E - SABİS

MALZEME BILGISI
(DERS NOTU)
Dielektrik Özellikler
Hazırlayan
Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR
2014
DİELEKTRİK MALZEME:

Elektriksel yalıtkanlarda, diğer bir deyimle dielektrik malzemelerde serbest elektron
yoktur, enerji aralığı 2 eV tan büyüktür ve özgül dirençleri 104 (ohm-m) nin üzerindedir.
Yalıtkanların özgül direnci metallerinkinin yaklaşık 1020 katı kadardır.

Elektriği iletmediklerinden çoğunlukla elektriksel yalıtkan olarak kullanılırlar. Ancak
elektriği iletmemelerine rağmen uygulanan elektriksel alandan etkilenirler. Elektriksel
alan etkisinde elektriksel yüklü elektronlar, iyonlar ve sürekli kutuplu moleküller yön
değiştirir, dolayısıyla elektriksel yük merkezleri kayar, bunun sonucu elektriksel
kutuplaşma oluşur. Oluşan elektriksel kutuplar malzeme yüzeyinde elektriksel yük
birikimi sağlar, bu nedenle kondansatör üretiminde kullanılırlar.

Diğer taraftan bazı dielektrik malzemelerde boyutlar elektriksel alan etkisinde değişir,
ayrıca kuvvet etkisinde uçları arasında gerilim farkı doğar. Piezoelektrik denen bu
özelliğe sahip kristaller ses iletim araçlarında ve benzeri yerlerde kullanılırlar.

Ayrıca değişken elektriksel alanda kutuplar sürekli yön değiştirir, bu esnada iç sürtünme
nedeni ile ısıl enerji doğar. Bundan yararlanılarak mikro-dalga ısıtıcıları geliştirilmiştir
ELEKTRİKSEL KUTUPLAŞMA

Bir kütle içinde artı elektriksel yük merkezi ile eksi elektriksel yük merkezi çakışmazsa
elektriksel kutuplaşma (polarizasyon) oluşur.

Asimetrik veya polar moleküllerde asimetrik dağılan elektronların ortak eksi yük
merkezi, kütlenin ağırlık merkezindeki protonların sahip olduğu ortak artı yük merkezi
ile çakışmaz. Bu şekilde oluşan kutuplaşma süreklidir.

Diğer taraftan bireysel atomlarla simetrik moleküllerde zıt işaretli yük merkezleri
çakışıktır ve net kutuplaşma yoktur. Ancak bunlara elektrik alanı uygulanırsa
elektronların ortalama konumu artı elektroda, artı iyon da eksi elektroda doğru bir
miktar yer değiştirir. Böylece dış etki ile geçici kutuplaşma oluşur, alan kalkınca
kutuplaşma kaybolur.

Alternatif elektriksel alan uygulanırsa iç elektriksel yük merkezleri ve kutuplar tekrarlı
yer değiştirir.
Kutuplaşma Türleri: Yer değiştiren bireylere bağlı olarak;

Elektronik kutuplaşma,

İyonsal kutuplaşma,

Moleküler (Yönsel) kutuplaşma,

Yerel kutuplaşma olmak üzere dört tür kutuplaşma oluşur.
Elektronik Kutuplaşma:

Alan etkisi yokken elektronlar çekirdek çevresinde homojen dağılmıştır ve yük
merkezleri çakışıktır.

Bir elektriksel alan uygulanınca eksi yüklü elektronlar alanın artı elektroda, artı yüklü
çekirdek eksi elektroda doğru çok az yer değiştirir.

Elektronların duran dalga hareketlerinin frekansı 1016 Hz düzeyindedir. Frekansları 1014
Hz civarında olan ışık dalgaları elektronları kolaylıkla etkileyerek elektronik kutuplaşma
oluşturur.

Bütün malzemelerde oluşmasına rağmen elektronik kutuplaşmanın dielektrik sabite
katkısı çok azdır.
İyonsal Kutuplaşma

İyonsal malzemelerde net elektriksel yük sıfırdır ve kutuplaşma yoktur.

