Yüzey Gerilim Kuvvetleri

Bütün sıvılarda şiddeti sıvının türüne göre değişen moleküller arası çekim kuvvetleri (kohezyon kuvvetleri) bulunmaktadır. Sıvılarda iç kısımlarda (sıvının çeşitli derinliklerinde bulunan) moleküller çevresindeki komşu moleküller tarafından her yönden eşit olarak , diğer bir ifadeyle küresel simetrik şekilde, çekim kuvvetlerinin etkisi altında bulunurlar. Böylece sıvı içerisindeki bir moleküle etkiyen kuvvetler birbirlerini dengeler. Oysa sıvının yüzeyinde bulunan bir molekül (sıvı- buhar ara yüzeyi göz önüne alındığında) buhar fazındaki yoğunluk sıvı fazdan düşük olduğundan, sadece yüzeyin altındaki moleküller tarafından sıvının içerisine doğru çekilirler. Sıvı içerisindeki moleküller, yüzeydekilere göre daha fazla çekim kuvvetinin etkisi altında bulunduklarından potansiyel enerjileri, yüzeydeki moleküllerin potansiyel enerjilerinden daha düşüktür. Çünkü genel olarak bilinmektedir ki bir cisme etki eden çekim kuvvetleri ne kadar fazla ise cismin potansiyel enerjisi o kadar düşüktür. Şekil 1 de buhar ile temasta bulunan bir sıvı sistemi görülmektedir.

Korunumlu kuvvetlerin bulunduğu bîr ortamdaki bir cisim, bulunduğu yer dolayısıyle bîr iş yapına yeteneğine, yani bir ener­jiye sahiptir. Bu enerjiye potansiyel enerji denir. Bu ortamda cismin hız enerjisindeki bir değişim, onun konumunu da değiştireceği için, potansiyel enerjisi de değişir. Hız enerjisindeki değişim, potansiyel enerjideki demişime değerce eşit fakat işaretçe zıttır. Yani

Kütle Çekim Kuvveti

Yukarı atılan bir cisim, bir süre sonra döner ve yere düşer. Irmaklar hep yukarıdan aşağıya doğru akar. Bunun açıklamasını "yerçekimi" olarak yaparız. Bu, tüm kütleli nesnelerde, gezegenlerde ve yıldızda varolan bir kuvvettir ve ona "kütle çekimi" diyoruz.

Bu çekim, en yoğun cisimleri ve "boşluğu" eşit oranda donatır. Ondan korunmanın ya da onu etkilemenin hiçbir yolu yok. Uzaklıkla azalır; ama hiçbir şekilde kaybolmaz. Atmosferi Yerküre'nin çevresinde tutan kuvvet ya da bizim Evren boşluğuna uçup gitmemizi engelleyen kuvvet, Dünya'nın uyguladığı kütle çekimi kuvvetidir.

Bir yapma uyduyu, Dünya yörüngesine yerleştirmek için gerekli hız, saniyede 8 kilometreden (8 km/s) az değildir. Dünya'nın çekiminden kurtulmak ve onu temelli terk etmek için saniyede 11.2 kilometre hız yapmak gerekir. Güneş'in kütle çekimi daha büyüktür. Çünkü Güneş'in kütlesi, Dünya'nınkinin 400 bin katıdır. Güneş'in kütlesel çekimini aşabilmek için saniyede 16.7 kilometrelik hız gerekir.

Kuşkusuz insanoğlu çok eski zamanlarda da kütle çekimini sezmiş ve onu hesaba katmış olmalı. İlginçtir, bilinen bu eski kuvvet, çağlar boyu açıklanamamış olarak kaldı. Kütle çekimi için bilimsel bir kuram geliştiren ve bunu Evren'i kapsayacak kadar genişleten, büyük İngiliz bilimcisi Sir Isaac Newton (1642-1727) idi.

Elektormagnetizmanın temelinde elektrik yükü kavramı vardır. elektrik yüklerinin varlığı eski Yunan zamanından beri biliniyordu, ancak ayrıntılı deneysel araştırmalar 1600 yıllarında Gilbert tarafından yapılmaya başlandı. Elektrik yükü hakkında bilinen genel deneysel gerçekler aşağıdaki gibi özetlenebilir:

1.     Elektrik yükü madde içinde taşınır.

2.     Geleneksel olarak pozitif ve negatif olarak isimlendirilen iki tür yük vardır. genellikle cisimler, taşıdıkları negatif ve pozitif yükler birbirlerini dengeledikleri için yüksüz görünürler. Cisimlerde pozitif yükler protonlar, negatif yükler elektronlar tarafından taşınır . doğuda yükler daima (+e), (-e) olarak toplam yük sıfır olmak üzere yeralırlar.

