ELEKTRİKSEL İLETKENLİK

ELEKTRİKSEL İLETKENLİK Pek çok uygulamada malzemelerin elektriksel davranışı mekanik davranışlarından daha önemlidir. -Uzun mesafelere akım ileten metal tel, ısınma sonucu oluşan güç kaybını azaltmak için yüksek bir elektrik iletkenliğe sahip olmalıdır. -Seramik yalıtkanlar, iletkenler arasındaki arkı önlemelidir. -Güneş enerjisini elektriksel güce dönüştürmek için kullanılan yarıiletken cihazlar, güneş hücreleri uygulanabilir alternatif bir enerji kaynağı yapmak için mümkün olduğu kadar etkin olmalıdır. 1

Elektrik ve elektronik uygulamalar için malzeme seçmek ve kullanmak elektrik iletkenliği gibi özelliklerin nasıl üretildiğinin ve denetlendiğinin anlaşılmasını gerektirir. Elektriksel davranış, malzeme yapısından, malzemenin işlenişinden ve malzemenin maruz kaldığı çevreden etkilenir. Bu nedenle malzemelerin atomik yapı ve elektronik düzenlerinin iyi bilinmesi, temel elektrik yasalarının hatırlanması gerekmektedir.

Pozitif yüklü parçacıklar alan doğrultusunda, negatif yüklü partiküller ise ters yönde ivmelenirler. Çoğu katı malzemelerde, akım elektronların akışından kaynaklanır ve bu durum elektronik iletkenlik olarak, İyonik malzemelerde ise akım, yüklü iyonların hareketiyle oluşur ve bu olay iyonik iletkenlik olarak adlandırılır.

YÜK TAŞIYICILAR Metallerde; serbest elektronlar negatif kutuptan pozitif kutba doğru hareket eden (-) yük taşıyıcılardır. Yarıiletkenlerde; elektriksel alan etkisi ile kopan elektron pozitif kutba hareket eden (-), elektron eksilmesinden oluşan elektron boşlukları pozitif kutba hareket eden (+) yük taşıyıcılardır. İyonik bileşiklerde; + yüklü iyon negatif kutba hareket eden (+) yük taşıyıcı, - yüklü iyon pozitif kutba hareket eden (-) yük taşıyıcıdır. Elektron Elektron boşluğu +yüklü iyon ve -yüklü iyon olmak üzere dört tür yük taşıyıcı vardır.

Bir iletken katı malzemenin en önemli elektriksel özelliklerinden birisi, elektrik akımını kolaylıkla iletmesidir. Geçen akım şiddeti I, malzemenin direnci R ve tatbik edilen voltaj (V) arasındaki ilişki, ohm kanununa göre; V =I.R Burada, V (gerilim farkı) : volt (V), I (elektrik akımı) : amper (A) ve R (telin direnci) : ohm (Ω) dur.

Bir malzemenin direnci onun karakteristiğine bağlıdır. Örneğin Cu tel aynı kesit ve uzunluktaki demir tele oranla daha düşük bir dirence sahiptir. Bu fark ohm kanununa ilave edilerek özdirenç ( ) elde edilir. (ohm.m 2 /m= ohm.m) Burada; l = iletkenin boyu, m, A = iletkenin kesit alanı, m 2, ρ = iletkenin özdirenci, ohm.m Bir malzemeyi içinden geçen elektrik akımına karşı direnç gösteren değilde; iletken olarak düşünmek daha doğrudur. İletkenlik özdirencin tersine eşittir. 1 (ohm.m) -1 Elektrik iletkenliğinin birimi (ohmmetre) -1 = (Ω.m) -1 dir. SI biriminde ohm un tersi siemens tir. 6

