı düşüktür ve ısı iletimi ancak fonon iletimi ile mümkündür.

71 özet Isıl gerilmeler Sıcaklık değişimleri sonucunda oluşan ısıl gerilmeler kırılmaya veya plastik deformasyona yol açabilir. Isıl gerilmelerin kaynağı, bir maddenin uzama veya kısalmasının kısıtlanmasıdır. Bir parçanın süratle ısıtılması veya soğutulması sırasında ortaya çıkan ısıl gerilmeler parçanın iç ve dış bölgeleri arasında meydana gelen ısıl gradyanlar ve buna eşlik eden boyutsal değişim farklılıklardan kaynaklanır. Isıl şok, bir parçanın çok ani sıcaklık değişimlerine maruz kalması sonucunda ortaya çıkan ısıl gerimler yüzünden kırılmasıdır. Seramik malzemeler kırılgan olduklarından bu tür kırılmalara özellikle hassastır.

72 manyetik özellikler

73 İşlenecek konular Manyetik özellikler nelerdir? Bu özellikleri nasıl ölçeriz? Manyetizmanın atomik ölçekte karşılığı nedir? Manyetik malzemeler nasıl sınıflanırlar? Manyetik depolama için malzeme tasarımı Süper iletken mıknatısların önemi nedir?

74 giriş Modern teknolojik cihazların büyük kısmı manyetik malzemeler ile çalışır. Bunlar arasında elektrik güç jeneratörleri, transformatörler, elektrik motorları, radyo, televizyon, bilgisayar, ses ve görüntü üretim ve kayıt cihazlarını sayılabiliriz. Demir, bazı çelikler, ve doğada bulunan mıknatıs taşı manyetik özellik gösteren malzemelerdir. tüm malzemeler bir manyetik alandan az ya da çok etkilenirler.

75 Manyetik malzemeler Dizüstü bilgisayar Hard disk sürücüsü içi (disk devir/dk hızda döner.) diz ve masa üstü bilgisayarlarda kullanılan hard disk sürücüleri Hard disk sürücülerinde kullanılan düşey manyetik kayıt malzemesinin TEM görüntüsü.

76 manyetizma Bir mıknatıs üzerine yerleştirilen cam veya mukavva üzerine ince demir tozları serpildiğinde, demir tozları manyetik alan çizgileri denen düzgün çizgiler üzerine toplanır.

77 Manyetik alan hareket eden elektrik yüklü parçacıklar manyetik kuvvetlere yol açarlar. Manyetik kuvvetler manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alanı kuvvetin yönünü gösterecek şekilde çizeceğimiz bir dizi kuvvet çizgisi ile gösterebiliriz.

78 Manyetik dipoller (çift kutup) Manyetik malzemelerde manyetik dipoller bulunur. Manyetik dipolleri kuzey ve güney kutupları bulunan küçük mıknatıslar olarak düşünebiliriz. Manyetik alanda alanın kendi kuvveti dipolleri alanla birlikte yönlendirmek için bir tork uygular. örnek: manyetik kumpas iğnelerinin yerküre manyetik alanında yönlenmeleri gibi.

79 Manyetik Alan ve Manyetik Akı İçinden elektrik akımı geçen bir iletkenin çevresinde manyetik alan (H) oluşur. Bu manyetik alanın içine manyetiklik özelliğine sahip bir malzeme (mıknatıs) konacak olursa manyetik alan şiddeti daha da artar ve kuvvet çizgileri sıklaşır. Malzeme varlığından doğan ek manyetik alan artımına manyetik akı (B) denir.

