1. HAFTA ELEKTRON TEORİSİ. Serbest Elektronlar

Transkript

1 1. HAFTA ELEKTRON TEORİSİ Serbest Elektronlar Atomların en dış yörüngelerine valans yörünge, buradaki elektronlara ise valans elektron adı verilir. Atomların en dış yörüngelerindeki elektronlar, çekirdek tarafından zayıf olarak çekilen elektronlardır. Bu nedenle bu elektronlar diğer elektronlara göre kendi yörüngelerinden daha kolay ayrılarak başka atomların yörüngelerine geçebilir. Bakır atomunun son yörüngesinde bulunan elektron, ısı ve gerilim gibi etkenlerle kendi atomundan koparak komşu atomun son yörüngesine geçebilir. Böylece bir atomdan diğer atoma serbest dolaşım başlar. Bir atomdan diğer atoma geçen bu elektronlara serbest elektron denir. Eğer bir maddede serbest elektron sayısı fazlaysa o madde elektrik akımını iyi iletir ve dolayısıyla o madde iyi bir iletkendir. Eğer bir maddede serbest elektron sayısı azsa o madde elektrik akımını iletmez ve o madde yalıtkandır. Element, Molekül, Bileşik ve İyonlar Uzayda yer kaplayan, kütlesi ve hacmi olan her şeye madde denir. Altın, gümüş, su, hava, toprak birer maddedir. Maddeleri birbirinden ayıran en önemli özellik, her maddenin kendisine özgü fiziksel ve kimyasal ayırt edici özelliklerinin olmasıdır. Fiziksel özellik, maddenin dış görünümüyle ilgili özelliktir. Kimyasal özellik ise maddenin kimyasal, iç (moleküler) yapısıyla ilgili özelliktir. Fiziksel değişim ile maddenin sadece dış görünümünde değişiklik meydana gelirken kimyasal değişim sonucunda maddenin moleküler yapısında değişiklikler meydana gelmektedir. Element: Herhangi bir yolla kendisinden daha basit maddelere dönüştürülemeyen saf maddelere basit madde (element) denir. Demir (Fe), Bakır (Cu), Karbon (C), Oksijen (O), Hidrojen (H) basit maddelere örnek olarak verilebilir. Şu anda yeryüzünde bilinen 90 çeşit element vardır. Ayrıca laboratuar ortamlarında yapay olarak hazırlanmış 22 çeşit element de bulunmaktadır. Elementler kimyasal sembollerle gösterilir. Örneğin: bakır (Cu), demir (Fe) gibi.

2 Bileşik: İki veya daha fazla maddenin kimyasal özelliklerini kaybederek oluşturdukları yeni maddeye bileşik denir. Örneğin: Su (H2O) hidrojen ve oksijen elementlerinin birleşmesi ile oluşmuş yeni kimyasal özellikte bir maddedir. Yandaki şekilde iki hidrojenin ve bir oksijen atomuyla birleşmesi sonucu meydana gelen su bileşiği görülmektedir. Molekül: Bileşik maddenin özelliklerini taşıyan en küçük parçaya molekül denir. Her bir molekül içinde bileşik maddeyi oluşturan basit maddelerin atomları bulunur. Molekül içindeki basit madde atomları aynı sayıda olduğu gibi farklı sayılarda da olabilir. Örneğin sodyum klorür (NaCl) molekülü, bir sodyum (Na) ve bir de klorür (Cl) atomu bulundurur. Bir su molekülünde ise iki hidrojen (2H) ve bir oksijen (O) atomu vardır. Şekil 1. İyon: Çeşitli etkilerden dolayı atomlar elektron kazanabilir veya kaybedebilir. Nötr bir atom elektron kaybedecek olursa protonlar sayıca üstün duruma geçer. Eğer nötr bir cisim elektron kazanacak olursa elektronlar sayıca üstün olur. Atomların elektron kazanması veya kaybetmesi serbest elektronlar yardımı ile olmaktadır. Elektron kazanmış veya kaybetmiş atomlara iyon denir. Artı (pozitif) yüklü iyonlara anyon, eksi (negatif) yüklü iyonlara katyon adı verilir. Elektronlar (-) yüklüdür, çok hafif ve hareketlidir. Protonlar ( +) yüklüdür, ağır ve katı cisimlerde hareketsizdir. Nötronlar yüksüzdür.

