AZ KAYIPLI YALITKANLAR

TJDK: 837.326 ;621.815.81

Az Kayıplı Yalıtkanlar

Tahsin ABMAY Î.T.Ü. E.S.E.

ÖZET :

Elektrik ve elektronik cihazlarında çeşitli yalıtkanlar kullanıldığı, çeşitli gerilimlerdeki iletkenleri yalıtmakta kullanılan ve kondan satörlerde dielektrik verini almakta olan bu yalıtkanların, elektrik enerjisi kayıplarında önemli rol oynadıkları bilinmektedir.

Bazı özel uygulamalarda (yüksek frekans lı akımlarla ısıtma, zayıflama hatları gibi) enerji kaybının mümkün olduğu kadar azal tılmast zorunludur. Bu amaçla, az kayıplı özel yalıtkanların kullanılması büyük önem taşı maktadır.

Son yıllarda elde edilen sentetik yalıtkan lar, elektroniğin değişik ihtiyaçlarına cevap verecek duruma getirilmiştir.

Aşağıda, enerji kayıplarını ortaya koyan muhtelif teorileri açıklamadan önce, dielek trlk katsayısına ait temel tarifleri, bu mik tarların ölçülmesine ait metot ve ölçü alet lerini hatırlatmaya çalışacağız. Bu teorilerin btlinmesile, yalıtkasların daha iyi kalite de olması veya yeni tıp yalıtkanların bulunma sı nedenleri ortaya çıkacaktır. Anormal ka yıpların bazı hallerde kaynağım anlamak, elektronikte halen kullanılan az kayıplı te mel yalıtkanların uygulama sahası ve özel liklerini beliıtmek bakımından elektronikçi lere faydalı olacaktır

SUMMARY it is knoum that insulating materials used in electric and electronic devices have an im portant effect on the losses, particularly tohen they are used in insulating conductors for different voltages and in replacıng dielectrıc? in capadtors.

Losses have to be decreased as much as possible in certain cases, for example in heat ing by high frequency voltages, ete. Thereforc the use of insulating materials tvlth small losses is gaining importance. Syntlıetic insu lators developed in recent years have been improved to meet various requirements of electronıcs.

Before explaining the several theories giv ing the energy losses, attempts tvill be made to remind of basic definitions concerning di electric coefficient, and methods and instru ments employed in measerument of these los ses. Having enough knoıvledge about these theories, wül enable us to appreclate why the insulating materials should be of better qu ality and why neıo materials have been in troduced in this field. it will be useful from the view point of considering characteristics and application field of nenv insulating ma terials toith small losses, to find out the sour ces of abnormal losses varticularly in elec tronics.

I — İzafi Dielektrik Sabiteleri :

1) Dielektrik Sabitesi :

Kapasitesi p ve arasında boşluk olan, her hangi şekilde iki armatürü olan ideal bir kon dansatörü (No 1) ele alalum. Bu tıp kondansatö rün armatürleri arasına öyle bir yalıtkan madde koyalım ki, yeni kondansatörü şarj etmek (yük lemek) için, No. 1 kondansatörünün armatürle ri arasından geçen kuvvet hatlarının tamamen aynı olsun. Bu şekilde elde edilen No. 2 kondan satörünün kapasitesi de C olsun. Tarif olarak, yalıtkanın e izafi dielektrik sabitesi :

£ = C/f dir. Bu katsayı, özellikle yalıtkanın sıcaklığı ve kon dansatöre tatbik edilen alternatif gerilimin fre kansiyle değişen muhtelif faktörlere bağlıdır.

2) Dielektrik kayıplar açısı: No. 1 kondansatörüne sinusoidal bir gerilim tatbik edildiğinde madeni armatürlerde jul tesi

riyle meydana gelen kaybı dikkate almazsak, bu kondansatörden geçen sinusoidal akım, tatbik edilen gerilimden TT/2 faz farkı (90°) kadar ile ride bulunur.

Diğer tarafdan, No. 2 kondansatörüne alter natif bir gerilim tatbik edildiğinde, armatür ler arasındaki yalıtkan alternatif elektrik ala nı içinde iken, ısı yükseimesile kendini belli eden bir enerji kaybı meydana gelir, özellikle, eğer tatbik edilen gerilim sinusoidal ise, kondansa törden geçen akım, gerilimden (ff/2—ğ) radyan lık açı kadar ileride bulunur.

S açısına, No. 2 kondansatörünün kayıp açısı denir, g miktarı kondansatöıün şekline bağlı ol mayıp, kullanılan yalıtkan maddeye göre deği şir. Elektronikte veya yeraltı kablolarında kul lanılan yalıtkanlar için g miktarının çok küçük olması arzu edilir. Bu taktirde g radyan değeri tgg değerine eşit bulunur. Dielektrik kayıplar çoğunlukla tgg ile ifade edilir.

Verilmlg bir tokana için, dielektrik kayıplar açısı genel olarak sıcaklıkla artar.

8) Kompleks İzafi dielektrik sabitesi :

Pulsasyonu w olan sinüsoydal bir akım için, No. 1 kondansatörünün Admitansı J^p Sussep tanm'na eşittir. Eğer No. 2 kondansatörünün kaybı olmazsa, Susseptansı J ^ p olur.

Fakat bazı kayıplardan dolayı admltansın hakiki ve sanal kıspnlannın değeri:

J«.<e' J«")r «(«(''+ıJe')'=r Seklinde olacaktır.

Bu ifadede (e' — J(") miktarına, yalıtkanın kompleks İzafi dielektrik sabitesi denir. e' mik tan, yukarıda belirtilen özgül endüktör kuvve tidir.

tg8 mt"/e' bulunur.

4) Yalıtkan direnci. İletkenlik :

Talıtkan maddesi kab veya sıvı olan bir kon dansatörün armatürleri arasına doğru gerilim tatbik edilirse, kondansatörden geçen akımın de ğeri, iyi (bir yalıtkan İçin çok küçüktür.