80 uygulanan manyetik alan Bobinden geçen akımın oluşturduğu manyetik alan: Manyetik alan H akım I N = sarım sayısı L = bobinin uzunluğu Uygulanan manyetik alan N I H L akım boşlukta manyetik alanın büyüklüğü: B o = m 0.H amper-sarım/m

81 Manyetik geçirgenlik Boşlukta şiddeti B o olan manyetik alan içine demir konulursa alan çizgileri birbirine yaklaşır; böylece birim alandan geçen manyetik akı artar. demir

82 Manyetik geçirgenlik manyetik alan içine bakır, gümüş, bizmut gibi mıknatıs özelliği olmayan bir madde konulursa alan çizgileri bu maddeden geçerken birbirinden uzaklaşır; birim alandan geçen akı azalır. bakır

83 Manyetik geçirgenlik Maddelerin manyetik alan çizgilerini seyrekleştirme ya da sıklaştırma özelliğine o maddenin manyetik geçirgenliği (m) denir. Boşluk için manyetik geçirgenlik, m 0 m 0 = Wb/A.m Bir ortamdaki B manyetik alan şiddeti, ortamın cinsine, mıknatıslayıcı alana bağlıdır.

84 Manyetik indüklenme B : Manyetik akı yoğunluğu H alanına maruz kalmış bir maddede oluşan iç alan kuvvetinin büyüklüğü; tesla, T (Wb/m 2 ). H ve B alan vektörleridir. Sadece büyüklükleri ile değil ayni zamanda yönleri ile tanımlanırlar. Manyetik alan kuvveti ve akı yoğunluğu ilişkisi: m: manyetik geçirgenlik, H alanının geçtiği ve B nin ölçüldüğü ortamın bir özelliğidir. m: Wb/A m veya Henry/ metre (H/m).

85 Manyetik alana yanıt H mıknatıslayıcı alan içinde bir madde var ise, bu maddede mıknatıslanma olur! bu ortamda oluşan manyetik alanın büyüklüğü, B = m.h m : madde için manyetik geçirgenlik B = m H akım I B = Malzemede mıknatıslanma (tesla) µ: Mutlak manyetik geçirgenlik katsayısı

86 Manyetik Alan ve Manyetik Akı Vakumda Manyetik akı yoğunluğu, B 0 B 0 = m 0 H (W/m 2 ) m 0 : vakumun geçirgenliği, 4 x 10-7 H/m. B 0 = m 0 H B = m H Bir katı maddede manyetik akı yoğunluğu, B = mh (W/m 2 ) m : Katı malzemenin geçirgenliği

87 Manyetik geçirgenlik Katıların manyetik özelliklerini tarif etmek için yararlanılan parametrelerden biri, madde içindeki geçirgenliğin vakumun geçirgenliğine oranıdır. m r bağıl geçirgenliktir ve birimsizdir. Boşluğun bağıl manyetik geçirgenliği = 1 Havanın bağıl manyetik geçirgenliği = 1

88 Manyetik geçirgenlik Bir ortamın manyetik geçirgenliği, bu ortamın bağıl manyetik geçirgenliği (m r ) ile boşluğun manyetik geçirgenliğinin (m o ) çarpımına eşittir. Bu durumda ortamın manyetik geçirgenliği: m = m r.m o

89 Manyetik geçirgenlik Maddeler bağıl manyetik geçirgenliklerine göre 3 gruba ayrılır: Diamanyetik maddeler Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den biraz küçük (m r <1) olan maddelerdir. Diamanyetik maddeler manyetik alan içine konduklarında manyetik alanı biraz zayıflatır. Bakır, gümüş, bizmut ve karbon gibi maddeler diamanyetik maddelerdir.

90 Manyetik geçirgenlik paramanyetik maddeler Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den biraz yüksek (m r >1) olan maddelerdir. Paramanyetik maddeler, manyetik alan içine konulduklarında manyetik alanı biraz sıklaştırır. Alüminyum ve mangan paramanyetik maddelerdir.

91 Manyetik geçirgenlik ferromanyetik maddeler Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den çok yüksek (m r >>1) olan maddelerdir. Bu maddeler manyetik alan içine konulduklarında kuvvetli olarak mıknatıslanırlar ve manyetik alan şiddetini çok arttırırlar. Bu özellikleri nedeniyle, ferromanyetik maddeler mıknatıslar, elektrik motorları, jeneratörler, manyetik teypler için idealdir. Demir, nikel, kobalt ferromanyetiktir.

