Piezoelektrik Nedir? Nasıl Kullanılır?

Piezoelektrik nedir: Piezo kelimesi sıkıştırmak, basınç uygulamak anlamına gelmektedir. Yunanca’ dan türetilmiştir. (+) ve (-) olarak iki zıt kutup arasına yalıtkan bir madde sıkıştırılır. Bu yalıtkan maddenin üzerine uygulanan basınç ile birlikte elektrik enerjisi oluşur. Bu oluşan elektrik enerjisine piezoelektrik denir. Üretilen bu enerji, uygulanan mekanik enerji ile doğru orantılı şekilde enerji üretme imkanı sağlamaktadır.

Piezoelektrik özellik, mekanik bir enerjiyi elektriğe veya elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirebilmektedir. Mekanik sıkıştırma sonucu voltaj üretir. Voltaj uygulandığında mekanik titreşim elde edilir. Bu bazı kristal ve seramiklere ait özelliktir.

Piezoelektrik Nasıl Çalışır?

Piezoelektrik, belirli kristallerin doğrudan piezo etkisi sonucu mekanik basınç veya gerilime maruz kaldığında elektrik yükü oluşturması prensibine dayalı olarak çalışır. Bu kristaller elektrik alanına maruz kaldığında ters piezo etkisi denilen bir davranış göstererek kontrollü bir deformasyona uğrar.

Mekanik enerjiden voltaj üretimine piezo olayı denir. Voltajdan mekanik titreşim üretimine de ters piezo olayı denir. 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 kullanılır. Ayrıca çok ince ayar gerektiren optik odaklama cihazlarında da kullanılır. 400 kHz gibi yüksek bir frekansta çalışabilir. Piezoelektrik polimer ya da seramiklerden de, aynı doğrultuda uygulanan yük, malzeme içinde ki kristal yapının her iki tarafında bulunan +q ve –q yüklerin ortaya çıkması sonucu oluşur.

Piezo olayını oluşturan kristaller arasında kuartz, tormalin, rokel 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.

Piezoelektrik Özellik

Piezoelektrik özelliği, belirli kristaller ve 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 Kristal Nasıl Kullanılır?

Piezoelektrik kristal ve piezoelektrik seramiklerde;

Mekanik titreşimlerin elektrik dalgalarına, elektrik dalgalarının mekanik titreşimlere çevrilmesi istenilen elektromanyetik çeviricilerde (transdüserlerde) kullanılır. Mikrofonlar, gemilerde derinlik ve hedef bulmaya yarayan sonar cihazlarında yararlanılır. Sonar cihazında piezoelektrik olayı ile su içine ses yayımı yapılır. Sesi çıkaran, elektrik enerjisi etkisiyle titreşen kristallerdir. Suya yapılan ses hedefe çarpıp yansıyınca bu defa kristaller, suyun ses dolayısıyla sıkışması ile titreşir. Titreşen kristaller elektrik dalgaları üreterek ses ve ekranda görüntü olarak hedef tespiti yapılır.

Piezoelektrik Tarihi

Piezoelektrik olayı; 1880 yılında Fransız fizikçiler Pierre Curie ve Jacques kardeşler tarafından keşfedilmiştir. Bu kristalleri farklı yönlerden sıkıştırarak voltaj ürettiklerini keşfettiler. 1881’de Fransız Gabriel Lippmonn, piezoelektrik olayının tersini deneyle ispatladı. Piezoelektrikten faydalanarak Birinci Dünya Savaşında denizaltı gemilerini belirlemek için kullanılan basit ultrasonik cihazlar yapıldı. Bu cihazlar geliştirilerek bugünkü modern gemilerde kullanılan sonar cihazlarına dönüştü. Piezo kristal ile birlikte aynı işi görebilecek piezoelektrik seramik 1940 senelerinde geliştirildi.

Piezoelektrik Rezonans

Bir kuvars levhası bir f₀ mekanik titreşim frekansı olan esnek bir katıdır (genleşme ve sıkışma). Bu frekansın değeri : 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 için: f₀ = 3500 / 2 x 0,001=1750000 hertz.

Bir kuvars levhası f₀ frekansında titreşim yaptığında, bu levha üzerine uygun olarak yerleştirilmiş iki elektrot arasında aynı f₀ frekansında değişen bir gerilim elde edilir. Bundan dolayı kuvars levhası salınan bir elektrik devresine benzetilebilir.

Piezoelektrik Malzeme 

Piezoelektrik malzemeler içerisinde en çok kullanılan kurşun-zirkonyum-titanyum (PZT) seramiktir. Genel olarak piezoelektrik olarak kullanılan diğer malzemeler;

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. Örneğin;

kurşun zirkonat titanat kristalleri, orijinal boyutundan %0,1 oranına kadar şekil değiştirebilirler.

Piezoelektrik Kullanım Alanları

Enerji dönüşüm yönüne göre 3 grupta incelenebilir :

1 – Mekanik Enerji Elektrik Enerjisi Dönüşümü

• Sigortalar
• Titreşim algılayıcıları
• Mikrofonlar
• Pikap kartujları
• Gaz ateşleyiciler
• Hız ölçerler

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)

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.

Atomik çözünme sonucunda bilimsel birçok tekniğin (taramalı prop mikroskoplar STM, AFM, MTA, SNOM gibi) temelini oluşturmaktadır. Günlük kullanımda ateşleyici olarak çakmaklarda ve barbekülerde kullanılmaktadır.