Atom, onlarca küçük parçacıktan oluşsa da maddenin en temel yapı birimi olarak kabul edilmektedir. Elektrik enerjisinin elde edilmesi, iletimi (taşınması) ve kullanılmasını anlamak için atomun yapısına ilişkin temel düzeyde bir bilgiye sahip olmak gerekmektedir.
Atomun Yapısı
Bir atom temelde iki kısım ve üç parçacıktan oluşur. Atomun merkezinde yer alan parçacıklar protonlar ve nötronlardır. Protonlar ve nötronlar bir arada bulunurlar ve atomun çekirdeğini oluştururlar. Elektronlar ise yörüngelerde bulunurlar. Çekirdek parçacıklarından protonun elektriksel yükü pozitif iken nötronun elektriksel yükü sıfır yani yüksüzdür. Yörüngede dairesel olarak hareket eden elektronun yükü ise negatiftir.
Normal koşullarda bir atom yüksüzdür. Bir atomda normalde proton sayısı kadar nötron ve aynı sayıda elektron vardır. Bazı atomların proton ve nötron sayıları farklı olabilir. Proton sayıları aynı nötron sayıları farklı bu atomlara izotop atom denir.
Bir veya daha çok elektron kazanmış ya da yitirmiş bir atomdan (veya bir atom grubundan) oluşmuş elektrik yüklü parçacığa iyon denir. Pozitif elektrik yüklü iyonlara katyon, negatif elektrik yüklü iyonlara ise anyon denir.
Güncel bilgilerimize göre yüzün üzerinde element vardır. Bir element aynı cins atomlardan oluşur. Madde, elementlerden oluştuğuna göre farklı atom yapıları söz konusudur. Atomların birbirlerinden farkları parçacık sayıları ve parçacık dizilimlerinden kaynaklanmaktadır.
Serbest (Valans) Elektronlar
Bir atomun son yörüngesine valans bandı denir. Valans bandında bulunan elektronlara serbest elektron, valans ya da değerlik elektronu denir. Bir atomun valans bandındaki elektronlar (serbest elektronlar) atomun diğer elektronlarına göre daha fazla enerjiye sahiptirler. Bu nedenle bazı elementlerin atomlarındaki bu elektronlar, düşük seviyeli enerjilerin etkisinde kaldıklarında (enerji aldıklarında) çekirdeğin çekim kuvvetini aşacak enerjiye sahip olurlar ve kendi atomundan kopabilirler. Kazandıkları enerjiyi kaybettiklerinde ise ya geri dönerler ya da başka bir atomun son yörüngesine geçebilirler. Elektrik akımının iletimi serbest elektronların bu özellikleri sayesinde gerçekleşir.
Atom Yapısına Göre İletken ve Yalıtkan Tanımı
İletkenlik ve yalıtkanlık kavramları elektrik enerjisini kayıpsız taşıma ya da ondan korunma anlamında hayati öneme sahiptirler.
İletken terimi kısaca elektrik enerjisini (akımını) ileten, geçiren, taşıyan anlamında kullanılır. Yalıtkan ise iletkenin tam tersi anlamda yani akım geçirmeyen anlamında kullanılmaktadır.
İletkenlik, katı maddeler ile sıvı ve gazlar açısından farklılık arz etmektedir. Katı maddelerde iletkenliğin temel etkeni serbest elektronlar iken, sıvı ve gazlarda temel etmen iyonlardır. Aslında gazlardaki iletim, gazların iyonlaşması sonucu atomlardan kopan serbest elektronlarla gerçekleşmektedir.
İletken
Atomlarının son yörüngelerinde üç ya da daha az elektron bulunduran atomlardan oluşan maddelere iletken denir. Metallerin bazıları ve sıvı haldeki civanın iletkenliği valans (son yörünge) elektronları sayesinde gerçekleşir. Bu nedenle bu maddeler için doğal iletken tabiri kullanılabilir. Sıvı ve gazlarda iletkenliğin sağlanması için bazı koşulların yerine getirilmesi gerekmektedir.
Atomlarının dış yörüngelerinde bir elektron bulunduran maddeler iki ya da üç elektron bulunduran maddelere göre daha iyi iletkendirler. Aynı şekilde atomlarının dış yörüngelerinde iki elektron bulunduran maddeler üç elektron bulunduran maddelere göre daha iyi iletkendir.
Bakır, Altın ve Gümüş atomlarının son yörüngelerinde aynı sayıda (bir) elektron bulunmasına rağmen bu elementlerin iletkenlik düzeyleri aynı değildir. Bu üç elementten en iyi iletken olan gümüştür ve sonra sırası ile bakır ve altın gelir. Bunun nedeni, söz konusu elementlerin atomlarında bulunan son yörünge elektronlarının enerji seviyeleridir.
Atomlarındaki serbest elektronlarla akım taşıyan iletkenlere örnek olarak bakır, alüminyum, kurşun, platin, krom, altın, gümüş, demir, nikel gibi metaller verilebilir.