92 manyetiklik türleri Manyetik indüksiyon B (tesla) (3) ferromanyetik e.g Fe, Ni, Co vakum (1) Uygulanan manyetik alan kuvveti (H) (amper-sarım adedi/m) (2) Paramanyetik E.g., Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr Diamanyetik e.g., Cu, Au, Si, Ag, Zn

93 Manyetik geçirgenlik Bir malzemenin bağıl geçirgenliği ya da geçirgenliği, o malzemenin indüklenme derecesinin, ya da, bir dış H alanında B alanının oluşturulmasının kolaylığının ölçüsüdür. Bir diğer alan büyüklüğü, M, katı malzemenin mıknatıslanması; B = m 0 H + m 0 M H alanında bir malzemedeki manyetik momentler alana paralel yönlenir ve manyetik alanları ile bu alanı güçlendirirler. m 0 M terimi onların katkısının ölçüsüdür.

94 Mıknatıslanma, B (T) Manyetik geçirgenlik ve duyarlılık Bağıl geçirgenlik oluşan manyetik alanın bir ölçüsüdür. Kolayca mıknatıslanan manyetik malzemeler yüksek manyetik geçirgenliğe sahiptirler. m max max gerçirgenlik Manyetik duyarlılık m = M H m i ilk geçirgenlik Manyetik alan, H (A/m)

95 Manyetik alana yanıt Manyetik duyarlılık ( m ) malzemenin vakuma göre yanıtını ölçer. M nin büyüklüğü uygulanan alana orantılıdır: M = m H Manyetik duyarlılık vs bağıl geçirgenlik: m = m r -1 B Manyetik duyarlılık (birimsiz) m > 0 m =0; vakum m < 0 H

96 Manyetik Alanla İlgili Birimler özellik sembol birim Manyetik akı yoğunluğu B Tesla (Wb/m 2 ) Manyetik alan kuvveti H Amp-sarım/m mıknatıslanma M Amp-sarım/m Vakum geçirgenliği m 0 Henry/m Bağıl geçirgenlik m r birimsiz Manyetik duyarlılık m birimsiz

97 Manyetik momentlerin kaynağı Elektron: hareket halinde elektrik yükü! Malzemelerin makroskopik manyetik özellikleri e ların manyetik momentlerinin sonucu! Her elektron iki tür manyetik momente sahip: elektronun çekirdek etrafındaki yörünge hareketi Kendi ekseni etrafında spin hareketi Yörünge Çekirdek manyetik momentler elektron elektron spin Net manyetik moment: bütün elektronların momentlerinin toplamı

98 Manyetik momentlerin kaynağı Her elektron ekseni etrafında döner. Bu dönme hareketinden bir manyetik moment oluşur ve spin ekseni boyunca yönlenir. Spin manyetik momentleri sadece yukarı ya da aşağı yönde olabilir. Dolayısı ile her bir elektron kalıcı yörünge ve spin manyetik momentleri bulunan küçük birer mıknatıs olarak kabul edilebilir. manyetik moment birimi Bohr magneton m B dir ve büyüklüğü 9.27x10-24 A.m 2 dir. her elektron için spin manyetik momenti = m B (yukarı spin için + aşağı spin için ).

99 Manyetik momentlerin kaynağı Yörünge manyetik moment katkısı: m l m B, m l : elektronun manyetik quantum numarası Her bir atomda bazı elektron çiftlerinin yörünge momentleri birbirlerini siler. Bu durum spin momentleri için de geçerlidir. Örneğin, bir e- nun yukarı spin momenti aşağı olanı siler. Dolayısı ile bir atom net manyetik momenti elektronların her birinin hem yörünge hem de spin manyetik momentlerinin toplamına eşittir (birbirini götürenlerden arta kalan).

100 Manyetik momentlerin kaynağı Tamamen dolu yörünge ve alt yörüngeleri olan bir atomda hem yörünge hem de spin momentleri birbirlerini tamamen siler. Dolayısı ile tamamen dolu yörüngeleri olan atomlardan oluşan malzemelerin kalıcı olarak indüklenmesi mümkün değildir. Bu kategoride olan elementler asal gazlar (He, Ne, Ar, etc.) ve bazı iyonik malzemelerdir.

