elektrİk malzemelerİ (nil toplan)

1

ELEKTRĠKSEL MALZEMELER-A

(2010-2011)

Yrd.Doç.Dr. Nil TOPLAN

METALURJĠ VE MALZEME MÜH. BÖLÜMÜ ÖĞRETĠM ÜYESĠ

2

KONULAR

-Malzeme bilimine giriĢ, malzemelerin sınıflandırılması

-Atomik yapı, atomun elektronik yapısı

-Atomlararası bağlar (kovalent, iyonik, metalik ve vander walls bağlar)

-Atomlararası denge mesafesi ve etkileyen faktörler

-Atomik düzen, amorf, moleküler ve kristal yapılar, Koordinasyon

sayısı, Atomik dolgu faktörü

-Teorik yoğunluk, Allotropik ve polimorfik dönüĢümler, Kristal doğrultu

ve düzlemleri

-Hacimsel, düzlemsel ve doğrusal atom yoğunlukları

-Kristal yapı hataları, Dislokasyonlar, noktasal, çizgisel ve düzlemsel

hatalar

-Malzemelerde atom hareketleri

-Malzemelerin mekanik özellikleri

-Elektriksel iletkenlik, enerji bantları

-Elektriksel malzemeler, iletkenler, yarıiletkenler, yalıtkanlar

-Manyetik malzemeler ve özellikleri

3

GĠRĠġ

Genel anlamda bir amacı gerçekleĢtirmek için kullanılan her madde

malzeme adını alır. Malzemeler atomların farklı düzenlerde bir araya

gelmesi ile meydana gelirler. Atomlar farklı düzenlerde ve yapılarda

birbirleri ile bağlanmalarına göre malzemeler metal, seramik,

polimer, kompozit ve yarı iletken olarak sınıflandırılırlar.

Metaller

Seramikler

Polimerler (Plastik malzemeler)

Yarıiletkenler (Elektronik malzemeler)

Kompozitler (Karma malz.)

Bir mühendisin mevcut binlerce malzeme özelliklerini tamamı ile

bilmesi ve geliĢmeleri izlemesi çok zor olduğundan; bütün malzeme

özelliklerini etkileyen ve oluĢturan prensipleri iyi anlaması gerekir.

4

Malzeme Türleri

Metalik Malzemeler

Çelik, alüminyum, bakır, çinko, dökme demir, titanyum ve nikeli kapsayan

metal ve alaşımlar genellikle iyi termal ve elektrik iletkenliğine nispeten

yüksek dayanıma, kolay şekillendirilebilme özelliğine ve yüksek darbelere

dayanan malzemelerdir. Saf metaller zaman zaman kullanılmalarına

rağmen genellikle alaşımlar adı verilen metal karışımları arzu edilen belirli

bir özellikte gelişme sağlamak veya daha iyi özellikler elde etmek için

kullanılır. Alüminyum çevre dostu bir metaldir. Para yapımında kullanılan

monel metal alaşımı %30 bakır %70 Nikel içermektedir. Çelik saç üzerine

çinko kaplama galvanizleme, kalay kaplı saç ise teneke olarak bilinir.

Şekil . Metalik malzeme

örnekleri

5

Demir AlaĢımları

Demir alaĢımları (Ana bileĢen demir) diğer metal ve alaĢımlara oranla çok

daha büyük miktarlarda üretilip, kullanılan malzemelerdir. Bunlar özellikle

mühendislik yapı malzemesi olarak çok önemlidirler.

En önemli demir alaĢımları, ÇELĠK ve DÖKME DEMĠR’dir.

Çelikler demir-karbon alaĢımı olup diğer alaĢım elementlerini de belli

oranda içerebilir. Binlerce farklı kompozisyonda ve/veya farklı ısıl

iĢleme sahip çelik çeĢiti mevcuttur. Mekanik özellikler kompozisyona

ve uygulanan ısıl iĢleme bağlıdır.

-Sade Karbonlu Çelikler

1. Az Karbonlu, 2. Orta karbonlu, 3. Yüksek karbonlu çelikler

-AlaĢımlı Çelikler

1. Az alaĢımlı, 2. yüksek alaĢımlı çelikler

9

Az Karbonlu %(0-0,20 C ) Çelikler

Dünya çelik üretiminin en büyük miktarını kapsayan bu çelik türüne, yassı

çelikler ile inşaat sektörü ve temel yapılarda kullanılan çelik çubuk ve

profiller örnek olarak verilebilir. Yüzeyleri sert iç tarafları yumuşaktır. Kaynak

ve imalat için işlenebilirlikleri çok iyidir. Şekillendirilmeleri en yüksek olan bu

çelikler dövme, preste şekillendirme işlemlerinde tercih edilirler. Kimyasal

bileşimleri:

C %0-0,20

Mn %0,30-0,60

Si %0,10-0,20

P %0,04 max

S %0,05 max

Orta Karbonlu %(0,20-0,50 C )

Isıl işlemler ile yeterli oranda sertleştirilebilmektedirler. Makine sanayiinin

tercih ettiği çeliklerdir.Şekillendirilmeleri az karbonlu çeliklerden zordur.

Kimyasal bileşimleri:

C %0,20-0,50

Mn %0,60-0,90

Si %0,15-0,30

P %0,04 max

S %0,05 max

11

Yüksek Karbonlu C %si >0.5

Yüksek karbon çelikleri % 0.60 - % 1.4 arasında karbon içeren en sert,

en dayanıklı ve en düşük sünekliğe sahip karbon çelikleridir. Bu çelikler

yüksek aşınma dayancına sahip olup; neredeyse tamamı sertleştirilmiş

ve menevişlenmiş halde kullanılırlar. Takım ve kalıp çelikleri yüksek

karbon alaşımları olup, genellikle krom, vanadyum, tungsten ve

molibdenyum içerirler.

Kimyasal bileşimleri:

C %0,50 den fazla

Mn %0,70-1

Si %0,15-0,30

P %0,04 max

S %0,05 max

12

AlaĢımlı Çelikler

-Az AlaĢımlı

Alaşım elementi veya katılan alaşım elementlerinin toplam miktarı

%5 den az olması halinde az alaşımlı çelikler oluşur.

-Yüksek AlaĢımlı

Alaşım elementi veya katılan alaşım elementlerinin toplam miktarının %5

den yüksek olması halinde yüksek alaşımlı çelikler oluşur.

Paslanmaz Çelikler

Paslanmaz çelikler değişik ortamlarda korozyona (paslanmaya) karşı

oldukça yüksek direnç gösteren çeliklerdir. Bu malzemelerin temel alaşım

elemanı Cr olup çelikteki ağırlık oranı en az % 11 olmalıdır. Korozyon

dayancı nikel ve molibdenyum eklenerek artırılabilir. Paslanmaz çelikler

mikroyapılarına göre martensitik, ferritik, östenitik paslanmaz çelikler

olarak üç kısma ayrılır.

13

Dökme Demirler

Dökme demirler genellikle % 2.4’ün üzerinde karbon içeren demir

alaşımları olup, pratikte dökme demirlerin çoğunluğu % 3.0 - % 4.5

arasında karbon ile birlikte diğer alaşım elementlerini içerir. Genel

olarak dökme demirler:

-Gri Dökme Demir

-Sünek, Küresel (veya Nodüler) Dökme Demir

-Beyaz Dökme ve Temper (Malleable) Demir şeklindedir.

14

Alüminyum ve AlaĢımları

Alüminyum ve alaşımları çeliğe oranla oldukça düşük yoğunlukları (2.7

g/cm3), yüksek elektrik ve ısıl iletkenlikleri ve atmosfer şartları da dahil

olmak üzere bir çok ortamda korozyona karşı yüksek dayanımları olan

malzemelerdir. Bu alaşımların çoğu yüksek sünekliklere sahip

olmalarından dolayı kolayca şekillendirilebilmektedir.

Mühendislik malzemeleri olarak alüminyum alaşımları ve diğer düşük

yoğunluklu malzemeler (örneğin, Mg ve Ti) yakıt tüketiminde büyük

azalma sağladıkları için taşımacılık sektöründe özel bir önem

kazanmışlardır.

Bu malzemelerin sahip oldukları önemli avantaj özgül mukavemetlerinin

(Mukavemet/yoğunluk) çok yüksek değerlerde olmasıdır.

16

Titanium Saves the Day!

St. Mark's Campanile, the free-standing bell

tower of St. Mark's Basilica in Venice, is to

be reinforced by twelve tons of titanium to

prevent it from leaning or even toppling.

Originally built in the 10th century, the

Campanile collapsed in 1902 and was

rebuilt. It stands on St. Mark's Square and, at

almost 300 feet, is the tallest building in the

city. However, its foundation is built on

wood piles which, over time, have been

weakened by saltwater. In a complex process

scheduled to take two years, a system of

titanium rods connected by titanium nuts and

held together by eight titanium plates will be

fastened around the existing foundation. The

tension created in this way will prevent

distortion of the foundation and guarantee its

long-term stability.

17

Seramikler

Tuğla, cam, porselen, refrakterler ve aĢındırıcılar gibi seramik

malzemeler düĢük elektrik ve termal iletkenliklere sahiptirler ve

yalıtkan olarak da kullanılabilirler. Seramik malzemeler sert olmalarına

rağmen; darbe dayanımları zayıftır. Buna karĢın pek çok seramik

korozif Ģartlara ve yüksek sıcaklığa karĢı mükemmel bir direnç

göstermektedir.

Klasik Seramik Malzemeler

- Gözenekli Ürünler

Kırığı renkli (Tuğla, kiremit gibi )

Kırığı beyaz (Ak çini gibi)

-Gözeneksiz Ürünler

Kırığı renkli ( Kanalizasyon boruları, yer karoları gibi )

Kırığı beyaz (Sağlık gereçleri, mutfak eĢyaları, asite dayanıklı tuğlalar)

Porselen %50 Kaolen, %25 Feldispat, %25 Kuvarstan oluşur. Beyaz veya

saydam olabilir.

- Yumuşak Porselen 1200-1300 °C

- Sert Porselen 1300-1400°C ve yukarısında pişirilir.

18

Yüksek Teknolojili Seramik Malzemeler

Elektriksel özelliklerinden faydalanılan seramikler

-İzolasyon Malzemeleri (Alümina, magnezya, berilya...)

-Ferro elektrik seramikler (Baryum titanat, stronsiyum titanat...)

-Piezo elektrik seramikler (kurşun oksit, zirkonya, titanatlar...)

-İyonik iletken seramikler (sensörler) (beta alümina, zirkonya...)

-Yarı iletken seramikler (baryum titanat, SiC, ZnO-Bi2O3)

-Süper iletken seramikler (CuO, BaO,Y2O3,La2O3)

Manyetik özelliklerinden faydalanılan seramikler

-Yumuşak manyetik malzemeler (ZnO, Fe2O3, Mn2O3)

-Sert manyetik malzemeler (Fe2O, BaO, SrO)

Optik özelliklerinden faydalanılan seramikler

Kimyasal özelliklerinden faydalanılan seramikler

Isıl özelliklerinden faydalanılan seramikler

Mekanik özelliklerinden faydalanılan seramikler

Biyolojik özelliklerinden faydalanılan seramikler

Nükleer özelliklerinden faydalanılan seramikler

19

Seramikler metal ve metal olmayan elemanların oluşturduğu iyonsal

bileşiklerdir. Sodyum, Magnezyum, Demir ve Alüminyum gibi

elektronegatif elementlerde, Klor, Oksijen gibi iyonsal bağ kurarak

NaCl, MgO, FeO, SiO2 gibi çok çeşitli türde seramik meydana getirirler.

Özgül ağırlıkları metallerle plastikler arasındadır.

Seramikler plastik Ģekil değiĢtiremez, sert ve gevrek olurlar.

Bazıları sertliklerinden dolayı aĢındırıcı olarak kullanılmaya elverişlidir.

Ergime sıcaklıkları yüksek, ısıl ve elektriksel iletkenlikleri düĢüktür.

Elektrikli ısıtıcılarda, fırınlarda yalıtım malzemesi olarak kullanılırlar.

Bazıları saydamdır, bazıları ise ışığı kötü yansıtırlar.

Çekme mukavemetleri düĢük olmakla beraber çoğunlukla basma

mukavemetleri yüksektir.

Dış etkilere karşı dayanıklıdırlar.

Seramik bir malzemenin şekillendirilebilmesi için *

Malzemenin sıvı ve akışkan hale getirilmesi

Malzemenin ergime sıcaklığına yakın yüksek sıcaklıkta ısıtılması

gerekir.

20

Zirkonya seramikler uzay mekiklerinin ısıl kalkanlarında,

Porche arabalarının fren balatalarında ve ortopedik

implantlarda kullanılmaktadır. Bu kadar dayanıklı olmasına

rağmen aynı zamanda ışığı geçirecek kadar zarif ve

estetiktir. Hem ön hem de arka dişlerde güvenle

kullanılabilen ileri teknoloji ürünü bir malzemedir.

Şekil.a. Zirkonya Seramikler b. kompozit dişler

21

POLĠMERLER

Polimerler hafif, korozyon dayanımı yüksek ve elektiriksel olarak yalıtkan

malzemelerdir. Çekme dayanımları metallere oranla çok düşüktür ve

yüksek sıcaklıklarda kullanım için uygun değillerdir. Polimerler, oyuncak

yapımından kaplamalara, boya yapımından otomobil lastiğine kadar çok

çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Polimerler genel olarak üç sınıfa

ayrılabilirler. Bunlar, termosetler, termoplastikler ve elastomerler

(kauçuklar) şeklindedir

Polimerler

24

Termosetler :

Termoset plastikler makro moleküller arasında kuvvetli bağlar oluşturarak

3 boyutlu ağ yapısına sahip olan plastik malzemelerdir. Reaksiyon

(polikondansasyon) sonunda ağ yapısının tamamlanmasıyla sertleşir ve

tekrar ısıtılarak yumuşatılamazlar. Pratik olarak bütün yapısı tek bir

molekül olarak düşünülür. Çünkü her tarafta valans bağlar vardır.

Termoplastiklerden daha kuvvetlidirler ve daha yüksek sıcaklıkta

kullanılabilirler.

Telefon cihazları, elektrik prizleri, mutfak eşyalarının sapları örnek olarak

verilebilir. Endüstride termoset plastikler içerisinde polyesterler ve

epoksi reçineler yaygın olarak kullanılmaktadır.

Plastikler sınıfına giren malzemelerin bir kısmı doğal, bir kısmı ise

sentetiktir.

İnsanlar tarafından metallerden çok daha önce kullanılmaya başlanan

ahĢap, deri, yün ve benzeri lifler birer doğal polimerdir.

Bugün endüstride kullanılan plastiklerin büyük bir çoğunluğu sentetik

polimerlerdir.

25

Termoplastikler :

Isı etkisiyle yumuşayan plastik malzemelerdir. Özellikle yüksek sıcaklıklarda

Van der Waals kuvvetleri daha kolaylıkla yenildiğinden, şekil değiştirme

daha da kolay olur. Termoplastikler lineer polimer olup; sıcaklık artınca

yumuşayıp soğuyunca sertleşirler. Bu tip plastik malzemeler tarım alet ve

makinaları içinde örneğin ekim makinalarında tohum borularında, plastik

duvar ve döşeme kaplaması olarak, süt sağım makinaları iletim borularında

vb. yerlerde görülmektedir. Yumuşama ve sertleşmenin çok fazla oluşu kesit

değişikliği ile çalışma koşullarını olumsuz etkilemesi yanında, çatlayarak çok

kısa sürede devre dışı kalmasına neden olmaktadır.

Plastik malzemelerin özellikle düşük yoğunluk, hammaddenin ucuz oluşu,

değişik üretim teknikleri ile düşük maliyet unsurları altında üretilebilmeleri,

istenilen renk vb. özelliklerde olabilmeleri tarım mühendisliğinde de uygulama

alanının genişlemesine neden olmuştur. Ancak mukavemet, rijitlik ve ergime

sıcaklıklarının düşük olması vb. olumsuz özellikleri nedeni ile yapısal

geliştirmeye uğramasını zorunlu kılmıştır.

27Şekil. Plastik malzemelerin geri dönüşümü

28

Yarıiletkenler

İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar, normal

halde yalıtkandırlar. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında

veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer,

yani iletkenlik özelliği kazanırlar. Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması

geçici olup, dış etki ortadan kalkınca elektronlar tekrar atomlarına dönerler.

Tabiatta basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman

halinde de elde edilir. Yarıiletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları

kübik kafes sistemi denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. Bu tür yarı

iletkenler, ısı, ışık, etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli oranda iletken

hale geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleri

arttırılmaktadır. Katkı maddeleriyle iletkenlikleri arttırılan yarı iletkenlerin

elektronikte ayrı bir yeri vardır.

Silikon (Si), germanyum (Ge), Selenyum (Se), GaAs, SiC ve ZnO gibi

malzemeler çok kırılgan olmalarına rağmen; elektronik sanayinde

bilgisayar ve iletişim haberleşme uygulamalarında kullanılan önemli

malzemelerdir. Bu malzemeler elektrik iletirler, transistor ve entegre devre

olarak uygulamalarının kullanımını kolaylaştırmak amacıyla kullanılırlar.

30

Bilgisayar çipi olarak

kullanılan Si yarıiletken

levha

31

Kompozit Malzemeler

Farklı malzemelerin en iyi özellikleri birleştirilerek yeni malzeme yapımına

kompozit (karma) malzemeler denir. Alman metalurji cemiyeti kompozit

malzemeleri, birbiri ile uyumlu ancak birbiri ile aşırı reaksiyona girmeyen ve

en az iki bileşenin makro ölçüde bir araya getirilmesi ile oluşan malzeme

olarak tanımlar. Beton, kontraplak, cam yünü tipik kompozit malzeme

örnekleridir. Kompozitlerle hafif, sağlam, sünek ve yüksek sıcaklığa

dayanıklı malzemeler üretilebilir.

Kompozit Malzeme ÇeĢitleri:

- Fiber (Elyaf Takviyeli) Kompozitler

- Tabaka (Lamine) Yapıda Kompozitler

- Yüzeyi Kaplı Kompozitler

- Tane yapısında Kompozitler

Bir kompozitin genel yapısı incelendiğinde matriks olarak kabul edilen

sürekli bir faz ile onun içinde değişik şekillerde dağılan değişik özellikler

içeren güçlendirici faz elemanlarından oluşmaktadır. Güçlendirmede

kullanılan plastikler termoset ya da termoplastik türlerinde olmaktadırlar.

32

Polyester reçineler ucuzluk, boyutsal denge, kimyasal ve elektriksel iyi

özellikler, mekanik direnç ve elle işleme kolaylığı vb. özellikleri ile geniş

uygulama bulmaktadır. Polyester reçineler içinde de doymuş olan tipleri

daha çok enjeksiyon kalıplama ile yapılan tarım alet ve makineleri

parçalarının yapımında kullanılmaktadır. Doymamış polyester reçineler

özellikle cam elyaf takviye yapılara kompozit malzeme üretiminde

kullanılmaktadır. Bu amaçla çok çeşitli doymamış polyester reçine tipleri (

jelkot, genel amaçlı vb.) kullanılmaktadır. Ancak burada unutulmaması

gereken nokta polyester reçine matriks malzemeli kompozitlerde kimyasal

ve hidrolik direncin diğer matriks malzemelerden zayıf olduğudur. Fakat

bunun yanında mekanik özelliklerinin uygun oluşu tarım mühendisliğinde

genel tercih nedeni olmaktadır.

Epoksi reçineler ise dengeli yapıya sahip olmaları düşük su emme, düşük

çekme payı ve üstün korozyon direnci vb. özellikleri nedeniyle son yıllarda

polyester reçinelere oranla daha ön plana çıkmaktadırlar. Öte yandan

plastik matriks malzemeli kompozitlerde güçlendirici faz olarak kullanılan

malzemelerde elyaflar (lifler) yapıyı belirleyici unsur olarak karşımıza

çıkmaktadır.

33

Polimer matriks cam fiberlerle güçlendirilmiş polimer kompozit malzeme

34

Genelde kompozit malzemeyi oluşturan güçlendirici faz elemanları olan

elyafların yapı içindeki dağılımı kuvvet yönüne paralel yada dik yönde ya

da rastgele dağılmıĢ şekilde olmaktadır. Elyafın geometrisi mukavemeti

belirleyen en önemli özellik olarak bilinmektedir. Aynı şekilde elyafın türüde

oluşan kompozit yapı malzemelerde belirleyici özellik olmaktadır.

Uygulamada en çok kullanılan elyaf (lif) türleri cam, aramid ve

karbondur.

Cam lifle güçlendirilmiĢ kompozit malzemeler; tarımda özellikle aranan

yüksek dayanım, hafiflik, sıcağa-soğuğa, neme ve korozyona karşı

dayanım, düşük maliyet ve basit imalata yanıt verebilecek özellikler

içermektedir. Unutulmaması gereken nokta cam liflerin uzama özelliğidir. Bu

amaçla cam lifler örgü demetler halinde bağlanarak birleşik hasırlar haline

dönüştürülür. Bu durum cam lifin daha kararlı bir yapı oluşturmasını sağlar.

Karbon lifleri ile güçlendirilmiĢ kompozit malzemelerde hafiflik, yüksek

dayanım sağlanması karbon liflerinin maliyetinin yüksek olması geniş çapta

kullanımı engellemektedir. Sonuçta aramid liflerle güçlendirilen kompozit

malzemelerde hafiflik, yüksek dayanım, darbelere direncinin yüksek oluşu,

yorulma ve gerilme korozyonu direncinin yüksek olması nedeniyle tarımda

özellikle traktör, biçerdöver gibi teknolojik yönden üstün tarım alet ve

makinalarında kullanılmaktadır.

35

Şekil. Boeing 777 de kullanılan kompozit malzemeler

37

Tablo. Malzemelerin sınıflandırılması

38

Özellik – Yapı–ġekillendirme ĠliĢkisi

Parçanın beklenen ömrü içerisinde görevini yerine getirmesi için uygun

şekil ve özelliklere sahip olacak şekilde üretilmesi gerekmektedir. Malzeme

mühendisleri, malzemenin iç yapısı, malzemeye uygulanan işlemler ve

elde edilen malzeme özelliklerini göz önüne alarak bu ihtiyaçları karşılarlar.

