Piezoelektrik Nedir?

Piezoelektrik

Piezoelektrik nedir?

Piezo kelimesi,

Yunanca’dan türetilmiş; sıkıştırmak, basınç uygulamak anlamlarına gelmektedir. Piezoelektrik kristal yapıdaki cisimlerin kendilerine dışarıdan uygulanan basınç miktarı ile orantılı olarak elektrik üretme özelliğine denir. İki ucundan basınç uygulanan kristal yapının yine bu iki ucu arasında potansiyel farkı (Voltaj) ölçülebilir.

Piezoelektrik olayı; 1880 yılında Fransız fizikçiler Pierre Curie ve Jacques tarafından keşfedilmiştir. Piezoelektrik özellik, mekanik bir enerjiyi elektriğe veya tam tersi olan elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirebilmektedir. Mekanik sıkıştırma sonucu voltaj üreten; voltaj uygulandığı zaman mekanik titreşim elde edilen bazı kristal ve seramiklere ait özelliktir.

Mekanik enerjiden voltaj üretimine piezo olayı; voltajdan mekanik titreşim üretimine de ters piezo olayı denir. Aynı şekilde, bu işlemin tersi de geçerlidir. Yani dışardan voltaj verildiği zaman kristal yapının şekli az da olsa değişir. Deforme edilmiş piezoelektrik disk bir voltaj yaratır. Bu özellik, basınç ölçüm aletlerine, ses kayıt ve üretme aletlerinde ve çok ince ayar gerektiren optik odaklama cihazlarında kullanılır. 400 kHz gibi yüksek bir frekansta çalışabilir. Piezoelektrik (piezoelectric) polimerlerden ya da seramiklerden de, aynı doğrultuda uygulanan yük (basma ya da çekme) sırasında malzeme içinde ki kristal yapının her iki tarafında bulunan +q ve –q yüklerin ortaya çıkması sonucu meydana gelir.

Piezo olayını oluşturan kristaller arasında kuartz, tormalin, rokel olarak bulunur. Doğada ki  şekli ile kullanılması mümkün değildir. Kristallerin titreşim frekansı ve ürettiği voltaj kesiliş şekilleri, yüzey işlemleri ile yakından ilgilidir. Kristalin merkeze göre kesim yüzeylerinin simetrik olması gerekir.

Baryum titanat, kurşun zirkonat titanat ve potasyum sodyum niobat gibi bazı seramikler de piezoelektrik olayı meydana getirecek özelliktedir. Bu seramikler çok kristalli malzemeler olup, normal porselen seramikler gibi üretilebilir. Bunlara daha sonra yüksek DC voltaj uygulaması ile  piezoelektrik özellik kazandırılır.

Kullanılışı:

Piezoelektrik kristal (piezoelectric crystal) ve piezoelektrik seramikler; mekanik titreşimlerin elektrik dalgalarına, elektrik dalgalarının mekanik titreşimlere çevrilmesi istenilen elektromanyetik çeviricilerde (transdüserlerde) kullanılır. Kristal mikrofonlar, gemilerde derinlik ve hedef bulmaya yarayan sonar cihazlarında, piezoelektrik kristallerden faydalanılır. Sonar cihazında piezoelektrik hadisesiyle su içine ses yayımı yapılır. Sesi çıkaran, elektrik enerjisi etkisiyle titreşen kristallerdir. Suya yapılan ses hedefe çarpıp yansıyınca bu defa kristaller, suyun ses dolayısıyle sıkışması ile titreşir. Titreşen kristaller elektrik dalgaları üreterek ses ve ekranda görüntü olarak hedef tespiti yapılır.

Tarihi:

Pierre ve Jacques Cruie Kardeşler 1880’de Fransa’da kristalleri farklı yönlerden sıkıştırarak voltaj ürettiklerini keşfettiler. 1881’de Fransız Gabriel Lippmonn, piezoelektrik olayının tersini deneyle ispatladı. Piezoelektrik olayından yararlanılarak Birinci Dünya Savaşında denizaltı gemilerini belirlemede kullanılan basit ultrasonik cihazları yapıldı. Bu cihazlar geliştirilerek bugünkü modern gemilerde kullanılan sonar cihazlarına dönüştü. Piezo kristal ile birlikte aynı işi görebilecek piezoelektrik seramik 1940 senelerinde geliştirildi.

