Maddelerin Elektrik İletkenliği Konu Anlatımı (süperiletkenler vs..)

[Yönetici]

Maddeler ve İletkenlik - Maddelerin Elektrik İletkenliği - Maddelerin İletkenlik Özellikleri - iletkenliğe Etki Eden Faktörler

İLETKENLİK : İletkenlik bir maddenin ısı ve elektriği iletip iletmemesi olayıdır. Katı ve sıvılarda ayırt edici bir özelliktir. gazlarda ise değildir. Demir, bakır, grafit. lehim gibi maddeler elektriği iyi ilettiği halde; Elmas, hava, saf su,plastik gibi maddeler iyi iletmezler. Onun için iletkenlik katı ve sıvılarda ayırt edicidir.

Elektrik iletkenliği : Bir maddenin üzerinden geçen elektrik akımına karşılık, o maddenin elektrik akımına gösterdiği kolaylıktır. Yani maddeden elektrik akımı ne kadar kolay geçerse (direnci ne kadar az ise) o madde o kadar iyi iletkendir.

* Suda moleküller halinde çözünen maddelerin sulu çözeltileri iletken değildir. Ancak buda iyonlaşan bileşiklerin sulu çözeltileri iletkendir. Şekerli su iletken değildir ama tuzlu su iletkendir.

Maddelerde Elektrik İletkenliği:

1- Elektron hareketi ile olur. Buna birinci sınıf iletkenlik denir. Metallerde ve alaşımlarda görülür. Bu maddeler katı, sıvı ve gaz hallerin hepsinde iletkendirler.

2- İyonların hareketi (göçü) ile olur. Buna ikinci sınıf iletkenlik denir. Asit baz ve tuzların sulu çözeltilerinde görülür.

Maddelerin iletkenlik özellikleri:

Madde içindeki elektrik yüklerinin bir noktadan başka bir noktaya taşınmasına elektrik iletkenliği denir. Metallerde iletkenliği sağlayan serbest elektronlardır. Sıvı çözeltilerde ve gazlarda ise pozitif ve negatif yüklü iyonlardır.

Katıların elektrik iletkenliği:

Katılarda iletkenliği sağlayan, yüklü tanecikler ve negatif yüklü serbest elektronlardır. Elektronlar metal içinde yer değiştirir, atomlar yer değiştiremez. Her elektronun gidebileceği belli bir mesafe vardır. Elektronlar bu mesafede hareket ederken başka elektronlara çarparak yüklerini aktarırlar. Böylece elektrik akışı sağlanmış olur.

İletkenliğe etki eden faktörler;

1. Sıcaklık
2. Bağ kuvveti
3. İletkenin boyu
4. İletkenin kesit alanı
5. İletkenin cinsi

Sıvıların iletkenliği:

Bir sıvının elektriği iletmesi için iyonlarına ayrışabilmesi gerekir.

Na+ iyonları katod tarafından çekilir ve elektron alarak nötrlenir.

Cl- iyonları ise anot tarafından çekilir ve üzerinde bulunan fazla elektronu anoda bırakarak nötr hale gelir.

Anoda bırakılan bu elektronlar, iletken tel üzerinden tekrar katoda döner. Böylelikle elektrik akımı sağlanmış olur.

Saf su elektriği iletmez ama tuzlu elektriği iletir.
Gazların elektrik iletkenliği:
Gazlar normal şartlarda elektriği iletmemesine rağmen uygun şartlar oluşturulduğunda iletebilir.

Gazlar herhangi bir yolla iyonlaştırılırsa iletken hale gelebilirler. Bu durumda, ( + ) iyonlar katoda, ( - ) iyonlar anoda gidecek ve devreden bir akım geçecektir.

Gazların elektriği iletmesi için gerekli şart;

-Yüksek gerilim
-Düşük basınçtır.

Gazların elektriği iletmesi için iyonlarına ayrışabilme özelliğini sağlaması gerekir.

METALERİN ELEKTRİK İLETKENLİĞİ

Sıcaklığın artması birlikte metallerin ısıl iletkenliği artar, elektrik iletkenliği ise azalır. Çünkü, katı metallerde elektrik iletimi tümüyle, ısı iletimi ise ağırlıklı olarak, kristal yapı içerisinde serbestçe dolaşabilen ‘değerlik’ elektronları tarafından yapılır. Sıcaklıkla birlikte; bu ‘elektron gaz bulutu’nun ortalama kinetik enerjisi arttığından ve ortalama kinetik enerji artışı da; elektronların, sıcaklık gradiyentinin tersi doğrultudaki uzak noktalara daha hızlı enerji taşıyabilmeleri anlamına geldiğinden, ısıl iletkenlik artar. Halbuki elektrik iletkenliği açısından, ortalama kinetik enerjisi artan elektronların; birbirleriyle veya atomlarla daha sık çarpışmalara uğrayıp doğrultularından saptırıldıklarından dolayı; belli bir yöndeki yük taşıma kapasiteleri azalır. Elektronlar her iki taşınım sürecinde de rol oynadığından, metallerin belli bir sıcaklıktaki ısıl ve elektrik iletkenliği, birbiriyle orantılıdır. Ancak, yukarıda da belirtilmiş olduğu gibi; sıcaklıkla birlikte ısıl iletkenlik artarken, elektrik iletkenliği azalır.

