İletken ve yalıtkan nedir? Özellikleri nelerdir?

Elektrik yükleri bazı maddelerin içinde rahatça hareket edebilirken, bazılarının içinde kolay hareket edemez. İletken, içlerinde elektrik yüklerinin kolay hareket edebildiği maddelere denir. Yalıtkan, içlerinde elektrik yüklerinin kolay hareket edemediği (neredeyse hiç hareket edemediği) maddelere denir. Peki bir maddenin elektriği iletip iletmediğini (elektrik yüklerinin hareket edip etmediğini) nasıl anlayabiliriz? Bunun için basit üç deney yapabiliriz.

İletken ve yalıtkan deneyleri

Elektrostatik yazısından plastik bir çubuğu bir yün parçasına sürterek elektrikle yükleyebileceğimizi (eksi yükle yükleneceğini) biliyoruz. Ayrıca yüklü cisimlerin küçük kağıt parçalarını çektiğini, yüksüz cisimlerinse kağıt parçaları üstünde bir etkisi olmadığını da biliyoruz. Yani bir cismin yüklü olup olmadığını belirleyebiliyoruz. Ek olarak eksi yüklerin eksi yükleri ittiğini ve eksi yüklerin artı yükleri çektiğini de öğrendik. Bu bilgileri kullanarak şimdi deneylerimize başlayalım.

İletken ve yalıtkan deneyi 1

Plastik çubuğu yüne sürterek yükleyelim. Sonra tahta ayaklık üstünde duran, yüksüz (nötr) metal bir küreye çubuğun sürtülmüş bölgesini dokunduralım. Metal küreyi tahta sapından tutup kağıt parçalarına yaklaştırdığımızda onları çektiğini görüyoruz. Ayrıca tavana astığımız eksi yüklü plastik çubuğu da ittiğini görüyoruz. Bu gözlemlerden varabileceğimiz sonuç, metal kürenin plastik çubukla aynı yükle yüklenmiş olduğu, yani metal küre de eksi yüklü olmalı. Demek ki dokunduklarında plastik çubuktan metal küreye eksi yükler (elektronlar) aktarıldı.

İletken ve yalıtkan deneyi 2

Bu kez tahta saplı iki metal küreyi yan yana koyuyoruz ama birbirlerine dokunmuyorlar. Aralarına bir plastik çubuk yerleştiriyoruz, çubuk her iki küreye de dokunuyor. Bir başka plastik çubuğu yün parçasına sürterek yüklüyoruz ve sağdaki metal küreye dokunduruyoruz. Ardından, sağdaki metal kürenin kağıt parçalarını çektiğini ve yüklü plastik çubuğu ittiğini gözlemliyoruz. Ama soldaki metal küre ikisini de yapmıyor; ne kağıt parçalarını çekiyor ne de yüklü plastik çubuğu itiyor. Sağdaki kürenin yüklendiğini ama soldaki kürenin yüklenmediğini (yüksüz veya nötr kaldığını) görüyoruz.

İletken ve yalıtkan deneyi 3

İkinci deneyi bu kez iki küreyi birbirine bir metal çubukla bağlayarak tekrarlıyoruz. Metal çubuk her iki küreye de dokunuyor. Sonra sağdaki küreye yüklenmiş plastik çubukla dokunuyoruz. Ardından, her iki kürenin de hem kağıt parçalarını çektiğini hem de yüklü plastik çubuğu ittiğini görüyoruz. Her iki küre de eksi yükleniyor.

İletken ve yalıtkan deneylerinin yorumu

Bu üç deneyden şu sonuçları çıkarabiliriz:

1. Elektrik yükü bir cisimden diğerine yalnızca iki cisim birbirine dokunuyorsa aktarılabilir. Temas şarttır. Bir cisime elinizle dokunarak yüksüz hale getirebilirsiniz. Buna topraklama diyoruz.
2. Elektriksel özellikleri çok farklı olan iki tür (çeşit veya sınıf) malzeme vardır. Bunlara iletken ve yalıtkan diyoruz. Elektrik yükünü ileten ya da aktaran metal çubuk iletken, elektrik yükünün üstünde hareket etmesine izin vermeyen plastik çubuk ise yalıtkan. Cam çubuk kullansaydık onun da yalıtkan olduğunu görecektik, yükler yalıtkanların üstünde hareketsiz kalır.

Hem iletkenlerin hem de yalıtkanların yüklenebildiğine dikkat edin, aralarındaki tek fark üzerilerinde yükün hareket edip edememesi. İletkenlerde yük hareket edebiliyor, yalıtkanlarda edemiyor.

