karadeniz teknik Üniversitesi elektrik-elektronik ... · birçok yeni mühendislik tasarımı...

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

ELEKTR İK MÜHENDİSLİĞİNDE MALZEMEELEKTR İK MÜHENDİSLİĞİNDE MALZEME

Karadeniz Teknik Üniversitesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

Textbook: W.D. Callister, Materials Science and Engineering: An Introduction Yrd. Doç. Dr. H. Đbrahim OkumuşYrd. Doç. Dr. H. Đbrahim Okumuş

http

://w

ww

.hio

kum

us

1

ELEKTR İK MÜHENDİSLİĞİNDE MALZEMEELEKTR İK MÜHENDİSLİĞİNDE MALZEMEYrd. Doç. Dr. H. İbrahim OKUMU�

E-mail : [email protected]

WEB : http://www.hiokumus.com

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

� Giriş

� Malzeme Türleri (metaller, seramikler, polimerler, yarıiletkenler)

� Malzemelerin özellikleri (mekaniksel, ısıl, elektriksel, optik)

� İletken ve yalıtkan malzemeler

� İletim hattı iletkenleri ve yer altı kabloları

� Özdirnç-direnç, öziletken-iletken.

İçerikELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

2

� Özdirnç-direnç, öziletken-iletken.

� İletken tellerin ve kabloların akım taşıma kapasitelerinin hesabı

� Kablolarda ısınma. Sigortalar, Yalıtkanlar

� İç tesisatta kullanılan kablolar

� İç tesisat devreleri ve döşenmesi

� Anahtarlar ve uygulamaları, aydınlatma armatürleri.

� Elektrik sayaçları

� Elektrik tesisatında güvenlik mekanizmaları

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Malzeme nedir?Malzemeler, günlük yaşantımızdakullandığımız hemen hemen her şeyimeydana getiren temel bileşenlerdir.Doğal olarak oluşmuş veya yapay olarakelde edilmiş malzemeler akla gelebilecekher türlü sanayi, örneğin; otomotiv,havacılık, kimya, bilgisayar, elektronik,gıda üretimi, biyomedikal sektöründekullanılmaktadır.Malzemeler dört temel gruba ayrılabilir.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

3

Malzemeler dört temel gruba ayrılabilir.� Seramikler � Metaller � Elektronik ve Fotonik Malzemeler� Polimerler

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Giriş

Mühendisliğin her alanında malzeme önemli bir yer tutmaktadır.

Mühendisler kullanacakları malzemeyi çok iyi tanımak ve geniş malzemeyelpazesi içinde mukavemet, iletkenlik, korozyon, ekonomiklik gibikriterleri dikkate alarak seçim yapmak zorundadırlar.

Örneğin; elektrik iletim hattında kullanılan iletkenlerin ekonomik,mukavemet ve iyi iletkenlik özelliklerini taşımasının istenmesi.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

4

mukavemet ve iyi iletkenlik özelliklerini taşımasının istenmesi.

Birçok yeni mühendislik tasarımı tamamen yeni malzeme geliştirilmesine bağlıdır.

Teorisi 17. yy’da bilinmesine rağmen türbin ve motorlar ancak 19. yy’daüretilebilmiştir. Bunun sebebi yüksek sıcaklıklara ve korozyona dayanıklımalzeme gereksinimidir.

Mühendislerce malzemelerden istenen özellikler, malzemelerin içyapılarında yapılan değişikliklerle sağlanmaktadır.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği� Malzeme Bilimi;Malzemelerin doğasını araştırır. Çeşitli teori ve tanımlarla malzemenin içyapısının, malzemenin kompozisyon, özellik ve davranışları ile olan ilişkisinibelirler.

� Malzeme Mühendisliği;Özgün bir gereksinimi karşılayacak malzemenin geliştirilmesi, hazırlanması,modifiye edilmesi ve uygulanması için temel ve ampirik bilgi birikiminisentezler ve uygular.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

5

sentezler ve uygular.

Tüm mühendislik dallarının ve temel bilim dallarının Malzeme Bilimi ve Mühendisliği ile yakın bir ilişkisi vardır.

A.B.D.’de geliştirilen istatistiksel bir bulguya göre diğer tüm mühendislikalanlarında çalışan mühendislerin her 6 saatlik çalışma sürelerinin en az birsaati malzeme ve onun uygulamaları ile ilgili olmaktadır.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Bir mühendisin seçebileceği malzeme grupları temelde 3’e ayrılır (metaller, seramikler ve polimerler). Ayrıca iki veya daha fazla malzemeden üretilenkompozitler, tek bir malzemeden elde edilemeyen özellikleri sağlar.