Ametal katılarda ise, ısı; serbestçe dolaşan elektronlar tarafından değil, kristal yapının salınımları aracılığıyla iletilir. Daha sıcak olan bölgelerdeki salınımların daha güçlü olması, bu salınımların daha soğuk bölgelere doğru yayılmasıyla sonuçlanır. Bu durum, kristal kafesindeki salınımların dalgalar halinde seyahatine eşdeğerdir ve söz konusu taşınım süreci, salınım dalgalarının kuantumlarından oluşan ‘fonon’lar cinsinden incelenir.

Malzemenin sıcaklığıyla birlikte fononların sayısı ve enerjisi arttıkça, aralarındaki etkileşimler nedeniyle, sıcaklık gradiyentinin tersi yöndeki enerji taşıma kapasiteleri azalır. Tıpkı metallerdeki elektronların çarpışmalar sonucunda yönlerinden saptırılmalarının, onların elektrik iletkenliğini azaltmasında olduğu gibi. Dolayısıyla, ametaller bilindiği gibi; en dış yörünge kabuğunda, atomlarından kolayca ayrılıp, maddenin yapısı içerisinde serbestçe dolaşabilen, yani iyonlaşma enerjisi düşük olan elektronlara sahip. ‘Değerlik’ (‘valens’) elektronları denilen bu elektronlar, malzemenin kristal yapısı içerisinde adeta, eksi yüklü bir bulut oluşturuyor ve geride kalan artı yüklü atomların birbirine bağlanmasını sağlıyor. Dolayısıyla, bu elektronların sayısı ne kadar fazla ise, eksi yüklü bulut o kadar yoğun, artı yüklü atomlar arasındaki bağ da o kadar güçlü oluyor. Aynı nedenle; metaller şekil değiştirmeye zorlandıklarında, artı yüklü atomlar birbirlerinin üzerinden kayarken, aralarındaki elektron bulutu sayesinde, hala bir arada durabiliyorlar. Metallere şekil verilmesi, bu yüzden görece kolay oluyor.

Öte yandan, malzemenin içinde bir elektrik alanı oluşturulduğunda, bu elektronlar harekete geçerek, maddenin içerisinde akım iletilmesini sağlıyor. Benzer şekilde, malzemenin bir tarafı ısıtıldığında, ‘değerlik’ elektronları, kinetik enerjilerindeki artışı, malzemenin diğer bölgelerine taşıyıp, uğradıkları çarpışmalar sonucunda oralara aktarıyor. Metallerin ısı ve elektrik iletkenliği, bu yüzden yüksek.

Kısacası; değerlik elektronlarının sayısı ne kadar fazla, iyonlaşma enerjileri ne kadar düşükse; metalin yapısı o kadar iletken, sağlam ve şekillendirilebilir oluyor. Ergime noktası da düşük…

Atom numarası 80, elektron dizilimi [Kr] 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 6s2 şeklinde olan cıvanın, 6s yörüngesinde iki değerlik elektronu var. Ancak cıvanın bu elektronları atomlarından, diğer metallerin değerlik elektronları kadar kolayca ayrılamıyor. Nitekim cıvanın iyonlaşma enerjisi, komşu metallerinkinden daha yüksek. Sonuç olarak cıvanın ısı ve elektrik iletkenliği, komşu metallerinkinden daha düşük.

Öte yandan, atomları arasındaki elektron bulutu yoğunluğunun düşüklüğü, atomları arasındaki bağların da zayıf olmasıyla sonuçlanıyor. Bu yüzden kolayca, oda sıcaklığı gibi görece yüksek sıcaklıklarda dahi eriyor. Halbuki sıvı haldeki yüzey gerilimi hayli yüksek. Bu yüzden ele bulaşmıyor, yani ıslak değil. Metallerde ısıl iletkenlik, sıcaklık arttıkça azalır.
ISI VE ELEKTRİK İLETKENLİĞİ
Elektriğin iletimi potansiyel farkıyla olurken, ısının iletimi sıcaklık farkıyla gerçekleşir. Isı, maddeyi oluşturan atomların hareketliliği ile doğru orantılı olduğundan, ısının transferi de yine bunun gibi hareketlerle olur. Yani atomlar ya da parçacıklar, yüksek sıcaklıktaki (çok hareketliliğin ve enerjinin olduğu) yerden, düşük sıcaklıktaki (az hareketliliğin ve düşük enerjinin olduğu) yere doğru hareket ederler. Isının herhangi iki bölge arasındaki bu akıcılığı, bu bölgeler arasındaki sıcaklık farkına ve maddenin ısı iletkenlik yeteneğine bağlı olarak değişiklik gösterebilir.

Katılarda moleküller birbirine bağlıdır. Bu yüzden ısı, moleküllerin titreşmesiyle komşu moleküllere aktarılır. Sıvılarda ve gazlarda moleküller arası katılara oranla çok daha uzak olduğundan ısı iletimleri daha zayıftır. Sıvılarda ve gazlarda elektrik iletimi iyonlarla yapılır. Ortam iyon bakımından ne kadar zengin ise elektronların taşınması da o kadar hızlı olur. Bu yüzden örneğin tuzlu su, elektriği iyi iletir. Gazlar normalde elektrik iletmeye gönüllü değildirler. Ancak yüksek sıcaklıklarda iyonize olabileceklerinden, elektriği iletebilirler.