Piezoelektrik

Piezoelektrik
Vikipedi, özgür ansiklopedi

Piezoelektrik özelliği , (özellikle kristaller ve belirli kristaller; kemik gibi) bazı malzemelere uygulanan mekanik stres sonucunda, malzemenin elekrik alan ya da elektrik potansiyel yaratma yeteneğidir. Bu etki, malzemenin içindeki polarizasyon yoğunluğundaki değişmeyle doğrudan alakalıdır. Eğer malzeme kısa devre değilse, uygulanan stress malzemede bir voltaj meydana getirir. Piezo kelimesi, Yunanca’dan türetilmiştir; “sıkıştırmak, basınç uygulamak” anlamlarına gelmektedir. Piezoelektrik malzemeler terslenebilirdir; yani “direk piezoelektrik etki” sergileyen (stress uygulandığında elektrik potansiyel üreten) malzemeler, ters piezoelektirk etki (uygulanan elektrik alan sonucunda stress-strain üretimi) de gösterirler. Örneğin, lead zirconate titanate kristalleri, orijinal boyutundan %0.1 oranına kadar şekil değiştirebilirler. Bu etkinin “sesin oluşturulması ve algılanması”, “yüksek voltajlar oluşturulması”, “elektronik frekans yaratılması”, “mikrobalans”, ve ultra fine focusing of optical assemblies” gibi kullanışlı uygulamaları vardır. Aynı zamanda atomik çözünme sonucunda bilimsel birçok tekniğin (scanning probe microscopies STM, AFM, MTA, SNOM gibi) temelini oluşturmakla birlikte, günlük kullanımda ateşleyici olarak çakmaklarda ve barbekülerde kullanılmaktadır.



Tarih

Keşif ve İlk Araştırmalar

Malzemenin sıcaklık değişimine karşı elektrik potansiyel oluşturması özelliği olan “Pyroelektrik etki” 18. yy ortalarında Cark Linnaeus ve Franz Aepinus tarafından çalışılmıştır. Bu çalışmaların üzerine “René Just Haüy” ve “Antoine César Becquerel” mekanik stress ve elektrik yük arasında bir ilişki olduğunu öne sürdüler ama her ikisinin çalışması da bir neticeye varamadı. Direk piezoelektrik etkinin ilk ispatı Pierre Curie ve Jacques Curie kardeşler tarafından 1880 yılında yapılmıştır. Pyroelektrik özellik üzerine bildiklerini, kristal yapısının altında yatan kristalin davranışını tahmin etmede pyroelektik özelliğin artması yaklaşımıyla birleştirdiler ve tourmaline, quartz, topaz, cane sugar, Rochelle salt (sodium potassium tartrate tetrahydrate) kristallerini kullanarak etkiyi ispatladılar. En çok piezoelektrik özelliği, Quartz ve Rochelle tuzu sergilediler. Resim [1] . Ancak Curie kardeşler, ters piezoelektrik etki üzerinde düşünmediler. Ters etki, temel termodinamik prensiplerden yola çıkılarak Gabriel Lippmann tarafından matematiksel olarak gösterilmiştir. Bunun üzerine ters etkinin varlığını teyit eden Curie kardeşler, piezoelektrik kristallerde elektro-elasto-mekanik deformasyonlarının terslenebilirliğinin ölçülebilir ispatını gözlemlemekle yollarına devam ettiler. Bundan sonraki birkaç on yıl için piezoelektrik özellik bir laboratuar merakı oldu. Piezoelektirk özellik sergileyen kristal yapılarını keşfetmek için daha birçok çalışma yapıldı. Bu, tensor analizi kullanarak ayrıntılı bir şekilde piezoelektrik sabitleri ve piezoelektrik özellik gösteren 20 doğal kristal sınıfının tanımlandığı Woldemar Voigt'ın Lehrbuch der Kristallphysik (textbook on crystal physics) çalışmasının 1910 yılında yayımlanmasıyla sonuçlanmıştır.

