DİELEKTRİK MALZEMELER

DİELEKTRİK MALZEMELER Dielektrikler elektriksel olarak yalıtkan malzemelerdir. Malzemenin elektriksel özelliğinin enerji band yapısına bağlı olduğunu söylemiştik. Boş iletim Bandı Yasak band aralığı Dolu Değerlik Band Yalıtkan malzemelerde enerji band yapısı elektronlarla dolu değerlik bandı ile boş iletim bandı arasında geniş bir enerji boşluğu yasak band aralığı (>2eV) biçiminde idi. Bu yapı elektronların kolayca iletim bandına atlayarak iletime katılmasına imkan tanımaz. Peki dielektrikmalzemeler uygulanan elektrik alana nasıl tepki verirler??? 2 1

Dielektrik malzemelerin yapısında serbestçe dolaşan elektronlar bulunmaz ancak yine de yapı içinde var olan yüklü parçalıklar uygulanan dış elektrik alandan etkileneceklerdir. Dielektrik malzemeler atomik ya da moleküler düzeyde (+) ve (-) yük parçalarının birbirinden belli uzaklıklarda bulunması ile oluşan ve elektriksel dipol momenti olarak adlandırılan yapılara sahiptirler ya da sahip olabilirler. Dielektrik malzemelerin elektriksel davranışının kaynağı da söz konusu elektriksel dipol momentleridir. Pozitif yük merkezi Dipol Momenti Negatif yük merkezi 3 Elektriksel dipol momenti dielektrik teoride önemli bir kavramdır ve birbirinden sonlu d mesafesi kadar ayrılmış aynı büyüklüklü fakat zıt işaretli bir yük çiftinin elektrostatik etkisinin ölçüsü olarak tanımlanır. p = Qd Net yükü 0 olmasına rağmen bu yapı elektrik alan oluşturur ve diğer kaynakların oluşturduğu elektrik alandan etkilenir. 4 2

Dielektrikleri iki gruba ayırabiliriz. İlk grup dielektrik malzemeler, polar olmayan dielektrikler olarak adlandırılırlar. Bu gruba giren malzemelerde, moleküller kendiliğinden bir elektriksel dipol momentine sahip değillerdir. Bu malzemelerde elektrik dipol momenti malzemeye bir dış elektrik alan uygulanması ile indüklenir. Elektron Bulutu Atomik Çekirdek Polar olmayan dielektriklerde bir dış elektrik alan olmadığı durumda, moleküllerin pozitif ve negatif yük merkezleri çakışık halde bulunur. Negatif yük merkezi p ind Ancak elektrik alan uygulandığında üzerine etki eden elektriksel kuvvet nedeni ile başlangıçta çakışık olan yük merkezleri kayarak birbirinden ayrılır ve böylece bir elektriksel moment indüklenmiş olur. dipol 5 İkinci grup ise kalıcı elektriksel dipol momentine sahip olan Polar Dielektrikler dir. Su bu grup için güzel bir örnektir. p Su molekülü geometrisinden dolayı sürekli elektriksel dipol momentine sahiptir. Bir dış elektrik alan yoksa polar dielektrik malzemede dipol momentler tamamen rasgele yönelmiş durumda bulunurlar. E 0 gibibirdışelektrikalan etkisialtındakaldığında dipoller üzerine etkiyen tork onları dış alanla aynı yönlü yönelmeye zorlar. Bu durum dielektriğin kutuplanma sı olarak adlandırılır. 6 3

Kutuplanma / Polarizasyon kalıcı ya da indüklenmiş dipol momentlerinin uygulanan dış elektrik alan etkisi ile alan yönünde yönelmesidir. Dielektrik malzemelerde polarizasyon farklı mekanizmalar ile ortaya çıkabilir. 1.Elektronik Polarizasyon İyon Çekirdeği Değerlik elektronlarının oluşturduğu negatif yük bulutu 7 2.Dipolar ya da yönelimsel polarizasyon Sadece kalıcı dipol momente sahip malzemelerde görülür E=0 E 0 Elektrik alan uygulanmadan önce dipollerin rastgele yönelimi Kapasitör Plakaları Elektrik alan uygulanmasından sonra alana bağlı olarak düzgün yönelmiş dipoller Dipoller 8 4