Ancak bir elektriksel alan uygulanırsa, artı iyonlar eksi elektroda, eksi iyonlar
artı elektroda doğru yer değiştirir.

Bu tür kutuplaşma, elektronik kutuplaşmada olduğu gibi, dış etki ile oluşan
geçici kutuplaşma türüdür, iyonların kütlesi elektronlara göre çok büyük
olduğundan yer değiştirmeleri daha güçtür; bu nedenle ancak frekansları 1013
Hz altındaki radyasyon dalgalarında oluşurlar.

Bu frekansın üstünde olan ışık dalgaları iyonsal kutuplaşma oluşturamaz.
Moleküler (Yönsel) Kutuplaşma:

Asimetrik moleküllerde kütlenin ağırlık merkezinde olan artı yük merkezi ile
elektronların ortak eksi yük merkezi çakışmaz ve dolayısıyla sürekli kutuplaşma
görülür. Buna moleküler kutuplaşma veya yönsel kutuplaşma denir.

Elektriksel alan uygulanınca mevcut kutuplar alan yönünde paralel olmaya zorlanırlar.
Bu hareket oldukça büyük bir kütle ile ilgili olduğundan ancak 108 Hz'in altındaki
frekanslara tepki gösterirler.

Alanın etkisi kaybolunca kutuplar geri dönmeye çalışır, malzemenin türüne ve sıcaklığa
bağlı olarak dönmeler tam olmayabilir, bazıları dönük durumda kalabilir.

Sürekli kutuplar molekül bireylerinde veya birim hücrelerde oluşabilir. Genelde
bireysel kutup yönleri rastgeledir. Bazı malzemelerde bireysel kutuplar, gruplar halinde
yönlenmiş durumda olup bir ortak yerel kutba sahiptirler.

Üretim sürecinde bu yerel kutuplar yönlendirilerek malzemenin net bir kutuplaşmaya
sahip olması sağlanabilir.
Yerel Kutuplaşma:

Bazı çok fazlı yapılarda fazlar arasına çökelen iletken fazların varlığı kuvvetli
kutuplaşma sağlayabilir.

Özellikle yalıtkan bir ana faz (seramik) içinde dağılmış çok küçük iletken parçacıklarda
(metal), alan etkisinde büyük ölçüde elektron hareketi kuvvetli kutuplaşma oluşturur .

Örneğin Al2O3 içinde dağılmış küçük Al parçacıklarında böyle bir davranış görülür.

Bu tür malzemelerde yüksek frekanslarda dielektrik kaybı büyük olur.

Yerel kutuplaşmalar ancak enerji bölgesindeki frekanslar etkisinde oluşabilir, 104 Hz'in
üstündeki frekanslar etkili olamaz. TiO2 gibi metal oksit parçacıkları içeren seramiklerde
de yerel kutuplaşma görülür.
Dielektrik özellikler
1. Dielektrik sabit
2. Dielektrik mukavemet
3. Ferroelektrik özellik
4. Piezoelektrik özellik
1) DİELEKTRİK SABİT:

Elektriksel alan etkisinde oluşan elektriksel kutuplaşma malzeme yüzeyine konan
elektrodlar da elektriksel yük birikimine neden olur.

Dielektrik malzemede kalıcı kutuplaşma varsa yük birikimi kendiliğinden oluşur.

Kalıcı kutuplaşması olmayan bir malzemeye elektriksel alan uygulanınca kutuplaşma
meydana gelir, dolayısıyla dış etki ile elektrodlar da yük birikimi olur.

