İletken Malzemeler

Transkript

1 Atomun Temel Parçaları 1.Elektronlar: Çekirdek etrafında yörüngelerde bulunurlar ve ( ) yüklüdürler. Boyutları çok küçüktür. 2. Nükleus (çekirdek): Proton: (+) yüklü parçacıktır. Elektrondan 1836 kat büyüktür. Nötron: Yüksüzdür. Boyutları proton kadardır. Çekirdeği çevreleyen elektronların yörünge konumları Kabuk olarak adlandırılır. Her bir kabuk 2n 2 formülü ile belirlenen elektron sayısına sahiptir. En dıştaki kabuk valans kabuğu olarak adlandırılır. 1

2 Valans kabuğu, malzemenin iletkenlik özelliğini belirler. Örneğin Bakır atomu (Cu) valans yörüngesinde sadece 1 elektrona sahiptir. Bu onu iyi bir iletken kılar ve bu yörünge n=4 kabuk sayısına sahip olduğu için, 2n 2 formülüne göre 32 elektron alma kapasitesine sahiptir. Bir atomun en dış yörüngesinde az sayıda (1 2 3) elektron varsa, bu elektronları çekirdeğe bağlayan güç zayıftır. Örneğin bakır atomunun son yörüngesinde 1 elektron vardır ve bu çekirdek tarafından kuvvetlice çekilmediğinden çok kolayca serbest hale geçebilir. Bakırdan yapılmış bir iletkenin iki ucuna belli bir gerilim uygulanırsa, elektronlar pilin eksi ( ) ucundan artı (+) ucuna doğru gitmeye başlar. İşte bu elektron hareketi "elektrik akımıdır". Gerilim kaynağının artı ucu elektronları yakalarken, eksi ucu maddeye elektron verir. 2

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

4 Elektrik Mühendisliğinde Kullanılan İletkenler Başta elektrik telleri olmak üzere, kablolar ve baralar iletkenlerin sıkça kullanıldıkları yerlerin başında gelmektedir. Elektrik iletiminde kullanılacak iletkenlerin seçiminde I 2 R ısıl güç kaybına sebep olacak iletken dirençliliğin düşük olması istenir. Yaygın olarak kullanılan metaller içerisinde gümüş, bakır, altın, alüminyum sayılabilir. Bir tasarım yapılırken malzemenin maliyeti önem kazanmaktadır. Bu noktada cevher maliyeti, cevher ayrıştırma maliyeti, imalat maliyeti gibi noktalar da önem kazanmaktadır. Elektrik Mühendisliğinde Kullanılan İletkenler Eleman Dirençlilik (X10-8 Ω) Cevher Maliyeti Cevher Ayrıștırm a Maliyeti İșlenmemiș Malzeme Maliyeti ($/ton) Fabrikasyon İșçilik Maliyeti Gümüș 1.61 yüksek düșük düșük Bakır 1.70 orta orta 2700 düșük Altın 2.20 yüksek düșük düșük Alüminyum 2.74 düșük yüksek 1850 düșük Elektrik iletkeni olarak sıklıkla kullanılan materyallerin maliyet açısından karșılaștırılması. 4

5 Kontak Yapımında Kullanılan Bütün elektriksel kontakların görevi akım devrelerini kusursuz bir şekilde irtibatlandırmak ve kesmektir. Bu noktada kontak malzemelerinden beklenen özellikler şu şekildedir: Elektriksel iletkenliği iyi olmalıdır. Sabit kalan bir kontak direnci. İyi derecede ısıl iletkenlik. Kavrulmanın çok az olması. Kontakların kaynak yapmaması. Kimyasal dayanıklılık. Çok küçük erozyon (Bir kontaktan diğer bir kontağa eleman taşınması). Aşınmaya karşı yüksek dayanım. Kontak Yapımında Kullanılan Bakır: Kırmızı renkte ağır bir metaldir. Kolay bükülebilir, çok ince tel levha haline getirilebilir, sıcak ve soğuk olarak işlenebilir. Bakır gümüşten sonra en büyük elektriksel iletkenliği olan bir metaldir. Ayrıca ısı iletkenliği de yüksek olduğundan elektrik ve ısıtma endüstrisinde sıkça kullanılır.bileşikler oluşturur. Elektronikte özellikle kontak malzemesi olarak kullanıma oldukça elverişlidir. Bakır kontaklar zamanla havadan oksitlenerek, elektrik akımının geçişine mani olacak bileşikler oluşturur. 5