I. Dünya Savaşı ve Sonrası

Piezoelektrik aletlerde ilk pratik uygulama I. Dünya Savaşı sırasında kullanılan “sonar”lardır. 1917’de Fransa’da Paul Langevin ve beraberinde çalışanlar “ultrasonic submarine dedektör” ürettiler. Dedektör, iki çelik plaka arasına film quartzların yapıştırılmasıyla oluşturulan transducer (dönüştürücü) ve çevirilen echo’nun algılanmasında kullanılan hydrophone’lardan meydana gelir. Dönüştürücüden yüksek frekanslı chirp (sinyal) yayılmasıyla ve nesneden yansıyan ses dalgasından yayılan echonun duyulması için geçen zamanın ölçülmesiyle bu nesneye uzaklık ölçülebilir. Sonarlarada piezoelektirik kullanımı ve bu projenin başarısı piezoelektrik aletler üzerindeki ilginin gelişmesine neden olmuştur. Bundan sonraki on yıllar boyunca yeni piezoelektrik malzemeler ve bu malzemelerin yeni uygulamaları keşfedildi ve geliştirildi.Piezoelektrik malzemeler 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 neden olmuştur. Ultrasonik zaman tabanlı reflektometreler (bunlar, malzemelere ultrasonik vurular göndererek malzemenin süreksizliğinden gelen yansımaları ölçer) metal ve kaya nesnelerin içindeki kusurları bulur, bu da yapının güçlenmesine neden olur.

II. Dünya Savaşı ve Sonrası

II. Dünya Savaşı boyunca, Birleşik Devletler, Rusya ve Japonyadaki bağımsız araştırma grupları doğal malzemelerden daha büyük piezoelektrik sabitlere sahip olan yeni bir, insan yapımı malzeme sınıfı keşfettiler (ferroelektrikler). Bu gelişme “baryum titanat” ve “kurşun zirkonat titanat” malzemelerinin ve bunların kendilerine has özellikleri ve özel uygullamalarının geliştirilmesinde araştırmaları güçlendirdi. Piezoelektrik kristallerin bir özel örneği de Bell Telefon Laboratuvar’larında geliştirilmiştir. I. Dünya Savaşını takiben, mühendislik bölümünde radyo telefonu alanında çalışan Mr. Frederick R. Lack, önceden kullanılan ağır donanımın yardımı olmadan geniş sıcaklık aralıklarında çalıştırılan “AT cut” kristallerini geliştirdi. Bu gelişmeler, cihazın uçaklarda kullanılabilmesini sağlamıştır. Bu gelişme Allied hava kuvvetlerinin, havacılık radyosunu kullanarak koordine toplu saldırılarla çatışmasına izin verdi.

Piezoelektrik malzemeler içinde kullanılmakta olan çoğunlukla kurşun-zirkonyum-titanyum (PZT) seramiktir. Piezoelektrik etki yaratmak için en önemli olan simetri merkezi olmayan kristaller kullanmaktır.
Kullanılan başlıca malzemeler:

• Kuartz (SiO2)
• Turmalin
• Baryum Titanat (BaTiO3)
• Çinko Oksit (ZnO)
• PVDF (Poli-vinilidin-klorür)
• Günlük Hayatımızda Piezoelektrik

Piezoelektrik çakmak

Belki de en çok kullandığımız eşya ama hangimiz çakmaklarda Piezoelektrik ile gazın ateşlendiğinin farkındadır.

Mikrofonda piezo

Mikrofonlarda da piezo etkiden yararlanmaktayız. Sesin tabii oluşturduğu ses dalgalarından gelen basınçla piezo malzeme sinyal üretip, bu sinyaller yükseltilerek hoparlörlere ulaşır. Hemen aşağıdaki şekilde görülen bir mikrofon transdüseri olup beyaz renkte olan piezo kristalidir.

Ayakkabı ve piezo

Bilim adamları son yıllarda tabana monte edilmiş ayakkabı ile testler yapmaktadır. Aşağıda ki şekilde görünen gibi her adım attığınızda piezo etki gösteren madde elektrik enerjisi üretecek ve yürürken telefonumuzu ya da mp3 çalarımızı şarj edebileceğiz.

Kısa bir hesap yapmak gerekirse, her bir adım için 2 miliwatt enerji üretilmektedir. Eğer siz 5bin adım atarsanız (5.000×2 miliwatt= 10.000 miliwatt) yani 10 watt enerji açığa çıkacaktır. Bu da size telefonunuzu 2 saate yetecek kadar şarj edebilme imkânı sunuyor.

