Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

Piezoelektirk Enerjisi

No description
by

Sevdenur Demirel

on 22 December 2016

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of Piezoelektirk Enerjisi

Piezoelektrik Enerjisi Nedir?
Piezoelektrik; Yunanca "peizein" kelimesinden türetilmiştir.

Piezoelektrik etki,
1- Malzemeye uygulanan mekanik kuvvet sonucunda elektrik gerilimin meydana gelmesi (doğrudan etki)
2- Elektrik alan uygulandığında mekanik gerilme sonucu maddenin sıkışması ya da uzamasına denir. (ters etki)

Piezoelektrik Malzemeler
Piezoelektrik malzemeler yapısında simetri özelliği olmayan malzemelerdir.

Örnek olarak;
Ferroelektrik malzemeler
Piroelektrik malzemeler
Doğal ve sentetik malzemeler verilebilir.
Çalışma Prensibi
Tarihçesi;
Piezoelektirk Enerjisi
Günümüzde Piezoelektrik Enerjisi!
1880'de,
Pierre Cruie ve Jasques Cruie tarafından
doğrudan piezoelektrik etki
keşfedilmiştir.
18. yy ortalarında,
Cark Linnaeus ve Franz Aepinus -
piroelektrik etki
René Just Haüy and Antoine César Becquerel -
mekanik stres ile elektrik yük arasındaki ilişki
ispatlanmaya çalışılmıştır.
1881'de,
Gabriel Lippmann
ters piezoelektrik etki
yi bulmuştur.
1910'da,
Woldemar Voigt p
iezoelektrik özellik gösteren 20 doğal kristal
i sınıflandırmıştır.
Kullanım Alanları
Piezoseramiklerin kullanım alanları 4 ana grupta sıralanabilir:
1. Yüksek gerilim altında şarj oluşturma
2. Mekanik titreşimlerin tespiti ve kontrolü
3. Frekans kontrolü
4. Akustiğin oluşumu ve eyleyiciler için ultrasonik titreştiriciler
Piezoelektrik Malzemeye Etki Eden Faktörler
• Sıcaklık (Curie sıcaklığının üstünde sıcaklığa maruz kalma) seviyesi
• Elektrik alan seviyesi
• Mekanik gerilim seviyesi

Çalışma sıcaklığı arttıkça piezoelektrik özellikler artan sıcaklığa bağlı olarak azalma gösterir ve kutuplamanın tamamen kaybolduğu Cruie sıcaklığına kadar devam eder.

Bu sıcaklığa maruz kalan piezoelektrik malzeme oda sıcaklığına dönse bile piezoelektrik özelliklerini tamamen yitirmiş olur.

Dolayısıyla piezoelektrik malzemelerin çalışma sıcaklıkları Küri sıcaklıklarının altında olmak zorundadır.
Piezoelektrik malzemelerin kutuplanmalarını yitirebilecekleri bir diğer durum da kutuplandıkları gerilimlerin ters yönünde yüksek elektrik alanına maruz kalmalarıdır.

Güvenli olarak uygulanabilecek en yüksek gerilim değeri, malzemenin tipine, gerilime maruz kalacağı süreye ve çalışma sıcaklığına bağlıdır.
Aynı şekilde piezoelektrik malzemenin maruz kalabileceği yüksek statik mekanik gerilmeler de, malzemenin kutuplanma özelliğini zamanla yitirmesine sebep olmaktadır.

Diğer etkilere göre dinamik gerilmeler malzemeye daha az zarar vermektedir.
Piezoelektrik enerji kısaca;
elektrik enerjisinin mekanik enerjiye veya mekanik enerjinin de elektrik enerjisine dönüşmesi
olarak tanımlanır.

Piezeoelektrik malzemenin çekme veya itme kuvvetine maruz bırakılması sonucunda elektriksel gerilim meydana gelirken tersi durumda ise, elektriksel gerilme uygulanan malzemenin şeklinde değişiklik meydana gelir.

Şekilde kutuplanmış bir piezoelektrik silindiriğe uygulanan düz ve ters piezoelektrik etki şematik olarak gösterilmiştir.
1'de silindir üzerinde yük yokken herhangi bir gerilim oluşmamaktadır.
2 ve 3. şekilde ise malzemeye basma veya çekme gerilimi oluşturacak bir kuvvet uygulanması sonucu, dipol momentlerin değişmesiyle elektrotlar arasında bir gerilimin oluştuğu görülmektedir.
Silindir sıkıştırılırdığında gerilim, kutuplanma gerilimiyle aynı polariteye sahip olurken (2), uzatıldığında ise kutuplanmaya zıt yönde bir polariteye sahip olmaktadır (3).
Ters piezoelektrik etki şekil 4 ve 5'teki gibidir.
Silindir üzerindeki elektrotlara kutuplanma gerilimine zıt polaritede bir gerilim uygulandığında silindir uzamaktadır (4). Tersine uygulanan gerilim kutuplanma gerilimiyle aynı polariteye sahip olduğunda ise silindir kısalmaktadır (5).
Piezoelektrik Malzemelerin Üretimi
Piezoelektrik Malzemenin Verimi
Basit bir hesaplama;
Piezoelektrik malzemelerin sentetik olarak üretilmesi için malzemeye ekstrüzyon ve sıcak dövme yöntemleri gibi çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Fakat genelde daha kolay ve yaygın olan kutuplama yöntemi kullanılmaktadır.