101 Malzemelerin manyetik özellikleri Atomları elektronlara sahip oldukları için bütün malzemelerin manyetik olması gerektiği düşünülebilir. Ancak malzemelerin manyetik özellikleri arasında çok belirgin farklar vardır. Bazı atomlardaki elektronlar birbirlerinin manyetik etkilerini yok edecek şekilde yönlenirler. Bütün malzemeler bir manyetik etki gösterseler de, bir çok malzemedeki mıknatıslanma ancak çok hassas cihazlarla ölçülebilecek kadar zayıftır.

102 Malzemelerin manyetik özellikleri Manyetizma türleri: Diamanyetizma; Paramanyetizma ve Ferro manyetizma antiferromanyetizma ferrimanyetizma Bütün malzemeler bu manyetizma türlerinden en az birini sergilerler. Gerçekleşen manyetizma elektron ve atomik manyetik dipollerin dışardan uygulanan manyetik alanda nasıl davrandıklarına bağlıdır.

103 Diamanyetizma Manyetizmanın çok zayıf bir şeklidir. Manyetik alan etkisi altında elektronların yörünge hareketlerinde bir değişiklik olması sonucunda ortaya çıkar. Diyamanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar; sadece dışardan bir manyetik alan uygulandığında mıknatıslanma olur. Ortaya çıkan manyetik momentin büyüklüğü sınırlı ve yönü uygulanan alanınkine zıttır. Bu nedenle bağıl geçirgenlik, m r < 1 (m r = gibi) ve manyetik duyarlılık negatiftir.

104 Diamanyetizma Diamanyetik bir malzemede dış alan olmadığında dipoller de yoktur. Manyetik alanda alan yönüne ters yönlenen dipoller oluşur. Manyetik alan yok! Manyetik alan var!

105 Diamanyetizma m r < 1 ve manyetik duyarlılık < 0 olduğundan B alan büyüklüğü diamanyetik katılarda vakumda olduğundan daha küçüktür. Diamanyetik katı malzemeler için hacim duyarlılığı m 10-5 kadardır. Kuvvetli bir elektromıknatısın kutupları arasına yerleştirildiğinde diamanyetik malzemeler alanın zayıf olduğu bölgelere doğru çekilirler.

106 Diamanyetizma Radyum, potasyum, magnezyum, hidrojen, bakır, gümüş, altın ve su diamanyetiktirler. Diamanyetizma çok zayıf olduğu için, ancak diğer manyetizma türleri olmadığında fark edilebilir. Bu tür manyetizmanın pratik bir önemi bulunmaz.

107 Diyamanyetizma Diyamanyetik malzemelerin kalıcı manyetik momentleri yoktur. Uygulanan bir manyetik alanda manyetik momentler oluşur. Bu manyetik momentler uygulanan alan yönüne diktir ve toplam manyetik alanı zayıflatır. Fakat bu etki çok küçüktür. Bütün malzemelerde rastlanır. Örnekler: yüksek sıcaklık süperiletkenleri, bakır ve gümüş

108 paramanyetizma Bazı katı maddelerde elektron spin ve/veya yörünge momentleri arasında tam bir silme gerçekleşmediği için her bir atom kalıcı bir dipol momentine sahiptir. Bir dış manyetik alan bulunmadığında, atomik manyetik momentler gelişigüzeldir. Bu malzemeler net bir makroskopik mıknatıslanma göstermez. dipoller rotasyon için serbesttir ve bir manyetik alan etkisinde rotasyonla tercihli olarak yönlendiklerinde ortaya paramanyetizma çıkar. Bu manyetik dipoller aralarında bir etkileşim olmaksızın bireysel olarak hareket ederler.

109 paramanyetizma güçlü bir manyetik alana paralel şekilde yönlenme olur. Paramanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar. çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Örnek: Cr Si Al Hava

110 paramanyetizma Dipoller dış alanla birlikte yönlenirken ayni zamanda bu alanı kuvvetlendirirler ve bağıl geçirgenlik 1 den büyüktür (m r > 1; m r =1.001 gibi) oldukça küçük fakat pozitif bir manyetik duyarlılığa yol açarlar. Paramanyetik malzemeler için duyarlılık 10-5 ile 10 2 arasında değişir. Gerek dia gerek paramanyetik malzemeler sadece bir manyetik alanda mıknatıslanma gösterirler ve manyetik değildirler. Her 2 grup malzemede akı yoğunluğu B, vakumda olduğu kadardır.