Piezoelektrik Basınç Ölçme Sensörleri

Basıncın elektrik akımına dönüştürülme yollarından biri de piezoelektrik olayıdır. Piezoelektrik özellikli algılayıcılarda kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılır. Bu elemanlar üzerlerine gelen basınca göre küçük değerli bir elektrik gerilimi ve akımı üretir. Bu elektrik akımının değeri basıncın değeri ile doru orantılıdır. Piezoelektrik özellikli elemanlar hızlı tepki verdiklerinden ani basınç değişikliklerini ölçmede yaygın olarak kullanılır.

Ultrasonik Muayene Yöntemleri

Piezoelektrik olay basitçe üzerine mekanik bir basınç uygulanan bazı kristal ve seramik malzemelerde bir elektriksel gerilimin oluşması anlamına gelir. Malzeme genişleyip daralarak titreşir ve ses oluşturur. Piezoelektrik olay çift yönlüdür; Ters piezoelektrik olayla ultrases elde edilir sistem verici olarak kullanılır. Normal piezoelektrik olayla ultrases algılanır sistem alıcı olarak kullanılır. Elektrik enerjisini mekanik enerjiye mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren aletlere Transduser denir.

Farklı akustik dirence sahip iki ortamın oluşturduğu arakesite varan bir ultrasonik dalga kısmen ikinci ortama geçer. Ultrasonik muayene ile malzeme içinde farklı akustik dirençli bir hatanın saptanmasında ses dalgasının yansıyan veya geçen kısmının ölçülmesi esasına dayanan iki farklı test yöntemi kullanılır.

1) Puls-Eko (yankı) yöntemi:

Bu yöntemde hatanın belirlenmesi ultrasonik dalganın yansıyan kısmının kullanılmasıyla gerçekleştirilir. Burada bir Transduser hem alıcı hem de verici olarak görev yapar. Çok kısa elektrik pulslarının transdusere uygulanmasıyla üretilen ultrasonik dalga malzeme içine gönderilir. Dalga malzeme içinde ilerlerken aynı transduser alıcı olarak çalışmaya başlar. Arka cidardan yansıyan ultrasonik dalga transdusere ulaştığında mekanik titreşimler elektrik pulslarına dönüştürülür. Bu şekilde ultrasonik dalgaların azalan genlikte malzeme içinde yansımalarıyla Ekranda bir dizi ardışık arka cidar yankıları elde edilir. Yankılar arasındaki geçen zaman aralığı Katot ışınları tüpü ekranında ölçülebildiğinden yatay skaladan hatanın yeri düşey skaladan da hata büyüklüğü ve derinliği hakkında bilgi elde edinilebilir.

2) Doğrudan iletim yöntemi:

Bu yöntemde ise test parçasının bir yüzüne verici transduser diğer yüzüne ise alıcı transduser yerleştirilerek ultrasonik dalgalar malzeme içine gönderilir. Nüfuz ederek malzemeyi geçen dalga huzmesinin genliği ölçülür. Böylece malzemenin içyapısı hakkında bilgi edinilir. Bu yöntemle hatanın yüzey derinliği tayin edilemez.

ULTRASESİN ETKİLERİ

Fiziksel etkileri:
a)Kabarcık oluşumu: Yeterince büyük şiddetli ultrases dalgaları sıvılarda kabarcıklanma yaratır. Bu yol ile sıvı içinde bulunan katı cisimciklerin ve bakterilerin parçalanması sağlanır.
b)Isı etkisi: Farklı ortamlarda ve farklı ultrases dalgaları ile yapılan deneyler ses titreşim enerjisinin ısı enerjisine dönüştüğünü ve ortamın ısındığını göstermiştir.
c)Sis oluşumu: Bir sıvı içinde ilerleyen şiddetli bir ultrases dalgası hava-sıvı sınırında yansıdığı zaman sıvı molekülleri püskürür ve sıvı yüzeyinde bir sis tabakası gözlenir.
d)Gazdan arıtma: Bazı durumlardakatı ve sıvı içinde çözünmüş bulunan gazların arıtılması gerekebilir. Bu amaçla gazdan arıtılmak istenen madde ultrasese tabi tutulur.

