Algılamanın elektriksel temel prensipleri

... konulu sunumlar: "Algılamanın elektriksel temel prensipleri"— Sunum transkripti:

1 Algılamanın elektriksel temel prensipleri
Seebeck, volta, thomson, piezoelektrik,piro, peltier, ışılçiftler

2 THOMSON ETKİSİ

3 Sunum başlıkları TARİHÇE TANIM KONU İÇERİĞİ THOMSON ETKİSİNİN BAĞLI OLDUĞU SEBEPLER

4 TARİHÇE İSKOÇYALI BİR FİZİKÇİ OLAN WİLLİAM THOMSON 1824’DE İRLANDADA DOĞMUŞ VE 1907’DE İSKOÇYADA ÖLMÜŞTÜR. W.THOMSON ÖZELLİKLE ISI VE ELEKTRİKLE İLGİLİ İNCELEMELER YAPMIŞTIR. 1851’DE W.THOMSON ÜÇÜNCÜ TERMOELEKTRİK ETKİ OLAN THOMSON ETKİSİNİ YAPMIŞ OLDUĞU İNCELEMELERLE ORTAYA KOYMUŞTUR…

5 TANIM THOMSON ETKİSİ :BİR İLETKENİN İKİ UCUNUN FARKLI
SICAKLIKLARDA TUTULUYOR OLDUĞU DURUMDA UYGULANAN AKIMIN YÖNÜNE BAĞLI OLARAK ENERJİNİN İLETKEN ÜZERİNDE SOĞURULMASI VEYA BİRİKMESİ OLAYINA VERİLEN İSİMDİR…

6 KONU İÇERİĞİ THOMSON ETKİSİ ISITMADA VEYA SOĞUTMADA HOMEJEN BİR İLETKEN ÜZERİNDEN AKIM GEÇTİĞİ SÜRECE SICAKLIK GRADYENİNİN MEYDANA GELDİĞİNİ İFADE ETMEKTEDİR…

7 KONU İÇERİĞİ İKİ FARKLI METAL İKİ UÇLARINDAN BİRLEŞTİRİLSİN.
BU DURUMDA İKEN, EĞER UÇLARINDAN BİRİSİ T1 SICAKLIĞINA ÇIKARILIR VE DİĞER UÇ DA DAHA DÜŞÜK BİR T2 SICAKLIĞINDA BIRAKILIRSA DEVRE İÇERİSİNDE BİR AKIM OLUŞUR. OLUŞAN BU ETKİ İKİ, FARKLI METALİN BİRLEŞİM NOKTASINDA BİR ELEKTRİKSEL GERİLİM MEYDANA GELMESİNDEN ÖTÜRÜ ORTAYA ÇIKAR.BU ELEKTRİKSEL GERİLİM, BİRLEŞME NOKTASININ SICAKLIĞINA BAĞLI OLUP, METALLERİN FARKLI ELEKTRİKSEL VE TERMİK ÖZELLİKLERİNDEN İLERİ GELİR

8 KONU İÇERİĞİ BİRAZ DAHA BASİTE İNDİRGENMİŞ OLARAK, DAHA YÜKSEK BİR SICAKLIK DERECESİ OLAN T1 DE, ELEKTRONLAR DAHA AZ SICAK OLAN UÇTA BULUNAN, HER İKİ METALDEKİ ELEKTRONLARA KIYASLA DAHA YÜKSEK TERMİK ENERJİ İÇERMEKTE VE BU ELEKTRONLAR, T2 SICAKLIK DERECESİNE SAHİP UCA DOĞRU HAREKET ETMEKTEDİR.TANIMDADA GÖRÜLDÜĞÜ GİBİ THOMSON ETKİSİ ENERJİNİN İLETKEN ÜZERİNDE BİRİKMESİ OLAYIDIR.

9 THOMSON ETKİSİNİN BAĞLI OLDUĞU SEBEPLER
SÖZ KONUSU OLAN ; T1 SICAKLIĞINA T2 SICAKLIĞINA KULLANILAN METALLERİN CİNSİNE AKIMIN YÖNÜNE BAĞLIDIR…

10 SEEBECK ETKİSİ VE VOLTA ETKİSİ

11 SEEBECK ETKİSİ İki ayrı cins iletkenin (demir_nikel gibi) şekil:1-a’da görüldüğü gibi birer uçları bir birine kaynak edip, diğer uçlarını da bir galvonemetre’ye bağlayalım. Oluşturulan sistemin kaynak noktası ısıtılırsa, galvonemetre göstergesinin saptığı görülür.

