Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği
için Malzeme Bilgisi
Bölüm III: Malzemelerin Elektriksel Özellikleri (İletkenler)
Bölüm III: Malzemelerin Elektriksel
Özellikleri (İletkenler)







İletken Malzemeler
Elektrik Müh. Kullanılan İletkenler
Kontak Yapımında Kullanılan İletken Malzemeler
Diğer İletken Malzemeler
Sıvı İletken Malzemeler
Termo Bi-metaller
Süper İletkenler
İletken Malzemeler
Atomun Temel Parçaları
1.Elektronlar: Çekirdek etrafında
yörüngelerde bulunurlar ve (-)
yüklüdürler. Boyutları çok
küçüktür.
2. Nükleus (çekirdek):
 Proton: (+) yüklü parçacıktır.
Elektrondan 1836 kat
büyüktür.
 Nötron: Yüksüzdür. Boyutları
proton kadardır.
İletken Malzemeler



Çekirdeği çevreleyen
elektronların yörünge
konumları “Kabuk “ olarak
adlandırılır.
Her bir kabuk 2n2 formülü
ile belirlenen elektron
sayısına sahiptir.
En dıştaki kabuk “valans
kabuğu” olarak adlandırılır.
İletken Malzemeler

Valans kabuğu,
malzemenin iletkenlik
özelliğini belirler.

Örneğin Bakır atomu (Cu)
valans yörüngesinde sadece
1 elektrona sahiptir.
Bu onu iyi bir iletken kılar
ve bu yörünge n=4 kabuk
sayısına sahip olduğu için,
2n2 formülüne göre 32
elektron alma kapasitesine
sahiptir.

İletken Malzemeler

Bir atomun en dış yörüngesinde az sayıda (1-2-3) elektron varsa, bu elektronları
çekirdeğe bağlayan güç zayıftır.

Örneğin bakır atomunun son yörüngesinde 1 elektron vardır ve bu çekirdek
tarafından kuvvetlice çekilmediğinden çok kolayca serbest hale geçebilir.

Bakırdan yapılmış bir iletkenin iki ucuna belli bir gerilim uygulanırsa, elektronlar pilin
eksi (-) ucundan artı (+) ucuna doğru gitmeye başlar.

İşte bu elektron hareketi "elektrik akımıdır". Gerilim kaynağının artı ucu elektronları
yakalarken, eksi ucu maddeye elektron verir.
İletken Malzemeler



Burada gerilimi, bir çeşit elektron pompası olarak
düşünebiliriz. Gerilimin büyüklüğü artarsa, elektronlar
daha hızlı bir şekilde ilerlerler.Yani ortalama hızları
artar.
Başka bir deyişle son yörüngesinde (valans bandı) 1-23 elektron bulunduran maddeler elektrik akımını daha
iyi iletirler.
En dış yörüngesinde 2 elektron bulunduran demir ve
3 elektron bulunduran alüminyumun iletkenlikleri
bakıra göre azdır.
Enerji-Band Diyagramları
İletken Malzemelerin Özellikleri


İletken malzeme denince akla önce metaller gelir.
Metallerin yalıtkanlarla karşılaştırıldığında kendi aralarında
ortak özellikleri vardır. Bunlar:
Metaller atomik yapılarında elektrik akımının iletimini sağlayan
serbest elektronları mevcuttur.
 Serbest elektronların çokluğu, elektrik iletimini sağladığı gibi ısı
iletimini de sağlar.
 Üzerlerine düşen ışığın bir kısmını absorbe ederken bir kısmını
da yansıtırlar.
 Metaller üzerlerine bir basınç uygulandığında sıkışabilme
esnekliğine sahiptirler ve yoğunlukları fazladır.