İletken ve yalıtkan maddelerin mikroskobik özellikleri nelerdir?

İletken ve yalıtkan maddeleri anlayabilmek için iç yapılarına yani atom boyutunda neye benziyor olabileceklerine bakmamız gerekir. Aşağıdaki resimde bir yalıtkan modeli gösteriliyor.

Yalıtkan bir maddenin hem iç hem de dış elektronları artı yüklü çekirdeğe sıkıca bağlıdır. Bu bağın nedeni artı yüklerle eksi yükler arasındaki elektriksel kuvvettir. Bu nedenle yalıtkanların elektronlarını hareket ettirmek çok zordur.

Yukarıdaki resimde bir iletken metal malzemenin modeli gösteriliyor. Metallerde, atomların dış elektronları (değerlik veya valans elektronları da denir), çekirdeğe çok zayıf şekilde bağlıdır. Atomlar bir araya gelerek katı metali oluşturduklarında, bu dış elektronlar çekirdeklerinden tamamen kopar, katının her yerinde serbestçe hareket edebilir hale gelirler. Katının bütünü elektriksel olarak yüksüzdür, çünkü elektron eklenmesi ya da çıkarılması söz konusu değildir. Ama elektronlar eksi yüklü bir gaz ya da sıvı gibi artı yüklü metal iyonlarının etrafını sarar, tıpkı bir “elektron denizi” gibi. Hangi elektronun hangi metal atomuna ait olduğu belli olmaz.

Bu yapının en önemli sonucu metallerin içinde elektronların hareket yeteneklerinin son derece yüksek olmasıdır. Elektronlar ,elektrik kuvvetlerinin etkisi altına girdiklerinde, çok hızlı bir şekilde ve kolayca metalin içinde hareket edebilirler. Bir malzemenin içinde yüklerin hareketine elektrik akımı, fiziksel olarak hareket eden yüklere de yük taşıyıcıları diyoruz. Metallerde yük taşıyıcılar elektronlardır.

Ama iletken olan maddeler metallerden ibaret değildir. Tuzlu su gibi iyonik çözeltiler de iyi iletkenlerdir. Ama iyonik çözeltilerdeki yük taşıyıcılar elektronlar değil, iyonlardır.

İletken ve yalıtkan örnekleri

Normal şartlar ve sıcaklık altında en iyi elektriksel iletken gümüş metalidir. Ama genellikle elektrik devrelerinde gümüş tercih edilmez çünkü hem pahalıdır hem de kararır (paslanır veya oksitlenir). Oksit katmanı (kararmış gümüş tabakası) iletken değildir. En iyi iletken malzemeleri şöyle sıralayabiliriz:

1. Gümüş
2. Altın
3. Bakır
4. Alüminyum
5. Cıva
6. Çelik
7. Demir
8. Deniz suyu
9. Platin
10. Pirinç
11. Bronz
12. Grafit (kurşun kalem ucu)
13. Limon suyu
14. Beton

En iyi yalıtkan malzemeler de şöyle sıralanabilir:

1. Kauçuk
2. Cam
3. Saf su
4. Yağ
5. Hava
6. Elmas
7. Kuru yün
8. Kuru pamuk
9. Plastik
10. Asfalt
11. Fiberglass
12. Kuru kağıt
13. Porselen
14. Seramik
15. Kuartz

İletken ve yalıtkan terimlerinin tarihi

Stephen Gray’in 1724 yılında Leyden şişeleri (Leiden kapları) ile yaptığı deneylerin sonucunda elektriksel iletken ve yalıtkan kavramları ilk kez ortaya atılmıştır. Elektriği ileten ve iletmeyen malzemeleri sınıflamış, metallerin ey iyi iletkenler olduğunu öne sürmüştür. İletken ve yalıtkan kavramlarının adlarını ise John Desaguliers koymuştur. Elektroskop yazısında iletkenlerin ve yalıtkanların kullanımını göreceksiniz.

İletken ve yalıtkan ile ilgili kazanımlar

2018 – 9.6.1.2. Elektriklenen iletken ve yalıtkanlarda yük dağılımlarını karşılaştırır.

2013 – 10.2.1.3 Elektriklenen iletken ve yalıtkanlarda yüklü parçacıkların hareketini ve yük dağılımlarını karşılaştırır.

• Öğrencilerin iletken ve yalıtkan kavramlarının bilim tarihinde doğuşunu incelemeleri sağlanır.

Kaynaklar

Conductors and insulators