Piezoelektrik

0
16

Piezo kelimesi Yunan dilinde “basınç” anlamına gelmektedir. Piezoelektrik ise; kristal yapıdaki cisimlere dışarıdan uygulanan basınca orantılı olarak elektrik üretme özelliğine denir. Başka bir deyişle mekanik enerjinin basınçla elektriğe dönüştürülmesi işlemidir.

Özellikle 90’lı yıllarda çocukların kullandığı ışıklı spor ayakkabıları hatırlar mısınız? Hani her adım atışımızda yanardöner ışıklar saçan, neredeyse bütün çocukların sahip olmak istediği renkli ve ışıklı ayakkabılar… Peki nasıl oluyordu da herhangi bir elektrik mekanizmasına bağlanmadan veya şarj edilmeden çalışıyordu onlar? İçlerinde pil mi vardı? Eğer öyleyse bu piller neden hiç bitmiyordu? Günlük hayatta en çok kullandığımız eşyalardan biri olan çakmağın çalışma prensibini hiç merak ettiniz mi? Küçücük çakmaklardaki o ateşleme sistemini harekete geçiren nedir mesela?

“Piezo” kelimesi Yunan dilinde “basınç” anlamına gelmektedir. Piezoelektrik ise; kristal yapıdaki cisimlere dışarıdan uygulanan basınca orantılı olarak elektrik üretme özelliğine denir. Başka bir deyişle mekanik enerjinin basınçla elektriğe dönüştürülmesi işlemidir. Bunun tam tersi de mümkündür. Yani elektrik enerjisi basınç ile mekanik enerjiye çevrilebilmektedir. İki ucundan basınç uygulanan kristal yapının bu iki ucu arasındaki potansiyel farkı ölçülebilir. Bu olay; 1880 yılında Fransız fizikçi kardeşler Pierre Curie ve Jacques Curie tarafından, kristallere farklı yönlerden mekanik kuvvet uygulayarak voltaj ürettiklerini keşfetmeleri sonucu bulunmuştur. İletken plakalara dışarıdan voltaj uygulandığında da mekanik titreşim meydana gelir. Bu titreşime ise “Ters piezo etkisi” ismi verilmiştir. Ters piezo etkisini ise 1881 yılında yine bir Fransız olan Gabriel Lippmonn, bir deney ile ispatlamıştır. Piezoelektrik olayından yararlanılarak ilk defa 1. Dünya Savaşı’nda denizaltı gemilerini belirlemekte kullanılan ultrasonik basit cihazlar yapıldı. Daha sonra bu cihazlar geliştirilerek bugünkü gemilerde kullanılan modern sonar cihazları oluştu. Piezo kristal ile aynı işi görebilecek özellikteki piezo seramik ise 1940’lı yıllarda geliştirildi. 2. Dünya Savaşı sırasında Amerika, Rusya ve Japonya’daki araştırmacıların bulduğu ve ferroelektrik madde olarak isimlendirdikleri bu madde, içeriği ile piezo maddelerden çok daha işlevseldi.

Piezo olayını oluşturan kristaller arasında kuvars minerali, turmalin ve Rochelle tuzu bulunur. Kristallerin titreşim frekansı ve ürettiği voltaj miktarı, kesiliş şekilleri ve yüzey işlemleri ile alakalıdır. Kristalin merkeze göre kesim yüzeyinin simetrik olması şarttır. Baryum titanat, kurşun zirkonat titanat ve potasyum sodyum niobat gibi bazı seramikler de piezoelektrik olayını oluşturacak özelliklere sahip maddelerdir. Bu maddeler çok kristalli malzemeler olup, normal porselen seramikler gibi üretilebilir. Daha sonra ise yüksek DC voltaj uygulaması ile piezoelektrik özellik kazandırılır.

Piezoelektrik özellik; bazı kristaller ile kemik gibi malzemelere uygulanan mekanik basınç sonucu, malzemenin elektrik potansiyelini ya da elektrik alanını değiştirme özelliğidir. Malzemenin içindeki polarizasyon yoğunluğundaki değişim ile direkt alakalıdır. Eğer malzeme kısa devre değilse uygulanan basınç bir voltaj meydana getirir. Düzenli kutuplaşmaya sahip bir asimetrik iyonsal kristale basınç uygulanırsa kutuplar arası uzaklık azalır, yüzeyde yük birikimi artar ve dolayısıyla iki uç arasında bir gerilim farkı doğar. Bir iletkenle birleştirildiği takdirde akım akar. Böylelikle mekanik etki elektriksel potansiyele dönüşür. Öte yandan aynı kristalin iki ucu arasına bir gerilim uygulanırsa (-) yükler (+) elektroya, (+) yükler (-) elektroya doğru çekilir (-) ve (+) yük merkezleri arasında uzaklık artar ve bunun neticesinde kristalin ebadı genişler. Alanın yönü değişirse aynı işaretli yükler birbirini iter ve ebadı azalır. Böylece elektriksel etki mekanik büyüklüğe dönüşür. Bu duruma piezoelektrik özellik denir.

