Transcript thomson etkisi

Algılamanın elektriksel temel
prensipleri
Seebeck, volta, thomson,
piezoelektrik,piro, peltier,
ışılçiftler
THOMSON
ETKİSİ
Sunum başlıkları
TARİHÇE
TANIM
KONU İÇERİĞİ
THOMSON ETKİSİNİN BAĞLI OLDUĞU
SEBEPLER
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…
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…
KONU İÇERİĞİ
THOMSON ETKİSİ ISITMADA VEYA
SOĞUTMADA HOMEJEN BİR
İLETKEN ÜZERİNDEN AKIM
GEÇTİĞİ SÜRECE SICAKLIK
GRADYENİNİN MEYDANA
GELDİĞİNİ İFADE ETMEKTEDİR…
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
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.
THOMSON ETKİSİNİN BAĞLI OLDUĞU SEBEPLER
 SÖZ KONUSU OLAN ;
 T1 SICAKLIĞINA
 T2 SICAKLIĞINA
 KULLANILAN METALLERİN CİNSİNE
 AKIMIN YÖNÜNE BAĞLIDIR…
SEEBECK ETKİSİ VE VOLTA
ETKİSİ
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.
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
şekil:1-b Termik gerilimin sıcaklıkla değişimi
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.
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.
T E R M O Ç İF T
K O D U
S IC A K L IK
M A L Z E M E S İ
S IN IR I (°C )
-1 8 0 0
P la tin -R o d iu m
B
3 8
T u g s te n -R e n iu m
C
0
-2 3 0 0
K ro m e l-
E
0
-9 8 0
J
-1 8 0
-7 6 0
K ro m e l-A lu m e l
K
-1 8 0
-1 2 5 0
B a k ır- K o n s ta n ta n
T
-1 8 0
-4 0 0
K o n s ta n ta n
D e m ir-K o n s ta n ta n
G r a fik - 1 : B a z ı te r m o ç ift m a lz e m e le rin
s ıc a k lık s ın ırla rı
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.
Piezoelektrik sözcüğünün fiziksel
ifadesi sanıldığı kadar anlaşılmaz ve
karmaşık değil. Latince “bastırmakpress” 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
PİROELEKTRİK
ETKİ
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.
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..
Bu kristallerde polarizlenme, farklı
ısı genleşmesinden kaynaklanan
deformasyon sunucunda oluşan
piezoelektriklikle meydana gelir
100 oC dolayında ısıtılan kuars
soğurken birbirleri ile ardalanan üç
prizma kenarında pozitif yük diğer
kenarlarında ise negatif yük gelişir.
Buna ikincil piroelektrik
polarizasyonu denir
KULLANIM YERLERİ:
Piroelektrik malzemeler, askeri,
sanayi ve uzay araştırmalarında
sıcaklık değişimine duyarlı
sensörler olarak, yaygın birşekilde
kullanılmaktadır.Bunlardan
bazıları şu şekilde sıralanabilir
termal kameralar
gece görüntüleme cihazları
hırsız ve yangın alarmları
gibi güvenlik sistemleridir.
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,
Elektronik sanayisinde :
Baskı devre üretimlerinde
Süperiletkenlik çalışmalarında,
Elektronik cihazlarda kapasitör
olarak kullanılabilir
Ayrıca pır algılayıcılarda da
piroelektrik malzeme
kullanılmaktadır
PIR
Piro sensorü
ISILÇİFT
ETKİSİ
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)
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.
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
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.
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
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.
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
3. Uygulamada Kullanılan Bazı
Termokupl Tipleri :
Bakır-konstantan birleşimi
termokupl
Demir-konstantan birleşimi
termokupl
Nikel krom-nikel birleşimi
termokupl
Platin radyum-platin birleşimi
4. Çeşitli Tip Termokuplların
Kullanıldığı Sıcaklıklar :
Cu-CuNi -200 ilâ +300 °C
Fe-CuNi -200 ilâ +800 °C
NiCr-Ni 0 ilâ +1200 °C
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..
ENDÜSTRİYEL ÖLÇME
HAZIRLAYAN VE SUNAN:
MUHARREM HALLAÇLIOĞLU
041211055
ÖĞRETİM ELEMANI:
ARŞ.GÖR. İSMAİL SERKAN ÜNCÜ
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.
Söz konusu malzeme;
genellikle seramik iki yüzey
arasına P-N yüzey birleşimli bir
yarıiletkenin yerleştirilmesiyle
oluşturulan ve +/- polariteli bir
malzemedir.
DC gerilimle beslemeyi gerektiren
2x2 cm ve 15 watt güçte
olanlarının yanısıra 4x4 cm 80100 watt'a kadar olan güçlerde
imali vardır. Yükseklikleri 3-4 mm
civarıdır. Yaklaşık 10-17.5 volt DC
arası besleme gerektirir. Verimleri
çok düşüktür ve yaklaşık %50
verimle çalışırlar. Örneğin 2x2 cm
ebatlarında olan 15.75 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.
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 70-80 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.
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.
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 30-35 wattlık güç
kaynağı (adaptör) ve fanlar
epeyce bir maliyet getireceği gibi
fazlaca yer kaplayacak ve kutu
dizaynında sorun çıkartacaktır.
Termoelektrik
sisteme göre çalışan
ve soğutabildiği gibi
ısıtma özelliğine de
sahip soğutucular,
hobi ve uzun araba
yolculukları için
idealdir.