Kimyasal etkileri:

Reaksiyon hızlanması oksitlenme bileşim bozulması kristallenme kaynama sıcaklığı değişmesi molekül zincirlerinin parçalanması…

Biyolojik etkileri:

a)Isı etkisi: Ultrasese maruz kalmış bir organın sıcaklığının arttığı gözlemlenir.
b)Mikro masaj etkisi: Ultrases bir organda yayılırken hücre grupları periyodik basınç değişimine maruz kalır. Bu olaya sesin mikro masaj etkisi denir.
c)Elektriksel etkisi: Bazı protein veya selüloz molekülleri gibi iri biyolojik moleküller piezoelektrik olayı gösterirler. Ultrasesin oluşturduğu basınç değişimi iri biyolojik parçacıkların elektriksel kutuplanmasına yol açar.
d)İvme etkisi: Ultrases titreşimini alan bir ortam parçacığı oldukça büyük mekanik ivme ile titreşir.

Ultrasesin Kullanım Alanları

Sanayide Kullanımı:
—aaaalleri ince toz haline getirmek.
—Çok ince tanecikli fotoğraf emülsiyonları hazırlamak.
—Cıva altın.. vs‘i gaz ve sıvılarda süspansiyon haline getirmek.
—Özel aaaal alaşımları yapmak.
—Gaz karışımlarından gazları ayırmak.
—Fabrikaların kirli gaz ve suları içinde süspansiyon halinde bulunan maddeleri çökerterek kurtarmak.
—Fabrika bacalarından çıkan gazları temizleyerek çevre havasının kirlenmesini önlemek.
—Tekstil aaaal kaplama saatçilik gibi aşırı temizlik isteyen sanayi kollarında temizleme işlemini yapmak.
—Meşrubat sanayinde, şarabı eskitmek birayı yabancı mayalardan arıtmak şuruplarda enzimleri glikoz gibi diğer ürünlere dönüştürmek sütü sterilize etmek.
—Sert maddeleri delmek ve işlemek üzere ultrasesli matkaplar yapmak.
—Elektrik ve elektrik sanayisinde ultrasesli kaynak makineleri elektronik geciktirme kanalları yapmak.
—Dökümcülükte erimiş aaaalleri gazdan arıtmak kristal büyümesini kontrol etmek.
—Ultrasesli hızölçerleri yapmak.
—Ultrasonik çamaşır ve bulaşık makineleri.
—Deniz dibi haritalarını çıkarmakta kullanılan Sonar Cihazları ve Denizaltı gemilerin çevrelerini kontrol etmek için kullandıkları aletler ultrasonik dalgalarla çalışan bir cins radardır.
—Deniz yolu ile ihracat esnasında uzun süreli depolamalarda meyve ve sebzelerin olgunluğu tahribatsız olarak ultrases ile yapılır.

Tıpta Kullanımı

:
Ultrases (ultrason) cihazları tıpta yaygın olarak kullanılan ve doktorların ilk başvurduğu teşhis etme cihazıdır. Genelde tıpta kullanılan ultrases cihazı puls-eko ve Doppler kayması yöntemine dayanır. Ultrases cihazlarının kullanıldığı yönteme “ultrasonografi” denir. Ultrasonografi yumuşak dokuları inceleyen bir metoddur. Morfolojik bilgiler verir. Sıvı-katı ayrımını çok iyi yapar. Sesin frekansı dokunun absorbsiyon katsayısı ve dokunun kalınlığı ile doğru orantılıdır. Suyun absorbsiyon katsayısı çok düşük kemiğin ise çok yüksektir. Bu nedenle ses sıvılardan zayıflamadan geçer.

Şu an geliştirilme aşamasında olan piezoelektrik, bize miliwatt cinsinden enerji üretimi sağladığı için çok da kullanışlı gözükmemektedir. Temiz çevre için büyük önemi bu alternatif enerji umuyoruz ileri de bilim insanları tarafından gündelik hayatta daha kullanışlı bir hale getirilir.