Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİNDE MALZEME Yrd. Doç. Dr. H. İbrahim OKUMU E-mail : okumus@ktu.edu.tr WEB : http://www.hiokumus.com 1
İçerik Giriş Malzeme Türleri (metaller, seramikler, polimerler, yarıiletkenler) Malzemelerin özellikleri (mekaniksel, ısıl, elektriksel, optik) İletken ve yalıtkan malzemeler İletim hattı iletkenleri ve yer altı kabloları Özdirnç-direnç, öziletken-iletken. İletken tellerin ve kabloların akım taşıma kapasitelerinin hesabı Kablolarda ısınma. Sigortalar, Yalıtkanlar İç tesisatta kullanılan kablolar İç tesisat devreleri ve döşenmesi Anahtarlar ve uygulamaları, aydınlatma armatürleri. Elektrik sayaçları Elektrik tesisatında güvenlik mekanizmaları 2
Malzeme nedir? Malzemeler, günlük yaşantımızda kullandığımız hemen hemen her şeyi meydana getiren temel bileşenlerdir. Doğal olarak oluşmuş veya yapay olarak elde edilmiş malzemeler akla gelebilecek her türlü sanayi, örneğin; otomotiv, havacılık, kimya, bilgisayar, elektronik, gıda üretimi, biyomedikal sektöründe kullanılmaktadır. Malzemeler dört temel gruba ayrılabilir. Seramikler Metaller Elektronik ve Fotonik Malzemeler Polimerler 3
Giriş Mühendisliğin her alanında malzeme önemli bir yer tutmaktadır. Mühendisler kullanacakları malzemeyi çok iyi tanımak ve geniş malzeme yelpazesi içinde mukavemet, iletkenlik, korozyon, ekonomiklik gibi kriterleri dikkate alarak seçim yapmak zorundadırlar. Örneğin; elektrik iletim hattında kullanılan iletkenlerin ekonomik, mukavemet ve iyi iletkenlik özelliklerini taşımasının istenmesi. Birçok yeni mühendislik tasarımı tamamen yeni malzeme geliştirilmesine bağlıdır. Teorisi 17. yy da bilinmesine rağmen türbin ve motorlar ancak 19. yy da üretilebilmiştir. Bunun sebebi yüksek sıcaklıklara ve korozyona dayanıklı malzeme gereksinimidir. Mühendislerce malzemelerden istenen özellikler, malzemelerin iç yapılarında yapılan değişikliklerle sağlanmaktadır. 4
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Malzeme Bilimi; Malzemelerin doğasını araştırır. Çeşitli teori ve tanımlarla malzemenin iç yapısının, malzemenin kompozisyon, özellik ve davranışları ile olan ilişkisini belirler. Malzeme Mühendisliği; Özgün bir gereksinimi karşılayacak malzemenin geliştirilmesi, hazırlanması, modifiye edilmesi ve uygulanması için temel ve ampirik bilgi birikimini sentezler ve uygular. Tüm mühendislik dallarının ve temel bilim dallarının Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ile yakın bir ilişkisi vardır. A.B.D. de geliştirilen istatistiksel bir bulguya göre diğer tüm mühendislik alanlarında çalışan mühendislerin her 6 saatlik çalışma sürelerinin en az bir saati malzeme ve onun uygulamaları ile ilgili olmaktadır. 5
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği (devamı) Bir mühendisin seçebileceği malzeme grupları temelde 3 e ayrılır (metaller, seramikler ve polimerler). Ayrıca iki veya daha fazla malzemeden üretilen kompozitler, tek bir malzemeden elde edilemeyen özellikleri sağlar. 6
Malzeme Özellikleri Malzeme seçimini etkileyen özellikler Ekonomik Mekanik Isıl Optik Elektriksel Yüzey Teknolojik Estetik fiyat, bulunabilirlik çekme ve sıkıştırma mukavemeti, elastisite modülü, tokluk, yorulma ve sürünme mukavemeti, Isıl iletkenlik, ısıl genleşme, ısıl dayanım geçirgenlik elektriksel iletkenlik aşınma (abrazif, korozif) İşlenebilirlik, kaynaklanabilirlik albenisi 7