Kapasitörün üzerine bir voltaj uygulandığında pozitif kutupdan negatif kutupa oluşan
elektrik alanın etkisiyle levhanın (plakanın) birisi pozitif, diğeri negatif olarak şarj olur.
Bu kapasitans (C), her bir levha üzerinde depolanan Q yükü ile ilişkilidir.
C=
𝐐
𝐕
C= Kapasitans (C/V) veya Farat (F)
Q= Yük (C)
V= Voltaj (V)
Levhalar arasında vakum bulunan paralel bir
kapasitör ele aldım. Bu durumda
C0 = 0
𝑨
𝒍
A= levha alanı (m2)
l= levhalar arası mesafe (m)
0 = Vakuma ait geçirgenlik sabiti (8,85 10-12 F/m)
Levhalar arasına bir dielektrik malzeme
konulması durumunda
C= 
𝑨
𝒍
= Dielektrik ortamın geçirgenliği olup 0
değerinden büyüktür.
Bağıl geçirgenlik r, genellikle dielektrik sabit olarak adlandırılmaktadır.
r =
𝜀
1
𝜀0
r˃1 dir ve levhalar arasına dielektrik malzemenin yerleştirilmesiyle yük depolama
kapasitesindeki artışı gösterir. Dielektrik, sabit bir malzeme özelliği olup kapasitör
tasarımında birinci önceliğe sahiptir. Kapasitörde depolanan yük plakalar arasındaki
malzemenin dielektrik sabitine bağlıdır.
Dipol: Belirli bir mesafe ile ayrılmış zıt yükler çiftidir.
Aralarında d mesafesi olan iki elektrik yük (q büyüklüğünde) tarafından üretilen bir elektrik
dipolünün momenti (P): q d’ dir.
Elektriksel alan (E) etkimesi sonucunda oluşan kuvvet, elektrik dipolünü uygulanan alan
doğrultusunda yönlendirir. Bu şekilde dipollerin düzenlenmesi olayına polarizasyon denir.
Polarizasyon;
P= z q d
P=Polarizasyon C/m2
q= elektronik yük, 1,6 10-19 C
d= Dipolün pozitif ve negatif uçları arasındaki mesafe, m
z= Birim hacimde (m3) yerini değiştiren yük sayısı
Kapasitörün yüzeyindeki yük yoğunluğu D (C/m2) elektrik alan (E) ile orantılıdır. Vakum
bulunması durumunda,
D0 = 0 E
Dielektrik bulunması durumunda ise;
D=  E
Bazen D, dielektrik ötelenme olarak da tanımlanmaktadır.
D = 0 E + P  P = D - 0 E (veya P = D-D0)
r =
𝜺
𝜺𝟎
  = r . 0
,
D = r 0 E
P = r 0 E - 0 E
P = 0 E (r -1)
Vakumun bulunması durumunda
kapasitör levhalarında depolanan yük
Polarize olmamış bir dielektrik
malzemede dipollerin düzenlenmesi
Bir dielektrik malzemenin polarizasyonu sonucu
depolanan yük artışının şematik gösterimi
2) DİELEKTRİK DAYANIM (MUKAVEMET)

Elektriksel yalıtkanın temel özelliği özgül dirençtir.

Gerçekte bir yalıtkanın dayanabileceği bir kritik elektriksel alan şiddeti vardır. Bu değer
aşılınca aşırı akım sonucu dielektrik malzeme yanma, kavrulma veya ergime şeklinde
tahrip olur ve yalıtkanlık işlevi sona erer.

Alanın bu kritik değerine dielektrik mukavemet denir ve birimi kilovolt/mm (kV/mm)
dir.

Dielektrik mukavemetle özgül direnç aynı yönde değişmekle beraber aralarında arasında
kesin bir ilişki kurmak zordur.

Gerçekte yalıtkanlığın sona erdiği elektriksel göçmede dielektrik malzemenin enerji
aralığına ek yük taşıyıcı sağlayan yabancı elemanlar, çökeltiler, çatlaklar ve benzeri
kusurlar önemli rol oynarlar.

Elektriksel alan aşırı yükselince valans bandındaki veya enerji aralığındaki yük
taşıyıcılar iletim bandına geçer, serbest hale geçen bu yüksek enerjili elektronlar
diğerlerine de çarparak bir elektron seli oluştururlar.