Bu iki eşitlikten ohm kanunun ikinci biçimi elde edilir 7

Özgül iletkenlik, 1 cm 3 te bulunan yük taşıyıcı sayısı ile orantılıdır. n.q. n: 1cm 3 te bulunan yük taşıyıcı sayısı q: birim elektrik yük (kulon, Amper.sn) µ:elektriksel yük taşıyıcıların iletken ortamdaki hareket yeteneği (cm 2 /volt.sn) E elektrik alan içinde belli bir akış (sürüklenme) hızına ulaşan yük taşıyıcılar malzemedeki atomların ısıl titreşimleri, yapı hataları ile tanımlanır. Kesit alanı A olan malzemede l uzunluğu içinde tüm yük taşıyıcılar bir yüzden diğer yüze hareket eder ve akım yoğunluğu (J); J n.q. E olduğundan;.e. E J= n.q. = elde edilir. Pratikte iletkenlik ve öz direnç malzemenin kesit alanı ve malzeme uzunluğu ile kullanılır. 9

Hareketlilik (µ), atomik bağa, kafes düzensizliklerine, mikroyapıya ve iyonik bileşiklerde difüzyon hızına bağlıdır.

11

Soru 1: 50 A akımın geçtiği 1500 m uzunluğundaki bir Cu iletim hattındaki güç kaybını hesaplayınız? Cu telin çapı 1mm ve özdirenci 1.67.10-8 Ωm dir. Güç=V.I=I 2.R Soru 2: Bakırda elektronların hareketliliğini (µ) hesaplayınız? (Bütün valans elektronlarının akım geçmesine katkıda bulunduğu kabul edilecek) q=1.6.10-19 C (Amper.s), a Cu =3.615.10-10 m Soru 3: 10 V uygulanan 1 m uzunluğunda Cu teldeki elektronların ortalama sürüklenme hızını bulunuz? Cu elektronlarının hareketliliği µ= 4.42.10-3 m 2 /Ώ.C (m 2 /V.s) Soru 4: 110 volt ve 660 Watta çalışabilecek bir doğru akım ısıtıcısı yapılmak isteniyor. Bu ısıtıcı için 0.254cm çapında 107.9 mikro.ohm.cm özdirençli kromel telden ne uzunlukta kullanmak gerekir? 12

2.

Munich University of Technology

Elektron teorileri genel olarak; Elektron gaz teorisi Serbest elektron teorisi Elektron band teorisi olarak 3 grupta incelenebilir. -Elektron gaz teorisinde elektronların tıpkı gaz atomları gibi davranarak, -Serbest elektron teorisinde elektronların katı içerisinde serbest olarak hareket ederek, -Band teorisinde ise elektronların katı içerisinde belli enerji seviyelerinde bulundukları ve seviyelerini değiştirme sureti ile iletkenliği sağladıkları esas alınmaktadır. 15

Enerji Seviyeleri ve Bant Yapıları Elektronlar, atom çekirdeği etrafında belirli yörüngeler boyunca sürekli dönmektedir. Bu hareket, dünyanın güneş etrafında dönüşüne benzetilir. Hareket halindeki elektron, Çekirdeğin çekme kuvveti ve Dönme hareketi ile oluşan merkezkaç kuvvetinin etkisi ile yörüngesinde kalmaktadır. Enerji Seviyeleri Hareket halinde olması nedeniyle her yörünge üzerindeki elektronlar belirli bir enerjiye sahiptir. Eğer herhangi bir yolla elektronlara, sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçebilir. Valans elektrona uygulanan enerji ile de elektron atomu terk edebilir. Valans elektronun serbest hale geçmesi, o maddenin iletkenlik kazanması demektir.

