Piezoelektrik Özellik Nedir?

Piezoelektrik özelliği,  belirli kristaller ve kemik gibi bazı malzemelere uygulanan mekanik basınç sonucunda malzemenin elektrik alan veya elektrik potansiyelinin değiştirmesidir. Piezo kelimesi Yunanca’da “sıkıştırmak, basınç uygulamak” anlamlarına gelmektedir.  Bir kristal veya malzemeye basınç uygulanırsa kutupları arasındaki uzaklık artar. Yüzeyinde yük birikimi artar, dolayısıyla iki uç arasında bir gerilim farkı oluşur ve bu gerilim farkı bir iletkenle birleştirilirse akım akar. Böylece mekanik etki elektriksel büyüklüğe dönüşmüş olur.

Piezoelektrik özelliği bulunduran kristaller arasında kuartz, turmalin, rokel vb. bulunmaktadır. Doğadaki şekli ile kullanılması mümkün değildir. Kristallerin titreşim frekansı ve ortaya çıkardığı elektrik alan kesiliş şekilleri, yüzey işlemleri ile yakından ilgilidir. Kristalin merkeze göre kesim yüzeylerinin simetrik olması gerekir.

Ters Piezoelektrik Özellik

Piezoelektrik malzemeler terslenebilir yani ters piezoelektrik etki de gösterebilirler. Piezoelektrik malzemelere uygulanan mekanik basınç sonucunda elektrik alan ortaya çıkarması olarak tanımlanmıştı. Ters piezoelektrik etki ise tam tersi yani piezoelektrik malzemeye elektrik alan uygulandığında mekanik bir basınç yani stres zorlanma ortaya çıkarmasıdır. Bir kristal veya malzemenin iki ucu arasına bir gerilim uygulanırsa (-) yükler (+) elektroda, (+) yükler (-) elektroda doğru çekilir.(+) ve (+) yük merkezleri arasındaki uzaklık artar ve sonucunda kristalin boyu büyür. Alanın yönü değişirse aynı işaretli yükler birbirlerini iter ve kristalin boyu kısalır. Örnek olarak kurşun zirkonat titanat kristalleri, orijinal boyutundan %0,1 oranına kadar şekil değiştirmesi mümkündür.

Mekanizma

Piezoelektrik etkinin doğası, katılarda elektrik dipol moment bağların oluşumuyla ilgilidir. Sonucunda ya asimetrik yük çevresi ile kristal kafes bölgelerinde iyonlar için indüklenebilir veya doğrudan moleküler gruplar tarafından taşınmaktadır.

Kristaller için dipol yoğunluğu veya kutuplaşma, kristalografik birim hücre hacmi başına dipol momentlerin toplayarak hesaplanması mümkündür.  Her dipol bir vektör olduğunda P dipol yoğunluğu bir vektör alanıdır. Birbirine yakın dipoller, Weiss alanları denilen bölgelerde hizalanma eğilimindedir. Alanlar genelde rastgele yönlendirilir ama genellikle yüksek sıcaklıklarda malzemeye güçlü elektrik alan uygulandığı “kutuplama” süreci kullanılarak hizalanmaktadır. Tüm piezoelektrik malzemeler kutuplanamaz.

Piezoelektrik etki için belirleyici önlem, bir mekanik stres uygulandığında P kutuplaşmasının değişmesidir. Bu dipolü indükleyen çevrenin yeniden yapılandırılmasında ya da dış stresin etkisinde olan moleküler dipol momentlerin yeniden yönlendirilmesinden kaynaklanması mümkündür.

Sonuç olarak piezoelektrik polarizasyon kuvvetinin, yönünün veya her ikisinin de değişimiyle şu değişkenlere bağlı olabilir:

1. Kristal içindeki P yönü
2. Kristal simetrisi
3. Uygulanan mekanik stres

P değerindeki değişiklik kristal yüzler üzerindeki yüzey yük yoğunluğunun değişimi yani dipol yoğunluğu değişimi, neden olduğu yüzler arasındaki elektrik alanın değişimi olarak görünmektedir. Örneğin 2kN doğru uygulanan kuvvete sahip 1cm³ kuvars küpü 12,500 V’luk voltaj üretmesi mümkündür.

Malzemeler

Birçok malzeme piezoelektrik özellik göstermektedir. Bu malzemeler içerisinde en çok kullanılan kurşun zirkonyum titanyum(PZT) seramiktir. Piezoelektrik özelliği gösteren kristal malzeme örnekleri şunlardır:

• Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄) 
• Galyum ortofosfat (GaPO₄)
• Lityum niyobat (LiNbO₃)
• Lityum tantalat (LiTaO₃)
• Kuvars
• Berlinit (AlPO₄)
• Potasyum sodyum tartarat
• Topaz
• Turmalin grubu minareller
• Kurşun titanat (PbTiO₃)

Uygulamalar

Piezoelektrik uygulamalarında enerji dönüşümüne göre uygulamaları şu şekildedir:

1. Mekanik enerji elektrik enerjisi dönüşümü

• Sigortalar
• Titreşim algılayıcılar
• Hız ölçerler
• Gaz ateşleyiciler
• Mikrofonlar

2. Elektrik enerjisi mekanik enerji dönüşümü

• Kulaklıklar
• Valfler
• Ultrasonik temizleyiciler
• Mikro pompalar

3. Elektrik mekanik elektrik enerjisi dönüşümü

• Transformatörler
• Osilatörler
• Sonarlar
• Yüzey akustik dalga ölçerler

Kaynakça:

1. tr.wikipedia.org
2. www.elektrikrehberiniz.com