111 Paramanyetizma Paramanyetik malzemelerin kalıcı manyetik momentleri vardır. Oda sıcaklığında bu momentler rastgele dizilmiştir. Uygulanan bir manyetik alana çok az (%0.01) katkıda bulunurlar (B yi %0.01 kadar arttırırlar!) Örnekler: oksijen; alüminyum, tungsten, platin

112 Akı yoğunluğu, B diamanyetizma ve paramanyetizma paramanyetik vakum diamanyetik Diamanyetik ve paramanyetik malzemeler için akı yoğunluğu, B, vs manyetik alan kuvveti H ilişkisi manyetik alan kuvveti, H

113 Elektron konfigürasyonu Cl atomlarının e- konfigürasyonu: 3s 2 3p 5 Çiftleşmemiş bir elektronu olduğu için Cl atomları paramanyetiktir. Zn atomlarının e- konfigürasyonu: 4s 2 3d 10 Tüm elektronları çiftleşmiş olduğu için Zn atomları diamanyetiktir.

114 manyetiklik türleri Manyetik indüksiyon B (tesla) (3) B (1 ) moh ferromanyetik e.g. Fe 3 O 4, NiFe 2 O 4 ferrimanyetik e.g. ferrit( ), Co, Ni, Gd ( 10 6!) Vakumun geçirgenliği: (1.26 x 10-6 H/m) (2) vakum ( = 0) (1) Uygulanan manyetik alan kuvveti (H) (amper-sarım adedi/m) Paramanyetik 10-4 e.g., Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr Diamanyetik ( ) e.g., Al 2 O 3, Cu, Au, Si, Ag, Zn

115 yönlenmiş yönlenmiş rastgele yönlenmiş yok ters 3 tür için manyetik momentler Manyetik alan yok (H = 0) Manyetik alan (H>0) (1) diamanyetik (2) paramanyetik (3) ferromanyetik ferrimanyetik

116 Malzemelerin manyetik özellikleri diamanyetik malzemelerde, elektronlar birbirlerinin manyetik alanlarını yok edecek şekilde yönlenmiştir. paramanyetik malzemelerde atomlar manyetiktir fakat atomların kendileri rastgele konumlanmıştır ve malzemenin toplam mıknatıslanması sıfırdır. Paramanyetik malzemeler manyetik alana konduklarında atomlar malzeme zayıf mıknatıslanma gösterecek şekilde yönlenirler.

117 diamanyetiklik ve paramanyetiklik Diamanyetik ve paramanyetik malzemeler için oda sıcaklığı manyetik duyarlılıkları Diamanyetik malzemeler malzeme duyarlılık Paramanyetik malzemeler malzeme duyarlılık

118 Ferromanyetik malzemeler ferromanyetik malzemeler bir dış manyetik alan olmadığında kalıcı bir manyetik momente sahiptirler. Manyetik duyarlılık m r >> 1 (m r =10 6 gibi) H<<M Ferromanyetik malzemelerde mıknatıslanma etkisi kuvvetlidir. Ferromanyetik malzemeler manyetik bir alana maruz kaldıklarında kalıcı olarak mıknatıslanırlar.

119 ferromanyetizma ferromanyetizma bazı geçiş metalleri, demir (HMK - ferrit), Kobalt, nikel, ve bazı nadir toprak metallerinde (gadoloniyum, Gd) görülür. Ferromanyetik malzemelerde, manyetik akı yoğunluğu ve mıknatıslanma ilişkisi: m 0 M >> m 0 H B = m 0 H + m 0 M B m 0 M

120 ferromanyetizma Ferromanyetik malzemelerde kalıcı manyetik momentler elektron yapısı nedeniyle silinmemiş elektron spinlerinden kaynaklanan atomik manyetik momentlerden ileri gelir. Ayrıca, spin momentlerine göre daha küçük yörünge manyetik moment katkısı da vardır. Ferromanyetik malzemelerde komşu atomlar bir dış alan etkisi olmadığında bile ortaklaşa yönlenerek net spin manyetik momentleri oluştururlar. Bu spin yönlenmesi domen adı verilen oldukça geniş bölgelerde görülürler.