3 İletken, Yalıtkan ve Yarı İletken Elektrik akımının geçişine karşı zorluk göstermeyen ve ileten maddelere iletken adı verilir. İyi bir iletkenin en dış yörüngesinde elektron sayısı 3 ve daha az sayıdadır. En dış yörüngesinde 1 elektron bulunan maddeler en iyi iletkenlerdir. Son yörüngesinde elektron sayasının az olması o elektronların kolayca kopup serbest hale gelebilecekleri anlamına gelir. Serbest hale gelmiş elektronların çokluğu ise daha iyi iletim demektir. Son yörüngesinde 1 elektron bulunduran atomlarda ise kopma daha kolay yani daha az enerjiyle oluşur. Örneğin bakırın son yörüngesinde bir elektron vardır. Bakırın elektron sayısı 29 dur. Şekil 2.Bakır atomu Alüminyumun elektron sayısı 13 tür. Dolayısıyla son yörüngesinde 3 elektron vardır. Şekil 3. Alüminyum atomu Bakır atomu ile alüminyum atomuna bakıldığında bakırın son yörüngesinde alüminyumun son yörüngesine göre daha az elektron olduğu için bakır daha iyi iletkendir. Elektrik akımının geçişine karşı zorluk gösteren ve iletmeyen maddelere yalıtkan adı verilir. En dış yörüngesindeki elektron sayısı 6 dan daha fazla olan atomlar yalıtkandır. Son yörüngesinde elektron sayısı tam olan yani boşluk bulunmayan maddeler tam yalıtkandır. Son yörüngesindeki elektron sayısı dolu olanlar dışarıya elektron vermezler ve dışarıdan elektron almazlar ve bundan dolayı tam yalıtkandır, örnek olarak porselen, cam, mika gösterilebilir. Tam iletkenlik özelliği ve yalıtkanlık özelliği göstermeyen, belirli şartlarda iletken olan başka

4 belirli şarlarda da yalıtkan olan maddelere yarı iletken adı verilir. En dış yörüngelerindeki serbest elektronların sayısı 3 ile 6 arasında olan maddeler yarı iletkendir. Silisyum (+32) ve Germanyum (+14) son yörüngelerinde 4 elektron bulunduran ve yarı iletken olarak en çok kullanılan maddelerdir. Fakat 4 er olan son yörüngedeki elektronlar diğer atomların son yörüngelerindeki 4 er elektronla kovalent bağ kurarlar ve açıkta elektron kalmaz. Şekil. 4. Silisyum atomu Son yörüngesinde 4 elektron bulunan atoma yine son yörüngesinde 5 elektron bulunduran başka bir atom karıştırılırsa bir elektron boşta kalır. Bu şekilde oluşan yarı iletkenlere N tipi yan iletken denir. Yine son yörüngesinde 4 elektron bulunduran maddelere son yörüngesinde 3 elektron bulunduran atom karıştırılırsa 3 elektron kovalent bağ oluşturur ve 4 elektron bulunduran atomun biri bağ oluşturamaz ve karşısı boş kalır ve buna oyuk denir ve bu tip yarı iletkene de P tipi yarı iletken adı verilir. Endüstride iletken, yalıtkan ve yarı iletkenlerin hepsinin ayrı ayrı kullanım yerleri vardır. Eskiden beri iletkenler ve yalıtkanlar çokça kullanılmakta idi, yarı iletken malzemelerin bulunmasından sonra elektronik dalı çok fazla gelişmiş ve kullanılmaya başlanmıştır. İletkenler bir elektrik enerjisini veya bir bilgiyi taşırken yalıtkan elektrik akımının istenilen yerlere iletilmesi vc istenilmeyen yerlere ulaşılmasının engellenmesi için kullanılmıştır. Aşağıdaki şekillerde germanyum elementinin resmi ile elektron dağılım şeması görülmektedir. Şekil 5. Germanyum atomu

