DİELEKTRİK ÖZELLİKLER Dielektrik malzeme Dielektrik

15.4.2015
Dielektrik malzeme
Dielektrik malzemeler;
serbest elektron yoktur,
DİELEKTRİK ÖZELLİKLER
yalıtkan malzemelerdir,
uygulanan elektriksel alandan etkilenebilirler.
1
Dielektrik malzemeler
2
Elektriksel Kutuplaşma
• Bir kütle içinde artı elektriksel yük merkezi ile eksi elektriksel yük
• Elektriksel alan etkisinde elektronlar ve atomlar yer
merkezi çakışmazsa elektriksel kutuplaşma (polarizasyon) oluşur.
değiştirir, dolayısıyla elektriksel yük merkezleri kayar,
bunun sonucu elektriksel kutuplaşma oluşur.
• Asimetrik veya polar molekülerde asimetrik dağılan elektronların
ortak eksi yük merkezi, kütlenin ağırlık merkezindeki protonların
• Oluşan elektriksel kutuplar malzeme yüzeyinde
sahip olduğu ortak artı yük merkezinin dışındadır. Bu şekilde oluşan
elektriksel yük birikimi sağlar.
kutuplaşma süreklidir.
– Kondansatör üretiminde kullanılırlar
3
4
Kutuplaşma Türleri
• Diğer taraftan bireysel atomlar ve simetrik moleküllerde zıt
• Elektronik kutuplaşma
işaretli yük merkezleri çakışıktır ve net kutuplaşma yoktur.
Elektriksel alan etkisi yokken elektronlar
çekirdek çevresinde homojen dağılmıştır ve
yük merkezleri çakışıktır.
• Ancak bunlara elektrik alanı uygulanırsa elektronların ortalama
Elektriksel alan uygulanınca eksi yüklü elektronlar
alanın artı elektroduna, artı yüklü çekirdek eksi
elektroda doğru az yer değiştir.
konumu eksi elektroda doğru bir miktar yer değiştirir. Böylece dış
etki ile geçici kutuplaşma oluşur, alan kalkınca kutuplaşma
kaybolur.
Elektriksel alan kalkınca kutuplaşma kaybolur.
5
Tüm dielektrik malzemelerde elektronik kutuplaşma
görülür.
6
1
15.4.2015
İyonsal kutuplaşma
Yönsel kutuplaşma
• İyonsal bağlı malzemelerde görülür.
•
Asimetrik molekülerde kütlenin ağırlık
merkezinde olan artı yük merkezi ile
elektronların ortak eksi yük merkezi
çakışmaz, dolayısıyla sürekli kutuplaşma
görülür.
Buna yönsel veya moleküler kutuplaşma
denir.
• İyonsal malzemelerde net elektriksel yük
sıfırdır ve kutuplaşma yoktur.
Ancak elektriksel alan uygulanırsa, artı
iyonlar eksi elektroda, eksi iyonlar artı
elektroda doğru yer değiştirir.
-
İyonların kütlesi elektronlara göre daha
büyük olduğundan yer değiştirme daha güç
gerçekleşir.
+
•
Elektriksel alan uygulanınca mevcut kutuplar
alan etkisinde yönlenir.
•
Elektriksel alan kalkınca kutuplar geri
dönmeye çalışır, bazı malzemelerde geri
dönüş tam olmayabilir, bazıları ise dönük
olarak kalır.
7
8
Yerel kutuplaşma
Yönsel kutuplaşma
• Bazı çok fazlı yapılarda
Vektörel olarak gösterim:
• Özellikle yalıtkan bir ana faz
fazlar arasına çökelen
(seramik) içinde dağılmış çok
iletken fazların varlığı
küçük iletken parçacıklarda (metal)
kuvvetli kutuplaşma
alan etkisinde büyük ölçüde
sağlayabilir.
elektron hareketi kuvvetli
_
kutuplaşma oluşturur.
Elektriksel alan yok
+
+
+
+
Elektriksel alan var
+
9
10
Dielektrik Sabit
Dielektrik özellikler
•
Elektriksel kutuplaşma malzeme yüzeyinde elektriksel yük birikimine
neden olur. Dielektrik malzemede kalıcı kutuplaşma varsa yük birikimi
1. Dielektrik sabit
kendiliğinden oluşur.
•
2. Dielektrik mukavemet
Kalıcı kutuplaşması olmayan bir malzemeye elektriksel alan uygulanınca
dış etki ile kutuplaşma meydana gelir, dolayısıyla yüzeyde elektriksel yük
birikimi olur.
3. Ferroelektrik özellik
•
Her iki halde de yüzeyindeki elektriksel yük yoğunluğu elektriksel alan
şiddeti ile oranlıdır.
4. Piezoelektrik özellik
•
11
Elektriksel alan şiddeti : E = V/d (volt/cm)
12
2
15.4.2015
Levhaların arasında vakum varsa, elektriksel yük yoğunluğu q0 (el/cm2),
Eğer iletken levhalar arasına bir malzeme konursa elektriksel yük yoğunluğu
qm=km E
Burada km : malzemenin dielektrik sabitidir.
q0 = k0 E = k0 (V/d)
Uygulamada km dielektrik sabit yerine, onun vakumun dielektrik sabitine oranı;
Burada k0 : vakumun dielektrik sabiti (orantılılık katsayısı)
k0= 8,85x10-10
 = km / k0 : bağıl dielektrik sabit
E : elektriksel alan
kullanılır.
Dielektrik sabiti () bir malzeme özelliğidir.
13
14
Dielektrik Mukavement
Elektriksel yalıtkanın temel özelliği özgül dirençtir.