Valans elektronlara enerji veren etkenler: -Elektriksel etki -Isı etkisi -Işık etkisi -Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi -Manyetik etki Ancak, valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri malzeme yapısına göre şöyle değişmektedir: İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir. Yarı iletkenlerde oldukça fazla enerji gereklidir. Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir. 17

Bant Yapıları Valans bandı enerji seviyesi: Her malzemenin, valans elektronlarının belirli bir enerji seviyesi olup; buna valans bandı enerjisi denir. İletkenlik bandı enerji seviyesi Valans elektronunu atomdan ayırabilmek için verilmesi gereken bir enerji olup; iletkenlik bandı enerjisi olarak tanımlanır. İletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji: İletkenlerin, valans bandı enerji seviyesi ile iletkenlik bandı enerji seviyesi bitişiktir. Bu nedenle verilen küçük bir enerjiyle, pek çok valans elektron serbest hale geçmektedir. 18

Yarıiletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji: Yarıiletkenlerin valans bandı ile iletkenlik bandı arasında belirli bir boşluk bandı bulunmaktadır. Yarı iletkeni, iletken hale geçirebilmek için valans elektronlarına, boşluk bandınınki kadar ek enerji vermek gerekir. Yalıtkanlarda iletim için verilmesi gereken enerji: Yalıtkanlarda ise, oldukça geniş bir boşluk bandı bulunmaktadır. Yani elektronları, valans bandından iletkenlik bandına geçirebilmek için oldukça büyük bir enerji verilmesi gerekmektedir.

a) Yalıtkan b) Yarıiletken c) İletken Bant-enerji diyagramları Uygulamada malzemeler özdirençlerine veya iletkenliklerine göre; iletkenler, yarıiletkenler ve yalıtkanlar olarak 3 gruba ayrılırlar.

Örneğin Na metali, Atom numarası 11 dir ve elektronik konfigürasyonu 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 1 dir. Atom sayısının artışı ile enerji seviyeleri bantlar haline genişler

Elektronlar Elektronlar çekirdeğin etrafında, 0,05-2 nm yarıçapındaki yörüngelerde bulunurlar. Bohr atom teorisine göre elektronlar, çekirdek etrafında belirli yarıçaptaki dairesel yörüngelerde dönerler. Her yörüngedeki elektronun belirli bir enerjisi vardır(-). Enerji çekirdekten uzaklaştıkça artar ve sonsuzda enerji sıfır olur. Dalga mekaniği teorisine göre ise, elektronların kesin yörüngeleri yoktur, sadece belirli noktalardan geçme ihtimalleri hesaplanabilir. Ayrıca elektronlar hem parçacık, hem de dalga özelliği gösterirler. 24

Buna karşılık, elektronların sadece belirli enerjilere sahip olabileceği (kuvantumlaşma) ve bir enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunabileceği (Pauli prensibi) her iki teori tarafından da kabul edilmektedir. Birbirlerine yakın olan enerji düzeyleri bir alt kabuğu, birbirlerine yakın alt kabuklar da bir ana kabuğu oluştururlar. En dış ana kabuktaki elektronlara valans elektronları denir. Bunlar çekirdeğe zayıf olarak bağlıdırlar ve söz konusu elementin özelliklerini belirtmekte büyük rol oynarlar. Bir ana kabukta 8 elektronun biraraya gelmesi, yani p alt kabuğunun dolması halinde, bu elektronlar çekirdeğe çok kuvvetli bağlanır, bir diğer deyişle kapalı kabuk oluştururlar. 25

Elektron enerji düzeyleri Elektronlar belirli enerjilere sahiptir. Belirli sayıda enerji düzeyi birleşerek enerji kabuklarını (bantlarını) oluştururlar. Atomların en dış kabuğundaki elektronlar valans elektronlarıdır. 26

