7 malzemelerin elektriksel ve manyetik özellikleri ...blog.aku.edu.tr/evcin/files/2016/11/7.pdf ·...

27.11.2016

1

MalzemelerinElektriksel ve

Manyetik Özellikleri

2

• Elektriksel iletkenlik nasıldır, direnç nasıl karakterize edilir ?

• İletken, yalıtkan ve yarıiletkenlerdeki fark nedir ?

• Metaller için mükemmellik, sıcaklık ve deformasyon iletimi nasıl etkiler ?• Yarı iletkenler için safsızlıklar ve sıcaklık iletkenliği nasıl etkiler ?

Bölüm Çıktıları

3

Malzemelerin fiziksel davranışları, çeşitli elektrik, manyetik,optik, ısıl ve elastik özelliklerle tanımlanır.

Bu özellikler çoğunlukla, atomik yapı (elektronik yapı,bandlar), atomik dizilme ve malzemenin kristal yapısı ilebelirlenir.

Atomik yapıda, iletken ve valans bandlar, elektronlararasındaki geçişleri belirleyerek, malzemelerin iletken, yarıiletken ya da yalıtkan olmalarını sağlamaktadır.

4

Atom gruplarının elektronik yapıları incelenerek, elektrikselözellikleri saptanmakta ve buna bağlı olarak elektrik veelektronik malzemeler seçilebilmektedir.

Benzer biçimde, bir malzemenin elektrik alanına ya damanyetik alana tepkisi saptanarak manyetik malzemeseçimi yapılabilmektedir.

Elektrik alana tepki dielektrik özellikler ve değerleryardımıyla saptanmaktadır.

Dielektrik malzemelerin diğer özelliklerini kutuplaşma,piezoelektrik ve ferroelektrik özellikler belirlemektedir.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

http://www.novapdf.com


27.11.2016

2

5

Elektrik İletimi• Ohm Kanunu: V = I R

voltaj (volt = J/C)C = Coulomb

direnç (Ohms)

akım (A = C/s)

1

• İletkenlik, s özdirencin tersi iletkenliktir

• Özdirenç, r: -- bir maddenin geometrisine bağlı olmayan ve onun

bir özelliği

RAρ

maddenin akıma dikyöndeki kesit alanıdır

R direncinin voltaj uygulanan uçları arasındaki uzaklık

6

Elekriksel Özellikler• Hangisi daha büyük dirence sahiptir? r=1,1

• Direnç örneğin geometri ve boyutuna bağlıdır.• Bu sonuç bize gösteriyor ki kesit ile direnç değeri

arasında ters orantı vardır. • Boyu ve cinsi değişmeyen bir iletkenin kesiti artarsa

direnç değeri azalır (R1), kesit azalırsa direnç değeri artar (R2).

S1=0,2 mm2

S2=0,1 mm2

ohmS

R 5501

1

ohmS

R 11002

2

7

TanımlamaDiğer bir tanımlama

J = s <= Ohm Kanununun diğer ifadesi

J akım yoğunluğu

elektrik alan potansiyeli = V/

alanıyüzey

akimAI

Elektron akışı iletkenlik voltaj gradienti

J = s (V/ )

s = n |e| me d ev

8

• Oda sıcaklığındaki değerler(Ohm-m)-1 = ( - m)-1

Selected values from Tables 12.1, 12.3, and 12.4, Callister & Rethwisch 3e.

İletkenlik: Kıyaslama

Silver 6.8 x 10 7

Copper 6.0 x 10 7

Iron 1.0 x 10 7

METAL iletken

Silicon 4 x 10-4

Germanium 2 x 10 0

GaAs 10-6

YARIİLETKEN

yarıiletken

Polystyrene <10 -14

Polyethylene 10-15-10-17

Soda-lime glass 10Concrete 10-9

Aluminum oxide <10-13

SERAMİK

POLİMER

yalıtkan

-10-10-11





27.11.2016

3

9

V < 1.5 V olmasını sağlayan çubuğun minimum çapı nedir?

Örnek: İletkenlik problemi

Cu wire I = 2.5 A- +

V

Çözümden D > 1.87 mm

< 1.5 V

2.5 A

6.07 x 107 (Ohm-m)-1

100 m

IV

AR

s

4

2D

100 m

10

Elektron Enerji Band YapılarıEş atomlar birbirlerini etkilemeyecek kadar uzak mesafelerdeise, elektronik enerji düzeylerinin birbirlerinin aynısı olacağınıbiliyorsunuzdur. Bu atomlar birbirlerine yaklaştırıldıklarındaetkileşmeye başlarlar. Yani, atomlardaki elektronlarınyerleşmeleri için kullanılan Pauli dışarlama ilkesi etkisinigöstermeye başlar. Bu ilkeye göre nasıl bir atomda aynıkuantum sayılarına sahip iki elektron bulunamaz ise, katıiçindeki elektronlardan da aynı kuantum sayılarına sahip ikielektron bulunamaz.Dolayısıyla, atomlar birbirlerine yeteri kadar yaklaştıklarındaanılan ilkeye göre atomik enerji düzeylerinde farklılıklar yaniyarılmalar meydana gelecektir. Bu durum 1s ve 2s seviyesiiçin şekilde gösterilmiştir.