3. İyonik Polarizasyon Bu tür polarizasyon NaCl, KCl, gibi iyonik kristallerde görülür. İyonik kristaller tanımlanmış örgü konumlarında bulunan Na + ve Cl - gibi birbirinden farklı iyonlar içerir ve her zıt işaretli komşu iyon çifti bir dipol momenti oluşturur. 9 Bir dış elektrik alan yokken eşit büyüklükte dipol momentler zıt yönde yönelmiş olduklarından net dipol momentini 0 yaparlar ve kristal kutuplanmamıştır. +x yönünde bir elektrik alan uygulandığında(-) yüklü iyonlar x yönünde itilirken, (+) yüklü iyonlar +x yönünde itilir ve dipol momentinin büyüklükleri değişir. Buda dış alan yönünde net bir dipol momentine ve malzemenin kutuplanmasına sebep olur. From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap( McGraw-Hill, 2005) 10 5

3. Yüzeyler arası polarizasyon ya da Sınır-yük polarizasyonu Son polarizasyon türü ise Yüzeyler arası polarizasyon ya da Sınır-yük polarizasyonu olarak adlandırılan ve heterojen malzemelerin yapısal arayüzlerinde bulunan yük birikmelerinden kaynaklanan polarizasyondur. Elektrod Elektrod Dielektrik Sabit yükler Hareketli Yükler Eşit sayıda hareketli pozitif iyona ve sabit negatif iyona sahip bir kristal düşünelim, bir dış alan uygulanmadan önce pazitif ve negatif yükler arasında belirgin bir ayrım yoktur. Birikmiş Yükler Bir dış alan uygulandığında, hareketli pozitif iyonlar negatif elektroda doğru ilerlerler ve o bölgede birikirler. Bu durumda dielektrik içinde pozitif ve negatif yükler arasında belirgin bir ayrım oluşur. Sonuç olarak dielektrikte yüzeyler arası polarizasyon ortaya çıkar. 11 Yüzeyler arası polarizasyon genellikle grain sınırları ve farklı malzemeler arasındaki arayüzlerde ortaya çıkar grain sınırları ya da arayüz Malzemede ortaya çıkan polarizasyon farklı polarizasyon mekanizmalarından gelen katkıların toplamına eşittir. From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap( McGraw-Hill, 2005) 12 6

Bir kapasitörün uçları arasına bir potansiyel farkı uygulandığında plakalardan biri +Q diğeri Q yükü ile yüklenir ve plakalar arasında (+) dan (-) ye yönelmiş bir elektrik alan oluşur. Kapasitörün yük biriktirebilme yeteneği kapasitans olarak adlandırılır ve d C o = Q o V olarak tanımlanır. C o = Plakaları arası boşluk olan paralel plakalı kapasitörünkapasitansı Q o = Plakalar üzerinde biriken yük miktarı V = Plakalar arasına uygulanan potansiyel farkı 13 Bir kapasitörün kapasitansı geometrisine bağlıdır. Paralel plakalı kapasitör için Burada C = ε o 0 olarak verilir. A d A: plakaların alanı d: plakalar arası mesafe ε 0 :boşluğunelektrikselgeçirgenliği dir. 12 ε 0 = 8.85*10 F / m Kapasitörün plakaları arasına bir dielektrik malzeme yerleştirilirse kapasitörün kapasitansı yani birim voltaj başına yük depolama yeteneği dielektrik malzemenin bağıl geçirgenliği ya da dielektrik sabiti, ε r olarak adlandırılan faktör kadar artar. 14 7