Özellikler : 1. Mekanik Özellikler

2.Fiziksel ÖzelliklerMekanik Özellikler

Uygulanan yük veya gerilime karşı malzemenin nasıl davranacağını gösterir. En

çok bilinen mekanik özellikler dayanım, süneklik ve malzemenin bükülmezliğidir.

Malzemenin ani yük (darbe), devamlı değişen yük (yorulma) , yüksek sıcaklıktaki

yük altında (sürünme) ve aşınmaya karşı nasıl davranacakları önemlidir. Mekanik

özellikler malzemenin sadece kullanım sırasındaki performansının iyi olması için

değil aynı zamanda kolay şekillendirilebilmesi açısından da önemlidir.

Fiziksel Özellikler

Elektrik, manyetik, termal ve kimyasal davranışları içerir. Fiziksel özellikler hem

malzemenin şekillendirme yöntemine hem de iç yapısına bağlıdır.

Kompozisyondaki çok küçük değişiklikler bile yarı iletken metaller ve seramiklerin

özelliklerinde çok büyük değişiklikler yapabilir.

39

Yapı:

Malzemenin yapısı özelliklerini doğrudan etkiler. Atom çekirdeğini kuşatan

elektronların dizilimi elektrik, manyetik, ısıl ve optik davranışları ile beraber

malzemenin korozyon direncini de önemli ölçüde etkileyebilir. Elektronik

dizilme, atomların birbiri ile nasıl bağlanacağını etkilediği gibi malzeme

türlerinin belirlenmesinde de etkilidir. Metaller, seramiklerin çoğu ve bazı

polimerler kristal yapıya sahiptirler. Bazı seramikler ve çoğu polimerlerin

atomik dizilimleri düzensizdir. Amorf yapıya sahip (camsı yapı)

malzemelerin davranışları, kristal yapıda olanlara göre farklıdır. Örneğin

camsı polietilen saydam iken, kristal olanları yarı saydamdır. Atomik

dizilimde genelde hatalar vardır ve bu hatalar malzemenin özelliklerini

doğrudan etkiledikleri için kontrol edilmelidirler.

40

• Subatomic level

Electronic structure of individual

atoms that defines interaction among

atoms (interatomic bonding).

• Atomic level

Arrangement of atoms in materials

(for the same atoms can have

different properties, e.g. two forms of

carbon: graphite and diamond)

• Microscopic structure

Arrangement of small grains of

material that can be identified by

microscopy.

• Macroscopic structure

Structural elements that may be

viewed with the naked eye.

Kırmızı kan hücreleri(~7-8 m)

Doğal İnsan Yapımı

Kül~ 10-20 m

Toplu iğne başı1-2 mm

Quantum corral of 48 iron atoms on copper surfacepositioned one at a time with an STM tip

Corral diameter 14 nm

İnsan saçı~ 60-120 m wide

Karınca~ 5 mm

mite

200 m

ATP synthase

~10 nm çapındaNanotube electrode

Carbon nanotube~1.3 nm diameter

O O

O

OO

O OO O OO OO

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

PO

O

The Challenge

Fabricate and combine nanoscale building blocks to make useful devices, e.g., a photosynthetic reaction center with integral semiconductor storage.

Mik

rod

ün

ya

0.1 nm

1 nanometre (nm)

0.01 m

10 nm

0.1 m

100 nm

1 mikrometre ( m)

0.01 mm

10 m

0.1 mm

100 m

1 milimetre (mm)

1 cm

10 mm10-2 m

10-3 m

10-4 m

10-5 m

10-6 m

10-7 m

10-8 m

10-9 m

10-10 m

Gö

rün

ür

ışık

Na

no

dü

nya

1,000 nanometre = In

frar

edU

ltra

viyo

leM

ikro

dal

ga

So

ft x

-ray

1,000,000 nanometre =

Zone plate x-ray “lens”Outer ring spacing ~35 nm

Office of Basic Energy SciencesOffice of Science, U.S. DOE

Version 05-26-06, pmd

Boyutlar – Nanometre ve ötesi

Mikro elektro mekanik(MEMS) aygıtlar10 -100 m wide

Kırmızı kan hücreleri

Polen taneleri

Carbon buckyball

~1 nm diameter

Self-assembled,

Nature-inspired structure

Many 10s of nm

Silisyum atomumesafe 0.078 nm

DNA~2-1/2 nm çapında

42

ġekillendirme:

Başlangıçta şekilsiz olan malzemeden arzu edilen şekle sahip parça

üretmek için çeşitli şekillendirme yöntemleri uygulanır. Metaller, sıvı metal

bir kalıba doldurularak (döküm), ayrı metal parçaları birleştirilerek (kaynak,

lehimleme), yüksek basınç kullanılarak (dövme, çekme, haddeleme) gibi

yöntemlerle şekillendirilirler. Çok küçük metal tozları katı bir kütle olarak

sıkıştırılmak suretiyle şekillendirilirler (toz metalurjisi). Seramikler ise slip

döküm, extrüzyon, enjeksiyon ve izostatik pres, HIP, CIP gibi yöntemlerle

polimerler yumuşak plastik kalıplara enjekte edilerek (döküm gibi), çekilerek

şekillendirilebilirler.

Şekil .a.Al döküm parçalar

Şekil .b. Slip döküm yöntemi

45

HAFĠF ve YÜKSEK MUKAVEMETLĠ MALZEME TEKNOLOJĠLERĠ

Polimer bazlı kompozitler, mühendislik plastikleri ve ileri seramiklerin hafiflik,

dayanım ve düşük maliyette üretim gibi avantajları nedeniyle, demir, alüminyum,

nikel, kurşun, çinko, bakır ve kalay gibi geleneksel metalik malzemelerin dünya

kullanımlarında, 1980’li yıllardan itibaren sürekli düşüşler kaydedilmektedir. Ancak,

bu düşüşü durdurarak metalik malzemelerin rekabet gücünü artırmak amacıyla

geliştirilen çağdaş üretim süreç teknolojileri sayesinde, bu malzemelerin geleneksel

standart özelliklerinin iyileştirilmesi ve geliştirilmesinde önemli atılımlar

kaydedilmiştir. Bu atılımların en önemlileri hafif ve yüksek mukavemetli metal ve

alaşımlarda gözlenmektedir. Son yıllarda giderek artan çevre duyarlılığı ile ekolojik

dengeyi bozan atık gazları ve yakıt tüketimini azaltacak teknolojileri geliştirmek

zorunluluğu, otomobil üreticilerini yeni arayışlara yöneltmiştir. Kyoto Protokolüne

göre bir binek otomobilinin CO2 emisyonları, 2008 yılına kadar %25 oranında

azaltılarak, 140 g/km seviyelerine düşürülmek durumundadır (bugünkü seviyesi 186

g/km). Bunu sağlamak için yapılabilecekler üç grupta toplanabilir:

- Tahrik mekanizmasının iyileştirilmesi (hibrid-motor sistemler, dizel motorlarda

direkt enjeksiyon, motor ve çalıştırma mekanizmalarının optimizasyonu v.b.),

- Uygun fiziksel, mekanik ve kimyasal özelliklerde malzeme seçenekleri

geliştirilerek konstrüksiyonların hafifleştirilmesi ve taşıt ölü ağırlıklarının azaltılması,

- Taşıtların aerodinamik yapılarının ve yeni imalat tekniklerinin geliştirilmesi.

46

Daha az yakıt tüketecek, çevre-dostu bir otomobil daha hafif olmalıdır. Çünkü, taşıt

toplam ağırlığındaki her %10’luk azalma % 5-10 oranında yakıt tasarrufu

sağlamaktadır. Tasarım değişiklikleri dışında bunu sağlayabilmenin tek yolu, otomobil

imalatında daha hafif malzemeler kullanmaktır. Güvenlikten ödün vermeden,

konfordan vazgeçmeden, daha az yakıt tüketen otomobiller için daha hafif, fakat

daha mukavemetli malzemelere duyulan gereksinim, otomotiv uygulamaları için

malzeme üreten firmalar arasında büyük bir rekabete yol açmıştır.

Günümüzün çağdaş teknikleri malzeme bilimcilerin, malzeme iç yapısına atomik

düzeylerde bile müdahale edebilmelerini sağlamaktadır. Böylelikle malzeme kristal

düzlemlerindeki hata ve dislokasyonların rollerinin daha iyi anlaşılması mümkün

olabilmekte ve buna bağlı olarak özel niteliklere sahip alaşımlar geliştirilebilmektedir.

Bu sayede metalik malzemelerin tokluk, düşük kırılganlık, hafiflik ve yüksek sıcaklık

korozyon özelliklerinde önemli atılımlar gerçekleşmekte ve sürekli olarak üstün

performanslı yeni metalik malzemeler kullanıma sunulmaktadır. Ayrıca, var olan

metalik malzemelerin hafiflik, mukavemet ve yüksek sıcaklık dayanımlarında da

yapısal kontrol ve modifikasyon yoluyla büyük gelişmeler kaydedilmektedir. Son

yıllarda bu kapsamda, titanyum, magnezyum ve alüminyum gibi “hafif alaĢım”

olarak da bilinen metal ve alaşımları üzerinde yapılan çalışmalar dikkati çekmektedir.

Tipik olarak geleneksel malzemeler sınıfında olan bu malzemelerin endüstriyel

pazarlarda doyum noktasına ulaşmaları, maliyetler ve diğer malzemelerin rekabeti

nedenleriyle, bu alanda da özellikle süreç teknolojileri açısından önemli gelişmeler

yaşanmıştır.

47

Alüminyum malzemesinin otomotiv sektöründe daha fazla kullanım alanı bulması,

bu gelişmelerin bir sonucudur. Alüminyumdan daha hafif olması nedeniyle,

magnezyum alaşımları, otomotiv sektöründe önemle üzerinde durulan diğer bir

konudur. Ayrıca, geliştirilen son derece düşük yoğunluktaki alüminyum-lityum

alaşımlarının uçak sanayiinde kullanılması önemli açılımlar sağlamıştır.

AKILLI MALZEME TEKNOLOJĠLERĠ

1980’li yılların başından itibaren “akıllı malzemeler”, “zeki yapılar” veya benzeri

terimler çağdaş bilim ve teknoloji sözlüklerine girmiş bulunuyor. “Akıllı malzemeleri”

kısaca şu şekilde tanımlamak mümkündür: kendi içinde ve çevresindeki

değiĢimlere tepki vererek belirli iĢlevleri anında ve sürekli olarak yerine

getirebilen malzemeler, “akıllı” malzemeler kapsamında değerlendirilmektedir.

Örnekler:

“Akıllı” bir malzeme ile yapılan uçak kanatları, herhangi bir çatlak veya hasar anında

renk değiştirerek uyarıda bulunmalı ve hatta bu hasarı tamir ve “tedavi” edebilmelidir.

Otomobil camı, çok parlak güneşli havalarda koyulaşarak ve bulutlu havalarda ise

daha berraklaşarak sürücünün görüşüne destek olmalıdır.

48

“Akıllı” tuğla ya da yapı taşlarından inşa edilmiş bir evde ısı yalıtımı, dışarısının

iklim koşullarına göre değişerek azami enerji tasarrufunu sağlayabilmelidir.

“Zeki” yapılarda kullanılan bir diğer akıllı malzeme ise “Ģekil-hafızalı alaĢımlar”dır.

Çoğunlukla nikel-titanyum alaşımlarından oluşan bu malzemeler, kristal yapılarında

martensitik fazdan östenitik faza dönüşümlerin etkisi ile “önceki şeklini hatırlayabilen

ve ısıtıldığı zaman önceki şekline tekrar dönebilen” bir özelliğe sahiptir. Bu

malzemelerde “önceki şekline” dönme sürecinde engelleyiciler konursa 700 MPa’ya

varan yüksek gerilimler oluşur ve malzeme adeta “kas gibi” hareket etmeye başlar ve

bu özelliğiyle biyomedikal uygulamalarda kullanılabilir. Hafızalı alaĢımlar, medikal

uygulamaların yanısıra, uçak hidrolik sistemlerinde, yarıiletken gaz tüp

bağlantılarında, diĢ düzeltme komponentlerinde, otomotivde radyatör

pervanelerinde, egsoz çıkıĢ kontrollerinde, uydu sistemlerinde, termostatik

cihazlarda kullanılmaktadır.

Dünyada ilk şekil hafızalı alaşımı, nikel-titanyum alaĢımı olarak 1965 yılında ABD

Donanma Silah Laboratuvarlarında bulundu ve Nitinol adıyla patentlendi.

Günümüzde Nitinol telleri endüstriyel robotlarda kas fiberleri olarak kullanılmaktadır.

Bugün şekil hafızalı alaşımlar artık, orijinal şekillerini “hatırlayıp” bu şekle

dönebilmelerinin yanı sıra, yeni yeni şekiller de “öğrenebilmekte”dirler. Martensitik

halde tekrar tekrar deforme edilerek ve ısıtılarak istenilen şekilde östenit haline

getirilen alaşım, bu süreç esnasında soğutulduğunda yeni şekle adapte

olabilmektedir.

49

Şekil hafızalı alaşım elemanı, martenzitik durumdayken deforme

edildiğinde serbest enerjiye sahip olur ve ısıtıldığı zaman bünyesinde

bulundurduğu bu serbest enerjiyi kullanarak minimum iş yaptığı önceki

şekline geri döner. Bu fonksiyonel davranıştan yararlanılarak biyomedikal

uygulamalarda kullanılan damarlar içindeki kan pıhtılarını yakalayan bir

filtre geliştirilmiştir. NiTi alaşımlı telden yapılmış çapa şeklindeki filtre

damar içine sokulmadan önce düz bir tel haline getirilir. Damar içine

yerleştirildikten sonra tel, vücut ısısı ile harekete geçerek filtre fonksiyonu

sağlayacak orijinal şekline döner ve toplardamarın içinden geçmekte olan

pıhtıları tutar.

Akıllı malzemeden yapılmış

hava aracı

50

Damarlardaki Kan Pıhtısını Tutulması için Akıllı Malz. SMA'dan Yapılmış Filtre

Damarlardaki tıkanma sorunlarının çozumu için SMA'dan yapılmış stent

51

Ortodontik Düzeltme işlevli Kavisli Tellerin Dişlerde Kullanılarak üç Haftada Alınan

Sonuçlar

Dişlere geniş bir hareket imkanı sağlayan ve yıllardır kullanılan ortodontik

düzeltme işlevli kavisli teller NiTi şekilli hafızalı malzemelerdir.

1

ATOMİK YAPI

Elektriksel Malzemeler 2. hafta Yrd.Doç.Dr. Nil TOPLAN 2011

Bir atomun, elektronlar tarafından kuşatılan bir çekirdekten

meydana geldiği bilinmektedir. Çekirdek, yüksüz nötronlar ve

pozitif yüklü protonlardan oluştuğundan net bir pozitif yük taşır.

Negatif yüklü elektronlar ise elektrostatik çekimle çekirdeğe

tutunurlar. Her elektron ve protonla taşınan yük “q” olup

1.602.10-19 C (Coulomb) düzeyindedir. Bir elementin atom

numarası, her atomdaki elektronların veya protonların

sayısına eşittir.

Örneğin; 26 elektron ve 26 protonu bulunan bir Fe atomu, 26

atom numarasına sahiptir.

Atom=Çekirdek (proton+nötronlar)+elektronlar

2

Atom kütlelerinin önemli bir kısmını çekirdek oluşturur. Her

proton ve nötronun kütlesi yaklaşık 1.67x10-26 gr, fakat her

elektronun kütlesi sadece 9.11x10-28 gr’dır.

Atomik kütle “M”, atomda proton ve nötronların ortalama

sayısına eşittir ve avagadro (NA) sayısı kadar atomun

kütlesine karşılık gelir (Atomik kütle genellikle atom ağırlığı

olarak adlandırılır). NA=6.02x1023 atom.mol-1, 1mol’deki

atom veya moleküllerin sayısıdır. Bu nedenle, atomik kütle

birimi gram/gram-mol’dür. Atomik kütle için alternatif bir

birim a.m.u.dur. (atomik kütle birimi).

Protonlar Ernest Rutherford,(Eugen Goldstein 1886 )

Nötronlar James Chadwick (1932),

Elektronlar J. J. Thomson (1897) tarafından keşfedilmiştir.

3

• Atomlar bir çekirdek ve onu çevreleyen

• “ - ” yüklü elektronlardan oluşur.

• Çekirdek, “+” yüklü protonlar ve yüksüz

nötronlardan oluşur.

(Elektron ve protonların yükleri 1,6 x 10-19

Coulomb’dur)

• Proton ve elektron sayıları eşittir.

• Bu sayıya atom numarası denir.

• Bir atomun kütlesi proton ve nötron kütlelerinin toplamına

eşittir.

• Uygulamada, genellikle 6.02x1023 (Avogadro Sayısı)

atomdan oluşan atomsal kütle kullanılır.

4

• Bütün maddelerin bir kütlesi ve hacmi olduğu gibi,

maddeleri oluşturan atomların da bir kütlesi ve

hacmi vardır.

• Atomların hacmi çekirdeğe göre çok büyüktür.

• Çekirdeğin yarıçapı, atom yarıçapının yüzbinde biri

kadardır.

• Elektronlar, saniyede 50 000 km hızla çekirdeğin

etrafında yörüngelerinde dönerler.

• Çekirdeğe yakın olanlar daha hızlı, uzak olanlar

daha yavaş dönerler.

5

• Proton ve nötronlar aynı kütleye sahiptirler (1,67 x 10-27 kg.).

• Elektronların kütleleri çok daha küçüktür (9,11 x 10-31 kg) ve

atomik kütle hesaplamalarında ihmal edilebilir.

Atomik Kütle (A) = protonların kütlesi + nötronların kütlesi

-Bir elementin bütün atomları için proton sayısı aynı iken,

nötronlarının sayısı değişebilir.

-Bu şekilde bazı atomlar farklı atomik kütleye sahip olabilirler,

bunlara izotop denir.

6

İzotop Atom: Farklı sayıda nötronu bulunan aynı elementin atomlarına

izotop denir. Atomik kütleleri farklıdır. Ortalamalarını alarak izotopların

atomik kütleleri hesaplanır.

Örnek//

Nikel atomlarından oluşan bir atom topluluğunda, atomların %70’i 30

nötron ve %30’u 32 nötron içeren Ni’in yaklaşık atomik kütlesini

hesaplayınız? (Ni’in atom numarası N=28)

30 nötron içeren atomların atomik kütlesi M= 28+30=58 g/gmol.

32 nötron içeren atomların atomik kütlesi M= 28+33=60 g/gmol

Ni’in ortalama M=0.7x58+0.3x60=58.6 g/gmol

7

Atomik Kütle Birimi, Atom Ağırlığı

• Atomik kütle birimi (akb), atom ağırlığının ifade edilmesinde sık sık kullanılır.

• 1 akb, 6 proton (Z=6) ve 6 nötrona (N=6) sahip olan karbon izotopunun atomik kütlesinin 1/12’si olarak tanımlanır.

Mproton ≈ Mnötron 1,66 x 10-24 g = 1 akb

12C atomunun atomik kütlesi 12 akb’dir.

Sonuç olarak:

Protonlar elementin kimyasal kimliğini belirler.

Protonların sayısı, atom numarasına (Z) eşittir.

Nötronlar ise izotop numarasını belirler.

8

Belirli bir hacimdeki atom sayısının (n) hesabı:

The number of atoms per cm3, n, for material of density d(g/cm3) and atomic

mass M (g/mol): n = Nav × d / M

Graphite (carbon): d = 2.3 g/cm3, M = 12 g/mol

n = 6×1023 atoms/mol × 2.3 g/cm3 / 12 g/mol = 11.5 × 1022 atoms/cm3

Diamond (carbon): d = 3.5 g/cm3, M = 12 g/mol

n = 6×1023 atoms/mol × 3.5 g/cm3 / 12 g/mol = 17.5 × 1022 atoms/cm3

Water (H2O) d = 1 g/cm3, M = 18 g/mol

n = 6×1023 molecules/mol × 1 g/cm3 / 18 g/mol = 3.3 × 1022 molecules/cm3

11

• Bir elementin atom ağırlığı veya birbileşiğin molekül ağırlığı, atom (veyamolekül) başına akb olarak söylenir.

• 1 mol maddede 6.02*1023adet atomveya molekül vardır.

• Örneğin, demirin atom ağırlığı 55.85akb/mol veya 55.85 g/mol’dür.

• Atomun büyüklüğü:10-10m: 0.1 nm (çap)

• Çekirdeğin çapı: 10-14m: 0.01 pm’ dir.

• Atom, güneş sisteminden biraz dahayoğun yapıdadır.

12

• Eğer atom 5m çapta bir küre olarak

düşünülürse, atom çekirdeği ancak 0.5

mm çapında olurdu.

• Bir mg demirde, 1019 atom vardır. Eğer

yalnız atom çekirdekleri bir araya

toplanabilseydi, bir toplu iğne başı kadar

büyüklükteki bir cisim, 10 000 ton

ağırlıkta olabilirdi.

13

Elektronlar• 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.Elektronlar çekirdeğin etrafında,

0,05-2 nm. yarıçapındaki

yörüngelerde bulunurlar.

14

• Buna karşılık, elektronların sadece belirli enerjileresahip olabileceği (kuvantumlaşma) ve bir enerjidüzeyinde en fazla iki elektron bulunabileceği (Pauliprensibi) her iki teori tarafından da kabuledilmektedir.

• Birbirlerine yakın olan enerji düzeyleri bir alt kabuğu,birbirlerine yakın alt kabuklar da bir ana kabuğuoluştururlar.

• En dış ana kabuktaki elektronlara valans elektronlarıdenir. Bunlar çekirdeğe zayıf olarak bağlıdırlar ve sözkonusu elementin özelliklerini belirtmekte büyük roloynarlar.

• Bir ana kabukta 8 elektronun biraraya gelmesi, yani palt kabuğunun dolması halinde, bu elektronlarçekirdeğe çok kuvvetli bağlanır, bir diğer deyişlekapalı kabuk oluştururlar.