Elektriksel göçme denen bu olay sonucu yalıtkan tahrip olur. Ayrıca sıcaklık
elektronların enerjisini arttırdığından bu olayı kolaylaştırır.
3) FERROELEKTRİK ÖZELLİK
Malzemelere elektrik alan uygulandığında dipoller alan doğrultusunda yönlenir ve alan kaldırıldığında
malzeme kalıcı dipol içeriyor olsa dahi polarizasyon genellikle kalkar. Ancak ferroelektrik malzemede
elektrik alan kaldırıldığında malzemede bir miktar polarizasyon kalır. Ayrıca elektriksel alan ile
polarizasyon yönü değiştirilebilmektedir.
Net bir kutuplaşması olmayan kutup çiftleri rastgele yönlenmiş bir kristalle başlayalım. Bir alan
uygulandığında kutup çiftleri aşağıdaki Şekil'de l'den 3. noktaya alanla hizaya gelir. Sonunda alan
kutup çiftlerinin hepsini hizaya getirir veya doyuma ulaşır. Kutuplaşma, 3. nokta elde edilir. Ardından
alan kaldırıldığında kalıcı kutup P, kutuplar arasındaki bağlanmadan dolayı nokta 4'de kalır. Malzeme
kalıcı olarak kutuplaşır. Kutuplaşmanın kalma yeteneği bilgisayar devresinde ferroelektrik
malzemenin bilgiyi saklaması için malzemeyi kullanışlı hale getirir.[Askeland]
Şekil. Ferroelektrik histerezis döngü, elektrik
alanının kutuplaşması üzerine etkisini ve kutup
çiftlerinin hizaya gelmesini göstermektedir.
Zıt yönde bir alan uygulandığında kutup çiftleri ters dönmek zorundadır. Zorlayıcı bir alan,
kutuplaşmayı uzaklaştırmak ve kutup çiftleri nokta 5'de rastgele yapmak için uygulanmak
zorundadır. Ters alan daha da artırılırsa zıt kutuplaşma ile nokta 6'da doyum olur. Alan
değişmeye devam ettiğinde, histerezis döngüsü ferroelektrik kutuplaşmanın alanla nasıl
değiştiğini göstererek tarif eder.
Histerezis döngüsünde kaplanan alan, bir yönden diğerine kutuplaşmanın kaymasını
sağlamak için gerekli enerji ile ilgilidir [Askeland].
Elektriksel yükün değişken alanla böyle bir kapalı eğri şeklinde değişimi kutuplaşmanın
tersinir olduğunu gösterir. Bu özelliğe ferroelektrik özellik ve buna sahip malzemelere de
ferroelektrik malzemeler denir.
Kapalı eğri içinde kalan alan bir çevrim boyunca kutupları döndürmek için sarf edilen
enerjiyi verir. Dielektrik kayıp denen bu enerji ısıl enerji halinde çevreye yayılır. Bu tür
alanla kutuplaşma aynı anda maksimuma erişemeyebilir ve aralarında bir faz farkı doğabilir
[Onaran].
Ferroelektrik davranış sıcaklık bağımlıdır. Kritik Curie
sıcaklığı üzerinde dielektrik ve bu nedenle de ferroelektrik
davranış kaybolur (Şekil). Baryum titanat gibi bazı
malzemelerde Curie sıcaklığı kristal yapıdaki değişime
karşılık gelir. Curie sıcaklığına kadar tetragonal, üzerinde
ise kübik yapıdadır. Bu nedenle her birim hücrede artık
kalıcı kutuplaşma yoktur.[Askeland]
ŞEKİL Sıcaklığın baryum titanatın dielektrik
sabiti üzerine etkisi Curie sıcaklığının üzerinde
molekül kutuplaşması, kristal yapıdaki bir yükten
dolayı kaybedilir ve baryum titanat artık
ferroelektrik değildir.
4) PİEZOELEKTRİK ÖZELLİK
Piezoseramik malzemeler elektriksel etkiyi mekanik büyüklüğe, mekanik etkiyi elektriksel
büyüklüğe dönüştüren simetri merkezi olmayan kristallerdir. Yaygın olarak kullanılan
piezoseramik malzemeler;