Altın; gümüş ve bakıra göre iletkenlik bakımından daha iyi değildir, ancak fiziksel özellikleri bakımından onlardan üstündür. Örneğin altın, fiziksel kuvvetlere ve paslanmaya karşı daha dayanıklıdır. Bu nedenle hassas devrelerde, paslanma nedeniyle temas direncinin artmasının istenmediği durumlarda, arklar nedeniyle kontakların aşınmasının istenmediği yerlerde malzeme üzerine kaplanarak kullanılmaktadır.
Gümüş ise fiziksel etkenlerin fazla olmadığı ama iletkenliğin ön planda olduğu devrelerde (yerlerde) kullanılır. Bakır ise hem iyi bir iletken hem de diğerlerinden daha ucuz olduğu için en çok kullanılan iletkendir. Anlaşılacağı üzere bir iletkenin seçiminde performans-maliyet oranı, dış etkilere karşı dayanıklılık temel kriterlerdir.
Yarı İletken
Atomlarının son yörüngelerinde dört (4) elektron bulunduran atomlardan oluşan maddelere yarı iletken denir. Eğer silisyum atomlarından oluşan bir maddeye son yörüngesinde üç elektron bulunan bir madde eklenirse iki maddenin atomları arasında bir kovalent bağ oluşur. Ancak bağ yapısında bir elektron eksikliği meydana gelir. Uygun bir gerilimle edilen yeni madde iletken gibi davranır. Aynı şekilde silisyum maddeye son yörüngesinde 5 elektron bulunduran bir madde eklendiğinde ise oluşan kovalent bağ sonucu bir elektron fazlalığı ortaya çıkar. Bu fazla elektron, uygun bir gerilimle metal iletkenlerdeki gibi serbest elektron gibi davranır. Bu da uygun voltajlarda yarı iletken malzemenin iletken olmasına neden olur.
Yarı iletken malzemelerin ana maddelerinden biri de germanyumdur. Katkı maddeleri ise arsenik, galyum gibi elementlerdir. Yarı iletken maddeler, yarı iletken devre elemanlarının yapımında kullanılır. Bu elemanlardan en bilineni led’dir.
Led kelimesi, ışık yayan diyot (Light Emmited Diode) ifadesinin kısaltmasıdır. Bu elemanların her biri normalde yalıtkan iken uçlarındaki gerilim belli bir değere ulaşınca iletken olurlar. Ayrıca bazı yarı iletkenler kontrol uçlarına da sahiptirler ve bu sayede devrelerde bazı şeyleri otomatik olarak yaptırmak mümkün olmaktadır.
Yarı iletken malzemelerin geliştirilmesi elektronik teknolojisinde bir çığır açmıştır. Bu sayede farklı işlevlere sahip devre elemanları geliştirilebildiği gibi çok küçük hacimlere sahip çip teknolojisinin gelişmesinde de büyük rol oynamıştır.
Cebinizdeki telefonlarımızdan tutun da diz üstü bilgisayarlarımıza kadar çok işlevli ve küçük boyutlu cihazlarımızı yarı iletken teknolojisine borçluyuz.
Televizyon kumandalarınızın göz (led) diye tabir edilen elemanının yarı iletken olduğunu ya da cep telefonunuza gelen sinyalin çok küçük olduğunu, sesi yarı iletken malzeme olan transistörlerle yükseltildikten sonra duyabildiğinizi biliyor muydunuz? Televizyonlarınızda, çamaşır makinelerinizde, otomobillerde yarı iletkenlerin kullanılıp kullanılmadığını araştırmaya ne dersiniz?
Yalıtkan
Atomlarının son yörüngelerinde beş ve daha fazla elektron bulunduran maddelere yalıtkan denir. Bir maddenin iyi bir yalıtkan olabilmesi için o maddeyi oluşturan atomların son yörüngelerinde sekiz ya da daha fazla elektron bulunması gerekir. Son yörüngedeki elektron sayısı arttıkça yalıtkanlık kalitesi de artmaktadır. Son yörüngesinde beş, altı ya da yedi elektron bulunduran atomlardan oluşan maddeler zayıf yalıtkanlardır. Belli bir gerilim değerinin üstünde yalıtkanlıklarını kaybeder ve iletken hale gelirler. Son yörüngesinde sekiz ve daha fazla elektron bulunduran atomlardan oluşan maddelerin elektrik akımını geçirmesi (delinmesi) ancak çok yüksek gerilimlerde söz konusu olabilir.
Yalıtkan maddelere örnek olarak cam, lastik, plastik, yağ, asfalt, fiberglas, porselen, seramik, mika, kuartz, kuru kumaş, kuru kağıt, kuru ağaç, hava, elmas ve saf su verilebilir. Yalıtkan malzemeler, elektrik akımı kaçaklarını önlemek ve canlıları elektrik akımından korumak için kullanılır.
Yalıtkanların elektrik akımına karşı nasıl davrandıklarını anlamak bakımından evlerinizdeki elektrik anahtarlarının işlevini hatırlamaya çalışın. Eğer hava da iletken olsaydı şu an kullandığınız anahtarları kullanabilir miydiniz?