15

Elektron enerji düzeyleri

• Elektronlar belirli enerjilere sahiptir.

• Belirli sayıda enerji düzeyi birleşerek enerji kabuklarını (bantlarını) oluştururlar.

• Atomların en dış kabuğundaki elektronlara valans elektronları denir.

17

Periyodik cetvelde elementlerin elektron yapısını belirleyen

kuantum sayıları belirli ardışık diziler halinde belirtilir. Ancak

bazı elementlerin elektron yapıları ardışık diziler kuralına

uymayabilir. Bu tür elementlerde alt enerji düzeyleri

dolmadan elektronlar üst düzeylere yerleşebilir. Bu tür

elektron yapısına sahip elemanlara tranzisyon elementleri

(geçiş elementleri) denir (Fe, Ti, W). En önemlisi Fe

atomlarıdır. Atom numarası 26 olan demirin çevresinde 26

elektron vardır ve uyması beklenen ardışık kuantum sayılar

takımı,

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8

İken gerçekte 3d kabuğunda bulunması gereken 8

elektrondan ikisi 4s düzeyine geçer ve bu durumda demirin

gerçek kuvantum sayıları aşağıdaki gibi olur.

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d4 4s2

18

3d kabuğunda 4 enerji düzeyinde tek elektron vardır.

Bunlar aynı yönde dönerler ve manyetik kutupları

birbirlerine paraleldir. Dolayısıyla Fe atomları net bir

manyetik kutuba sahiptir. Bu elektron yapısı demirin

yüksek manyetikliğe sahip olmasının nedenini

açıklamaktadır.

19

Elektronegatiflik: Elektronegatiflik bir atomun elektron

alma eğilimini tarif eder. Klor gibi dış enerji seviyelerini

hemen hemen tamamen doldurmuş atomlar güçlü

elektronegatiflerdir ve kolaylıkla elektron alırlar. Buna

karşın sodyum gibi dış seviyeleri hemen hemen boş olan

atomlar kolaylıkla elektronlarını verirler ve güçlü elektropo-

zitiftirler. Yüksek atom numaralı elementler düşük bir

elektronegatifliğe sahiptirler; çünkü dış elektronlar

çekirdekten oldukça uzaktırlar ve elektronlar atomlara

kuvvetlice çekilemezler.

Elektronegatiflik 0.7 ile 4.0 arasında değişir ve periyodik

tabloda soldan sağa doğru gidildikçe artar, yukarıdan

aşağıya gidildikçe ise azalır.

20

Periyodik Tablo

22

Atomun Elektronik Yapısı

Elektronlar atom içinde farklı enerji seviyelerine sahiptir. Her

elektron belirli bir enerjiye sahiptir ve bir atomda aynı

enerji seviyesine sahip iki 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: 2n2. (formüldeki "n" harfi, yörünge

numarasını belirtir)

23

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 elektron

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.

24

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.

25

3. Manyetik Kuantum Sayısı:(ml) ile gösterilir.

(ml) = 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}

26

4. Spin (Dönme) Kuantum Sayısı: (ms) 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 maximum elektron sayısı

Tablodaki şablon kullanılarak gösterilir.

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

Kuantum Sayıları (Özet)

28

n

Baş

1,2,3, ...

Orbitalin enerji ve büyüklüğünü belirler

1

Alt kabuk

0,l,2,...,n-l

Orbitalin şeklini belirler

mı

Orbital

l,-l,+1,. ..,0,1-1,1

Orbitalin yönlenmesini belirler

ms

Spin

+1/2, -1/2

Elektronun dönme yönünü belirler

Baş Kuantum Sayısı (n):

1S

2S

2P

3S

3P

31

Belli bir kuantum kabuğunda en düşük enerji seviyesine düşen elektronlar

“s” ile gösterilir. Dolayısıyla “1s2” birinci kuantum kabuğunda yani “K”

kabuğunda düşük enerji seviyelerindeki zıt manyetik dönüşlü iki elektronu

gösterir. Aynı şekilde “2s2” 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 aşağıdaki gibi gösterilir.

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2

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: 1s2 2s2 2p6 [3s2] Valans: 2

Al: 1s2 2s2 2p6 [3s2 3p1] Valans:3

Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 [4s2 4p2] Valans:4

32

1. Kuantum

sayısı (n)

2. Kuantum

sayısı (l)

3. Magnetik

Kuantum

sayısı (ml)

4. Spin

Kuantum

sayısı (ms)

Alt yörünge

yerleşimi

1 0 0 1/2 1s

2 0

1

0

-1, 0, 1

1/2 2s

2p

3 0

1

2

0

-1, 0, 1

-2, -1,0, 1,2

1/2 3s

3p

3d

Tablo: Kuantum sayılarının gösterimi

Dış Yörüngedeki elektronlar atomun elektriksel, kimyasal, ısıl

özelliklerini belirler.

34

Örnek : Bir atomun M kabuğundaki maksimum elektron sayısını

hesaplayınız?

M kabuğu için temel kuantum sayısı n=3 ise l=0,1,2 dir.

3s2 →l=0 ml=0 ms= +1/2 , -1/2

3p6→l=1 ml=+1 ms =+1/2 ,-1/2

ml= 0 ms =+1/2 ,-1/2

ml=-1 ms =+1/2 ,-1/2

3d10→l=2 ml= 2 ms =+1/2,-1/2

ml= 1 ms= +1/2,-1/2

ml= 0 ms =+1/2,-1/2

ml=-1 ms =+1/2,-1/2

ml=-2 ms= +1/2,-1/2

Ödev: N kabuğundaki max. Elektron sayısını hesaplayınız?

35

ÖRNEK: n = 5 kabuğundaki orbitaller?

(n, l, m) kuantum sayılarının belirlediği dalga fonksiyonlarına

ORBİTAL adı verilir

5s 1 0

5p 3 +1, 0, -1

5d 5 +2, +1, 0, -1, -2

5f 7 +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3

5g 9 +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4

Orbital sayılarıAlt kabuklar Manyetik kuantum sayıları

Atomların bir arada tutulmalarını sağlayan kuvvetlerdir.

Atomlar daha düĢük enerjili duruma eriĢmek (dahakararlı olmak) için bir araya gelirler.

Ġki ana gruba ayrılırKuvvetli (birincil, primer) bağlar Metalik Kovalent Ġyonik

Zayıf (sekonder, ikincil) bağlar Van der Waals Bağları Hidrojen bağları

ATOMLARARASI BAĞLAR

Elektriksel Malzemeler -2011

1

2

İyonik Bağlar

• Bu bağ metal atomları ile metal olmayan

elementlerin atomları arasında oluĢur.

• Yönsüz

• Kararlı

• Ergime sıcaklığı yüksek

AnionCation

Coulombic interaction

Cl- Na+

Note the relative sizes of ionsNa+ shrinks and Cl- expands

Ionic Bonds are nondirectional !

5

6

Na (metal) kararsız

1s22s22p63s1

Na (katyon) kararlı

1s22s22p6

Cl (nonmetal) kararsız

1s22s22p63s23p5electron

Coulombçekme

Cl (anyon) kararlı

1s22s22p63s6

+ -

X

Na ve Cl iyonlarının iyonik bağla

bağlanmaları sonucunda

NaCl bileşiğinin oluşumu

7

• Dominant Bonding Type for CERAMICS

Elektron verme eğilimi Elektron alma eğilimi

He -

Ne -

Ar-

Kr-

Xe-

Rn-

F4.0

Cl3.0

Br 2.8

I2.5

At2.2

Li1.0

Na0.9

K0.8

Rb0.8

Cs0.7

Fr0.7

H 2.1

Be1.5

Mg1.2

Ca1.0

Sr1.0

Ba0.9

Ra0.9

Ti1.5

Cr1.6

Fe1.8

Ni1.8

Zn1.8

As2.0

CsCl

MgO

CaF2

NaCl

O3.5

8

• ĠyonlaĢma sonucunda meydana gelen

elektrostatik çekimle oluĢan iyonik bağ

oldukça kuvvetlidir.

• Ġyonik bağ ile bağlanan malzemelerde

elektronlar sıkıca tutulduğundan, bu

malzemelerin elektriksel iletkenliği, serbest

elektron bulutuna sahip metalik malzemelerin

iletkenliğinden çok daha düĢüktür.

9

Kovalent Bağlar

• Bu bağın en önemli özelliği, elektronların sıkıca

tutulması ve komĢu atomlar tarafından eĢit

olarak paylaĢılmasıdır.

• Bazı element atomları bir veya iki elektronunu

komĢu atomlarla paylaĢarak daha kararlı bir yapı

oluĢtururlar.

10

• Kovalent bağlar çok sağlam olmalarına rağmen,

bu Ģekilde bağlanmıĢ maddeler zayıf süneklik ve

elektrik iletkenliğine sahiptir.

Klorür (Cl2) molekülündeki kovalent bağın şematik gösterimi

Cl2

11

Kovalent bağ

• Elektron paylaşımı (her bağlantıda 2)

• Örnekte C 4, H 1 valans elektronuna sahip

• Ametal molekülleri, metal-ametal molekülleri, elementel katılar,bileşik katılar

• Yönlü bağ; bağ kuvvetli olmasına karşın oluşan cisimler (sürekliuzay ağı biçiminde olanlar, ör. Elmas,Te 3550 dışında) zayıf. (BiTe=270 C)

12

Kovalent Bağ:

elmas

Kuvvetli 4 kovalan bağla bağlıC atomlarından oluşan elmasdoğada bulunan en sert veergime sıcaklığı en yüksek(3550oC) cisimdir.

Kovalent bağda; Periyodik tablodabirbirine yakın veelektronegatiflikleri arasında azfark bulunan elementlerinatomları veya aynı elementinkendi atomları valanselektronlarını çiftler halindepaylaşabilirler.

Covalent Bond

The sharing of a pair of electrons

between 2 atoms.

Li2

13

14

Metalik Bağlar

• Düşük valansa sahip metalik elementler atomları kuşatan birelektron bulutu oluşturmak için valans elektronlarınıbırakırlar.

• Metalik bağ ile bağlı malzemeler, serbest elektronlara sahipolduklarından elektriği ve ısıyı iyi iletirler.

15

Metalik bağ

• Ortak elektron paylaşımı (1, 2 veya 3)

• Yönsüz

• Isıl ve elektriksel iletkenlik yüksek

• Metalik cisimlerde atomlar çoğunlukla özdeş

17

Örnek:

18

İkincil Bağlar (Van der Walls)• Van der Walls bağları moleküller veya atom gruplarını

zayıf elektrostatik çekimlerle birbirlerine bağlarlar ve

oldukça zayıf bağlardır. Bu bağlar, elektron alış verişinitamamlamış moleküller veya son yörüngesindekielektron sayısı sekiz olan inert gaz atomları arasındaoluşan zayıf bağlardır

19

• Örneğin basit bir su molekülünde hidrojenatomları oksijen atomuna, birbirleriyle104,5 derecelik açı yapan bağlarlabağlanmışlardır.

• Bu durum, hidrojence zengin tarafta pozitifbir kutup, diğer uçta ise negatif bir kutupoluşmasına neden olur.

20

Zayıf bağlar

• Geçici kutuplaşma (tüm atom ve moleküllerde)

• Sürekli kutuplaşma (asimetrik veya polar moleküllerde ör. H2O, HCl)

Hidrojen atomunun elektron alma özelliği fazla olan N, O ve

F gibi atomlarla yaptığı moleküller arası bağlardır. Hidrojen

bağı yapabilen bileĢikler suda iyi çözünür. Örneğin; NH3,

HF, H2O...

a) Polivinilklorürde (PVC),Cl atomları negatif yük, Hatomları ise pozitifyüklüdür. Zincirler van derWaals bağları ile zayıfbağlıdırlar

b) Polimere bir kuvvetuygulandığı zaman Van derWaals bağları kırılır vezincirler birbiri üzerindekayar, bu şekilde polimermalzemeye şekil verilebilir.

21

Bağ kuvvetleri ile özellikler arasındaki iliĢki

Ergime sıcaklığı: Bağ enerjisi arttıkça ergime sıcaklığı artarTermal Genleşme: Bağ enerjisi yüksek malzemelerin potansiyelenerji çukuru daha derin ve asimetrikliği daha azdır, bu nedenletermal genleşme daha azdır.Mukavemet: Mukavemet genel anlamda bir malzemeyi koparmakiçin birim alana uygulanan kuvvet olarak tanımlanır.Mukavemetin kaynağı atomlararası bağ kuvvetleridir.Elektriksel iletkenlik: Malzemelerde elektrik iletimi serbestelektronlar ile sağlanır. Metallerde valans elektronları serbesthalde bulunduklarından yüksek elektrik iletkenliği gösterirler.Termal iletkenlik: Termal iletim malzemelerde serbest elektron veatomların termal titreşimleri ile sağlanır. Serbest elektronlarıntermal iletimi titreşimlere oranla daha fazladır ve bu nedenlemetallerin iyonik ve kovalent bağlı malzemelere oranla termaliletimleri daha yüksektir.Optik özellikler: Metallerde serbest elektronlar ışık dalgasınıyansıtırlar ve bu nedenle metaller saydam değil, opaktırlar.İyonik ve kovalent bağlı malzemelerde serbest elektronbulunmadığından ışık malzeme içerisinden geçebilir ve saydamolabilirler. Ancak katkı maddeleri ve iç yapı kusurları saydamlığıazaltır, yarı saydam ya da opak olabilirler.

22

Karışık bağlar: Malzemelerde kuvvetli ve zayıf bağlar ayrı

ayrı bulunabileceği gibi, tek bir malzemede birden fazla bağ

türüne de rastlanır. CaSO4’ta hem iyonik hemde kovalent

bağların her ikiside mevcuttur. Ca ve SO4 iyonu arasında

iyonik bağ varken, S ile O arasında kovalent bağ vardır.

Ġyonik-kovalent, seramik ve yarı iletkenler

Metalik-kovalent, geçiĢ metalleri

Metalik-iyonik, Al9Co3, Fe5Zn21

Örnek: MgO için XMg= 1.3XO = 3.5

% İyonik karakter= 100)X1/4)(X(e12

BA

23

25

Özet: Birincil Bağlar

Seramikler

(Ġyonik & kovalent bağlar):

Metaller

(Metalik bağlar):

Polimerler(Kovalent & Ġkincil):

Büyük bağ enerjisiyüksek Tm

yüksek E

küçük

DeğiĢken bağ enerjisiorta Tm

orta E

orta

Yöne Bağımlı ÖzelliklerĠkincil bağlar baskın

düĢük Tm

küçük E

yüksek

26

Bağ Enerjileri ve Yükleri

• Denge durumunda bulunan bir atom çiftinin merkezleriarasındaki uzaklığa atomlararası uzaklık denir.

• Denge durumu, atom çiftine etki eden çekme ve itmekuvvetlerin eşit olduğu durum demektir.

28

Atomlararası Denge Mesafesi

Malzemeler çok sayıda atomların bağ kuvvetleri etkisi altında bir arada dizilmesiyle oluşur.Atomlararası uzaklık atomların diziliş biçimini ve yapısını belirlemede büyük rol oynar.Atomlararası mesafeyi en basit şekilde anlatmak için zıt işaretli iki iyondan oluşan bir modelalınır. İki iyon arasındaki çekme kuvveti sayesinde iyonlar arası mesafe azalır. İyonlarbirbirine değdiklerinde aynı yüklü elektronlar arasındaki itme kuvvetleri uzaklığınazalmasını zorlaştırırlar. İtme kuvvetleri yakın mesafede çok şiddetlidir. Mesafe uzadıkçahızla azalan itme kuvveti “0” olur . Çekme ve itmenin eşit olduğu noktada kuvvet sıfırdır veiyonlar arası denge oluşur. Denge halindeki iki iyon arasındaki uzaklığa, atomlar arası dengemesafesi adı verilir.

Atomlararası mesafeyi etkileyen faktörler:

1. Sıcaklık

2. İyon çapı

3. Koordinasyon sayısı

4. Kovalentlik derecesi

30

Atomlararası mesafeyi etkileyen faktörler:

Sıcaklık

Denge halindeki iki atomun arasındaki uzaklık bunların atom yarıçaplarının toplamınaeşittir. Bu mesafeler sıcaklığı arttırmamız durumunda artacaktır

Saf Metal da Mesafe = R+R =2Rİki tür Metal da mesafe = R1+R2

İyon çapı

Bir atomdan valans elektronları uzaklaştırılırsa çapı küçülür, ilave edilirse çapı büyür. Butür malzemelerde atomlararası mesafe iyon çaplarının toplamına eşittir.Örnek : //

Nötr Fe atomunun yarıçapı R=1,241 ÅFe+2‘nin R=0,74 ÅFe+3‘nin R=0,64 ÅO-2‘nin R=1,41 ÅFeO malzemesinde atomlararası mesafe = 1,41+0,74 = 2,15 Å

31

Bir atomu kuşatan atomların sayısı= Koordinasyon sayısıBir atomu çevreleyen atomların sayısı arttıkça bunların elektronlarının arasındaki zıtetkileşme nedeniyle atomlararası mesafe de artacaktır. HMK sistemde bir atoma en yakınkomşu atomların sayısı (KS) 8 dir. YMK sistemde ise KS=12dir. YMK sistemde komşuatomlar, HMK sistemdeki atomlara göre biraz daha uzaktırlar ve YMK yapıdakiatomlararası mesafe daha fazladır. Örneğin HMK nötr demirde atomlararası mesafe 1.241A iken YMK nötr Fe de biraz artarak 1.269 A olmaktadır.

Kovalentlik derecesiKovalent bağlı cisimlerde kovalentlik derecesi dolayısıyla paylaşılan elektron sayısı arttıkçaatomlar birbirlerini daha kuvvetli çekeceklerinden atomlararası mesafe azalır. Çünkü nekadar çok elektron paylaşılırsa, atomlar birbirini daha kuvvetli çekeceklerdir. Dolayısı ileatomları birbirinden ayırmak için de daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulacaktır.Örnek://

C-C = 1,54 ÅC≡C = 1,2 Å

Bir malzemeye ait bağ enerjisi çukuru ne kadar derin ise, o malzemenin atomlararasıbağını koparmak için o kadar fazla enerjiye ihtiyaç vardır. Dolayısı ile malzemenin ergimesıcaklığı da o oranda yüksek olur. Ergime sıcaklığı yüksek olan malzemelerin ısılgenleşmeleri daha düşüktür.

32

Koordinasyon Sayısı

Gerçek malzemeler yalnızca iki atom arasında değil, çok sayıda atomların bağ kuvvetlerietkisinde kütle halinde dizilmeleri sonucu oluşurlar. Koordinasyon sayısı bir atoma teğetkomşu atomların sayısına denilmektedir. Bireysel atomlardan oluşan gazlarda atomlararası bağ olmadığından koordinasyon sayısı sıfır sayılır.Merkez atom yarıçapı “r” ve onu çevreleyen atomların yarıçapı “R” ise r/R oranı bizekoordinasyon sayısını verir. Minimum atomik boyut oranları (r/R) koordinasyonsayısının belirlenmesinde etkilidir. R (-) iyon çapı, r (+) iyon çapı

Tablo. Koordinasyon sayısı ve atom çapları arasındaki oran ilişkisi

Koordinasyon Sayısı Minimum r/R oranı3 0,1554 0,2556 0,4148 0,73212 1,00

35

KS: 4 ([Ni(CO)4] , [Cu(CN)4]3-,

Si, Ge, ZnS)

KS: 6 (NaCl)

ġekillerde görüldüğü gibi koordinasyon sayısı Si, Ge gibi

yarıiletkenlerde 4, sofra tuzunda (NaCl) altıdır.

36

F F

r

Bağlarla ilgili özellikler: Tergime

• Bağ Uzunluğu Ergime Sıcaklığı, TM

Bağ Enerjisi, E0

Genel ilişki:|E0|↑ → TM ↑

r

larger TM

smaller TM

Enerji - (r)

ro

37

Bağlarla ilgili özellikler: E

• Elastisite ModülüElastisite Modülü E vs r

eğrisinin şekli

Matematiksel olarak, E

Genel İlişki:|E0|↑ → E ↑L F

Ao = E

Lo

Elastic modulus

r

larger E

Smaller E

Enerji

ro

unstretched length

38

Bağlarla ilgili özellikler :

• Termal Genleşme katsayısı, , ~ r0 daki simetri

Matematiksel olarak,

Genel ilişki:|E0|↓ → ↑

= (T2-T1) L

Lo

coeff. thermal expansion

r

Smaller

Larger

Enerji

ro

1

KRİSTAL YAPILAR

Malzemelerdeki hataları ihmal edersek, atomik düzenlemeyi 3 aşamada inceleyebiliriz.

Düzensizlik (Amorf yapı)Kısa mesafede düzenlilik (Moleküler yapı)Uzun mesafede “ (Kristal yapı)

Atomların dizilme şekillerine bağlı olarak, malzemelerin özellikleri ve mikroyapıları değişmektedir. Bir malzemeyi meydana getiren yapılardan amorf yapı, atomların düzensiz veya rastgele dizilmesi (gazlar, sıvılar ve katı maddelerden cam amorf yapıya örnektir) ile, moleküler yapı, moleküllerin zayıf bağlarla bağlanarak birarada bulunması ile (Moleküler yapılı malzemeler, molekül içerisinde düzenli bir diziliş sözkonusu iken moleküller arası rastgele bir dizilişe sahiptir. H2O, CO2, O2, N2 ve birçok polimer malzemeler moleküler yapıya sahiptir). Kristal yapı ise atomların belirli bir geometrik düzene göre dizilmesi ile oluşmaktadır (bütün metaller, çoğu seramik malzemeler ve bazı polimerler kristal yapıya sahiptirler).

Elektriksel Malzemeler 4. hafta 2009

2

Şekilde Amorf ve kristalin yapı örnekleri verilmiştir.