12 Burada birleşme noktaları ısıtılan iletkenlerin, soğuk kalan A-B uçları arasında bir E.M.K doğar. Böylece galvonometre’den bir D.C akım geçer. Bu akımın değeri; belli bir sıcaklığa kadar artıp bir dönüm noktasına geldikten sonra azalır (şekil:1-b) E.M.K.’nın bu dönüm noktasındaki sıcaklık derecesine ‘kritik sıcaklık’ denir

13

14 şekil:1-b Termik gerilimin sıcaklıkla değişimi

15 VOLTA ETKİSİ(OLAYI) Yukardaki deneyde iletkenlerin değme noktaları, ısıtılacak yerde soğutulursa yine bir E.M.K. oluşur ve akımın yönü değişir. Bu olaya, termoelektrik olayı veya ‘volta olayı’ denir. İletkenlerde meydana gelen bu gerileme termoelektrik gerilimi, iki farklı metalin oluşturduğu sisteme termoelektrik çift (veya termokupl), bu çiftin devresinden geçen akıma da termoelektrik akımı denir.

16 Termoelektrik gerilim değeri yalnız sıcaklığa bağlı değil, çifti meydana getiren metallerin cinsine de bağlıdır. Aslında bütün farklı metaller termoelektrik etkisi gösterirler. Ancak bazı çiftler daha iyi termoelektrik olayı meydana getirirler. Örneğin 700ºC için; platin_platin radyum çiftinde 4mV, Nikel krom_Nikel çiftinde 28 mV, Demir-konstantan çiftide 40mV termik gerilim oluşturmaktadır. Buradaki çiftlerde; aynı sıcaklıkta oluşan gerilimlerin farklı olduğu ortadadır.

17

18

19 PİEZOELEKTRİK

20 Kullandığımız platin çakmaklar nasıl oluyor da elektrik üretebiliyorlar,saatlerin üstündeki ’quartz‘ yazısı ne anlama geliyor hiç merak ettiniz mi? İşte bu yazı da bu soruların cevaplarını bulabilirsiniz.

21 Piezoelektrik sözcüğünün fiziksel ifadesi sanıldığı kadar anlaşılmaz ve karmaşık değil. Latince “bastırmak-press” anlamına gelen “piezo”on ekinden türetilen “piezoelektirk” kavramı basitce, üzerine mekanik bir basınç uygulanan bazı kristal ve seramik malzemelerde bir elektriksel gerilimin oluşması olarak tanımlanabilir. Piezoelektrik etki denen bu olgunun terside söz konusu.

22 Piezoelektrik olguyu bulan kardeşler Pierre Curie ve Paul jacques Curie ,bazi kristal türlerinin,üzerine bir ağırlık konduğunda yada eksenleri boyunca şıkıstırıldıklarında,kristalin yüzeyleri arasında bir gerilimin oluştuğunu gözlemlemişlerdi.Piezoelektrik etki adını verdikleri bu olayın keşfini bir yıl sonrada ters piezoelektrik etkinin açıklanması izledi.

23                                                                          

24

25 Piezoelektriğin matematiksel ve kristalografik teorisi ise,keşiften birkac yıl sonra tamamlandi.Curie kardeslerin üzerinde çalıştıkları ilk kristal türleri,bugün de hala kullanilmakta olan,kuvars,turmalin ve rochelle tuzu olmuştu.Bugün daha fazla kristalin yanı sıra bircok seramik malzemede bu amaç için kullanılıyor.  

26 PİEZOELEKTRİK ETKİNİN OLUSUMU   Bilindiği gibi katı maddeler yüklü parçacıklardan oluşur ve bir katı madde içindeki negatif ve pozitif yüklü parçacıklar dengededir(yani katı madde elektriksel olarak yüksüzdür).Ancak mekanik bir yolla malzeme üzerine bir kuvvet uygulamak,yüzey yüklerinin oluşmasına neden olabilir.Bir kristalde piezoelektrik özelliğin gözlenmesi,bu yüzey yüklerinin oluşmasına bağlıdır.

27 Fakat simetri özellikleri bu yüklerin oluşması için gerekli koşulları kısıtlamaktadır.Bu nedenle simetri merkezi olmayan kristaller bu iş için en uygun malzeme grubunu oluşturmaktadır.Elektriksel olarak yüksüz ve yapısal simetri merkezi bulunmayan bir kristale uygulanan basınç,artı yüklerin merkezi ile eksi yüklerin merkezinin birbirlerinden hafifce ayrılmasına ve kristalin karşılıklı yüzeylerinde zıt yüklerin ortaya çıkmasına neden olur.