11

Elektron Enerji Band Yapıları

Adapted from Fig. 12.2, Callister & Rethwisch 3e.

12

Band Yapı Gösterimi






27.11.2016

4

13

Değerlik bandı (Valence band) – elektronların bulunduğu enyüksek banddır (0 K)İletkenlik bandı (Conduction band) – elektrik alan uygulandığındaband ile en yüksek enerji seviyeleri arasında hareket ederekenerjilerini artıran elekronların bulunduğu kısmen dolu veya boşenerji bandı

14

İletim & Elektron Taşınımı• Metaller (İletkenler):-- metaller için boş enerji bandı dolu bandıyla bitişiktir.

-- Metallerin valans bantlarının hemen hemen yarısı boş olduğundan ve metal atomlarının her birinden 1 elektron serbest bulunduğundan dolayı elektron yoğunluğun (bakır için 8,5 x 1028 m-3) çok büyüktür

filled band

Energy

partly filled band

empty band

GAP

fille

d st

ates

Kısmen dolu band

Energy

filled band

filled band

empty band

fille

d st

ates

Üstüste geçmiş band

15

Enerji Band Yapıları: Yalıtkanlar & Yarıiletkenler

• Yalıtkanlar:-- geniş band bölgesi (> 2 eV)-- birkaç elektron karşı band

bölgesine geçerEnergy

filled band

filled valence band

fille

d st

ates

GAP

empty

bandconduction

• Yarıiletkenler:-- dar band bölgesi (< 2 eV)-- birçok elektron band bölgesine geçer

Energy

filled band

filled valence band

fille

d st

ates

GAP?

empty

bandconduction

16





27.11.2016

5

17

Metaller: Özdirenç üzerine sıcaklık ve safsızlıkların etkisi

• Safsızlıkların bulunması özdirenci artırır-- tane sınırları-- dislokasyonlar-- safsızlık atomları-- boşluklar

Bunlar elektronların saçılmasına neden olur

• Özdirenç artar:

-- %bileşim

-- wt% safsızlık-- sıcaklık

r= r thermal + rimpurity + rdeformation

18

19

20

İletkenliğin tahmin edilmesi

Adapted from Fig. 8.16(b), Callister & Rethwisch 3e.

125 MPa akma dayanımına sahip Cu-Ni alaşımının elektriksel iletkenliğini bulunuz.

mOhm10 x 30 8 r

16 )mOhm(10 x 3.31 r

sYi

eld

stre

ngth

(MPa

)

wt% Ni, (Concentration C)0 10 20 30 40 5060

80100120140160180

21 wt% Ni


wt% Ni, (Concentration C)

Res

istiv

ity, r

(10-

8O

hm-m

)

10 20 30 40 500

1020304050

0

125

CNi = 21 wt% Ni

Birinci aşama:

30





27.11.2016

6

Yarı İletkenler• Yarıiletkenlerin en önemli özelliği, onların bir

yasak enerji aralığına sahip olması ve içlerinekatılan uygun atomlarla ve miktarlarlaelektriksel iletkenliklerinin önemli ölçüdedeğiştirilebilmesidir.

21

Katkılı Yarı iletkenler• n-tipi yarı iletken• Silisyum kristali, Si atomlarının birbiriyle kovalant bağ

(elektronların ortaklaşa kullanılması ve her Si-Sibağında zıt spinli iki elektron olması) yaparak, her Siatomunun dört komşusu olacak şekilde oluşur.

22

Katkılı Yarı iletkenler• n-tipi yarı iletken• Silisyum kristalindeki bir Si atomu nun yerine

Periyodik Tablodaki V. grup elementlerinden fosfor(P) atomunu koyduğumuzda, fosforun, beş dış kabukelektronundan dördü kovalant bağda kullanılır vebeşinci elektron çok küçük bir enerjiyle (0,04 eV)fosfora bağlı kalır

23

• Bu elektron bu kadar enerjiyi ortamdan teminettiğinde iletim bandına geçer. Bu enerjinin,silisyumun yasak enerji aralığı olan 1,1 eV’agöre kıyaslandığında ne kadar küçükolduğunu görüyorsunuz. Fosforun bu şekildebeşinci elektronunu vermesi sonucu iletimbandında elektron artışı olacak, valans banttaise hol artışı olmayacaktır.

