Piezoelektrischer Effekt

Beim Piezoelektrischen Effekt entsteht bei Ausübung von Druck auf einen besonderen Kristall eine elektrische Spannung. Die umgekehrte Erscheinung, eine Geometrieänderung bei Anlegen einer elektrischer Spannung, wird als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Der piezoelektrische Effekt ist physikalisch eng verwandt mit dem piezoresistiven Effekt.

Die Piezoelektrizität wird beschrieben durch die piezoelektrischen Koeffizienten. Man unterscheidet zwischen piezoelektrischen Verzerrungskoeffizienten, die die Reaktion der Verzerrung auf das elektrische Feld beschreiben,

und piezoelektrischen Spannungskoeffizienten, die die Reaktion der mechanischen Spannung auf das elektrische Feld beschreiben,

Die beiden Koeffizienten hängen über die elastischen Konstanten zusammen:

Effekte zweiter Ordnung werden durch die elektrostriktiven Koeffizienten beschrieben.

Der Piezoelektrische Effekt läßt sich wie folgt erklären: Wird makroskopisch auf einen Kristall Druck ausgeübt, führt dies mikroskopisch zu einer Dipolbildung innerhalb einer Elementarzelle. Die Aufsummierung über alle Elementarzellen des Kristalls führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung. Entsprechend führt beim inversen piezoelektrischen Effekt eine äußere Spannung auf mikroskopischer Ebene zu einer Änderung der Gitterkonstanten der Elementarzellen, die sich wiederum zu einer messbaren Längenänderung addieren.

Da beide Effekte gemeinsam in einem Kristall auftreten, entstehen Schwingungen bei einmaliger äußerer Anregung. Deren Frequenz ist nur von der Schallgeschwindigkeit (eine Materialkonstante) und der Dicke des Kristalls abhängig.

Der Effekt findet z.B. Anwendung in Piezofeuerzeugen, in den Schallköpfen von Ultraschallgeräten, in Beschleunigungssensoren, in Einspritzdüsen von Pkw (Serienstart 2001) und in Sensoren von Meßgeräten zur Verkehrsüberwachung, den sogenannten Starenkasten. Die Schwingungsfähigkeit von piezoelektrischen Kristallen wird in Oszillatoren, Resonatoren, SAW-Filtern u. v. a. mehr angewendet.

Beispiele für Materialien mit ausgeprägtem piezoelektrischem Effekt sind z.B. Quarz und Turmalin.

Links

• http://gammesfeld.de/piezoeffekt/intro.php