Plakalar arası boşluk iken C Q = = ε V o o 0 A d Plakalar arası dielektrik malzeme yerleştirildiğinde Q A Co = = ε0εr V d ε = ε ε 0 From Principles of Electronic Materials and Devices, Third Edition, S.O. Kasap( McGraw-Hill, 2005) 15 r ε: mutlak geçirgenlik ε r : bağıl geçirgenlik ya da ortamın dielektrik sabiti Plakalar arasına dielektrik malzeme yerleştirildiğinde depolanan yükte meydana gelen artış uygulanan elektrik alana bağlı olarak dielektrik malzemenin kutuplanmasından kaynaklanır. ε C Q ε r = = = ε C Q 0 0 0 Dielektrikmalzeme konulduğunda elektrik alanın değişmediğini hatırlamak önemlidir! Potansiyel fark değişmediğinden gradiyenti yani elektrik alanı da değişmez. d V E = V = E.d l x r E V = d 0 16 8

Net yükün 0 olduğu bölge Polarizasyon yolu ile ortaya çıkan Q p yüzeysel polarizasyon yükleri Polarizasyon yolu ile ortaya çıkan +Q p yüzeysel polarizasyon yükleri Q p ve +Q p bağlı yüklerdir, malzemenin kutuplanması sonucu oluşurlar ve yüzeysel polarizasyon yükleri olarak isimlendirilirler. Ortamın kutuplanması Polarizasyon vektörü, P adı verilen bir nicelikle ifade edilir. Polarizasyon vektörü birim hacimdeki toplam dipol moment olarak tanımlanır. 17 r p toplam Kutuplanmış dielektrik malzemeye tek başına baktığımızda basitçe birbirinden d mesafesi kadar ayrılmış Q p ve +Q p yüzey yükleri biçiminde düşünebiliriz. Bunu da büyük bir dipole benzetebiliriz. = Q d p O halde Polarizasyon vektörünün büyüklüğü r P r p toplam Q pd Q p = = = = σ hacim Ad A p yüzeysel polarizasyon yük yoğunluğu 18 9

Bir dielektrik malzeme bir elektrik alana konulduğunda malzemede indüklenen polarizasyon elektrik alana bağlıdır. 0 e Bu eşitlik E etkisi ile oluşan tepkiyi (P) ifade eder. χ e etkiyi tepkiye bağlayan niceliktir ve elektriksel duygunluk olarak isimlendirilir. r v P = ε χ E Serbest yükler ile polarizasyon yüklerinin farklı olduğuna dikkat etmek önemlidir. Plakalarda oluşan Q yükleri serbest yüklerdir. Metal içindeki serbest elektron hareketi ile oluşurlar. Ancak Q p ve +Q p polarizasyon yükleri atom yada moleküllere bağlı yüklerdir. Dielektrik içinde ya da yüzeyde serbestçe hareket edemezler. 19 Malzemede ortaya çıkan polarizasyon farklı polarizasyon mekanizmalarından gelen katkıların toplamına eşittir. Alternatif bir elektrik alana maruz kalan bir dielektrik malzemede toplam polarizasyon ve aynı zamanda dielektrik sabiti (ε r ) kalıcı ya da indüklenmiş dipollerin uygulanan alanla aynı yönlü yönelebilmelerindeki kolaylığa bağlıdır. Dipollerin yönelimi için gerekli olan zamana relakzasyon-durulma zamanı, tersine ise relakzasyondurulma frekansı denir. Bir polarizasyon sürecinde, uygulanan elektrik alanın bir periyodunda geçen süre durulma zamanından çok daha azsa dipoller dış alanla aynı yönlü kalmalarını sağlayacak kadar hızlı yönelim değiştiremezler ve bu işlemi durdururlar. Bu durumda durdurulan bu polarizasyon mekanizmasından toplam polarizasyona katkı gelmez. 20 10

