AYT MODERN FİZİĞİN TEKNOLOJİDEKİ UYGULAMALARI

AYT modern fiziğin teknolojideki uygulamaları konu anlatımı kapsamında görüntüleme sistemleri, LCD ve plazma ekranlar, yarı iletkenler, süper iletkenler, nanoteknoloji ve lazer teknolojisi işlenecektir.
AYT fizik konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.

Görüntüleme Teknolojileri

Tıpta Kullanılan Görüntüleme Sistemleri

Modern görüntüleme sistemleri, incelenen yapıdan taşınan fiziksel bilgiyi elektriksel sinyale ve ardından görüntüye dönüştürür. Kullanılan dalganın türü, doku ile etkileşim biçimi ve algılanan büyüklük her sistemde farklıdır. Bu nedenle cihazlar yalnız görüntü biçimine göre değil, dayandıkları fizik ilkelerine göre karşılaştırılmalıdır.

Radar, Sonar ve Termal Kamera

Radar, radyo ya da mikrodalga bölgesindeki elektromanyetik dalgaları gönderir ve hedeften dönen yankıyı algılar. Elektromanyetik dalgalar boşlukta da yayılabildiği için radar uzay ve hava uygulamalarında kullanılabilir. Sonar ise su içinde yayılan ses dalgalarının yankısını değerlendirir; mekanik dalga kullandığından maddesel ortama gereksinim duyar.

Gönderilen darbenin hedefe gidip geri dönme süresi Δt ise hedef uzaklığı d = vΔt/2 bağıntısıyla bulunur. İkiye bölme, ölçülen sürenin gidiş ve dönüş yollarının toplamına ait olmasından kaynaklanır. Termal kameralar ise cisimlerin sıcaklıklarına bağlı olarak yaydığı kızılötesi ışınımı algılar; yalnız görünür ışığı güçlendiren bir kamera değildir.

Örnek - 3

Şekilde bir radar ile sonar sisteminin yankı ölçümleri gösterilmiştir.

Radar darbesi 4 μs sonra, su içindeki sonar darbesi 0,80 s sonra kaynağa dönüyor. Radyo dalgasının sürati 3 × 10⁸ m/s, sudaki ses sürati 1,5 × 10³ m/s’dir.

Buna göre;

I. İki hedef de kaynaktan 600 m uzaktadır.
II. Radar boşlukta çalışabilir, sonar çalışamaz.
III. Her iki hesapta da yankı süresi ikiye bölünmelidir.

yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve III
D) II ve III
E) I, II ve III

Cevabı Göster

Radar için d = (3 × 10⁸)(4 × 10^-6)/2 = 600 m; sonar için d = (1,5 × 10³)(0,80)/2 = 600 m bulunur. Radar elektromanyetik, sonar mekanik dalga kullanır. Yankı süresi iki yönlü yolculuğu kapsadığından iki sistemde de ikiye bölünür.

Cevap: E

LCD ve Plazma Ekranlar

Ekranların Çalışma İlkeleri

LCD’de sıvı kristal molekülleri uygulanan elektrik alanın etkisiyle yönelim değiştirir. Bu değişim, arka aydınlatmadan gelen ışığın polarizörler ve renk filtrelerinden ne ölçüde geçeceğini belirler. Sıvı kristal tabaka kendi başına ışık üretmez; ışık geçişini denetleyen bir optik kapı gibi çalışır.

Plazma ekranda her pikselde bulunan gaz hücreleri elektriksel uyarımla iyonlaşır. Oluşan plazmanın yaydığı morötesi ışınım fosfor tabakayı uyarır; fosforun görünür ışık yaymasıyla görüntü oluşur. Bu nedenle LCD ile plazmanın ortak yönü piksellerin elektriksel olarak denetlenmesi, temel farkı ise ışığın oluşma biçimidir.

Örnek - 5

K ve L ekranlarına ait kesitler şekilde verilmiştir.

Buna göre;

I. K’de sıvı kristaller arka ışığın geçişini denetler.
II. L’de gaz hücresinin elektriksel uyarılması fosfor tabakadan görünür ışık elde edilmesini sağlar.
III. K’de görüntü oluşması için arka aydınlatma, L’de ise hücrelerin ışık üretmesi gerekir.

yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve III
D) II ve III
E) I, II ve III

Cevabı Göster

K kesiti LCD’ye, L kesiti plazma ekrana aittir. LCD’nin sıvı kristal katmanı arka ışığı denetler; plazma hücresindeki iyonlaşmış gaz fosforu uyararak ışık oluşmasını sağlar. Üç yargı da doğrudur.