Atomun Elektronik Yapısı Elektronlar atom içinde farklı enerji seviyelerine sahiptir. Her elektron belirli bir enerjiye sahiptir ve bir atomda aynı enerji seviyesine sahip 2 den fazla elektron bulunamaz. Bu da her elektron arasında kesin bir enerji farkının bulunduğunu gösterir. Kuantum sayıları, her elektronun ait olduğu enerji seviyelerini ayırmak için kullanılır. Dört kuantum sayısı vardır; 1. temel kuantum sayısı (n), 2. azimuthal kuantum sayısı (l), 3. magnetik kuantum sayısı (m l ) ve 4. spin kuantum sayısı (ms) dir. Muhtemel enerji seviyeleri sayısı üç kuantum sayısı ile belirlenir. (Atom çekirdeğinin çevresinde 7 tane yörünge vardır ve atomların tüm yörüngelerinde bulunabilecek en fazla elektron sayısı matematiksel bir formülle belirlenmiştir: 2n 2. (formüldeki "n" harfi, yörünge numarasını belirtir) 27

1.Temel (Birincil) Kuantum Sayısı : n ile gösterilir. { 1, 2, 3, 4.. n } Elektronun ana enerji seviyesini gösterir ve aynı zamanda ana kabuk olarak da adlandırılır ve her bir ana kabuk K, L, M, N, O, P, Q harfleri ile tanımlanarak belirli sayıda elektron bulundururlar. Elektronlar bir elektron kabuğu içerisinde en düşük enerji seviyesine sahip yörüngeleri doldurma eğilimi taşırlar. n=1=k kabuğu, 2 elektron n=2=l kabuğu, toplam 8 e n=3=m kabuğu, toplam 18 e n=4=n kabuğu, toplam 32 e n=5=o kabuğu, toplam 50 e n=6=p kabuğu, toplam 72 e n=7=q kabuğu, toplam 98 e bulunabilir. 28

2. Azimuthal (İkincil) Kuantum Sayısı: l ile gösterilir. {0,1, 2 n-1} l = n-1 Atom çekirdeği etrafındaki elektronların bulunduğu her bir ana kabuk, bir elektron bulutu şeklindedir. Bu kabuk içerisinde farklı enerji seviyelerine sahip ve elektronların hareket ettiği yörüngeler vardır. Bu yörüngeler ikincil kuantum sayısı (l) olarak ifade edilirler. İkincil kuantum sayısının değeri, birincil kuantum sayısının değerine bağlı olup, (n-1) ile bulunur ve dolayısıyla 0, 1, 2, 3 olarak belirlenir. Genellikle l=0 yerine s harfi, l=1 yerine p harfi, l=2 yerine d harfi, l=3 yerine f harfi kullanılır. Her bir s, p, d, f yörüngelerinde belirli sayıda elektron bulunabilir. s yörüngesinde 2 elektron p yörüngesinde 6 elektron, d yörüngesinde 10 e ve f yörüngesinde 14 adet e bulunabilir. 29

3. Manyetik Kuantum Sayısı:(m l ) ile gösterilir. (m l ) = 2l+1 Manyetik kuantum sayısı bir manyetik alanın etkisinde kalan yörüngelerin, uzaydaki farklı doğrultulardaki hareket biçimini tayin eder. Yörüngelerin sahip olduğu enerji seviyesi yükseliyorsa ml (+), azalıyorsa ml (-) değer alır. Manyetik alan etkileşimi olmadığı zaman sıfır değerindedir. Her azimuntal kuantum sayısı için enerji seviyeleri veya orbital sayısını verir. Değerler l ile +l arasındaki tüm sayıları içerir Örnek: l=2 için manyetik kuantum sayılarını yazınız? (ml) = 2l+1 = (2*2)+1= 5 (ml)={-2,-1,0,1,2} 30

4. Spin (Dönme) Kuantum Sayısı: (m s ) ile gösterilir. Pauli dışlama prensibine göre bir yörünge zıt elektronik dönmeli ikiden fazla elektron bulunduramaz. Elektronlar kendi ekseni etrafında biri saat yönünde diğeri ters yönde olmak üzere 2 farklı dönme yönüne sahiptir. Dönme kuantum sayısı farklı spinleri belirleyebilmek için +1/2 ve -1/2 değerlerini alır. Her enerji kabuğundaki max. elektron sayısı Tablodaki şablon kullanılarak gösterilir. 31