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği (devamı)ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

6

sağlar.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Malzeme Özellikleri

Malzeme seçimini etkileyen özellikler

Ekonomik fiyat, bulunabilirlik …

Mekanik çekme ve sıkıştırma mukavemeti, elastisite modülü, tokluk, yorulma ve sürünme mukavemeti, …

Isıl Isıl iletkenlik, ısıl genleşme, ısıl dayanım

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

7

Isıl Isıl iletkenlik, ısıl genleşme, ısıl dayanım

Optik geçirgenlik

Elektriksel elektriksel iletkenlik

Yüzey aşınma (abrazif, korozif)

Teknolojik İşlenebilirlik, kaynaklanabilirlik

Estetik albenisi

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Değişik malzemelerin oda sıcaklığı elastisite modülü (E) ve termal genleşme katsayısı (α) değerleri

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

8

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Malzemelerin İç YapısıAtom ve Moleküller

Madde :Uzayda yer kaplayan ağırlığı ve hacmi olan her şeye madde denir.

Madde

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

9

KarışımlarSaf

Maddeler

Homojen karışım

Heterojen karışım

Bileşikler Elementler

Fiziksel ayırma yöntemleri

Kimyasal ayırma yöntemleri

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Saf Madde:Fiziksel olarak kendinden daha basit maddelereayrılmayan maddelerdir. Belirli bir bileşime sahiptir (Örnek :su, amonyak, altın, oksijen vb.).

Malzemelerin İç YapısıAtom ve Moleküller (devamı)

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

10

Karışım:İki veya daha fazla saf maddenin özelliklerini koruyarak bir araya gelmesinden oluşur. Bileşimisabit değildir (Örnek : hava, meyve suyu vb.).

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Homojen Karışım:Bileşenleri birbirinden ayırd edilemez ve bileşimi her yerde aynıdır. (Örnek : sekerli su).


ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

11

Heterojen Karışım:Bileşenleri birbirinden ayırd edilebilir ve bileşimi her yerde aynı değildir.(Örnek : kum ve demir talaşı).

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Element:Kimyasal olarak kendinden daha basitmaddelere ayrılamaz. Temel birimi atom’dur.(Örnek : H,O)


ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

12

Bileşik:İki ya da daha fazla cinste atomun bir araya gelerek oluşturduğu saf modellere denir. Bileşiklerin en küçük yapı taşı molekül’dür.(Örnek : H2O)

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Malzemelerin İç YapısıElementlerin Periyodik Tablosu

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

13

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com


H-atomu O-atomu H2O-molekülü

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

14

Atom: Elementin temel yapıtaşı birimine atom denir.Tüm maddeler atom topluluklarından oluşur. Tek bir elementten oluşmuş bir malzemede, malzemenin gösterdiği tüm kimyasal özellikler, atom’da da vardır.Atom, eski Yunanca’da bölünemez, parçalanamaz anlamına gelen “atoma” kelimesinden gelmektedir. 1850’lerde başlayan bir dizi araştırma atomlarınatom altı parçacıklarından (elektron, proton, nötron vb.) oluşan bir iç yapıya sahip olduğunu göstermiştir.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.comMolekül: Bileşiklerin temel birimine molekül denir.

Bileşiklerin kimyasal özelliklerini aksettiren en küçük parça moleküldür.Molekül, Latince kitle anlamına gelen “moleküle” kelimesindengelmektedir.


ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

15

gelmektedir.

Malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri ise onu oluşturanatomların türünden çok, atomların dizilisine ve aralarındaki bağlarabağlıdır.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Elektronlar kuantum mekanigi kurallarına uyan parçacıklardır.

Kural 1:Elektron enerjisi kuantize olur, yani elektron yalnız belli enerji değerlerine sahip olabilir.

Elektronlar atom çekirdeği çevresinde belirli yörüngeler üzerinde sürekli hareket halindedir ve belirli enerji düzeyine sahiptir.

Malzemelerin İç YapısıAtomların Elektronik Yapısı

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

16

hareket halindedir ve belirli enerji düzeyine sahiptir.

Kural 2:Pauli ayırt edilebilirlik ilkesi aynı enerji düzeyinde 2’den fazla elektronbulunamaz ve bu 2 elektron karşıt dönmelere sahip olmalıdır.

Bu nedenle bir atomda bütün elektronlar aynı düşük enerji değerini alamazlar, elektronların 2’si hariç diğerleri daha yüksek enerji düzeylerinde bulunur.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Modern atom teorisine göre, elektronların yörüngesini, enerjilerini, hareketlerini belirlemek için 4 kuantum sayısı vardır.