Polarizasyon mekanizmalarından toplam polarizasyona gelecek katkının ortadan kalkması mekanizmanın kaynağının diğerlerine göre bağıl boyutuna bağlıdır. Elektron yoğunluğuna bağlı olduğundan kaynağı en küçük boyutlu olan mekanizma elektronik polarizasyondur. Onu sıra ile iyonlar arası mesafeye bağlı olan iyonik polarizasyon ve moleküler boyut seviyesinde oluşan yönelimsel polarizasyon izler. Son olarak da, eğer var ise, yüzeyler arası boyutlarda ortaya çıkan yüzey-yük polarizasyonu gelir. Boyutu büyüdükçe polarizasyonun alternatif olarak değişen dış elektrik alana uyum sağlaması güçleşir. 21 Space charge logω Toplam kutuplanabilirliğin frekansa bağlı değişimi 22 11

Eş-fazlı bileşen Faz dışı bileşen lnω Dış alanın frekansı relakzasyon frekansına yaklaştıkça polarizasyonun tepkisi hızla alanın gerisinde kalmaya başlar. Her tür polarizasyon mekanizmasında dipollerin yönelimi örneğin ısınmasına ve güç kaybı na sebep olan bir iç sürtünmeye sahiptir Güç kaybı polarizasyonun elektrik alanın ne kadar gerisinde kaldığına bağlı olarak ortaya çıkar. Alternatif elektrik alan ve polarizasyon E = E sin( ωt) 0 0 P = P sin( ωt δ ) ise güç kaybı, faz açısı ve uygulanan E alana Güç Kaybı = şeklinde bağlıdır. π ωε δ 2 2 E 0 tan 23 Space charge Belli bir polarizasyon mekanizması için Güç kaybı süreç yavaşladıkça artar ve elektrik alanın frekansı relakzasyon frekansına ulaştığında maksimum değerini alır. 24 12

Güç Kaybı = π ωε δ 2 2 E 0 tan Elektrik alan ile polarizasyon arasındaki faz farkı Kayıp tanjantı önemli bir niceliktir!! Kayıp tanjantı ile dielektrik sabitinin çarpımı ise kayıp faktörü olarak adlandırılır ve dielektrik malzemenin yalıtkan olarak kullanılıp kullanılamayacağının kararında önemli bir kriterdir. Bunun için düşük bir dielektrik sabiti ve küçük kayıp açısı istenir. Kayıp Faktörü = ε tanδ Ancak küçük bir hacimde yüksek kapasitans değeri isteniyorsa bu kez yüksek bir dielektrik sabiti ve küçük kayıp açısına ihtiyaç vardır. r 25 Aslında elektrik akımını hiç geçirmeyen madde yoktur. Yalıtkan olarak bilinen maddeler "çok az" bir akım geçirirler yani elektriksel iletkenlikleri çok düşük özdirençleri ise yüksektir. Gerçekte bir yalıtkanın dayanabileceği bir kritik elektriksel alan şiddeti (>10 8 V/m) vardır. Uygulanan gerilim kritik bir değeri aşarsa değerlik bandındaki elektronları yasak band aralığını atlayarak iletim bandına çıkabilirler. Yüksel enerji kazanan bu elektronlar ivmelenerek diğer elektronlara çarpıp onları da üst enerji seviyesine uyarabilirler. Sonuç olarak, kritik değer aşılınca yalıtkan tamamen iletken olur. Buna yalıtkanın delinmesi (electrical breakdown) denir. Bu kritik değer ise dielektrik mukavemet ya da dielektrik dayanımı olarak adlandırılır. Elektrik ve elektronik çalışmalarında kullanılan el takımlarının sap izoleleri incelenecek olursa, burada yalıtkanın dayanabileceği son (maksimum) gerilim değeri yazılıdır. Örneğin penselerin sap izolesinde 10.000 Volt yazar. Bu, plastik yalıtkan 10.000 Volt'tan sonra iletken hale geçebilir anlamı taşır. 26 13