Diğer taraftan, frekansı f = <0/2TT olan sinü soydal bir gerilim altında C kapasiteli bir kon dansatörün yalıtkan direnci R ise, f frekanslı akım için yalıtkan direnci, doğru akım için elde edilecek yattkan direncinin aynı olduğu kabul edilirse ve başka bir kayıp kaynağı yok ise, tgg = 1/RCIa, bulunur.

f frekansının değeri endüstriyel frekanstan bü yük oldukça, tgg değerinin hızla küçüldüğü gö rülür.

5) Dielektrik «talik :

Bir yalıtkandaki elektrik alanı belirli bir de ğeri aştığında, yalıtkanın içinde delinme mey dana gelir. Dielektrik sıkılık, bu şartlar altında elektrik alanının, değeri olup, yalıtkan sıcaklığı ve alanın frekansı arttıkça, dielektrik sıkılık azalır.

6) Az kayıph yalıtkanların kullanılması:

Alternatif gerilimle çalışan bir yalıtkan için az kayıplı malzemelerin kullanılması zorunlulu ğu, aşağıdaki münasebetlerle ortaya konmakta dır. Filhakika, «, pulsasiyonlu gerilimin değeri V, yalıtkan İle teşkil edilen kapasite C, yalıtkanın kayıp açısı g, kapasiteden geçen akün I, yalıt kanda harcanan (ısı olarak kaybedilen) güç I»«VI aing ise, I e V C , , olduğuna göre':

P a V.C.U. slns (D olur.

Burada, P vat, V volt, C farad, f hertz, <,, = 2jrf cinsindendir.

Bu basit formülle şunlar ifade edilmektedir : a) Sabit frekansta, dielektrik tarafından yutulan güç, gerilimin karesile ve sing (sing ye rine pratikte g veya tgg alınır) ile orantılıdır.

Enerji kayıpları ile, yalıtkanın sıcaklığı ar tar. Dolayısile £ ve P miktarları da artar. Zin cirleme halindeki bu artışlar P miktarını hızla arttırır ve kondansatörün sıcaklığının kritik de ğeri aşması tehlikesile karşılaşılır. Bu taktirde, dielektrikte bir yumuşama, bir delinme (dielek trik sıkılık sıcaklıkla azalır) meydana gelir.

Az kayıph bir yalıtkan için, kritik sıcaklığın altında kalınacak şekilde sıcaklık derecesinin aşılmaması, dielektrikte meydana getirilecek ısı nın iletkenlikle veya ışıma yolu ile kaybedile cek ısıya eğit olması gerekir.

b) İlk yaklaşık hesap için, g'nin frekanstan bağımsız olduğunu kabul edelim. P miktarı, ge rilimin f frekansı ile veya w miktarile artar.

Az kayıplı maddelerin problemi, bu madde lerin çok yüksek frekanslarda ve özellikle hiper frekanslarda kullanılmaları ile çok yakından il gilidir.

özet olarak, az kayıplı yalıtkanların kulla nılması ile :

1°) Yüksek frekanslarla enerji iletiminde (hatlar, kablolar halinde) enerji kaybını azalt mak,

2°) Gerilim katsayısını veya devrelerin ka litesini çok azaltmamak,

3") Yüksek frekanslarda, alternatif gerilim taşıyan iletkenler arasındaki yalıtkanları koru mak, mümkün bulunmaktadır.

Dielektrik kayıplar bakımından bir yalıtka nın iyi veya çok iyi kabul edilebilmesi için tgg nin 10 » veya 10 4 mertebesinde olması gerekir.

iki iletken arasına birbirine takiben aynı ha cımda muhtelif yalıtkanlar doldurulurca, (1) formülüne göre kayıp olan gücü :

p = V2.r.c.«,. sing ile ifade edebiliriz. Burada, p miktarı, iletkenler arasındaki hacmin boş olması (pratik bakımdan hava ile dolu olması) halindeki kapasiteyi gösterir.

Kayıplar, c.sing (bu miktar yaklaşık olarak «.tgg'ye eşittir) ile orantılı bulunmaktadır. Ba zı adedi tablolarda, e.tgg değerine, yalıtkanın ka lite faktörü adı verilmektedir.

7) Dielektrik kayıpların ölçülmesi metodla n ve cihazları: ' îyl yalıtkanlar İçin kayıplarjn çok küçük ol ması oranında, dielektrik kayıpların ölçülmesi

Elektrik Mühendisliği 151

daha büyük hassasiyet İstemektedir. Alçak fre kanslar (endüstriyel frekanslar, müzikal veya işi tilebilen frekanslar) İçin, klasik Schering köp rüsü kullanılır.

Etüd edilecek yalıtkanla düz bir kondansa tör meydana getirilir ve bir koruma halkası kul lanılarak kenar tesirleri ortadan kaldırılır.

Daha yüksek frekanslar İçin aynı metod kul lanılmakla beraber, köprünün yapılmasına, de ğişebilen elemanlara, özellikle direnç ve muhte lif blendaj kısımlarına daha çok dikkat edilir.

Radyoelektrik frekansları için çift T şeklin de özel köprüler kullanılarak ölçmeler yapılır. Fakat en hassas metod, devrelerin rezonans özel liğinden faydalanmak yoludur. (Şekil 1) de gö rülen devrede değişebilen kapasitenin uçlarına etüd edilecek yalıtkanı İhtiva eden genel olarak düz şekilde yapılmış küçük bir y kondansatörü ile uçlar arasındaki V gerilimini ölçmek için bir voltmetre İlâve edilir.

Arzu edilen f frekanslı taşıyıcı dalgayı veren bir generatör ile sabit bir E elektromotor kuv veti devreye konur, f frekansına göre devrenin ayar konumu değişebilen kapasite vasıtasile sağ lanır ve bu kapasiteye bağlı olarak rezonans eğ rileri yani V değerini veren eğriler çıkarılır.