Kuantum Sayıları (Özet) n = baş kuantum sayısı, ortalama yarıçap, enerji seviyelerini belirler n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 KABUKLAR l = açısal momentum kuantum sayısı, orbitallerin şeklini belirler l = 0, 1, 2, 3, 4, 5 (n 1) s p d f g h ALTKABUKLAR m = manyetik kuantum sayısı, l nin z bileşeni, yönelmeleri belirler m = 0, ± 1, ± 2, ± 3.. ORBİTALLER

1S 2S 2P 3S 3P

Belli bir kuantum kabuğunda en düşük enerji seviyesine düşen elektronlar s ile gösterilir. Dolayısıyla 1s 2 birinci kuantum kabuğunda yani K kabuğunda düşük enerji seviyelerindeki zıt manyetik dönüşlü iki elektronu gösterir. 2s 2 işaretinin gösterdiği iki elektron ikinci kuantum kabuğunun (L kabuğu) en düşük enerji seviyesinde olanlardır. Bir kabuğun s enerji seviyesinde bulunabilecek elektron adedi en çok 2 dir. Germanyumun elektronik yapısı; 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 Valans: Bir atomun valansı, atomun diğer bir elementle kimyasal bileşime girme yeteneği ile ilişkilidir, ve genellikle kombine edilmiş sp seviyesinin en dıştaki elektron sayısı ile belirlenir. Mg: 1s 2 2s 2 2p 6 [3s 2 ] Valans: 2 Al: 1s 2 2s 2 2p 6 [3s 2 3p 1 ] Valans:3 Ge: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 [4s 2 4p 2 ] Valans:4 34

Dış Yörüngedeki elektronlar atomun elektriksel, kimyasal, ısıl özelliklerini belirler. Tablo: Kuantum sayılarının gösterimi 1. Kuantum sayısı (n) 2. Kuantum sayısı (l) 3. Magnetik Kuantum sayısı (m l ) 4. Spin Kuantum sayısı (m s ) Alt yörünge yerleşimi 1 0 0 ±1/2 1s 2 0 1 3 0 1 2 0-1, 0, 1 0-1, 0, 1-2, -1,0, 1,2 ±1/2 2s 2p ±1/2 3s 3p 3d 35

36

Atomlararası mesafenin nispeten büyük olduğu durumlarda, her bir atom diğerlerinden bağımsızdır ve izole bir atomda olduğu gibi, atomik enerji seviyeleri ve dizilişine sahiptir. Ancak atomların bir başka atoma çok yaklaşması durumunda, komşu atomun elektronları ve çekirdeği tarafından etkilenir. Bu etkiyle, katıda her bir atom konumu, birbirlerine çok kısa mesafeli bir seri elektron konumlarına ayrılır ve oluşan bu konumlara elektron enerji bandı denir.

Fermi enerjisi 0 K de dolu olan mevcut elektron enerji seviyelerinin en yüksek konumuna karşılık gelir ve E f ile gösterilir. Bu enerji bant yapısı, özellikle bir tek s valans elektronuna sahip olan bazı metallerde (örneğin bakır) belirgindir. Dalga hareketi yapan e tarafından doldurulmuş en yüksek enerji seviyesine Fermi seviyesi bu seviyenin enerjisine de Fermi enerjisi denir.

0 K de e lar en alt enerji seviyesinden yukarıya doğru her enerji seviyesinde 2e bulunarak dizilirler. En son e nun bulunduğu seviye Fermi seviyesi olup, 0 K de tüm e lar Fermi seviyesi veya daha küçük enerjiye sahiptirler. Bir elektronun Fermi enerjisinin altında bulunma olasılığı 0 K de %100 dür. Sıcaklık artınca e lar kazandıkları enerji ile Fermi enerjisinin hemen üstündeki seviyelere çıkabilirler. Fermi fonksiyonu Soru: Gümüşün Fermi enerjisi E f =5.51 ev tur. 300K de dolma ihtimali %10 olan enerji seviyesini bulunuz? k=1.38.10-23 J/ atom K k B =Boltzman Sabiti (T=300 K, k B.T=0,026 ev)

Elektrondaki saçılma olayı, geçen elektrik akımına gösterilen direnç olarak ifade edilebilir. Bu saçılmanın boyutunu tanımlamak için, birkaç parametre kullanılır. Bunlar elektronun sürüklenme hızı ve elektronun hareketliliğidir.