6 Kontak Yapımında Kullanılan Bakır a) bakır tel sargı b) çok telli bakır kablo Kontak Yapımında Kullanılan Gümüş: Saf gümüş, beyaz parlak renkte yumuşak bir metaldir. Altından sonra tel haline getirilmeye en uygun bir metal olup soğuk olarak işlenebilme özelliğine sahiptir. Havadan etkilenmez ancak asitlere ve endüstri gazlarına karşı dayanıklı değildir. Ölçü aletlerinin kontaklarında, şalterlerde, kontaktörlerde, rölelerde, lehimcilikte kullanılır. 6

7 Kontak Yapımında Kullanılan Gümüş a) gümüş sargılı trafo b) gümüş kablo Kontak Yapımında Kullanılan Altın: Saf altın (%99.95) elektrik akımını ve ısıyı iyi iletir. Hemen hemen bütün kimyasal etkilere karşı dayanıklıdır. Ancak çok yumuşak olup kontaklarda yapışma ve kaynama eğilimi gösterir. Bu nedenle kontak malzemesi olarak saf altın nadiren kullanılır. Gümüş, platin, nikel, kobalt, bakır ile alaşım yapmak suretiyle mekanik dayanımı yükseltilir ve kontakların yapışma eğilimi azaltılır. 7

8 Kontak Yapımında Kullanılan Altın kaplamalı ve altın su yollu baskı devre kartları Kontak Yapımında Kullanılan Platin: Parlak ve beyaz renkli yumuşak bir metaldir. Havada ve yüksek ısı derecelerinde oksitlenmez ve işlenmeye elverişlidir. Platinden yapılmış kontaklar kimyasal etkilere karşı son derece dayanıklı olup hemen hemen hiç kavrulmazlar. Nikel, İridyum ve Wolfram gibi metallerle alaşım yapılarak platinin kavrulmaya karşı dayanımı daha da yükseltilebilir. Ölçü aleti kontakları, elektrik dirençleri, paratoner uçlarında kullanılırlar. 8

9 Kontak Yapımında Kullanılan Platin Diğer METALLER Alüminyum Demir Çelik Çinko Kurşun Manganez Kalay Nikel Kadmiyum Tungsten Molibden Krom Tunç (Bakır+Kalay) Lehim (Kurşun+Kalay) ALAŞIMLAR Manganin (Manganez+nikel+bakır) Krom Nikel Pirinç (Bakır+Çinko) Konstantan (Nikel+Bakır) Nikelin (Bakır+Nikel) Sac 9

10 Sıvı Civa: Beyaz renkli, sıvı bir madendir. Oda sıcaklığında buharlaşır. Buharı zehirlidir. Elektriği ve ısıyı iyi iletir. Isı değişimlerine karşı hassastır. Elektromekanik şamandıralarda kontak malzemesi ve kumanda elemanı olarak kullanılır. Isı değişimlerine çok hassas olduğundan termometrev e barometre gibi bir çok alette kullanılır. Sıvı Civa 10

11 Sıvı Su: Saf su renksiz, kokusuz ve tatsız bir sıvıdır. 0 0 C de donar, C de kaynar. Saf su elektrik akımı iletmez, yalıtkandır. İletken hale getirmek için içerisine asit veya metal tuzları konur. Basınç arttıkça kaynama noktası artar. Su donacak kadar soğutulduğu zaman buz meydana gelir ve hacmi 1/10 oranında artar. Su, akümülatör, pil elektrolitlerinin hazırlanmasında kullanılır. Termo Bi metaller Farklı ısıl genleşme katsayıları olan iki ayrı metal yada metalalaşım tabakasının birbirlerine sıcak pres kaynağı ile yapıştırılarak oluştururlar C ile C sıcaklık sahasında kullanılabilen termo bimetaller: Nikel Demir, Bizmut Tellurium gibi alaşım malzemelerinden üretilirler. Isıtıldıklarında ısıl genleşme katsayısı büyük olan metal diğerine nazaran daha çok uzayacaktır. Farklı değerlerde uzama sonucu bimetalde ısıl katsayı düşük olan metal elemana doğru bir bükülme meydana gelecektir. Otomatik sigortalarda, motor güvenlik şalterlerinde, flouresans lamba ateşlemesinde, ısıtıcı cihazlarda kullanılırlar. 11

12 Malzemelerin Dielektrik Özelliği (Yalıtkanlar) Yalıtkanlık Yalıtkan Cisimlerin Elektriksel Özellikleri Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Gaz Yalıtkanlar Sıvı Yalıtkanlar Enerji Band Diyagramları 12