Bundan sonra, y kondansatörü devreden çı karılarak yeniden rezonans eğrileri (etüdedllen yalıtkan kayıpları ortadan kaldırıldığı için, bu ikinci eğriler birinciden daha sivri bulunur) çıka rılır. Bu iki eğrinin verdiği elemanlardan (Vnin max. değeri ve genişliğinden) hareket edilerek, £ ve tg g değerleri kolayca hesaplanır.

Eğer y kondansatörü düz yüzeyli ve armatür lerinin yüzeyi S cm2 ve yüzeyler arasındaki me safe d cm İse :

t = 3,6ırd (C2 —

olur.

Burada, Ct ve O3 miktarları pikofarad cin sinden ifade edilmiştir. Diğer taraftan,

t ? 8 = (AıC—AC)/(C2 — Cı) bulunur. Cv O,, AjC, A2C miktarlar» (Şekil 2) de açıklanmıştır.

— Çok yüksek frekanslarda, metrik ve desl

metrik dalga bandlannda, bağlantılardan meyda

Şekll

1 — Radyoelektrik frekanslarda dıelektrık kayıpların ölçülmesi.

Elektik Mühendisliği 151

CV Ck

«

şekil: 2 — Rezonans eğrileri.

na gelen hatalar ve rezonans devrelerde loka lize edilen sabit değerlerin küçük olması ha linde, bu ölçmelerde akordedilmlş (ayarlanmış) hatlar, çoğunlukla aynı eksenli kablolar kulla nılır.

Aynı eksenli bir hat alınarak, bir uçu kısa devre edilir ve diğer uçuna hareket edebilen bir pistonla beraber etüdedilecek yalıtkan madde den bir halka konur (Şekil 3).

Verici

Şekil : 3 — Yüksek frekanslarda dieleKtrik kaytplann ölçülmesi.

Bir taraftan, arzu edilen frekans üzerine bir generatörle hat ikaz edilir, diğer taraftan, uygun bir noktada yaratılan alan şiddeti ölçü lür. Hattın uzunluğu değiştirilerek İki rezonans eğrisi çıkarılır. Bu rezonans eğrilerinden e ve tg£ miktarları hesaplanır.

Çok yüksek frkanslar (santlmetrik dalga lar) için, etüdedilecek yalıtkan tarafından bir kısmı kaplanan sillndlrik veya paralel yüzeyli prizmatlk rezonans çukurları kullanılır.

n — Dtelektrik kayıpların kaynağı:

Az kayıplı yalıtkanların kullanılması ve bu kayıpların hesaplanması İçin, uzun araştırmalar sonunda bazı hipotezlerin ortaya konması gerek miştir. Çağunlukla, örnek olarak gösterilen İki mekanizma üzerinde görüşlerimizi özetleyeceğiz.

1) Boşalma

Bir elektrik alanı altında bulunan bir di elektrik maddesinin polarlzasyonundaki boşalma (sıfıra yaklaşma) sürelerine iki mekanizma et ki yapmaktadır.

Dielektrik maddesi katu veya stvı olan bir kondansatöre bir gerilimin tatbik edilmesile, kon dansatörün en .son değerine kadar bir anda §arj edilemediği (yüklenemediğl) görülür. Bu olayı ilk yaklaşık tahminlere göre basit formüllerle ifade etmek İstersek:

. t = 0 anında (gerilimin tatbik edildiği anda) kondansatör kapasitesinin Co değeri, üstel bir kanuna göre zamanın fonksiyonu şeklinde C •= Co + C! değerini alır (Şekil 4 a) .

Başka: bir İfade İle, herhangi bir t anında :

Ğ = Co + (C, — Co) (1 — e t/0) olur. , Burada Q süresine boşalma zamanı denir. Dev renin eşdeğer elektrik şeması (Şekil 4 b) de verilmiştir. Buna göre Q ,= C^R^ dir.

C!/ r V(i;+öV) ve e" = cyr&o/u + ÖV)

) '= o yani doğru gerilim için e' değeri e olur. (0

Burada (g miktarına statik izafi dielektrik sabitesi denir. ^^ <*> yanı çok yüksek frekans lar için:

e' miktarı £CO 'a eşit bulunur. ex) = C0/r olur. Yukarıdaki iki münasebeti §u şekilde yaza , biliriz :

+ £ 0 0

t 00

t + (9='•û)S

<«t t 00 )(5

£

(2)

1 +02

£ 00 ).ö c ter s

£, + £00 Ö2 O)a (Şekil . 5)de f.= ^/2ff frekansına bağlı olarak tg8> e' ve 4" değerlerini gösteren eğriler veril miştir.

(00

Şekil : 4a

şekil: 4b o ptılsasiyonlu alternatif bir gerilimin tatbik edildiği bir kondansatör sistemini etüdetmek için, bu sistemin A admittansını hesaplamak ye ter :

A = JCVu + l/(Rj — J/Cr(ü) = JC0.<û + Cr4)(ö<ü — J ) A = JCVa, + CVa, (J + 9c)/d + 0V) Eğer dielektriği hava olan kondansatörün kapa , sitesi r ve yalıtkanın kompleks izafi dielektrik sabitesi: e ' — J.e" ise, A = J Ta) W — J e") bulunur. Bu son münasebetle yukarıdaki münasebet ler karşılaştınlırsa:

Şekil : 5 — fm orta frekansina bağlı olarak e', e" ve tffg nin değişmesi. Değerler dielektıik maddesi sıvısu olduğuna güredir.

t için logaritmik bir eşel alınarak, f^ orta fre kansına tekabül eden değerlere göre, e', e" ve tg s eğrileri çizilir.

Bu eğrilerin incelenmesinden, pratik bakım kımdan £' için bir dağılma bölgesi, " ve tg § İçin bir yutma bölgesi ve e" nin max. değerinin (c, — £ » >/2 olduğu görülür. .