Burada ρ t, ρ i, ρ d sırasıyla ısıl, empürite ve deformasyonun neden olduğu öz direnci göstermektedir. Denklem 18.9, Matthiessen kuralı olarak bilinir.

=a ve To oda sıcaklığı olarak da alınmaktadır. Eğrinin eğiminden sıcaklık direnç katsayısı bulunur.

Oda sıcaklığında artı yüklü iyonlar kafes üzerindeki yerlerinde titreştiren kinetik enerjiye sahiptir. Sıcaklık arttıkça iyonların titreşme genlikleri artar ve iyonlarla değerlik (valans) elektronları arasında sürekli bir enerji değişimi vardır. Bir elektrik potansiyelinin yokluğunda, değerlik elektronlarının hareketi rastgele ve sınırlıdır, dolayısıyla, herhangi bir yönde net elektron akışı ve elektrik akımı yoktur. Bir elektrik potansiyelinin uygulanması halinde elektronlar, uygulanan alanla orantılı fakat zıt yönde bir sürüklenme hızı kazanır. Metalin sıcaklığı yükseldiğinde ısıl enerji atomun titreşmesine sebep olur. Denge durumunda olmayan atomlar elektronlarla etkileşerek elektronları dağıtmakta ve elektronların hareketliliği azalmakta ve özdirenç artmaktadır. 50

hata =b (1-x) x hata = Hatalardan kaynaklanan dirençteki artış, X: empürite veya katı eriyik atomlarının kısmi atomik oranı, b: hata direnç katsayısı

Plastik deformasyon da elektronların saçılmasına neden olduğu için, dislokasyon sayısındaki artış elektrik öz direncini arttırır. Deformasyonun öz direnç üzerine olan etkisi Şekil 18.8 de gösterilmiştir. Ancak grafikten de anlaşılacağı üzere, deformasyonun etkisi, sıcaklık veya empüriteye göre çok azdır.

Örnek: Cu ın elektriksel iletkenliğini (a) 400 o C and (b) -100 o C için hesaplayınız? Saf Cu ın iletkenliği, 5.98.10 5 Ω -1.cm -1 oda sıcaklığındaki özdirenç 1.67.10-6 ohm.cm a=0.0068 ohm. cm/ o C.

İletken Malzemeler Çekirdeği çevreleyen elektronların yörünge konumları Kabuk olarak adlandırılır. Her bir kabuk 2n 2 formülü ile belirlenen elektron sayısına sahiptir. En dıştaki kabuk valans kabuğu dur. Bakır elektriksel ve diğer özellikleri nedeniyle en çok kullanılan metalik iletkendir. Gümüş hem bakırdan hem de alüminyumdan daha yüksek iletkenliğe sahip olmasına rağmen, ekonomik olmadığı için kullanımı alanı sınırlıdır.

İletken Malzemeler Valans kabuğu, malzemenin iletkenlik özelliğini belirler. Örneğin Bakır atomu (Cu) valans yörüngesinde sadece 1 elektrona sahiptir. Bu onu iyi bir iletken kılar.

