Elektrik Dersleri:
İletkenler ve Yalıtkanlar

Maddeler, elektrik yükünü iletme yeteneklerine göre sınıflandırılırlar. Buna göre elektrik yüklerini iletebilen maddelere iletken madde, elektrik yüklerini iletemeyen maddelere ise yalıtkan madde adı verilir. Ayrıntılar yazımızda.

A- A+

29.06.2015 tarihli yazı 157975 kez okunmuştur.

İletken Yalıtkan Süperiletken Atom Elektron Elektrik Malzeme

Maddeler elektrik yükünü iletme yeteneklerine göre sınıflandırılırlar. Buna göre elektrik yüklerini iletebilen maddelere iletkenler, elektrik yüklerini iletemeyen maddelere ise yalıtkanlar adı verilir.

Fizik ve elektrik mühendisliğine göre iletken bir malzeme, elektrik yüklerinin malzeme içinde rahat hareket edebildikleri maddedir. Alüminyum ve bakır gibi metal malzemeler en iyi iletken malzemelere örnek olarak verilebilir. Metallerde elektrik yükleri eksi yüklü parçacıklarla, yani elektronlar ile taşınır. Elektrolit ve pillerde ise artı yüklerle veya her ikisi ile taşınabilir. İletken malzemeler elektrik endüstrisinde iletken tel ve kablo yapımında kullanılırlar.

Şekil 1: Elektronlar, iletken malzemelerde rahat hareket edebilir. Yalıtkan malzemelerde valans elektronlarının sıkı bağlı olmasından dolayı elektronlar malzeme içerisinde hareket edemez.

►İlginizi Çekebilir: Kondansatörler Nasıl Çalışır? | 1. Bölüm

Yalıtkan malzemelerde valans elektronları atoma sıkı sıkıya bağlıdır. Bundan dolayı elektrik yükünü taşıyacak olan tanecikler malzeme içerisinde hareket etmez. Yalıtkan malzemeler elektrik endüstrisinde izolatör yapımında kullanılırlar. İzolatörlerin temel görevi iletken malzemelerin birbirine, diğer iletkenlere, başka malzemelere veya insana temas etmemesini sağlamaktır.

İletkenlik

İletkenliği anlayabilmek için malzemelerin mikroskopik yapısını incelemek gerekir. İletken malzemelerin iki ucuna gerilim (potansiyel fark) uyguladığımızda malzeme içindeki elektrik yükleri belirli bir sıraya girecekler, bu düzen içerisinde bir elektron diğerini uyararak dalga dalga ilerleyen bir uyartım meydana gelecektir. Malzeme içerisinde yükler hareket ederken bir yükün çok uzun mesafeler kat etmesine gerek yoktur. Bir elektrona uyartım verildiğinde bu yük, komşu atom ya da moleküllere sıçrar. Bu sıçrama malzeme bütününe yayılarak adeta bir domino etkisi gösterir ve malzeme bütününde iletkenlik sağlanmış olur.

Bilindiği gibi metal malzemeler en iyi iletkenlerdir. Metallerin mikroskobik yapılarına yakından bakıldığında metal atomlarının dış yörüngelerinde her an kopmak üzere olan serbest elektronların bulunduğu görülür. Metallerin iletkenliği yüklerin ne kadar kolay kopabildiğine, mikroskobik kuvvetlerin bu yük değişimini ne kadar engellediğine veya desteklediğine ve yüklerin kendi aralarında çarpışmalarına bağlıdır.

Metallerin yanında sıvı çözeltiler de iyi iletkenlerdir. Elektrolit adı verilen iletken çözeltilerde elektrik yükleri sadece elektronlar tarafından taşınmaz, yüklü olan tüm tanecikler ile elektrik akımı iletilir. Su iyi bir iletken olarak bilinir ama aslında tam tersidir. Saf su yalıtkandır. Ancak suyun içinde çözünmüş olan çok az miktardaki tuz ve mineral çözeltileri suyu iletken hale getirir. Bu sebeple yağmur suyu veya şebeke suyu oldukça iyi iletkendir.

Şekil 2: Yalıtkan olan hava, yıldırım veya şimşek oluşması sırasında atomik düzeyde iyonize olarak iletken özellik kazanır.

Normal şartlar altında yalıtkan olan malzemeler çok yüksek potansiyel fark halinde atomik düzeyde iyonize olarak iletken hale gelebilir. Hava buna örnek olarak verilebilir. Çok yüksek gerilim altında yalıtkan malzemelerin elektronları bağlı bulundukları moleküllerden koparak malzeme içerisinde akım oluşturabilir. Hava içerisinde yıldırımın veya şimşeğin oluşması buna örnek olarak gösterilebilir. Yıldırım ya da şimşek oluştuğunda hava çok yüksek bir potansiyel farka maruz kaldığı için iyonize olur ve elektrik yüklerini iletir. İyonize olmuş havaya veya gazlara plazma denir. Plazmanın oluştuğu yerlere yıldızlar, nükleer füzyon reaktörleri ve floresant lambalar örnek olarak verilebilir.

Malzeme içerisinde iyonizasyon tüm malzeme içerisinde aynı anda oluşmaz. Moleküler düzeyde başlayan elektron uyartımı çok küçük dalgalar halinde ilerler. Her bir yük, komşu yükü uyarır. Bu yük akımı, tüm malzeme potansiyel olarak nötr hale gelinceye kadar devam eder. İletim hatlarında ark oluşumunda, kesiciler açılırken oluşan elektrik arkında veya yıldırım oluşumunda bu etki aynen görülebilir. Elektrik mühendisliğinde iyonizasyonun başladığı gerilim değeri önemlidir. Bu aynı zamanda malzemeden malzemeye göre değişir.

