Malzemelerin Fiziksel Özellikleri Doç.Dr. Nil TOPLAN 2016 1
KONULAR 1. Hafta (15 Şubat): Elektriğin tanımı ve elektrik akımı iletimine göre malzemelerin sınıflandırılması 2. Hafta (22 Şubat): Elektronik iletkenlik (bant teorisi, ohm kanunu) 3. Hafta (29 Şubat): İyonik iletkenlik 4. Hafta (7 Mart): Yarıiletkenler (yarıiletken türleri, elementel yarıiletkenler) 5. Hafta (14 Mart): Yarıiletkenler (bileşik yarı iletkenler, yarıiletkenlerin uygulama alanları) 6. Hafta (21 Mart): Süper iletkenler (süperiletkenlik nedir, süperiletken türleri ve uygulama alanları 7. Hafta (28 Mart): Malzemelerin dielektrik özellikleri 8. Hafta (4 Nisan): Ferroelektrik ve pieozoelektrik davranış 9. Hafta (11 Nisan): Malzemelerin magnetik özellikleri (magnetizma ve türleri, magnetik alan, magnetik akı) 10. Hafta (18 Nisan): Malzemelerin magnetik özellikleri (Domain yapısı, histerezis eğrisi, sıcaklığın etkisi, Curie sıcaklığı, yumuşak ve sert magnetik malzemeler) 11. Hafta (25 Nisan): Malzemelerin termal özellikleri (ısı kapasitesi, spesifik ısı, termal iletkenlik) 12. Hafta (2 Mayıs): Malzemelerin termal özel. (termal genleşme, termal gerilme, termal şok) 13. Hafta (9 Mayıs): Malzemelerin optik özellikleri (elektromagnetik spektrum, kırılma, absorbsiyon ve geçirim) 14. Hafta (16 Mayıs): Malzemelerin optik özellikleri (fotonik malzemeler; laser, 2 fosforesans, luminesans, fluoresans)
DEĞERLENDİRME SİSTEMİ YARIYIL İÇİ SAYISI KATKI Ara Sınav 1 60 Kısa Sınav 2 30 Perf.(Uyg.) 1 10 TOPLAM 100 Yıl içinin Başarıya Oranı 60 Finalin Başarıya Oranı 40 TOPLAM 100 3
DERS GEÇME ALT SINIRI: 50 DERSE DEVAM ALT SINIR: %70
Malzeme Özellikleri Kimyasal Fiziksel Mekanik Boyutsal Bileşim Ergime noktası Çekme mukavemeti Standart boyutlar Mikroyapı Termal Tokluk Standart şekiller Faz Manyetik Süneklik Yüzey dokusu Tane boyutu Elektriksel Yorulma Kararlılık Korozyon Optik Sertlik Üretim toleransları Kristal şekli Akustik Sürünme Moleküler ağırlık Yoğunluk Basma
En iyi İletkenler Malzeme Gümüş İletkenlik 63 x 10 6 1/ohm.m Bakır Altın Alüminyum 59.6 x 10 6 1/ohm.m 45.2 x 10 6 1/ohm.m 37.8 x 10 6 1/ohm.m 6
En iyi Yalıtkanlar Malzeme Polietilen tereftalat (PET) Cam Kauçuk Özgül Direnç 10 20 ohm 10 14 ohm 10 13 ohm 300K de doğal katılar içinde elektrik iletkenliği en kötü olan sülfür olup; iletkenlik değeri 10-14 (ᾨm) -1 7
En yüksek yoğunluğa sahip Malzemeler Altın 19,300 kg/m 3 Uranyum 19,100 kg/m 3 Kurşun - 11,340 kg/m 3 Çelik - 7,800 kg/m 3 8
Dünyanın en hafif malzemesi aerojeller
10
Termal iletkenlik Termal genleşme Yalıtkan Malzeme 11
o Termal iletkenlik sabiti ısı transferinde önemli bir rol oynar. o Elektriksel iletkenliği iyi olan malzemelerin termal iletkenliği de iyidir. o Metaller iyi termal iletkendir. Daha sonra alaşımlar gelir. o Sıvıların iletkenliği bu malzemelerden azdır. o Gazların ise en düşüktür.
: Termal genleşme katsayısı 13
Elektrik sözcüğü Latince kehribar demek olan elektron kelimesinden türetilmiştir (Kehribar soyu tükenmiş bir soy ağacından oluşan reçinenin fosilleşmiş halidir ve bedenin elektriğini topladığından depresyona faydalı olduğu bilinmektedir). Antik Yunan da kehribarın sürtünmesi ile diğer nesneleri çektiği gözlemlenmiş ve bu güce elektrik adı verilmiştir. Elektriğin gerçeğe en yakın tanımlamasını yapan Benjamin Franklin e göre tabiattaki bütün maddelerin bünyesinde elektriksel bir akış vardır. Belirli iki madde arasındaki sürtünme, bu akıştan bir kısmının, miktar bakımından fazlalık meydana getirecek şekilde öteki maddeye geçmesine sebep olur. Akış negatif yüklü elektronlardan oluşmaktadır.