5

Atomların üç boyutlu uzayda belli bir düzene göre dizilmeleri sonucu oluşan kristal yapıda düzenli diziliş birbirinin tekrarlanması şeklinde olur. Düzenli yapının en küçük birimine “ birim hücre” denir. Birim hücre, tüm kafesin bütün özelliklerine sahiptir. Bunlar yan yana dizilerek kristal yapının tamamı elde edilir. Bir kristal yapıyı tanımlamak için birim hücresini tanımlamak yeterlidir. Birim hücrenin kenar uzunlukları ve kenarları arasındaki açılar kafes parametresidir. Kafes parametrelerinin farklı kombinasyonları sonucu olarak değişik geometrik şekillere sahip 14 tane kristal kafes mevcuttur. Metallerde en fazla görülen HMK, YMK ve HSP kristal kafesleridir.

Kristal yapı Birim hücre

Yedi adet kristal sisteminde 14 adet Bravais latis grubu vardır.

6

Kafes parametreleri birim hücrenin boyutunu ve tarif eder. Birim hücrenin boyutları ve kenarları arasındaki açılar bu kapsam içindedirler.

Oda sıcaklığında ölçülen uzunluk kafes parametresi (a kafes parametresi (a0) olarak belirlenmiştir.

Uzunluk Angstrom birimi ile ifade edilir.

1 Angstrom (Aº) = 10-1 nm = 10-10 m

Kübik sistemlerde kafes parametreleri birbirine eşittir. Açılarda birbirine eşit ve 90 derecedir.

7

Kristal yapı türleriGenelde 7 farklı kristal türü veya sistemi vardır. Uzayda en genel halde bir eksen takımı seçilsin ve bu eksen takımı arasındaki açılar α, β ve γ olsun ve uzay bu eksenler boyunca eşit aralıklı paralel düzlemler geçirilerek eşit hacimlere ayrılsın. Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi x ekseni boyunca a, y ekseni boyunca b ve z ekseni boyunca c aralıklarıyla geçirilen düzlemlerin ayırdığı eşit hacimler eğik ve genel prizma şeklindedir. Birim hücre olarak adlandırdığımız bu prizmanın α, β ve γ açılarına ve a,b,c kenarlarına özel değerler verilerek 7 kristal türünün birim hücreleri elde edilir.

9

Kübik kafes yapılarıGeometrik olarak kübik kristalde atomlar üç farklı şekilde dizilerek basit kübik (BK), hacim merkezli kübik (HMK) ve yüzey merkezli kübik (YMK) kafeslerini oluşturabilirler.

Basit Kübik yapı

10

Basit kübik sistemde koordinasyon sayısının 6 olduğunun gösterimi

11

Paketleme Faktörü ( Atomsal Dolgu Faktörü )(Atom Dizim Katsayısı )

Bu faktör atomların dolu küreler olduğunu varsayarak bulunan birim hücredeki atomların toplam hacminin birim hücre hacmine bölünmesiyle bulunur. Metallerde en yüksek atomik paketleme faktörü 0.74 değeri ile YMK ve HSP yapıdadır. HMK yapıda 0.68 iken basit küpte 0.53tür.

Örnek : H.M.K nın atomsal dolgu faktörünü hesaplayınız?

68,0648

3

34

3r830a

3Πr342

=Π

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Π=

×=

raktörüPaketlemef

14

Yüzey merkezli kübik yapıda küpün her köşesinde ve yüzey merkezlerinde bir atom bulunur. Yüzey merkezindeki atomların bir yarısı, göz önüne alınan hücreye, diğer yarısı komşu hücreye aittir. (Cu,Al,Ag,Au )

Yüzey merkezli kübik yapı (YMK)

16

Hacim merkezli kübik (H.M.K)

Hacim merkezli kübik yapıda küpün her köşesinde ve merkezinde bir atom bulunur ve köşe atomları merkeze teğettir. Gerçekte her köşedeki atom 8 komşu birim hücre tarafından paylaşılmaktadır. Bir köşede birim hücreye ancak 1/8 lik bir dilim düşer. √3a=4R (Cr, α-Fe, Mo)

18

Hegzagonal sıkı paket yapı (HSP)

19

Örnek: Kübik kristal sistemdeki her bir hücre için atom sayılarını belirleyiniz?Kübik sistemde birim hücredeki toplam atom sayısı;Ntoplam=Ni+1/4Nkenar +1/2 Nyüzey +1/8 NköşeBirim hücre BK için : {1/8} * 8 köşe = 1Hacim merkezli kübik hücre (HMK) için :({1/8} * 8 köşe)+1 merkezdeki = 2Yüzey merkezli kübik hücre (YMK) için :({1/8} * 8 köşe)+(1/2)6 yüzey = 4

Polimorfizm ( Allotropi)Birden fazla kristal yapıya sahip olan malzemeler allotrofik veya polimorfikmalzemeler olarak bilinir. (Sıcaklık ve basınca bağlı olarak birden fazla kristal yapıda bulunabilme özelliği) Allotropi saf elementlerde, polimorfizm ise bileşiklerde kullanılır. Bir metal birden fazla kistal yapıya sahip olabilir Fe ve Ti elementleri gibi. Silika gibi birçok seramik malzemelerde de polimorfik dönüşümler görülür. Malzemelerin ısıtılması ve soğutulması sırasında polimorfik veya allotropikdönüşümler hacim değişikliğine neden olur. Bu hacim değişimi uygun bir şekilde kontrol edilmezse malzemenin çatlama ve hasarına neden olur.Örnek : Demir oda sıcaklığında H.M.K

>910 0C Y.M.K>14000 C H.M.K yapıya sahiptir.

20

Karmaşık yapılarElmas kübik yapı ( Si, Ge, Sn, C gibi elementlerde)NaCl ve CsCl (Sezyum klorür) yapılarKristal silikaKristalleşmiş polimerler

1

BİRİM HÜCREDE DOĞRULTU VE YÖNLER

Malzemelerin özellikleri, kristalde özelliğin ölçüldüğüdoğrultuya göre değişebilir. Miller indisleri bu doğrultularıtanımlamakta kullanılan kısa gösterimlerdir. Kristallerde atomların merkezlerini birleştiren doğrular uzatılacak olursa uzayda kafes görünümünde bir yapı elde edilir. Bundan dolayı bu yapıya kafes yapısı adı verilir. Değişik doğrultularda ve değişik düzenlerde farklı atomsal dizilişgörülür. Bu nedenle özellikler düzlemlere ve doğrultulara göre değişir. Buna anizotropi denir. Eğer özellikler kristalin bütün doğrultularında benzer ise malzeme izotropiktir.

Elektriksel Malzemeler 5. hafta 2009

3

Kristal doğrultular

Kristallerin bir çok özelliği kristal doğrultusuna bağlı olarak değişir. Doğrultuları belirlemek için “miller indisleri “ kullanılır ve [h k l ] şeklinde ifade edilir.Eşdeğer doğrultular ailesiKafes yapısı simetrik özelliğe sahip olursa bazı farklı doğrultularda atom dizilişleri aynıdır. Bu doğrultulara eşdeğer doğrultular adı verilir. Bir kafes yapıda eşdeğer doğrultuların tümü bir eşdeğer doğrultular ailesini oluşturur ve bu ailenin miller indisleri < h k l > şeklinde gösterilir.Örnek : <110> ailesini yazınız ?

17


Düzlemler arası mesafe

Miller indisleri h,k,l olan birbirine paralel en yakın iki düzlem arasındaki mesafe aşağıdaki formülle hesaplanır (dhkl )

bu denklemde a kafes parametresi hkl miller indisleridir.

Örnek : Sodyum (HMK) yapıdadır a= 4,29 A veriliyor miller indisleri (110) olan kristal düzlemleri göstererek bu düzlemler arası mesafeyi hesaplayınız?

222 lkhadhkl

++=

0

22203,3

14,129,4

011

29,4Α==

++=hkld

19

Örnek: Latis parametresi 0.2866 nm olan hacim merkezli kübik demirin yoğunluğunu hesaplayınız?

20

Düzlemsel atom yoğunluğu Hesabı:

22

Örnek. YMK sistemde (110) düzlemindeki düzlemsel atom yoğunluğunu hesaplayınız?

23

Soru 1 : Kafes parametresi 2,866 A0 olan H.M.K Fe in yoğunluğunu hesaplayınız? Atomik kütle= 55,85 gr/mol Avagadro sayısı = 6,023*1023

Soru 2 : HMK yapıdaki αFe (110) düzleminin düzlemsel atom yoğunluğunu mm2’ye düşen atom cinsinden hesaplayınız? a= 0,278nm

Soru 3 : Cu (YMK) yapıdadır a=0,361 nm olduğuna göre [110] yönünde doğrusal atom yoğunluğunu atom/mm cinsinden yazınız?

1

KRİSTAL YAPI KUSURLARI

Gerçek kristallerin hacim kafesi ideal düzenli yapıdan birçok sapmalar gösterir. Bu sapmaların her biri kafesin bozulmasına ve gerilmesine neden olur. Bazıhallerde atom boşluğu, atom yer değiştirmesi veya fazla atom durumu olur ki bu hatalara nokta hataları denir. Çizgi hataları fazla bir atom düzleminin kenarınıgösterir. Son olarak komşu kristaller arasında veya bir kristalin dış yüzeyinde yüzeysel (hudut ) hataları bulunur. Böyle hatalar mekanik, elektriksel özelikleri ve kimyasal özellik gibi malzemenin birçok özelliklerini etkiler.


2

Kristal Yapı Hataları1. Nokta Hataları

Boşluklar

Yeralan ve arayer hataları, Safsızlıklar

Schottky ve Frenkel hataları

2. Doğrusal Hatalar (Dislokasyonlar)

Kenar dislokasyon

Vida “

Karışık “

3. Düzlemsel Hatalar (Tane sınırları, dış yüzeyler, istiflenme hataları)

4. Hacimsel Hatalar: Boşluklar (döküm ve üretimden kaynaklanan porozite, çekme boşluğu vs.) İnklüzyonlar. Atomların üç boyutlu diziliminde oluşan yani her üç boyutu da kapsayan dizilim düzensizliği

3

Kristal Hatalarının Önemi

Çok düşük konsantrasyonlarda bile malzemelerin içerdiği kristal yapı hataları pek çok özellikleri (mekanik, elektriksel,optik vs.) önemli ölçüde etkiler.

Kristal hataları olmasa:

� Katı-hal elektronik aygıtlar olmazdı.� Metallerin dayanımı çok daha yüksek olurdu� Seramiklerin tokluğu çok daha yüksek (kırılganlığı daha düşük) olurdu� Kristallerde renk olmazdı� Difüzyon ve İyonik iletkenlik çok sınırlı olurdu

4

Noktasal Hatalar

Boşluklar; En basit nokta hatasıdır, metal yapısı içinde yerinde bulunmayan (yeri boş olan) bir atomun hatasıdır. Bir atom veya iyon kristal yapıda bulunması gereken yerde yoksa boşluk oluşur. Böyle bir hata ilk kristalleşme sırasında atomların hatalı olarak yığılması veya yüksek sıcaklık derecesinde termal titreşimleri sonucu olabilir. Isıl enerji yükseldikçe tek atomun düşük enerji seviyesindeki yerinden dışarıya fırlaması ihtimali artar. Boşluklar, tek veya iki ile daha fazlası bir arada toplanarak iki boşluk veya üç boşluk olabilir.

Arayer ve yeralan hataları; Bir atom kristalde latis noktası dışında bir yere yerleşirse arayer hatası oluşur. Normal latis noktasında bulunan bir atom başka bir atom ile yer değiştirirse yeralan hatası meydana gelir. Değişen atomların genelde boyutları aynı değildir.Yeralan atomu normal orijinal kafes noktasında yer alır. Arayer ve yeralan hatalarının her ikisi de malzemelerde empüriteler ve bilinçli olarak katılan elementler olarak bulunur.

5

Hatasız Yapı Boş Kafes Köşesi

Arayer Atomu Yer Alan Atomu

Sıvı metal katılaşırken, plastik şekil değiştirme ve yüksek sıcaklıkta ısıl titreşimlerin etkisi ile meydana gelir.

•Bir veya birkaç atomun oluşturduğu bölgesel kafes düzensizlikleridir.

•Hatanın çevresindeki atomların hatasız dizilimlerini engeller.

7

Schottky hataları; Boşluklara çok benzer, fakat elektrik yük dengesi nedeniyle bileşik olarak bulunurlar. Ayrı işaretli iki iyon boşluğu şeklindedir. Boşluklar ve Schottkyhatalarının her ikisi de atom yayınmasını kolaylaştırır.

Frenkel hataları; Kristal kafesindeki bir iyon yerinden çıkıp bir arayer atomu şekline geçerse buna Frenkel hatası denir. Sıkı paketli yapılarda atomu arayere sıkıştırmak için daha çok enerji gerektiğinden Schottky hatalarından daha az Frenkel hataları ile arayer hataları bulunur.

Frenkel Hatası Schottky Hatası

İyonsal cisimlerde kararlı yapı için net elektriksel yükün sıfır olması zorunludur. Bunlarda zıt işaretli iyon çifti eksik olursa Schottky Hatası, yer değiştirmiş iyon FrenkelHatası oluşturur.

9

Noktasal hatalar: (a) boşluk,(b) arayer atomu,(c) küçük yeralan atomu,(d) büyük yeralan atomu, (e) Frenkel hatası, (f) Schottky hatası. Tüm bu hatalar etrafındaki atomların mükemmel düzenini bozarlar.

10

kB: Boltzman sabiti (8.62.10-5 eV/atom K)Nv: Kristal kafesin belirli bir hacmindeki atom boşluğu sayısıNs: Kristal kafesin birim hücresindeki atom sayısı(atom/m3)

Örnek: Cu’ın oda sıcaklığındaki boşluk sayısını hesaplayınız?

Bir malzemenin belirli bir sıcaklıktaki atom boşluğu sayısı (Nv)

12

Örnek: Altının 900ºC de bir m3ünde oluşabilecek atom boşluklarını hesaplayınız? Atom boşluğunun oluşabilmesi için gerekli aktivasyon enerjisi 0.98 eV/atom olup; Altının yoğunluğu 19.32 g/cm3 ve atom kütlesi 196.9 g/mol dür.

Çözüm: Altının 1m3 hacminde bulunabilecek atom sayısı N, teorik yoğunluk formülünden bulunabilir.

ise,

Atom sayısı (N)= =5.90.1028 atom/m3

Nv=Ns.exp[-Qv/kBT]

Nv=( 5.90.1028 atom/m3)exp[-(0.98 eV/atom)/(8.62.10 -5 eV/atom K. 1173)]

Nv=3.64.1024 atom boşluğu/m3

SayıAvagadrohacmihücreBirimkütlesiatomunHersayıtomd

××Α

=

molgmcmcmgmolatom

/9.196/10./32.19./10.023.6 336323

13

Örnek: Oda sıcaklığında bakırdaki boşlukların konsantrasyonunu hesaplayınız.? Boşluk konsantrasyonunu denge halinden 1000 kat daha yüksek konsantrasyonlara çıkarmak için hangi sıcaklığa çıkmak gereklidir?Bakırda bir mol boşluk için 20.000 cal ihtiyaç olduğunu düşün.ÇÖZÜMYMK yapıdaki Cu’nun latis parametresi 0.36151 nm. 1cm3deki atom sayısı:

Oda sıcaklığı, T = 25 + 273 = 298 K:

32238 /10.47.8

)10.6151.3(/4 cmCuatomları

cmbirimhücreatomn == −

Nv=8.47.1022.exp (-20.000/1.987.298)

=1.815.108 boşluk/cm3

1000 katına çıkarmak için gerekli sıcaklık:

Nv= 1.815.108 .1000=8.47.1022.exp (-20.000/1.987.T)

T=102 °C

14

Çizgisel Hatalar / DislokasyonlarBir kristalin içinde en çok görülen hata dislokasyondur. Dislokasyonlarkristal yapıdaki çizgisel kusurlardır. İki değişik türde görülür: kenar dislokasyonları ve vida dislokasyonları.

Kenar dislokasyonu (sembol ⊥) kristal içinde sona eren bir kafes düzleminin kenarı olarak düşünülebilir. Kristale ekstra yarım bir düzlemin girmesi ile oluşur.

Vida dislokasyonunda kafes düzlemi kendisine dik olan dislokasyonçizgisi etrafında spiral şeklini alır.Kristalin burulması ile bir atom düzleminin spiral bir rampa üretmesi ile oluşur. Dislokasyonlar çok kısa bölümlerde saf kenar veya saf vida karakteri gösterip, genellikle bu ikisinin bileşimi olan karışık dislokasyon halindedirler.

Kenar Karışık dislokasyonlar–Kısmen kenar kısmen vida dislokasyonuiçeren dislokasyonlardır.

15

Mükemmel kristal (a) kesilip extra yarı düzlem eklenir (b) Ekstra düzlemin alt kenarı kenar dislokasyonudur (c) Burgers vektörü b kenar dislokasyonu etrafındaki eşit atom aralığını kapatmak için gereklidir.

Kenar Dislokasyonu

17

Mükemmel kristal(a) kesilip bir atom aralığı kadar kaydırılmış, (b) ve (c). Kırılma/kesilme boyunca oluşan çizgi vida dislokasyonudur. Burgers vektörüb vida dislokasyonu etrafındaki eşit atom aralığını kapatmak için gereklidir.

Vida dislokasyonu

19

Karışık Dislokasyon

20

Dislokasyonların Önemi

Kayma işlemi özellikle metallerin mekanik davranışlarının anlaşılmasına yardımcı olur.

Metallerin dayanımının metalik bağdan tahmin edilen değerden neden çok daha az olduğunu açıklar.�Metallerde süneklik sağlar.

Metal veya alaşımların mekanik özelliklerinin kontrol edilmesini sağlar.

Dislokasyonsuz bir malzeme yüzey boyunca bağların tümünükoparmakla kopabilirdi.

Dislokasyon kaydığında ise bağlar yalnızca dislokasyon çizgisi boyunca kopar..

22

Yüzey Hataları

Malzemeleri bölgelere ayıran sınırlardır. Her bölge aynı kristal yapıya fakat farklıyönlenmeye sahiptir. Bir cismin yüzeyinde bulunan atomlar enerji yönünden içeridekilerden farklıdır. İçerideki atomlar komşu atomlarla tamamen kuşatılmışolup düşük enerji konumundadırlar. Yüzey atomlarının ise bir yanlarında komşu atomlar yoktur ve kütle tarafından daha büyük bir kuvvetle çekilirler, bu nedenle de enerjileri daha yüksektir. Yüzeye atom eklenirse bir miktar enerji açığa çıkar, eğer yüzeyden atom koparılmak istenirse bir miktar enerji vermek gerekir. Yüzeydeki bu fazla enerjiye yüzey enerjisi denir.

Tane Sınırları: Bireysel taneleri birbirinden ayıran yüzeydir ve atomların düzgün yerleşmediği dar bir alandır. Metallerin mikroyapıları ve diğer pek çok katımalzeme, birçok tanelerden meydana gelir. Tane, içerisinde atom dizilmelerinin özdeş olduğu malzemenin bir kısmıdır. Buna karşı atom diziliş yönlenmesi veya kristal yapı her bitişik an için farklıdır. Şekilde şematik olarak taneler gösterilmiştir; her tane içinde kafes yapısı aynıdır fakat kafes yönlenmeleri farklıdır. Tane sınırı, bireysel taneleri birbirinden ayıran yüzeydir ve atomların düzgün yerleşmediği dar bir alandır.

23

Küçük açılı tane sınırı; Küçük açılı bir tane sınırı, dislokasyonların bitişik kafesler arasında küçük bir yönlenme bozukluğu oluşturduğu bir dislokasyonsırasıdır. Yüzey enerjisi, düzenli tane sınırınkinden az olduğu için, küçük açılıtane sınırları kaymayı engelleyecek kadar etkili değildir. Kenar dislokasyonlarıtarafından oluşturulan küçük açılı tane sınırları eğik sınırları ve vida dislokasyonlarının neden olduğu sınırlar ise burma sınırları olarak adlandırılır.

Şekil: Tane Sınırları

25

İstif hataları:İstif hataları YMK metallerde olur ve sıkı paket düzlemlerin istiflenmesi sırasındaki bir hatayı gösterir. Normal olarak hatasız bir YKM kafesinde istiflenme sırası ABCABCABC şeklindedir. Fakat aşağıdaki sıralamanın oluştuğu kabul edilsin.

ABCABAB,CABCGösterilen sıralanmada, A tipi bir düzlem, normalde C düzleminin yerleşmesi gerektiği yerde gösterilmiştir.

Şekil: Küçük açılı tane sınırı

26

İstif Hatası

28

İkiz sınırlar; Bir ikiz sınır, düzlem boyunca kafes yapısındaki yönlenme bozukluğunun özel bir ayna görüntüsü olan bir düzlemdir. İkizler, ikiz sınırıboyunca kayma kuvveti etkidiğinde oluşabilir ve atomların pozisyon dışına kaymasına neden olur. İkizlenme belirli metallerin şekil değiştirmesi veya ısıl işlemi sırasında olur. İkiz sınırları kayma işlemi ile kesişir ve metalin dayanımını arttırır.

Şekil: İkiz sınırlar

4

KAYMADislokasyon hareketi ile şekil değişimini sağlayan işlem kayma olarak adlandırılır. Kayma doğrultusu ve kayma düzleminin bütününe kayma sistemi denir. Kayma yönü atom yoğunluğunun en fazla olduğu yön ve kayma düzlemi bir sıkı paket düzlemdir.

Dislokasyon çizgisinin hareket ettiği doğrultu kayma doğrultusu, kenardislokasyonları için Burgers vektörlerinin doğrultusudur.

Kayma esnasında kenar dislokasyonu Burgers vektörü tarafındanoluşturulmuş düzlemi ve dislokasyonu dışarı götürür; bu düzlem kaymadüzlemi olarak adlandırılır.


Tablo: HMK ve YMK yapılarda kayma düzlem ve doğrultuları

5

Bir metal plastik şekil değişikliğine uğramış ise, atomların yerideğişmiş demektir. Atomların yer değiştirmesi nasıl olabilir?