121 ferromanyetizma Ferromanyetik malzemeler kalıcı manyetik momente sahiptirler. Bu manyetik momentler rastgele dizilmiştir. Bir dış alan uygulandığında manyetik momentler kendilerini alan yönünde sıralanırlar. Bu şekilde dış manyetik alanı önemli ölçüde kuvvetlendirirler.

122 Doygunluk mıknatıslanması Ferromanyetik bir malzemede manyetik dipollerin tamamı dış alanla birlikte yönlendiklerinde mıknatıslanma maksimum değerine ulaşır ve buna maksimum veya doygunluk mıknatıslanması (M s ) denir. Buna denk olan akı yoğunluğuna da doygunluk akı yoğunluğu (B s ) denir. Doygunluk mıknatıslanması her bir atomun net manyetik momentinin atom sayısı (N) ile çarpımına eşittir (M s = manyetik moment/atom x N) atom başına net manyetik moment Demir: 2.22 / Kobalt: 1.72 / Nikel: 0.60 Bohr magneton

123 ferromanyetik malzemeler Fe, Ni ve Co dan oluşan küçük bir metal grubu çok kuvvetli manyetik özellik sergiler. Bu metaller ferromanyetik malzemelerin en iyi bilinen örnekleridir. Benzer manyetik yönlenmelere sahip atomlar komşu atomlarla birlikte manyetik domen denilen gruplarda toplanırlar. Manyetik domen tek atom

124 Malzemelerin manyetik özellikleri Ferromanyetik bir malzemede manyetik domenler kendilerini daima bir mıknatısı çekecek şekilde yönlendirirler. Eğer bir kuzey kutup yaklaşırsa güney kutupları bu kutbu gören domenler büyür. Kuzey kutup yaklaşırsa tersi olur. Kuzey kutup tarafından mıknatıslanma güney kutup tarafından mıknatıslanma

125 Malzemelerin manyetik özellikleri mıknatıslanmamış Kuzey kutup tarafından mıknatıslanma güney kutup tarafından mıknatıslanma

126 Ferromanyetizma Ferromanyetik malzemeler (Fe, Ni, Co ve alaşımları) Komşu atomların manyetik momentleri arasındaki kuvvetli etkileşim nedeniyle gelişigüzel yönlenmiş manyetik domenlere sahiptir. Bir manyetik alan uygulandığında bu alana paralel yönlenmiş domenler büyürken diğerleri küçülür ve sonunda alana paralel domen tüm yapıya hakim olur. Bu aşamada doygunluk mıknatıslanmasına ulaşılmış olur.

127 problem 8.9 g/cm 3 yoğunluğa sahip Nikel için (a) doygunluk mıknatıslanmasını ve doygunluk akı yoğunluğunu hesaplayın. a) Doygunluk mıknatıslanması atom başına Bohr magneton sayısı (Nikel için 0.60) ile Bohr magneton büyüklüğü (m B ) ve birim hacimdeki atom sayısı (N) çarpımına eşittir: M s = 0.60 m B N Birim hacimdeki atom sayısı; N = N A /A Ni = (8.9 x 10 6 g/m 3 ) (6.022 x atom/mol)/58.71 g/mol = 9.13 x atom/m 3 M s = (0.60 Bohr magneton/atom) (9.27 x A.m 2 /Bohr magneton) (9.13 x atom/m 3 ) = 5.1 x 10 5 A/m

128 problem (b) doygunluk akı yoğunluğunu hesaplayın. B s = m 0 M s = (4 x 10-7 H/m) (5.1x 10 5 A/m) = 0.64 tesla

129 antiferromanyetizma Komşu atom veya iyonların spin momentlerinin birbirine zıt yönlenmelerine antiferromanyetizma adı verilir. MnO iyonik karaktere sahip seramik bir malzemedir ve antiferromanyetizma sergiler. Hem spin hem de yörünge momentleri birbirlerini tamamen sildiklerinden O -2 iyonlarının net bir manyetik momenti yoktur.