Elektrik ve magnetik olaylar milattan önce 700 lü yıllarda gözlenmiştir. Kehribarın sürtme ile elektriklendiği ve saman parçalarını ve tüyleri çektiği, Magnetitin Fe i çektiği gözlenerek magnetik kuvvetler keşfedilmiştir. Benjamin Franklin; 1740 larda elektrik üzerine farklı gözlemleri tutarlı bilime dönüştürmüş, Bir dizi basit deneyle 2 çeşit elektrik yükü olduğunu bulmuş ve bunları pozitif (artı) ve negatif (eksi) olarak adlandırmıştır. 15
STATİK ELEKTRİK Atomda proton ve nötrondan oluşan bir çekirdek ve çekirdeğin çevresindeki yörüngelerde hareket eden elektronlar bulunur. Elektrik yüklerinin kaynağı atomun yapısında bulunan elektron ve proton olup; Protonun yükü pozitif (+), elektronun yükü ise negatif ( ) dir. Nötr (Yüksüz) Cisim Bir cismin üzerindeki pozitif (+) yük sayısı, negatif yük sayısına eşit ise, nötr (yüksüz) cisimdir. Yüksüzün anlamı cismin içinde hiç yük olmaması değildir. Yalnızca (+) ve ( ) yük miktarının eşit olduğu anlamına gelir. Pozitif Yüklü Cisim Üzerinde(+) yük fazlalığı olan cisimlere pozitif yüklü cisim denir ve pozitif yüklü hale getirmek için cisimden elektron alarak (+) yük fazlalığı oluşturmak gerekir. Negatif Yüklü Cisim Üzerinde ( ) yük fazlalığı olan cisimlere ise negatif yüklü cisim denir. Herhangi bir yolla cisme ( ) yük verilirse, ( ) yük fazlalığı oluşur.
ELEKTRİKLENME ÇEŞİTLERİ 1.Sürtünme ile Elektriklenme Saç tarama sırasında ve yün kazağın çıkartılması sırasında duyulan çıtırtılar, otomobilden inerken kapı kolu ile el arasındaki elektrik akışı gibi olayların nedeni elektriklenmedir. Sürtünme ile elektriklenmede birbirine sürtünen cisimlerden biri diğerine elektron verir ve kendisi pozitif (+) yükle yüklenir. Elektron alan cisim üzerinde ( ) yük fazlalığı oluşacağı için negatif ( ) yükle yüklenir. Alınan yük verilen yüke eşit olduğu için yük miktarı eşittir. Cam çubuk ipek kumaşa sürtülürse, camdan ipeğe elektron geçişi olur. Cam çubuk (+), ipek kumaş ise ( ) yükle yüklenir. Plastik çubuk yünlü kumaşa sürtülürse, çubuk yünlü kumaştan elektron alır ve ( ) yükle yüklenir. Yünlü kumaş elektron verdiği için (+) yükle yüklenir. Alınan ve verilen yük miktarları eşit olacaktır.
Sürtünme ile elektriklenme yalıtkan cisimlerde gerçekleşen elektriklenme çeşididir. Yalıtkan cisimlerin serbest elektronları bulunmadığından dokunma ile yük alışverişi yapamazlar. Bu cisimlerin yüklenebilmesi için elektronlarının kuvvet yardımıyla serbest hale geçmesi gerekir. Bunu da yalıtkan cisimlerin başka maddelere sürtünmesi ile sağlanır.
19
20
21
2. Dokunma ile Elektriklenme Yüklü bir cisim nötr bir cisme dokundurulduğunda mevcut yükünü paylaşırlar ve nötr cisimde yüklenir. Bu tür yüklenmeye dokunma ile elektriklenme denir. Şekilde ( ) yüklü K küresi nötr L küresine dokundurulduğunda, K den L ye elektron geçişi olur ve sonra dengeye gelirler. Eğer K cismi (+) yüklü olsa idi, nötr L küresinden ( ) yükler K küresine geçer ve her ikisi de (+) yüklü olurdu. L K
Dokunma ile elektriklenme iletken cisimler arasında gerçekleşir. Yüksüz iletken bir cisim, elektrik yükü taşıyan başka bir iletken cisme dokundurulduğunda yüksüz cisim yüklü cisim yardımıyla yüklenir. Birbirine dokundurulan cisimler toplam yükü yarıçapları oranında paylaşırlar ve yük dağılımı hesabı şekilde gösterilmiştir.
