Piezoelektrik Nedir?

Piezoelektrik Etki, belirli malzemelerin uygulanan mekanik strese yanıt olarak bir elektrik yükü üretme yeteneğidir. Piezoelektrik kelimesi, sıkmak veya bastırmak anlamına gelen Yunanca piezein’den ve Yunanca “itme” anlamına gelen piezodan türetilmiştir.

Piezoelektrik etkinin benzersiz özelliklerinden biri, tersine çevrilebilir olmasıdır, yani doğrudan piezoelektrik etki (stres uygulandığında elektrik üretimi) sergileyen malzemeler aynı zamanda ters piezoelektrik etki (bir elektrik alanı uygulandığında stres oluşumu) sergiler.

Piezoelektrik Çalışma Prensibi

Piezoelektrik malzeme mekanik baskı altına alındığında, malzemedeki pozitif ve negatif yük merkezlerinde bir kayma meydana gelir ve bu daha sonra harici bir elektrik alanına neden olur. Tersine çevrildiğinde, bir dış elektrik alanı piezoelektrik malzemeyi ya gerer ya da sıkıştırır.

Piezoelektrik İlk Bakışta

Piezoelektrik etkisi, sesin üretimi ve algılanması, yüksek voltaj üretimi, elektronik frekans üretimi, mikro teraziler ve optik düzenekler için ultra ince odaklamayı içeren birçok uygulamada çok kullanışlıdır. Ayrıca, taramalı prob mikroskopları (STM, AFM, vb.) Gibi atomik çözünürlüğe sahip bir dizi bilimsel enstrümantal tekniğin temelini oluşturur. Piezoelektrik etkisinin, sigara çakmakları için ateşleme kaynağı görevi görmesi gibi daha sıradan uygulamalarda da kullanımı vardır.

Piezoelektriğin Tarihçesi

Doğrudan piezoelektrik etkisi ilk olarak 1880’de görüldü ve Pierre ve Jacques Curie kardeşler tarafından başlatıldı. Curie kardeşler, piroelektrik bilgilerini kristal yapı ve davranış anlayışlarıyla birleştirerek turmalin, kuvars, topaz, şeker kamışı ve Rochelle tuzu kristallerini kullanarak ilk piezoelektrik etkiyi gösterdiler. İlk gösterileri, kuvars ve Rochelle tuzunun o sırada en fazla piezoelektrik kabiliyetini sergilediğini gösterdi.

Önümüzdeki birkaç on yıl boyunca, piezoelektrik laboratuvarda kaldı, piezoelektrik etkinin büyük potansiyelini keşfetmek için daha fazla çalışma yapıldıkça üzerinde denenecek bir şey vardı. Birinci Dünya Savaşı‘nın patlak vermesi, sonar cihazı olan piezoelektrik cihazlar için ilk pratik uygulamanın tanıtımını işaret etti. Sonarda piezoelektrikliğin bu ilk kullanımı, piezoelektrik cihazlarda yoğun uluslararası gelişimsel ilgi yarattı. Önümüzdeki birkaç on yıl içinde, yeni piezoelektrik malzemeler ve bu malzemeler için yeni uygulamalar keşfedildi ve geliştirildi.

II.Dünya Savaşı sırasında, ABD, Rusya ve Japonya’daki araştırma grupları, doğal piezoelektrik malzemelerden birçok kez daha yüksek piezoelektrik sabitleri sergileyen ferroelektrik adı verilen yeni bir insan yapımı malzeme sınıfı keşfetti. Kuvars kristalleri ticari olarak kullanılan ilk piezoelektrik malzeme olmasına ve hala sonar algılama uygulamalarında kullanılmasına rağmen, bilim adamları daha yüksek performanslı malzemeler aramaya devam ettiler. Bu yoğun araştırma, belirli uygulamalar için uygun çok spesifik özelliklere sahip iki malzeme olan baryum titanat ve kurşun zirkonat titanatın geliştirilmesiyle sonuçlandı.

Piezoelektrik Materyaller

Hem doğal hem de insan yapımı, çeşitli piezoelektrik etkiler sergileyen birçok malzeme vardır. Doğal olarak piezoelektrik olarak oluşan bazı malzemeler arasında Berlinite (yapısal olarak kuvarsla aynı), şeker kamışı, kuvars, Rochelle tuzu, topaz, turmalin ve kemik (kuru kemik, apatit kristalleri nedeniyle bazı piezoelektrik özellikler sergiler ve piezoelektrik etkinin genellikle etkili olduğu düşünülmektedir özetle: biyolojik kuvvet sensörü olarak). İnsan yapımı piezoelektrik malzemelerin bir örneği, baryum titanat ve kurşun zirkonat titanatı içerir.

Son yıllarda, kurşun içeren cihazlarda toksisiteye ilişkin artan çevresel endişeler ve Avrupa Birliği’nde uygulanan RoHS direktifi nedeniyle, kurşunsuz piezoelektrik malzemeler geliştirmeye yönelik bir baskı olmuştur. Bugüne kadar, yeni kurşunsuz piezoelektrik malzemeler geliştirmeye yönelik bu girişim, çevre açısından daha güvenli olan çeşitli yeni piezoelektrik malzemelerle sonuçlanmıştır.

Piezoelektrik Kullanım Alanları

Piezoelektrik malzemelerin kendine özgü özelliklerinden dolayı, çok sayıda uygulama alanı vardır:

Yüksek Voltaj ve Güç Kaynakları

Bu alandaki uygulamalara bir örnek, bir düğmeye basıldığında yaylı bir çekicin bir piezoelektrik kristale çarpmasına neden olduğu, böylece elektrik akımının küçük bir kıvılcım aralığı boyunca aktığı, gazı ısıttığı ve tutuşturduğu yeterince yüksek bir voltaj ürettiği elektrikli sigara çakmağıdır. Çoğu tip gaz ocağı dahili piezo tabanlı enjeksiyon sistemlerine sahiptir.

Sensörler

Bir piezoelektrik sensörün çalışma prensibi, bir kuvvete dönüştürülmüş fiziksel bir boyutun, algılama elemanının iki karşıt yüzüne etki etmesidir. Ses biçimindeki basınç değişimlerinin tespiti, elektriksel olarak güçlendirilmiş gitarlar için piezoelektrik mikrofonlarda ve piezoelektrik manyetiklerde görülen en yaygın sensör uygulamasıdır. Özellikle piezoelektrik sensörler, tıbbi görüntüleme ve endüstriyel tahribatsız testler için ultrasonik dönüştürücülerde yüksek frekanslı ses ile kullanılır.

Piezoelektrik Motorları

Çok yüksek voltajlar, kristalin genişliğindeki küçük değişikliklere karşılık geldiğinden, bu kristal genişliği mikrometreden daha iyi bir hassasiyetle manipüle edilebilir, bu da piezo kristalleri nesneleri son derece hassas bir şekilde konumlandırmak için önemli bir araç haline getirir ve bu da onları motorlarda kullanım için mükemmel kılar. Piezoelektrik motorlarla ilgili olarak, piezoelektrik eleman bir elektrik darbesi alır ve daha sonra karşıt seramik plakaya yön kuvveti uygulayarak bunun istenen yönde hareket etmesine neden olur. Hareket, piezoelektrik eleman statik bir platforma (seramik şeritler gibi) karşı hareket ettiğinde üretilir.