Kuartz (SiO2),

BaTiO3,

PbZrO3-PbTiO3 alaşımı (PZT),

(Pb,La)(Ti,Zr)O3 alaşımı (PLZT)
Sürekli kutuplaşmaya sahip bir asimetrik iyonsal kristale basınç uygulanırsa kutuplar arası uzaklık
azalır, yüzeyinde yük birikimi artar, dolayısıyla iki uç arasında bir gerilim farkı doğar ve bir
iletkenle birleştirilirse akım akar. Böylece mekanik etki elektriksel büyüklüğe dönüşür.
Diğer taraftan aynı kristalin iki ucu arasına bir gerilim uygulanırsa eksi yükler artı elektroda artı
yükler eksi elektroda doğru çekilir, eksi ve artı yük merkezleri arasında uzaklık artar ve bunun
sonucu kristalin boyu büyür. Alanın yönü değişirse aynı işaretli yükler birbirlerini iter ve kristalin
boyu kısalır. Böylece elektriksel etki mekanik büyüklüğe dönüşür. Bu davranışa piezoelektrik özellik
denir.
Baryum Titanat (BaTi𝑂3 ), kurşun zirkonat (PbZr03) ve kuvartz kristali çok kullanılan önemli
piezoelektrik malzemelerdir. Piezoelektrik özelliğe sahip malzemelerde yerel kutuplar rastgele
yönlenmiş halde iken parça net bir kutba sahip olamaz. Bu durumda belirli bir sıcaklıkta (Curie
sıcaklığı) kuvvetli elektriksel alan uygulayarak yerel kutuplar yönlendirilir, böylece parça net bir
kutup’a sahibi olur.
Şekil -7. Piezoelektrik etki ve BaTiO3 birim hücresi
Piezoelektrik özelliğin iç yapıda nasıl oluştuğunu açıklamak için Şekil-7de görülen baryum titanat
birim hücresini ele alalım. Kübik birim hücrenin köşelerinde birer adet 𝐵𝑎2+ iyonu, yüzeylerinde O2−
iyonları ve içeride bir 𝑇𝑖 4+ iyonu vardır. Titanyum iyonunun çapı yüzey merkezlerinde bulunan iki
oksijen iyonu arasında kalan boşluktan biraz büyüktür, bu nedenle titanyum iyonu tam kübün
merkezinde olmaz. Kübün merkezinden geçen bir yatay düzlem gözönüne alınırsa Şekil 7 de
görüldüğü gibi, 𝑇𝑖 4+ iyonu düzlemin biraz üstünde, O2− iyonları ise biraz altındadır. Bu nedenle artı
yük merkezi ile eksi yük merkezi arasında 0,012nm kadar bir mesafe vardır. Baryum titanat birim
hücresinde iyonların bu şekilde asimetrik dizilişi sonucu sürekli bir elektriksel kutuplaşma oluşur.
Şekil 7 de görüldüğü gibi 𝑇𝑖 4+ iyonu merkezin biraz üstünde olduğundan birim hücrenin üst ucu artı
kutup, dolayısıyla alt ucu eksi kutuptur. Birim hücrenin üstüne artı elektrod, alt yüzeyine eksi elektrod
bağlayarak bir alan uygulanırsa Ti4+ iyonu artı alan etkisi ile merkezin aşağısına doğru,O2− iyonları
ise üste doğru itilir. Bu durumda birim hücrenin kutuplaşması ters yöne döner. Aynı değişiklik
basınç uygulayarak da yapılabilir. Buradan kutuplaşmanın ne şekilde tersinir yapıldığı açıkça
anlaşılmaktadır.
Değişken alanda kutuplaşmanın tersinir olması bir ferroelektrik davranıştır. Buna göre
baryum titanatın hem piezoelektrik, hem de ferroelektrik malzeme olduğu açıkça görülür.
Kuvartz kristalin (SiO2) piezoelektrik özelliğe sahiptir. Alan etkisinde kutuplaşmanın etkisi
artıp eksilebilir, ancak kutuplar yön değiştiremez ve tersinir olamaz. Bu sonuca göre kuvartz
bir piezoelektrik malzeme olduğu halde ferroelektrik malzeme değildir. Ferroelektrik
malzemeler daima piezoeletrik malzemedir ancak piezoelektrik malzemeler ferroelektrik