Gerçekte bir yalıtkanın dayanabileceği bir kritik elektriksel alan şiddeti
vardır.
Uygulanan gerilim kritik bir değeri aşarsa yalıtkanda, özellikle kusurlu
bölgelerde mevcut elektronlar enerji aralığını atlayarak serbest hale
geçer, bunlar da diğer elektronlara çarparak bir elektron seli
oluşturabilirler.
Sonuç olarak, kritik değer aşılınca aşırı akım sonucu dielektrik malzeme
yanma, kavrulma veya ergime şeklinde tahrip olur ve yalıtkanlık işlemi
sona erer.
Bu kritik değere (elektrik alan) dielektrik mukavemet denir.
15
Piezoelektrik özellik
Ferroelektrik Özellik
• Sürekli kutuplaşmaya sahip bir asimetrik iyonsal kristale
• Elektriksel alan değişken ise yerel kutupların
yönlenmesi eşzamanlı olmaz
basınç uygulanırsa kutuplar arası uzaklık azalır, yüzeyinde
• Elektriksel yükün alanla bir kapalı eğri şeklinde
değişimi kutuplaşmanın tersinir olduğunu gösterir.
yük birikimi değişir, dolayısıyla iki uç arasında bir gerilim farkı
doğar ve bir iletkenle birleştirilirse akım akar.
• Bu özelliğe ferroelektrik özellik ve buna sahip
malzemelere de ferroelektrik malzemeler denir.
• Kapalı eğri içinde kalan alan bir çevrim boyunca
kutupları döndürmek için sarf edilen enerjiyi verir.
16
• Böylece mekanik etki elektriksel büyüklüğe dönüşür.
D:kalıcı yük
• Dielektrik kayıp denen bu enerji ısıl enerji halinde yoğunluğu
(elektriksel alan
çevreye yayılır.
• Ferrolektrik özelliğe sahip malzemeler ayrıca
piezoelektrik özelliğe de sahiptirler.
sıfıra döndüğünde
kutupların bir kısmı
ilk konumuna
dönerken bir kısmı
yönlenmiş olarak
kalır)
17
18
3
15.4.2015
Piezoelektrik özellik
• Diğer taraftan aynı kristalin iki ucu arasına bir gerilim
uygulanırsa uçlarda yük yoğunluğu değişir, alan
doğrultusunda dipol moment artar ve bunun sonucu
kristalin boyu büyür. Alanın yönü değişirse aynı işaretli
yükler birbirlerini iter ve kristalin boyu kısalır.
Ferroelektrik malzemeler
• Böylece elektriksel etki mekanik büyüklüğe dönüşür.
• Bu davranışa piezoelektrik özellik denir. Baryum titanat
ve kuvartz kristali çok kullanılan iki önemli piezoelektrik
malzemeleridir.
Piezoelektrik malzemeler
SiO2 (kuvars) kristali piezoelektrik özelliğe
sahiptir. Elektrik alan etkisinde kutuplaşmanın
etkisi artıp eksilebilir ancak kutuplar yer
değiştirmez, tersinir olmaz. Dolayısıyla
ferroelektrik özellik göstermez
19
20
Frekansın dielektrik özelliklere etkisi
Frekansın dielektrik özelliklere etkisi
• Kutuplaşmalar genelde tersinir,
• Kutuplaşmanın oluşması için gerekli süreye tekrar
• Değişken alanda yön değiştirirler.
yönlenme süresi veya rölaksasyon süresi denir.
• Ancak elektronların, atomların ve kutup çiftlerinin yön
• Rölaksasyon süresinin tersine ise rölaksasyon frekansı
değiştirmesi ve hareket etmesi için belirli bir süreye
denir.
ihtiyaç vardır.
21
1.
22
Frekansın dielektrik özelliklere etkisi
Yeterli süre yoksa: kutuplaşma elektriksel alan değişiminin
gerisinde kalır veya hiç oluşmaz.
q
2.
Dielektrik
sabiti
Elektriksel alan ve
kutuplaşma değişimi
E
eş zamanlı ise
enerji kaybı olmaz.
3.
Kutuplaşma elektriksel alanın gerisinde kalırsa bir faz farkı doğar.
Alan ile yük yoğunluğu farklı zamanlarda maksimuma ulaşır.
Alternatif elektrik alanın frekansı
Enerji kaybı oluşur.
23
24
4
15.4.2015
Dielektrik Malzemelerin Kullanım Alanları
Sıcaklığın Dielektrik Özelliklere Etkisi
Dielektrik malzemeler kullanım alanlarına göre üç grupta
toplanabilirler:
Sıcaklık
Elektronların ve atomların
enerjileri
a)
b)
Kutuplaşma
c)
Dielektrik sabiti (k)
25
Yalıtkan malzemeler: Özgül direnç ile dielektrik
mukavemetleri yüksek, dielektrik sabit küçük,
dolayısıyla dielektrik kaybı küçük olan malzemelerdir.
Kapisatör malzemeleri: Üzerinde elektriksel yük
biriktirerek ani akım değişimlerinde aşırı yük artmasını
önler, böylece diğer devre elemanlarını korurlar.
Piezoelektrik malzemeler:
26
Yalıtkan malzemeler
• Polimerler
– Üretimleri kolay ve ucuz
– Yüksek sıcaklık uygulamalarına elverişsiz (özellikle
termoplastikler)
– Priz, fiş, sigorta gövdeleri gibi elemanlarda termoset
plastikler kullanılır.
• Seramikler
– Yüksek sıcaklık ve gerilmelere maruz devrelerde
(örnek: yüksek gerilim hatları, motor bujileri)
27
5