3.     Durgun iki nokta yük arasındaki kuvvet noktaları birleştiren doğru boyuncadır.

4.     Kuvvetin büyüklüğü, r iki nokta arasındaki uzaklık olmak üzere r^-n ile orantılıdır. n = 2 ± 1  10^-9 olarak bilinmektedir; n = 2 olduğuna inanmamak için hiçbir neden yoktur.

5.     Elektrostatik kuvvet, q_a  ve  q_b nokta yüklerin taşıdığı yük miktarları olmak üzere q_aq_b ile orantılıdır. (q_aq_b) negatif  ise kuvvet çekici (q_aq_b) pozitif ise iticidir.

Yukarıda listelenen deneysel gerçeklerin matematiksel ifadesi Coulomb yasasıdır:

q_a

0

                                                                              (1)

burada  q_b   nin   q_q    ya  uygulandığı kuvvet ve  q_b  den  q_a  ya giden vektördür. (1.1) denklemi rasyonalize MKSA (SI) birimler sisteminde yazılmıştır ve deneyle tayin edilen t, sabitine “boşluğun geçirgenliği” adı verilir:

        e_s = 8.854187817  10¹²  F m^-1 (/N^-1 C² m^-2)

            @ 10^-9 / (36p) Fm^-1                                                                                        (2)

(1.1) bağıntısı, farklı noktaları vurgulamak için değişik biçimlerde yazılabilir: Örneğin yasadaki 1/r² bağımlılığını vurgulamak için,

                                                                                                     (3)

yazılabilir, burada    q_b  den q_a  ya yönelik birim vektördür. Aynı bağıntıda kuvvetin yer vektörlerine bağlılığını açık olarak görmek için,

                                                                                             (4)

yazılabilir.

p-n KAVŞAKLARININ ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ

KATKILI YARI İLETKENLERDE

                                                                        ELEKTRİK İLETKENLİĞİ

            En mükemmel yöntemlerle temizlenmiş bir Si veya Ge örneğinde yabancı atomların (kir atomları) konsantrasyonu yüz milyonda bir mertebesine kadar indirilebilmektedir. Bu saflıkta bir Si kristalinin cm3 de yine de   N = N_A .(2.33/14). 10 ^-11 = 10¹²  yabancı atom bulunuyor demektir. Bu yabancı atomların hepsinin 5 değerli bir elementten kaynaklandığını ve oda sıcaklığında bunların hepsinin iyonlaşmış olduğunu düşünürsek cm³ başına 10¹² elektron kristalin iletkenliğine katkıda bulunabilecek demektir. Bu sayıyı, mutlak saflıkta bir Si krtistalinin oda sıcaklığındaki elektron sayısı ile karşılaştırmak ilginç olacaktır.

            m_e* = 0.2 m_e   E_F = E_y/2   E_y = 1,14 eV   alarak ,

bulunur. Görülüyor ki 5 değerli yabancı elementlerin, oda sıcaklığında kristale verdiği serbest elektron  sayısı, asal iletkenlik elektronları sayısından yakalaşık 10⁴ defa fazla olmaktadır. Bu sonuç, oda sıcaklığında, asal yarı iletkenlik gösterebilecek saflıkta bir silisyumun yapılmasının hemen hemen olanaksız olduğunu göstermektedir.

Şekil 1. Si kristali içinde bir fosfor kir atomu.

            Elektron valens bandından iletkenlik bandına çıkarken terk ettiği yer, bir negatif yük azaldığı için, pozitif yüklü bir parçacık gibi davranır. Elektronun valens bandını terk ettikten sonra geride bıraktığı ve tamamen elektron benzeri davranış gösteren ve elektron kütlesine eşit kütleye sahip bu pozitif boşluğa elektron boşluğu (elektron hole, deşik) denir. Komşu atomların valens veya daha iç seviyelerindeki elektronlar bu elektron boşluğuna geçiş yapabilirler. Böylece bu kez onların geldiği enerji düzeyinde bir elektron boşluğu oluşur. Bu davranış, elektron boşluğunun hareket etmesi olarak yorumlanabileceğinden, yarı iletkenlerde iletkenlik bandına sıçrayan elektronlar yanında, valens bandındaki elektron boşlukları da iletkenliğe katkıda bulunur. Dolayısıyla yarı iletkenlerdeki elektrik iletkenliğinin iki bileşeni vardır ve toplam iletkenlik bu iki bileşenin toplanmsı ile bulunur.

Elektriksel iletkenlik = Elektron iletkenliği + Boşluk iletkenliği