YALITKANLAR & DİELEKTRİK ÖZELLİKLERİ Dielektrikler elektriksel olarak yalıtkan malzemelerdir. Malzemenin elektriksel özelliğinin enerji band yapısına bağlı olduğunu söylemiştik. Yalıtkan malzemelerde enerji band yapısı Boş iletim bandı Yasak band aralığı elektronlarla dolu değerlik bandı ile boş iletim bandı arasında geniş bir enerji boşluğu yasak band aralığı (>2eV) biçiminde idi. Dolu Değerlik band Bu yapı elektronların kolayca iletim bandına atlayarak iletime katılmasına imkan tanımaz. Peki dielektrik malzemeler uygulanan elektrik alana nasıl tepki verirler??? 2 1
Dielektrik malzemelerin yapısında serbestçe dolaşan elektronlar bulunmaz ancak yine de yapı içinde var olan yüklü parçalıklar uygulanan dış elektrik alandan etkileneceklerdir. Dielektrik malzemeler atomik ya da moleküler düzeyde (+) ve (-) yük parçalarının birbirinden belli uzaklıklarda bulunması ile oluşan ve elektrik dipol momenti olarak adlandırılan yapılara sahiptirler ya da sahip olabilirler. Dielektrik malzemelerin elektriksel davranışının kaynağı da söz konusu elektriksel dipol momentleridir. 3 Elektrik Dipol Momenti Elektrik dipol momenti dielektrik teoride önemli bir kavramdır ve birbirinde sonlu d mesafesi kadar ayrılmış aynı büyüklüklü fakat zıt işaretli bir yük çiftinin elektrostatik etkisinin ölçüsü olarak tanımlanır. p = Qd Net yükü 0 olmasına rağmen bu yapı elektrik alan oluşturur ve diğer kaynakların oluşturduğu elektrik alandan etkilenir. 4 2
Dielektrikleri iki gruba ayırabiliriz. İlk grup dielektrik malzemeler, polar olmayan dielektrikler olarak adlandırılırlar. Bu gruba giren malzemelerde, moleküller kendiliğinden bir elektriksel dipol momentine sahip değillerdir. Bu malzemelerde elektrik dipol momenti malzemeye bir dış elektrik alan uygulanması ile indüklenir. Polar olmayan dielektriklerde bir dış elektrik alan olmadığı durumda, moleküllerin pozitif ve negatif yük merkezleri çakışık halde bulunur. Ancak elektrik alan uygulandığında üzerine etki eden elektriksel kuvvet nedeni ile başlangıçta çakışık olan yük merkezleri kayarak birbirinden ayrılır ve böylece bir elektriksel moment indüklenmiş olur. dipol 5 İkinci grup ise kalıcı elektriksel dipol momentine sahip olan Polar Dielektrikler dir. Su bu grup için güzel bir örnektir. p Su molekülü geometrisinden dolayı sürekli elektriksel dipol momentine sahiptir. Bir dış elektrik alan yoksa polar dielektrik malzemede dipol momentler tamamen rasgele yönelmiş durumda bulunurlar. E 0 gibi bir dış elektrik alan etkisi altında kaldığında dipoller üzerine etkiyen tork onları dış alanla aynı yönlü yönelmeye zorlar. Bu durum dielektriğin kutuplanma sı olarak adlandırılır. 6 3
Kutuplanma / Polarizasyon kalıcı ya da indüklenmiş dipol momentlerinin uygulanan dış elektrik alan etkisi ile alan yönünde yönelmesidir. Dielektrik malzemelerde polarizasyon 3 farklı mekanizma ile ortaya çıkabilir. 1.Elektronik Polarisazyon 7 2.Dipolar ya da yönelimsel polarizasyon From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005) 8 4
3. İyonik Polarizasyon Bu tür polarizasyon NaCl, KCl, gibi iyonik kristallerde görülür. İyonik kristaller tanımlanmış örgü konumlarında bulunan Na + ve Cl - gibi birbirinden farklı iyonlar içerir ve her zıt işaretli komşu iyon çifti bir dipol momenti oluşturur. Bir dış elektrik alan yokken eşit büyüklükte dipol momentler zıt yönde yönelmiş olduklarından net dipol momentini 0 yaparlar ve kristal kutuplanmamıştır. +x yönünde bir elektrik alan uygulandığında (-) yüklü iyonlar x yönünde itilirken, (+) yüklü iyonlar +x yönünde itilir ve dipol momentinin büyüklükleri değişir. Buda dış alan yönünde net bir dipol momentine ve malzemenin kutuplanmasına sebep olur. From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005) 9 Ayrıca trafo veya kapasitörlerde olduğu gibi farklı dielektrik yalıtkanların bir arada kullanıldığı durumlarda iki farklı dielektriğin bir araya geldiği bölgelerde yüklerin yoğunlaşma olayına sınır alanı polarizasyonu ya da yüzeyler arası polarizasyon denir. 10 5
d Bir kapasitörün uçları arasına bir potansiyel farkı uygulandığında plakalardan biri +Q diğeri Q yükü ile yüklenir ve plakalar arasında (+) dan (-) ye yönelmiş bir elektrik alan oluşur. Kapasitörün yük biriktirebilme yeteneği kapasitans olarak adlandırılır ve C o = Q o V olarak tanımlanır. C o = Plakara arası boşluk olan paralel plakalı kapasitörün kapasitansı Q o = Plakalar üzerinde biriken yük miktarı V = Plakalar arasına uygulanan potansiyel farkı 11 Bir kapasitörün kapasitansı geometrisine bağlıdır. Paralel plakalı kapasitör için Burada C = ε o 0 olarak verilir. A d A: plakaların alanı d: plakalar arası mesafe ε 0 : boşluğun elektriksel geçirgenliği dir. 12 ε 0 = 8.85*10 F / m Kapasitörün plakaları arasına bir dielektrik malzeme yerleştirilirse kapasitörün kapasitansı yani birim voltaj başına yük depolama yeteneği bağıl geçirgenlik ya da dielektrik sabiti, ε r olarak adlandırılan faktör kadar artar. 12 6