İlk akla gelen, atom düzlemlerinin birbirinin üzerinde, atomlar arası bağlarkoparılarak hareket ettirilmesidir. Yapılan teorik hesaplamalar, böyle bir işleminolabilmesi için gerekli gerilmenin, malzemenin pratikte uygulananın 100 ile10000 katı kadar olması gerektiğini göstermiştir. Demek ki, plastik şekildeğiştirme, başka bir mekanizma ile meydana gelmektedir.

6

Metallerin Deformasyon Mekanizmaları

Metallerde iki çeşit deformasyon mekanizması görülür:

1. Metallerin deformasyonu kristal bloklarının belirli kristallografik düzlemlerboyunca birbirleri üzerinden kaymasıyla oluşur. Bu düzlemler kaymadüzlemleri olarak adlandırılır. Kayma düzlemleri kristal içerisindeki enyoğun düzlem ve yönlerdir. Blok malzemenin kayması kaymadüzlemindeki kayma gerilmeleri sonucu oluşur. Eğer kristal mükemmelolsaydı plastik deformasyonu başlatmak için gerekli kayma gerilmesigerçeğinden yaklaşık 100 katı fazla olurdu. Kayma yapı içerisindekihatalar (dislocations) sebebiyle mümkün olur.

Yapılan incelemeler, plastik şekil değiştirmenin dislokasyon hareketiile meydana gelen kayma ile veya ikiz teşekkülü ile meydana geldiğinigöstermiştir.

Dislokasyon hareketi, kayma gerilmesi ile meydana gelir. Eksenidoğrultusunda çekilen bir metalin, dik kesitinde normal gerilmemeydana geldiği halde, yine plastik şekil değiştirme meydana gelir.

7

(a) Dislokasyona kayma gerilmesi uygulandığında (b)atomlar yer değiştirir budislokasyonun kayma yönünde bir Burgers vektörü kadar hareket etmesi ile olur.(c) Dislokasyonun devamlı hareketinin sonunda bir basamak oluşur ve kristaldeforme olur (d) Tırtıl hareketi dislokasyon hareketine benzetilebilir.

8

Şekil. Dislokasyon sayesinde daha düşük gerilme değeri ile deformasyon

gerçekleşebilir.

9

2. Plastik şekil değiştirmenin diğer bir mekanizması ise ikiz teşekkülüdür. İkizteşekkülünde, ikiz bölgesindeki atomlar diğer atomlar ile ayna simetrisioluştururlar.

İkiz oluşumu, kristalleşme esnasında veya plastik şekil değiştirme esnasındameydana gelir. Gerilme uygulanan bir kristalde dislokasyon hareketi ile şekildeğiştirme oluşmuyor ise ikiz teşekkülü ile şekil değiştirme oluşur.

11

Schmid’s kanunu –Kayma gerilimi, uygulanan gerilim ve kaymasistemlerinin oryantasyonu arasındaki ilişkidir.

Kritik kayma gerilimi–Bir dislokasyonun harekete geçip kaymayabaşlaması için gerekli gerilimdir.

Çekme gerilmesiKayma gerilmesi

Kayma gerilmesi δ kayma sisteminde oluşur.((ø+ λ) toplamı 90°olmakzorunda değildir. (b) Kayma sistemlerinde dislokasyonların hareketimalzemeyi deforme eder.

12

Örnek:

13

Örnek: HMK demirin (112) düzleminin düzlemsel atom yoğunluğu 9.94×1014atoms/cm2. (a) (110) düzleminin düzlemsel atom yoğunluğunu ve (b) (112) ve(110) düzlemlerarası mesafeyi hesaplayınız? Hangi düzlemde kayma oluşur?

14

Çözüm:

15

Difüzyon

Atomlar, sahip oldukları termal enerjiden dolayı, bulundukları latis pozisyonlarıetrafında salınım halindedirler. Yeterli enerji sağlandığı takdirde bulunduklarıpozisyondan ayrılarak diğer atomik pozisyonlara hareket ederler. Bu hareketedifüzyon adı verilir.Difüzyonun gerçekleşmesi için: Atomun gidebileceği uygun bir yer,Pozisyonunu terk edebilmesi için yeterli enerjiye sahip olması gerekir.

Difüzyon olayının anlaşılması için iki farklı elementten oluşan Cu-Ni difüzyon çiftikullanılabilir. Burada Cu ve Ni bloklarının yüzeyleri birbiri ile temas halindedir.Difüzyon çifti her iki elementin de ergime sıcaklıklarının altında bir yüksek sıcaklıktauzun bir süre tutulur.

Difüzyonun ÖnemiHemen hemen tüm malzemeler değişik özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla değişik ısıl işlemlere tabi tutulurlar. Bu ısıl işlemler sırasında oluşan olaylar atomik difüzyona dayanır. Genellikle difüzyon hızının yüksek olması istenir.Isıl işlem sıcaklıkları ve süreleri (soğuma hızları) matematiksel difüzyon bağıntılarıyardımıyla tahmin edilebilir. Bu da malzeme dizayn ve üretimi açısından önemlidir.

16Arayer atomları daha küçük çaplıdırlar vedaha hareketlidirler. Ayrıca, arayer sayısıboşluk sayısından daha yüksektir.

18

Cu-Ni çiftinde olduğu gibi iki farklı elementin atomlarının birbirleri içinde oluşan difüzyonu empürite difüzyonu veya interdifüzyon olarak adlandırılır. Bu tip difüzyonda zamanla yüksek konsantrasyondan düşük konsantrasyona doğru bir konsantrasyon değişimi olur.

19

Atom ve molekül transferi ile kütle taşınımına yayınma (difüzyon) denir.Gaz ve sıvılarda partikül taşınımı ile de difüzyon oluşur

Difüzyon basit olarak; Atomların sıcaklığa bağlı olarak hareket etmesi olayı,yada Atom transferi yoluyla malzeme içinde kütle taşınması. İstisna:Homojen malzemelerde aynı atomların yer değişimi-self difüzyon (Geneldekütle taşınması görülmez)

Difüzyon İçin Konsantrasyon Gradyanı Gereklidir(Yüksek konsantrasyonlu bölgeden düşük konsantrasyonlu bölgeye atom,molekül veya partikül transferi ile kütle transferi olayı)

20

Konsantrasyon Gradyantı Δc/ Δx: Konsantrasyon gradyantı(atomlar/m3.m)

Malzeme kompozisyonunun uzaklık ile nasıl değiştiğini gösterir.

Konsantrasyon gradyantı yüksek iken başlangıçtaki akısıda yüksektir ve gradyant azalırken düzenli bir şekilde düşer.

21

Atomsal Difüzyon Mekanizmaları

Difüzyon mekanizmaları: 1. Direkt yer değiştirme, 2. Çevrimli yer değiştirme, 3. Boşluk difüzyonu, 4. Arayer difüzyon, 5. Arayerimsi difüzyon, 6. Tırmanmalı difüzyon

22

1. Direkt Yer değiştirme: Atom yoğunluğu yüksek sistemlerde meydanagelir.Yüksek oranda distorsiyona yol açar.Çok yüksek aktivasyon enerjisibariyeri aşılmalı.

2. Çevrimli Yer değiştirme: Zener modeli olarak da bilinir. N adet atom sürekliolarak birbirinin yerini alır. Aktivasyon enerjisi direkt yer değiştirmeden çok dahadüşüktür.

3. Boşluk Mekanizması: Nokta hataları, çift boşluklar ve yer alanlar. Çok yüksekaktivasyon enerjisi gerekmez. Distorsiyon olmadan atomlar hareket eder.

4. Arayer (Insterstitial) Difüzyonu: Bu mekanizma daha çok H, C, B, N, ve Ogibi arayere daha kolay sığabilen nispeten küçük, boyutlu atomlardan oluşanelementlerin interdifüzyonu için geçerlidir. Distorsiyonsuz difüzyon (atomboşluğuna gerek yok) Düşük aktivasyon enerjisi

Latis pozisyonunda bulunan daha iri atomların arayere difüzyonu daha zordur.Küçük boyutlu ve dolayısıyla daha mobil atomların hareketine dayanan Arayermekanizması, Boşluk mekanizmasına göre daha hızlıdır. Ayrıca atomboşluklarıyla kıyaslandığında çok daha fazla arayer bulunur.

5. Diğer Difüzyon Mekanizmaları Arayerimsi difüzyon, Tırmanmalı Difüzyon Çokyüksek aktivasyon enerjisi, yüksek distorsiyon

23

1. Yeterli aktivasyon enerjisi

2. Boşluk veya diğer kafes kusurları

varsa, atomlar hareket edebilirler.

• Sıcaklığın artmasıyla bu hareketin hızıartar.

•Ergime sıcaklığı arttıkça malzemelerdekiaktivasyon enerjisi de artar. (bağların

kuvvetli olması)

• Atomlar arası bağ enerjisi ve boyutfarklılıkları difüzyon hızını etkilemektedir.Katıda oluşan atom hareketi için

aktivasyon enerjisiSaf bir malzeme içinde gerçekleşen tek tip atom hareketi ile gerçekleşen difüzyon self-difüzyon olarak adlandırılır. Burada difüzyonu karakterize eden konsantrasyon değişimi değildir.

a) Isı, b) Deformasyon, c) Magnetik güç, d) Radyasyon, e) Radyo frekansı ile aktivasyon enerjisi aşılır.

25

Fick’ in 1. Yasası: Zamandan bağımsız difüzyon

Kararlı Durum Difüzyonu: Ortama difüze olan atomu sağlayan kaynağın limitsizolması durumunda ara yüzeydeki konsantrasyon sabit olacaktır.

Jx: x yönünde y-z düzlemine dik hareket eden atomlar: Akı (atom/m2.s)D: Difüzyon sabiti (m2/s)C: Atom konsantrasyonu (atom/m3)x: Difüzyon mesafesi (m)

Bir birim (m2) arayüzey kesitinden birim zamanda (s) geçen atom sayısı olan akı(J) nın konsantrasyonla (C) ilişkisi Difüzyon sabitini (D) verir.

26

D etkileyen en önemli iki faktör: a) Sıcaklık, b) Kompozisyon.Düzensizlik artınca Difüzyon katsayısı artar (Tane sınırı ve dislokasyonlar)

Boşluk konsantrasyonunda NV = N exp(-Q/kT)• Q boşluk oluşum enerjisidir (bu enerji arttıkça boşluk sayısı azalır)• Qd aktivasyon enerjisidir (bu enerji arttıkça, atomik difüzyon olasılığı azalır)

27

Fick’ in 2. Yasası: Zamana bağımlı difüzyon

Bir araya getirilen (belirli boyutlardaki) iki metal bloğundan oluşansistemde difüzyonda elementlerin konsantrasyon profili zamanla değişiyor(sabit değil).

Konsantrasyon (C) zamana (t) vemesafeye (x) bağlı bir değişken.

Konsantrasyonun zamanla değişimikütlenin sakınımı prensibine göre Akının(J) mesafeyle değişimine eşit olmalıdır.

36

Isıl işlem sonrası Co-Pt-Ta-Cr filmin şematik gösterimi. Isıl işlem sonrası çoğu Cr taneden tane sınırlarına difüze olur. Bu bilgisayar hard disklerinde magnetik özelliğin gelişmesini sağlar.

N-p-n transistörünün şematik gösterimi. Yarıiletken malzemeler üzerinde değişik bölgelerin oluşturulmasında difüzyon önemli rol oynar. Mikroelektronik teknolojisinde bu tür transistörlerin geliştirilmesi önemlidir.

Uygulama Örnekleri:

37

ProblemBir demir levhanın bir yüzeyi yüksek, diğeri düşük C içeriğine sahip birortamda 700 0C’ da tutulmaktadır. Kararlı durum difüzyonu koşullarındakarbürleşmenin gerçekleştiği yüzeyin 5 ve 10 mm derinliğinde Ckonsantrasyonu sırasıyla 1.2 ve 0.8 kg/m3 olduğuna göre oluşandifüzyonun akısını hesaplayınız. (Bu sıcaklıktaki difüzyon sabitini 3x10-11

m2/s.)

38

Örnek:

39

Problem: Transistör üretiminde bilinen yöntemlerden biride yarıiletken malzemeyeempürite atomlar ilave edilmesidir. Silisyum 0.1 cm kalınlıkta olsun ve her 10 milyonSi atomunda normalde bir P atomu vardır içinde 400 fosfor (P) atomu olduğuvarsayıldığında konsantrasyon gradyanını (a) atomik yüzde ve (b) atoms /cm3.cm.cinsinden hesaplayınız? Si latis parametresi 5.4307 Å.

P atomlarının konsantrasyon değişimini gösteren silisyum wafer.

1

MEKANİK ÖZELLİKLER


Çekme Testi : Malzemenin statik veya yavaş uygulanan bir kuvvete karşıdirencini ölçmek için uygulanan bir test yöntemidir.

2

Şekilde bir cismin iki tip zorlanması gösterilmiştir. Bunların ilkinde cisim, tek eksenli gerilme, σm ile sınır durumuna gelmiştir. İkinci şekilde cisim, üç eksenli gerilme altında yine sınır durumundadır.

4

Dış kuvvetlerin etkisi altında değişik zorlamalar karşısında, malzemede oluşan şekil değişiklikleri ve bu etkiler altında malzemenin gösterdiği dayanma gücü özelliklerine mekanik özellikleradı verilir.

Dış kuvvetler cisim içinde her atoma etkiyen yayılı iç kuvvetler oluştururlar. Kuvvetler yerine parça boyutundan bağımsız zorlamaşiddetini belirten GERİLME tanımı kullanılır. Gerilme en basit şekliyle birim alana gelen kuvvet olarak tanımlanabilir.

Bir malzemenin cisimlerin dayanımı yönünden, hangi yük sınırında plastik hale geçeceği veya hangi gerilme değerinde kırılacağınıbulmak önemli bir sorundur. Yapı için tehlikeli sayılacak bu sınırlarıdeneylerle saptamak gerekir.

Ancak malzeme deneyleri çok defa tek eksenli gerilme altında yapılıp, tehlikeli sınırlar bu gerilme durumu için saptanır.Üç eksenli gerilme halinin çeşidi sonsuz olup, bütün haller için ayrıayrı deney yapmak olanaksızdır. Ayrıca üç eksenli deney tekniği çok zordur. Ancak gelişmiş laboratuvarlarda bu deneyleri gerçekleştirmek mümkündür.

5

Tekrar tipik sünek bir malzeme olan çeliğin gerilme-birim uzama davranışı incelenirse:

Geri alınabilen deformasyon

gerçek kopma gerilmesi

nihai gerilme

orantı sınırıelastik sınır

akma gerilmesi

elastik bölge

akma birim uzama pekleşmesi

boyun verme

plastik davranışelastik davranış

Kalıcı deformasyon

σn

′σk

σk

σAσos

• Akma

• Elastik Bölge

• Birim UzamaPekleşmesi

• Boyun Verme

• Kırılma

Kırılma gerilmesi

6

METALLERİN TEMEL MEKANİK ÖZELLİKLERİ

Çekme TestiMalzemeler uygulamada yüklere veya kuvvetlere maruz kalırlar. Uygulanan bu yüklerin malzemede kalıcı deformasyona yol açmaması için ya belli bir değerin altında olması ya da bu yüklere dayançlı uygun bir malzeme kullanılması gerekmektedir. Çekme deneyi malzemelerin mukavemeti hakkında esas dizayn bil-gilerini saptamak ve malzemelerin özelliklere göre sınıflandırılmasınısağlamak amacı ile geniş çapta kullanılır. Çekme deneyi standartlara gö-re hazırlanmış deney numunesinin tek eksende, belirli bir hızla ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadar çekilmesidir. Deney sırasında, standart numuneye devamlı olarak artan bir çekme kuvveti uygulandığında, aynı esnada da numunenin uzamasıkaydedilir. Çekme deneyi sonucunda numunenin temsil ettiği malzemeye ait aşağıdaki mekanik özellikler bulunabilir.

7

Elastisite modülüElastik sınırıRezilyansAkma gerilmesi Çekme dayanımıTokluk % uzama % kesit daralması

8

Genleme ise;

00

0i

ll

lll Δ=

−∈=

Burada l0 numunenin ilk boyu, li ise kuvvet uygulandıktan sonraki anlık boyudur.

0AF

=σ

Çekme testinde numuneye kendi uzunluğu boyunca tek eksen üzerinde kırılana kadar çekme kuvveti uygulanır. Yapılan test neticesinde malzemenin gerilme-genleme ilişkisi ortaya çıkarılır. Gerilme;

9

Oldukça düşük genleme hızı seviyelerinde çekmeye tabi tutulan metallerin büyük bir bölümü için elastik bölgede gerilme-genleme ilişkisi aşağıdaki gibidir:

Bu denklem Hooke kanunu, E ise elastisite modülüolarak bilinir.

∈=σ E

10

Genleme,

Gerilme, σ

0.002

M

Akma mukavemeti

Çekme Mukavemeti

∈

Tipik bir gerilme-genleme eğrisi

11

Süneklik diğer önemli bir mekanik özelliktir. Malzemenin kırılmasına kadar olan plastik deformasyonun bir ölçüsüdür. Gevrek malzemeler kırılmadan önce ya çok az plastik deformasyona uğrarlar ya da hiç plastik deformasyona uğramazlar.

12

Genleme,

Gerilme, σ

Sünek

Gevrek

Sünek ve gevrek malzemelerin gerilme-genleme ilişkisi

∈

13

Süneklik % uzama veya % kesit daralması şeklinde tanımlanabilir.

100l

)l(l

ilk

ilkson ⋅−

=% Uzama

100A

AA

ilk

sonilk ⋅−

=% Kesit daralması

16

Al alaşımı için gerilme genleme eğrisi

17

Basma testi

Şayet uygulamada malzeme üzerindeki kuvvet basma şeklinde ise malzemeye basma testi uygulayarak basma mukavemeti bulunabilir. Basma testi, uygulanan basma kuvveti hariç, çekme testine benzer bir şekilde gerçekleştirilir. Basma deneyi sırasında numunenin kesiti devamlı olarak arttığından, çekme deneyinde görülen «Boyun» teşekkülü problemi yoktur. Basma deneyi bilhassa gevrek ve yarı gevrek malzemelerin sünekliğini ölçmede çok faydalıdır, zira bu malzemelerin sünekliği çekme deneyi ile hassas olarak ölçülemez. Bu malzemelerin çekmede % uzama ve % kesit daralması değerleri hemen hemen sıfırdır.

18

Basma testi

Basma deneyinin diğer bir avantajı da çok küçük numunelerin bile kullanılabilmesidir. Bu avantaj, bilhassa çok pahalı malzemelerle çalışıldığında veya çok az miktarda malzeme bulunduğu durumlarda çok faydalıdır.

19

Basma deneyi işlem itibarı ile çekme deneyinin tamamen tersidir. Basma deneyi de çekme deneyi makinelerinde yapılır.

Gri dökme demir, yatak alaşımları gibi metalik ve tuğla, beton gibi metal dışımalzemelerin basma mukavemetleri, çekme mukavemetlerinden çok daha yüksek olduğundan, bu gibi malzemeler basma kuvvetlerinin uygulandığı yerlerde kullanılırlar ve basma deneyi ile muayene edilirler.

22

Sertlik

Sertlik malzemenin bölgesel deformasyona karşıdirencinin ölçüsüdür. Çeşitli sertlik deneyleri mevcut olup en çok kullanılanı Brinell ve Rockwell sertlik deneyleridir. Vickers ve Knoopdeneyleri mikrosertlik deneyleridir. Bu deneylerde çok küçük izler oluşturulur ve mikroskop ile ölçülür.

24

Darbe Tokluğu Testi

Tokluk malzemenin kırılana kadar enerji absorbe etme yeteneğinin bir ölçüsüdür. Malzemelerin darbe tokluğunu ölçmek için Charpydeneyini de içeren birçok darbe test yöntemi tasarlanmıştır. Numuneler çentikli veya çentiksiz olabilir. Darbe deneyinde h0yüksekliğinden bırakılan ağır sarkaç yarım yay şeklinde sallanarak numuneye çarpar.

Çentik darbe deneyinde amaç, malzemenin bünyesinde muhtemelen bulunacak bir gerilim konsantrasyonunun (gerilim birikiminin) darbe esnasında çentik tabanında suni olarak teşkil ettirilip, malzemenin bu durumda dinamik zorlamalara karşı göstereceği direnci tayin etmektir.

26

Çentikli bir numune zorlandığı zaman, çentiğin tabanına dik bir ge-rilim meydana gelir. Kırılmanın başlaması, bu gerilimin etkisi ile olur. Numunenin kırılabilmesi için bu dik (normal) gerilimin, kristalleri bir arada tutan veya kristallerin kaymasına karşı koyan kohezif dayanımdan fazla olması gerekir. Numune, plastik biçim değiştirmeğe fırsat bulamadan bu hal meydana gelirse, buna gevrek kırılma denir. Burada kırılan yüzey, düz bir ayrılma yüzeyidir.

27

YORULMA

Bir çok makine parçaları ve yapı elemanları kullanılma esnasında tekrarlanan gerilmeler (yükler) ve titreşimler altında çalışmaktadırlar. Tekrarlanan gerilmeler altında çalışan metalik parçalarda, gerilmeler parçanın statik dayanımından küçük olmalarına rağmen, belirli bir tekrarlanma sayısı sonunda genellikle yüzeyde bir çatlama ve bunu takip eden kopma olayına neden olurlar. «YORULMA» adı verilen bu olay ilk defa 1850 - 186O yılları arasında Wöhler tarafından incelenmiş ve teknoloji ilerledikçe mühendislik uygulamalarında daha fazla önem kazanmıştır. Otomotiv ve uçak endüstrisindeki parçalar ile kompresör, pompa, türbin gibi makinelerin parçalarında görülen mekanik hasarların yaklaşık % 90'ı yorulma sonucunda olmaktadır. Yorulma olayına, parçaya sadece dışardan uygulanan mekanik kuvvetler değil, ısıl genleşme ve büzülmelerden doğan ısısal gerilmelerde neden olabilmektedir.

