Piezoelektrik Etki

Piezoelektrik etki, bazı kristal ve seramik malzemelerin uygulanan mekanik baskıya karşılık elektrik yükü üretmesiyle ortaya çıkan fiziksel bir olaydır. Bu özellik, özellikle kristal yapıya sahip maddelerde, atom düzeyinde meydana gelen kutuplaşma değişikliklerine dayanır. "Piezoelektrik" terimi, Yunanca kökenli olup "basmak" anlamına gelen "piezein" sözcüğünden türetilmiştir.

Bu fenomen iki yönlüdür: Birincisi doğrudan piezoelektrik etki, yani uygulanan basınca karşılık oluşan elektriksel gerilimdir; ikincisi ise ters piezoelektrik etki, elektrik alan uygulandığında malzemenin şekil değiştirmesidir. Bu çift yönlü özellik, piezoelektrik malzemelerin hem sensör hem de aktüatör olarak kullanılmasına olanak tanır.

^{Piezo Disk Örneği (}Elektrikport⁾

Piezoelektrik etkinin temelleri 18. yüzyılın ortalarında Carl Linnaeus ve Franz Aepinus tarafından atılmış, bu araştırmalar daha sonra René Just Haüy ve Antoine César Becquerel tarafından geliştirilmiştir. Ancak, etkinin doğrudan deneysel kanıtı 1880 yılında Pierre ve Jacques Curie kardeşler tarafından gerçekleştirilmiştir. Kuartz, turmalin ve Rochelle tuzu gibi kristaller üzerine uygulanan baskı sonucunda bu kristallerin yüzeyinde elektrik potansiyeli gözlemlenmiştir.

1881 yılında Gabriel Lippmann, bu malzemelere elektrik uygulandığında ters yönde mekanik deformasyon oluşabileceğini teorik olarak öngörmüş, Curie kardeşler de aynı yıl bu etkiyi deneysel olarak doğrulamıştır. Bu gelişme, ilk elektrostatik ölçüm cihazlarından biri olan Lippmann elektrometresinin geliştirilmesini sağlamıştır.

Piezoelektrik etkinin pratik uygulamaları ise 20. yüzyılın başlarında gelişmeye başlamıştır. 1917’de Paul Langevin, piezoelektrik kristalleri kullanarak ilk denizaltı sonar cihazını üretmiştir. Takip eden yıllarda piezoelektrik özellikler, telefon sistemlerinden radyolara, pikaplardan mikrofonlara kadar birçok alanda kullanılmıştır.

^{Lippmann Elektrometresi (}sciencephotogallery⁾

Piezoelektrik özellik gösteren malzemelerin ortak özelliği, simetri merkezi olmayan kristal yapıya sahip olmalarıdır. Bu asimetrik yapı, atomlar arasında uygulanan stresle birlikte elektrik yüklerinin yeniden konumlanmasına ve böylece dışarıya doğru bir elektrik alan oluşmasına neden olur.

Doğal piezoelektrik malzemelere örnek olarak kuartz, Berlinite ve Rochelle tuzu verilebilirken, insan yapımı seramiklerden özellikle kurşun-zirkonyum-titanyum (PZT) alaşımı geniş kullanım alanına sahiptir. Bunun yanında çinko oksit (ZnO), baryum titanat (BaTiO₃) ve PVDF (poliviniliden florür) gibi polimerler de piezoelektrik uygulamalarda tercih edilmektedir.

Bu malzemeler üzerine mekanik basınç uygulandığında kristal simetrisi bozulur, içsel dipol momentlerin yönü değişir ve bu durum elektrik yüklerinin malzeme yüzeyinde birikmesine neden olur. Eğer malzemeye alternatif gerilim uygulanırsa, bu elemanlar periyodik şekilde genişleyip daralır. Bu prensip, ses üretimi, motor kontrolü veya titreşimli sistemlerde aktüatör olarak kullanılmalarını sağlar.

^{Piezoelektrik Etkinin Oluşumu (}muhendisbeyinler⁾

Piezoelektrik malzemeler, düşük çıkış voltajları üretmelerine rağmen, çeşitli alanlarda geniş ölçekte kullanılmaktadır. En bilinen örneklerinden biri çakmaklardır. Ayrıca mikrofonlarda, ultrasonik temizlik cihazlarında ve sonar sistemlerde de ses dalgalarının elektriksel sinyale dönüştürülmesinde görev alırlar.

Otomotiv teknolojilerinde piezoelektrik elemanlar; yakıt enjeksiyon sistemlerinde, titreşim ve gürültü azaltma sistemlerinde, hava yastığı sensörlerinde, lastik basınç sensörlerinde ve park sensörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Ultrasonik görüntüleme sistemleri, medikal kesici cihazlar ve tek kullanımlık hasta izleme cihazları piezoelektrik prensiple çalışır. Özellikle yüksek frekanslı ve düşük enerji gereksinimli uygulamalarda tercih edilir.

Savunma teknolojilerinde, yönlendirilebilir mühimmat sistemleri ve mikro hava araçlarında piezoelektrik aktüatörlerin kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. DARPA tarafından geliştirilen yön değiştirebilen mermilerde piezoelektrik aktüatörlerin kullanılması bu alandaki gelişmelerin örneklerindendir.

Türk bilim insanı Canan Dağdeviren tarafından geliştirilen ve 2014 yılında tanıtılan giyilebilir piezoelektrik kalp pili, insan vücudunun doğal hareketlerinden elektrik enerjisi üreterek kalp piline güç sağlamaktadır. Bu sistem, polimer esaslı esnek bir malzemenin kalp gibi dinamik bir organa entegre edilmesiyle, organın hareketinden elde edilen mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir. Deneysel çalışmalarda 20 milyon kez bükülmeye rağmen yapısını koruyan bu cihaz, gelecekte cerrahi pil değişimlerine alternatif olarak umut vaat etmektedir.

^{Canan Dağdeviren Tarafından Geliştirilen Giyilebilir Kalp Pili (}elektrikport⁾