Değişik malzemelerin oda sıcaklığı elastisite modülü (E) ve termal genleşme katsayısı (α) değerleri 8
Malzemelerin İç Yapısı Atom ve Moleküller Madde : Uzayda yer kaplayan ağırlığı ve hacmi olan her şeye madde denir. Homojen karışım Karışımlar Heterojen karışım Madde Fiziksel ayırma yöntemleri Bileşikler Saf Maddeler Elementler Kimyasal ayırma yöntemleri 9
Malzemelerin İç Yapısı Atom ve Moleküller (devamı) Saf Madde: Fiziksel olarak kendinden daha basit maddelere ayrılmayan maddelerdir. Belirli bir bileşime sahiptir (Örnek : su, amonyak, altın, oksijen vb.). Karışım: İki veya daha fazla saf maddenin özelliklerini koruyarak bir araya gelmesinden oluşur. Bileşimi sabit değildir (Örnek : hava, meyve suyu vb.). 10
Malzemelerin İç Yapısı Atom ve Moleküller (devamı) Heterojen Karışım: Bileşenleri birbirinden ayırd edilebilir ve bileşimi her yerde aynı değildir. (Örnek : kum ve demir talaşı). Homojen Karışım: Bileşenleri birbirinden ayırd edilemez ve bileşimi her yerde aynıdır. (Örnek : sekerli su). 11
Malzemelerin İç Yapısı Atom ve Moleküller (devamı) Bileşik: İki ya da daha fazla cinste atomun bir araya gelerek oluşturduğu saf modellere denir. Bileşiklerin en küçük yapı taşı molekül dür.(örnek : H2O) Element: Kimyasal olarak kendinden daha basit maddelere ayrılamaz. Temel birimi atom dur. (Örnek : H,O) 12
http://www.hiokumus.com Malzemelerin İç Yapısı Elementlerin Periyodik Tablosu 13
Malzemelerin İç Yapısı Atom ve Moleküller (devamı) H-atomu O-atomu H2O-molekülü Atom: Elementin temel yapıtaşı birimine atom denir. Tüm maddeler atom topluluklarından oluşur. Tek bir elementten oluşmuş bir malzemede, malzemenin gösterdiği tüm kimyasal özellikler, atom da da vardır. Atom, eski Yunanca da bölünemez, parçalanamaz anlamına gelen atoma kelimesinden gelmektedir. 1850 lerde başlayan bir dizi araştırma atomların atom altı parçacıklarından (elektron, proton, nötron vb.) oluşan bir iç yapıya sahip olduğunu göstermiştir. 14
Malzemelerin İç Yapısı Atom ve Moleküller (devamı) Molekül: Bileşiklerin temel birimine molekül denir. Bileşiklerin kimyasal özelliklerini aksettiren en küçük parça moleküldür. Molekül, Latince kitle anlamına gelen moleküle kelimesinden gelmektedir. Malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri ise onu oluşturan atomların türünden çok, atomların dizilisine ve aralarındaki bağlara bağlıdır. 15
Malzemelerin İç Yapısı Atomların Elektronik Yapısı Elektronlar kuantum mekanigi kurallarına uyan parçacıklardır. Kural 1: Elektron enerjisi kuantize olur, yani elektron yalnız belli enerji değerlerine sahip olabilir. Elektronlar atom çekirdeği çevresinde belirli yörüngeler üzerinde sürekli hareket halindedir ve belirli enerji düzeyine sahiptir. Kural 2: Pauli ayırt edilebilirlik ilkesi aynı enerji düzeyinde 2 den fazla elektron bulunamaz ve bu 2 elektron karşıt dönmelere sahip olmalıdır. Bu nedenle bir atomda bütün elektronlar aynı düşük enerji değerini alamazlar, elektronların 2 si hariç diğerleri daha yüksek enerji düzeylerinde bulunur. 16