Piezoelektrik özellik; 

Piezoelektrik özelliği, (özellikle kristaller ve belirli kristaller; kemik gibi) bazı malzemelere uygulanan mekanik basınç sonucunda, malzemenin elektrik alan veya elektrik potansiyel değiştirme yeteneğidir. Bu etki, malzemenin içindeki polarizasyon yoğunluğundaki değişmeyle doğrudan alakalıdır. Eğer malzeme kısa devre değilse, uygulanan stress malzemede bir voltaj meydana getirir.

Sürekli kutuplaşmaya sahip bir asimetrik iyonsal kristale basınç uygulanırsa kutuplar arası uzaklık azalır, yüzeyinde yük birikimi artar, dolayısıyla iki uç arasında bir gerilim farkı doğar ve bir iletkenle birleştirilirse akım akar. Böylece mekanik etki elektriksel büyüklüğe dönüşür. Diğer taraftan, aynı kristalin iki ucu arasına bir gerilim uygulanırsa (-) yükler (+) elektroda, (+) yükler (-) elektroda doğru çekilir , (-) ve (+) yük merkezleri arasında uzaklık artar ve bunun sonucu kristalin boyu büyür. Alanın yönü değişirse aynı işaretli yükler birbirlerini iter ve kristalin boyu kısalır. Böylece elektriksel etki mekanik büyüklüğe dönüşür. Bu davranışa piezoelektrik özellik denir.

Piezoelektrik Rezonans: 

Bir kuvars levhası bir fo mekanik titreşim frekansı olan esnek bir katıdır (genleşme ve sıkışma). Bu frekansın degeri : f₀=V/2e ‘dir.
Burada V, titreşimin kuvarsta ilerleme hızı(3500 m/sn) ve e, titreşim dalgasının yarı uzunluğuna eşit olan levha kalınlığıdır. 1 mm’lik kalınlık icin: fo =3500/2×0,001=1750000 hertz. Bir kuvars levhası fo frekansında titreşim yaptığında, bu levha üstüne uygun biçimde yerleştirilmiş iki elektrot arasında aynı fo frekansında değişen bir gerilim elde edilir. Dolayısıyla kuvars levhası salınan bir elektrik devresine benzetilebilir.

Piezoelektriğin Uygulama Alanları

Piezoelektrik kristal ve piezoelektrik seramikler, mekanik titreşimlerin elektrik dalgasına, elektrik dalgalarının mekanik titreşimlerine çevrilmek istenen elektromanyetik çeviricilerde kullanılır.
( Son yılların önemli buluşlarından tarama problu mikroskoplardan biri olan TTM ’nin de diğerlerinde olduğu gibi en önemli parçalarından birini, probun üç boyutta (piezo actuator: piezoelektrik başlatıcı) devinmesini, piezoelektrik seramik oluşturuyor.)
Radyo vericilerinin frekans kontrolleri, telefon iletişimi uygulamalarındaki dalga filtrelerinde kullanılırlar. Ayrıca kristal mikrofonlar, gemilerde derinlik ve hedef bulmaya yarayan sonar cihazlarda, piezo kristal malzemesinden yararlanılır. Sonar cihazında piezoelektrik olayıyla su içine ses yayımı yapılır. Sesi çıkaran elektrik enerjisi titreşen kristallerdir. Ses yansıyınca bu defa kristaller suyun ses yüzünden sıkışmasıyla titreşir. Titresen kristaller elektrik dalgaları üreterek ses ve ekranda görüntü olarak hedef tespiti yapılır. Ters piezoelektrik yardımıyla bir seramik malzemede önemli ölçüde sekil değişimi oluşturulabilir. İşte bu özellikler, hırsız alarm için ultrasonik ses üreteçleri ve ultrasonik cihazlar, otomatik kapı açıcıları ve uzaktan kumanda araçları gibi çok sayıda özel amaçlı kullanım için olanak sağlıyor.

