Özellikle sensör teknolojileriyle ön plana çıkan piezoelektrik malzemeler, elektrik sinyali üretmek ya da bu sinyalleri algılamak amacıyla kullanılan özel malzemelerdir. Günlük hayatta sık sık karşılaştığımız birçok cihazda bu malzemelerin kullanıldığına tanıklık ederiz. Ancak piezoelektrik nedir, nerelerde kullanılır, türleri nelerdir gibi merak edilen tüm soruların cevabı bu yazıda sizlerle buluşuyor!
1. Piezoelektrik Nedir?
Piezoelektrik, aslında bir fizik terimidir ve elektrik sinyallerinin mekanik gerilimler tarafından oluşturulması anlamına gelir. Ancak biz bunu daha çok günlük hayatta duyduğumuzda basit bir şekilde elektrik üretebilmek için basınç uygulamak şeklinde yorumlayabiliriz. Bu basıncı uyguladığımızda, piezoelektrik malzemeler elektrik yükü üretir. Bu yükler, elektrik sinyallerine dönüşerek kullanılabilir.
Örneğin; bir ses kaydediciye konuştuğunuzda, mikrofonun içindeki piezoelektrik malzeme sizin ses dalgalarınızı elektrik sinyallerine çevirir ve ses kaydedici bu sinyalleri kaydeder. Yani basit bir ses kaydedici bile bir piezoelektrik uygulamasıdır. Eğer elinizde bir ses kaydedici yoksa bile telefonunuza konuştuğunuzda telefonun mikrofonu piezoelektrik etki sayesinde sesinizi algılayıp telefona kaydeder. Bununla birlikte piezoelektrik malzemeler, her zaman elektrik üretmek amacıyla kullanılmaz. Bu malzemeler, ısıdan, mekanik deformasyondan veya basınçtan etkilendiğinde de elektrik sinyalleri üretir.
2. Piezoelektrik Etki Nedir?
Piezoelektrik etki, mekanik gerilimlerin uygulandığı piezoelektrik malzemelerin yükseklik değişimleri sayesinde elektrik sinyalleri üretmesi olarak tanımlanabilir. Her ne kadar gözle görülemeyen ve günlük hayatta fark edemeyeceğimiz kadar küçük olan yükseklik değişimleri oluşsa da bu değişimler sayesinde piezoelektrik malzemeler elektrik sinyali üretebilir.
3. Piezoelektrik Malzemeler Nelerdir?
Piezoelektrik malzemelerin ortak özellikleri; mekanik gerilimlerden etkilenmeleri ve dışarıdan uygulanan basınca bağlı olarak yükseklik değişimi yaşamalarıdır. Ancak bu etkileri farklı şekillerde ortaya çıkarırlar. Bu sayede farklı alanlarda kullanılabilirler.
Peki piezoelektrik malzemeler nelerdir? Sırasıyla inceleyelim:
Seramikler
Piezoelektrik seramikler, özellikle hassas sensör teknolojilerinde kullanılan ve yaygın olarak bilinen piezoelektrik malzemelerdir. Peki bu seramiklerin özellikleri nelerdir?
- Seramiklerin büyük çoğunluğu iletken değildir. Ancak piezoelektrik seramikler, mekaniğe maruz kaldığında elektrik akımı üretebilen seramiklerdir.
- Piezoelektrik seramiklerin ana bileşeni metal oksitlerdir.
- Piezoelektrik seramikler, doğal seramiklere göre çok daha iyi piezoelektrik özelliklere sahiptirler.
- Seramiklerin su ve kimyasallara karşı direnci oldukça yüksektir.
- Farklı metal oksitlerin karıştırılmasıyla elde edilen piezoelektrik seramikler, farklı oranlarda piezoelektrik özelliklere sahiptirler. Bu sayede sahip olduğu özellikler istenen şekilde ayarlanabilir.
Kristaller
Piezoelektrik kristaller, özellikle ses sensörlerinde kullanılırlar. Bunun yanında; ölçüm aletlerinde, elektrik okuma cihazlarında ve akustik filtrelerde de piezoelektrik kristallerden faydalanılır.
Peki bu kristallerin özellikleri nelerdir?
- Kristallerin en önemli özelliği; belirli bir simetrisi olan düzenli yapılar olmalarıdır.
- Dışarıdan bir gerilim uygulandığında; kristallerin simetrisinde değişiklik olur ve elektrik akımı oluşur. Bu durumda elektrik akımının oluşma nedeni dışarıdan uygulanan gerilimdir.
- Ayrıca dışarıdan bir gerilim uygulanmasa bile; kristallerin iç yapısında atomlar arasında bulunan bağların polarize olmasından dolayı elektrik akımı oluşur.
