Das Phänomen, dass durch mechanischen Druck auf bestimmte Flächen mancher Kristalle ein elektrisches Feld auftritt, wurde 1880 von den Gebrüdern Pierre und Jacques Curie entdeckt, die mit Quarz und Rochellesalz experimentierten. Sie nannten es piezoelektrischen Effekt (griech. piezein = drücken, piezo "ich drücke", sprich: pijezo oder pi-etso, jedenfalls auf keinen Fall pietso). Als ich als kleiner Junge in der Apotheke Phenolphthalein verlangte, wiederholte der Mann hinter der Theke sehr laut "Da will jemand Fenolftalein" (mit ei wie Ei), und erntete viele breite Grinsen aller seiner Kollegen. Ich wurde rot, wusste aber eigentlich nicht, warum. |
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Piezoelektrizität ist die Eigenschaft eines Isolators, sich unter dem Einfluss einer mechanischen Deformation zu polarisieren. Piezolektrische Materialien können als mechanische Sensoren verwendet werden. |
Wird umgekehrt an piezoelektrische Materialien ein elektrisches Feld angelegt, kommt es zu einer Volumenänderung, der Elektrostriktion. Piezolektrische Materialien können als mechanische Aktoren verwendet werden. Ein Aktor beruht auf der Tatsache, dass durch den Einfluss elektrischer Feldstärken in der Größenordnung 2 kV/mm relative Längenänderungen bis zu 1,7 o/oo erzeugt werden können. |
Die Polarisationsänderung P ist proportional zur Druckänderung D ( P = d1 * D ). Umgekehrt ist die Deformation S (Dilatation oder Kontraktion) proportional zur elektrischen Feldstärke E ( S = d2 * E ). Die beiden Konstanten d1 und d2sind identisch und heißen piezoelektrische Konstante. |
Material | Piezoelektrische Konstante |
Bleititanzirkonat-Keramik | 1,9-23,3 |
Bariumtitanat-Keramik | 4,3-17,5 |
Lithiumniobat | 0,2-3,7 |
Zinkoxid | 0,5-0,6 |
Polyvinylfluorid | 0,2-0,85 |
Quarz, kristallin | 0,04-0,17 |
Seignettesalz | ? |
Turmalin | ? |
Rohrzucker | ? |
Zinksulfid | ? |
Kaliumdihydrogenphosphat | ? |
Ammoniumdihydrogenphosphat | ? |
Für hochstabile Resonatoren wird wegen der großen thermischen Stabilität Quarz bevorzugt verwendet (AT- und BT-Schnitt), auch wenn dessen Konstante klein ist. |
Die Ursache für die Piezoelektrizität sind unterschiedliche Elastizitätsmodule der kristallinen Untergitter aus positiven und negativen Ionen. Die Verschiebung der Ionen in Kristallen mit nichtsymmetrischen Einheitszellen verschiebt die Ladungsschwerpunkte von negativer und positiver Ladung relativ zueinander, was zu einer elektrischen Polarisation führt. Die regelmäßige kristalline Struktur verstärkt diesen Effekt und es resultiert eine deutlich messbare elektrische Potentialdifferenz zwischen einzelnen Flächen des Kristalls. Beim Anlegen eines externen elektrischen Feldes an den Kristall werden die Ionen in jeder Einheitszelle durch die elektrostatischen Kräfte so verschoben, dass sich der gesamte Kristall verformt. Ist ein Material ferroelektrisch (ein Elektret), so ist es auch piezoelektrisch. |
Keramik
Die Entwicklung von Bleizirkonat-Titanat-Keramiken vor mehr als 30 Jahren führte zu einer Vielfalt von piezokeramischen Bauteilen für die praktische Anwendung. Es handelt sich um eine feste Lösung von Bleititanat PbTiO3 und Bleizirkonat PbZrO3, die durch Beimengung anderer Materialien auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene physikalische Eigenschaften besitzt und von der industriellen Fertigung favorisiert wird. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung treten sehr hohe dielektrische und piezoelektrischer Kenngrößen auf. |
Kunststoff
Piezoelektrizität wurde ca. 1965 auch in Kunststoffen nachgewiesen. Ein Foliensensor besteht aus einer mit Metall bedampften Kunststoffschicht, deren Moleküle beim Erstarren durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes ausgerichtet werden. Die Folie reagiert auf Druck, aber auch wenn sie gebogen oder gestreckt wird oder wenn Temperaturschwankungen auftreten. Durch geeignete Strukturierung der Oberfläche lassen sich beliebig viele Einzelsensoren unterbringen und es können zahlreiche Messprobleme gelöst werden. |
Elektrisch leitende Beläge, Elektroden, sind fester Bestandteil technischer piezoelektrischer Materialien. In der Massenproduktion erfolgt das Aufbringen durch Siebdruck pastenförmiger Silberpräparate. |
Mechanik » Elektrizität
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Mechanik « Elektrizität:
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Mechanik « » ElektrizitätDer piezoelektrische Wandler sendet einen kurzen (Ultra-)Schallimpuls, der möglicherweise reflektiert wird und vom gleichen Piezowandler wieder empfangen werden kann. Die verwendete Frequenz hängt von der gewünschten Reichweite und der Auflösung ab. Je höher die Frequenz, desto höher die Auflösung und desto geringer die Reichweite und umgekehrt. Ist die sich aus der Frequenz ergebende Wellenlänge groß im Verhältnis zur Wandlergröße, ergibt sich eine kugelförmige Abstrahlung der Wellenfront. Ist die Wellenlänge kleiner als der Wandler, strahlt dieser gerichtet ab.
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Letzte Änderung 15.9.2001 |