Dokunma ile Elektriklenmede elektriklenmede; Pozitif yükler hareket edemezler hareket eden negatif yüklerdir. Birbirine dokundurulan cisimler kesinlikle zıt yüklerle yüklenmezler. -ikiside nötr olabilir. -ikisi de ( + ) olabilir. -ikiside ( ) olabilir. Yüklü iletken cisimlerin sivri uçlarında daha fazla yük bulunur. Çünkü yükler aynı tür olduğu için birbirinden uzakta olmak isteyeceklerdir.
3. Etki İle Elektriklenme (Tesir İle Elektriklenme) En az biri yüklü iki cismin birbirine yaklaştırılmasıyla cisimlerde yük dengesi ve dağılımının değişmesidir.
Elektrik akımı çoğu kez elektronların yönlenmiş akışı sonucu oluşurken, bazı durumlarda elektrik akımı iyonların hareketi ile de sağlanabilir. İletkenlik kısaca malzemelerin elektrik akımını iletme yeteneğidir. Elektriksel yük taşıyıcılardan - e ile yayınan (-) yüklü iyonlar (anyon), eksi yük taşıyıcı, - e boşlukları ile yayınan (+) yüklü iyonlar (katyon) artı yük taşıyıcılardır. Bir malzemenin iyi bir iletken olup olmadığı malzemenin her iki ucuna bir potansiyel farkı tatbik edilerek anlaşılabilir. Elektriği ileten maddelere iletken, elektrik akımını iletmeyenlere yalıtkan ve bunların tam arasında bulunan malzemelere yarıiletken, elektriği olduğundan çok fazla iletenlere ise süper iletken malzemeler denir. 26
SÜPERİLETKENLER Bazı malzemelerin belli bir sıcaklığın altında elektrik dirençleri sıfırdır. Bu malzemeler süperiletkenler olarak adlandırılmaktadır. Hg ve Sn normal ortam sıcaklığında zayıf iletken olmalarına rağmen; düşük sıcaklıklarda süperiletkenlik özelliği gösterirler. Ag ve Cu ise normal ortam sıcaklığında çok iyi iletken olmalarına rağmen süperiletken özelliği göstermezler. 27
Süperiletkenler üzerinde yapılan çalışmaların temel hedefi kritik sıcaklığı (Tc) oda sıcaklığına yakın olan malzemeyi keşfetmektir. Bu konuda özellikle oksit seramikler üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. 1988 yılında ise BiSrCaCuO sisteminin 20-110 K arasında süperiletken olan 3 değişik fazı keşfedilmiştir. Kısa süre sonrada TlBaCaCuO ve HgBaCaCuO malzemelerinin değişik fazlarının 20-133 K arasında süperiletkenlik gösterdiği hatta HgBaCaCuO sisteminin 30 GPa gibi yüksek basınç altında ~164 K de süperiletken olduğu keşfedilmiştir. Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.33 malzemesi için kritik sıcaklık değeri 138 K olarak kaydedilmiştir. Süperiletkenler hızlı trenlerde, tıpta ve askeri amaçlı elektronik cihazlar olmak üzere pek çok alanda kullanılmaktadır. 28
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. 29
Elektrik ve elektronik uygulamalar için malzeme seçmek ve kullanmak elektrik iletkenliği gibi özelliklerin nasıl üretildiğinin ve denetlendiğinin anlaşılmasını gerektirir. Ayrıca, elektriksel davranışın, malzeme yapısından, malzemenin işlenişinden ve malzemenin maruz kaldığı çevreden etkilendiği bilinmelidir. Bu nedenle malzemelerin atomik yapı ve elektronik düzenlerinin iyi bilinmesi, temel elektrik yasalarının hatırlanması gerekmektedir.
Malzemelerin fiziksel davranışları, çeşitli elektrik, manyetik, optik, ısıl ve elastik özelliklerle tanımlanır ve çoğunlukla, atomik yapı (elektronik yapı, bandlar), atomik dizilme ve malzemenin kristal yapısı ile belirlenir. Atomik yapıda, iletken ve valans bandlar, elektronlar arasındaki geçişleri belirleyerek, malzemelerin iletken, yarı iletken ya da yalıtkan olmalarını sağlamaktadır. Bunun yanında, ferromanyetik davranış, yayınma ve saydamlık gibi özellikler de atomik yapıya bağlıdır. Fiziksel özellikler, atomların kısa mesafeli ve uzun mesafeli diziliş düzenini değiştirmekle ve de atomik dizilmede yabancı atomları katmakla ve kontrol etmekle önemli ölçüde değiştirilebilmektedir. 31