28Şekil:Döner destekli kiriş yorulma test düzeneği

29

Yorulma testi bir parçanın ne kadar süreyle dayanabileceğini veya kopma olmaksızın uygulanabilecek maksimum yüklemeleri belirler. Yorulma Ömrü: Yorulma ömrü, bir malzemeye tekrarlı gerilim (σ) uygulandığında malzemenin ne kadar süreyle hizmet vereceğini bildirir. Ömrü süresince 100.000 devir yapmak zorunda olan bir takım çeliği tasarlanırsa, o zaman parça 620 MPa'dan daha az bir uygulama gerilimine maruz kalacak şekilde tasarlanmalıdır. Yorulma Sınırı: Yorulma sınırı, tercih bir kriter olarak yorulma ile kopmanın asla olmadığı gerilimdir. Yorulma sınırında uygulanan gerilim (S) ve devir sayısı (N) eğrisi paralel olur. Takım çeliğinin kopmasını önlemek için uygulanan gerilimin 414 MPa'dan daha az olacak şekilde tasarlanmalıdır Yorulma Dayanımı: Pek çok alüminyum alaşımını da içeren bazımalzemeler gerçek yorulma sınırına sahip değildir. Bu malzemeler için minimum yorulma ömrü belirlenebilir; bu durumda yorulma dayanımı, bu zaman periyodunda yorulmanın olmadığı yorulma dayanımının altındaki gerilimdir. Pek çok alüminyum alaşımlarında yorulma dayanımı için 500 milyon devir esas alınır.

30Fe ve Fe dışı metallere ait tipik S-N eğrisi

31

Eğme testi

1

Malzemelerin

Elektriksel Özellikleri


2

Benjamin Franklin

6

Elektron teorileri genel olarak;

Elektron gaz teorisiSerbest elektron teorisiElektron band teorisi olarak 3 grupta incelenebilir.

-Elektron gaz teorisinde elektronların tıpkı gaz atomları gibi davranarak,-Serbest elektron teorisinde elektronların katı içerisinde serbest olarakhareket ederek,-Band teorisinde elektronların katı içerisinde belli enerji seviyelerindebulundukları ve seviyelerini değiştirme sureti ile iletkenliği sağladıklarıesas alınmaktadır.

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) eksiyük taşıyıcı, e boşlukları ile yayınan (+) yüklü iyonlar (katyon) artı yüktaşıyıcılardır. Bir malzemenin iyi bir iletken olup olmadığını malzemeninher iki ucuna bir potansiyel farkı tatbik edilerek anlaşılabilir.

7

Elektriği ileten maddelere iletken denir. Elektrik akımını iletmeyenmaddelere ise yalıtkan madde denir. Bunların tam arasında bulunan birmadde vardır ki o da yarıiletken maddedir. Elektriği olduğundan çok fazlaileten maddelere ise süper iletken malzemeler denir.

Yarı iletkenler, iletkenlik bakımından yalıtkan ile iletken arasındadır.Normal şartlarda yalıtkanlardır. Ama sıcaklığın etkisiyle iletken haledönüşür. Bunun nedeni ise sıcaklık sayesinde bir miktar valanselektronunun serbest hale gelmesidir. Bu yüzden yarı iletkenlerelektronikçiler tarafından oldukça sık kullanılmaktadır.

Süper iletkenlik hali malzemenin direncinin 0(sıfır)’ a düşmesiyle oluşur.Süper iletkenler sayesinde enerji kayıpsız bir şekilde transfer edilebilir. Birmaddenin direncinin sıfıra düşürülebilmesi için maddeye çok düşüksıcaklık uygulanmalıdır.

Elektrik akımını iletmeyen maddelere yalıtkan maddeler denir. Bumaddeler aynı zamanda ısı akışını engellemek amacıyla da kullanılır.Yalnız bu maddelerde sıcaklık ile ısıl iletkenlik arasında bir bağ vardır.Metallerin ve kristal yapıdaki katıların çoğunda ısıl iletkenlik sıcaklıkyükseldikçe azalır, buna karşılık cam gibi amorf maddelerin ısıl iletkenliğisıcaklık yükseldikçe artar.

8

Malzemelerin fiziksel davranışları, çeşitli elektrik, manyetik, optik, ısıl veelastik 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 geçişleribelirleyerek, malzemelerin iletken, yarı iletken ya da yalıtkan olmalarınısağlamaktadır. Bunun yanında, ferromanyetik davranış, yayınma vesaydamlık gibi özellikler de atomik yapıya bağlıdır.Fiziksel özellikler, atomların kısa mesafeli ve uzun mesafeli dizilişdüzenini değiştirmekle ve de atomik dizilmede yabancı atomları katmaklave kontrol etmekle önemli ölçüde değiştirilebilmektedir.Metal işleme tekniklerinin, metallerin elektrik iletkenliği üzerine büyük etkisibulunmaktadır. Geliştirilmiş mıknatıslar, kafes hataları ile ya da taneboyutu denetlemekle elde edilebilmektedir.Atom gruplarının elektronik yapıları incelenerek, elektriksel özelliklerisaptanmakta ve buna bağlı olarak elektrik ve elektronik malzemelerseçilebilmektedir. Benzer biçimde, bir malzemenin elektrik alanına ya damanyetik alana tepkisi saptanarak manyetik malzeme seçimiyapılabilmektedir.Elektrik alana tepki dielektrik özellikler ve değerler yardımıylasaptanmaktadır. Dielektrik malzemelerin diğer özelliklerini kutuplaşma,piezoelektrik ve ferroelektrik özellikler belirlemektedir.

9

Pek çok uygulamada malzemelerin elektriksel davranışı mekanikdavranışlarından daha önemlidir.

-Uzun mesafelere akım ileten metal tel, ısınma sonucu oluşan güç kaybınıazaltmak için yüksek bir elektrik iletkenliğe sahip olmalıdır.-Seramik yalıtkanlar, iletkenler arasındaki arkı önlemelidir.-Güneş enerjisini elektriksel güce dönüştürmek için kullanılan yarıiletkencihazlar, güneş hücreleri uygulanabilir alternatif bir enerji kaynağı yapmakiçin mümkün olduğu kadar etkin olmalıdır.

Elektrik ve elektronik uygulamalar için malzeme seçmek ve kullanmakelektrik iletkenliği gibi özelliklerin nasıl üretildiğinin ve denetlendiğininanlaşılmasını gerektirir. Ayrıca, elektriksel davranışın, malzemeyapısından, malzemenin işlenişinden ve malzemenin maruz kaldığıçevreden etkilendiği bilinmelidir. Bu nedenle malzemelerin atomik yapı veelektronik düzenlerinin iyi bilinmesi, temel elektrik yasalarınınhatırlanması gerekmektedir.

10

Metallerde elektrik iletimi

Metalik malz.de atomlar kristal yapıda (YMK, HMK, HSP) dizilir vebirbirlerine en dış değerlik elektronlarının oluşturduğu metalik bağlabağlanır. Metalik bağda elektronlar belirli bir atoma bağlı olmayıp birçokatom tarafından paylaşıldığından, metalik bağda değerlik elektronlarıserbestçe hareket eder. Bazı durumlarda elektronların bir elektron bulutuoluşturduğu, bazı durumlarda ise elektronların kendi başlarına serbestelektronlar olduğu, herhangi bir atoma bağlı olmadığı varsayılır.

Geleneksel modelde, malzemede yük taşıyıcı sayısı denetlenerekelektriksel iletkenlik denetlenebilmektedir. Elektronlar (dış değerlikelektronları), iletkenlerde, yarı iletkenlerde ve yalıtkanlarda yüktaşıyıcılardır. İyonik bileşiklerde ise, yükü iyon taşır.

11

Bir elektrik potansiyelinin yokluğunda, değerlik elektronlarının hareketirastgele ve sınırlıdır, dolayısıyla, herhangi bir yönde net elektron akışı veelektrik akımı yoktur.

Bir elektrik potansiyelinin uygulanması halinde elektronlar, uygulananalanla orantılı fakat zıt yönde bir sürüklenme hızı kazanır.

Metalin sıcaklığı yükseldiğinde ısıl enerji atomun titreşmesine sebepolmaktadır. Denge durumunda olamayan atomlar elektronlarla etkileşerekelektronları dağıtmakta ve elektronların hareketliliği azalmakta veözdirenç artmaktadır.

Hareketlilik, atomik bağa, kafes düzensizliklerine, mikroyapıya ve iyonikbileşiklerde difüzyon hızına bağlıdır. Oda sıcaklığında artı yüklü iyonlarıkafes üzerindeki yerlerinde titreştiren kinetik enerjiye sahiptir. Sıcaklıkarttıkça iyonların titreşme genlikleri artar ve iyonlarla değerlikelektronları arasında sürekli bir enerji değişimi vardır.

12

Geçen akım şiddeti I, malzemenin direnci R ve tatbik edilen voltaj (V)arasındaki ilişki, ohm kanununa göre; (Bir bakır telin uçlarına bir pilbağlandığında, R direncindeki telden, uygulanan V potansiyeline bağlı olarak, bir Iakımı geçecektir. Elektriksel iletkenlik, ohm yasasından yola çıkılaraksaptanabilir.)

I=V/R

Bir malzemenin direnci onun karakteristiğine bağlıdır. Örneğin Cu tel aynıkesit ve uzunluktaki demir tele oranla daha düşük bir dirence sahiptir. Bufark ohm kanununa ilave edilerek özdirenç ( ) elde edilir.

(ohm.cm2/cm= ohm.cm)

Bir malzemeyi içinden geçen elektrik akımına karşı direnç gösterendeğilde; iletken olarak düşünmek daha doğrudur. İletkenlik özdirencintersine eşittir.

(ohm.cm)-1

LAR.

1

Burada, V (gerilim farkı) : volt(V), I (elektrik akımı) : amper(A) ve R(telin direnci) : ohm(Ω)’dur.

Burada; l = iletkenin boyu, m; A = iletkenin kesit alanı, m2 ; ρ = iletkenin özdirenci, ohm.m

Elektrik iletkenliğinin birimi (ohmmetre)-1 = (Ω.m)-1 ‘dir.SI birimiyle ohm’un tersi siemens’tir.

16Az miktarda katılan elementlerin Cu’ın özgül direncine etkisi

20

Bu iki eşitlikten ohm kanunun ikinci biçimi elde edilir

J (akım yoğunluğu, A/cm2 ) = I/A ve ξ (elektrik alanı, V/m)= V/l ise(Bazı kitaplarda ξ yerine E kullanılmaktadır)J = σξ elde edilir.

Burada; n = yük taşıyıcılar sayısı (taşıyıcılar/m3 ) , q = her taşıyıcı üzerindekiyük (1.6x10-19 C) ve v = ortalama sürüklenme hızı, m/s

elde edilir.

Burada; μ = hareketlilik [m2.(V/s) -1 ] olup, elektriksel iletkenliğin ölçüsüdür.Bu son eşitlikler ohm yasasının boyutlu biçimi olarak adlandırılmaktadır.

21

Özgül iletkenlik, 1 cm3’te bulunan yük taşıyıcı sayısı ile orantılıdır.

n: 1cm3’te bulunan yük taşıyıcı sayısıq: birim elektrik yük (kulon, Amper.sn)µ:elektriksel yük taşıyıcıların iletken ortamdaki hareket yeteneği (cm2/volt.sn)

E elektrik alan içinde belli bir akış (sürüklenme) hızına ulaşan yüktaşıyıcılar malzemedeki atomların ısıl titreşimleri, yapı hataları iletanımlanır. Kesit alanı A olan malzemede l uzunluğu içinde tüm yüktaşıyıcılar bir yüzden diğer yüze hareket eder ve akım yoğunluğu (J);

olduğundan;

J= n.q. = elde edilir. Pratikte iletkenlik ve öz dirençmalzemenin kesit alanı ve malzeme uzunluğu ile kullanılır.

..qn

..qnJ E

E. E.

22

Soru: 50 A akımın geçtiği 1500 m uzunluğundaki bir Cu iletim hattındakigüç kaybını hesaplayınız? Cu teli çapı 1mm ve özdirenci 1.67.10-8 Ωm’dir.

Soru: 10 V uygulanan 1 m uzunluğunda Cu teldeki elektronların ortalamasürüklenme hızını bulunuz?

Cu elektronlarının hareketliliği µ= 4.42.10-3m2/Ώ.C

Soru: 400 ºC ve -100 ºC de saf bakırın iletkenliğini hesaplayınız. Bakırınözdirenci ρr = 1.67.10-8 Ωm; ısı direnç katsayısı, a = 0.0068 (1/C) tir.

23

Uygulamada malzemeler özdirençlerine veya iletkenliklerinegöre; iletkenler, yarıiletkenler ve yalıtkanlar olarak 3 grubaayrılırlar.

24

Figure 2: The energy bands of metals, semiconductors and insulators. For theinsulators and semiconductors, the lower band is called the valence band andthe higher band is called the conduction band. The lower energy band inmetals is partially filled with electrons.

25

İLETKEN, YARI İLETKEN VE YALITKANLAR

Enerji Seviyeleri ve Bant Yapıları

Elektronlar, atom çekirdeği etrafında belirli yörüngeler boyunca süreklidönmektedir. Bu hareket, dünyanın güneş etrafında dönüşüne benzetilir. Harekethalindeki elektron, iki kuvvetin etkisi ile yörüngesinde kalmaktadır:

-Çekirdeğin çekme kuvveti-Dönme hareketi ile oluşan merkezkaç kuvveti

Enerji Seviyeleri

Hareket halinde olması nedeniyle her yörünge üzerindeki elektronlar belirli birenerjiye sahiptir. Eğer herhangi bir yolla elektronlara, sahip olduğu enerjininüzerinde bir enerji uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeyegeçer. Valans elektrona uygulanan enerji ile de elektron atomu terk eder. Valanselektronun serbest hale geçmesi, o maddenin iletkenlik kazanması demektir.

26

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 malzemeyapısına göre şöyle değişmektedir:

İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir.Yarı iletkenlerde oldukça fazla enerji gereklidir.Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir.

27

Bant YapılarıMalzemelerin iletkenlik dereceleri, en iyi şekilde, bant enerjileri ile tanımlanır.Valans bandı enerji seviyesi: Her malzemenin, valans elektronlarının belirli birenerji seviyesi vardır. Buna valans bandı enerjisi denmektedir. İletkenlik bandıenerji seviyesi Valans elektronu atomdan ayırabilmek için verilmesi gereken birenerji vardır. Bu enerji, iletkenlik bandı enerjisi olarak tanımlanır.İletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji:İletkenlerin, Şekil(a) 'da görüldüğü gibi, valans bandı enerji seviyesi ile iletkenlikbandı enerji seviyesi bitişiktir. Bu nedenle verilen küçük bir enerjiyle, pek çokvalans elektron serbest hale geçer.Yarıiletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji:Yarıiletkenlerin valans bandı ile iletkenlik bandı arasında Şekil(b) 'de görüldüğügibi belirli bir boşluk bandı bulunmaktadır. Yarı iletkeni, iletken hale geçirebilmekiçin valans elektronlarına, boşluk bandınınki kadar ek enerji vermek gerekir.Yalıtkanlarda iletim için verilmesi gereken enerji:Yalıtkanlarda ise, Şekil(c) 'de görüldüğü gibi oldukça geniş bir boşluk bandıbulunmaktadır. Yani elektronları, valans bandından iletkenlik bandına geçirebilmekiçin oldukça büyük bir enerji verilmesi gerekmektedir.

28

Şekil. İletkenlik derecesine göre değişen bant enerjileri(a) İletken, (b) Yarı iletken, (c) Yalıtkan

29

Tablodan saf altın, gümüş ve bakır en iyi iletken, 107(Ω.m)-1, metaller olduğu görülmektedir. Buna karşın polietilen, polistiren gibi elektrik yalıtkanları 10-14

(Ω.m)-1 civarında çok düşük bir iletkenlik gösterirler. Silisyum ve germanyum,metaller ve yalıtkanlar arasında bir iletkenlik gösterdiklerinden yarı iletkenlerolarak adlandırılırlar.

Tablo:

30

Burada, gölgeli alanlar, enerji seviyeleri elektronlarla tamamen doldurulmuşband kısmını göstermektedir. 1s2, 2s2, 2p6 elektronları çekirdeğe sıkı bağlıdırve sodyumun çekirdek elektronlarıdır. En dıştaki 3s valans bandının endüşük enerjili yarısı doludur. Bu nedenle 3s1 elektronu değerlik elektronuadını alır. Bir katı metal parçasında metal atomları birbirine değecekkadar yakındır. Değerlik elektronları sadece kendi atomlarına ait olmaklakalmazlar birbirlerini etkilerler ve birbirlerinin arasına karışırlar; bu nedenle,başlangıçtaki keskin enerji düzeyleri enerji kuşakları haline genişler.

Şekil: Na’un band yapısı

32

Değerlik elektronları tarafından çevrilmiş içteki elektronlar kuşakoluşturmaz. Metale doğru hareket eden bir elektron, valans bandındayüksek bir seviyeyi doldurmak için yeterli enerjiyi kazandığında elektrikselyükü iletir. Elektron, elektrik alanının hareketi ve dayanımı ile belirlenen birhızda hareket eder ve devrenin pozitif ucuna doğru hızlanır. Alkalimetallerin, iyi elektrik iletkenliği yarı dolu s bandından kaynaklanır.Katı bakır metalinde 4s ve 3d enerji kuşakları birbiri üzerine biner. Fakatbakır atomunda sadece bir 4s elektronu olduğundan bu kuşağın yarısıdoludur. Bunun bir sonucu olarak bakırdaki elektronları, dolmuş en yüksekdurumdan boş en düşük duruma uyarmak için çok az enerji gerekir.Dolayısıyla, içinde elektron akışını sağlamak çok az enerji gerektirdiğindenbakır iyi bir iletkendir. Sodyum, gümüş ve altının dış s kuşakları da yarıdoludur.

33

Metal magnezyumda her iki 3s durumu da doludur. Fakat, 3s kuşağı3p kuşağıyla üst üste geldiğinden (çakıştığından) bazı elektronlar3p kuşağına geçerek kısmen dolu bir 3sp bileşik kuşağı yaratırlar.Bunun içindir ki dolu 3s kuşağına rağmen magnezyum iyi biriletkendir.

34

Diğer metallerin iyi elektrik iletkenlikleri ise, dolu olan s bandları yanında, dolu olmayan p ya da d bandlarının enerjilerinin s bandları üzerine binmesi ve bir birleşmenin oluşması nedeniyledir.

Aynı şekilde, alüminyumun hem 3s hem de 3p durumları dolu olduğu halde, kısmen dolmuş 3p kuşağı dolu 3s kuşağıyla çakıştığından alüminyum iyi bir iletkendir.

37Burada; a = bir katsayı, ρr = 25 oC deki özdirenç ‘tir. ΔT sıcaklık farkı

38

İletkenler: Bir maddenin iletkenliğini belirleyen en önemli faktör,atomlarının son yörüngesindeki elektron sayısıdır. Bu sonyörüngeye "Valans Yörünge" üzerinde bulunan elektronlara da"Valans Elektron" denir. Valans elektronlar atom çekirdeğine zayıfolarak bağlıdır. Valans yörüngesindeki elektron sayısı 4 'den büyükolan maddeler yalıtkan 4 'den küçük olan maddeler de iletkendir.Örneğin bakır atomunun son yörüngesinde sadece bir elektronbulunmaktadır. Bu da bakırın iletken olduğunu belirler. Bakırın ikiucuna bir elektrik enerjisi uygulandığında bakırdaki valanselektronlar güç kaynağının pozitif kutbuna doğru hareket eder.Bakır elektrik iletiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sebebi isemaliyetinin düşük olması ve iyi bir iletken olmasıdır. En iyi iletkenaltın, daha sonra gümüştür. Fakat bunların maliyetinin yüksekolması nedeniyle elektrik iletiminde kullanılmamaktadır.

39

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.

Metallerde, iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara ayrılır.Atomları 1 valans elektronlu olan metaller, iyi iletkendir. Buna örnek

olarak, altın, gümüş, bakır gösterilebilir.Bakır tam saf olarak elde edilmediğinden, altın ve gümüşe göre biraz

daha kötü iletken olmasına rağmen, ucuz ve bol olduğundan, en çok kullanılanmetaldir.

Atomlarında 2 ve 3 valans elektronu olan demir (2 dış elektronlu) ve alüminyum(3 dış elektronlu) iyi birer iletken olmamasına rağmen, ucuz ve bol olduğu içingeçmiş yıllarda kablo olarak kullanılmıştır.

40

Yalıtkanlar

Elektrik akımını iletmeyen maddelerdir. Bunlara örnek olarak cam, mika, kağıt,kauçuk, lastik ve plastik maddeler gösterilebilir. Elektronları atomlarına sıkıolarak bağlıdır. Bu maddelerin dış yörüngedeki elektron sayıları 8 ve 8 'e yakınsayıda olduğundan atomdan uzaklaştırılmaları zor olmaktadır. Bu tür yörüngelerdoymuş yörünge sınıfına girdiği için elektron alıp verme gibi bir istekleri yoktur.Bu sebeple de elektriği iletmezler. Yalıtkan maddeler iletken maddelerinyalıtımında kullanılır.

Yalıtkanlarda, değerlik elektronları iyonik ya da ortaklaşım bağıylaatomlarına sıkı bir şekilde bağlı olduklarından, yüksek düzeyde enerji Eaverilmediği takdirde serbest hale geçerek elektriği iletemezler. Bir yalıtkanınelektrik kuşağı modeli, aşağıda bir dolu değerlik kuşağı ve yukarısında bir boşiletim kuşağı şeklindedir ve değerlik kuşağı iletim kuşağından yaklaşık 6-7 eVdeğerinde bir enerji aralığıyla ayrılmıştır. Bu nedenle, bir yalıtkanın elektriğiiletebilmesi için değerlik elektronlarının aralığı atlamasına yetecek kadar büyükbir enerji altında olması gerekir.