olmayabilir.
Bazı kristaller, turmalin gibi, ısıtılacak olursa yüzeylerinde elektriksel yük birikimi oluşur.
Buna piroelektrik etki denir. Gerçekte piroelektrik oluşum piezoelektrik oluşum ile
yakından ilgilidir. Burada etken, alan ve basınç yerine ısıl enerjidir, sıcaklık artınca iyonlar
asimetrik dizilir ve kutuplaşma oluşur [Onaran].
Bazı lineer polar moleküller elektriksel alan etkisi ile paralel hale getirilerek kristal yapıya
benzer düzenli bir yapı oluşturulabilir. Alan etkisi kalkınca tekrar ilk düzensiz hale dönerler.
Bu özelliğe sahip malzemelere sıvı kristaller denir. Bunlar hem sıvı, hem de kristal karakteri
gösterirler, iki cam arasına konan ince film haline getirilen siyanobifenil gibi sıvı kristallerde
belirli büyüklükte dış etki ile yerel kutuplaşma sağlanabilir. Değişik yöndeki kutuplar ışığı
seçimli yansıtma ve kırma ile varlıklarını gösterirler. Bu özellikten yararlanarak elektrik
aygıtlarında sayısal gösterim elde edilir.
DİELEKTRİK MALZEMELER
Dielektrik malzemeler kullanıma alanlarına göre üç grupta toplanabilirler:
a) Yalıtkan malzemeler,
b) Kondansatör malzemeleri,
c) Piezoelektrik malzemeler.
A) YALITKAN MALZEMELER: Elektrik devrelerinde yalıtkan olarak kullanılacak
malzemelerin özgül direnci ile dielektrik mukavemeti yüksek, dielektrik sabiti küçük
dolayısiyle dielektrik kayıp düşük olmalıdır.
İletkenlerin yalıtımı için en elverişli ve en yaygın olarak kullanılan malzeme polimerlerdir.
Üretilmeleri kolay ve ucuzdur, ancak yüksek sıcaklık uygulamalarına elverişli değildirler.
Özellikle termoplastikler sıcaklıkla kolay yumuşarlar. Priz, fiş, sigorta gövdeleri gibi
yüksek sıcaklığa maruz kalmaları olası yerlerde termoset plastikler (fenol formaldehit gibi)
kullanılmalıdır.
Seramikler yüksek sıcaklığa ve yüksek gerilime maruz devrelerde yalıtkan olarak
kullanılmaya elverişlidirler, örneğin aşırı sıcaklık ve yüksek gerilim etkisinde kalan motor
bujileri için en uygun malzeme alüminadır (𝐴𝑙2 𝑂3 ). Yüksek gerilim hatlarında kullanılan
porselen yalıtkanlar %50 kil, %25 Si02 ve %25 feldispat içerirler. Plastik halde şekil
verildikten sonra fırında sinterlenerek sertleştirilirler. Porselen yalıtkanlarda iki tür
elektriksel göçme oluşabilir. Birincisi iç göçme olup bunda daha önce belirtildiği gibi
bileşimindeki yabancı elemanlar, çatlaklar ve benzeri kusurlar önemli rol oynar. İç
göçmede malzeme tahrip olur. Bu tür göçmeleri önlemek için saf malzeme ile dikkatli
üretim gerekir, ikinci tür olan yüzeysel göçme elektrik arkı şeklinde oluşur. Bunlarda
gözenekli dış yüzeylerdeki birikintiler ve rutubet önemli etkenlerdir. Porselen yalıtkanın
yüzeyi gözeneksiz ve düzgün hale getirilirse bu tür göçme olasılığı azaltılır. Diğer taraftan
dielektrik sabit yüksek olursa, yüzeyde yük birikimi artar, bu da yüzeysel göçmeyi
kolaylaştırır. Bu sakıncayı önlemek için dielektrik sabiti düşük yalıtkan kullanılır.Yüksek
frekanslı uygulamalarda alkali iyonları içermeyen dolayısıyla dielektrik kaybı düşük
seramikler (alümina gibi) daha uygundur.