27 Dieletrik sabitinin sıcaklığa bağlılığı; baskın polarizasyon mekanizmasına olduğu kadar moleküler yapıya da bağlıdır. Örneğin; büyük moleküller için malzemenin erime sıcaklığının altında yönelimsel polarizasyon zor iken daha küçük moleküllerde daha kolaydır. Moleküler düzenin yüksek olduğu bir katı malzemede moleküler yönelim aynı malzemenin amorf yapısına (düzenin olmadığı ya da daha az olduğu duruma) göre çok daha kolay gerçekleşir. Dielektrik sabitine sıcaklık ve frekansın etkisi tamamen birbirinden bağımsız değildir. Örneğin 10 10 Hz civarına kadar elektronik ve iyonik polarizasyonun frekansa bağlılığı ihmal edilebilir seviyededir. Benzer şekilde elektronik ve iyonik polarizasyona sıcaklığın etkisi de azdır. Ancak yüksek sıcaklıklarda iyon mobilitesi ve safsızlık mobilitesinin sonucu olarak sıcaklığın etkisi artacaktır. Birleşik etki düşük frekanslarda dielektrik sabitinde belirgin bir artışa sebep olur. 28 14

Dielektrik sabiti ve kayıp tanjantının sıcaklık ve frekansa bağlılığı 29 Yalıtım (İzolasyon) Malzemeleri Seramikler Seramikler çoğunluğu metal ve ametal malzemelerin karışımından meydana gelen oksitlerdir. İyi derecede elektriksel yalıtkan özelliğe sahiptirler. Elektronikte direnç, kapasitör v.b. devre elemanı yapımında ve Yüksek sıcaklık ve gerilmelere maruz kalan devrelerde (örnek: yüksek gerilim hatları, motor bujileri) kullanılmaktadır. Seramik izolatörler ve soket 30 15

Cam Silisyum, sodyum, potasyum karbonatları, kireç ve kurşun oksitleri gibi türlü maddelerin ergitilmelerinden elde edilir. Esas rengi saydam ve şekilsizdir. Sıcak olarak şekil verilebilir. Su, yağ ve asitlerden etkilenmez. Kırılgan olup ani ısı değişimlerinde çatlama eğilimi gösterir. Cam izolatörler Kondansatörlerde dielektrik malzemesi, Havai hat izolatörleri, Akümülatör ve pil kapları yapımında kullanılır. Ayrıca elektrikli aydınlatma cihazlarında da kullanılır. 31 Porselen Pişmiş beyaz renkte yalıtkan bir topraktır. Su geçirmez Dayanıklı, sert, ani ısı değişimlerinden (0-100 C) ve asitlerden etkilenmezler. Isıyı çok az geçirir, kırılgandır. Porselenler alçak ve yüksek gerilim havai hatlarında izolatör olarak kullanılır. Ayrıca anahtar, şalter, sigorta, duy, priz gibi tesisat malzemeleri de yumuşak porselenden yapılır. Porselen izolatörler 32 16

Polivinilklorür PVC Polivinilklorür veya kısaca PVC en çok kullanılan izolasyon malzemelerinden biridir. Saf halde iken cam gibi kırılgandır. İçine yağ kapsayan maddeler katılınca özellikleri değişir ve ısı ile plastikleşir. Elektrik akımı taşıyan kabloların büyük bir çoğunluğu PVC ile kaplanarak yalıtılır. Elektrikli ve elektronik cihaz gövdeleri genellikle PVC den imal edilirler. 33 Piezoelektrik Piroelektrik ve Ferroelektrik Malzemeler 17