43

Yarı İletkenler

Yarı iletkenlerin valans yörüngelerinde 4 elektron bulunmaktadır. Bu yüzden yarıiletkenler iletkenlerle yalıtkanlar arasında yer almaktadır. Elektronik elemanlardaen yaygın olarak kullanılan yarı iletkenler Germanyum ve Silisyumdur. Tümyarı iletkenler son yörüngelerindeki atom sayısını 8 'e çıkarma çabasındadırlar.Bu nedenle saf bir germanyum maddesinde komşu atomlar son yörüngelerindekielektronları Kovalent bağ ile birleştirerek ortak kullanırlar. Atomlar arasındakikovalent bağ germanyuma kristallik özelliği kazandırır. Silisyum maddesideözellik olarak germanyumla hemen hemen aynıdır. Fakat yarı iletkenli elektronikdevre elemanlarında daha çok silisyum kullanılır. Silisyum ve Germanyum devreelemanı üretiminde saf olarak kullanılmaz. Bu maddelere katkı katılarak Pozitifve Negatif maddeler elde edilir. Pozitif (+) maddelere "P tipi", Negatif (-)maddelere de "N tipi" maddeler denir.

44

Silisyum gibi bir yarı iletkenden tek kristalde pn eklemleri oluşturularak çeşitli yarıiletken devre elemanları yapılabilir. Bu elemanlar p-türü ve n-türü malzemelerarasındaki sınırın özelliğinden yararlanmaktadır. Örneğin pn eklem diyotları ve npntransistorları bu tür eklemler kullanılarak üretilir. Bir pn eklam diyotu, bir katıksızsilisyum tek kristali büyütülerek ve daha sonra bu kristali önce n-türü birmalzemeyle, ardından p-türü bir malzemeyle katkılayarak üretilebilir.

Fakat, pn ekleminin daha yaygın bir üretim yöntemi, bir tür katkının (örneğin p türü)var olan bir n-türü malzemeye katı halde yayındırılması şeklindedir.Si ve Ge bugün elektronik sanayinde kullanılan eşsiz birer yarı iletkendir.1990’lı yıllardan sonra inanılmaz bir atılım gerçekleştirilmiştir.

45

Katkısız yarı iletkenlerKatıksız yarı iletkenler elektrik iletimleri kendine ait iletim özellikleriyle belirlenensaf yarı iletkenlerdir. Saf silisyum ve germanyum bu tür iletekenlerdir. IVAgrubunda bulunan bu elementler yüksek yönlenmişlikteki ortaklaşım bağlarıylakübik elmas yapısındadır.Bu yapıda her bir silisyum ve germanyum atomu dört değerlik elektronunu verir.Katıksız yarı iletkenlerde, değerlik ve iletim kuşakları arasında 0.7 ile 1.1 eVarasında değişen, nispeten küçük bir enerji aralığı bulunur.Katıksız yarı iletkenler katışkı atomlarıyla katkılanarak katkılı yarı iletkenlerhaline getirildiklerinde elektrik iletimini sağlamak için gerekli enerji büyük çaptaazalır.

46

Yarı iletkenlerin başlıca şu özellikleri vardır:

. İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar,

. Normal halde yalıtkandırlar.

. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilimuygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani iletkenliközelliği kazanır.. Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar

tekrar atomlarına dönerler.. Tabiatta basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman

halinde de elde edilir.. Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes sistemi

denilen belirli bir düzende sıralanmıştır.. Bu tür yarı iletkenler, ısı, ışık etkisi ve gerilim uygulanması ile belirli oranda

iletken hale geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarak da iletkenlikleriarttırılmaktadır.. Katkı maddeleriyle iletkenlikleri arttırılan yarı iletkenlerin elektronikte ayrı bir

yeri vardır.

47

Katkılı yarı iletkenler

Katkılı yarı iletkenler çok seyreltik asalyer katı çözeltileridir ve çözünen katkıatomları çözen atom kafesinden farklı değerliğe sahiptir. Bu yarı iletkenlerekatılan katkı atomlarının derişimi çoğunlukla 100-1000 parça/milyon (ppm)arasındadır.

Katkılı yarı iletkenler n-türü ya da p-türü olarak iki türdür.n-türü(eksi) yarı iletkenlerin çoğunluk taşıyıcıları elektronlardır. P, As ve Sbgibi grup VA katkı atomları silisyum ya da germanyuma katıldığında elektrikiletimi için kolaylıkla iyonlaşan elektron verirler. Bu atomlar verici katkıatomları olarak bilinir.

Bor gibi üç değerlikli bir IIIA grubu elementi silisyumun dörtyüzlü bağınınkafesine asal yer olarak girecek olursa bağ yörüngemsilerden birisi eksi olacakve silisyumun bağ yapısında bir delik meydana gelecektir. p-türü (artı) yarıiletkenlerde delikler (yerinde olmayan elektronlar) çoğunluk taşıyıcılarıdır.Yeterli enerjiye sahip bir diğer elektron bu boşluğa hareket edecektir.

48

N Tipi Yarı İletken Kristali

Arsenik maddesinin atomlarının valans yörüngelerinde 5 adet elektron bulunur.Silisyum ile arsenik maddeleri birleştirildiğinde, arsenik ile silisyum atomlarınınkurdukları kovalent bağdan arsenik atomunun 1 elektronu açıkta kalır. Şekildeaçıkta kalan elektronu görülmektedir. Bu sayede birleşimde milyonlarca elektronserbest kalmış olur. Bu da birleşime "Negatif Madde" özelliği kazandırır. N tipimadde bir gerilim kaynağına bağlandığında üzerindeki serbest elektronlarkaynağın negatif kutbundan itilip pozitif kutbundan çekilirler ve gerilimkaynağının negatif kutbundan pozitif kutbuna doğru bir elektron akışı başlar.

49

P Tipi Yarı İletken Kristali

Bor maddesininde valans yörüngesinde 3 adet elektron bulunmaktadır. Silisyummaddesine bor maddesi enjekte edildiğinde atomların kurduğu kovalent bağlardanbir elektronluk eksiklik kalır. Bu eksikliğe "Oyuk" adı verilir. Bu elektroneksikliği, karışıma "Pozitif Madde" özelliği kazandırır. P tipi maddeye bir gerilimkaynağı bağlandığında kaynağın negatif kutbundaki elektronlar p tipi maddekioyukları doldurarak kaynağın pozitif kutbuna doğru ilerlerler. Elektronlar pozitifkutba doğru ilerlerken oyuklarda elektronların ters yönünde hareket etmiş olurlar.Bu kaynağın pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru bir oyuk hareketi sağlar.

50

Figure : A p-type and n-type semiconductor. The fifth valence electron of the n-type dopant can easily jump to the conduction band and carry current. In the p-type semiconductor, electrons are easily promoted to the vacant level in thedopant. This creates a hole in the valence band which can carry current bytraveling in the opposite direction of electron flow.

53

Saf yarı iletkenlerde toplam iletkenlik;

n: eksi yük taşıyıcı elektronların hareket yeteneğip: artı “ “ boşlukların “ “

ppnn qq nn ....

Şekil: Metaller ve yarıiletkenlerde sıcaklıkla iletkenliğin değişimi

54

SÜPERİLETKENLER

Bazı malzemeler belli bir sıcaklığın altında elektrik dirençleri sıfırdır. Bumalzemeler süperiletkenler olarak adlandırılmaktadır. Civa ve kalay normal ortamsıcaklığında zayıf iletken olmalarına rağmen düşük sıcaklıklarda süperiletkenliközelliği gösterirler. Gümüş ve bakır ise normal ortam sıcaklığında çok iyi iletkenolmalarına rağmen süperiletken özelliği göstermezler.

55

Süperiletkenler üzerinde yapılan çalışmaların temel hedef kritik sıcaklığı (Tc) odasıcaklığına yakın olan malzemeyi keşfetmektir. Bu konuda özellikle oksitseramikler üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır.

Şu ana kadar yapılan çalışmalarda en yüksek kritik sıcaklık değeri 138 K olarakHg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 malzemesi için kaydedilmiştir. Süperiletkenler hızlıtrenlerde, tıpta ve askeri amaçlı elektronik cihazlar olmak üzere pek çok alandakullanılmaktadır.

57

İLK PLASTİK SÜPERİLETKENLERBell Laboratuarlarındaki bilim adamları belirli bir sıcaklığın altında direnci sıfırolan plastik malzemelerden süperiletken ürettiler. Plastikler pahalı olmayanmalzemelerdir ve gelecekte süperiletkenlik elektroniğinde oldukça yaygın birşekilde kullanılacaktır.Organik polimerler karbon atomlarının uzun bir dizisini içerirler ve her şekleuyabilen plastikler yaparlar. Organik polimerlerin 1970 yılında elektrikseliletkenliği ilk defa keşfedildi ve bu çalışma nedeniyle Nobel’le ödüllendirildi.Bunlar bir miktar dirence sahip malzemelerdi. Bunlardan organik süperiletkenpolimerlerin yapılması çok zordur. Plastik bir süperiletkenin üretilmiş olması birpolimerin süperiletkenliğin ihtiyaç duyduğu elektronik etkileşmeleri engelleyendoğal, yapısal rast geleliğinin üstesinden gelir. Bell Laboratuarı’ndaki bilimadamları, plastik ve polythiophene içeren bir çözelti yaparak bu zorluğunüstesinden gelmişlerdir. Daha sonra polimer molekülleri bir altlığın üzerine incebir tabaka şeklinde yığılırlar. Malzemelerin elektriksel özelliklerini değiştirmekiçin kimyasal safsızlıklar katmak yerine bu araştırmacılar yeni bir teknikgeliştirdiler: Polythiophene’den elektronları uzaklaştırdılar. Polythiophene’ninsüperiletken olduğu sıcaklık 2,35 K dir. Bu oldukça düşük bir sıcaklık olmasınarağmen bilim adamları, polimerin moleküler yapısının değiştirilmesi ile gelecekteTc sıcaklığının yükseltilebileceği konusunda iyimserler.

58

Maglev trenleri süperiletkenlerin manyetik ortamda itilmeleri özelliğinden faydalanılarak yapılmışlardır

59

Electrical Properties

Metallic Conductors, e.g. Cu, Ag...

Semiconductors, e.g. Si, GaAs

Superconductors, e.g. Nb3Sn, YBa2Cu3O7

Electrolytes, e.g. LiI in pacemaker batteries

Piezoelectrics, e.g. a Quartz (SiO2)in watches

Magnetic Propertiese.g. CrO2, Fe3O4 for recording technology

60

MANYETİK, ELEKTRONİK, OPTO-ELEKTRONİK MALZEME TEKNOLOJİLERİ

Bu gruba giren malzemeler üst düzeyde performans özellikleri ile teknolojiksistemlerin içerisinde önemli işlevsel roller oynarlar ve otomotiv başta olmak üzereelektrik, elektronik, mikroelektronik, mekatronik ve savunma sistemleri gibialanlarda yaygın olarak kullanılırlar. Bunların en önde gelen örnekleri sensörler veMEMS gibi uygulamalarda görülmektedir. Bu grupta bulunan manyetikmalzemeler özellikle son 20 yıllık süreçte çok önemli gelişmelere sahne olmuştur.Pek çok teknolojik gelişim, elektrik ve elektronik teçhizatlarda yaygın olarakkullanılan manyetik malzemeler olmasaydı gerçekleşmeyecekti. Burada en önemligelişim Nd-Fe-B (neodimyum-demir-bor) magnetlerinin daha üstün manyetiközellikleri ve düşük maliyetleriyle, SmCo (samaryum-kobalt) ve AlNiCo(alüminyum-nikel-kobalt) malzemelerin yerini almasıyla gerçekleşmiştir. Diğeryandan seramik ferritler halen büyük bir pazar payına sahiptir. Esas itibariyle“bilgi çağı”nın teknolojik uygulamalarında “bilgi”nin işlenmesi,depolanması veiletilmesi büyük önem taşımaktadır ve burada malzeme bilim ve teknolojileri sonderece stratejik bir rol oynar.

61

Elektronik ve fotonik malzemeler bilgi ve iletişimteknolojilerinde giderek artan işlevsellikte yer almaktadır.Mikroelektronik, nanoelektronik ve telekominikasyonsistemlerinde elektrik sinyallerin üretilmesi, iletilmesi, kontroledilmesi, yükseltilmesi ve anahtarlanması gibi tüm işlemlerde bumalzemeler kullanılmaktadır. Silika esaslı optik kabloteknolojisi, lazer teknolojisi, ultra-hızda işlem yapan devreler,iletken ve yarıiletkenler, optik sensörler, fotovoltaikler, sıvıkristal teknolojisi bu alanların başında gelmektedir. Bu yüzyıldaen önemli gelişmeler bu saydığımız alanların “nanoteknolojik”uygulamaları ile gerçekleşecektir. Son dönemde özellikleotomotiv sektöründe ve elektro-mekanikle ilgili sektörlerdegörülen canlanma ve ihracat artışı, ülkemizde bu alanlarla ilgiliönemli bir potansiyelin varlığı görülmektedir.

62

A concept car that can swim underwater at depths up to 30 feethas been developed by Rinspeed, Switzerland. Called theSquba, the car is powered by several electric motors driven byrechargeable lithium-ion batteries. The rotating outlet jets,which enable steering the car underwater, are made of carbonnanotubes. Body panels are made of thermoplastic compositesand carbon nanotubes. While underwater, the occupantsbreathe air from an integrated tank of compressed air.

Scuba Diving Car

63

How to Convert Electrical Signals to Light

In a paper published in the journal Optics Express, IBM researchersdetailed a significant milestone in the quest to send information betweenmultiple cores -- or "brains" -- on a chip using pulses of light throughsilicon, instead of electrical signals on wires.

The breakthrough -- known in the industry as a silicon Mach-Zehnderelectro-optic modulator -- performs the function of converting electricalsignals into pulses of light. The IBM modulator is 100 to 1000 timessmaller than previously demonstrated modulators of its kind, paving theway for many such devices and eventually complete optical routingnetworks to be integrated onto a single chip. This could significantlyreduce cost, energy and heat while increasing communications bandwidthbetween the cores more than a hundred times over wired chips.

64

Nanoelektronik, nanoteknolojinin elektronik alanındakiuygulamalarına verilen genel isimdir. Nanoteknoloji, tekniğin100 nanometrenin (nm: metrenin milyarda biri) altındakiuygulamalarına verilen bir isim olmakla birlikte, günümüzdebu boyutlarda üretilen Pentium 4 (65nm) gibi işlemci tümleşikdevreleri ya da TSMC-CMOS90 (90 nm) gibi transistörlerbirer nanoelektronik ürünü sayılmamaktadır.

Nanoelektronik ağırlıklı olarak nano ölçekte atomlar arasıetkileşimin ve kuantum mekaniksel özelliklerin etkin olduğuaygıtlarla ilgileniyor. Bu nedenle nanoelektronik bir “yıkıcıteknoloji” (disruptive technology) alanıdır. Diğer bir deyişlenanoelektronik, geleneksel tasarım, üretim ve malzemeteknolojilerinden tamamen farklı ve yaygın ticariuygulamalara başlanmasıyla bu geleneksel teknolojilerideğersiz kılacak yepyeni bir alandır.

65

Nanoelektronik teknolojisi ile sağlanacak faydalardan en büyüğü çokyüksek hızda çok daha az enerji tüketerek çalışacak mikroçipleringeliştirilmesi olacaktır. Nanoelektronik teknolojisi ile 1 bit üzerindetersinemez işlem için gereken enerjinin teorik limitlerinde (1 bit için 10-21Joule) çalışan mikroçiplerin yapılması mümkün hale gelecektir.Karşılaştırmalı bir örnek vermek gerekirse; günümüzde bir 2,8 MHz’denormal koşullar altında çalışan bir Pentium 4 işlemcisi yaklaşık 70 Wtermal güç harcıyor.

Eğer bu işlemciyi teorik termodinamik limitlerinde çalıştırabiliyor olsaydıkharcanacak güç 100 mikrowatt civarında olacaktı. Bu da yaklaşık 1milyon kat daha düşük güç harcaması anlamına geliyor. Bu aynızamanda çok yüksek işlem gücüne sahip mikroçiplerin makul güçharcama sınırları içinde üretilebiliyor olması da demektir. Örneğin ceptelefonlarındaki işlemciler çok az güç harcıyor. Aynı düzeyde güçharcamasına sahip ancak nanoelektronik teknolojisiyle üretilmiş birmikroçip, günümüzün süper bilgisayarları düzeyinde bir işlem gücünücep telefonu boyutuna sıkıştırabilmemizi sağlayacaktır.

1

ELEKTRONİK MALZEMELER ve KULLANIM ALANLARI

Belli başlı kullanım alanları,1) Seramik taban malzemeleri2) Piezoelektrik seramikler3) Taneleri yönlendirilmiş seramikler4) Piezoelektrik ince filmler5) Piroelektrik malzemeler6) Seramik katı elektrolitler şeklinde yaygındır.

Seramik taban malzemeleri (substrate’ler) (altlıklar)

Günümüzde, entegre devrelerin bir araya getirilerek monte edildiğizemin, ya plastik ya da seramiktir. Son yıllarda geliştirilen entegre devrelerküçülmüş ve hızları artmış olup, bunun sonucu açığa çıkan ısı da artmıştır.Bu nedenle seramik taban malzemelerinin önemi artmıştır.

İyi bir seramik malzemede; 1. iyi elektrik izolasyonu, 2. kimyasal kararlılık,3. yüksek ısı iletimi ve dayanım, 4.yarı-iletken malzeme ile ısıl genleşmekatsayılarının uyumlu olması gerekliliği gibi özellikler ön plana çıkmaktadır.Bir malzemede tüm bu özellikleri sağlamak çok zordur.


2

Bununla beraber, (1)% 94-99,5 saflıktaki Al2O3 bu özellikleri çok büyükoranda karşılayabilmektedir. Ancak, çok gelişmiş sistemlerde açığa çıkanısının çok olması bu malzemenin de yetersiz olmasına neden olmaktadır.Bu nedenle, Al2O3 yanında,(2) % 5 ten çok olmamak koşuluyla, BeOkullanılarak bu sakınca azaltılabilmektedir. BeO ısı iletkenliği yüksek,elektrik özellikleri çok iyi bir bileşiktir.Daha yeni uygulamalarda da, (3) alüminyum nitrür ve (4) silisyumkarbür karışımları kullanılmaktadır.Tabloda bazı taban seramikleri ve özellikleri gösterilmektedir.

BeO’in ısıl iletkenliği % 92 saflıktaki alüminadan 14 kat daha iyidir. BeOseramiklerinin ısıl genleşmesi, yarı-iletken Si’dan 2 kat fazladır. Bu nedenle BeOtaban üzerine yerleştirilen Si yongasının bağlantı yerlerinde genleşmeler,deformasyonlar oluşmaktadır.

3

PİEZOELEKTRİK SERAMİKLER

Piezoelektrik malzemeler, sıkıştırıldıklarında, mekanik enerjiyielektrik enerjisine ya da, elektrik gerilimi uygulandığında, elektrikenerjisini mekanik enerjiye çeviren akustik aygıtlardır.Piezoelektrik aygıtlar, ivmemetreler, basınç sensörleri, otolarınantiknock ve çok sayıda diğer sensör uygulamalarında kullanılmaktadır.Akustik uygulamalar, transmitter’leri, alıcıları, ultrasonikuygulamaları ve bazı mikrofonları içermektedir.PbTiO3, kurşun titanat düşük dielektrik sabite (~190), yüksekmekanik özellik, kararlılık ve Curie sıcaklığına (~490 oC) sahipolması nedeniyle, yüksek frekans ve yüksek sıcaklık uygulamalarıiçin arzu edilen piezoelektrik malzemedir.PbTiO3 içerisine Ti yerine az miktarda Nb ya da Ta eklenmesi,nispeten yoğun (~% 90 teorik) PbTiO3 seramiklerin üretimindeetkin bir rol oynamaktadır. Bunun yanında, kübik yapıdantetragonal yapıya dönüşümde oluşan ani deformasyon nedeniylePbTiO3 seramikleri poroz ve gevrektir.

4

Poisson sayısının düşük olması nedeniyle PbTiO3 seramikler üçüncüharmonik mod‘da vibrasyon enerjisini yutabilmektedir. Böyleceyüksek frekans rezonatörlerinde kullanılmaya uygundur.

REZONATÖR, belli bir frekansta titreşen ya da rezonans yapan,dolayısıyla belirli frekanslardaki dalgaları iletmeye ya dagüçlendirmeye yarayan mekanik veya elektriksel aygıt. Diyapazon, enbasit rezonatördür. Her biri ayrı frekansta rezonansa gelerek sesverecek biçimde yapılmış küresel rezonatörler, laboratuvarlarda bileşikbir sesin analizinde kullanılır. Boşluk rezonatörlerindenelektromanyetik dalga kaynağı olarak yararlanılır. Radyo dalgalarınıngüçlendirilmesinde kullanılan mazerler bu tür rezonatörlerle çalışır.

5

Taneleri Yönlendirilmiş Seramikler

Antimon sülfür iyodür (SbSI) gibi bazı kristaller, c-ekseniyönünde ince iğne biçiminde büyür ve bunlar “doktor-blade”döküm yönüne paralel ve sıcak presleme yönüne dik olacakşekilde yönlenerek kuvvetli anizotropik ve piezoelektriközellik gösterirler.

Bu malzemeler, elektromekanik transdüzerler için çokkullanışlıdır. Taneleri yönlendirilmiş seramikler, Bi tabaka tipiferroelektrik malzemeler (PbBi2Nb2O9) ve Wolfram-bronzyapısına sahip oksitler (Sr,Ba)Nb2O tarafından üretilmektedir.

6

Piezoelektrik ince filmler

CdS, ZnO, PbTiO3, AlN, PLZT (Lead-lanthanum-zirconate-titanate),LiNbO3, Bi12PbO19 ve K3Li2Nb5O15 gibi çeşitli piezoelektrik filmlergeliştirilmiştir. Bunlardan ZnO ve AlN, ya tek-kristal olarak ya da c-ekseni yönlendirilmiş piezolelektrik film olarak üretilmelidir.

Bu nedenle, CVD ya da reaktif moleküler film epitaksi yöntemleri ileüretimleri söz konusudur. Yönlendirilmiş ZnO filmleri, cam, ergimişkuvars, silisyum, safir ve metal substrate (altlık) üzerinesentezlenebilmektedir. İnce film halinde AlN, “surface acoustic wawe”(SAW) gibi yüksek frekans uygulamaları için en uygunmalzemelerden birisidir.

