Dielektrik malzeme DİELEKTRİK ÖZELLİKLER Dielektrik malzemeler; serbest elektron yoktur, yalıtkan malzemelerdir, uygulanan elektriksel alandan etkilenebilirler. 1 2 Dielektrik malzemeler Elektriksel alan etkisinde elektronlar ve atomlar yer değiştirir, dolayısıyla elektriksel yük merkezleri kayar, bunun sonucu elektriksel kutuplaşma oluşur. Oluşan elektriksel kutuplar malzeme yüzeyinde elektriksel yük birikimi sağlar. Kondansatör üretiminde kullanılırlar Elektriksel Kutuplaşma Bir kütle içinde artı elektriksel yük merkezi ile eksi elektriksel yük merkezi çakışmazsa elektriksel kutuplaşma (polarizasyon) oluşur. Asimetrik veya polar molekülerde asimetrik dağılan elektronların ortak eksi yük merkezi, kütlenin ağırlık merkezindeki protonların sahip olduğu ortak artı yük merkezinin dışındadır. Bu şekilde oluşan kutuplaşma süreklidir. 3 4 Diğer taraftan bireysel atomlar ve simetrik moleküllerde zıt işaretli yük merkezleri çakışıktır ve net kutuplaşma yoktur. Ancak bunlara elektrik alanı uygulanırsa elektronların ortalama konumu eksi elektroda doğru bir miktar yer değiştirir. Böylece dış etki ile geçici kutuplaşma oluşur, alan kalkınca kutuplaşma kaybolur. Kutuplaşma Türleri Elektronik kutuplaşma Elektriksel alan etkisi yokken elektronlar çekirdek çevresinde homojen dağılmıştır ve yük merkezleri çakışıktır. Elektriksel alan uygulanınca eksi yüklü elektronlar alanın artı elektroduna, artı yüklü çekirdek eksi elektroda doğru az yer değiştir. Elektriksel alan kalkınca kutuplaşma kaybolur. 5 Tüm dielektrik malzemelerde elektronik kutuplaşma görülür. 6 1
İyonsal kutuplaşma İyonsal bağlı malzemelerde görülür. İyonsal malzemelerde net elektriksel yük sıfırdır ve kutuplaşma yoktur. Ancak elektriksel alan uygulanırsa, artı iyonlar eksi elektroda, eksi iyonlar artı elektroda doğru yer değiştirir. İyonların kütlesi elektronlara göre daha büyük olduğundan yer değiştirme daha güç gerçekleşir. - Yönsel kutuplaşma Asimetrik molekülerde kütlenin ağırlık merkezinde olan artı yük merkezi ile elektronların ortak eksi yük merkezi çakışmaz, dolayısıyla sürekli kutuplaşma görülür. Buna yönsel veya moleküler kutuplaşma denir. Elektriksel alan uygulanınca mevcut kutuplar alan etkisinde yönlenir. Elektriksel alan kalkınca kutuplar geri dönmeye çalışır, bazı malzemelerde geri dönüş tam olmayabilir, bazıları ise dönük olarak kalır. 7 8 Yönsel kutuplaşma Vektörel olarak gösterim: Bazı çok fazlı yapılarda fazlar arasına çökelen iletken fazların varlığı kuvvetli kutuplaşma sağlayabilir. Yerel kutuplaşma Özellikle yalıtkan bir ana faz (seramik) içinde dağılmış çok küçük iletken parçacıklarda (metal) alan etkisinde büyük ölçüde elektron hareketi kuvvetli _ kutuplaşma oluşturur. Elektriksel alan yok Elektriksel alan var 9 10 Dielektrik özellikler 1. Dielektrik sabit 2. Dielektrik mukavemet 3. Ferroelektrik özellik 4. Piezoelektrik özellik Dielektrik Sabit Elektriksel kutuplaşma malzeme yüzeyinde elektriksel yük birikimine neden olur. Dielektrik malzemede kalıcı kutuplaşma varsa yük birikimi kendiliğinden oluşur. Kalıcı kutuplaşması olmayan bir malzemeye elektriksel alan uygulanınca dış etki ile kutuplaşma meydana gelir, dolayısıyla yüzeyde elektriksel yük birikimi olur. Her iki halde de yüzeyindeki elektriksel yük yoğunluğu elektriksel alan şiddeti ile oranlıdır. Elektriksel alan şiddeti : E = V/d (volt/cm) 11 12 2