Malzemenin elektriksel davranışları anlatılırken bazı malzemelerde ortaya çıkan ve bu özellikleri nedeni ile farklı uygulamalarda kullanılabilen önemli - özel bir takım malzeme karakteristiklerinden de bahsetmek gerekir. Piezoelektriklik Ferroelektriklik Pyroelektriklik Bu özellikler malzemenin kristal yapısı ile ilgilidir. Ferroelektrik malzemeler doğal olarak (kendiliğinden) elektriksel polarizasyona sahiptirler. Piezoelektriklik malzemeye bir basınç uygulanması ile malzemeye bir polarizasyonunun (elektriksel kutuplanmanın) indüklenmesi olayıdır. Pyroelektrik malzemelerde ise polarizasyon termal etki ile değiştirilebilir. 35 Piezoelektrik etki Piezo yunancada basınç anlamına gelmektedir. Piezo-elektrik basınç-elektrik Bir malzeme kutuplandığında malzemenin iyon çekirdekleri ve elektron bulutlarının yer değiştirmesi nedeni ile malzeme içinde bir mekanik şekil değiştirme gelişebilir. Bu olay elektrik alana maruz kalan bütün malzemelerde görülür. Ancak malzemenin kristal yapısı ortaya çıkacak davranışı belirler. Varolan toplam 32 kristal sınıfından 11 tanesi simetri merkezine sahiptir. Bunun anlamı bir mekanik kuvvete maruz kaldıklarında iyonların hareketleri simetrik olması nedeni ile bir elektriksel dipol momentinin ortaya çıkmayacağıdır. 36 18

Geri kalan 21 sınıfın 20 sinde simetri merkezi yoktur ve bir mekanik baskı altında dielektrik polarizasyon gelişir. Bu malzemeler piezoelektrik malzemeler olarak bilinirler. Kuartz kristalinde basınç etkisi ile ortaya çıkan piezoelektrik etki 37 Bu malzemelere bir mekanik kuvvete uygulandığında malzeme üzerinde bir potansiyel farkı gelişir. Böylece mekanik etki elektriksel büyüklüğe dönüşür. Bu davranış direk ya da motor piezoelektrik etki olarak adlandırılır. Bu özelliğe sahip malzemeler farklı amaçlar için kullanılan sensörlerde sıklıkla kullanılırlar. 38 19

Bir piezoelektrik malzemeye bir potansiyel farkı uygulandığında malzemede bir şekil değişimi ortaya çıkar. Bu potansiyel farkının büyüklüğüne ve polaritesine bağlı olarak malzeme uzayıp kısalabilir. Bu davranış ise ters (convers) ya da jeneratör (üretici) piezoelektrik etki olarak adlandırılır. Pek çok algılayıcı (aktuatör) da bu malzeme özelliğinden faydalanılmaktadır. Örneğin malzemede ortaya çıkan bu şekil değişiklikleri kullanılarak üretilen ultrasonik dalgalar tıbbi görüntüleme cihazlarında sıklıkla kullanılırlar. Benzer uygulama ultrasonik temizleyiciler ve diş fırçalarında da kullanılmaktadır. 39 40 20

Bir malzemenin piezoelektrik davranışı piezoelektrik katsayısı ile belirlenir. Direk piezoelektrik etki için piezoelektrik voltaj katsayısı malzemeye uygulanan gerilme (stress, σ) sonucunda ortaya çıkan elektrik alan arasındaki orantı katsayısıdır ve g ile sembolize edilir. Ters piezoelektrik etki için piezoelektrik sabiti malzemeye uygulanan elektrik alan ile bunun sonucunda oluşan mekanik şekil değiştirme (strain,ε) arasındaki orantı katsayısıdır ve d ile sembolize edilir. E = g. σ ε = d.e d ve g piezoelektrik katsayıları ile malzemenin dielektrik sabiti arasında g d = ε ε 0 r şeklinde bir bağıntı vardır. 41 42 21

4/6/2016 Piezoelektrik dönüştürücülerin mühendislik uygulamalarında kullanımında elektriksel ve mekanik enerjiler arasındaki elektromekanik bağlaşım önemli bir mühendislik faktörüdür. elektromekanik bağlaşım faktörü, k k2 olarak k2 = mekanik enerjiye çevrilen elektriksel enerji Verilen elektriksel enerji şeklinde ya da k2 = elektriksel enerjiye çevrilen mekanik enerji Verilen mekanik enerji şeklinde tanımlanır. 43 Piezoelektrik Dönüştrücüler (transducers) Kaynak: Photo by SOK 44 22

