Piezoelektrizität

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.
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.
Genaueres
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.
Besondere Materialien
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.
Anwendungen
Mechanik » Elektrizität
  • Gasanzünder und Feuerzeuge: Durch hohen mechanischen Druck wird eine Spannung von mehreren kV erzeugt. Die an einer Funkenstrecke entstehenden Blitze können Luft-Gasgemische entzünden. Es gibt Quetsch- und Schlagmechanismen.
  • Tonabnehmer für Musikinstrumente: Kleine Sensorplättchen, die im Steg der Gitarre unterhalb der Saiten befestigt sind, nehmen die von den Saiten erzeugten Schwingungen auf und wandeln sie in elektrische Signale um. Eine Lösung, die die Rock- und Popmusik nachhaltig beeinflusst hat.
  • Alarmanlagen: Sensoren, z. B. an Schaufensterscheiben, nehmen den Körperschall auf und wandeln ihn in elektrische Signale um. Geräusche und Vibrationen, die durch Einbruchwerkzeuge hervorgerufen werden, führen bereits zu Beginn des Einbruchsversuchs zur Alarmauslösung.
  • Beschleunigungssensoren, Radauswuchtung: Eine mit dem Piezosensor verkoppelte (seismische) Masse erzeugt elektrische Spannungen. Tritt z. B. in einem Benzinmotor sogenanntes "Klopfen" auf, kann entsprechend nachgeregelt und somit der Brennstoffverbrauch gesenkt werden.
Mechanik « Elektrizität:
  • Lautsprecher: In sehr vielen elektronischen Geräten ist ein piezoelektrischer Tongeber zu finden (die meist erbärmlich in (z. B. Handys) piepsen oder dudeln).
  • Ventile: Die sehr kurzen Schaltzeiten liegen mit 10 ms weit unter denen von elektromagnetischen Ventilen.
  • Nierensteinzertrümmerer: Eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, an der Innenseite einer konkaven Schale angebracht, können gleichzeitig ausgelöst eine mechanische Schall-Schockwelle erzeugen. Die hohe Energie im Fokus dieser Schockwelle kann Nieren- oder Gallensteine zertrümmern, völlig ohne Narkose, ohne chirurgischen Eingriff und fast schmerzfrei.
  • Zahnsteinentferner, Skalpelle: Piezoelektrisches Material schwingt (20 - 80 kHz) und treibt einen kleinen Schaber an. Durch die hohe Frequenz bei sehr kleinen Amplituden (im µm-Bereich) kann Zahnstein gründlich entfernt werden, ohne den Zahn zu schädigen. Ein Skalpell mit einem derartigen Antrieb wirkt wie die niederfrequenten groben elektrischen Brotmesser, nur sehr viel präziser. Insgesamt besticht Ultraschallmaterialbearbeitung durch große Präzision und große Oberflächengüte.
  • Inhalatoren, Vernebeler: Durch hochfrequenten Ultraschall entstehen an der Oberfläche von Flüssigkeiten Kapillarwellen. Bei ausreichend großer Schallintensität schnüren sich Tröpfchen ab, die um so kleiner sind, je höher die Frequenz ist, und es entsteht Nebel.
  • Ultraschallreinigung: In einer Reinigungsflüssigkeit wird mit Leistungs-Ultraschall Kavitation erzeugt. Kavitation ist die Bildung kleinster lokaler Gasblasen auf Grund von Druckunterschieden in der Flüssigkeit, die nach sehr kurzer Zeit wieder implodieren. Diese Kavitation sorgt an der verschmutzten Oberfläche des Füllgutes für eine intensive Reinigung, auch bei komplizierten Formen. Geräte dieser Art findet man in kleiner Ausführung beim Optiker als Brillenreinigungsbad und in großer als Industriereinigungsanlage von 20 m Länge mit automatischem Transportsystem.
  • Ultraschallschweißen: Reibung erzeugt Wärme. Presst man zwei Metall- oder Kunststoffteile aneinander und regt sie mit hochfrequentem Ultraschall an, erhitzen sich die Oberflächen so stark, dass sie miteinander verschmelzen.
Mechanik « » Elektrizität
Der 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.
  • Zähler: Die Existenz eines Echos kann zum Zählen von Objekten genutzt werden, die z. B. auf einem Laufband vorbeigeführt werden.
  • Abstandssensoren: Die Laufzeit eines Echos mit der Kenntnis der Schallgeschwindigkeit bestimmt die Entfernung zum Hindernis, die in Luft zwischen 0,25 m und 10 m liegen kann. Diese Echolote dienen als Einparkhilfen in Autos, messen in der Seefahrt die Wassertiefe oder warnen vor Hindernissen, orten auf Fischkuttern Fischschwärme, dienen als Füllstandsmesser in Silos und Tanks.
  • Bewegungssensoren: Die Frequenzverschiebung des Echos (Doppler-Effekt) lässt Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit eines Objektes zu. Je größer die Geschwindigkeit, desto größer ist die Frequenzverschiebung zwischen abgestrahlter und reflektierter Wellenfront. In Durchflussmessern per Doppler-Effekt in Flüssigkeiten können kleine mitgerissene Teilchen für das notwendige Echo sorgen. In Einbruchmeldeanlagen kann jede Bewegung innerhalb eines Raumes registriert werden.
  • Durchflussmesser per Mitführprinzip: Zwei Wandler senden und empfangen wechselseitig Schallpulse gegen und mit der Strömung. Schall- und Strömungsgeschwindigkeit überlagern sich. Die Strömungsgeschwindigkeit ist dann proportional zum Kehrwert der Laufzeitdifferenz mit und gegen die Strömung. Die Messung ist unabhängig von der Schallgeschwindigkeit, von evtl. reflektierenden Teilchen und damit vom Medium, egal ob es eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
  • Pegelmessung durch Tauchschwinger: Eine Stimmgabel in der Luft wird von einem Piezokristall zum resonanten Schwingen angeregt. Taucht sie in ein anderes Medium, ändert sich die Resonanzfrequenz, die gemessen wird.
  • Richtungsänderungssensor, Gyroskop: Die Wandung eines Zylinders wird zu einer stehenden Schwingung angeregt. Bei einer Richtungsänderung werden diese Wellen verschoben, und die in den Schwingungsknoten befindlichen Piezosensoren geben ein Signal ab. Auch kleinste Richtungsänderungen können präzise gemessen werden.

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