2) MaxweU VVagnertn zittiyet teorisi :

Maxiwell dielektrik olan cisimlerin iki kısım dan teşekkül ettiğini, bunlardan birinde ilet kenlik mevcut olduğunu, diğer kısmının ise kay

bu olmayan bir dielektrikten meydana geldiğini düşünmüş ve (Şekil 6) deki elektrik şemasınj tasarlamıştır. Bu şemaya göre, kondansatörün bir anda yüklenemeyecegi derhal görülmektedir.

no fi

Şekil . 6

Doğru bir akımın tatbik edilmesi halinde, C ve Cx kapasiteleri seri olarak bağlı bulundukla rından, oldukça uzun, bir süre sonunda p/nin mevcudiyeti dolayısiyle Cj'in yükü sıfır olur olur ve sadece C'nln yükü kalır. Pulsasiyonlu sinüsoy dal gerilim altında muayene edilen bu sistemin boşalma zamanını hesaplayabiliriz.

Bir kondansatörün eşdeğer empedansı: r ( £ ' — J.£") şeklindedir. (2) münasebetinden :

= C CV

ive

0=

bulunur.

Wagner, realiteye daha çok yaklaşarak, ka yıpsız yalıtkan kısmının küre şeklinde, muntazam olarak iletken maddenin I içine dağıldığını kabul etmiştir. Kayıpsız kısmın küre şeklinde, az veya çok düz olan elipsit olarak kabul edilmesine göre (2) münasebeti değişmemekle beraber, 0'nin de ğeri muhtelif kabullere göre değişmektedir.

özet olarak, §u hususlar gözöntinde tutulur:

— Az kayıplı dlelektrik maddeleri elde etmek için, dipoler maddeler kullanılmaması, ke sinlikle, yutma bölgelerinden uzakta bu maddelerin kullanılmasına,

— Dlpol olarak tesir eden adi suyun dielekt rik maddesi olarak kullanılmamasına, dik kat edilir.

m — Az kayıplı Temel yalıtkanların özellik

leri:

| ı ,•

Aşağıda, bazı yalıtkan maddeler hakkında geniş bilgi verilmesine çalışılmıştır.

1) Mika ve Mlkaleks : Mika, tabii bir mi neral üretim maddesi olup, esası alüminyum silikattır. Muhtelif şekillerde yer yüzünde bu lunan ıbu maddenin en fazla kullanılan cinsleri şunlardır :

— Muskovlt'ler ve potasü mikalar : Alümin yum silikat ve potas karışımı bulunan bu nevi mikalar açık renktedir. Hindistan'da ve güney Amerika'da çağunlukla bulunur.

— Flogopit'ler veya magnezyumla mikalar : Alüminyum silikat ve magnezyum karışımını İh

tiva eden bu mikalar bazen kehribar renginde çıkarılır. Çoğunlukla Kanada ve Madagaskar'da bulunur.

Mika, çok kolay olarak tabakalara ayrılmak ve çok ince kalınlıkta elde edilmek özelliğine ma liktir. Diğer taraftan ısı tesirlerine karşı muka vimdir. Muskovlt'ler 550°Cda ve Flogopit'ler 1000°C'<Ja kadar kullanılabilirler.

— Kayıp değerleri: Elektronikte az kayıp elde etmek İçin, açık renkte, şeffaf mikalar kul lanılır. Bu tip mikaların dlelektrik sabitesi 7 mertebesinde, tgs'nin değeri 2.10 * kadardır. Kehribar renkli mikaların dlelektrik sabitesi daha küçük olup, tg g'nin değeri binde bir kaç mertebesinde bulunur.

2) Sentetik Mika: ikinci dünya savaşı sı rasında, malzeme tedarikinde çekilen güçlükler kargısında, Almanlar tarafından sentetik mika yapılması denenmiş ve bunda da muvaffak olun muştur. % 11,6 AL, 03, % 32,6 Mg 0, ,% 30.7 Kie selguhr ve |% 25,1 K^ Si F6 maddelerinin kanşı şımından, tabii mika gibi ince tabakalara ayrı labilen levhalar halinde sentetik mika yapılmış tır.

Halızahırda, bu hususta Birleşik Amerika'da yeni metodlar geliştirilmiş ise de, bu şekilde el de edilen imalat miktarı ticari bir üretim sevi yesine ulaşamamıştır.

3) Mlkaleks: Sentetik mika gibi, mikaleks ten sözedllmekte, mika ile özel camların karı şımından meydana getirilmektedir, ince toz ha linde mika ve özel camın karışımı yüksek sıcak lıkta eritilmekte, madeni bir kalıp İçinde kuv vetli basınç altında tamamen soğuyuncaya ka dar bırakılmaktadır.

Mikaleks sert bir taş görünüşünde olup, gri ye çalar bronz rengindedir. Mikaleks, kalıplan mış levha veya çubuk halinde işlenir. Mikaleksin İşlenmesinde bazı tedbirler alınır:

Mikaleksin elastikiyeti çok az olduğundan, parçaların birer uçlan boşta iken üzerinde ça lışılmaması, titreşimsiz ve yavaş şekilde malze me üzerinde çalışılması gerekir. Mikaleks tozları aşındırıcı ve kazıyıcı özellikte olduğundan mika leksl kesebilmek için çok sert çelik kesici kulla nılır.

— Kayıp değerleri: Mlkaleksln dlelektrik sabitesi 7 mertebesinde ve tgg miktarı da orta frekanlar için 0,001 kadardır.

4) Polyten : Çok yüksek basınç altında GjH, etilen gazından meydana getirilen katı1 pollmer lerden müteşekkil polietilen'e genel olarak poly ten adı verilir. Kimya bakımından, bir polyten 1000 kadar karbon atomunu ihtiva eden CHj

C H J C H J C H J ş e k l i n d e hidrokarbonların zin cirleme olarak birleşmesinden meydana gelmiş tir.

Bütün polimerlze maddelerde olduğu gibi, bir numunenin bütün makromolekülleri aynı uzun lukta olmayıp, molekül ağırlıkları arasında bir ayrılık bulunmaktadır. Bu sebepten, ağırlıkları çok değişik olmak tlezere 8000 İle 20000 arasın da çeşitli polytenler meydana getirilmiştir.