28 Yüklerin bu şekilde ayrılması bir elektrik alanı yaratır ve kristalin karşılıklı yüzeyleri arasında ölçülebilir bir potansiyel farkı oluşur.Piezoelekrik etkiyi ifade eden bu sürecin terside gecerlidir.Ters piezoelektrik etkide de,karşılıklı yüzeyleri arasına bir elektrik gerilimi uygulanan bir kristalde boyutsal bir şekil değişimi oluşmaktadır.

29 Piezoelektrik malzemeler,başlıca iki malzeme grubundan oluşur;kuvars ve turmalin gibi doğal olarak piezoelektrik etki gösteren kristaller ile kutuplanma sonrasında piezoelektrik etki gösteren ferroelektrik malzemeler.

30 Kullanım alanları Günümüzde birçok kristalin piezoelektrik özelliğinden yararlanılmakta ve herbirinin,kendine özgü özellikleriyle farklı kullanım alanları ortaya çıkmaktadır.Piezoelektrik kristaller,her tür elektronik donanımda,çakmaklarda,masa ve kol saatlerinde,akustik ve hassas ölçüm yapan mikroskoplarda,yüksek frekansta ses üretimi için ultrasonik aygıtlarda,yarı-iletken ve entegre devre teknolojilerinde,en hassas termometrelerin yapımında olduğu kadar,günlük hayatımızda kullandığımız daha bir cok aygıtta kullanılmaktadır.

31 Kol saatlerinin içlerinde bulunan kuvars(quartz) kristaline kol hareketlerimiz vasıtasıyla basınç uygularız,ve böylece saatin belli bir miktar enerji gereksinimini karşılamış oluruz.Kullandığımız çakmaklarda da durum böyledir;ateşleme butonuna basmamızla çakmak düzeneğinde bulunan kuvars kristaline basınç uygulamış oluruz ve oluşan elektrik akımı bir akı halinde geçiş yaparken gazı tutuşturur.Günümüzde her ne kadar compact discler kullanılıyorsa da pikaplarda da piezoelektrik düzeni işlemektedir.

32 Pikap üzerine titreşimler yoluyla açılan çukurlara kaydedilen ses,pikap çalıcıların iğnelerine yerleştirilen piezoelektrik maddenin yardımıyla,iğne ses çukurlarından geçerken titreşimlerin tekrar elektrik akımına dönüşüp cihaz tarafından işlenebilmesini sağlar.Böylece nostalji her daim yaşanılmaya layik kılınır.

33 II.Dünya savaşında uçaktan atılan bombaların patlama düzeneklerinde de piezoelektrik kristaller kullanılmıştı;bomba yere çarpınca,bombanın ucuna yerleştirilmiş kristal bir elektrik gerilimi oluşturuyor,buda bombanın patlamasını sağlıyordu.

34 Bu denli cok kullanım alanı olmasına karşın daha fazla uygulama alanı için,yeni piezoelektrik malzemeler üzerinde yapılan çalışmalar,katı hal fiziğinin gittikçe önem kazanan bir alanını oluşturuyor.Ve bu araştırmaların temel hedefi,yüksek sıcaklığa karsı dayanıklı ve daha küçük boyutlarda devre elemanları ile cihazlar;yani geleceğin teknolojilerini üretmek.

35 PİROELEKTRİK ETKİ

36 Bir kristalde meydana gelen sıcaklık değişimleri polar bir eksenin,zıt uçlarında pozitif ve negatif yüklerin gelişmesine sebep olur. Bu özelliğe piroelektriklik denir ve sadece polar eksenli kristallerde gözlenir. Tek polareksenli olan on kristal sınıfının kristalleri, “gerçek” veya birincil piroelektriklik gösterirler.

37 Örneğin, turmalin bu grupta yer alır ve bir polar ekseni (c) vardır
Örneğin, turmalin bu grupta yer alır ve bir polar ekseni (c) vardır. Kuars ise üç polar (a) eksenlidir fakat bu grupta yer almaz. Fakat kuars gibi polar eksenli olan diğer kristaller de sıcaklıkla piroelektriklik gösterebilirler..