Histerizis döngü incelendiğinde, bir malzemenin manyetik özelliğe sahip olması için izlediği yol görülmektedir. Kutuplama yönteminde bu döngünün yaklaşık dörtte biri kadar elektrik alan uygulanmaktadır.
Bir piezoelektrik seramik, rastgele yönlenmiş piezoelektrik kristallerden meydana gelmiş olarak kabul edilebilir. Bu rastgele yönlenme nedeniyle net piezoelektrik aktivite sıfırdır. Seramiğin her yerinde aynı doğrultuda yönlenme sağlanana kadar piezoelektriklikten bahsedilemez.

Şekilde gösterildiği gibi birbirine paralel yüzeyleri elektrotlanmış seramik, kutuplandırma işlemiyle yüksek bir elektrik alana maruz bırakılarak seçilen bir kutup yönünde piezoelektrik hale getirilmektedir. Kutuplama, Curie sıcaklığının altında gerçekleştirilir ve malzemenin kalıcı polarizasyona ulaşması durumunda kutuplama işlemi sona erdirilir.
Elektromekanik bağlaşma faktörü, piezoelektrik malzemeye uygulanan mekanik enerjinin elektrik enerjisine ya da tam tersi bir dönüşümde dönüşen enerji miktarını ifade etmektedir. Kalan enerji elastik veya dielektrik olarak depolanır ya da harcanır

Kısaca "k" ile gösterilen bağlaşma faktörü piezoelektrik malzemenin verimliliğini ifade etmektedir.
Doğrudan ve Ters Piezoelektrik Etki Denklemleri
Denklemdeki terimler;

• Xij: piezoelektrik malzemeye uygulanan gerilimi
• Di: malzemenin yüzeyinde oluşan yük yoğunluğunu
• Ek: k yönünde uygulanan elektrik alanı
• Xij: malzemede biriken gerilmeyi
• dijk ve dkij: piezoelektrik yük katsayılarını (birimleri pC/N ve pm/V) ifade etmektedir.

Yapılan bir deneyde 57 adımda üretilen enerji miktarı hesaplanmıştır. Deneyde piezoelektrik malzeme, doğrultucu ve 22 mF kondensatör kullanılmıştır.
57 adım sonucunda üretilen gerilim 21.9V'tur.
E = 1/2 * V^2 * 22mF
E = 5.28 mj bulunmuştur.
Soru: Bir aracın üretebileceği elektrik enerjisi ne kadardır?
PZT
PZT kurşun zirkonat titanat (Lead Zirconate Titanate-Pb(Zr,Ti)O3) esaslı piezoseramik malzemelere Clevite firması tarafından verilen ticari bir isimdir. Ticari PZT’ler genelde % 52-54 mol kurşun zirkonat, % 46-48 mol kurşun titanat içerirler ve perovskit yapıya sahiptirler. Birim kafesi içerisinde; Pb iyonları köşelerde, O iyonları ise yüzey merkezlerinde bulunur. Pb ve O iyonlarının boyutları yaklaşık 1.4 Ao’dür ve oluşturduğu yüzey merkezli yapının kafes parametresi (kafes noktalarının birbirlerine göre yerleşim geometrisi) ise yaklaşık 4’Ao dür. Oktahedral olarak dizili Zr ve Ti iyonları birim kafesin hacim merkezlerinde bulunurlar.
Hacim merkezli kübik sistem
PZT’lerde yüksek kutuplama yeteneğinden yararlanmak için iki faz dönüşümünü mümkün kılan kompozisyonlar seçilir. Küri sıcaklığının üzerinde kübik perovskit yapıya sahip PZT paraelektrik özellik gösterirken, bu sıcaklığın altında kararlı olan tetragonal / rhombohedral karışımı morfotropik faz yapısı ferroelektrik özellik gösterir. Aynı zamanda bu faz yapısının piezoelektrik çift katsayısı(k) oldukça yüksektir.
Paraelektrik polarlaşma
Ferroelektrik polarlaşma
1917’de I. Dünya Savaşı sırasında Fransa’da Paul Langevin ve beraberinde çalışanlar “ultrasonic submarine dedektör” ürettiler. Bu piezoelektrik sonar sistem, ses dalgaları kullanılarak sesin su altında yayılmasını ile su altında/ üstünde gezmeyi, haberleşmeyi ve diğer cisimleri tespit etmeyi sağlamıştır.
Sonarlarda piezoelektirik kullanımı ve bu projenin başarısı piezoelektrik aletler üzerindeki ilginin gelişmesine katkıda bulunmuştur. Bundan sonraki yıllarda yeni piezoelektrik malzemeler ve bu malzemelerin yeni uygulamaları keşfedilerek geliştirilmiştir.