Bu katı cisimde mlkro yapının bir kısmı kristalli ve bir kısmı da şekilsizdir. Kristalli ve şekilsiz kısımların oranı sıcaklığa göre değiş mektedir. 20° C da kristalli kısım % 75 kadar olup, sıcaklık attınlırsa, polyten yavaş yavaş daha az kınstallı olur ve erime noktasında (115° C da) polyten tamamen şekilsiz bir hal alır. Bu takdirde çak yapışkan bir hal alan polyten'l ba sınçla kalıplamak veya enjekte etmek mümkün dür.

— Bükülme, eğilme kabiliyeti: Normal sı caklıkta, polyten, bükülebilir ve sıcaklığın düş mesi halinde tekrar sertleşir. 0° C da bükülebilen polytenler ortalama molekül ağırlıklarına göre muhtelif kategorilere ayrılır. Bir kısım polyten lerde 60"Cde bükülme kabiliyetlerine ve mole kül ağırlıklarına göre sınıflandırılır.

Bükülebiimenin çok olması için, alçak sıcak lıkta, polyten molekül ağırlıklarının az olması sağlanır. Bu maksatla polyten içine bazı plastik ler (örneğin, tabii kauçuk, buna S v.s.) karıştı rılır. Fakat bu karışımlarda dielektrik artırma mak İçin, tercihen

CH8 I —C— I CH3

CHS II

CHS

— C — CH..Z — C II

formüllü polyizobutylen kullanılır.

— Kayıp acısı: Bütün radyoelektrik fre kansları polyten bir kaç binde on mertebesinde küçük kayıp açısına maliktir. Bu elektrik kali tesine ilaveten bükülebilme özelliğinden dola yı polyten bir çok İşlerde ve bilhassa, çok yük sek frekanslı kabloların yapılmasında kullanı lır. Bir kabloda (bu kablo aynı eksenli veya iki iletkeni! olabilir) « zayıflama katsayısı, frekan sa bağlı olarak:

a = A V T + B.f.tgr S seklindedir.

Bu ifadede, A ve B miktarları sabit birer adeddir. ifadenin birinci kısmında iletkenin di rencinden dolayı zayıflama, ikinci kısmında § kayıp açısından dolayı yalıtkandaki dielekt rik kaybı verilmektedir. Aşağıdaki tabloda, f frekansından mütevellit tg g nin empedansl 0,0005 kabul edilerek, normal boyutta aynı ek senli bir kablo için yukarıdaki ifadenin her iki kısmının frekansla nasıl değiştiği gösterilmek tedir.

U

Hertz olarak Frekans

İletkenlerdeki ka yıplardan meydja na gelen zayıfla ma (%)

Dielefctrikteki kayıplardan mey dana gelen zayıf lama (%)

İV

10«

10'

10"

Bu tablonun incelenmesinden :

Çok yüksek frekanslarda dielektrik kayiplar daki tg § değerinin çok yüksek olmasına rağ men, zayıflamanın büyük kısmının yine dielekt rik kayıplardan meydana geldiği görülür. Bu takdirde tg g değerinin mümkün olduğu kadar daha küçük değere indirilmesinde büyük faydalar olacağı anlaşılır.

Kabloların imali sırasında, ısınmış polytenin dielektrik kalitesinin azalmamasına dikkat edil mesi, gerek oksidasyon konusunda ve gerekse yağlı maddelerle bulaşmaması hususuna önem verilmesi lazımdır. Erime noktasının üstündeki sıcaklıklarda serbest hava ile karıştırılmış nü münelerdekl kayıpların çok arttığını yapılan ölç meler göstermişti.

Fikirleri tesblt bakımından, bu numunelerde 160°Cda 7 saat serbest hava ile kanştınlmasile elde edilen polytenin f 1= 107 Hertzlik frekansta t g g değerinin 3.10 » İla 64.10 * arasında değiş tiği görülmüştür. Bu olayın açıklanması bakı mından, Debye'nin iki kutuplu zaman teorisine göre, polyten moleküllerinin oksijeni tesbit ede rek daimi polarite kazandığı söylenebilir.

Açık havada işlemin yapılması sırasında, ok sldasyönu önlemek için en iyi metod araştırılmış ve polytenin içine az miktarda antioksldan mad denin (normal olarak kauçuk kullanılmakta) ka rıştırılması gibi basit bir çare bulunmuştur.

— Polytenin kayrp açısı: Melekülleri polari teslz olan polytenin t g g değeri 0,0003 mertebe sinde olup, bazı numunelerde bu miktar 0,00015 olmuştur. Bu kayıpları açıklayacak bir çok se bepler vardır:

Polyten molekülünün bir uçunda bir çift bağlantı olma imkanı dolayısile, polytenin safi yeti az miktarda değişecek şekilde, imalat sıra sında tesadüfen polytene karbon, maden partl küleri, su zerresi, madeni yağ vesaire karışırsa, yabancı maddelerin miktarına göre gaz etilenin polimerizasyonu esnasında polariteli molekül grupları meydana gelebilmektedir.

örneğin, katalize etmek için kullanılan az miktardaki oksijen tesirile tg g'nin değeri 0,0001 den 0,0015'e yükselir.

Elektrik Mühendisliği 101

1,23 santimetre dalga uzunluğuna tekabül eden frekanslara kadar bir alkaten (Polytenin ingiliz ce ticari adı) numunesi üzerinde yapılan ölçme lerde (Şekil 7), max. yutmanın 1,5x109 Hertz mertebesinde meydana geldiği görülmüştür. Bu son değerden sonra yutma miktarı frekans art tıkça azalmaktadır. Burdan polytenin 1 santi metreden küçük dalga boyu frekansları için kul lanılabileceği anlaşılmaktadır.

ıır W îo7 ıor io* frekans (Heriz)

Şekil ." 7 — Frekansa bağlı olarak Polyten'ın absorpsiyonu.