13 Yalıtkanlar Elektrik akımı iletmeyen malzemeler yalıtkanlar grubuna girerler. En dış yörüngedeki serbest elektron miktarı altıdan fazla olan maddelerin elektronları atom çekirdeğine sıkı sıkıya bağlıdır. Dolayısıyla elektriği iletmezler. Ancak her yalıtkan belirli şartlar altında belirli bir iletkenlik gösterirler. Yalıtkan malzemelerin yalıtkanlık dereceleri, ısı, yüksek değerli elektriksel basınç, rutubet etkisi veya yabancı cisimlerle etkileşim sebebiyle değebilir. Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri Yalıtkan Delinmesi: Aslında elektrik akımını hiç geçirmeyen madde yoktur. Yalıtkan olarak bilinen maddeler "çok az" bir akım geçirirler. Yalıtkana uygulanan gerilim arttıkça geçirdiği akım da artmaya başlar. Belli bir gerilim seviyesinden sonra yalıtkan tamamen iletken olur. Buna yalıtkanın delinmesi denir. Elektrik ve elektronik çalışmalarında kullanılan el takımlarının sap izoleleri incelenecek olursa, burada yalıtkanın dayanabileceği son (maksimum) gerilim değeri yazılıdır. Örneğin penselerin sap izolesinde Volt yazar. Bu, plastik yalıtkan Volt'tan sonra iletken hale geçebilir anlamı taşır. 13

14 Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri 1. Sızıntı akımlarına karşı dayanım: Bir yalıtkanın dış yüzeyinde mevcut olan yabancı maddeler bu yüzden sızıntı akımı olarak adlandırılan bir akım akışına neden olurlar. Yalıtkanın sızıntı akımının oluşmasına karşı gösterdiği dirençliliğe sızıntı akımı dayanımı denir. Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri 2. Dielektrik dayanım: Bir yalıtkan malzemeyi iletken hale sokmaksızın birim kalınlığı başına uygulanacak en büyük gerilim değeri dielektrik dayanımı olarak adlandırılır. kv/mm birimi kullanılır. 14

15 Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri Isıl kaçak: Yalıtkan malzeme içinde belirli miktarlarda yabancı madde var ise, bir sızıntı akımı başlar ve bu akım malzemeyi ısıtmaya başlar. Sonrada sızıntı akımının yolunu izleyen esas kaçak akım başlar. Kaçak akım ısınma neticesinde ortaya çıktığı için buna ısıl kaçak denir. Erozyon kaçağı: Bazen de yalıtkan malzemede üretimden kaynaklanan mikroskobik kaçaklar mevcut olabilir. Bu durumda da erozyon kaçağı adı verilen kaçak akımlar oluşur. Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri 3. Elektriksel direnç değerleri: Gerilim altında bulunan bir malzemenin göstermiş olduğu direnç değeridir. Ölçülen izolasyon direncinden yararlanılarak, birim boyut başına hesaplanan değere, o yalıtkanın özgül direnci denir. Birimi Ω.cm dir. 15

16 Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri 4. Dielektriksel kayıp faktörü: Dielektriksel kayıpların bir ölçeğidir. Bunlar yalıtkan malzemelerde ısı olarak açığa çıkarlar. Bu kayıplar, gerilimin büyüklüğüne, sıcaklığa ve frekansa bağlı olarak değişirler. Genellikle yüksek frekanslarda artan bir değer gösterirler. Bu nedenle yüksek frekanslarda çok özel yalıtkanlı (polietilen vb.) kablolar kullanılır. Yalıtkanların Elektriksel Özellikleri 5. Yalıtkanların ark dayanımları: Elektrik arkı etkisine maruz kalan bir yalıtkanın ne ölçüde akım geçireceği ve nasıl bir değişime uğrayacağı ancak test yapmakla anlaşılabilir. 16

17 Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Berilyum Oksit: Seramik benzeri beyaz renkli katı bir malzemedir. Yüksek değerde sıcaklık iletkenliği gereken yerlerde elektriksel izolasyon malzemesi olarak kullanılır. Güç devrelerinde kullanılan yarıiletkenlerde elektriksel izolasyon için ısı emici pulcuk şeklinde imal edilmekte ve kullanılmaktadır. Zehirlidir toz halindeyken solunması ciddi akciğer rahatsızlıklarına neden olur. Elektriksel izolasyon için ısı emici pulcuklar Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri A.B.S. (Acrylonitrile Butadiene Styrene) Akrilonitril, bütadien, ve sıvı hidrokarbon bileşiminden oluşan plastik bir malzemedir. Dielektrik dayanımı 20MV/m dir. Bir çok cihazın dış kaplamasında kullanılır. 17