Dönüştürücüler (Transducers) Bir formdaki enerjiyi bir başka forma dönüştüren cihazlardır Sensörler Fiziksel giriş Algılayıcılar (Actuators) Elektriksel giriş Elektriksel çıkış Fiziksel çıkış 45 Kurşun-zirkonyum-titanyum (PZT) piezoseramikler en yayın kullanılan piezoelektrik malzemelerdir. Piezoseramik malzemeler elektriksel etkiyi mekanik büyüklüğe, mekanik etkiyi elektriksel büyüklüğe dönüştüren simetri merkezi olmayan kristallerdir. Yaygın olarak kullanılan piezoseramik malzemeler; Kuartz(SiO 2 ), Baryum titanat (BaTiO 3 ) (Pb,La)(Ti,Zr)O 3 alaşımı (PLZT) PbZrO 3 -PbTiO 3 alaşımı (PZT), Kuartz piezoelektrik davranış gösteren malzemeler arasında en büyük piezoelektrik katsayıya sahip olan malzemelerden biri olmasada ucuz ve bol olması nedeni ile piezoelektrik özellikli sensörlerde sıklıkla kullanılır. 46 23

Piezoelektrik özellikli algılayıcılarda kuartz (quartz), roşel (rochelle) tuzu, baryum ve kurşun titanatları, turmalin gibi kristal yapılı maddeler kullanılır. Bu elemanlar üzerlerine gelen basınca göre küçük değerli bir elektrik gerilimi ve akımı üretir. Bu elektrik akımının değeri basıncın değeri ile doğru orantılıdır. Piezoelektrik özellikli elemanlar hızlı tepki verdiklerinden ani basınç değişikliklerini ölçmede yaygın olarak kullanılır. Piezoelektrik kıvılcım üreteçleri, ultrasonik dönüştürücüler, mikrofonlar, ivme ölçerler sıklıkla kullanıldıkları yerler arasında sayılabilir. 47 Piezoelektrik malzemelerin kullanım alanları enerji dönüşüm yönüne göre 3 bölümde incelenebilir. Mekanik Enerji Elektrik Enerjisi Dönüşümü; Pikap kartujları Mikrofonlar Titreşim algılayıcıları Hız ölçerler Gaz ateşleyiciler Sigortalar 24

Piezoelektrik kıvılcım üreteçleri 49 Elektrik Enerjisi Mekanik Enerji Dönüşümü Valfler Mikro pompalar Kulaklıklar Ultrasonik temizleyiciler Sonik dönüştürücüler Elektrik- Mekanik Elektrik Enerjisi Dönüşümü Yüzey akustik dalga ölçerler Sonarlar (deniz araştırmalarında) Osilatörler Transformatörler 25

Hidrofon ve Mikrofonlar Hidrofonlar: Su altındaki akustik enerjiyi algılamayı, dinlemeyi sağlayan cihazlardır. Denizaltılarda ve farklı su altı uygulamalarında kullanılırlar Gemilerde derinlik ve hedef bulmaya yarayan sonar cihazlar 51 Pyroelektrik etki Bazı malzemeler ısıtıldığında ya da soğutulduğunda uçları arasında bir potansiyel farkı üretme özelliğine sahiptirler. Bu tür malzemeler pyroelektrik malzemeler olarak adlandırılır. Bütün polar kristaller pyroelektriktir, bu nedenle varolan 10 polar kristal sınıfı pyroelektrik sınıf olarak da adlandırılır. O halde bir dt sıcaklık değişimi malzemede bir dp polarizasyon değişimi indüklüyor ise bu olay pyroelektrik etki olarak tanımlanır ve bu etkinin büyüklüğü p = dp dt şeklinde tanımlanan p, pyroelektrik katsayısı ile verilir. Pyr yunancadaateş-fireanlamına gelmektedir. 52 26