130 antiferromanyetizma Mn +2 iyonlarının elektron spin hareketinden kaynaklanan net bir manyetik momenti vardır. Mn +2 iyonları kristal yapıda komşu iyonların momentleri zıt olacak şekilde dizilirler. Doğal olarak zıt momentler birbirlerini yok ederler ve bu durumda malzemenin net bir manyetik momenti olmaz.

131 antiferromanyetizma Antiferromanyetizma paramanyetik atomlardan ibaret maddelerde gözlenir. Malzemeyi oluşturan atomlar aynı büyüklükte moment meydana getirmiş ve bunlar karşılıklı etkileşme ile zıt yönlerde düzenlenmişse birbirlerini yok ederler. Sonuçta madde diamanyetizma benzeri bir davranışa sahip olacaktır ki bu özelliğe Antiferromanyetizma denir.

132 antiferromanyetizma Antiferromanyetik maddeler tüm sıcaklıklarda düşük doygunluk değerlerine sahiptirler. Antiferromanyetik maddelerde sıcaklıkla doygunluğun değişimi bir kritik sıcaklıkta (Neel sıcaklığı) maksimum değeri verir. Neel sıcaklığının altında antiferromanyetik davranış gösterirken, üstünde paramanyetik davranış gösterirler.

133 Ferrimanyetik malzemeler Bazı seramikler ferrimanyetizma denen kalıcı bir mıknatıslanma sergilerler. Farklı manyetik momente sahip malzemelerin atomik mıknatısları birbirlerini yok etmezler. m r >>1 (m r =10 3 gibi) Örnek: Manyetit (Fe3O4)+ Ni

134 ferrimanyetizma Bu mineralde Fe iyonları 1:2 oranında olmak üzere hem +2 hem de +3 valens hallerinde mevcuttur. Her bir Fe +2 ve Fe +3 iyonu için 4 ve 5 Bohr magnetona denk net bir spin manyetik momenti mevcuttur. O 2- iyonları ise manyetik olarak nötrdür. Fe +2 ve Fe +3 iyonları arasında karakter itibarı ile antiferromanyetizme benzeyen zıt spin etkileşimleri bulunur. Ancak net ferrimanyetik moment spin momentlerinin birbirlerini tam anlamıyla silmemiş olmasından kaynaklanır.

135 ferrimanyetizma Fe 3 O 4 de Fe 2+ ve Fe 3+ iyonları için spin manyetik momentlerinin konfigürasyonu

136 ferrimanyetizma katyon Oktahedral kafes konumu tetrahedral kafes konumu Net manyetik moment Fe 3+ Eksiksiz silme Fe 2+

137 ferrimanyetizma Ferro ve ferrimanyetik malzemelerin makroskopik manyetik karakterleri birbirine benzer. Ayırt edici özellikleri, net manyetik momentlerin kaynağındadır. Ferrimanyetizmin özellikleri kübik ferritlerde görülür. Bu iyonik katıların kimyasal formülü MFe 2 O 4 şeklinde ifade edilir. Buradaki M birkaç metalden birini temsil etmektedir. Prototip ferrit için magnetit mineralini, Fe 3 O 4, düşünebiliriz.

138 ferrimanyetizma Ferrimanyetizma, maddede paramanyetik atomlar tarafından iki veya daha fazla türde moment oluşturulmuşsa gözlenebilen bir özelliktir. Farklı değerlerdeki momentlerin zıt yönlerde dizilişlerinden bu momentlerin farklarına eşit bir moment doğar, böylece ferrimanyetizma orataya çıkar. Ferrimanyetik maddeler ferromanyetiklere benzer şekilde oda sıcaklığında kendiliğinden manyetizasyonu olan endüstriyel açıdan daha fazla önemi olan manyetik malzemelerdir.

