Der piezoelektrische Effekt wurde Ende des 19. Jahrhunderts von den französischen Brüdern Curie entdeckt. Damals war es noch zu früh, um über die praktische Anwendung des entdeckten Phänomens zu sprechen, aber heute sind piezoelektrische Elemente sowohl in der Technik als auch im Alltag weit verbreitet.
Inhalt
Das Wesen des Piezoeffekts
Bekannte Physiker entdeckten, dass elektrische Ladungen entstehen, wenn bestimmte Kristalle (Bergkristall, Turmalin usw.) an ihren Facetten verformt werden. Der Potentialunterschied war zwar gering, aber mit den damals verfügbaren Instrumenten deutlich nachweisbar, und durch die Verbindung der Bereiche mit entgegengesetzten polaren Ladungen mit Hilfe von Leitern konnte man elektrischer Strom. Das Phänomen wurde nur in der Dynamik, im Moment der Kontraktion oder Dehnung aufgezeichnet. Bei statischer Verformung trat der Piezoeffekt nicht auf.
Der gegenteilige Effekt wurde bald theoretisch begründet und in der Praxis entdeckt: Der Kristall verformte sich, wenn eine Spannung angelegt wurde. Es stellte sich heraus, dass die beiden Phänomene miteinander zusammenhängen - wenn eine Substanz einen direkten Piezoeffekt aufweist, zeigt sie auch einen umgekehrten Effekt und umgekehrt.
Das Phänomen wird bei Stoffen mit einem anisotropen Kristallgitter (die je nach Richtung unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen) mit ausreichender Asymmetrie sowie bei einigen polykristallinen Strukturen beobachtet.
In jedem Festkörper erzeugen die einwirkenden äußeren Kräfte Verformungen und mechanische Spannungen und in Substanzen mit Piezoeffekt die Polarisation von Ladungen, wobei die Polarisation von der Richtung der einwirkenden Kraft abhängt. Wird die Wirkungsrichtung umgekehrt, ändern sich sowohl die Polarisationsrichtung als auch die Polarität der Ladungen. Die Abhängigkeit der Polarisation von der mechanischen Spannung ist linear und wird durch den Ausdruck P=dt beschrieben, wobei t die mechanische Spannung und d ein Koeffizient ist, der als piezoelektrischer Modul (Piezomodul) bezeichnet wird.
Ein ähnliches Phänomen tritt beim inversen Piezoeffekt auf. Wenn sich die Richtung des angelegten elektrischen Feldes ändert, ändert sich auch die Richtung der Verformung. Auch hier ist die Abhängigkeit linear: r=dE, wobei E die elektrische Feldstärke und r die Dehnung ist. Der Koeffizient d ist für den Vorwärts- und Rückwärts-Piezoeffekt bei allen Substanzen gleich.
Diese Gleichungen sind in der Tat nur Schätzungen. Die tatsächlichen Zusammenhänge sind viel komplexer und werden durch die Richtung der Kräfte im Verhältnis zu den Kristallachsen bestimmt.
Stoffe mit Piezo-Effekt
Der Piezoeffekt wurde erstmals in Bergkristallen (Quarz) entdeckt. Heute ist dieses Material bei der Herstellung von piezoelektrischen Elementen sehr verbreitet, aber es werden nicht nur natürliche Materialien für die Produktion verwendet.
Viele piezoelektrische Elemente basieren auf Materialien mit der Formel ABO3Formel, wie z. B. BaTiO3, PbTiO3. Diese Materialien haben eine polykristalline (aus vielen Kristallen bestehende) Struktur und müssen durch ein äußeres elektrisches Feld polarisiert werden, damit sie den Piezoeffekt entfalten können.
Es gibt Technologien zur Herstellung von piezoelektrischen Folien (Polyvinylidenfluorid, usw.). Um ihnen die erforderlichen Eigenschaften zu verleihen, müssen sie außerdem über einen längeren Zeitraum in einem elektrischen Feld polarisiert werden. Der Vorteil dieser Materialien ist ihre sehr geringe Dicke.
Eigenschaften und Merkmale von Materialien mit Piezo-Effekt
Da die Polarisation nur während der elastischen Verformung stattfindet, ist eine wichtige Eigenschaft von Piezomaterialien ihre Fähigkeit, ihre Form unter Einwirkung äußerer Kräfte zu verändern. Der Wert dieser Fähigkeit wird durch die elastische Nachgiebigkeit (oder elastische Steifigkeit) bestimmt.