5) PoUstiren : Polistiren, C6H5 CH = CH2 formülü ile gösterilen monomer stiren'nin sıcak ta pollmerize edilmesile elde edilen ve uzun yü lardanberi tanınan, katı bir dlelektrik madde sidir. Ticari adı Birleşik Amerika'da (Styrol), Almanya'da (Trolitul), Fransa'da (Afcolene) dlr.

Çok az kayıplı bir üretim elde etmek için, saf sıvı stiren, havasız !bir imbikte kurutulur, f ı= 3.108 Hertz İçin dlelektrik sabitesi 2,38 ve 25°C da tgs = 0,0013 elde edilir.

Alçak frekansta, polistiren içinde çok az mik tarda su bulunması kayıplar Üzerinde bir tesir yapmamaktadır. Stiren'deki kayıplar dipoler ele manların dönüğünden ileri gelmektedir.

Polimerizasyonla dlpoüerin kısmen hareketsiz kalması Bağlanarak kayıplar büyük ölçüde azal tılır. Dielektrik sabitesi 2,52 olacak şekilde yu karıdaki sıcaklık ve frekans şartlarında tg§ nin değeri 2 ila 3xlO 4 mertebesinde bir değere ula şır. Oksldasyonu önlemek için bütün işlemler havasız yerde ve katalizörler kullanılarak saf madde elde edilir. Az kayıplıı polistlren halinde rutubetin yutulması büyük rol oynayabilir. Yük sek frekansta kayıplar hızla artar, örneğin, f = 3.10° Hertz İçin herhangi bir numunede tg = 2,5x10 ' ise, rutubetin emilmesi halinde tgrs = 8xlO 4 olur. Numunenin 70 saat aüre ile % 90 rutubetli bir atmosferde kalmaslle bu so nuncu değer elde edilir.

Eiektrtk Mühendisliği 161

Rutubet, pollfltlren'de basit dlpoller meydana gelmesine sebebiyet verir. Rutubetten polistire ni korumak İçin polimerizasyondan önce ve Bon ra içine az miktarda parafin mumu katılır.

Polistlren dökülmüş halde, kalıplanmış ola rak, bir maddenin içinde erimiş şekilde ve ince levhalar halinde kullanılır.

Birinci halde, monomer stiren maddesi emp renye ve izole edilmek istenen cismin üzerine (meselâ, kablolar gibi) sürülür ve 100"C da po limerizasyon elde edilir. Kalınlığı az olan parça lar üzerinde ıaı ile polimerizasyon sağlanır (Mo nomer'in molekül gramı başına 20.000 kalori harcanması gerekir).

Polistlren daha önce pollmerize edilmiş, ise, blok halinde dökülebllir. Bp bloklar çevre Bıçak lığını aşmayacak şartlar altında kolayca İşlene bilir. Aynı şekilde gerek basınç teslrile, gerek enjeksiyonla (ünlform kalınlık elde etmek İçin) kalıplanabilir ve toz halinde kullanılabilir.

İnce levha halinde polistiren kabloların ve

kondansatörlerin armatürlerinin yalıtılmasında

kullanılır.

'

Pollstiren ihtiva eden sıvılar yalıtkan vernik olarak radyo tekniğinde, einprenye İğlerinde kul lanılır. Polistirenin yumuşama noktası takriben 110°C olup, deformasyon sıcaklığı 80°C dan iti baren başlamaktadır. Oldukça alçak seviyede olan bu sıcaklıklar bazı uygulamalarda ciddi bir takım engeller ortaya çıkarır.

Diğer tarafdan, özel hallerde, oldukça yüksek dielektrik sabitesine ihtiyaç duyulur.

Dielektrik kayıpların nisbeten daha iyi olma sını sağlamak bakımından, pollstiren içine baş ka maddeleı ele katıştırılarak polistirenin özel likleri değiştirilir:.

6) Foliglas : Cam tozu, parafın, madeni cam ve polistiren karışımı olan poliglas yalıtkan maddesinin bir çok çeşitleri vardır. Poliglas P denilen cinsi, % 80 az kayıplı cam tozu (Oorm ing 790 veya Vycor), %• 19,65 Pollstiren, % 0,28 parafin mumu ve % 0,1 madeni camdan (Döw cornlng) meydana getirilmiştir.

Bu yalıtkan madde, madenlerin termik uza malarına uyabilmekte, madenle plastik madde arasındaki birleşim kısımları basmca mukavim bulunmakta, deniz veya hava radar cihazlarında rastlanan büyük sıcaklık değişikliklerine rağ men sızdırmazhğını koruyabilmektedir.

Pollglaa P için, dlelektrik sabitesi ve tg g miktarları sırasüe 3,35 ve 8xl0 « kadardır. Bağ lantı fişlerinin yalıtkanlığını sağlamak, dalga klavuzlannın pencerelerini yapmak İçin kullanı lır.

^7) Polltetrafluoretflen':' Bu maddenin, ticari adı Amerika'da Teflon, ingiltere'de Fluon olup, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç alında CF2 ı= CF2 cisminin polimerizasyonu ile elde edilir. Di ğer bir ifade İle, politen maddesinde hidrojen atomlarj yerine fluor atomları yerleştirilmiş bu lunmaktadır. Teflon'un kalınlığı az olduğu za man şeffaf olup, kalınlığı arttıkça politen gibi rengi beyaz olur. Dielektrik sabitesi 2,1 olup, polyteninkinden' daha küçük (2,3) dur. Çok bü yük frekanslar için dielektrik kayıpları çok az dır. Erime noktası 300° C üstündedir. Politene nazaran mekanik kalitesi yüksektir. Plastik şe kilde İken, '.üzerinde 'çalıgüması1 bir az güçtür. Çubuk, boru veya levha haline.getirilerek kulla nılır.

• Bobinlerin iskeletini veya buna benzer parça ları yapmak İçin İki metod kullanılır. Basit şe killer İçin; basınçla kalıplama usulü uygulanır. Diğer" hallerde, mekanik olarak parçalar işlene rek istenen şekle sokulur.

