PIEZOELEKTRIZITÄT

Pi|ezo|elektrizität,

 

Pi|ezo|effekt, pi|ezo|elẹktrischer Effẹkt, von P.J. und P. Curie 1880 entdeckte Erscheinung, dass sich Quarzkristalle bei Deformation unter mechanischen Beanspruchungen (Druck, Zug, Torsion) auf Prismenflächen (d. h. senkrecht zu polaren Achsen) elektrisch positiv beziehungsweise negativ aufladen. Piezoelektrizität wird in Isolatorkristallen ohne Symmetriezentrum beobachtet, deren Struktur durch eine oder mehrere (polare) Achsen gekennzeichnet ist. Die positiven und negativen Gitterbausteine werden durch die Deformation so verschoben, dass ein elektrisches Dipolmoment entsteht, was sich im Auftreten von (scheinbaren) Ladungen an der Oberfläche des nach außen neutralen Kristalls äußert. Von den 32 Kristallklassen zeigen 20 Piezoelektrizität, zehn davon zusätzlich Pyroelektrizität. Außer den natürlichen piezoelektrischen Kristallen, wie Quarz, Rochelle-Salz, Ammoniumdihydrogenphosphat, (NH₄)H₂PO₄ (ADP), Lithiumtantalat, LiTaO₃, und Lithiumniobat, LiNbO₃, haben bestimmte keramische Materialien, so genannte Piezokeramiken (z. B. Titanate, Niobate) gute piezoelektrische Eigenschaften, die eine technische Anwendung zulassen (u. a. als Sensoren, in Feuerzeugen als Piezozünder). Infolge ihrer polykristallinen Struktur zeigen Piezokeramiken im Gegensatz zu den Kristallen Isotropie in ihren Eigenschaften. Auch Kunststoffe, z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), können Piezoelektrizität zeigen (Verwendung u. a. als Drucksensoren, Infrarotdetektoren oder Lautsprechermembranen).

 

Durch elektrische Wechselfelder können umgekehrt an piezoelektrischen Kristallen mechanische Schwingungen erzeugt werden. Dieser reziproke (umgekehrte) piezoelektrische Effekt wird z. B. in der Hochfrequenztechnik (Hochfrequenzfilter, Quarzuhren; Schwingquarz) und zur Ultraschallerzeugung ausgenutzt. Eine moderne Anwendung ist die Piezostelltechnik. Dabei wird in Piezotranslatoren durch Anlegen eines elektrischen Feldes parallel zur Polarisationsrichtung eine ultragenaue Positionsänderung im Mikrometerbereich mit Genauigkeiten von weniger als einem Namometer erzielt. In drei Dimensionen wird diese Technik im Rastertunnelmikroskop eingesetzt.

 

Die Piezoelektrizität ist eng verwandt mit der Elektrostriktion. Beides sind zwar ähnliche Effekte, basieren aber auf unterschiedlichen physikalischen Grundlagen. Während bei der Elektrostriktion (die prinzipiell jedes polarisierbare Material aufweisen kann) die Dehnung oder Kontraktion der Abmessungen eines Festkörpers nach Umkehr der Feldrichtung nicht verändert wird, ist die durch den Piezoeffekt (den nur piezoelektrischen Materialien zeigen) bedingte Aufladung von der Art der mechanischen Deformation (Zug, Druck) abhängig. Im Unterschied zu piezoelektrischen Deformationen, die für nicht so große elektrische Felder und mechanische Spannungen proportional zur Polarisation (und damit zur elektrischen Feldstärke) sind, sind die elektrostriktiven proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke.

Piezoelektrizität,

 

die Entstehung von elektrischen Ladungen an der Oberfläche von bestimmten Kristallen infolge einer Deformation. Durch die Deformation werden in einem solchen Kristall die positiven und negativen Gitterbausteine so verschoben, dass ein elektrisches Dipolmoment entsteht. Dieses Dipolmoment äußert sich im Auftreten von elektrischer Ladung an der Oberfläche.

 

Umgekehrt kann das Anlegen eines elektrischen Felds die Formänderung eines Kristall bewirken, was in der Technik vielfach angewandt wird. Bei einem Quarzkristall lässt sich z. B. durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung bestimmter Frequenz erreichen, dass der Kristall Eigenschwingungen mit relativ großer Amplitude ausführt. Die hohe Frequenzkonstanz dieser Eigenschwingungen lässt sich für die Steuerung von Hochfrequenzsendern und Quarzuhren verwenden. Auch der Taktgeber auf dem Mainboard eines Computers ist ein piezoelektrischer Kristall. Piezokristalle kommen darüber hinaus in Piezodruckern zum Einsatz.