Piezoelektrik: Maddenin Kuyruğu Sıkışınca Elektrik

Piezoelektrik:
Maddenin
Kuyruğu Sıkışınca Elektrik
Üretmesi
Elektrik akımı denen fenomen aslında çok basit bir şekilde
oluşur. Mevzu tamamen iki nokta arasındaki gerilim, yani
elektron miktarları arasındaki farkın varlığından dolayı
elektronların bir noktadan diğer noktaya atlamasından
ibarettir. Tabii bunun için bu iki yoğunluk farkı olan noktayı
elektronların ilerleyebileceği bir yol ile, yani bir iletken
ile birbirine bağladıktan sonra bu mümkün. Doğada geçebilecek
yol bulan her madde yüksek yoğunluktan düşük yoğunluğa geçer,
daha sık bölgelerden kurtularak daha seyrek bölgelere doğru
yol alır. Bu kavrama difüzyon adı altında rastlamışsınızdır.
Elektrik bu kadar basit bir kavram olduğundan dolayı doğada
elektrik üretmek için çok fazla yol vardır. Işık ile, ısı ile,
basınç veya titreşim ile, manyetizma ile, kimyasal tepkimeler
ile ve sınırsız sayıda madde ve enerji etkileşimi ile elektrik
üretilebilir. Tek yapılması gereken elektronları koparıp rahat
hareket etmelerini sağlamaktır. Tabii manyetizma ve kimyasal
enerji dışındaki neredeyse hiçbir metod verimli ve sürekli bir
şekilde iş görmez. Bu yüzden insanoğlu bu zamana kadar genel
enerji ihtiyacını manyetizmadan ve kimyasal enerjiden
karşılar. Barajlara, rüzgarlı yerlere kurulan jeneratörler
hareket enerjisini manyetik alan yardımıyla alternatif
elektrik akımına dönüştürerek şehirlere dağıtır. Piller ise
kimyasal enerji ile elektrik üreterek şebekeden bağımsız küçük
cihazların çalışmalarına yardımcı olur. İçlerinde bulunan
çeşitli çözelti ve onların bünyelerinde bulunan iyonlar iki
kutuptaki potansiyel farkı oluşturur. Çok çeşitli pil türleri
vardır. Ancak güneş enerjisi yani ısı ve ışık etkisi de yeteri
kadar olmasa da bir diğer sık kullanılan elektrik üretme
yoludur. Burada anlatılacak olan konu ise basınç ile elektrik
üretme şekli olan piezoelektrik. Bu özelliğe sahip maddeler
tam tersi şekilde üzerlerine gerilim uygulandığında bunu
mekanik enerjiye, yani hareket enerjisine çevirebilir.
Manyetolu
çakmakları
bilirsiniz.
Çakmaktaşı
kullanarak
kıvılcım üretip bütan gazını tutuşturmayı sağlayan klasik
çakmakların aksine bir düğmeye sahiptirler ve bu düğmeye
basıldığında altlarında bulunan kablonun uçlarında bir ark,
yani elektrik akımı atlaması oluşarak bütan gazını
tutuştururlar. Aslında bu çakmaklarda manyeto denen cihaz
bulunmaz. Manyeto denen alternatif akım üretecinin bu konuyla
zerre alakası yok. Bunlara piezo çakmak demek daha doğru,
fakat halk arasında bu isimle yaygınlaştığından dolayı yazıda
da isimlerini bu şekilde kullanmak daha uygun olacak. En az
bir manyetolu çakmağı söküp içine baktığınızı varsayıyorum.
Tabii konumuz çocukken bununla kendinizi veya arkadaşlarınızı
nasıl çarptığınıza dair anılar değil. Bu çakmakların içinde
bulunan manyeto isimli bu mekanizmanın nasıl çalıştığını
düşünmüşsünüzdür. Kimisine göre içinde pil var ve akımı o
üretiyor. Bunun aksine manyetonun içinde pil gibi, sürekli
elektrik üreten bir yapı mevcut değil. Manyetolar
piezoelektrikle çalışır. İçinde bulunan kristale düğmeye
sertçe basarak anlık bir basınç uygularsınız ve o gördüğünüz
ark oluşur. O an içinde kablonun ucunda onbinlerce volt
değerinde gerilim oluşuyor. Çakmak manyetosuyla çarpılıp ölen
hiçbir insan görmediğinize göre buradan elektrik çarpmalarında
önemli olan parametrenin gerilim olmadığı çıkarımını
yapabilirsiniz. Elektrik akımını tehlikeli yapan şey akım,
yani yol üzerinden anlık olarak geçen elektron sayısıdır.
Tabii piezoelektrik kaydadeğer bir şekilde, tutarlı olarak
elektrik üretimi için kullanılamaz. Yıldırımı düşünün.
Yıldırımlardan elektrik üretilememesinin nedeni bir anda çok
yüksek bir yük boşalımı gerçekleştiriyor olmasıdır. Bu yük
depolanıp azar azar kullanılamaz.
Piezoelektriğin bir de diğer yönü olduğundan bahsetmiştik.