Cevap: E

Yarı İletken Teknolojisi

İletken, Yalıtkan ve Yarı İletken Maddeler

Katıların elektriksel davranışı enerji bantlarıyla açıklanır. İletkenlerde elektrik alan altında hareket edebilen çok sayıda taşıyıcı bulunur. Yalıtkanlarda değerlik bandı ile iletim bandı arasındaki yasak enerji aralığı büyük olduğundan normal koşullarda iletime geçen elektron sayısı çok azdır. Silisyum ve germanyum gibi yarı iletkenlerde bu aralık daha küçüktür; sıcaklık, ışık ve katkılama taşıyıcı sayısını önemli ölçüde değiştirebilir.

Metallerde sıcaklık arttıkça örgü titreşimleri artar ve elektronların hareketi zorlaşır; direnç genellikle artar. Saf yarı iletkenlerde ise sıcaklık artışı yeni elektron–oyuk çiftleri oluşturduğu için taşıyıcı sayısı artar ve direnç genellikle azalır. Bu karşıtlık, AYT sorularında grafik yorumunun temelidir.

P Tipi, N Tipi ve PN Eklemi

Dört değerlik elektronlu saf silisyuma beş değerlik elektronlu katkı atomu eklendiğinde bağ yapımından arta kalan elektronlar çoğunluk taşıyıcısı olur ve N tipi yarı iletken elde edilir. Üç değerlik elektronlu katkıda ise bağdaki elektron eksikliği oyuk olarak davranır ve P tipi yarı iletken oluşur. P ve N harfleri maddenin net yükünü değil, çoğunluk taşıyıcısının türünü belirtir; her iki bölge de makroskobik ölçekte elektrikçe nötrdür.

P ve N bölgeleri birleştirildiğinde eklem yakınındaki elektronlar ve oyuklar karşı tarafa yayılıp birleşir. Hareketli taşıyıcıların azaldığı tükenim bölgesi ve geçişi zorlaştıran iç elektrik alan oluşur. Dış gerilim bu engeli küçültecek yönde bağlanırsa doğru polarma, büyütecek yönde bağlanırsa ters polarma gerçekleşir.

Diyot ve Doğrultma

Diyot, PN ekleminin tek yönde iletime izin veren devre elemanı olarak kullanılmasıdır. İdeal diyot doğru polarmada kapalı anahtar gibi iletir, ters polarmada açık anahtar gibi akımı keser. Alternatif gerilimin yalnız bir yarı periyodunu yük üzerinden geçirerek yarım dalga doğrultma yapabilir. Köprü doğrultucuda dört diyot kullanılarak iki yarı periyotta da yük akımının aynı yönde olması sağlanır.

Örnek - 8

İdeal D diyodu ve R direnciyle kurulan devrede giriş gerilimi sinüs biçimindedir.

Girişin üst ucu alt ucuna göre pozitif olduğunda diyot iletimdedir. Buna göre çıkış gerilimiyle ilgili hangisi doğrudur?

A) Girişin yalnız pozitif yarı periyotları çıkışta görülür.
B) Girişin yalnız negatif yarı periyotları çıkışta görülür.
C) Her iki yarı periyot değişmeden çıkar.
D) Çıkış gerilimi her an sıfırdır.
E) Çıkış doğru gerilim olup hiç değişmez.

Cevabı Göster

Pozitif yarı periyotta diyot doğru polarmalanır ve ideal kabul edildiğinden R üzerindeki çıkış girişe eşit olur. Negatif yarı periyotta diyot ters polarmalanır, akım kesilir ve R üzerindeki gerilim sıfır olur. Çıkışta yalnız pozitif yarı dalgalar görülür.

Cevap: A

Transistör, LED, Fotodiyot ve Foto Direnç

Transistör, iki PN eklemi içeren ve küçük bir giriş sinyaliyle daha büyük bir akımı denetleyebilen yarı iletken elemandır; anahtarlama ve yükseltme devrelerinde kullanılır. LED doğru polarmada elektron–oyuk birleşmeleri sırasında ışık yayar. Yayılan fotonun enerjisi yarı iletkenin enerji aralığına bağlıdır.

