KAPLAMA ÇÖZELTİSİNDE DİRENÇ VE İLETKENLİK
Bir metal kablonun elektriksel direnci kablo uzunluğuna, kablo kesitine ve kablonun yapıldığı malzemeye bağlıdır. Bir kablonun veya iletkenin direnci ohm olarak verilir. Uzunluk, kablo kesiti, sabit ve kablonun direnci şu şekilde ifade edilebilir:
Sembollerle ifade edersek
(1)
Ölçü birimlerinin doğru seçilmesi gerektiğini Ders 1 Sayfa 14’ te işlemiş ve bunun kontrol edilmesi için bir yöntem öğrenmiştik. Bunu kullanarak yukarıdaki formüldeki K sabitinin birimini tanımlayın. Ohm-cm veya Ohminç sonuçlarına ulaşırsınız.
Artık Ohm Kanunu’ nu, seri bağlı ve paralel bağlı dirençleri hesaplama formüllerini bildiğinize göre, bunları kullanarak yukarıdaki formülü türetebiliriz. Şekil 1’ de gösterilen katı (veya sıvı) iletkeni gözönüne alalım. Kesit alanında 1 cm² ’ lik m adet küp ve hacminde de n adet levha içeriyor gibi düşünülebilir. İlk olarak bir adet küçük kübün direncin r ise 12 küçük küpten oluşan levhanın toplam direncini hesaplayalım. Levhayı oluşturan küplerin hepsi paralel bağlıdır (dirençler paralel bağlıdır), bu nedenle levhanın toplam direnci paralel bağlı dirençlerin toplam direncini veren formülden
1/Rlevha = 1/r + 1/r + 1/r + . . . m adet küp için
veya
1/Rlevha = m/r ve Rlevha = r/m
Şimdi bu levhalardan n tanesinin seri bağlandığını düşünelim. Toplam hacmin direnci
Rtoplam = r/m + r/m + r/m + . . . n adet levha için
Rtoplam = r.n/m
n, iletkenin cm olarak uzunluğu ve m ise iletkenin cm² olarak kesit alanıdır. Burada r yi K’ ya eşit alırsak
Formül 1’ i elde ederiz. Öyle ise herhangi bir sıvı veya katı iletkenin direnci, ÖZGÜL DİRENCİ ile UZUNLUĞU
çarpılıp KESİT ALANIna bölünerek bulunur. Oldukça basittir!
K sabitinin değeri iletken malzemeye has bir özelliktir ve şu şekilde bulunur : Birim uzunlukta ve birim kesit
alanına sahip bir kablo alınır ve WHEATSTONE KÖPRÜSÜ adı verilen özel bir ölçme aletiyle direnci ölçülür.
(SABİT) x (KABLO UZUNLUĞU)
KABLONUN DİRENCİ =
(OHM) (KABLO KESİT ALANI)
K x L
R =
A
Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2
Sayfa 4
Diyelim ki bu ölçümün sonucunu A ohm olarak bulduk. Bu değere iletkenin ÖZGÜL DİRENCİ veya ÖZDİRENCİ denir. Bakır için ölçülmüş ise bulunan A değeri bakır için kullanılacak K sabit değeridir.
Bir sonraki sayfadaki Tablo 1’ den gümüşün en iyi iletken olduğunu, ondan sonra ikinciye bakırın ve daha sonra altın ile aluminyumun geldiğini görebiliriz. Demirin direnci bakırdan yaklaşık 6 kat, paslanmaz çeliğinki 42 kat daha fazladır. Bu karşılaştırmaları aklınızda tutmanız paslanmaz çelikten askıda veya paslanmaz çeliğin üzerine kaplama yaparken karşılaşabileceğiniz sorunları çözmede ya da kaplamaya hazırlıkta yapılan işlerde size yardımcı olacaktır.
ÖRNEK 1: 0,52 mm² kesitinde ve 1 kilometre uzunluğundaki bakır kablodan (#20) bir bobin sarılmıştır. Bu bobinin toplam direnci nedir?
Çözüm: Bakır için K özgül direnci Tablo 1’ de Ohm-cm olarak verilmiştir. Bu değer Şekil 1’ de gösterildiği gibi 1 cm. uzunluğundaki ve 1 cm² kesit alanına sahip bakır bir küp için ölçülmüştür. Buna bağlı olarak direnci Ohm olarak bulmak için bütün uzunluk ölçüleri cm. olarak alınmalıdır.