B) KONDANSATÖR MALZEMELERİ
Kondansatörler üzerlerinde elektriksel yük biriktirerek ani akım değişmelerinde aşırı yük
artmasını önlerler, böylece diğer devre elamanlarını korurlar ve ayrıca biriktirdikleri yükü
tekrar geri verirler. Bu amaçla üretilen kondansatör iki iletken levha arasında konan uygun
bir dielektrik malzemeden oluşur. Dielektrik malzeme olarak genellikle polimerler veya
seramikler kullanılandır.
Polimerlerin dielektrik sabitleri seramiklere göre oldukça küçüktür. Bununla beraber
üretilmesi kolay ve ucuzdur, özellikle düşük sıcaklıklarda ve düşük frekanslarda
kullanılmaya elverişlidirler.
Seramik türü malzemelerin dielektrik sabitleri polimerlerininkinin yaklaşık 103 katı
kadardır. Özellike baryum titanat ve kurşun titanat gibi asimetrik kristal yapılı seramiklerde
kutuplaşmalar çok etkindir, dolayısıyle küçük bir hacimde çok büyük elektriksel yük
depolanabilir. Cam, mika ve kauçuk gibi dielektrik malzemelerde dielektrik sabiti 7
civarında olmasına karşın seramik kristallerde 1700-6500 arasındadır.
C) PİEZOELEKTRİK MALZEMELER
Piezoelektrik malzemeler yukarıda açıklandığı gibi elektriksel etkiyi mekanik büyüklüğe ve mekanik
etkiyi elektriksel büyüklüğe çeviren genellikle simetri merkezi olmayan kristallerdir. Bir piezoelektrik
malzemenin karakteristik değeri, birim alan etkisinde oluşan birim boy değişmesidir. Bir E elektriksel
alan (V/m) uygulandığında oluşan şekil değiştirme oranı e (mm/mm) aşağıda görüldüğü gibi alan
şiddeti ile orantılıdır.
Şekil değiştirme oranı (e) = g E
Burada g: piezolektrik sabit olup birimi (m/V) tur.
Tablo 2 Bazı kristallerin piezoelektrik katsayıları
Kuvartz kristalinin piezoelektrik katsayısının küçük olmasına karşın çok ilginç bir özelliği vardır.
Belirli boyutlarda hassas olarak işlenmiş bir prizmatik kuvartz kristalinin alternatif alanda rezonans
frekansı (sistemin genliğinin sonsuza dek artma eğilimi) sabittir, ancak 1/108 kadar bir sapma olabilir.
Bu nedenle saatlerde ve radyo yayınlarında frekans kontrolü sağlamada kuvartz kristalinden
yararlanılır.
BaTiO3'un piezoelektrik katsayısı oldukça yüksektir ve çok yaygın kullanılma alanına sahiptir. Örneğin
iletişim araçlarında, ultrasonik temizleme aygıtlarında ve benzeri yerlerde bu kristalden yararlanılır.
Piezoelektrik kristallerde, uygulanan elektriksel alanla oluşan gerilme ile şekil değiştirme arasında
lineer bağıntı vardır. Kristallerin gerilme etkisinde lineer elastik cisim olduğu varsayılır. Kristale
etkiyen gerilmesi () (N/mm2) şekil değiştirme oranı e (mm/mm) ile orantılıdır.
Gerilme (σ) = Elastisite modülü (E) x şekil değiştirme oranı (e)
σ = Elastisite modülü x g x E
ise
Elastisite modülü =
𝝈 𝟏
𝑬 𝒈
Kaynaklar:
W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Malzeme bilimi ve Mühendisliği, Baskıdan Çeviri, Edt:
K. Genel, 2013
D. R. Askeland, Malzeme Bilimi ve mühendislik Malzemeleri, 3. Baskıdan çeviri, M.
Erdoğan,
W. F. Smith, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, 3. Baskıdan Çeviri, N.G. Kınıkoğlu, 2001
Prof. Dr. Kaşif ONARAN, Malzeme Bilimi, 1997