Pyroelektrik malzemeler ile yüzlerce derecede bile küçük bir sıcaklık değişimi algılanabilir. Bu nedenle pyroelektrik kristaller kırmızı altı algılayıcılarda yaygın olarak kullanılırlar. Yangın ve hırsız alarmları da bunlardandır. A pyroelectric detector based on LiTaO3 Courtesy of MolectronDetector Inc. A 70 MHz pyroelectric detector Courtesy of MolectronDetector Inc. 53 Pyroelektrik malzemeler aynı zamanda piezoelektriktir, bu nedenle mekanik etkilere karşı duyarlıdırlar. Ancak bütün piezoelektrik malzemeler pyroelektrik değildir. 54 27

Ferroelektrik malzemeler Bir dış elektrik alan etkisine maruz kalmadan kendiliğinden, kalıcı polarizasyona sahip bir grup malzeme Ferroelektrikler olarak adlandırılır. Bunlar kalıcı manyetik davranışa sahip ferromanyetik malzemelere benzeyen dielektriklerdir. Ferroelektrik malzemelerde uygulanan elektrik alan ile indüklenen polarizasyon arasında doğrusal bir bağıntı yoktur. Elektrik alan ile polarizasyon arasındaki ilişki bir histerisis döngüsü ile tanımlanır. Bu eğri içinde kalan alan bir döngü boyunca elektriksel dipol momentleri döndürmek için harcanan enerjiyi verir. Dielektrik kayıp diye adlandırılan bu enerji ısı enerjisi olarak harcanır. 55 Ferroelektrik davranış kristal yapısının bir sonucu olarak ortaya çıkar. Baryum titanat (BaTiO 3 ) en iyi bilinen ferroelektrik malzemelerden biridir. Kalıcı polarizasyon tetragonal yapıya sahip birim hücrede Ba +2, Ti +4 veo -2 iyonlarınınkonumlanmasındankaynaklanır. 56 28

Ancak bu tür malzemeler için malzemeye özgü kritik bir sıcaklık değeri olan ve Curie sıcaklığı olarak bilinen sıcaklık değeri aşıldığında birim hücre simetrik hale gelir ve ferroelektrik davranış ortadan kalkar. Ferroelektrik davranışın silindiği bu durumda malzeme perovskit kristal yapısı kazanır. Bu yapı önemli elektromekanik özelliklere sahiptir. 57 Ferroelektrikler nisbeten düşük dış elektrik alan frekanslarında oldukça yüksekdielektriksabiti(ε r )değerinesahiptirler. Örneğin oda sıcaklığı civarında baryum titanat için dielektrik sabiti 5000 dir. Bu nedenle kapasitörlerde sıklıkla kullanılırlar. Çünkü bu tür malzemeler kullanılarak üretilen kapasitörler diğer dielektrik malzemeler kullanılarak üretilenler ile kıyaslandığında önemli ölçüde küçüktürler. dp de = ε0( εr 1) Ferroelektrik malzemelerde daha küçük elektrik alan değişimleri ile daha büyük polarizasyon değişimleri indüklenebilir. Bu da daha büyük dielektrik sabiti değeri anlamına gelir. 58 29

Elektretler Electret electronic-magnet Elektretler kalıcı mıknatısların elektriksel benzerleridirler. Uygun bir dielektrik malzemenin erime sıcaklığının üstünde bir değere kadar ısıtılıp sonrada kuvvetli bir elektrik alan içerisinde kontrollü olarak soğutulması ile üretilirler. Böylece malzeme içinde kalıcı bir polarizasyon sağlanır. Elektretlerde manyetik zıt kutuplar yerine bağlı zıt yüklerin oluşturduğu elektriksel zıt kutuplar mevcuttur. Sonuç olarak dipolar elektretin zıt yüklü iki ucu arasında sabit bir elektriksel potansiyel oluşur. Bu tür malzemeler elektrostatik mikrofonlar, fotokopi cihazları, hava filtreleri (toz parçacıklarının elektrostatik olarak toplanması) gibi pek çok teknik ve ticari alanda kullanılmaktadır. 59 30