Piezoelektrik alanında yapılan çalışmalar 1880 yılında Jaques ve Pierre Curie, temel bazı kristal minerallerin, olağan dışı karakteristik özellikler gösterdiklerini farketmesiyle başlamıştır. Piezoelektrik malzemeler içerisinde en çok kullanılanlar kurşun-zirkonyum-titanyum (PZT) seramiktir. Genel olarak piezoelektrik olarak kullanılan diğer malzemeler ise kuartz (SiO2) ,turmalin v e baryum titanat (BaTiO3)tır. Piezoelektrik özelliği gösteren bu malzemelerin yapısında bulunan kristallere mekanik bir kuvvet uygulandığında, kristaller elektriksel olarak kutuplanmıştır. Kuvvet artırıldığında ise elektriksel kutuplaşma daha fazla artmıştır. Sonraki süreçte, bu etkinin tersi de görülmüştür. Eğer bu kristal mineraller bir elektrik alanına maruz kalırsa, elektrik alanın gücü kadar kısalıp, uzayabiliyorlardı. Bu duruma, Yunanca’daki piezein (basınç veya sıkıştırma anlamına gelen) kelimesinden esinlenerek piezoelektrik etki ve ters piezoelektrik etki ismi verilmiştir. Piezoelektrik malzemeler günümüzde teknolojinin gelişmesi ve maliyetlerin azalması neticesinde birçok uygulamada kullanılmaktadır. Yazının ilerleyen kısmında uygulamalardan da bahsediyor olacağım.
Piezoelektrik Malzemelerin Çalışma Prensipleri
Piezoelektrik malzemeler; uygulanan kuvveti elektrik enerjisine veya tersi olarak uygulanan elektrik enerjisini mekanik kuvvete dönüştürebildiklerinden dolayı bu özelliklerinden yararlanılarak algılayıcı ve eyleyici olarak kullanılmaktadır. Piezoelektrik seramik bir malzemeye mekanik basınç veya germe işlemi uygulandığında bu malzeme çift kutuplu hale geçmektedir ve voltaj değeri üretmektedir. Basınç veya çekme işlemi uygulanırsa belli bir voltaj değeri elde edilmektedir yani seramik malzeme basınç veya gerginlik durumlarındaki mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirebilmektedir. Piezoelektrik seramiklerde iki çeşit etki görülür. Bunlar; düz ve ters etkidir. Düz etkide, uygulanan mekanik yüke karşılık elektrik yükü oluşur. Ters etkide ise seramik, elektrik alanına tabi tutulunca malzemede mekanik bir hareket meydana gelir.
Uygulama Alanları
Piezoelektrik özellik gösteren malzemeler günümüzde birçok alanda kullanılmaktadır. Örneğin;
- Pikap kafalarının iğnelerinde ve mikrofonlarda transdüktör olarak kullanılır
- Gemilerde derinlik ve hedef bulmaya yarayan sonar cihazlarda kullanılan ve titreşim yapan piezoelektrik maddeler, sıvı içinde boşluklar oluşturur. Herhangi bir cisimden yansıyıp geri dönen dalganın, gidip dönme için geçen zamandan faydalanarak, o cismin konumunu belirlemede kullanılır
- Radyo vericilerinin frekans kontrolleri vb. uygulamalarındaki dalga filtrelerinde kullanılır
- Yüksek voltajlı elektrik türbinlerinin gerilim üretmek amacı ile rotorun sargılarının sarıldığı metallerde kullanılır
- Asfaltın altında beton zemin üzerine eklenen piezo jeneratörlerin üzeri bitümlü tabakayla kaplanarak korumaya alındıktan sonra üzeri asfalt ile kaplanır ve 30 yıla uzanan jeneratör ömrü sağlanır. Üretilen elektriğin şebekeye verilmesi ya da bataryalarda saklanması mümkün olacaktır. Saatte 500 ağır vasıta aracın geçtiği 1 km uzunluğunda yolda 200 kWh/h elektrik üretimi mümkün olabilmektedir
- Mevcut traverslerde sadece titreşim izolasyonu için eklenmiş lastik tamponların değişimi ile elektrik üretimi ve trenlerin online yük-hız-yer takibi yapılabilmektedir.
Kaynaklar
- www.malzemebilimi.net
- www.wikipedia.org
- www.muhendisbeyinler.net
- www.tnection.com