Fotodiyot, üzerine düşen ışığın oluşturduğu taşıyıcılarla akımın değiştiği ışığa duyarlı PN eklemidir. Foto dirençte ışık şiddeti arttıkça serbest taşıyıcı sayısı artar ve direnç genellikle azalır. Bu elemanlar ışık algılama, otomatik aydınlatma, optik haberleşme ve güvenlik sistemlerinde kullanılır.

Güneş Pilleri

Güneş pili, ışık enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken aygıttır. PN eklemine ulaşan yeterli enerjili fotonlar elektron–oyuk çiftleri oluşturur. Eklemdeki iç elektrik alan bu taşıyıcıları zıt yönlere ayırarak dış devrede akım oluşmasını sağlar. Üretilen elektriksel güç; ışık şiddeti, etkin yüzey alanı, geliş açısı, sıcaklık ve malzemenin verimi gibi değişkenlere bağlıdır.

Örnek - 10

Özdeş ışık kaynağı ve güneş piliyle kurulan düzenekte kaynak–panel uzaklığı d’dir.

Kaynağın ışık gücü ve panelin yönelimi değişmeden d uzaklığı artırılıyor.

Buna göre;

I. Panel yüzeyine ulaşan ışık şiddeti azalır.
II. Dış devredeki akımın büyüklüğü azalabilir.
III. Güneş pilinde gerçekleşen temel dönüşüm ısı enerjisinden elektrik enerjisine doğrudur.

yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız III
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III

Cevabı Göster

Uzaklık arttığında panelin birim alanına ulaşan ışık gücü azalır. Oluşan elektron–oyuk çifti sayısı ve dolayısıyla dış devre akımı azalabilir. Güneş pilindeki temel dönüşüm ışık enerjisinden elektrik enerjisine doğrudur; III yanlıştır.

Cevap: C

Süper İletkenlik

Kritik Sıcaklık ve Sıfır Direnç

Bazı maddelerin elektriksel direnci belirli bir kritik sıcaklığın (T_c) altına soğutulduğunda ölçülemeyecek kadar küçülür. Bu duruma süper iletkenlik denir. Süper iletken halkada bir kez oluşturulan akım, ideal koşullarda enerji kaybı olmadan çok uzun süre dolaşabilir; buna kalıcı akım denir.

Bir maddenin T_c değerinin yüksek olması, oda sıcaklığında mutlaka süper iletken olduğu anlamına gelmez. “Yüksek sıcaklık süper iletkeni” ifadesi, geleneksel süper iletkenlere göre daha yüksek fakat çoğu durumda yine çok düşük sıcaklıklarda süper iletkenlik gösteren maddeleri belirtir.

Örnek - 11

K, L ve M maddelerinin elektrik dirençlerinin sıcaklığa bağlı değişimi şekilde verilmiştir.

T₂ > T₁ olduğuna göre;

I. K’nin kritik sıcaklığı T₁‘dir.
II. L, K’ye göre daha yüksek kritik sıcaklığa sahiptir.
III. M verilen sıcaklık aralığında süper iletken değildir.

yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve III
D) II ve III
E) I, II ve III

Cevabı Göster

K’nin direnci T₁‘in altında, L’nin direnci T₂‘nin altında sıfırdır. T₂ > T₁ olduğundan L’nin kritik sıcaklığı daha yüksektir. M eğrisi sıfıra düşmediği için verilen aralıkta süper iletken değildir.

Cevap: E

Meissner Olayı ve Manyetik Akının Dışlanması

Bir madde kritik sıcaklığın altına geçip süper iletken olduğunda yalnız direnci sıfırlanmaz; iç bölgesindeki manyetik akıyı da dışlar. Meissner olayı denilen bu özellik, süper iletkeni yalnız kusursuz iletkenden ayırır. Uygun manyetik alan ve kritik değerler aşılmadığında mıknatısın süper iletken üzerinde dengede kalması manyetik kaldırma uygulamalarının temelini oluşturur.

Örnek - 12

Özdeş dış manyetik alanlar içindeki X ve Y maddelerinde alan çizgileri şekildeki gibidir.

