... konulu sunumlar: "Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi Bölüm I: Atomik Yapı ve Atomlar Arası Bağlar."— Sunum transkripti:
1
Elektrik-Elektronik Mühendisliği için Malzeme Bilgisi Bölüm I: Atomik Yapı ve Atomlar Arası Bağlar
2
Madde Atom Atomun Temel Parçaları Elektron Proton Nötron Atomlar Arası Ba ğ lar İ yonik Ba ğ Kovalent Ba ğ Metalik Ba ğ Van Der Waals Ba ğ ı
3
Madde Boşlukta yer kaplayan, kütlesi ve hacmi olan katı, sıvı veya gaz şeklinde bulunan her şeye madde denilmektedir. (hava, su, canlılar, bitkiler vb.). Dünyada bulunan 109 çeşit maddenin (element) tümü atomların birleşiminden oluşmuştur. Bunlar "katı", "sıvı" ve "gaz” halinde bulunurlar.
4
Atom Maddelerin en küçük yapı taşlarına atom denir. Atomlar, elektron, nötron ve protonlardan oluşur. 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. - +
5
Atom Atom, ortada bir çekirdek ve çekirde ğ in çevresinde dönen elektronlardan oluşmuştur. Eksi (-) yüklü olan elektronlar yörüngelerinin bulundu ğ u yarı çapa orantılı olarak enerjiye sahiptirler. Atomlarda çekirde ğ e en yakın yörüngedeki elektronların enerji seviyeleri en düşüktür. Çekirdekten uzaklaştıkça enerji seviyeleri artar.
6
Atom Nötronların elektriksel ve kimyasal etkileşimlerde işlevi (etkisi) yoktur. Atomdaki elektronlar K, L, M, N, O, P, Q kabuklarında da ğ ılmıştırlar. Sırasıyla en içteki kabukta en fazla 2, ikinci kabukta en fazla 8, üçüncü kabukta en fazla 18, dördüncü kabukta en fazla 32 elektron bulunur. Örne ğ in, elektrik iletiminde sıklıkla kullanılan 29 elektrona sahip bakır atomun 29. elektron tek başına dönmektedir. 29 elektronlu Cu 11 elektronlu Na
7
Atom Her yörünge üzerinde hareket halinde olan elektronlar, bulundukları yörüngeye göre belirli bir enerji düzeyine sahiptirler. Elektronlara sahip oldu ğ u enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer. Bir maddenin elektriksel olaylarının oluştu ğ u son kabukta bulunan elektronlarına valans elektronları adı verilmektedir. Valans elektronu uygulanan bir enerji ile serbest hale geçerek atomu terk eder ve söz konusu madde iletken olur. 29 elektronlu Cu
8
Enerji-Band Diyagramları Bilindi ğ i gibi elektronlar, atom çekirde ğ i etrafında belirli yörüngeler boyunca sürekli dönmektedir. Bu hareket, dünyanın güneş etrafında dönüşüne benzetilir. Hareket halindeki elektron, şu iki kuvvetin etkisi ile yörüngesinde kalmaktadır: 1) Çekirde ğ in çekme kuvveti 2) Dönme hareketi ile oluşan merkezkaç kuvveti
9
Enerji-Band Diyagramları Hareket halinde olması nedeniyle her yörünge üzerindeki elektronlar belirli bir enerjiye sahiptir. E ğ er herhangi bir yolla elektronlara, sahip oldu ğ u enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer. Valans elektrona uygulanan enerji ile de elektron atomu terk eder. Yukarıda belirtildi ğ i gibi valans elektronun serbest hale geçmesi, o maddenin iletkenlik kazanması demektir.
10
Enerji-Band Diyagramları Valans elektronlarına enerji veren etkenler: 1) Elektriksel etki 2) Isı etkisi 3) Işık etkisi 4) Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi 5) Manyetik etki Ancak, valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri madde yapısına göre şöyle de ğ işmektedir: İ letkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir. Yarı iletkenlerde oldukça fazla enerji gereklidir. Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir.