Şekil 3: İyonizasyonun başlama gerilimi, malzemeler arasında farklılık gösterir.

İletken olarak en çok kullanılan malzemeler bakır ve alüminyumdur. Gümüş, en iyi iletken olmasına rağmen yüksek maliyeti nedeni ile uygulanabilir değildir. Ancak hassas uygulamalarda kullanılabilir. Örneğin uydularda, yüksek frekanslı sinyallerin etkisi ile oluşabilecek olan deri etkisi (skin effect) olayını azaltmak için iletken yüzeylerinin kaplanmasında kullanılmaktadır. Ucuz maliyeti, kolay şekil alması ve lehimleme özelliğinden dolayı iletken olarak en çok kullanılan malzeme bakırdır.

Alüminyum son yıllarda iletken olarak yoğun bir şekilde kullanılmaya başlamıştır. Birim ağırlık başına iletkenliği bakırdan daha iyi olmasına rağmen uygulamada bazı sorunlar gösterir. Bağlantı noktalarında elektriksel direncini ve sıcaklık dolaşımını arttırabilecek korozyonlar oluşturur. Ayrıca sıcaklığın etkisi ile bağlantı noktalarında gevşemeler ve sürtünmeler görünür.

Alüminyum enerji iletim hatlarında iletim teli olarak oldukça sık kullanılır. Telin mekanik dayanımını arttırmak için çelik destekli olarak üretilir.

Süperiletkenlik

Bazı maddeler, çok düşük sıcaklıklarda süperiletken hale gelebilirler. Bu maddelerin elektronları, malzeme içerisinde herhangi bir karşı kuvvete veya çarpışmaya maruz kalmadan kolaylıkla hareket edebilir. Ayrıca bu elektronlar izledikleri yol üzerinde, hiçbir iş yapmazlar, dolayısıyla enerji harcamazlar. Bazı seramik malzemeler sıvı nitrojen ile soğutularak -1.794 0C sıcaklıkta süperiletken durumuna geçebilirler. Laboratuar ortamında sıvı nitrojen kolay bulunur ve ucuzdur. Buna karşın bu teknolojinin elektrik iletim sistemlerine uygulanması günümüzde imkansızdır.

Şekil 4: Bazı maddeler, farklı soğutma işlemleriyle çok düşük sıcaklıklarda süperiletken özelliği kazanır.

Yalıtkanlık

Yalıtkan (dielektrik) maddeler, elektrik akımına direnç gösteren ve akımı iletmeyen maddelerdir. Yalıtkan maddelerin atomlarında valans elektronları atoma sıkı bir şekilde bağlıdır. Bu tür maddeler elektrik endüstrisinde iletkenleri birbirinden ve çevrelerinden yalıtmak için kullanılır.

Cam, kağıt, teflon, plastik gibi maddeler, iyi yalıtkanlara örnek olarak verilebilir. Plastik ve polimer maddeler elektrik tellerinin yalıtılmasına kullanılırlar. Bu maddeler insanları, 1000 V'un altındaki alçak gerilimlerden koruyabilirler.

Yalıtkan malzemeleri iletken hale getirebilecek bir 'kırılma gerilimi' vardır. Yalıtkan bir malzemeye bir potansiyel fark uygulandığında kırılma gerilim değeri aşılırsa, yalıtkan maddenin elektronları uyarılmaya başlar. Belirli bir hız kazanan elektronlar, komşu elektronları uyarır ve zincirleme bir reaksiyon oluşur. Bu durumda diğer atomlar iyonize hale gelir ve malzeme delinir.

Şekil 5: Yüksek gerilim direklerinde güvenlik amaçlı yalıtkanlığı sağlamak için izolatörler kullanılır.

►İlginizi Çekebilir: İzolatörler | 1.Bölüm

Yalıtkan malzemeler, alçak ve orta gerilim kablolarının yalıtılmasında kullanılırlar. Özellikle 60 V'ttan yukarı gerilim değerindeki iletkenlerde yalıtkan kullanılması mecburidir, çünkü insan hayatını tehlikeye sokacak durumlar olabilir. Yüksek gerilim hatları için yalıtkan kullanmak pratik değildir. İletim hatlarında yalıtkan olarak hava kullanılır. Ancak fiziksel titreşim veya rüzgar kuvvetleri nedeniyle yüksek gerilim iletken telleri birbirine değerse kısa devreler ve hatta elektrik arkı meydana gelir.

Düşük gerilimli elektronik devrelerde devre elemanları, yalıtkan epoksi plastik veya fiberglas plaketler üzerine monte edilir. Bu plaketlerin üzerinde elektriğin iletimi, çok ince bakır yollarla yapılır.

Transistör, entegre devre gibi yarıiletken elektronik devre elemanlarında kullanılan silikon, katkılı olduğu için iletkendir. Ancak silikona ısı ve oksijen uygulandığında bu madde iyi bir yalıtkan hale gelebilir. Değişik şartlar altında bu madde iletken ve yalıtkan olabildiği için bu tür maddelere yarıiletken maddeler denilmektedir.

Yüksek gerilim evre kesicilerinde kontaklar arasında oluşan elektrik arkını önlmek için, kontaklar yağ veya gaz ortamında bulunur. Devre açıldığı zaman yağ veya gaz bu boşluğu doldurarak kontaklar arasında oluşan arkı önler.

Maddelerin iletkenlik ve yalıtknlık özellikleri, elektrik endüstrisinde hangi tür maddelerin kullanıldığını belirler. Bundan sonraki yazımızın konusu, elektrik endüstrisinde kullanılan iletken mazlemeler olacaktır.