Piezoelektrik: Geleceğin Elektrik Üreteçleri

1880 yılında Jaques ve Pierre Curie, temel bazı kristal minerallerin, olağan dışı karakteristik gösterdiklerini saptamışlardır. Bu kristallere mekanik bir güç uygulandığında, kristaller elektriksel olarak kutuplanıyorlardı. Sıkışma ve gerginlik durumlarında, uygulanan kuvvet miktarı kadar uçları arasında elektriksel kutuplaşma oluşuyordu. Sonradan, bu ilişkinin tam tersi de kanıtlandı. Eğer bu kristal mineraller bir elektrik alanına tabi tutulursa, 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 verildi. 

Her ne kadar piezoelektrik voltaj değerleri, hareketleri veya güç değerleri düşük (örneğin tipik bir piezoelektrik seramik diskinin kalınlığı milimetreden çok küçük bir değerde değişmektedir.) olsa da ve genellikle amplifikasyona ihtiyaç duysalar da, piezoelektrik malzemeler günümüzde birçok uygulamada kullanılmaktadır. Piezoelektrik etki uzanım veya kuvvet sensörleri gibi algılama uygulamalarında kullanılmaktadır. Ters piezoelektrik etki ise önceden kontrol pozisyonlandırılması yapılmış motorlarda, ve sonik ve ultrasonik sinyallerin üretilmesindeki gibi tahrik uygulamalarında kullanılmaktadır. 20. yüzyılda, metal-oksit bazlı piezoelektrik seramikler ve diğer insan yapımı materyaller aracılığı ile; tasarımcılar, piezoelektrik etkiyi ve ters piezoelektrik etkiyi birçok yeni uygulamada kullanabilme olanağına kavuşmuştur. Bu materyaller genellikle fiziksel olarak sert ve kimyasal olarak tepkimeye girmeyen materyallerdir ve üretimi görece olarak daha ucuzdur. Piezo seramik elementlerin alaşımları, şekilleri ve boyutları, özel uygulamalara hizmet edebilmesi için uygun hale getirilebilmektedir. Kurşun zirkonat ve kurşun titan alaşımlarından üretilen seramikler, diğer seramiklere göre daha duyarlı ve daha yüksek sıcaklık değerlerinde çalışabilmektedir ve "PZT" materyaller şu anda en geniş kullanım alanına sahip piezoelektrik seramiklerdir.

Kutuplu piezoelektrik seramik elemana, mekanik basınç veya germe işlemi uygulandığında bu eleman çift kutuplu hale geçmektedir ve voltaj değeri üretmektedir. Polarizasyon doğrultusunda basınç işlemi veya polarizasyon doğrultusuna dik doğrultuda germe işlemi uygulanırsa aynı polarizasyon şeklinde voltaj değeri elde edilmektedir. Piezoelektrik seramik üzerinde yapılan bu uygulamalar enerji üretim hareketleridir ve bu sayede seramik eleman basınç veya gerginlik durumlarındaki mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirebilmektedir. Bu davranış yakıt ateşleme cihazlarında, katı hal bataryalarda, kuvvet algılama cihazlarında ve diğer ürünlerde kullanılmaktadır. Basınç zorlama ve voltaj değerleri (veya elektrik alan kuvveti), piezoelektrik seramik elemana, materyalin zorlama değeri doğrultusunda üretilmektedir. Bu durum aynı şekilde voltaj değerinin uygulanması ile seramikte gerilim oluşturulması için de doğrudur. 

Eğer aynı polariteye sahip voltaj değeri kutuplandırma voltajı olarak seramik elemana uygulanırsa, kutuplanmış voltaj doğrultusunda seramik eleman uzayacak ve çapı küçülecektir. Eğer kutuplanma doğrultusunun dikine kutuplandırma voltajı uygulanırsa eleman kısalacak ve genişleyecektir. Eğer alternatif voltaj uygulanırsa eleman uygulanan voltaj değerinin frekansına bağlı olarak periyodik olarak kısalıp uzayacaktır. Bu durum motor hareketidir ve bu sayede elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüşecektir. Bu prensip piezoelektrik motorlara, ses veya ultrason üreten cihazlara ve birçok cihaza daha uygulanmıştır. 

Piezoelektrik üreteçler, piezoelektrik etki doğrultusunda çalışmaktadır. Bu durum, mekanik değişimlere tepki veren materyallerin mekanik değişimler doğrultusunda elektriksel potansiyel üretmelerini sağlamaktadır. Daha basit bir şekilde düşünmek gerekirse, basınç uygulanmış veya genişletilmiş veya diğer şekillere bürünmüş piezoelektrik materyaller belirli bir voltaj değeri vermektedir. Bu etki tam ters şekilde seramik elemanının şeklinin değiştirilmesi veya bazı uygulanan mekanik baskı sonucunda da oluşması mümkündür. Bu materyaller bir çok açıdan kullanışlıdır. Temel bazı piezoelektrik materyaller yüksek voltaj değerlerine çok iyi dayanım göstermektedir ve bu durum sayesinde transformatörlerde ve diğer elektrik komponentlerde kullanışlıdır. Piezoelektrik seramikler ayrıca motor üretiminde, hassas çevresel şartlarda titreşimlerin azaltılmasında ve buna bağlı olarak enerji kollektörü olarak da kullanılmaktadır. Aşağıda enerji üretimi için kullanıldığı yöntemlerden bazıları incelenecektir.

Piezoelektrik materyallerin en temel kullanım şekillerinden biri kişisel enerji üreteçleri olarak kullanılmalarıdır. Piezoelektrik materyaller, telefonlara, MP3 oynatıcılara vs... yetecek kadar enerji üretebilmektedir. Ayakkabının tabanı piezoelektrik maddelerden üretilebilir ve atılan her adımda elektrik üretimi sağlanabilir. Bu sayede kişisel elektronik cihazlarda kullanılabilmesi için bataryalarda depolanabilir veya doğrudan kullanılabilir.

Bir başka yeni düşünce ise sesin yankılanması ile oluşan titreşimlerin piezoelektrik materyaller aracılığı ile sese dönüştürülmesinin sağlanmasıdır. Şöyle ki, araçta radyo dinlerken, dışarıda parkta otururken, veya herhangi bir şey yaparken ses elektriğe çevrilebilmektedir.

Aşağıda basit bir piezoelektrik disk sayesinde led yakılması gösterilmektedir.
 

Piezoelektrik Uygulamaları İçin:
EcoFriend

Kaynaklar:
APC

Renewable Energy Sources

Yazı için:
Elektrikport