Örnek:
- Güçlü ultrason yayıcıları
- Piezoelektrik telefon hoparlörleri
- Piezoelektrik mikrohoparlörler
- Piezoelektrik jeneratörler
- Piezoelektrik sensörler
- Ses okuma cihazları
Polimerler
Polimerler, her ne kadar seramikler kadar yaygın olmasa da kullanılabileceği alanlar bakımından daha geniş bir yelpazeye sahiptir. Özellikle tıbbi cihazların üretiminde kullanılan polimerler; küçük ağırlıkları, yüksek esnekliği ve biyolojik uyumluluğu sayesinde tercih edilirler.
Peki polimerlerin özellikleri nelerdir?
- Polimerlerin en önemli özelliği; yüksek esnekliğe sahip olmalarıdır. Bu sayede farklı şekillere kolaylıkla bürünebilirler.
- Dışarıdan uygulanan basınca bağlı olarak kendi şekil değiştirirler ve elastiklik özellikleri sayesinde çok daha az enerji harcayarak elektrik sinyali üretirler.
Örnek:
- Tıbbi cihazlar
- Sensör teknolojileri
- El yapımı aletler
- Müzik aletleri
- Rüzgar gülleri
- Mekanik iz düşüm cihazları
Metal Aksamlar
Piezoelektrik özellikleri metal aksamlarda da bulunur. Ancak bu özellikler; seramiklerde ya da polimerlerde olduğu kadar belirgin değildir.
Peki metal aksamlardaki piezoelektrik özellikler nasıl ortaya çıkar?
- Dışarıdan uygulanan gerilimle metal aksamlardaki atomların yer değiştirmesi sayesinde piezoelektrik etki oluşur.
- Ayrıca metal aksamların atomlarının çok sayıda boşlukları vardır. Bu boşlukların doldurulması için dışarıdan uygulanan gerilim sayesinde piezoelektrik etki oluşur.
Örnek:
- Küçük boyutlu motorlar
- Ses sistemleri
- Sensör teknolojileri
- Titreşim sensörleri
- Mekanik iz düşüm cihazları
4. Piezoelektrik Malzemelerin Kullanım Alanları
Yukarıda listelenen piezoelektrik malzemeler, günlük hayatta sık sık karşılaştığımız birçok cihazda kullanılırlar. Ancak bu malzemelerin kullanım alanları sadece günlük hayatta gördüğümüz teknolojilerle sınırlı değildir.
Peki piezoelektrik malzemelerin kullanım alanları nelerdir? Sırasıyla inceleyelim:
1) Ses Teknolojileri
A) Mikrofonlar:
- Mikrofonlar, ses dalgalarını algılayıp bunları elektrik sinyallerine çevirerek ses kaydedicilere veya başka elektronik cihazlara aktaran cihazlardır. Günlük hayatımızda sıklıkla kullandığımız mikrofonlar; akıllı telefonlarda, bilgisayarlarda, televizyonlarda veya kayıt cihazlarında bulunur.
Açıklama:
- Mikrofonun iç kısminde bulunan piezoelektrik malzeme; sizin ses dalgalarınızı elektrik sinyallerine çevirir ve mikrofon bu sinyalleri ses kaydediciye veya başka elektronik cihaza aktarır.
B) Hoparlörler:
- Hoparlörler, sizin ses dalgalarınızı elektrik sinyallerine çevirip bunları tekrar ses dalgalarına dönüştürerek duyulabilir hale getiren cihazlardır. Günlük hayatımızda sıklıkla kullandığımız hoparlörler; akıllı telefonlarda, bilgisayarlarda, televizyonlarda veya müzik aletlerinde bulunur.
Açıklama:
- Hoparlörün iç kısminde bulunan piezoelektrik malzeme; sizin ses dalgalarınızı elektrik sinyallerine çevirir ve hoparlör bu sinyalleri tekrar ses dalgalarına dönüştürerek duyulabilir hale getirir.
C) Müzik Aletleri:
- Müzik aletleri; hoparlörlerden farksızdırlar ve her iki alette de piezoelektrik malzemeler bulunur. Bu sayede müzik aletleri; sizin ürettiğiniz ses dalgalarını algılayıp bunları elektrik sinyallerine çevirerek müzik notalarıyla eşleştirir.
Açıklama:
- Piyano tuşlarına bastığınızda; piyanonun iç kısmındaki piezoelektrik malzeme sizin ürettiğiniz ses dalgalarını algılar ve bunları elektrik sinyallerine çevirerek duyulabilir hale getirir.
2) Güvenlik Sistemleri
A) Sensör Sistemleri:
- Sensör sistemleri; çevresel faktörlerin algılanarak bunlara göre tepki verilmesini sağlayan sistemlerdir. Günlük hayatımızda sıklıkla karşılaştığımız güvenlik sistemlerinde de sensör sistemleri bulunur.
Açıklama:
- Kapalı alanlarda bulunan güvenlik kameraları; hareket sensörü özelliği sayesinde çevresel faktörlerden etkilenir ve çevrede hareket algıladığında güvenlik merkezine alarm sinyali gönderir.
l