5 GERİLİM KAYNAKLARI Elektrik devrelerinde, serbest elektronların harekete geçmesi ve devreyi dolanabilmesi için bir enerji kaynağına ihtiyaç vardır. Bu enerji kaynağı devreye bağlanacak olan gerilim kaynağından sağlanır. Elektrik enerjisi üreten cihazlara gerilim kaynağı denir. Elektromotor Kuvvet (emk) Gerilim kaynakların pozitif (+) ve negatif (-) olmak üzere iki ucu vardır. Pozitif işaret, gerilim kaynağın yüksek potansiyel ucunu, negatif işaret ise düşük potansiyel ucunu gösterir. EAB denildiğinde A ucunun potansiyeli, B ucuna göre daha yüksek olduğunu gösterir. Bu iki uç arasındaki potansiyel farka elektromotor kuvvet denir ve kısaca emk(voltaj) olarak ifade edilir. Bundan böyle elektrik devrelerinde gerilim kaynağım E, gerilim düşümlerini U harfi ile gösterilecektir. a) DC gerilim kaynakları b) AC gerilim kaynağı Gerilim Kaynakların Sembol Gösterimi Gerilim kaynaklan DC ve AC gerilim kaynaklan olmak üzere sınıflandırılır. DCİ gerilim kaynakların çıkışı zamana göre değeri ve yönü değişmez. Örnek olarak Pil, batarya, akü, doğrultucular ve doğru gerilim üreten jeneratörler. AC gerilim kaynakların çık_il zamana göre değeri ve yönü değişmektedir. Örnek olarak Elektrik santrallerinden alternatörlerdir. Burada üretilen alternatif gerilim, şebekeler sayesinde şehirlere ve oradan CEJ ev ve iş yerlerine dağıtım yapılır. Bu nedenle ev ve işyerlerinde bulunan prizler birer AC gerilim kaynağıdır. 1. Piller Pil, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir gerilim kaynağıdır. Bir pil farklı iki metal elektrotu (örneğin çinko ve bakır) bir elektrolit(örneğin sülfürik asit eri yit ı içine batırılmasıyla elde edilir. Kimyasal tepkime sonucunda bu iki metal arasında bir emk meydana gelir. Meydana gelen bu emk nın değeri bu iki metalin cinsine bağlıdır. Piyasada