18 Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri A.B.S. A.B.S. kaplamalı mikser ve telefon Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Asetat Elektriksel yönden iyi bir izolasyon özelliğine sahip olduğundan elektriksel güvenlik ekipmanlarında, elekriksel yalıtkanlık istenilen yerlerde kullanılır. En çok sinema ve mikrofilmlerin imalatında kullanılır. 18

19 Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Asetat Asetat uygulamaları Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Akrilik Yalıtkanlığın yanı sıra katılık ve şeffaflık özelliğinin birlikte bulunması gerektiği yerlerde akrilik kullanılır. Işıklandırılmış işaretler, otomobillerin arka lambaları, ışıklandırma üniteleri v.b. 19

20 Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Akrilik Otomobil panel göstergesi ve stop lambası Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Seramik Seramik çoğunluğu metal ve ametal malzemelerin karışımından meydana gelen oksitlerdir. Yüksek sıcaklık iletkenliği yardımıyla iyi derecede elektriksel izolasyon özelliği sağladığı gibi elektronikte direnç, kapasitör v.b. yapımında kullanılmaktadır. 20

21 Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Seramik: Seramik izolatörler ve soket Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Cam Silisyum, sodyum, potasyum karbonatları, kireç ve kurşun oksitleri gibi türlü maddelerin ergitilmelerinden elde edilir. Esas rengi saydam ve şekilsizdir. Sıcak olarak çeşitli şekillere girdirilebilir. Su, yağ ve asitlerden etkilenmez. Kırılgan olup ani ısı değişimlerinde çatlama eğilimi gösterir. 21

22 Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Porselen Pişmiş beyaz renkte yalıtkan bir topraktır. Su geçirmez Dayanıklı, sert, ani ısı değişimlerinden (0 100 C) ve asitlerden etkilenmezler. Isıyı çok az geçirir, kırılgandır. Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Polivinilklorür PVC Polyvinylcloride veya kısaca PVC belki en çok yaygın olan bir izolasyon malzemesidir. Saf halde iken cam gibi kırılgandır. İçine yağ kapsayan maddeler katılınca özellikleri değişir ve ısı ile plastikleşir. Elektrik akımı taşıyan kabloların büyük bir çoğunluğu PVC ile kaplanarak yalıtılır. Elektrikli ve elektronik cihaz gövdeleri genellikle PVC den imal edilirler. 22

23 Diğer Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Delrin Teflon Kapton Kynar Lexan ve Merlon Melamin Mika Neopren Nomex Naylon Phenolics Polyester Poliüretan Silikon kauçuk Epoksi Fiberglas Silikon Fiberglas Plastik Ebonit Gaz Yalıtkanlar Gazlar İyonize olmadıkça iletken duruma geçmezler. Bu işlem, iyonlaştırma gerilimi belirli bir değere gelince elektriksel bir boşalma ile kendi kendine meydana gelir. Çeşitli gazlara ait dielektrik sabitleri normal sıcaklıkta birbirine eşittir. Bunlara ait fark %3 'ü geçmez. Bu değerler, sıcaklık ve basınç değişmesiyle farklı olabilir. Gazların dielektrik dayanımları sıcaklığa, basınca, elektrot şekline, elektrotlar arası uzaklığa göre değişir. Basınç arttıkça dielektrik dayanım azalır. 23

24 Gaz Yalıtkanlar Hava Havanın içindeki toz, kömür, nem gibi maddeler iletkenliğini artırır yani yalıtkanlığını azaltır. Yüksek gerilimde enerji taşıyan hatlarda doğal bir yalıtkan olarak işlev görür. Kondansatör ve transformatör gibi araçlarda ise yalıtkan bir çekirdek görevi görür. Sıvı Yalıtkanlar Şalter Yağı: Çalışması esnasında ark oluşturan şalter gibi cihazlarda oluşan ısıyı hızlı bir şekilde almak ve arkın kısa bir zamanda sönmesini sağlamak amacıyla kullanılır. Transformatör Yağı: Tranformatör yağı, hem yalıtkanlık hem de soğutma amaçlı kullanılır. Genellikle madeni yağlar kullanılır. Tranformatör yağının bazı aşağıda verilmiştir : Katılaşma noktası Parlama ve yanma noktası Isı iletimi Akıcılık (viskozite) v.b. 24