İletkenlerin başlıca özellikleri: Elektrik akımını iyi iletirler. Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı, ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılırlar. Dış yörüngedeki elektronlara Valans Elektron denir. Metaller, bazı sıvı ve gazlar iletken olarak kullanılır. Metaller, sıvı ve gazlara göre daha iyi iletkendir. Metaller, iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara ayrılır. Atomları 1 valans elektronlu olan metaller, iyi iletkendir. Au, Ag, Cu gibi Cu tam saf olarak elde edilmediğinden, Au ve Ag e göre biraz daha kötü iletken olmasına rağmen, ucuz ve bol olduğundan, en çok kullanılan metaldir. Atomlarında 2 ve 3 valans elektronu olan Fe (2 dış elektronlu) ve Al (3 dış elektronlu) iyi birer iletken olmamasına rağmen, ucuz ve bol olduğu için geçmiş yıllarda kablo olarak kullanılmıştır. 57

İletken Malzemeler 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.

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 Ag, Cu, Au, Al sayılabilir. Bir tasarım yapılırken malzemenin maliyeti önem kazanmaktadır. Bu noktada cevher maliyeti, cevher ayrıştırma maliyeti, imalat maliyeti gibi noktalar da önem kazanmaktadır.

Elektrik iletkeni olarak sıklıkla kullanılan materyallerin maliyet açısından karşılaştırılması. Eleman Dirençlilik (X10-8 Ω) Cevher Maliyeti Cevher Ayrıştırma Maliyeti İşlenmemiş Malzeme Maliyeti ($/ton) Fabrikasyon İşçilik Maliyeti Gümüş 1.61 yüksek düşük 100.000 düşük Bakır 1.70 orta orta 2700 düşük Altın 2.20 yüksek düşük 12.400.000 düşük Alüminyum 2.74 düşük yüksek 1850 düşük

Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler 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 İletken Malzemeler 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. Cu tel sargı çok telli Cu kablo

Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler Gümüş: Saf Ag, beyaz parlak renkte yumuşak bir metaldir. Au dan 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. Ag sargılı trafo Ag kablo

Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler Altın: Saf Au (%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. Ag, platin, Ni, Co, Cu ile alaşım yapmak suretiyle mekanik dayanımı yükseltilir ve kontakların yapışma eğilimi azaltılır. Au kaplamalı baskı devre kartları

Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler 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.

Diğer İletken Malzemeler METALLER ALAŞIMLAR Alüminyum Demir Çelik Çinko Kurşun Manganez Kalay Nikel Kadmiyum Tungsten Molibden Krom Tunç (Bakır+Kalay) Lehim (Kurşun+Kalay) Manganin (Manganez+nikel+ bakır) Krom-Nikel Pirinç (Bakır+Çinko) Konstantan (Nikel+Bakır) Nikelin (Bakır+Nikel) Sac

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 termometre ve barometre gibi bir çok alette kullanılır. Sıvı İletken Malzemeler

GAZLAR Gazlar normal şartlar altında yalıtkandır. Fakat uygun şartlar sağlanarak iletken hale getirilebilir. Gazlardaki iletkenlik, sıcaklıkla doğru, basınçla ters orantılı olarak değişir. Basıncı düşürülen gazlar elektrik akımını iyi iletirler. İçinde basıncı düşürülmüş gaz bulunan flüoresan aydınlatma amaçlı ve neon lambaları günümüzde reklam tabelalarında oldukça yaygın olarak kullanılan iletken gazlardır.

Sıvı İletken Malzemeler Su: Saf su renksiz, kokusuz ve tatsız bir sıvıdır. 0 0 C de donar, 100 0 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.

Yarı iletkenler, iletkenlik bakımından yalıtkan ile iletkenler arasındadır. Normal şartlarda yalıtkanlardır. Ama sıcaklığın etkisiyle iletken hale dönüşür. Bunun nedeni ise sıcaklık sayesinde bir miktar valans elektronunun serbest hale gelmesidir. Bu yüzden yarı iletkenler elektronikçiler tarafından oldukça sık kullanılmaktadır. Bileşik yarıiletkenler: Galyum Arsenid (GaAs), Galyum Fosfid (GaP) Saf (Has) GaAs için öz direnç ρ=80mω.cm Süper iletkenlik hali malzemenin direncinin 0 (sıfır) a düşmesiyle oluşur. Süper iletkenler sayesinde enerji kayıpsız bir şekilde transfer edilebilir. Bir maddenin direncinin sıfıra düşürülebilmesi için maddeye çok düşük sıcaklık uygulanmalıdır. 70