38 Bu kristallerde polarizlenme, farklı ısı genleşmesinden kaynaklanan deformasyon sunucunda oluşan piezoelektriklikle meydana gelir oC dolayında ısıtılan kuars soğurken birbirleri ile ardalanan üç prizma kenarında pozitif yük diğer kenarlarında ise negatif yük gelişir. Buna ikincil piroelektrik polarizasyonu denir

39 KULLANIM YERLERİ: Piroelektrik malzemeler, askeri, sanayi ve uzay araştırmalarında sıcaklık değişimine duyarlı sensörler olarak, yaygın birşekilde kullanılmaktadır.Bunlardan bazıları şu şekilde sıralanabilir

40 termal kameralar gece görüntüleme cihazları hırsız ve yangın alarmları gibi güvenlik sistemleridir.

41

42

43 Bu tür sensörler LB film tekniği yardımı ile daha hassas ve daha düşükmaliyetile üretilebilir
Çevre kirliliğinin ölçülmesi ve önlenmesinde kullanılacak gaz sensörleri LB film tekniği yardımı ile üretilebilir Organik LB filmleri telekomünikasyon endüstrisinde, optik anahtar,

44 Elektronik sanayisinde :
Baskı devre üretimlerinde Süperiletkenlik çalışmalarında, Elektronik cihazlarda kapasitör olarak kullanılabilir

45 Ayrıca pır algılayıcılarda da piroelektrik malzeme kullanılmaktadır

46 PIR

47

48 Piro sensorü

49

50 ISILÇİFT ETKİSİ

51 1. Termokupllar (Thermocouple, Isıl Çift) :
Yüksek sıcaklığa sahip bir ortamın (fırın, ocak, kazan vb.) sıcaklık değerini klâsik termometrelerle belirleyemeyiz. Bu gibi durumlarda kullanabileceğimiz iki eleman, termokupl temelli ölçme devresi ve direnç temelli (termorezistans) ölçme devresidir .

52 Termokupl temelli ölçme sisteminde ısıyı gerilime çeviren bir yapı vardır. Direnç temelli ölçme sisteminde ise ısıya göre direnci değişen elemanlar mevcuttur. Direnç temelli ölçme sistemi daha çok düşük sıcaklıkların (200 ilâ +850 °C) ölçülmesinde kullanılmaktadır.

53 2. Termokuplun yapısı : Bir uçları birbirine bağlanmış iki farklı metalin (demir ve konstantan gibi) birleşim yüzeyleri ısıtılarak elektrik akımı elde etmede kullanılan cihazlara termokupl denir. Termokupllar -200°C ilâ +2000°C arasındaki sıcaklık ölçümlerinde kullanılan güvenilir ve ekonomik endüstriyel algılayıcılardır

54 Termokuplda oluşan elektrik akımı, birleşim noktasının sıcaklığına bağlı olup, metallerin farklı elektriksel ve termik özelliklerinden ileri gelir. Başka bir deyişle, yüksek sıcaklık olan bölümdeki elektronlar yüksek termik enerji içermekte ve bu elektronlar soğuk bölgeye doğru hareket etmektedir. Bu işlem sonucunda ise çıkış uçlarında mikrovolt ile milivolt düzeyinde bir gerilim doğmaktadır.

55 Termokuplların ölçüm yapan kısmı açık (çıplak) olarak fırın içine konmaz. Çünkü, yüksek sıcaklıkları ölçmede kullanılan termokupllar oksidasyon yani küflenme ve diğer dış etkenler elemanı çabuk bozar. Bu nedenle ısıyı algılayan kısım, oksidasyonu önleyici gaz doldurulmuş, koruyucu boru (kılıf) içine yerleştirilir. Termokuplun ısıya maruz kalan kısmını koruyan silindirik yapılı tüp 1200 °C a kadar metalden,

56 1200 °C un üzerindeki sıcaklığın söz konusu olduğu yerlerde ise seramik malzemeden üretilir. Termokuplda üretilen gerilimin, ölçümü yapan cihaza kadar ulaştırılmasında özel yapılı kablolar kullanılır. Kullanılan kabloların yalıtkan tabakası ısıya dayanıklı silikon-kauçuk, cam elyafı-asbest vb. gibi malzemelerden üretilir.