Buna göre;

I. Y’de Meissner olayı gözlenmektedir.
II. X’in elektrik direnci kesinlikle sıfırdır.
III. Y uygun koşullarda manyetik kaldırma uygulamalarında kullanılabilir.

yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve III
D) II ve III
E) I, II ve III

Cevabı Göster

Y’de alan çizgileri maddenin içinden dışlandığı için Meissner olayı vardır ve madde süper iletken fazdadır. X’te çizgilerin içeri girmesi, yalnız bu görselden direncin sıfır olduğunu göstermez. Meissner etkisi manyetik kaldırma için kullanılabilir. I ve III doğrudur.

Cevap: C

Süper İletkenlerin Kullanım Alanları

Süper iletkenler güçlü elektromıknatıslarda, parçacık hızlandırıcılarda, MR sistemlerinde, hassas manyetik alan ölçen SQUID aygıtlarında, enerji iletiminde ve manyetik kaldırmalı ulaşım sistemlerinde kullanılabilir. Bununla birlikte soğutma gereksinimi, üretim maliyeti, kritik manyetik alan ve kritik akım yoğunluğu gibi sınırlar uygulamayı belirler.

Nanoteknoloji ve Nanomalzemeler

Nano Ölçek, Yüzey Alanı ve Kuantum Boyut Etkileri

Nanometre, metrenin milyarda biridir: 1 nm = 10^-9 m. Nanoteknoloji genel olarak en az bir boyutu yaklaşık 1–100 nm aralığında olan yapıların incelenmesi, üretilmesi ve işlevsel sistemlerde kullanılmasıyla ilgilenir. Bu ölçeğe inildiğinde birim hacimdeki yüzey atomlarının oranı artar; yüzey tepkimeleri, katalitik etkinlik, mekanik dayanım ve erime sıcaklığı gibi özellikler makroskobik örnekten farklılaşabilir.

Boyut küçüldüğünde yalnız yüzey/hacim oranı değişmez. Elektronların izinli enerji durumları da yapının boyutuna bağlı hâle gelebilir. Kuantum boyut etkisi nedeniyle aynı maddenin farklı büyüklükteki nano parçacıkları farklı renk, iletkenlik veya optik tepki gösterebilir. Bu sonuç kimyasal bileşimin mutlaka değiştiği anlamına gelmez.

Nanoparçacık, Nanotüp, Grafen, Fulleren ve Kuantum Noktaları

Karbon nanotüpler, karbon atomlarının silindirik ağ yapısında düzenlendiği, yüksek dayanım ve özgün elektriksel özellikler gösterebilen yapılardır. Grafen, karbon atomlarının tek atom kalınlığında altıgen örgü oluşturduğu iki boyutlu malzemedir. Fullerenler, karbon atomlarının kapalı kafes biçiminde düzenlendiği yapılardır.

Kuantum noktaları, taşıyıcıların üç boyutta sınırlandığı yarı iletken nanokristallerdir. Boyutları değiştirildiğinde enerji düzeyleri ve yayılan ışığın rengi ayarlanabilir. İnce filmler, yüzeylere nanometre ölçeğinde kaplanarak optik, elektriksel, kimyasal veya mekanik özellikleri değiştirebilir. Bu malzemeler sensör, ekran, güneş pili, tıp, enerji depolama, kompozit ve kaplama teknolojilerinde değerlendirilir.

Lazer Teknolojisi

Soğurma, Kendiliğinden Emisyon ve Uyarılmış Emisyon

Alt enerji düzeyindeki bir atom, enerji farkına eşit enerjili fotonu soğurarak üst enerji düzeyine çıkabilir. Uyarılmış atom herhangi bir dış foton olmadan alt düzeye dönerse kendiliğinden emisyon gerçekleşir; yayılan fotonların yönü ve fazı rastgele olabilir. Üst düzeydeki atoma enerji farkına uygun bir foton ulaştığında atom alt düzeye geçerken gelen fotonla aynı frekans, faz, doğrultu ve yönde ikinci bir foton yayarsa uyarılmış emisyon gerçekleşir.

Örnek - 17

Bir atomun iki enerji düzeyi arasındaki üç olay I, II ve III ile gösterilmiştir.