8

PİROELEKTRİK SERAMİKLER

Trigliserin sülfat, infrared ışın hedefi olarak, LiTaO3, Pb(Zr,Ti)O3 infraredsensör+ olarak mutfak fırınlarında, otomatik kapı sistemlerinde ve gizli girişalarmlarında kullanılmaktadır.

Seramik katı elektrolitlerin metallurjik işlemlerde kullanımı

Oksijen iyonunun taşınmasına dayanan katı elektrolitler, oksijeniçeren sistemlerde, termodinamik ve kinetik özelliklerin saptanmasınayönelik temel araştırmalarda geniş biçimde kullanılmaktadır. Katıelektrolitler, yüksek sıcaklık yakıt hücrelerinde, yanma kontrolunda veoksijen sensör olarak tıpta ve metallurji sanayinde kullanılmaktadır.

(+ Sensör (Algılayıcı): Herhangi bir fiziksel büyüklüğü, örneğinhidrostatik akış basıncını orantılı olarak bir başka fiziksel büyüklüğe,(çoğunlukla elektriksel) çeviren cihazların genel adıdır.)

9

Katı elektrolitler, kübik yapıda olan ZrO2, HfO2, ThO2 ve CeO2 katıeriyikleridir. Bu katı eriyiklerden herhangi birinin kullanımında, sistemdetoprak alkali, nadir toprak ya da Y+3 iyonları ile dop edilerek oksijenboşluklarının oluşması sağlanır. Metallurjik uygulamalarda aşağıda belirtilenZirkonya temelli elektrolitler kullanılmaktadır.

a) Kısmen stabilize edilmiş, içerisinde % 2.5-3 MgO bulunan Zirkonya. Buproblar, ergimiş metaller için uygundur.

b) İçerisinde % 5-7.5 MgO bulunan tamamen stabilize edilmiş Zirkonya. Buprob, özellikle ticari gaz analizörlerinde kullanılmaktadır.

Diğer taraftan, % 5 CaO ile stabilize edilmiş HfO2 ve % 5-10 Yitria katılmışThO2 elektrolitler laboratuvar koşullarında çok düşük oksijen potansiyeliniölçmede kullanılmaktadır.

10

MANYETİK MALZEMELER

Bugün “manyetik” ve “mıknatıslı” malzemeler eşanlamlı olup,malzemelerin “manyetik alandaki” davranış özellikleri ilebelirlenmektedir. Bu amaçla dikkate alınan en önemli özellik “dielektriksabiti” dir.Manyetik malzemeler 1930’lu yıllardan beri kullanılmaktadır. Önceleri, demirmetal ve γ-Fe2O3 tozları kaydedicilerde manyetik malzeme olarakkullanılmıştır. Video kaydedicileri gibi yoğun bilgi kaydı gereksiniminedeniyle bu amaca uygun olarak CrO2 ve Co ile modifiye edilmiş γ-Fe2O3partikülleri geliştirilmiştir.Son yıllarda ise, baryum ferrit partikülleri manyetik malzeme olarak ortayaçıkmıştır. Klasik kaydedicilerde kayıt ortamı uzunlamasına olup, kaydetmeyoğunluğu mıknatısların uzunluğuna bağlıdır. Oysa, baryum ferritmalzemelerde kayıt ortamı dikine olup, kaydetme yoğunluğu, hegzagonalyapıda çubuk şeklindeki partiküllerin boyutuna bağlıdır. Bu nedenle, kayıtetme özelliği daha yoğundur.Yapılan araştırmalar daha çok partikül boyutlarının mikron altına düşmesi ve0.1 μm’nin altında çok ince metal (kobalt) film kaplamaların kullanılmasıüzerine yoğunlaşmıştır.

11

Manyetik malzemeler, özellikle elektrik mühendisliği alanındakimühendislik tasarımlarının çoğunda kullanılan önemli endüstriyelmalzemelerdir. Genel olarak iki ana sınıfa ayrılırlar:

- Yumuşak manyetik malzemeler ya da yumuşak mıknatıslar- Sert manyetik malzemeler ya da sert mıknatıslar

Yumuşak manyetik malzemeler, güç transformatörleri göbekleri, küçükelektronik transformatörleri, motorlar ve üreteçlerin stator ve rotorları gibi,kolaylıkla manyetiklenebilen ve mıknatıslığı giderilebilenmalzemelerin gerektiği yerlerde kullanılır.

Buna karşılık, mıknatıslığı kolayca giderilemeyen sert manyetikmalzemeler, kalıcı mıknatıslık gerektiren yerlerde, örneğin hoparlör,telefon alıcıları, eşzamanlı ve fırçasız motorlar, otomotiv başlatıcımotorlarında kullanılır.

13

TEMEL KAVRAMLAR

Manyetik AlanlarManyetik malzemeler üzerindeki çalışmalar mıknatıslık ve mıknatıslıalanlarla ilgili temel özelliklere dayanmaktadır. Demir, kobalt ve nikel, odasıcaklığında mıknatıslandığında, çevrelerinde güçlü bir manyetik alanyaratan üç metalik elementtir ve asal manyetikler diye adlandırılır. Altındamıknatıslanmış bir demir çubuk bulunan bir kağıdın üzerine serpilen küçükdemir tozlarının dağılması manyetik alanın varlığını gösterir.Mıknatıslanmış çubuk iki kutba sahiptir ve mıknatıs çizgileri birkutuptan çıkıp diğerine girer.*Genel olarak, doğada mıknatıslık çift kutuplu olup, bugüne kadar tekkutuplu mıknatıs bulunamamıştır.* Bir manyetik alanın, birbirinden belirli bir uzaklıkla ayrılmış iki mıknatıskutbu ya da merkezi vardır ve bu çift kutup davranışı, bazı atomlardabulunan, küçük, mıknatıslı çift kutuplara kadar gider.Manyetik alanlar akım taşıyan iletkenler tarafından da oluşturulur.Sarmal (solenoid) adı verilen, uzunluğu yarıçapına oranla çok uzun birbakır sargı etrafında manyetik alan oluşur.

14

Sarım sayısı n ve uzunluğu l olan bir sarmalın H manyetik alan şiddeti

eşitliği ile tanımlanmaktadır. Burada, i akımdır. H nin birimi SI sisteminde amper/metre (A/m) , Cgs birimi ise oersted(Oe)’dir.

15

Manyetik akısı yoğunluğu (manyetik endüksiyon)

Manyetikliği giderilmiş bir demir çubuk, önceki şekilde olduğu gibi,sarmal içine yerleştirilirse ve akım uygulanırsa, sarmal dışındakimanyetik alanın, sarmal içinde demir çubuk varken daha güçlü olduğugörülmektedir. Burada sarmal alan ile mıknatıslanmış demir çubuğunmanyetik alanları toplam etkisi gözlenmektedir. Bu toplam manyetik alanımanyetik akısı yoğunluğu ya da akı yoğunluğu diye adlandırılır ve Bsimgesiyle gösterilir. B, uygulanan mıknatıs alanı H ile, sarmal içindekiçubuğun mıknatıslanması sonucu oluşan alanın toplamıdır. Çubuk nedeniylebirim hacimde oluşan mıknatıs momenti mıknatıslanma şiddeti ya da sadecemıknatıslanma diye adlandırılır ve M ile gösterilir. SI birim sisteminde,

μo = boşluğun geçirgenliği = 4 π x 10-7 tesla-metre/amper (T.m/A) ‘dir.μo sadece bu eşitlikte kullanılabilen ve fiziksel anlamı olmayan bir simgedir.SI birim sisteminde, B, Weber/metrekare ( W/m2) ya da T ‘dir. (1 Wb = 1 V.s)H ve M için, birim A/m ‘dir. Cgs birim sisteminde ise, B için, gauss(G), H için(Oe) kullanılır. Genel olarak, asal mıknatıslarda, M >>H olduğundan, B≈μoM eşitliği geçerlidir. Bu durumda B ve M değerleri birbiri yerinekullanılabilmektedir.

16

Mıknatıs Geçirgenliği

Bir asal mıknatıs, manyetik alanı içine konulduğunda manyetikalanın yoğunluğu artar. Mıknatıs alandaki bu artış manyetikgeçirgenliği μ adı verilen nicelikle ölçülür ve manyetik akısıyoğunluğunun uygulanan alana oranıyla bulunur.

Uygulanan alanda sadece boşluk varsa,

olur. μo = 4 π x10-7 T.m/A olarak boşluk geçirgenliği olarak bilinir.Mıknatıs geçirgenliği için bir başka tanım,

μb boyutsuz bir gruptur.

17

Asal mıknatısların bağıl geçirgenliği malzeme mıknatıslandıkçadeğişir. Bu nedenle, genellikle, bağıl geçirgenlik ya başlangıçgeçirgenliği μi ya da en büyük geçirgenlik μenb cinsinden ölçülür. Budeğerler B - H mıknatıslanma eğrisinin eğimlerinden bulunur.Kolayca mıknatıslanan manyetik malzemeler yüksek manyetikgeçirgenliğine sahiptir.

Mıknatıs duyarlığı

Manyetik malzemenin mıknatıslığı uygulanan alanla orantılıolduğundan, orantı faktörü mıknatıs duyarlığı χm, boyutsuz birbüyüklüktür ve

Malzemelerin zayıf mıknatıslı tepkileri çoğunlukla mıknatıs duyarlığı cinsinden ölçülür.

şeklinde tanımlanır.

18

MIKNATISLANMA TÜRLERİ

Mıknatıs alanları ve kuvvetleri, temel elektrik yük olan elektronunhareketinden kaynaklanmaktadır. Elektronlar iletken bir telde hareketederken, şekilde olduğu gibi, bir manyetik alan oluşturur. Malzemelerdekimıknatıslanma elektronların hareketlerine de bağlıdır, fakat, bu durumda,manyetik alanları ve kuvvetleri1. elektronların kendi etraflarındaki dönüşlerinden ve2. çekirdek çevresindeki yörüngesindeki dönüşlerinden, kaynaklanmaktadır.Elektronlar iletken bir telde hareket ederken, şekilde olduğu gibi, birmıknatıs alanı oluşturur. Malzemelerdeki manyetiklik elektronlarınhareketlerine de bağlıdır, fakat, bu durumda, mıknatıs alanları ve kuvvetleri1. elektronların kendi etraflarındaki dönüşlerinden ve2. çekirdek çevresindeki yörüngesindeki dönüşlerinden, kaynaklanmaktadır.

19

3 tür manyetiklik vardır:

Diamanyetik

Paramanyetik

Ferromanyetik

Uygulamada diyamanyetik ve paramanyetik malzemeler manyetikolmayan, ferromanyetikler ise manyetik malzeme kabul edilmektedir.Diyamanyetiklerde enerji bandları tam doludur ve manyetik kutup yoktur.

Manyetik kuvvetin etkisi ile, kendisi manyetik olmadığı halde çekilenmaddelere paramanyetik, itilen maddelere diyamanyetik denir.Paramanyetik maddelere örnek olarak alüminyum, baryum ve oksijen,diyamanyetik maddelere ise civa, altın ve bizmut ve benzeri maddelerverilebilir.

Ferromanyetik malzemelerde elektron yapıları paramanyetiklere benzerboş alt enerji düzeylerinde tek olan e’lar manyetik alan oluşturur. Gruplarhalinde komşu atomların manyetik kutupları paralel olarak yönlenirler vemanyetik alanlar meydana gelir.

22

Eksi duyarlı mıknatıslık (diamanyetizm)

Bir malzemenin atomlarını etkileyen bir dış manyetik alanı, yörüngededönen elektronların dengesini hafifçe bozar ve atomların içindeuygulanan alana zıt, küçük mıknatıs çift kutupları yaratır. Bu olay eksiduyarlık diye adlandırılan eksi bir mıknatıs etki yaratır. Eksi duyarlık, χm ≈ -10-6 değerinde, çok küçük bir eksi mıknatıs duyarlığı oluşturur. Tümmalzemelerde eksi duyarlık bulunmakta, fakat çoğunda artı mıknatıs etkilertarafından yok edilir. Bu olay mühendislik açısından önemsizdir.

23

Artı duyarlı mıknatıslık (paramanyetizm)

Bir mıknatıs alanı altında, küçük bir artı mıknatıs duyarlığı gösterenmalzemeler artı duyarlı malzemeler, gösterdikleri mıknatıs etki iseartı duyarlık diye adlandırılır.

Artı duyarlılık, atomların ya da moleküllerin mıknatıslı çift kutupmomentlerinin uygulanan alanla aynı yönde dizilmeleri sonucudur.Uygulanan alan kaldırıldığında malzemedeki artı duyarlık etkisi yok olur.Artı duyarlık, malzemede, 10-6 – 10-2 arasında bir mıknatıs duyarlığıoluşturur ve pek çok malzemede görülür.

24

Asal mıknatıslık

Eksi duyarlık ve artı duyarlık, uygulanan mıknatıs alanla ortaya çıkar ve alanolduğu sürece varolur. Asal mıknatıslık diye adlandırılan, mühendislik açısındançok önemli, üçüncü tür bir mıknatıslık daha vardır.İstendiği zaman oluşturulan ya da kaldırılan büyük mıknatıs alanları, asalmıknatıslar tarafından yaratılır. Sanayide en önemli asal mıknatıs elementlerdemir (Fe), kobalt (Co) ve nikel (Ni) ‘dir.Bir nadir-toprak elementi olan gadolinyum (Gd), 16 oC ‘nin altında asal mıknatısolmasına rağmen sanayideki uygulamaları çok azdır. Fe, Co ve Ni gecişelementlerinin asal mıknatıslık özellikleri, iç kabuktaki çiftlenmemişelektronların dönüşlerinin kristal kafeslerinde aynı yönde dizilmelerindenkaynaklanmaktadır.

Her atomun iç kabuğu birbirlerine ters yönde dönüşe sahip elektronlarla doluolduğundan, bunlardan doğan net mıknatıs çift kutup momenti sıfırdır. Katılarda,dış değerlik elektronları birbirleriyle birleşerek bağ oluştururlar, dolayısıyla önemlibir mıknatıs momenti yaratmazlar.Fe, Co ve Ni’in çiftleşmemiş 3d elektronları, bu elementlerin mıknatıslığınınnedenidir. Demir atomu dört, kobalt üç ve nikel iki tane çiftlenmemiş 3delektronu içerir.

25

Oda sıcaklığında, katı Fe, Co ve Ni örnekte, komşu atomların 3d elektronlarınındönüşleri birbirlerine paralel dizilir ve buna istemli mıknatıslanma adı verilir.Ancak, atomların mıknatıs çift kutuplarının bu şekilde paralel dizilmesi, mıknatısçıkadı verilen mikroskobik mıknatıslı bölgelerde görülür. Eğer mıknatısçıklar rastgeleyönlenmiş ise kütlede net bir mıknatıslanma görülmeyecektir. Fe, Co ve Niatomlarının mıknatıslı çift kutuplarının paralel dizilmesi, aralarında oluşan artıdeğişim enerjisi sonucudur. Bu paralel dizilmenin olması için atomlar arası uzaklığın,3d yörüngesinin çapına oranının 1.4 – 2.7 aralığında olması ile olanaklıdır. Bunedenle, Fe, Co ve Ni asal mıknatıs iken, manganez (Mn) ve krom (Cr) değildir.

SICAKLIĞIN ASAL MIKNATISLIĞA ETKİSİ

0 K üzerindeki herhangi bir sıcaklıkta, ısıl enerji, asal mıknatıs bir malzemeninmıknatıslı çift kutuplarındaki mükemmel paralel dizilmeyibozar. Asal mıknatıs malzemelerde mıknatıslı çift kutupların dizilmesine neden olandeğişim enerjisi, ısıl enerjinin dizilmeyi rastgele hale getiren etkisini dengeler.Sonuç olarak, sıcaklık arttıkça asal mıknatıs bir malzemede asal mıknatıslığıtamamen yok olduğu bir sıcaklığa ulaşılır ve malzeme tümüyle artı duyarlımıknatıs haline gelir. Bu sıcaklığa Curie sıcaklığı denir.Curie sıcaklığının üstündeki bir sıcaklıktan soğutulursa, asal mıknatısınmıknatısçıkları yeniden oluşur ve malzeme tekrar asal mıknatıs haline gelir. Fe, Cove Ni için Curie sıcaklıkları, sırasıyla, 770, 1123 ve 358 oC dir.

27

ASAL MANYETİK MALZEMENİN MIKNATISLANMASI ve MIKNATISLIĞININGİDERİLMESİ

Fe, Co ve Ni gibi asal mıknatıs malzemeler, bir mıknatıs alanakonulduklarında büyük miktarda mıknatıslanır ve mıknatıs alanıuzaklaştırıldıktan sonra mıknatıslığı az da olsa korurlar.

Mıknatıslanma eğrisi ya da halkasına histerezis halkası adı verilir, halkanın iç alanı mıknatıslanma ya da mıknatıslığını giderme çevriminde kaybolan enerjinin ya da yapılan işin bir ölçüsüdür.,

28

SERT MIKNATISLI MALZEMELERSert mıknatıslar ya da kalıcı mıknatıslar, yüksek baskı kuvveti Hb ve yüksek kalıntımıknatıs akı yoğunluğu Bk ile kendilerini gösterirler. Bu nedenle, sert mıknatıslımalzemelerin histerezis halkaları geniş ve yüksektir. Bu malzemeler,mıknatıscıklarını uygulanan alan yönünde yönlendirecek kadar kuvvetli bir alanaltında mıknatıslanırlar. Uygulanan alan enerjisinin bir kısmı, üretilen kalıcımıknatıs içinde biriken potansiyel enerji haline dönüşür. Tümüyle mıknatıslanmış birkalıcı mıknatıs, mıknatıslığı giderilmiş bir mıknatıs malzemeye göre daha yüksekenerjili durumdadır. Sert mıknatıslı malzemeler bir kez mıknatıslanmışlarsamıknatıslığı gidermek güçtür. Sert mıknatıslı bir malzemenin mıknatıslığınıgiderme eğrisi olarak histerezis eğrisinin ikinci dörtte birinden yararlanılır ve bu kısımkalıcı mıknatısların kuvvetlerini karşılaştırmak için kullanılır.

YUMUŞAK MIKNATISLI MALZEMELERYumuşak mıknatıslı malzeme kolayca mıknatıslanır ve mıknatıslığı giderilir, bunakarşılık sert mıknatıslı bir malzemenin mıknatıslanması ya da mıknatıslığınıngiderilmesi güçtür.İlk yıllarda yumuşak ve sert mıknatıslı malzemeler fiziksel olarak yumuşak ve sertolduklarından bu terimler yerleşmiştir.Bugün, bu malzemelerin fiziksel olarak yumuşak ya da sert olmaları zorunludeğildir. Ancak, mıknatıslanmanın kolaylığı ve güçlüğü anlamındadır. Demir - % 3-4Si alaşımı gibi yumuşak mıknatıslı malzemeler ya da yumuşak mıknatıslar,transformatör çekirdeklerinde, motorlarda ve jeneratörlerde kullanılmakta olup, düşükbaskı kuvvetli dar bir histerezis halkasına sahiptir.

31

FERRİTLER; ARTIK KUTUPLU MIKNATISLAR

Ferritler ve seramik mıknatıs malzemeler, demiroksit (Fe2O3) toz haldeki diğeroksit ve karbonatlara karıştırılarak elde edilir. Tozlar daha sonra sıkıştırılarakyüksek sıcaklıklarda sinterlenir. Bazen parçalara son şeklini vermek için işlenmelerigerekebilir. Ferritlerdeki mıknatıslık parçalara ticari değer verecek kadar yüksekolmakla birlikte doyma mıknatıslıkları asal mıknatıs malzemeler kadar yüksekdeğildir. Ferritlerdeki mıknatıscık yapıları ve histerezisleri asal mıknatıslara benzer.Yumuşak mıknatıslı ve sert mıknatıslı ferritler bulunmaktadır.

Yumuşak mıknatıslı ferritler

Artık kutuplu mıknatıslanma davranışı gösterirler. Zıt yönlerdeki, çiftlenmemiş ikitakım iç elektronun dönü momentleri birbirlerini yoketmediği için, yumuşak ferritlernet bir mıknatıs momentine sahiptir. Yumuşak ferritler, faydalı mıknatıs özellikleriyanında, yalıtkanlığa ve yüksek özgül direncine sahip olduklarından, önemlimıknatıs malzemelerdir. Yumuşak ferrit uygulamaları : En önemli uygulamaalanları, düşük sinyalli hafıza çekireği, ses ve görüntü cihazları ve kayıt kafalarıdır.Düşük sinyal düzeylerinde, transformatörler ve düşük enerji indükleyicilerdeyumuşak ferritler kullanılır. Saptırma sargısı çekirdeği, geri uçuş transformatörleri vetelevizyon alıcılarının ayar sargıları bu ferritlerin en çok kullanıldığı yerlerdir.

.

.

32

Sert mıknatıslı ferritler

Mo.6Fe2O3 yapısındaki sert ferritler kalıcı mıknatıs olarak kullanılmaktadır. Buyapının hekzagonal kristal yapısı vardır. En öneml yapı 1952 ‘de piyasaya sürülenBaO.6Fe2O3 ‘dür. Bugün ise, özellikleri daha iyi olan SrO.6Fe2O3 yapısındaolanlar tercih edilmektedir. Bu ferritler hemen hemen yumuşak ferritlerle aynıyöntemle, çoğunlukla da kolay mıknatıslanma eksenlerini uygulanan alanla aynıhizya getirmek için, mıknatıs alanında, yaş preslenerek üretilmektedir.

Sert ferrit uygulamaları :

Sert ferrit seramik kalıcı seramikler, jeneratörlerde, rölelerde ve motorlarda genişbir uygulama alanı bulur.Hoparlör mıknatısları, telefon zilleri ve alıcılarında çokkullanılır. Kapı kapama tutaçlarında, contalarında ve mandallarında, oyuncaklardada kullanım alanı vardır.

elektrİk malzemelerİ (nil toplan)

Documents