Levhaların arasında vakum varsa, elektriksel yük yoğunluğu q 0 (el/cm 2 ), q 0 = k 0 E = k 0 (V/d) Burada k 0 : vakumun dielektrik sabiti (orantılılık katsayısı) k 0 = 8,85x10-10 E : elektriksel alan 13 Eğer iletken levhalar arasına bir malzeme konursa elektriksel yük yoğunluğu q m =k m E Burada k m : malzemenin dielektrik sabitidir. Uygulamada k m dielektrik sabit yerine, onun vakumun dielektrik sabitine oranı; = k m / k 0 : bağıl dielektrik sabit kullanılır. Dielektrik sabiti ( ) bir malzeme özelliğidir. 14 Dielektrik Mukavement Elektriksel yalıtkanın temel özelliği özgül dirençtir. Gerçekte bir yalıtkanın dayanabileceği bir kritik elektriksel alan şiddeti vardır. Uygulanan gerilim kritik bir değeri aşarsa yalıtkanda, özellikle kusurlu bölgelerde mevcut elektronlar enerji aralığını atlayarak serbest hale geçer, bunlar da diğer elektronlara çarparak bir elektron seli oluşturabilirler. Sonuç olarak, kritik değer aşılınca aşırı akım sonucu dielektrik malzeme yanma, kavrulma veya ergime şeklinde tahrip olur ve yalıtkanlık işlemi sona erer. Bu kritik değere (elektrik alan) dielektrik mukavemet denir. 15 16 Ferroelektrik Özellik Elektriksel alan değişken ise yerel kutupların yönlenmesi eşzamanlı olmaz Elektriksel yükün alanla bir kapalı eğri şeklinde değişimi kutuplaşmanın tersinir olduğunu gösterir. Bu özelliğe ferroelektrik özellik ve buna sahip malzemelere de ferroelektrik malzemeler denir. Kapalı eğri içinde kalan alan bir çevrim boyunca kutupları döndürmek için sarf edilen enerjiyi verir. Dielektrik kayıp denen bu enerji ısıl enerji halinde çevreye yayılır. Ferrolektrik özelliğe sahip malzemeler ayrıca piezoelektrik özelliğe de sahiptirler. D:kalıcı yük yoğunluğu (elektriksel alan sıfıra döndüğünde kutupların bir kısmı ilk konumuna dönerken bir kısmı yönlenmiş olarak kalır) 17 Piezoelektrik özellik Sürekli kutuplaşmaya sahip bir asimetrik iyonsal kristale basınç uygulanırsa kutuplar arası uzaklık azalır, yüzeyinde yük birikimi değişir, dolayısıyla iki uç arasında bir gerilim farkı doğar ve bir iletkenle birleştirilirse akım akar. Böylece mekanik etki elektriksel büyüklüğe dönüşür. 18 3
Piezoelektrik özellik Diğer taraftan aynı kristalin iki ucu arasına bir gerilim uygulanırsa uçlarda yük yoğunluğu değişir, alan doğrultusunda dipol moment artar ve bunun sonucu kristalin boyu büyür. Alanın yönü değişirse aynı işaretli yükler birbirlerini iter ve kristalin boyu kısalır. Böylece elektriksel etki mekanik büyüklüğe dönüşür. Bu davranışa piezoelektrik özellik denir. Baryum titanat ve kuvartz kristali çok kullanılan iki önemli piezoelektrik malzemeleridir. 19 Ferroelektrik malzemeler Piezoelektrik malzemeler SiO 2 (kuvars) kristali piezoelektrik özelliğe sahiptir. Elektrik alan etkisinde kutuplaşmanın etkisi artıp eksilebilir ancak kutuplar yer değiştirmez, tersinir olmaz. Dolayısıyla ferroelektrik özellik göstermez 20 Kutuplaşmalar genelde tersinir, Değişken alanda yön değiştirirler. Ancak elektronların, atomların ve kutup çiftlerinin yön değiştirmesi ve hareket etmesi için belirli bir süreye ihtiyaç vardır. Kutuplaşmanın oluşması için gerekli süreye tekrar yönlenme süresi veya rölaksasyon süresi denir. Rölaksasyon süresinin tersine ise rölaksasyon frekansı denir. 21 22 1. Yeterli süre yoksa: kutuplaşma elektriksel alan değişiminin gerisinde kalır veya hiç oluşmaz. q 2. Elektriksel alan ve kutuplaşma değişimi eş zamanlı ise enerji kaybı olmaz. E Dielektrik sabiti 3. Kutuplaşma elektriksel alanın gerisinde kalırsa bir faz farkı doğar. Alan ile yük yoğunluğu farklı zamanlarda maksimuma ulaşır. Enerji kaybı oluşur. 23 Alternatif elektrik alanın frekansı 24 4
Sıcaklığın Dielektrik Özelliklere Etkisi Sıcaklık Elektronların ve atomların enerjileri Kutuplaşma Dielektrik sabiti (k) Dielektrik Malzemelerin Kullanım Alanları Dielektrik malzemeler kullanım alanlarına göre üç grupta toplanabilirler: a) Yalıtkan malzemeler: Özgül direnç ile dielektrik mukavemetleri yüksek, dielektrik sabit küçük, dolayısıyla dielektrik kaybı küçük olan malzemelerdir. b) Kapisatör malzemeleri: Üzerinde elektriksel yük biriktirerek ani akım değişimlerinde aşırı yük artmasını önler, böylece diğer devre elemanlarını korurlar. c) Piezoelektrik malzemeler: 25 26 Yalıtkan malzemeler Polimerler Üretimleri kolay ve ucuz Yüksek sıcaklık uygulamalarına elverişsiz (özellikle termoplastikler) Priz, fiş, sigorta gövdeleri gibi elemanlarda termoset plastikler kullanılır. Seramikler Yüksek sıcaklık ve gerilmelere maruz devrelerde (örnek: yüksek gerilim hatları, motor bujileri) 27 5