Piezoelektrik: Maddenin Kuyruğu Sıkışınca Elektrik
advertisement
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.