YARIİLETKEN MALZEMELER 71

Üretici şirketlerin yaygın olarak kullandığı bazı yarı iletken maddeler ve kullanım alanları: -Azot (N): N tipi yarı iletken oluşturmada. -Antimuan (Sb): N tipi yarı iletken oluşturmada. -Arsenik (Ar): N tipi yarı iletken oluşturmada. -Fosfor (P): N tipi yarı iletken oluşturmada. -Germanyum (Ge): Diyot, transistör, entegre vb. yapımında. -Silisyum (Si): Diyot, transistör, entegre vb. yapımında. -Bor (B): P tipi yarı iletken oluşturmada. -Galyum: P tipi yarı iletken oluşturmada. -İndiyum (In): P tipi yarı iletken oluşturmada. -Selenyum (Se): Diyot yapımında. -Bakır oksit (Cu 2 O): Diyot yapımında. 72

Yarıiletkenlerin kullanım alanları : - Sıcaklık ölçme - Işık şiddetini ölçme - Basınç ölçme - Işık yayıcı diyodlar - Doğrultucu diyodlar - Tranzistörler - Mikrochipler

Yalıtkanlar Elektrik akımını iletmeyen cam, mika, kağıt, kauçuk, lastik ve plastik gibi malzemelerdir. Elektronları atomlarına sıkı olarak bağlıdır. Bu maddelerin dış yörüngedeki elektron sayıları 8 ve 8 'e yakın sayıda olduğundan atomdan uzaklaştırılmaları zor olmaktadır. Bu tür yörüngeler doymuş yörünge sınıfına girdiği için elektron alıp verme gibi bir istekleri yoktur. Bu sebeple de elektriği iletmezler. Yalıtkan maddeler iletken maddelerin yalıtımında kullanılır. Yalıtkanlarda, değerlik elektronları iyonik ya da kovalent bağıyla atomlarına sıkı bir şekilde bağlı olduklarından, yüksek düzeyde enerji Ea verilmediği takdirde serbest hale geçerek elektriği iletemezler (6-7 ev). Bu nedenle, bir yalıtkanın elektriği iletebilmesi için değerlik elektronlarının aralığı atlamasına yetecek kadar büyük bir enerji altında 74 olması gerekir.

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 değişebilir.

Yalıtkan Cisimlerin 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 delinmesidenir. Elektrik ve elektronik çalışmalarında kullanılan el takımlarının sap izoleleri incelenecek olursa, burada yalıtkanın dayanabileceği son (maksimum) gerilim değeri yazılıdır. Örneğin penselerin sap izolesinde 10.000 Voltyazar. Bu, plastik yalıtkan 10.000 Volt'tan sonra iletken hale geçebilir anlamı taşır.

Yalıtkan Cisimlerin 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. 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.

Yalıtkan Cisimlerin 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.

Yalıtkan Cisimlerin 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. 4. Yalıtkanların ark dayanımları: Elektrik arkı etkisine maruz kalan bir yalıtkanın ne ölçüde akım geçireceği ve nasıl bir değişime uğrayacağı ancak test yapmakla anlaşılabilir.

5. 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.

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. A.B.S. kaplamalı mikser ve telefon

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

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. Otomobil panel göstergesi ve stop lambası

Seramik Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri 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. 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.

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.

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

Gazlar Gaz Yalıtkanlar 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.

Hava Gaz Yalıtkanlar 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.

Şalter Yağı: Sıvı Yalıtkanlar 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 özellikleri: Katılaşma noktası Parlama ve yanma noktası Isı iletimi Akıcılık (viskozite) v.b.