Üzerine gerilim uygulanan piezoelektrik bir kristal titreşim
hareketi sergiler. Dijital saatlerin çalışma prensibi bunlara
dayanır. Bunların içerisinde bulunan kristal osilatör içinde
kuvars (quartz) kristali taşır. Bu bildiğiniz kumdur aslında,
çok saf silisyumdioksit minerallerinden ibarettir. Çakmak
manyetoları dahil bu prensiple çalışan birçok aletin içinde
kuvars kristali bulunur. Kuvarsa voltaj uygulandığında belli
süreler içerisinde belli salınım hareketi yapar, yani
titreşir. Bu titreşim sayısı ölçülerek uygun değerlere
bölündüğünde ise saat, dakika ve saniye değerleri hesaplanır
ve ekranda bir saniyede bir saniyelik değişim görüntülenir.
Piezoelektrik
özellik
taşıyan
malzemeler
eski
tip
telefonlarda, basit mikrofonlarda, buzzer denen devre
elemanlarında da kullanılıyor. Ortak yönleri tıpkı dijital
saatlerde olduğu gibi üzerine voltaj uygulandığında titreşim
üreten kuarz gibi piezoelektrik kristallerde yatıyor.
Elektronik
İnsanlarla
Devreler
ve
Olan Moleküler
Benzerlikleri
20.yüzyılın ortalarında başlayan ve transistörlerin
geliştirilişiyle ortaya çıkan, bilgisayarlarla birlikte
gelişimi aşırı hızlanan akıllı elektronik cihazlar 21.yüzyılda
dünyayı ele geçirdi denilebilir. Şehir yaşantısında,
baktığımız her bir noktada bunlardan birer parça görüyoruz.
Başlarda yalnızca ev telefonlarının kablosuz olarak
taşınabilir hali olarak ortaya çıkan cep telefonları günümüzde
birer mini bilgisayara dönüşmüş durumda.
Bütün bu gelişim hızının arkasında yarı iletkenlerin
keşfedilmesi yatıyor. O hep övülen yarı iletkenler ile
oluşturulan devre elemanları gittikçe daha küçük hale
getiriliyor ve maliyetleri düşüyor. Akıllı cihazların şu anın
teknolojisiyle yalnızca “1” ve “0” girdilerinden oluşan
verileri kullandığını duymuşsunuzdur. Binary denen bu sistemin
ayrıntısına girmeyeceğim, fakat bir bilgisayardaki bütün
metin, resim, müzik, video ve program gibi dosyaların
içeriğinin her bir parçasını ikili sayı sisteminin
oluşturduğunu söylemekte yarar var.
Transistörler büyük oranda silisyumdan üretilir. Silisyum
bildiğimiz kumun temel maddesidir. Elektrik iletiminde iletken
denen; atomlarından bağımsız halde bulunan elektronların çok
olduğu elementler, yani metaller kullanılır. Elektrik akımı
elektronların değiş tokuşudur. Elektronları serbest halde
bulunmayan veya çok az bulunan maddeler ise yalıtkandır.
Kaplamalı bir elektrik kablosunda elektronlar içerideki
metalden geçebilir, fakat dış kısımdaki kaplamadan serbest
elektron sayısının azlığı nedeniyle geçemez. 20.yüzyılın
ortalarında yarı iletkenler keşfedildi. Bu maddeler üzerlerine
uygulanan çeşitli etmenlere bağlı olarak elektrik akımını
geçirebiliyor, veya geçiremiyordu. Bu bir yerden tanıdık
gelebilir. Transistörler bu prensip aracılığı ile elektrik
akımını geçirip geçirememelerine göre “1” veya “0” çıktısı
verirler.
Yarı iletkenlerin temelini oluşturan atomların 4 tane serbest
elektronları vardır. Bu özellikleri dolayısıyla metal ve
ametallerin tam ortasında kalırlar. Başlıca yarı iletken
hammaddeleri silisyum ve germanyumdur. Bu açıdan içlerine
katılan farklı elementler ile daha fazla eksi (-) ve artı (+)
yükü tutabilecek hale gelirler. Bunlara P ve N maddeleri
denir. Sonuçta oluşabilen bu iki ayrı ürün art arda eklenerek
yarı iletken bir devre elemanı meydana getirilir.
İnsan ve diğer bütün canlılar yapılarının temelinde karbon
içerir. Dünya üzerinde tamamen karbon tabanlı bir hayat
vardır. Karbon atomumun da son yörüngesinde serbest olarak 4
elektron bulunur. Bu sayede karbon sayısız bileşik
oluşturabilir, bu elektronları alıp vererek sonsuz sayıda
farklı özelliklere sahip madde meydana getirebilir.
Karbon, silisyum ve germanyum periyodik tabloda alt alta
bulunur. Hepsi son yörüngelerinde 4 elektron içerir. Bu metal
ve ametal arasında olma durumları nedeniyle bileşik ve
elektriksel özellikler konusunda bolca yetenekleri vardır.
Karbonun da yarı iletkensel özellikleri vardır, fakat yarı
iletken olarak kullanmak için ideal bir element değildir.
Canlılık ise karbon yerine silisyumdan da meydana gelebilirdi.
Bu sefer canlılığın bulunduğu ortamın silisyumun rahat
etkileşimde bulunabileceği yüksek sıcaklıklarda olması
gerekir. Yeni keşfedilecek herhangi bir sıcak gezegende
silisyumdan oluşmuş canlılar yaşıyor olabilir.
Sonuç olarak canlı vücutları da, elektronik devreler de
metaller ve ametaller arasında kalmış bu elementlerin
elektronlarını çok daha rahat ve geniş yelpazede
kullanabilmesi nedeniyle varlar. Cyborg (Sibernetik organizma)
denen insan ve makine karışımı varlıkların bu yakınlık baz
alınarak geliştirilmesi olası.