57 Termokupl seçimi rastgele değil, ölçülecek olan sıcaklığın değeri gözönüne alınarak yapılır. Şöyle ki; plastik üretim endüstrisinde sıcaklık 0 ilâ 400 °C arasında, demir çelik sanayiindeki sıcaklık ise 0 ilâ 1800 °C arasındadır. Bu sıcaklık farklılığı nedeniyle seçilecek termokupl da ayrı tipte olacaktır

58 3. Uygulamada Kullanılan Bazı Termokupl Tipleri :
Bakır-konstantan birleşimi termokupl Demir-konstantan birleşimi termokupl Nikel krom-nikel birleşimi termokupl Platin radyum-platin birleşimi termokupl Kromel-konstantan ve Kromel-alumel termokulp

59 4. Çeşitli Tip Termokuplların Kullanıldığı Sıcaklıklar :
Cu-CuNi -200 ilâ +300 °C Fe-CuNi -200 ilâ +800 °C NiCr-Ni 0 ilâ °C

60 5. Termokuplların Kullanım Alanları:
Termokupllar uygulamada çok yüksek sıcaklıkların ölçülmesinde kullanılır. Yani, demir-çelik, çimento, seramik, cam, kimya, petrol, gıda, kâğıt vb. sektörlerde termokupllu sıcaklık ölçme düzeneklerine rastlarız..

61 ENDÜSTRİYEL ÖLÇME HAZIRLAYAN VE SUNAN: MUHARREM HALLAÇLIOĞLU 041211055
ÖĞRETİM ELEMANI: ARŞ.GÖR. İSMAİL SERKAN ÜNCÜ

62 PELTİER ETKİSİ İki farklı malzemede yapılmış metal tellerin oluşturduğu elektrik devresine dışarıdan bir akım verildiğinde, bu tellerin bağlantı noktalarında, Joule ısınma etkisinden farklı şekilde akımın yönüne bağlı olarak ya ilave bir ısınma ya da soğuma ortaya çıkmaktadır. Bu olaya Peltier etkisi adı verilmektedir.

63 Söz konusu malzeme; genellikle seramik iki yüzey arasına P-N yüzey birleşimli bir yarıiletkenin yerleştirilmesiyle oluşturulan ve +/- polariteli bir malzemedir.

64 DC gerilimle beslemeyi gerektiren 2x2 cm ve 15 watt güçte olanlarının yanısıra 4x4 cm watt'a kadar olan güçlerde imali vardır. Yükseklikleri 3-4 mm civarıdır. Yaklaşık volt DC arası besleme gerektirir. Verimleri çok düşüktür ve yaklaşık %50 verimle çalışırlar. Örneğin 2x2 cm ebatlarında olan watt gücünde bir peltier effect termoelektrik modül; 9.75 voltta 3 amper akım çekerek bu güce ulaşır. Ama harcadığı elektrik gücü nerdeyse 30 watt'tır. Yanda tipik bir modülün resmini görebilirsiniz.

65 Malzemenin ilginç bir özelliği de sıcak seramik kısmı ısıttığınızda veya soğuk seramik kısmı soğuttuğunuzda uçlarında elektrik enerjisi oluşmasıdır. Gerek küçük yapısı gerekse basit bir DC kaynakla besleniyor olması avantaj gibi görünse de bu modülleri ısıtma veya soğutma amacıyla tek başlarına kullanmak olası değildir. Enerji verildiğinde bir yüzleri çok hızlı bir şekilde soğurken, diğer yüzleri aynı oranda ve hızda ısınır. deltaT yaklaşık santigrad derecedir. (saniyede 10 derecelik bir değişimdir yaklaşık olarak...) Her iki yüzlerine de uygun ebatta birer aliminyum veya bakır radyatör takmak ve fan bağlamak, iki yüzeyi ısıl olarak yalıtmak şarttır.

66 PELTİERİN KULLANIM ALANLARI
Bilgisayarların işlemcilerinin soğutulmasında kullanılabilir.Burada dikkat edilecek nokta enerji kesildiğinde peltier üzerinde birikmiş olan ısı işlemciye geçmektedir.Bunu engellemek için işlemci ile peltier arasına bakır yada alüminyum soğutma levhası konur.

67 Bu resimde görülen sistemde 4 adet peltier modül kullanılmış ve orta kısımdaki delikten bir boru ve içinden geçen suyun soğuması hedeflenmiştir. Radyatör görevi gören dört bir taraftaki kanatlı aliminyum soğutucular, resimde görülmediği halde bir fanla soğutulmakta ve tek başlarına yeterli gelmemektedirler. Peltier effect'in kendisi çok çok pahalı olmasa da gerektirdiği aliminyum soğutucular ve en düşük güçlüsünün bile ihtiyaç duyduğu ekstra wattlık güç kaynağı (adaptör) ve fanlar epeyce bir maliyet getireceği gibi fazlaca yer kaplayacak ve kutu dizaynında sorun çıkartacaktır.

68 Termoelektrik sisteme göre çalışan ve soğutabildiği gibi ısıtma özelliğine de sahip soğutucular, hobi ve uzun araba yolculukları için idealdir.