Bilimin Gizemli Bir Elektrik Üreteci |
Piezoelektrik Kristal

Günümüz elektrik üretiminde tam olarak hala yeri alamamış olan ve adını bile duymamış olduğunuz bu sihirli kristaller geleceğimizin elektrik üretimin de pay sahibi olmaya aday. Bu yazımızda basınç ve mekanik etkiyle piezoelektrik kristallerinin nasıl elektrik ürettiğini okuyabilirsiniz.

A- A+

06.08.2013 tarihli yazı 129871 kez okunmuştur.

Piezoelektriğin Tarihine Göz Atalım

Piezoelektrik kelimesi Latince bastırmak-press anlamındaki “piezo” ön ekinden türetilen bir kavramdır. Piezoelektrik iletken olmayan billurdan yontulmuş bir levha belli bir doğrultuda uygulanan bir baskı (çekme ya da sıkıştırma) sonunda,billur levhanın iki yüzünde ters işaretli yüklerin (+q ve -q) çıkmasıyla nitelendirilen bir olaydır.

Piezoelektrik malzemelerin özelliği,kristal yapılarına bağlı olarak bir kuvvet etkisi altında. Kaldıklarında elektrik akımı üretmeleri ; elektrik alan etkisi altında kaldıklarında da yaklaşıkhacimce % 4 mertebesinde bicim değiştirmeleridir. 1665‟ten beri varlığı bilinen piezoelktrik özelliği,ilk kez 1880‟de Pierre ve Jacgues Curie kardeşler tarafından keşfedilmiştir. Pierre Curie önceleri Piroelektrik ve kristal simetrisi arasındaki ilgi üzerine çalışmıştır. Bu çalışma, kardeşleri sadece basınçtan meydana gelen elektriklenmeyi aramak zorunda bırakmış,fakat tahmini olarak basıncın ne yönde uygulanabileceği ve kristal sınıflarının etkisi açıklanmamıştır. Rochelle tuzu gibi birçok diğer kristalde de bulunmuştur. Hankel “piezoelektrik” ismini önermiştir. Piezoelektrik elektriksel ve mekanik sistemler arasındaki bir etkileşimdir. Doğrudan (direkt) piezoelektrik etki mekanik gerilme tarafından üretilen elektrik kutuplanmasıdır. Piezoelektrik özellik malzemenin kristal yapı yöneliminin bir sonucudur.

Peki, Bu Gizemli Cisim Hangi Maddelerden Oluşuyor

Piezoelektrik malzemelerin çoğunlukla kullanılan tipi kurşun-zirkonyum-titanyum (PZT) piezoseramiklerdir. Piezoseramik malzemeler elektriksel etkiyi mekanik büyüklüğe,mekanik etkiyi elektriksel büyüklüğe dönüştüren simetri merkezi olmayan kristallerdir. Yaygın olarak kullanılan piezoseramik malzemeler ;

►Kuartz (SiO2) ,

►BaTiO3 ,
►PbZrO3-PbTiO3 alaşımı (PZT) ,
►(Pb,La)(Ti,Zr)O3 alaşımı (PLZT)

Piezoelektrik özellik;

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.

Acaba Bu Küçük Sistemler Nerelerde Kullanılıyor ?

Piezoelektrik materyallerin en temel kullanım şekillerinden biri kişisel enerji üreteçleri olarak kullanılmalarıdır. Piezoelektrik materyaller,telefonlara,MP3 oynatıcılara vs... yetecek kadar enerji üretebilmektedir. Ayakkabının tabanı piezoelektrik maddelerden üretilebilir ve atılan her adımda elektrik üretimi sağlanabilir. Bu sayede kişisel elektronik cihazlarda kullanılabilmesi için bataryalarda depolanabilir veya doğrudan kullanılabilir.

Bir başka yeni düşünce ise sesin yankılanması ile oluşan titreşimlerin piezoelektrik materyaller aracılığı ile sese dönüştürülmesinin sağlanmasıdır. Şöyle ki araçta radyo dinlerken,dışarıda parkta otururken veya herhangi bir şey yaparken ses elektriğe çevrilebilmektedir.

Günümüzde alternatif enerji kaynakları önemli bir konu olarak tartışılmaktadır. Bu kapsamda,piezoelektrik malzemeler çalışma prensipleri dolayısıyla alternatif enerji kaynağı olarak düşünülebilirler. Özellikle uygulandıkları yapılar göz önünde bulundurulsa hasat edilen enerji , uygulanan yapının tüm enerji ihtiyacını karşılayabilir. Bu yapılara örnek olarak mini insansız hava araçları ve yapısal sağlık izlenim sensörleri verilebilir.

Basit bir piezoelektrik disk sayesinde led yakılması gösterilmektedir.

Piezoelektrik malzemelerin kullanım alanları enerji dönüşüm yönüne göre 3 bölümde incelenebilir :

Mekanik Enerji Elektrik Enerjisi Dönüşümü

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

Elektrik Enerjisi Mekanik Enerji Dönüşümü

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

Elektrik Mekanik Elektrik Enerjisi Dönüşümü

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

Temiz Bir Enerji İçin Artık Piezoelektrik Kullanmaya Başlıyalım

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 basınçla sokak lambalar,dükkanların enerjisi buralardan üretile bilir. Bu basit sistemler geleceğimizde artık kullanılmak zorunda çünkü daha temiz ve yaşanılabilir ortam için bu şart.