Malzemelerin İç Yapısı Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Modern atom teorisine göre, elektronların yörüngesini, enerjilerini, hareketlerini belirlemek için 4 kuantum sayısı vardır. Bunlar; n l ml ms = Ana (bas) kuantum sayısı = Alt (açısal momentum) kuantum sayısı = Manyetik kuantum sayısı = Elektron dönüş (spin) kuantum sayısı Ana kuantum sayısı, n = 1, 2, 3, gibi tam sayılar olabilir, ve hidrojen atomunda n nin değeri orbital enerjisini belirler. Ana kuantum sayısı, belirli bir orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığını da gösterir ; n ne kadar büyük olursa, orbitalde elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı o kadar büyük olur ve orbital de o derece büyük ve karasız olur. 17
Malzemelerin İç Yapısı Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Aynı n değerine ait orbitallere kabuk denir. n nin değeri K, L, M, N gibi kabuklara karşılıktır. Bir n sayısına sahip enerji kabuğunda en çok 2n 2 adet elektron olabilir. Alt (açısal momentum) kuantum sayısı orbitalin şeklini anlatır, l nin alabileceği değerler n ye bağlıdır. Verilen bir n için l sıfır ile (n-1) arasındaki tam sayılar olabilir. Örnegin, n = 1 ise l = 0 n = 2 ise l = 0, 1 n = 3 ise l = 0, 1, 2 18
Malzemelerin İç Yapısı Atomların Elektronik Yapısı (devamı) l nin degeri genellikle, s, p, d gibi harflerle gösterilir. Aynı n değerine ait orbitallere kabuk denildiğini biliyoruz. Aynı n ve l değerindeki bir veya daha fazla orbital ise altkabuk olarak adlandırılır. Örnegin, n = 2 kabuğu, iki altkabuktan ( l = 0 ve 1 ) olusur. Bu altkabuklar 2s ve 2p altkabuklarıdır, burada 2 sayısı n değerini s ile p de l değerlerini işaret eder. 19
Malzemelerin İç Yapısı Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Manyetik kuantum sayısı bir orbitalin uzaydaki yönünü belirler. Bir altkabuk içinde, ml nin degerleri açısal momentum kuantum sayısı olan l e bağlıdır. Verilen bir l için, ( 2l + 1 ) adet ml olabilir ve bu sayılar aşağıdaki şekilde bulunur : -l,. 0,. +l Örnegin, l = 0 ise, ml = 0 l = 1 ise, ml = -1, 0, 1 l = 2 ise, ml = -2, -1, 0, 1, 2 20
Malzemelerin İç Yapısı Atomların Elektronik Yapısı (devamı) ml nin toplam sayısı, belirli bir l altkabuğunda bulunan orbitallerin sayısını verir. Örnek : n = 2 ve l = 1 durumunda, n ve l değerleri 2p altkabuğunu belirler ve bu altkabukta üç 2p orbitali vardır (çünkü, ml için -1, 0, 1 olmak üzere üç değer vardır). 21
Malzemelerin İç Yapısı Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Elektromanyetik teoriye göre, dönen yüklü bir parçacık bir manyetik alan yaratır ve bu hareket de elektronun bir mıknatıs gibi davranmasına neden olur. Elektronun dönmesini isin içine katabilmek için dördüncü bir kuantum sayısına ihtiyaç vardır. Bir elektronun iki olası dönmesi (saat yönünde ve ters yönünde), elektron dönüş (spin) kuantum sayısı, ms ile gösterilir ve bu sayı +½ veya -½ değerlerini alır. 22
Malzemelerin İç Yapısı Atomların Elektronik Yapısı (devamı) Elektronegatiflik (Elektron ilgisi): Bir atomun kendine elektron çekme derecesidir. Elektronegatif elementler metal olmayan elementlerdir. Kimyasal reaksiyonlarda elektron alarak negatif iyonlar (anyon) oluştururlar. Doğadaki elektropozitif elementler metallerdir. Kimyasal reaksiyonlarda elektron vererek pozitif iyon (katyon) haline gelirler. Elektronegatiflik kavramı atomik bağların anlaşılmasına yardımcı olur. 23