Malzemelerin Fiziksel Özellikleri

Malzemelerin
Fiziksel Özellikleri
Doç.Dr. Nil TOPLAN 2016
1
KONULAR
1. Hafta (15 Şubat): Elektriğin tanımı ve elektrik akımı iletimine göre malzemelerin
sınıflandırılması
2. Hafta (22 Şubat): Elektronik iletkenlik (bant teorisi, ohm kanunu)
3. Hafta (29 Şubat): İyonik iletkenlik
4. Hafta (7 Mart): Yarıiletkenler (yarıiletken türleri, elementel yarıiletkenler)
5. Hafta (14 Mart): Yarıiletkenler (bileşik yarı iletkenler, yarıiletkenlerin uygulama
alanları)
6. Hafta (21 Mart): Süper iletkenler (süperiletkenlik nedir, süperiletken türleri ve
uygulama alanları
7. Hafta (28 Mart): Malzemelerin dielektrik özellikleri
8. Hafta (4 Nisan): Ferroelektrik ve pieozoelektrik davranış
9. Hafta (11 Nisan): Malzemelerin magnetik özellikleri (magnetizma ve türleri,
magnetik alan, magnetik akı)
10. Hafta (18 Nisan): Malzemelerin magnetik özellikleri (Domain yapısı, histerezis
eğrisi, sıcaklığın etkisi, Curie sıcaklığı, yumuşak ve sert magnetik malzemeler)
11. Hafta (25 Nisan): Malzemelerin termal özellikleri (ısı kapasitesi, spesifik ısı, termal
iletkenlik)
12. Hafta (2 Mayıs): Malzemelerin termal özel. (termal genleşme, termal gerilme,
termal şok)
13. Hafta (9 Mayıs): Malzemelerin optik özellikleri (elektromagnetik spektrum, kırılma,
absorbsiyon ve geçirim)
14. Hafta (16 Mayıs): Malzemelerin optik özellikleri (fotonik malzemeler; laser,
2
fosforesans, luminesans, fluoresans)
DEĞERLENDİRME SİSTEMİ
•
•
•
•
•
YARIYIL İÇİ
Ara Sınav
Kısa Sınav
Perf.(Uyg.)
TOPLAM
SAYISI
1
2
1
• Yıl içinin Başarıya Oranı
• Finalin Başarıya Oranı
• TOPLAM
KATKI
60
30
10
100
60
40
100
3
DERS GEÇME ALT SINIRI: 50
DERSE DEVAM ALT SINIR: %70
Malzeme Özellikleri
Kimyasal
Fiziksel
Mekanik
Boyutsal
Bileşim
Ergime noktası
Çekme
mukavemeti
Standart boyutlar
Mikroyapı
Termal
Tokluk
Standart şekiller
Faz
Manyetik
Süneklik
Yüzey dokusu
Tane boyutu
Elektriksel
Yorulma
Kararlılık
Korozyon
Optik
Sertlik
Üretim toleransları
Kristal şekli
Akustik
Sürünme
Moleküler
ağırlık
Yoğunluk
Basma
En iyi İletkenler
Malzeme
İletkenlik
Gümüş
63 x 106 1/ohm.m
Bakır
59.6 x 106 1/ohm.m
Altın
45.2 x 106 1/ohm.m
Alüminyum
37.8 x 106 1/ohm.m
6
En iyi Yalıtkanlar
Malzeme
Polietilen tereftalat (PET)
Özgül Direnç
1020 ohm
Cam
1014 ohm
Kauçuk
1013 ohm
300K’de doğal katılar içinde elektrik iletkenliği en kötü
olan sülfür olup; iletkenlik değeri 10-14 (ᾨm)-1
7
En yüksek yoğunluğa sahip Malzemeler
Altın – 19,300 kg/m3
Uranyum – 19,100 kg/m3
Kurşun - 11,340 kg/m3
Çelik - 7,800 kg/m3
8
Dünyanın en hafif katı malzemesi aerojeller
10
Termal iletkenlik
Termal genleşme
Yalıtkan Malzeme
11
o Termal iletkenlik sabiti ısı transferinde önemli bir rol oynar.
o Elektriksel
iletkenliği
iyi
olan
malzemelerin
termal
iletkenliği de iyidir.
o Metaller iyi termal iletkendir. Daha sonra alaşımlar gelir.
o Sıvıların iletkenliği bu malzemelerden azdır.
o Gazların ise en düşüktür.
: Termal genleşme katsayısı
13
Elektrik sözcüğü Latince “kehribar” demek olan elektron
kelimesinden türetilmiştir (Kehribar soyu tükenmiş bir soy
ağacından oluşan reçinenin fosilleşmiş halidir ve bedenin
elektriğini
topladığından
depresyona
faydalı
olduğu
bilinmektedir). Antik Yunan’da kehribarın sürtünmesi ile diğer
nesneleri çektiği gözlemlenmiş ve bu güce elektrik adı
verilmiştir.