11
Enerji-Band Diyagramları a) Yalıtkan b) Yarıiletken c) İletken Bant-enerji diyagramları
12
Elektrik Yükü (Nötr ve İyon) Atomdaki proton ve elektron sayıları eşit oldu ğ undan, atomun tümü elektriksel olarak nötrdür.. Nötr: İ yon: + yüklü iyon: Dış etkilerle atomun son yörüngesinde bulunan elektronun biri alınırsa elektriksel denge bozularak atom, artı yüklü iyon durumuna geçer. - yüklü iyon: Dengedeki bir atomun son yörüngesine bir elektron girecek olursa atom eksi yüklü iyon durumuna geçer.
17
Atomlar Arası Bağlar Madde içerisindeki atomlar kimyasal ba ğ lar sayesinde bir arada tutularak düzenli bir geometri oluştururlar. Sertlik, elektriksel, ısısal, iletkenlik, v.b. özellikler kimyasal ba ğ lara göre şekillenmektedir.
19
Metaller ile ametaller arasında metallerin elektron vermesi ametallerin elektron almasıyla oluşan ba ğ lanmadır. Metaller elektron vererek (+) de ğ erlik, ametaller elektron alarak (–) de ğ erlik alırlar. Bu şekilde oluşan (+) ve (–) yükler birbirini büyük bir kuvvetle çekerler. Bu çekim iyonik ba ğ ın oluşumuna sebep olur. Onun için iyonik ba ğ lı bileşikleri ayrıştırmak zordur.
22
Elektron aktarımıyla oluşan bileşiklerde, kaybedilen ve kazanılan elektron sayıları eşit olmalıdır. İ yonik katılar belirli bir kristal yapı oluştururlar. İ yonik ba ğ lı bileşikler oda sıcaklı ğ ında katı halde bulunurlar. İ yonik bileşikler katı halde elektri ğ i iletmez. Sıvı halde ve çözeltileri elektri ğ i iletir.
23
Atomlar Arası Bağlar İ ki atom arasında, bir veya daha fazla elektronun paylaşılmasıyla karakterize edilen kimyasal ba ğ ın bir tanımıdır. Genellikle ba ğ, ortaya çıkan molekülü bir arada tutan ortak çekim gücü olarak tanımlanabilir.
24
Atomlar Arası Bağlar Paylaşılan elektron ya da elektronlar, her iki çekirdek etrafında dolanacaklar, iki çekirdek arasındaki bölgede daha uzun süre bulundukları için bu bölgede (-) yüklü bir alan yaratacaklardır. Bu alan, her iki çekirde ğ e bir çekme kuvveti uygulayarak bir ba ğ yaratır. Kovalent ba ğ, söz konusu atomların dış yörüngelerinin dolması ile meydana gelir.
27
Kovalent ba ğ aynı tür atomlar arasında oluştu ğ u gibi (H 2, O 2 ) de ğ işik tür atomlar arasında da oluşabilir (H 2 O, CH 4 gibi) Genellikle gaz veya sıvı halde bulunurlar. Ba ğ çok sayıda atomlar arasında sürekli olunca kütle katı hale dönüşür. Kuvvetli 4 kovalan ba ğ la ba ğ lı C atomlarından oluşan elmas do ğ ada bulunan en sert ve ergime sıcaklı ğ ı en yüksek (3550 ˚C ) cisimdir.
28
Atomlar Arası Bağlar Örnek: Na, Cu gibi metaller metalik ba ğ lar oluştururlar.
29
Atomlar Arası Bağlar Metalik ba ğ iyi elektrik iletkenli ğ i sa ğ lar. Uygulanan bir voltaj (gerilim) etkisi altında, valans elektronları hareket eder, devre tamamlanırsa akıma neden olur.