Doğru piezoelektrik oluşumu şöyle açıklanabilir; piezo kristal veya seramik malzeme iki metal plaka arasına yerleştirilir. Etkiyi oluşturabilmek için sıkıştırılacak veya sıkılacak malzemeye ihtiyaç duyulur. Piezo kristal veya seramik malzemeye uygulanan mekanik baskı ile birlikte elektrik üretilmiş olur. Malzemenin tüm boyutu üzerinde voltaj potansiyeli mevcuttur. İki metal plaka piezoelektrik malzemeyi çerçeveler. Bu plakalar voltaj oluşturan yükleri toplar. Bu sayede piezoelektrik etki küçük bir pil gibi davranır. Çünkü elektrik üretmeye başlar. İşte bu durum doğru piezoelektrik etki olarak gösterilir. Ters piezoelektrik ise bu durumun tam tersi halinde oluşur. Bir piezo maddenin genleşmesini veya küçülmesini sağlamak için voltaj verilerek uygulanır. Ters piezoelektrik etki, akustik ses üreten cihazlarda geliştirme sağlamak için uygulanabilir.

Piezoelektrik kristal ve piezoelektrik seramikler; mekanik titreşimlerin elektrik dalgalarına, elektrik dalgalarının ise mekanik titreşimlere çevrilmesini sağlayan elektromanyetik çeviricilerde, yani transdüserlerde kullanılır. Gemilerde derinlik ve hedef bulmaya yarayan sonar cihazlarında, kristal mikrofonlarda piezoelektrik kristallerden yararlanılır. Sonar cihazlarında piezoelektrik olayı ile denizlerde su içine ses yayımı yapılır. Elektrik enerjisi etkisi ile titreşen kristaller ses çıkarır. Suda oluşturulan ses hedefe çarptıktan sonra yansıyınca bu sefer kristaller, suyun ses etkisiyle sıkışması nedeniyle titreşir. Böylece titreşen kristaller elektrik dalgaları üreterek ekranda görüntü ve ses olarak hedef tespiti yapar.

Piezoelektriğin pek çok kullanım alanı bulunmaktadır. Piezoelektrik sensörleri darbe veya yüksek hızda sıkıştırma gibi kuvvet algılama uygulamalarında kullanılır. Kullandığımız birçok bilgisayar yazıcısının kartuşları piezoelektrik olayı sayesinde çalışmaktadır. Piezoelektrik dönüştürücüler; alarmlar ve saldırı dedektörleri gibi ultrasonik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Piezoelektrik sensörler yüksek hassasiyete sahiptir. Mikrofon, hassas terazi, ivmeölçer ve hareket algılayıcılar gibi ölçüm yapan sistemlerde kullanılırlar. Günlük hayatta en çok kullanımını ise kulaklıklarda, çakmaklarda, mikrofonlarda ve çocukların giydiği ışıklı ayakkabılarda görebiliriz. Telefon uygulamalarının dalga filtrelemelerinde ve radyo vericilerinin frekans kontrollerinde de kullanılmaktadır. Örneğin; akıllı telefonunuzda bir ses tanıma yazılımı veya akıllı asistan kullandığınızda, sesinizi algılayan mikrofon muhtemelen piezoelektrik ile işlev görüyordur. Bilgisayar veya telefonunuzda bulunan piezo kristal algıladığı sesi ses enerjisine çevirerek elektrik sinyallerine dönüştürür. Ayrıca arabalardaki hava akış sensörleri, airbag sensörleri, alarmlar, yakıt püskürtücüleri, park sensörleri ve emniyet kemeri uyarıcıları da piezoelektrik sayesinde çalışmaktadır.

Şimdilik piezoelektrik sayesinde üretilen enerji miktarı miliwatt cinsinden olup düşük seviyelerde olsa da bu sistemler geliştirildiği takdirde temiz enerji elde edebilmek mümkün olabilir. Mesela yollara döşenecek bu sistemle, arabaların oluşturduğu basıncın etkisi ile elektrik üretimi sağlanabilir ve en azından sokak lambalarının elektrik ihtiyacı karşılanabilir. Aynı sistem insan kalabalığının yoğun olduğu caddelerde de kullanılarak enerji üretilebilir. Spor yaparken, yürürken veya koşarken kullandığımız ayakkabının içine yerleştirilecek basit bir sistem, cep telefonlarımızı şarj edecek enerjiyi kolaylıkla sağlayabilir. Tüm bunlar göz önünde bulundurulduğunda, temiz bir çevre için gelecekte önemli bir alternatif enerji kaynağı olacağı düşüncesiyle çok yakın zamanda geliştirilmesi gereken bir sistem olacağı değerlendiriliyor.

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here