139 problem Her bir kübik birim hücre 8 adet Fe 2+ ve 16 Fe 3+ iyonu bulundurduğuna, kübik hücre kenar uzunluğu nm olduğuna göre, Fe 3 O 4 için doygunluk mıknatıslanmasını hesaplayın. Doygunluk mıknatıslanması 1m 3 deki Bohr magneton sayısı (N ) ile Bohr magnetonu manyetik momenti (m B ) çarpımına eşittir. M s = N m B N birim hücredeki Bohr magnetonu sayısının (n B ) birim hücre hacmine (V c ) bölünmesi ile elde edilir: N =n B /V c

140 problem Net mıknatıslanma sadece Fe 2+ iyonlarından kaynaklanır. Birim hücrede 8 adet Fe 2+ iyonu ve her bir iyon için 4 Bohr magnetonu olduğuna göre, n B =32 dir. Ayrıca V C = a 3

141 problem Doygunluk mıknatıslanması 5.25 x 10 5 A/m olan karma ferrit manyetik bir malzeme tasarlayın. Fe 3 O 4 için Doygunluk mıknatıslanması 5 x 10 5 A/m dir. Ms değerini 5.25 x 10 5 A/m e arttırmak için Fe 2+ katyonlarının bir kısmını manyetik momenti daha yüksek olan divalent biriyon ile, mesela Mn 2+ ile değiştirmek gerekir. Fe 2+ için 4 Bohr magneton olan değer Mn 2+ için 5 Bohr magnetondur. Mn 2+ ilavesi ile birim hücre kenar uzunluğunun değişmediğini varsayarak birim hücrede kaç Bohrmangeton (nb) olduğunu hesaplayalım.

142 No problem! n B = M s a 3 /m B = (5.25 x 10 5 A/m) (0.839 x 10-9 m) 3 /birim hücre 9.27 x Am 2 /Bohr magneton n B = Bohr magneton / birim hücre Fe 2+ iyonlarının yerini alan Mn 2+ iyonlarının oranı x olsun. Kalan Fe 2+ iyonlarının oranı = 1-x Birim hücrede 2 değerlikli 8 iyon olduğuna göre, 8[5x + 4 (1-x)] = x = Fe 3 O 4 de Fe 2+ iyonlarının %18.1 i Mn 2+ ile değiştirilirse M s değeri = 5.25 x 10 5 A/m olur.

143 Manyetik davranışa sıcaklık etkisi Sıcaklığın artması atomların ısıl titreşimlerinin artmasına yol açar. Atomik manyetik momentler rotasyon için özgürdür. Artan sıcaklıkla atomların artan ısıl hareketliliği yönlenmek isteyen momentlerin dağınıklaşmasına yol açar. Ferromanyetik, antiferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerde komşu atomik dipole momentleri arasındaki uyum eğilimi ısıl hareketlilikten zarar görür ve yükselen sıcaklık dış bir manyetik alan olsa da olmasa da, dipole uyuşmazlıklarına yol açar.

144 Manyetik davranışa sıcaklık etkisi Bu durum hem ferro hem de ferri mıknatıslar için doygunluk manyetizasyonunda bir düşmeye neden olur. Doygunluk manyetizasyonu ısıl titreşimlerin en düşük seviyede olduğu 0 K de maksimum değerine ulaşır. Artan sıcaklıkla doygunluk manyetizasyonu giderek azalır ve Curie sıcaklığında (T c ) birden sıfıra düşer.

145 Manyetik davranışa sıcaklık etkisi T c de spin uyum kuvvetleri tamamen zarar görür ve bu sıcaklığın üstünde ferro ve ferrimanyetik malzemeler paramanyetik hale geçer. Curie sıcaklığının büyüklüğü malzemeden malzemeye değişir. Örneğin Fe, Co, Ni ve Fe 3 O 4 için 768, 1120, 354 ve 585 C dir. Antiferromanyetizm de sıcaklıktan etkilenir. Antiferromanyetizm Neel sıcaklığında kaybolur. Neel sıcaklığı üstünde antiferromanyetik malzemeler de paramanyetik olurlar.

146 Doygunluk mıknatıslanması M s (10 6 A/m) Doygunluk akı yoğunluğu Bs (gauss) Manyetik davranışa sıcaklık etkisi Fe ve Fe 3 O 4 için manyetizasyon sıcaklık ilişkisi Demir ve Fe 3 O 4 için doygunluk mıknatıslanmasının sıcaklığa bağlı değişimi. Saf demir Fe 3 O 4 Sıcaklık ( C)