' Teflon'un kimya bakımından bir takım özel likleri vardır. Yoğunlaştırılmış, ve sulandırılmış asitlere karşı, sıcağa ve soğuğa dayanıklı oldu ğu gibi, aynı şekilde (bazlara ve kullanılmakta oian eriticilere de mukavimdir. Okside olmamak tadır. Bu İzolen, çok az dlelektıik kayıp arzu edi len yerlerde, özellikle çok yüksek frekanslar için, oldukça yüksek sıcaklıklarda ve korrosif madde lerle bir arada kullanılır.

Radar malzemelerinin yapılışında, denizaltı kablolarının İmalinde, aynı eksenli kablolarda, renkli televizyonda büyük ölçüde kullanılır.

8) Silikon: Silikonlar (veya polioksisilan lâr veya polisllooksanlar), oksijen atomları İle o'rganlk silisyum atomlarının birleşmesinden meydana gelen şebekenin polimerizasyonu İle el de edilir. Kimya bakımından bu madde, organik olmayan silikatlar, ile organik maddelerin kom pozisyonundan meydana gelmiştir.

Silikonları hazırlamak İçin, kum, tuzlu su, köniur ve yağa lüzum vardır. Fakat bu maddele rin birleştirilmesi çok karışık bîr İşlemle meyda na gelmekte ve burada Ibu hususu açıklamaya imkân bulunmamaktadır. Fikirleri tesbit bakı mından, silikonlardan birinin formülünü, fenile til silikon olarak (n [CgH, (O,H5) Si O]a ) şek linde yazabiliriz..

Burada, esas elemanlara göre fenlletll sili kon formülü (şekil 8) de gösterilmiştir.

n = 2 olduğu zaman, silikon akıcı ve eritici bir mvı halinde bulunur, pollmerizasyon sıcaklık derecesi arttıkça, ıbu madde reçine haline gele rek yapışkanlığı (viskozitesi^ gittikçe artar.

Diğer, tip silikonlar, sıvı, yağ, kauçuk, yalıt kan vernik İçin reçine ve sıcaklıkla sertleşen rei

CH.

' s*

S " * C1HS

Şekil

Femletıl silikon molekülü.

cine halmde bulunurlar. Büyük frekanslar üze

rinde az kayıplı dlelektrikleri teşkil eden sıvı

silikonlar elektronikte çok kullanılır.

Sıvı silikonlar, ticarete sevkedılen (Dow corning Corporation) birinci sjnıf silikonları teş kil ederler. Bu mamuller, renksiz, kokusuz ola rak iki tip altında piyasada bulunurlar:

— 500 tipi silikonlar, —55°C'a kadar kullanı labilirler.

— 200 tipi silikonlar, —40°C ile 200°C ara

. sında kullanılır.

I

Bu iki tipin herbiri, aynı sıcaklıkta az veya çok akıca olacak şekilde bir çok değişik halde olanları vardır.

200 tipi silikonların yapışkanlığı sıcaklıkla az değişmekte, meselâ, petrol yağlarına nazaran çok daha az yapışkan olmaktadır.

Sıvı silikonlar büyük bir kimyevi etkiye ma lik olup, sıcaklık ile oksidasyona karşı muka vimdirler. Ne madenlere, kauçuğa, eriticilere ve ne de organik plastiklere tesir etmemektedirler. Aynı yapışkanlık derecesinde olan petrol yağla rına nazaran parlama noktası (kapalı kapta bu harların tutuşma sıcaklığı) daha yüksektir.

Yanmasından sonra, silis, karbon gazı ve su elde edilir.

Yüzey gerilimi az olup, santimetre başına 20 dyn kadardır.

Sıvı silikonlar suda erimemekte, ne su ile, ne sulandırılmış asitlerle ve ne de tuz eriyiklerile birleşmemektedir Buna mukabil, aseton ve alkol hariç, organik eriticilerin çoğunda erimektedir.

Uçucu olmayan sıvı silikonların dielektrik sa bitesi, normal sıcaklıkta 2,7 olup. frekansla az değişmektedir. Dielektrik kaybı çok küçük (tg g = 10 4' mertebesinde) olup, 100 MHz'e kadar frekanslarda az değişmekte, daha yüksek fre kanslar için dielektrik kayıplar hızla artmakta dır.

Sıvı silikonların dielektrik sıkılığı 1000 ilâ 1200 V/mm, özgül direnci 10*0 ohm cmVcm olup, 20O°C da bu miktar 1012 ohm cmVcm den daha küçük olmamaktadır.

Elektrik Mühendisliği 181

Sıvı silikonlar, cam veya seramiklerin yüzey lerini ıslatmak özelliğine malik olup, bu madde leri kuvvetle absorbe eder. Silikon filmini ab sorbe eden yüzeyler, rutubeti önleyen yüzeyler haline getirilir.

İzolatörlerin yüzeyine sıvı silikon sürülerek, yüzeyde ancak çok ince bir su filminin teşekkü lüne imkân sağlanır. Silikonun uygulamasından sonra izolatörlerin yüzey direnci çok arttırılmış tır. Ayrıca, silikon yağı denilen, vazelin görünü şünde, şeffaf bir madde mevcut olup, —40°C İle 200° C arasında evsafını muhafaza etmektedir.

Oksldasyona, sıcağa dayanıklı ve cisimlere karşı ilgisizdir. Bu madde, radar tesislerinde, radyoelektrik postalarında bağlantıları rutubete karsı korumak maksadile kullanılır.

Silikon reçineleri, organik olmayan yalıtkan lar yerine (Mika, amyant v.s.) mükesmmelen kulla nılabilmekte, rutubete ve sıcaklığa dayanıklı bulunmaktadır.

Silikon reçineleri ile cam tozunun karıştırıl masından elde edilen Poliglas S maddesinin die lektrik sabitesi 10 MHz'e kadar frekanslar için 3,5 — 3,6 ve tg § değeri de 0,001 ilâ 0,002 ara sındadır.