Plakalar arası boşluk iken C Q = = ε V o o 0 A d Plakalar arası dielektrik malzeme yerleştirildiğinde C ε = ε ε 0 Q = = ε ε V o 0 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005) 13 r r A d ε : mutlak geçirgenlik ε r : bağıl geçirgenlik ya da ortamın dielektrik sabiti Plakalar arası dielektrik malzeme yerleştirildiğinde depolanan yükte meydana gelen artış uygulanan elektrik alana bağlı olarak dielektrik malzemenin kutuplanmasından kaynaklanır. ε C ε r = = ε C 0 Q = Q 0 0 Dielektrik malzeme konulduğunda elektrik alanın değişmediğini hatırlamak önemlidir! Potansiyel fark değişmediğinden gradiyenti yani elektrik alanı da değişmez. d V E = V = E.d l x E V = d 0 14 7
Net yükün 0 olduğu bölge Polarizasyon yolu ile ortaya çıkan Q p yüzeysel polarizasyon yükleri Polarizasyon yolu ile ortaya çıkan +Q p yüzeysel polarizasyon yükleri Q p ve +Q p bağlı yükleridir, malzemenin kutuplanması sonucu oluşurlar ve yüzeysel polarizasyon yükleri olarak isimlendirilirler. Ortamın kutuplanması Polarizasyon vektörü, P adı verilen bir nicelikle ifade edilir. Polarizasyon vektörü birim hacimdeki toplam dipol moment olarak tanımlanır. 15 p toplam Kutuplanmış dielektrik malzemeye tek başına baktığımızda basitçe birbirinden d mesafesi kadar ayrılmış Q p ve +Q p yüzey yükleri biçiminde düşünebiliriz. Bunu da büyük bir dipole benzetebiliriz. = Q d p O halde Polarizasyon vektörünün büyüklüğü P p toplam Q pd Q p = = = = σ hacim Ad A p yüzeysel polarizasyon yük yoğunluğu 16 8
Bir dielektrik malzeme bir elektrik alana konulduğunda malzemede indüklenen polarizasyon elektrik alana bağlıdır. 0 e Bu eşitlik E etkisi ile oluşan tepkiyi (P) ifade eder. χ e etkiyi tepkiye bağlayan niceliktir ve elektriksel duygunluk olarak isimlendirilir. P = ε χ E Serbest yükler ile polarizasyon yüklerinin farklı olduğuna dikkat etmek önemlidir. Plakalarda oluşan Q yükleri serbest yüklerdir. Metal içindeki serbest elektron hareketi ile oluşurlar. Ancak Q p ve +Q p polarizasyon yükleri atom yada moleküllere bağlı yüklerdir. Dielektrik içinde ya da yüzeyde serbestçe hareket edemezler. 17 Aslında elektrik akımını hiç geçirmeyen madde yoktur. Yalıtkan olarak bilinen maddeler "çok az" bir akım geçirirler yani elektriksel iletkenlikleri çok düşük özdirençleri ise yüksektir. Gerçekte bir yalıtkanın dayanabileceği bir kritik elektriksel alan şiddeti (>10 8 V/m) vardır. Uygulanan gerilim kritik bir değeri aşarsa değerlik bandındaki elektronlar yasak band aralığını atlayarak iletim bandına çıkabilirler. Yüksel enerji kazanan bu elektronlar ivmelenerek diğer elektronlara çarpıp onları da üst enerji seviyesine uyarabilirler Sonuç olarak, kritik değer aşılınca yalıtkan tamamen iletken olur. Buna yalıtkanın delinmesi (electrical breakdown) denir. Bu kritik değer ise dielektrik mukavemet ya da dielektrik dayanımı olarak adlandırılır. 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 Volt yazar. Bu, plastik yalıtkan 10.000 Volt'tan sonra iletken hale geçebilir anlamı taşır. 18 9
19 Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Seramikler Seramikler çoğunluğu metal ve ametal malzemelerin karışımından meydana gelen oksitlerdir. İyi derecede elektriksel yalıtkan özelliğe sahiptirler. Elektronikte direnç, kapasitör v.b. devre elemanı yapımında ve Yüksek sıcaklık ve gerilmelere maruz kalan devrelerde (örnek: yüksek gerilim hatları, motor bujileri) kullanılmaktadır. Seramik izolatörler ve soket 20 10
Cam Silisyum, sodyum, potasyum karbonatları, kireç ve kurşun oksitleri gibi türlü maddelerin ergitilmelerinden elde edilir. Esas rengi saydam ve şekilsizdir. Sıcak olarak şekil verilebilir. Su, yağ ve asitlerden etkilenmez. Kırılgan olup ani ısı değişimlerinde çatlama eğilimi gösterir. Cam izolatörler Kondansatörlerde dielektrik malzemesi, Havai hat izolatörleri, Akümülatör ve pil kapları yapımında kullanılır. Ayrıca elektrikli aydınlatma cihazlarında da kullanılır. 21 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. Porselenler alçak ve yüksek gerilim havai hatlarında, telefon hatlarında, izolatör yapımında kullanılır. Ayrıca anahtar, şalter, sigorta, duy, priz gibi tesisat malzemeleri de yumuşak porselenden yapılır. Porselen izolatörler 22 11
Polivinilklorür PVC Polivinilklorür veya kısaca PVC en çok kullanılan izolasyon malzemelerinden biridir. 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. 23 12