Buna göre I, II ve III sırasıyla hangileridir?

A) Soğurma – kendiliğinden emisyon – uyarılmış emisyon
B) Soğurma – uyarılmış emisyon – kendiliğinden emisyon
C) Kendiliğinden emisyon – soğurma – uyarılmış emisyon
D) Uyarılmış emisyon – soğurma – kendiliğinden emisyon
E) Kendiliğinden emisyon – uyarılmış emisyon – soğurma

Cevabı Göster

I’de gelen foton atomu üst düzeye çıkardığı için soğurma vardır. II’de dış uyarıcı foton olmadan tek foton yayıldığı için kendiliğinden emisyon gerçekleşir. III’te gelen fotonla eş özellikli ikinci foton oluştuğu için uyarılmış emisyon vardır.

Cevap: A

Tersine Birikim ve Optik Rezonatör

Lazer üretimi için etkin ortam dışarıdan enerji verilerek pompalanır. Atomların önemli bölümü üst enerji düzeylerine çıkarılır ve üst düzeydeki atom sayısının alt düzeydekinden fazla olduğu tersine birikim oluşturulur. Etkin ortamın iki ucundaki aynalardan biri büyük ölçüde yansıtıcı, diğeri kısmi geçirgendir. Fotonlar aynalar arasında gidip gelirken uyarılmış emisyonla aynı özellikte yeni fotonlar üretir; güçlenen ışığın bir bölümü kısmi geçirgen aynadan lazer demeti olarak çıkar.

Örnek - 18

Bir lazer düzeneğinde X ve Y aynaları, etkin ortam ve pompalama kaynağı şekilde gösterilmiştir.

Lazer demeti Y yönünden çıktığına göre;

I. X aynası büyük ölçüde yansıtıcı olmalıdır.
II. Y aynası kısmi geçirgen olmalıdır.
III. Pompalama, etkin ortamdaki atomlarda tersine birikimin kurulmasına yardım eder.
IV. Aynalar, etkin ortamdan çıkan bütün fotonların frekansını değiştirir.

yargılarından hangileri doğrudur?

A) I ve II
B) I ve IV
C) II ve III
D) I, II ve III
E) I, II, III ve IV

Cevabı Göster

Işığın rezonatörde güçlenebilmesi için X yüksek yansıtıcılı, çıkış alınabilmesi için Y kısmi geçirgen olmalıdır. Pompalama üst düzeydeki atom sayısını artırarak tersine birikimi destekler. Aynaların temel görevi frekansı değiştirmek değil, fotonları etkin ortamdan yeniden geçirerek optik geri besleme sağlamaktır. I, II ve III doğrudur.

Cevap: D

Lazer Işığının Özellikleri ve Kullanım Alanları

Lazer ışığı dar bir frekans aralığına sahip olduğu için yaklaşık tek renklidir. Uyarılmış emisyon fotonların faz ilişkisini koruduğundan koherentdir. Işınlar birbirine yaklaşık paralel olduğundan demet az dağılır ve küçük bir noktaya odaklandığında yüksek enerji yoğunluğu oluşturabilir. Bu özellikler lazeri sıradan ışık kaynaklarından ayırır.

Lazer; fiber optik iletişimde veri taşınması, barkod ve optik disk okuma, mesafe ölçümü, kesme ve kaynak işlemleri, göz cerrahisi, dermatoloji, holografi ve bilimsel ölçümlerde kullanılır. Kullanım alanı değişse de lazerin temel üretim mekanizması uyarılmış emisyon, tersine birikim ve optik geri beslemedir.

Modern Fizik Uygulamalarının Birlikte Değerlendirilmesi

Teknoloji–Fizik İlkesi Eşleştirmesi

Modern fizik uygulamalarında aynı fizik ilkesi farklı cihazlarda, aynı cihazda ise birden fazla fizik ilkesi kullanılabilir. Doğru sınıflandırma için cihazın ürettiği, denetlediği veya algıladığı büyüklük belirlenmelidir: MR çekirdek rezonansını, PET yok olma fotonlarını, yarı iletken aygıtlar taşıyıcı hareketini, süper iletkenler kritik koşullardaki makroskobik kuantum davranışını, nanomalzemeler ölçeğe bağlı özellik değişimini, lazer ise uyarılmış emisyonu kullanır.