Piezoelektrik Etkisi

Fransız fizikçiler Jacques ve Pierre Curie, 1880'de uygulanan mekanik strese yanıt olarak bazı katı maddelerde elektrik yüklerinin birikerek enerji açığa çıkartabileceğini keşfettiler. Bu keşif yıllar sonra bize bir akıllı saatin veya kendi kendine şarj olan kalp pillerinin nasıl çalışabileceğine dair ilham verdi. 

Piezoelektrik kelimesi, "kehribar" anlamına gelen ve eski bir elektrik yükü kaynağı olan "sıkıştırma" ve "elektron" anlamına gelen Yunanca piezein kelimesinden gelir. Belirli malzemeler, üzerine mekanik bir gerilim uygulandığında elektrik yükleri biriktirme eğilimindedir. Piezoelektrik etki, bu özellikte bir malzemeye uygulanan basıncın bir voltaj oluşturduğunu basitçe tanımlayan bir etkidir.

Bu etki merkezcil olmayan kristal yapıları nedeniyle, elektriksel dipoller olarak bilinen yerel bir yük ayrımının oluşumunu sergiler. İnsan kemiği, tendon, selüloz, kollajen, deoksiribonükleik asit gibi doğal olarak oluşan biyolojik piezoelektrik malzemeler ve kuvars (SiO2), Rochelle tuzu (NaKC4 H4 O6 · 4H2O), topaz, turmalin grubu mineralleri kapsayan kristaller vardır.

Sıkıştırılmamış bir kristalde, pozitif yükler ve negatif yükler birbirini iptal eder ve sonuçta ortaya çıkan yük dağılımı sıfırdır. Kristali belirli bir yönde sıkıştırdığınızda, pozitif yüklerin ortalama konumunu bir yönde ve negatif yüklerin ortalamasını diğer yönde hafifçe kaydırırsınız. Bu, bir yüzde pozitif yükler ve diğer yüzde negatif yükler birikimine sebep olur. Daha sonra bu yüzleri bağlarsanız, pozitif yüklü yüz tel boyunca negatif yüklü elektronları çekmeye başlayacak ve negatif yüklü yüz elektronları itecektir. Yani kristali sıkıştırarak ortaya bir pil çıkarmış olursunuz. Bunun her malzemede gerçekleşmeme sebebi piezoelektrik etkisine sahip malzemelerin atom yapısıdır. 

Şimdilerde bu etki; giyilebilir teknolojilerde enerji hasadı ve enerji depolaması elde etmek, kalp pillerini kalbin atışıyla şarj etmek, asfalt üzerinde ilerleyen aracın ezme kuvvetinden enerji elde etmek için araştırma ekiplerinin gözdesi olmuştur. Gerçekleştirilmek istenen her adım attığımızda ayakkabılarımız içinde bulunan küçük bir sistemle enerji elde etmektir. Çok güçlü ve uygulanabilir olsa da araştırmaların maliyeti yüksek ve malzemelere erişim oldukça kısıtlıdır.