24





27.11.2016

7

• Bu şekilde fosfor katkılamak suretiyleyarıiletkendeki elektron yoğunluğu holyoğunluğuna göre daha büyük olmaktadır. Butür yarıiletkenlere n-tipi yarıiletken denir.

• Fosfor gibi ortama elektron veren atomlara dadonör denir.

25

Katkılı Yarı İletkenler• p-tipi yarıiletken• Silisyum kristalindeki bir Si atomunun yerine,

Periyodik Tablonun üçüncü grupelementlerinden Boron(B) yerleştiğinde,boronun üç dış elektronu olması sonucu, B-Sibağlarından birinde bir boş durum açıktakalır.

26

Katkılı Yarı İletkenler• p-tipi yarıiletken• Bu eksik elektron valans bandından yani Si-Si

kovalant bağından bir elektron alınarakdoldurulur ve bunun için gerekli enerji oldukçaküçüktür (0,04 eV). Boron atomu bu durumdaelektron kabul edici anlamında akseptör adınıalır

27

28

Manyetik ÖzelliklerOrbitalde tek elektron varsa buna çiftleşmemiş elektrondenir. Çiftleşmemiş elektrona sahip atom veya iyonların bir manyetik alan tarafından çekildiği , zayıfça mıknatıslık gösterdiği deneysel olarak bulunmuştur. Maddelerde görülen manyetik özellikler ;

* Paramanyetizma* Diamanyetizma* Ferromanyetizma* Antiferromanyetizma* Ferrimanyetizma





27.11.2016

8

Chapter 12 -

manyetizma Tipi Etkinlik Atomik Magnetik Davranış Örnek

Diamanyetizma KüçükNegatif

manyetik momente

sahip değildir

Paramanyetizma Küçük Pozitif

gelişigüzel manyetik momente sahiptir

Ferromanyetizma

Büyük PozitifUyg. alanın fonksiyonu

Mikroyapıya bağlı

paralel sıralı manyetik momente sahiptir

Antiferromanyetizma KüçükPozitif

karışık paralel ve antiparalel

manyetik momente sahiptir

FerrimanyetizmaBüyükPozitif

Mikroyapıya bağlı

antiparalelmanyetik momente sahiptir

29

30

Çiftleşmemiş elektronlara sahip maddelerin gösterdiğimanyetik alana doğru çekilme özelliğineparamanyetizma denir.Bunun zıddı özellik diamanyetizma’dır. Yani bütünelektronları çiftleşmiş maddelerin gösterdiği manyetikalan tarafından itilmesi özelliğine diamanyetizmadenir. Paramanyetizma sadece dışarıdan birmanyetik alan uygulandığı zaman görülen birözelliktir.Birde Kobalt, Nikel, Demir gibi metallerin dışarıdan birmanyetik alan uygulanmadığı halde kendiliğindenmanyetik özellik göstermesi özelliği vardır ki, buna daferromanyetizma denir.

31

Örnek

En az bir çiftleşmemiş elektrona sahip Atomlar, molekülleryada iyonlar, paramanyetiktir.

Azot atomu, PARAMANYETİKTİR

1s 2s 2pN 1s22s22p3

32

Soru ??

• Aşağıdakilerden hangisi paramanyetiktir?• Na (11)

• Ca (20)

• K+ (19)

• O2- (8)





27.11.2016

9

33

Örnek : Paramanyetizma

Manyetik Özellikler• Manyetik malzemeler 1930 ‘lu yıllardan beri

kullanılmaktadır. Önceleri, demir metal ve γ-Fe2O3 tozları kaydedicilerde manyetikmalzeme olarak kullanılmıştır.

• Video kaydedicileri gibi yoğun bilgi kaydıgereksinimi nedeniyle bu amaca uygun olarakCrO2 ve Co ile modifiye edilmiş γ-Fe2O3partikülleri geliştirilmiştir

34

35

Manyetik Tozlar

Genellikle manyetik malzemeler, yükseksıcaklıkta ergimiş malzemenin dökümü veyatozun sinterlenmesiyle üretilen kütleformunda kullanılır.

Manyetik tozun tane boyutu çok ince olur vebelirli bir sınır değere ulaşırsa, tozunferromanyetizması paramanyetizmayadönüşecektir. Bu sınırlayan boyut, 5-10 nmaralığındadır.

36

• -Fe2O3 , Baryum ferrit, CrO2 , vd ; manyetik kayıtbantlarında

Magnetik kayıt bantları





27.11.2016

10

37

• Ba Zn ferrit, Fe3O4 , -Fe2O3 ,vd ; elektronikkopyalama makinalarında, kullanılan tipik manyetiktozlar olup kullanımları gün geçtikçe artmaktadır.

Elektronik kopyalama makinesi





7 malzemelerin elektriksel ve manyetik özellikleri ...blog.aku.edu.tr/evcin/files/2016/11/7.pdf ·...

Documents