Kristalle mit Piezoeffekt sind hochelastisch - sie kehren in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn die Kraft (oder die äußere Spannung) weggenommen wird.
Piezokristalle haben auch eine eigene mechanische Resonanzfrequenz. Wenn der Kristall gezwungen wird, bei dieser Frequenz zu schwingen, ist die Amplitude besonders groß.
Da nicht nur ganze Kristalle den piezoelektrischen Effekt zeigen, sondern auch Kristalle, die unter bestimmten Bedingungen geschnitten werden, ist es möglich, piezoelektrische Stücke mit Resonanz bei unterschiedlichen Frequenzen herzustellen - abhängig von den geometrischen Abmessungen und der Schnittrichtung.
Die Schwingungseigenschaften piezoelektrischer Materialien werden auch durch ihren mechanischen Gütefaktor charakterisiert. Sie gibt an, um wie viel Mal die Schwingungsamplitude bei der Resonanzfrequenz bei gleicher Krafteinwirkung zunimmt.
Es gibt eine deutliche Abhängigkeit der piezoelektrischen Eigenschaften von der Temperatur, die bei der Verwendung von Kristallen berücksichtigt werden muss. Diese Abhängigkeit ist durch Koeffizienten gekennzeichnet:
- Der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz gibt an, wie stark die Resonanz verschwindet, wenn der Kristall erhitzt/abgekühlt wird;
- Der Temperaturausdehnungskoeffizient gibt an, wie stark sich die linearen Abmessungen der Piezo-Platte mit der Temperatur verändern.
Ab einer bestimmten Temperatur verliert der Piezokristall seine Eigenschaften. Diese Grenze wird als Curie-Temperatur bezeichnet. Dieser Grenzwert ist für jedes Material individuell. Für Quarz beispielsweise beträgt sie +573 °C.
Praktische Anwendung des Piezoeffekts
Die bekannteste Anwendung von Piezozellen ist der Einsatz als Zündelement. Der Piezoeffekt wird in Taschenfeuerzeugen oder Küchenzündern für Gasherde verwendet. Wenn der Kristall gedrückt wird, entsteht eine Potenzialdifferenz, und im Luftspalt entsteht ein Funke.
Damit ist der Anwendungsbereich der piezoelektrischen Zellen noch nicht erschöpft. Kristalle mit demselben Effekt können als Dehnungsmessstreifen verwendet werden, aber diese Anwendung ist durch die Eigenschaft des Piezoeffekts, dynamisch zu sein, begrenzt - wenn die Veränderung gestoppt ist, wird das Signal nicht mehr erzeugt.
Piezokristalle können als Mikrofon verwendet werden, da elektrische Signale erzeugt werden, wenn akustische Wellen angelegt werden. Durch den umgekehrten Piezoeffekt können solche Elemente auch (manchmal gleichzeitig) als Schallgeber verwendet werden. Wenn ein elektrisches Signal an den Kristall angelegt wird, beginnt das Piezoelement, akustische Wellen zu erzeugen.
Solche Strahler werden häufig zur Erzeugung von Ultraschallwellen eingesetzt, insbesondere in der Medizintechnik. Unter unter können auch die Resonanzeigenschaften der Platte genutzt werden. Er kann als akustischer Filter verwendet werden, der nur seine eigenen Frequenzwellen aussendet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein Piezoelement in einem Schallerzeuger (Sirene, Detektor usw.) sowohl als frequenzhaltendes als auch als schallabgebendes Element zu verwenden. In diesem Fall wird der Schall immer auf der Resonanzfrequenz erzeugt, und die maximale Lautstärke kann mit geringem Energieaufwand erreicht werden.
Die Resonanzeigenschaften werden zur Stabilisierung der Frequenzen von Oszillatoren genutzt, die im Hochfrequenzbereich arbeiten. Die Quarzplatten wirken als hochstabile und hochwertige Schwingkreise in frequenzerhaltenden Kreisen.
Bisher gibt es fantastische Projekte, um die Energie der elastischen Verformung in industriellem Maßstab in elektrische Energie umzuwandeln. Sie können die Verformung von Straßenbelägen durch das Gewicht von Fußgängern oder Autos nutzen, um z. B. Straßenabschnitte zu beleuchten. Die Verformungsenergie von Flugzeugflügeln könnte zum Betrieb des Bordnetzes eines Flugzeugs genutzt werden. Der unzureichende Wirkungsgrad der Piezozellen schränkt diese Nutzung ein, aber es wurden bereits Prototypanlagen gebaut, die weitere Verbesserungen versprechen.
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