Elektriğin gerçeğe en yakın tanımlamasını yapan Benjamin
Franklin’e göre tabiattaki bütün maddelerin bünyesinde
“elektriksel bir akış” vardır. Belirli iki madde arasındaki
sürtünme, bu akıştan bir kısmının, miktar bakımından fazlalık
meydana getirecek şekilde öteki maddeye geçmesine sebep
olur. Akış negatif yüklü elektronlardan oluşmaktadır.
Elektrik ve magnetik olaylar milattan önce 700’lü yıllarda
gözlenmiştir.
 Kehribarın sürtme ile elektriklendiği ve saman parçalarını
ve tüyleri çektiği,
Magnetitin Fe’i çektiği gözlenerek magnetik kuvvetler
keşfedilmiştir.
Benjamin Franklin;
 1740’larda elektrik üzerine farklı gözlemleri tutarlı bilime
dönüştürmüş,
 Bir dizi basit deneyle 2 çeşit elektrik yükü olduğunu
bulmuş ve bunları pozitif (artı) ve negatif (eksi) olarak
adlandırmıştır.
15
STATİK ELEKTRİK
Atomda proton ve nötrondan oluşan bir çekirdek ve çekirdeğin
çevresindeki yörüngelerde hareket eden elektronlar bulunur. Elektrik
yüklerinin kaynağı atomun yapısında bulunan elektron ve proton
olup; Protonun yükü pozitif (+),
elektronun yükü ise negatif (–) dir.
Nötr (Yüksüz) Cisim
Bir cismin üzerindeki pozitif (+) yük sayısı, negatif yük sayısına eşit
ise, nötr (yüksüz) cisimdir. Yüksüzün anlamı cismin içinde hiç yük
olmaması değildir. Yalnızca (+) ve (–) yük miktarının eşit olduğu
anlamına gelir.
Pozitif Yüklü Cisim
Üzerinde(+) yük fazlalığı olan cisimlere pozitif yüklü cisim denir ve
pozitif yüklü hale getirmek için cisimden elektron alarak (+) yük
fazlalığı oluşturmak gerekir.
Negatif Yüklü Cisim
Üzerinde (–) yük fazlalığı olan cisimlere ise negatif yüklü cisim denir.
Herhangi bir yolla cisme (–) yük verilirse, (–) yük fazlalığı oluşur.
ELEKTRİKLENME ÇEŞİTLERİ
1.Sürtünme ile Elektriklenme
Saç tarama sırasında ve yün kazağın çıkartılması sırasında
duyulan çıtırtılar, otomobilden inerken kapı kolu ile el
arasındaki elektrik akışı gibi olayların nedeni elektriklenmedir.
Sürtünme ile elektriklenmede birbirine sürtünen cisimlerden
biri diğerine elektron verir ve kendisi pozitif (+) yükle yüklenir.
Elektron alan cisim üzerinde (–) yük fazlalığı oluşacağı için
negatif (–) yükle yüklenir. Alınan yük verilen yüke eşit olduğu
için yük miktarı eşittir. Cam çubuk ipek kumaşa sürtülürse,
camdan ipeğe elektron geçişi olur. Cam çubuk (+), ipek kumaş
ise (–) yükle yüklenir. Plastik çubuk yünlü kumaşa sürtülürse,
çubuk yünlü kumaştan elektron alır ve (–) yükle yüklenir. Yünlü
kumaş elektron verdiği için (+) yükle yüklenir. Alınan ve verilen
yük miktarları eşit olacaktır.
Sürtünme ile elektriklenme yalıtkan cisimlerde gerçekleşen
elektriklenme
çeşididir.
Yalıtkan
cisimlerin
serbest
elektronları bulunmadığından dokunma ile yük alışverişi
yapamazlar.
Bu cisimlerin yüklenebilmesi için elektronlarının kuvvet
yardımıyla serbest hale geçmesi gerekir . Bunu da yalıtkan
cisimlerin başka maddelere sürtünmesi ile sağlanır.
19
20
21
2. Dokunma ile Elektriklenme
Yüklü bir cisim nötr bir cisme
dokundurulduğunda mevcut yükünü
paylaşırlar ve nötr cisimde yüklenir.
Bu tür yüklenmeye dokunma ile
elektriklenme denir.
Şekilde (–) yüklü K küresi nötr L
küresine dokundurulduğunda, K
den L ye elektron geçişi olur ve
sonra dengeye gelirler.
Eğer K cismi (+) yüklü olsa idi, nötr
L küresinden (–) yükler K küresine
geçer ve her ikisi de (+) yüklü
olurdu.
L
K
Dokunma ile elektriklenme iletken cisimler arasında
gerçekleşir. Yüksüz iletken bir cisim, elektrik yükü taşıyan
başka bir iletken cisme dokundurulduğunda yüksüz cisim
yüklü cisim yardımıyla yüklenir. Birbirine dokundurulan
cisimler toplam yükü yarıçapları oranında paylaşırlar ve yük
dağılımı hesabı şekilde gösterilmiştir.
Dokunma ile Elektriklenmede;
Pozitif yükler hareket edemezler hareket eden negatif
yüklerdir.
Birbirine dokundurulan cisimler kesinlikle zıt yüklerle
yüklenmezler.
-ikiside nötr olabilir.
-ikisi de ( + ) olabilir.