İlk Gelişmeler,
Evlerde birçok alanda kullanılabilen piezoelektrik malzemeler hem ucuz olması hem de kolay üretilmesi bakımından daha fazla tercih edilir olmuştur. Örnek olakak seramik gramofon kaset yürütücüsü verilebilir.

Ultrasonic dönüştürücüler, katı ve sıvılarda viskozite ve elastisite ölçümünü kolaylaştırarak malzeme araştırmasında büyük gelişmelerin oluşmasına yardımcı olmuştur.

Ultrasonik zaman tabanlı reflektometreler ise (malzemelere ultrasonik vurular göndererek malzemenin süreksizliğinden gelen yansımaları ölçen cihaz) metal ve kaya nesnelerin içindeki kusurları bularak cismin yapısının güçlenmesini sağlamıştır.
Piezoelektrik özellikli ultrasonik cihazlar, diş hekimliği alanında 1953 yılında yüksek frekanslı ses dalgalarının diş sert dokuları üzerindeki kesme etkisinin bulunmasının ardından temel olarak periodontoloji ve endodonti alanlarında kendilerine yer bulmuşlardır. Bu teknik ilk olarak 1975 senesinde Horton ve arkadaşları tarafından tanımlanmış, 2000 senesinde ise Vercelloti ve arkadaşları tarafından yenilenip kullanıma sunulmuştur.
Technion Üniversitesi ve İsrail Demiryolları, piezoelektrik teknolojisinin etkilerine dikkat çekmek amacıyla, piezoelektrik etki ile enerji üreten sistemin prototipini 2009 yılında uygulamaya almıştır. Proje ile raylar üzerinden geçen 10-20 kompartımanlı bir tren ile 120kwh enerji üretilebilmiş ve bu sayede demiryollarındaki aydınlatma, işaret ve işaretçilere enerji sağlanmıştır. Artan enerji ise şebekeye aktarılmıştır
Piezoelektrik malzemeler teknolojik değere sahip önemli stratejik malzemelerdir. Etkisi altında kaldığı mekanik gerilmeyi elektrik sinyaline veya elektrik sinyalini mekanik harekete dönüştürebilmesi endüstri, askeri ve tıp gibi bir çok alanda kullanımını olanaklı kılmıştır.
Bu malzemelerin halen dönüştürücülerde (transducers), piezoelektrik titreştiricilerde (vibrator), yüzeysel akustik dalga üreticilerinde, piezo tahrikleyicilerde (actuator), piezo motorlarda, sensörlerde, bellek ve optik cihazlarda, elektro-optik modülatörlerde vs. gibi birçok uygulama alanında kullanımı söz konusudur.
Devam etmekte olan araştırmalarda, kurşun esaslı olmayan piezomalzemelerin geliştirilmesi, değişik geometriye sahip makro / mikro / nano formların ve ince kaplamaların üretimi, piezomalzeme / seramik, piezomalzeme / metal, piezomalzeme / polimer kompozitlerin, çok düşük sıcaklık veya yüksek sıcaklıklarda çalışabilen piezoelektrik malzemelerin geliştirilmesi gibi bir çok alanlarda çalışmalar sürmektedir.
Malzemelerdeki ve üretim yöntemlerindeki bu gelişmeler, piezoelektrik ve ferroelektrik özelliklerin daha iyi anlaşılması ile piezomalzemelerin ileri teknolojiler yardımıyla ile günlük yaşamımıza olan etkileri daha da artarak devam edecektir.

Bu bağlamda, ülkemizde bu tür malzemelerin üretimi ve geliştirilmesi, üretim yöntemlerindeki bilgi ve becerinin arttırılması ve karakterizasyon yöntemlerinin geliştirilmesine dayalı arge çalışmalarının oluşturulması ve elde edilen teknolojinin ülkemiz elektronik, otomasyon, haberleşme gibi kullanım alanlarına aktarılabilmesi çok önemlidir.
Şekilde Morfotropik faz yapısına sahip PZT’nin Küri sıcaklıklarında yapısal dönüşümü gösterilmektedir. Titanyumca zengin PZT kompozisyonlarının kutuplaması, tetragonal yapının [001] yönünde önemli miktarda uzamasıyla gerçekleşir. Tetragonal yapı içerisinde bu doğrultu toplam 6 adettir. Zirkonyumca zengin kompozisyonlarda ise rhombohedral ferroelektrik yapı gözlenir. Bu yapılarda ise kutuplama ve distorsiyon 8 adet bulunan [111] yönünde gerçekleşir. En iyi kutuplanabilirlik özelliği ve dolayısıyla en iyi piezoelektrik katsayı tetragonal ve rhombohedral ferroelektrik fazları ikisini de içeren morfotropik bölgedeki kompozisyonlarda elde edilir. Böylece bu kompozisyonlarda -50o C ile +200o C arasında toplam 14 adet kutuplama yönü mevcuttur
Full transcript