9) Diğer yalıtkanlar : Doymuş hidrokarbur lerin polaritesi olmadığından dielektrik kayıpları

çok küçüktür. Parafin ve naftalin karığımı yağ lar transformatörlerde, kondansatörlerde, kâğıd larm emprenye edilmesinde kullanılır. Dielektrik sabitesi 2 İlâ 2,2, tg 8 değeri de orta frekanslar için 2.10 < mertebesindedir.

Cam ve seramiğin dielektrik kayıpları azdır. Aşağıdaki tabloda, şeffaf cam ellisinin (bazen erimiş kuars olarak da adlandırılır) kayıp açısı nın çok küçük olduğu görülmektedir. Kuru hal de iken tg s değeri küçük olan kağıdın kayıp açısı, çok alçak frekanslar için (100 MHz mer tebesinde) ıbinde bir kaça düşmektedir. Frekan sın artması halinde bu miktar artmakta ve yüz de bir kaç mertebesine yükselmektedir.

Aşağıdaki tabloda, yukarıda sözü geçen ve geçmeyen yalıtkanların bazı özellikleri verilmiş tir.

IV — Netice : Burada, az kayıplı yalıtkanla rın bir kısmı İncelenmiştir. Halihazırda az ka yıplı yeni yalıtkanlar bulmak için çok büyük gayret harcandığı itiraz kabul etmez bir gerçek tir. Yalnız mekanik ve elektrik kalitelerini dü zeltmek için değil, yeni malzemelerin bulunma sile, evvelce bilinen politen gibi iyi dielektrikle rin maliyet «atlarının da düşürülmesine çalışıl maktadır.

Malzemenin Adı

Mika (Açık renkte) Mlkaleks Polyten Polyizobutylen Polyetyren PolygJas P Teflon Silikon tip 500 (viskozite: 3) Silikon tip 200 (viskozite: 350) Polyglas S Cam silisi Corning camı 8460d (Borosllikat döbaryum Yağ C% 68,9 parafin % 31,1 naftalin)

Az kayıplı bazı yalıtkanların temel özellikleri

KKtg g

Yoğun luk

t

10' 10' 10' 10" Hz Hz Hz Hz

Erime noktası

C

2,8

5,4

3.

3,8

7,4

19 13 — 33

0,95

2,2ö

2,23

4—

—.

1,05

2,52

3,38

9 9 11 19

2,2

2,1

0,972

0,896 — —

2,7

2 68 270

2,4

96 320

3,6

11 15 30 46

3,78

—70

_ — 1430

8,3

35 57

2,15

8 13

Şekil de ğiştirme sıcaklığı

C 600 350 — —

85 — 60

— 1150

_

Halen ençok kullanılan ve İyi kalitede olan yalıtkanların kullanma yerleri ve özellikleri be* llrtümeğe çalışılmıştır.

Bazı hallerde, fabrikasyon esnasındaki işlem lerin kayıp açısı üzerine etki yaptığını, anormal şartlara geçişte bir dielektrik kalitesinin değiş tiğini hatırdan çıkarmamak lâzımdır, örneğin, az kayıplı bir yalıtkanı fazla miktarda ısındık tan sonra, normal ısı derecesine indirlrsek, ka yıpların çok arttığı görülür.

Az kayıplı yalıtkanların kullanılması sırasın da suyun çok fena tesir ettiğini asla gözden uzak tutmamak gerekir. Bu au, gerek absorbe edilmiş ve gerekse yüzeyde depo edilmiş olsun, çok teh likelidir. Bir kondansatörün kayıp açısını kü çültmek için armatürleri çok iyi dielektrik olan cam silisi ile izole etmek yoluna gidilir.

Dielektrik kayıplar üzerine maddenin saf olmamasının ve eser miktarda yabancı madde ler ihtiva etmesinin de oldukça büyük etkisi vardır.

Bibliyografi :

— J. Garnier — Les dielectrk[ues, Les proprl etea ıâlectriques des râsines synthetiques.

— W. Jackson, J.S.A. Forsyth — The develope ment of polythene as a high frequencies.

— A. Von Hippel, L. G. Wesson — Polysty rene plastics as high frequency dlelectrlcs. ,

— F. Appell — Les sllicones, nouveaux isolants e'lectrlrfjues.

— M. Deribere — Le mica et ses succSdanes.

Milletlerarası Toplantılar Takvimi

' 30 Ağustos S Eylül 196» — Radyo ve Tele vizyon milletlerarası sergisi — Parla Fransa da.

15 Eylül — 6 Okun 1889 — Aydınlatma mil letlerarası Sergisi. Grand Palalsde, Parts, Fran sa'da.

22 28 Ekim 1970 — Elektronik Komponent Jert, ölçü Teçhizatı ve Benzeri Fabrikasyon Ü rünlerine alt 4 üncü milletlerarası sergisi — Ala nı, Munich, Batı Almanya'da.

22 26 Eylül 1969 — Aydınlatana Birinci Av rupa Kongresi, insan hayatında aydınlatmanın yeri. Strasbourg, Fransa'da (bilgi İçin: Associa tion françalse de l'Eclairage, 52, Boulevard Ma lesherbes, 75 Parts 8, France).

23 25 Eylül 1969 — Katı manyetik malze meler Avrupa Konferansı. Federazlone delle Assoclazlonl Scientlfiche Techniche (F.A.S.T.) binasında, Milano, italya da (bilgi için: F.A S.T., 2, Piazzale Rodolfo Morandi, 20121 Milano, 1ta lle).

11 15 Mayıs 1970 — Modern elektrik sant nallan konusunda milletlerarası araştırma günü. Liege Kongre Sarayı, Ltege, Belçfak'da (bilgi için: Assoclation des Ingtoieurs electriens sortls de l'Institut 61ectrotechnique Montefiore, 64, Boulevard Emlle de Laveleye, Llege, Belgi que).