-ikiside ( – ) olabilir.
Yüklü iletken cisimlerin sivri uçlarında daha fazla yük
bulunur. Çünkü yükler aynı tür olduğu için birbirinden
uzakta olmak isteyeceklerdir.
3. Etki (Tesir) İle Elektriklenme
En az biri yüklü iki cismin birbirine yaklaştırılmasıyla
cisimlerde yük dengesi ve dağılımının değişmesidir.
Elektrik akımı çoğu kez elektronların yönlenmiş akışı sonucu
oluşurken, bazı durumlarda elektrik akımı iyonların hareketi
ile de sağlanabilir.
İletkenlik kısaca malzemelerin elektrik akımını iletme
yeteneğidir. Elektriksel yük taşıyıcılardan
- e ile yayınan (-) yüklü iyonlar (anyon), eksi yük taşıyıcı,
- e boşlukları ile yayınan (+) yüklü iyonlar (katyon) artı yük
taşıyıcılardır. Bir malzemenin iyi bir iletken olup olmadığı
malzemenin her iki ucuna bir potansiyel farkı tatbik edilerek
anlaşılabilir.
Elektriği ileten maddelere iletken, elektrik akımını
iletmeyenlere yalıtkan ve bunların tam arasında bulunan
malzemelere yarıiletken, elektriği olduğundan çok fazla
iletenlere ise süper iletken malzemeler denir.
26
SÜPERİLETKENLER
Bazı malzemelerin belli bir sıcaklığın altında elektrik dirençleri sıfırdır. Bu
malzemeler süperiletkenler olarak adlandırılmaktadır. Hg ve Sn normal
ortam sıcaklığında zayıf iletken olmalarına rağmen; düşük sıcaklıklarda
süperiletkenlik özelliği gösterirler. Ag ve Cu ise normal ortam sıcaklığında
çok iyi iletken olmalarına rağmen süperiletken özelliği göstermezler.
27
Süperiletkenler üzerinde yapılan çalışmaların temel hedefi
kritik sıcaklığı (Tc) oda sıcaklığına yakın olan malzemeyi
keşfetmektir. Bu konuda özellikle oksit seramikler üzerinde
yoğun çalışmalar yapılmaktadır.
1988 yılında ise BiSrCaCuO sisteminin 20-110 K arasında
süperiletken olan 3 değişik fazı keşfedilmiştir. Kısa süre
sonrada TlBaCaCuO ve HgBaCaCuO malzemelerinin
değişik fazlarının 20-133 K arasında süperiletkenlik
gösterdiği hatta HgBaCaCuO sisteminin 30 GPa gibi
yüksek basınç altında ~164 K de süperiletken olduğu
keşfedilmiştir.
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 malzemesi için kritik sıcaklık
değeri 138 K olarak kaydedilmiştir. Süperiletkenler hızlı
trenlerde, tıpta ve askeri amaçlı elektronik cihazlar olmak
üzere pek çok alanda kullanılmaktadır.
28
Pek çok uygulamada malzemelerin elektriksel davranışı
mekanik davranışlarından daha önemlidir.
-Uzun mesafelere akım ileten metal tel, ısınma sonucu
oluşan güç kaybını azaltmak için yüksek bir elektrik
iletkenliğe sahip olmalıdır.
-Seramik yalıtkanlar, iletkenler arasındaki arkı önlemelidir.
-Güneş enerjisini elektriksel güce dönüştürmek için
kullanılan yarıiletken cihazlar, güneş hücreleri uygulanabilir
alternatif bir enerji kaynağı yapmak için mümkün olduğu
kadar etkin olmalıdır.
29
Elektrik ve elektronik uygulamalar için malzeme seçmek ve
kullanmak
elektrik
iletkenliği
gibi
özelliklerin
nasıl
üretildiğinin ve denetlendiğinin anlaşılmasını gerektirir.
Ayrıca,
elektriksel
davranışın,
malzeme
yapısından,
malzemenin işlenişinden ve malzemenin maruz kaldığı
çevreden etkilendiği bilinmelidir. Bu nedenle malzemelerin
atomik yapı ve elektronik düzenlerinin iyi bilinmesi, temel
elektrik yasalarının hatırlanması gerekmektedir.
Malzemelerin fiziksel davranışları, çeşitli elektrik, manyetik,
optik, ısıl ve elastik özelliklerle tanımlanır ve çoğunlukla,
atomik yapı (elektronik yapı, bandlar), atomik dizilme ve
malzemenin kristal yapısı ile belirlenir.
Atomik yapıda, iletken ve valans bandlar, elektronlar
arasındaki geçişleri belirleyerek, malzemelerin iletken, yarı
iletken ya da yalıtkan olmalarını sağlamaktadır. Bunun
yanında, ferromanyetik davranış, yayınma ve saydamlık
gibi özellikler de atomik yapıya bağlıdır.
Fiziksel özellikler, atomların kısa mesafeli ve uzun
mesafeli diziliş düzenini değiştirmekle ve de atomik
dizilmede yabancı atomları katmakla ve kontrol etmekle
önemli ölçüde değiştirilebilmektedir.
31