Bunlar;n = Ana (bas) kuantum sayısıl = Alt (açısal momentum) kuantum sayısıml = Manyetik kuantum sayısıms = Elektron dönüş (spin) kuantum sayısı

Malzemelerin İç YapısıAtomların Elektronik Yapısı (devamı)

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

17

Ana kuantum sayısı,n = 1 , 2 , 3, … gibi tam sayılar olabilir, ve hidrojen atomundan’nin değeri orbital enerjisini belirler.

Ana kuantum sayısı, belirli bir orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığını da gösterir ; “n” ne kadar büyük olursa, orbitalde elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı o kadar büyük olur ve orbital de o derece büyük ve karasız olur.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com


Aynı n değerine ait orbitallere kabuk denir. n’nin değeri K,L, M, N gibi kabuklara karşılıktır.Bir n sayısına sahip enerji kabuğunda en çok 2n2 adet elektron olabilir.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

18

Alt (açısal momentum) kuantum sayısı orbitalin şeklini anlatır, l’nin alabileceği değerler n’ye bağlıdır. Verilen bir n için l sıfır ile (n-1)arasındaki tam sayılar olabilir.Örnegin,n = 1 ise l = 0n = 2 ise l = 0 , 1n = 3 ise l = 0 , 1 , 2

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

l’nin degeri genellikle, s , p , d gibi harflerle gösterilir.


ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

19

Aynı n değerine ait orbitallere kabuk denildiğini biliyoruz.Aynı n ve l değerindeki bir veya daha fazla orbital ise altkabuk olarak adlandırılır.

Örnegin,n = 2 kabuğu, iki altkabuktan ( l = 0 ve 1 ) olusur. Bu altkabuklar 2s ve 2p altkabuklarıdır,burada 2 sayısı n değerini s ile p de l değerlerini işaret eder.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com


Manyetik kuantum sayısı bir orbitalin uzaydaki yönünü belirler. Bir altkabuk

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

20

Manyetik kuantum sayısı bir orbitalin uzaydaki yönünü belirler. Bir altkabuk içinde, ml’nin degerleri açısal momentum kuantum sayısı olan l’e bağlıdır.Verilen bir l için, ( 2l + 1 ) adet ml olabilir ve bu sayılar aşağıdaki şekilde bulunur :-l , ………. 0, ………. +lÖrnegin,l = 0 ise, ml = 0l = 1 ise, ml = -1, 0, 1l = 2 ise, ml = -2, -1, 0, 1, 2

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

ml ‘nin toplam sayısı, belirli bir l altkabuğunda bulunan orbitallerin sayısını verir.Örnek :n = 2 ve l = 1 durumunda, n ve l değerleri 2p altkabuğunu belirler ve bu altkabukta üç 2p orbitali vardır (çünkü, ml için -1, 0, 1 olmak üzere üç değer vardır).


ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

21

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Elektromanyetik teoriye göre, dönen yüklü bir parçacık bir manyetik alan yaratır ve bu hareket de elektronun bir mıknatıs gibi davranmasına nedenolur.

Elektronun dönmesini isin içine katabilmek için dördüncü bir kuantum sayısına ihtiyaç vardır.

Bir elektronun iki olası dönmesi (saat yönünde ve ters yönünde), elektron


ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

22

Bir elektronun iki olası dönmesi (saat yönünde ve ters yönünde), elektron dönüş (spin) kuantum sayısı, ms ile gösterilir ve bu sayı +½ veya -½değerlerini alır.

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

hiok

umus

.com

Elektronegatiflik (Elektron ilgisi): Bir atomun kendine elektron çekme derecesidir.

Elektronegatif elementler metal olmayan elementlerdir.

Kimyasal reaksiyonlarda elektron alarak negatif iyonlar (anyon) oluştururlar.

Malzemelerin İç YapısıAtomların Elektronik Yapısı (devamı)ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me

ELK

221 E

lekt

rik

Müh

endisliğ

inde

Malze

me


http

://w

ww

.hio

kum

us

23

Kimyasal reaksiyonlarda elektron alarak negatif iyonlar (anyon) oluştururlar.

Doğadaki elektropozitif elementler metallerdir.

Kimyasal reaksiyonlarda elektron vererek pozitif iyon (katyon) haline gelirler.

Elektronegatiflik kavramı atomik bağların anlaşılmasına yardımcı olur.

karadeniz teknik Üniversitesi elektrik-elektronik ... · birçok yeni mühendislik tasarımı...

Documents