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Piezoelektrizität


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Der Effekt der Piezoelektrizität beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck und elektrischer Spannung in Festkörpern . Der Piezo-Effekt kann nur in bestimmten Materialen auftreten Isolatoren sind nicht in Metallen . Auch ferroelektrische Materialien können piezoelektrisch sein.

Prinzip

Piezoelektrizität heißt dass wenn eine Materialprobe gerichtete Verformung polarisiert wird an ihrer Oberfläche Richtung der Verformung eine elektrische Spannung abfällt. Gerichtete Verformung bedeutet dass der angelegte Druck von allen Seiten auf die Probe wirkt beispielsweise nur von gegenüberliegenden Seiten aus.

Umgekehrt kann durch Anlegen einer elektrischen der Kristall (bzw. das Bauteil aus Piezo-Keramik) verformt

Materialien

Für den Piezo-Effekt notwendig ist ein elektrisches Dipolmoment das bei einer polaren Achse in Kristall auftritt. Polare Achsen besitzen keine Spiegelsymmetrie.

Das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften ist Quarz (SiO 2 ) bei dem jedes Si-Atom tetragonal von umgeben ist. Eine in Richtung Grundfläche-Spitze (Kristallografische [111]) wirkende Kraft verformt nun diese Tetraeder derart dass die zusammengedrückten Tetraeder elektrisch sind und auf den Oberflächen des Kristalls [111]-Richtung) eine Netto-Spannung auftritt.

Technisch genutzte Materialien die einen stärkeren als Quarz zeigen leiten sich oft von Perowskit-Stuktur ab z.B. Bariumtitanat (BaTiO 3 ). Die kubische Perowskit-Modifikation selbst ist nicht piezoelektrisch das kann aber unterhalb einer kristischen Temperatur in tetragonale Perowskit-Struktur übergehen.

Es gibt auch piezoelektrische Keramiken sog. PZT-Keramiken (Blei-Zirconium-Titanat) die nur polykristallin und vor der Verwendung polarisiert werden müssen.

Anwendungen

Generell lassen sich die Anwendungen in Bereiche aufteilen:

  • Sensorik : Das Auftreten der Piezo-Spannung bei mechanischer lässt sich für Druck-Sensoren ausnutzen bei denen mechanische Kraft die Verformung bewirkt die dabei Spannung kann einfach elektrisch gemessen werden.

In Feuerzeugen mit Piezo-Zünder ist die durch den Druck auftretende elektrische Spannung so hoch dass sich durch einen Funkenschlag entlädt der zum der Gasflamme dient.

  • Aktorik : Die Verformung beim Anlegen einer Spannung für Aktoren benutzt werden: Piezo-Positionierer erlauben durch die eines oder mehrerer Piezo-Elemente präzise Bewegungen Piezo- Lautsprecher erzeugen durch eine in der passenden Frequenz angelegte Spannung Schallwellen bei Tintenstrahldruckern kann durch die hochfrequente Schwingung eines die Tinte zerstäubt werden.

Da der Piezoeffekt immer auf bestimmte des Materials festgelegt ist müssen für zwei- dreidimensionale Bewegungen mehrere Piezo-Elemente so kombiniert werden sie in verschiedene Richtungen wirken.



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