100 cm = 1 metre ve 1 km = 1000 metre olduğundan formüldeki L uzunluğu (kablonun uzunluğu) 100 x 1000 = 100.000 cm. olarak alınacaktır. 1 cm = 10 mm. oduğundan 100 mm² = 1 cm² dir (dolayısıyla 1 mm² = 1/100 cm²). Kesit alanını cm² cinsinden yazarsak 0,52 mm² = 0,52/100 cm². Bu değerleri formülde yerine koyarsak,
R = K x L x (1/A)
TABLO 1-A. KATI İLETKENLERİN ÖZGÜL DİRENÇLERİ
MALZEME ÖZGÜL DİRENCİ (K, ohm-cm olarak)
Gümüş 1,6 / 1.000.000 1,6 x 10–6 1
Bakır 1,7 / 1.000.000 1,7 x 10–6
Altın 2,4 / 1.000.000 2,4 x 10–6
Aluminyum 2,8 / 1.000.000 2,8 x 10–6
Pirinç 7,0 / 1.000.000 7,0 x 10–6
Demir 10,0 / 1.000.000 10,0 x 10–6
Paslanmaz Çelik 70,0 / 1.000.000 70,0 x 10–6
TABLO 1-B. KAPLAMA BANYOLARININ ÖZGÜL DİRENÇLERİ 2
BANYO ÖZGÜL DİRENCİ (K, ohm-cm olarak)
Krom 2,0
Bakır (sülfat) 5,6
Siyanürlü Çinko 6,8
Kadmiyum 7,8
Siyanürlü Pirinç 12,4
Bakır (Roşel) 14,3
Saf Su 20 x 106
Eğer kaplama çözeltisi 1 cm. yüksekliğinde ve 1 cm. genişliğinde bir kaba konursa, birbirinden 1 cm. uzaklıkta yerleştirilmiş iki elektrot arasındaki çözeltinin elektriksel direnci ölçülerek ELEKTROLİT’ in (akımı ileten çözeltinin) özgül direnci bulunmuş olur. Bütün kaplama banyoları oldukça düşük dirençlere sahip olduklarından, bazen banyoların İLETKENLİĞİ’ nden bahsetmek daha doğru olur. İletkenlik elektriksel direncin tersidir. C iletkenliği göstermek üzere,
(2) C = 1 / R
Bir tanktaki çözeltinin direnci 1/4 Ohm olarak verilmişse bu çözeltinin iletkenliği 4 Mho’ dur denir. İletkenlik birimi Ohm’ un tersi olan Mho olarak adlandırılır. ÖZGÜL İLETKENLİK özgül direncin tersidir.
(1,7 ohm-cm) (100)
R = x (100.000 cm) x = 32,7 Ohm
(1.000.000) (0,52 cm²)
Elektrometal Kaplamanın Temel Prensipleri, Bölüm 2
Sayfa 5
(3)
Burada C# = 1/K, A = Kesit alanı, L = Elektriğin geçtiği yolun uzunluğudur. Maliyet açısından ele alırsak, elektrokaplamada banyonun direncinin düşük olması önemlidir çünkü, elektriği incelediğimiz ilk derste gördüğümüz üzere banyonun direnci yükseldikçe harcanan güç de artacak ve maliyet yükselecektir.
1. derste deney için hazırlamış olduğunuz bakır sülfat çözeltisinin özgül direnci 28 ohm-cm.dir. Oysa çamaşır sodasının özgül direnci sadece 14 ohm-cm.dir. Ampermetrede okuyacağınız değerlerden bu farkı anlayabilirsiniz (I = E / R).
Bir ELEKTROLİTİN direncinin nelere bağlı olduğunun bilinmesi önemlidir.
Önceki bölümde elektrik yükü taşıyan iyonların kaplama çözeltisinden elektrik akımının iletilmesini nasıl sağladığı anlatılmıştı.
Buradan iyon sayısı arttıkça elektrik iletkenliğinin artacağı sonucuna varmış olabilirsiniz. Eğer çözeltide daha fazla madde çözünmüş hale geçerse çözeltinin konsantrasyonu ve (her zaman olmamakla birlikte, genellikle) iyon sayısı artar. Buna bağlı olarak çözeltinin direncinin düştüğü (iletkenliğinin yükseldiği) görülür.
Elektrolitin sıcaklığı yükseldikçe ortam enerjisi artar ve İYONİZASYON için daha fazla enerji bulunabileceğinden daha çok İYON oluşur. Yüksek sıcaklıklarda iyonlar daha hızlı hareket etme eğilimindedir. Bu durumda sıcaklık yükseldiğinde kaplama çözeltisinin direnci düşmektedir. ELEKTRONİK İLETKENLERDE ise bu durum tam tersidir. Örneğin bakır kablo ısıtıldığında atomlar eski durumlarına göre daha çok titreşirler, enerjileri artar ve daha çok serbest elektronu engellediklerinden direnç yükselir.
Bazı bileşikler veya maddelerin diğerlerinden daha kolay iyonize olurlar ve suda çözündükleri zaman iletkenlikleri daha yüksektir. Çoğu kaplanabilir metallerin tuzları kısmen iyonize olur. Bunun sonucunda iletkenlikleri düşük, dirençleri yüksektir. ASİTLER hidrojenleri ile metal atomları yer değiştirebilme özelliğine sahip HİDROJEN BİLEŞİKLERİDİR, yüksek oranda iyonlaşırlar ve suda çözündüklerinde yüksek iletkenliğe sahiptirler. Benzer şekilde SODYUM ve POTASYUM gibi çok aktif metallerin bileşikleri de yüksek bir iyonlaşma özelliğine ve iletkenliğe sahiptirler. Bu nedenle SODYUM KARBONAT (çamaşır sodası) Ders 1’ de Deney 4’ ü yaparken kullandığımız bakır sülfattan daha iyi bir iletkenlik gösterir.
Çoğu metal tuzu düşük bir iletkenliğe sahip olduğundan gerçek bir kaplama işleminde metal tuzunun yanında banyoya başka maddeler veya bileşiklerin eklenmesi, kaplama sonucunda kötü bir etkiye neden olmadan çözeltinin iletkenliğinin yükselmesine yardımcı olur. Bu eklenen tuzlar veya bileşikler İLETKEN TUZ veya TAŞIYICI olarak adlandırılır. Bakır kaplamada BAKIR SÜLFAT ÇÖZELTİSİNE EKLENEN TAŞIYICI DAİMA SÜLFÜRİK ASİTTİR. Bu asitten litreye 45 – 60 gr. gibi az bir miktarda ilave edilirse bakır sülfat çözeltisinin özgül direnci göreceli olarak 30 Ohm’ dan 5,6 Ohm’ a düşecektir. Bu da toplam direnci %80 azaltacaktır. Ders 5 – 10’ da göreceğimiz üzere, diğer kaplama banyolarında da direnci düşürmek için başka bileşikler ilave edilir.