Piezoelektrik Malzeme 

Piezoelektrik malzeme (piezoelectric material), içinde kullanılmakta olan çoğunlukla kurşun-zirkonyum-titanyum (PZT) seramiktir. Piezoelektrik etki yaratmak için en önemli olan simetri merkezi olmayan kristaller kullanmaktır. Kullanılan başlıca piezoelektrik malzemeler (piezoelectric materials): Kuartz (SiO2) Turmalin Baryum Titanat (BaTiO3) Çinko Oksit (ZnO) PVDF (Poli-vinilidin-klorür)

Piezoelektrik malzeme terslenebilirdir; yani “direk piezoelektrik etki” sergileyen (stress uygulandığı zaman  elektrik potansiyel üreten) malzemeler, ters piezoelektrik etki (uygulanan elektrik alan sonucunda stress-strain üretimi) de gösterirler. Örnek olarak, kurşun zirkonat titanat kristalleri, orijinal boyutundan %0,1 oranına kadar şekil değiştirebilirler. Bu etkinin “sesin meydana getirilmesi ve algılanması”, “yüksek voltajlar meydana getirilmesi”, “elektronik frekans yaratılması”, “mikrobalans”, ve “optik çevrimcilerin aşırı ince odaklanması” gibi kullanışlı uygulamaları vardır.

Piezoelektrik Kullanım Alanları

Piezoelektrik malzeme evlerde birçok alanda kullanılır. Ucuz ve hassas seramik fonograf (gramofon) kasetleri yürütücü dizaynını kolaylaştırdı ve kayıt çalarların ucuz olmasını ve yapımının kolaylaşmasını sağladı. Ultrasonic dönüştürücüler katı ve sıvılarda viskozite ve elastisite ölçümünün kolaylaştırılmasına ve sonuç olarak malzeme araştırmasında büyük gelişmelerin oluşmasına sebep olmuştur.

Piezoelektrik malzeme enerji üreteçleri olarak kullanılmaktadır. Piezoelektrik malzeme, MP3 oynatıcılara, telefonlara  vb. yetecek kadar enerji üretebilir. Ayakkabının tabanı piezoelektrik maddelerden üretilebilir. Her adım atıldığında elektrik üretimi sağlanabilir. Kişisel elektronik cihazlarda kullanılması için bataryalarda depolanabilir yada doğrudan kullanılabilir.

Mikrofonlarda da piezo etkiden faydalanılmaktadır. Sesin meydana getirdiği ses dalgalarından gelen basınçla  piezoelektrik malzeme sinyal üretip, bu sinyaller yükseltilerek hoparlörlere ulaşır.
Günümüzde alternatif enerji kaynakları önemli bir konudur. Bu kapsamda, piezoelektrik malzeme çalışma prensibinden dolayı alternatif enerji kaynağı olarak düşünülebilir. Özellikle uygulandıkları yapılar göz önünde bulundurulsa toplanan enerji , uygulanan yapının tüm enerji ihtiyacını karşılayabilir. Bu yapılara örnek verirsek yapısal sağlık izlenim sensörleri ve mini insansız hava araçları verilebilir.

Aynı zamanda atomik çözünme sonucunda bilimsel birçok tekniğin (taramalı prop mikroskoplar olan STM, AFM, MTA, SNOM gibi) temelini meydana getirmekle birlikte, günlük kullanımda ateşleyici olarak çakmaklarda ve barbekülerde kullanılmaktadır.

Temiz Enerji İçin Piezoelektrik  Kullanmanın Faydaları

Yollara döşenmiş bu sistemle arabaların ürettiği basıncın etkisiyle elektrik üretimi ve lambaların ihtiyacı olan enerji elde edilecek. Sürekli kullanılan yani insan kalabalığının yoğun olduğu caddelerde yollarda insanların yere basarken uyguladığı basınç ile sokak lambaları, dükkanların enerjisi  buralardan üretile bilir. Bu basit sistemler geleceğimizde artık kullanılmak zorundadır. Zira daha temiz ve yaşanılabilir ortam için bu şarttır.

Piezoelektrik Malzemelerin Kullanım Alanları Enerji Dönüşüm Yönüne Göre 3 Grupta İncelenebilir :

1 – Mekanik Enerji Elektrik Enerjisi Dönüşümü

• Sigortalar
• Titreşim algılayıcıları
• Mikrofonlar
• Pikap kartujları
• Gaz ateşleyiciler
• Hızölçerler

2 – Elektrik Enerjisi Mekanik Enerji Dönüşümü

• Kulaklıklar
• Valfler
• Mikro pompalar
• Sonik dönüştürücüler
• Ultrasonik temizleyiciler

3 – Elektrik  Mekanik Elektrik Enerjisi Dönüşümü

• Transformatörler
• Osilatörler
• Yüzey akustik dalga ölçerler
• Sonarlar (deniz araştırmalarında)