Elektrik Mühendisliğinde Kullanılan
İletkenler




Başta elektrik telleri olmak üzere, kablolar ve baralar
iletkenlerin sıkça kullanıldıkları yerlerin başında
gelmektedir.
Elektrik iletiminde kullanılacak iletkenlerin seçiminde I2R
ısıl güç kaybına sebep olacak iletken dirençliliğin düşük
olması istenir.
Yaygın olarak kullanılan metaller içerisinde gümüş, bakır,
altın, alüminyum sayılabilir.
Bir tasarım yapılırken malzemenin maliyeti önem
kazanmaktadır. Bu noktada cevher maliyeti, cevher
ayrıştırma maliyeti, imalat maliyeti gibi noktalar da önem
kazanmaktadır.
Elektrik Mühendisliğinde Kullanılan
İletkenler
Eleman
Dirençlilik
(X10-8 Ω)
Cevher
Maliyeti
Cevher
Ayrıştırma
Maliyeti
İşlenmemiş
Malzeme
Maliyeti
($/ton)
Fabrikasyon
İşçilik
Maliyeti
Gümüş
1.61
yüksek
düşük
100.000
düşük
Bakır
1.70
orta
orta
2700
düşük
Altın
2.20
yüksek
düşük
12.400.000
düşük
Alüminyum
2.74
düşük
yüksek
1850
düşük
Elektrik iletkeni olarak sıklıkla kullanılan materyallerin maliyet açısından karşılaştırılması.
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler


Bütün elektriksel kontakların görevi akım devrelerini kusursuz
bir şekilde irtibatlandırmak ve kesmektir.
Bu noktada kontak malzemelerinden beklenen özellikler şu
şekildedir:








Elektriksel iletkenliği iyi olmalıdır.
Sabit kalan bir kontak direnci.
İyi derecede ısıl iletkenlik.
Kavrulmanın çok az olması.
Kontakların kaynak yapmaması.
Kimyasal dayanıklılık.
Çok küçük erozyon (Bir kontaktan diğer bir kontağa eleman
taşınması).
Aşınmaya karşı yüksek dayanım.
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler





Bakır:Kırmızı renkte ağır bir
metaldir. Kolay bükülebilir, çok ince tel
levha haline getirilebilir, sıcak ve soğuk
olarak işlenebilir.
Bakır gümüşten sonra en büyük
elektriksel iletkenliği olan bir metaldir.
Ayrıca ısı iletkenliği de yüksek
olduğundan elektrik ve ısıtma
endüstrisinde sıkça kullanılır.bileşikler
oluşturur.
Elektronikte özellikle kontak
malzemesi olarak kullanıma oldukça
elverişlidir.
Bakır kontaklar zamanla havadan
oksitlenerek, elektrik akımının geçişine
mani olacak bileşikler oluşturur.
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler

Bakır
a) bakır tel sargı
b) çok telli bakır kablo
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler




Gümüş: Saf gümüş, beyaz
parlak renkte yumuşak bir
metaldir.
Altından sonra tel haline
getirilmeye en uygun bir metal
olup soğuk olarak işlenebilme
özelliğine sahiptir.
Havadan etkilenmez ancak
asitlere ve endüstri gazlarına
karşı dayanıklı değildir.
Ölçü aletlerinin kontaklarında,
şalterlerde, kontaktörlerde,
rölelerde, lehimcilikte kullanılır.
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler

Gümüş
a) gümüş sargılı trafo
b) gümüş kablo
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler
 Altın: Saf altın (%99.95)



elektrik akımını ve ısıyı iyi
iletir. Hemen hemen bütün
kimyasal etkilere karşı
dayanıklıdır.
Ancak çok yumuşak olup
kontaklarda yapışma ve
kaynama eğilimi gösterir.
Bu nedenle kontak malzemesi
olarak saf altın nadiren
kullanılır.
Gümüş, platin, nikel, kobalt,
bakır ile alaşım yapmak
suretiyle mekanik dayanımı
yükseltilir ve kontakların
yapışma eğilimi azaltılır.
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler

Altın
Altın kaplamalı ve altın su yollu baskı devre kartları
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler
 Platin: Parlak ve beyaz renkli



yumuşak bir metaldir. Havada
ve yüksek ısı derecelerinde
oksitlenmez ve işlenmeye
elverişlidir.
Platinden yapılmış kontaklar
kimyasal etkilere karşı son
derece dayanıklı olup hemen
hemen hiç kavrulmazlar.
Nikel, İridyum ve Wolfram gibi
metallerle alaşım yapılarak
platinin kavrulmaya karşı
dayanımı daha da yükseltilebilir.
Ölçü aleti kontakları, elektrik
dirençleri, paratoner uçlarında
kullanılırlar.
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler

Platin
Kontak Yapımında Kullanılan İletken
Malzemeler




Sinterleme ile Elde Edilen
Kontak Malzemeleri:
Wolfram (33700C) ve Molibden
(26200C) gibi metaller erime
sıcaklıklarının çok yüksek oluşu
nedeniyle ancak sinterleme
yapılarak kullanılabilirler.
Sintirleme işlemi, toz halindeki
parçacıkların erime sıcaklığının
altında preslenmesi ile
yapılmaktadır.
Bu tür kontaklar elektrik akımına
ve aşınmaya karşı aşırı dayanıklılık
beklenen yerlerde tercih edilirler.
Diğer İletken Malzemeler
METALLER
ALAŞIMLAR
Alüminyum
Demir
Çelik
Tunç
(Bakır+Kalay)
Pirinç
(Bakır+Çinko)
Çinko
Kurşun
Manganez
Lehim
(Kurşun+Kalay)
Konstantan
(Nikel+Bakır)
Kalay
Nikel
Tungsten
Molibden
Sac
Manganin
Kadmiyum
(Manganez+nikel+bakır)
Krom
Krom-Nikel
Nikelin
(Bakır+Nikel)
Sıvı İletken Malzemeler



Civa: Beyaz renkli, sıvı bir
madendir. Oda sıcaklığında
buharlaşır. Buharı zehirlidir.
Elektriği ve ısıyı iyi iletir. Isı
değişimlerine karşı hassastır.
Elektromekanik şamandıralarda
kontak malzemesi ve kumanda
elemanı olarak kullanılır.
Isı değişimlerine çok hassas
olduğundan termometrev e
barometre gibi bir çok alette
kullanılır.
Sıvı İletken Malzemeler

Civa
Sıvı İletken Malzemeler





Su: Saf su renksiz, kokusuz ve
tatsız bir sıvıdır. 00C’de donar,
1000C’de kaynar. Saf su elektrik
akımı iletmez, yalıtkandır.
İletken hale getirmek için içerisine
asit veya metal tuzları konur.
Basınç arttıkça kaynama noktası
artar.
Su donacak kadar soğutulduğu
zaman buz meydana gelir ve hacmi
1/10 oranında artar.
Su, akümülatör, pil elektrolitlerinin
hazırlanmasında kullanılır.
Termo Bi-metaller





Farklı ısıl-genleşme katsayıları olan iki ayrı metal yada metal-alaşım
tabakasının birbirlerine sıcak pres kaynağı ile yapıştırılarak
oluştururlar.
-700C ile +5000C sıcaklık sahasında kullanılabilen termo bi-metaller:
Nikel-Demir, Bizmut-Tellurium gibi alaşım malzemelerinden
üretilirler.
Isıtıldıklarında ısıl genleşme katsayısı büyük olan metal diğerine
nazaran daha çok uzayacaktır.
Farklı değerlerde uzama sonucu bimetalde ısıl-katsayı düşük olan
metal elemana doğru bir bükülme meydana gelecektir.
Otomatik sigortalarda, motor güvenlik şalterlerinde, flouresans
lamba ateşlemesinde, ısıtıcı cihazlarda kullanılırlar.
Süper İletkenler

Güç kaybı, elektriksel dirençle orantılı
olduğu için elektronik mühendisleri
elektriksel direnci olabildiğince aza
indirmeyi amaç edinmişlerdir.

Metal ağırlıklı bazı maddeler Tc olarak adlandırılan kritik
bir sıcaklık altında elektriksel dirençliliklerini tamamen
kaybederler. Bu özellikteki malzemeler süperiletken olarak
adlandırılır.
Tc eşik değeri, malzemeden malzemeye değişiklik
göstermesine rağmen -1230C (150 K)’den daima düşüktür.
Ödev: Meissner olayı nedir? Süper iletkenliğin
mühendislik uygulamalarını araştınız…