6 genelde l,5v luk piller bulunmakta ve verdiği akım miktarı da sınırlıdır. Bı nedenle daha yüksek gerilimlere ihtiyaç duyulduğunda pilleri seri, daha fazla akıma ihtiva: duyulduğunda ise pilleri paralel bağlanır. Elde edilen seri veya paralel veya seri-paralel pal grubuna batarya adı verilir. 2. Akümülatör Akümülatör, elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürerek depo istenildiğinde tekrar elektrik enerjisi olarak veren bir gerilim kaynağıdır. Akü (Akümülatörle kısa söylenişi), elektrik enerjisini depo edebilme özelliğinden dolayı elektrik olmayan yerlerde kullanılır. Ancak verdiği elektrik enerjisi sınırlı olması ve boşaldığında tekrar şarj edilmesi gibi sorunları vardır. Şarj edilme sorunu otomobillerde motordaki mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesiyle, elektrik bulunmayan yerlerde ise güneş pilleri sayesinde nispeten giderilmiştir. Akünün içinde akümülatör adı verilen ve elektrik enerjisini kimyasal enerji biçiminde depolayabilen çok sayıda 2 V luk akü hücresi bulunur. Bu akü hücrelerini kendi aralarında seri bağlamak suretiyle istenilen gerilim değeri elde edilir. Akünün kapasitesi: Bir aküden alınan elektrik akım miktarına akünün kapasitesi denir. Akünün kapasitesi ampersaat olarak verilir ve Ah harfleri ile gösterilir. Aküler genelde 8 saat boyunca enerji verecek şekilde dizayn edilir. Örneğin, bir akünün kapasitesi 60Ah verilmişse, bu aküden devamlı olarak 1A çekilirse 60 saat boyunca enerji verebilir. Fakat bu aküden 10 A çekilirse 6 saat veya 60 A çekilirse 1 saat boyunca enerji verebilir. Eğer 120 A çekilirse 30 dakika veya 240 A çekilirse 15 dakika boyunca enerji verebilir. Yalnız kısa süreler için aküden normal akımın (60Ah akü için normal akım 7,5 A) çok üstünde akımlar çekmek akü için zararlı değildir. Örneğin, otomobiller çalışma anında aküden yazın 60 A, kışın 120 A ve üzeri akım çekerler. Ancak aküden uzun süre bu değerlerde akım çekmek aküye zarar verir. 3. Jeneratörler Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren makinelerdir. Jeneratörler, bir telin manyetik alan içerisinde hareket ettirilmesi prensibine göre çalışırlar. Jeneratörler doğru gerilim ve

7 alternatif gerilim olmak üzere ikiye ayrılır. Doğru gerilim üreten jeneratörlere DC jeneratör, alternatif gerilim üreten jeneratörlere Alternatör denir. Alternatörlerin, DC jeneratörlere göre birçok üstünlükleri vardır. Örneğin alternatörlerden büyük gerilimler elde edilmesine karşılık DC jeneratörlerde-fırça ve kollektör nedeniylebüyük gerilimler elde edilmez. Alternatörlerin tasarımı zor, ama bakımları yok denecek kadar az olmasına karşılık DC jeneratörlerin tasarımı kolaydır ama sürekli bakıma ihtiyaçları vardır 4. Doğrultucu Güç Kaynakları Doğrultucu güç kaynakları, AC gerilimi DC gerilime çeviren cihazlardır. DC gerilim kaynaklarından pil(şarjlı) ve aküler kullanıldıkları müddetçe deşarj olmaktadırlar. Bu kaynakların, özelliklede akülerin uzun ömürlü olmaları için sürekli şarj edilmeleri için doğrultucu güç kaynaklarına ihtiyaç vardır. Bu güç kaynakları, DC jeneratörlere göre daha basit, kullanışlı ve ucuzdurlar. Yukarıda sayılan bu sebeplerden dolayı şehir şebekesi bulunun her yerde DC gerilimle çalışan cihazların enerji ihtiyaçları doğrultucu güç kaynaklarından sağlanır. 5. Güneş Pilleri Güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken elemana güneş pili ( foto voltaik pili )denir. Güneş pilin temel maddesi genellikle silisyumdan oluşmaktadır Devrede dolaşan akım, güneş pilinin üzerine düşen ışık şiddetine ve ışık gelme açısına bağlıdır. Işık şiddeti arttıkça veya ışık gelme açısı yüzeye dik oldukça devrede dolaşan akım miktarı da artar. Güç çıkışım artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralele veya seri bağlanır. Güneş pilleri ışık olduğu zaman enerji üreten araçlar olduğu için genellikle yüksek gerilim gerektirmeyen hesap makinelerinde, uzay gemilerinde ve uydularda kullanılmaktadır. Ancak günümüzde üretilen güneş pilleri hem daha ucuz hem de verimlidir ( Güneş, bulutlar arasında bile olsa enerji üretebiliyor).bu nedenle özellikle elektrik olmayan yerler başta olmak üzere yaygın ve farklı amaçlar için kullanıldığından bol miktarlarda üretilmektedir.