Piezoelektrizität

Der Effekt der Piezoelektrizität beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck und elektrischer Spannung in Festkörpern.

Der Piezo-Effekt kann nur in bestimmten Materialen auftreten, die Isolatoren sind, nicht in Metallen. Auch ferroelektrische Materialien können piezoelektrisch sein.

Prinzip

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

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

Materialien

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

Das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften ist Quarz (SiO₂), bei dem jedes Si-Atom tetragonal von Sauerstoff-Atomen umgeben ist. Eine in Richtung Grundfläche-Spitze (Kristallografische Richtung: [111]) wirkende Kraft verformt nun diese Tetraeder derart, dass die zusammengedrückten Tetraeder elektrisch polarisiert sind und auf den Oberflächen des Kristalls (in [111]-Richtung) eine Netto-Spannung auftritt.

Technisch genutzte Materialien, die einen stärkeren Piezo-Effekt als Quarz zeigen, leiten sich oft von der Perowskit-Stuktur ab, z.B. Bariumtitanat (BaTiO₃).

Die kubische Perowskit-Modifikation selbst ist nicht piezoelektrisch, das Material kann aber unterhalb einer kristischen Temperatur in eine tetragonale Perowskit-Struktur übergehen.

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

Anwendungen

Generell lassen sich die Anwendungen in zwei Bereiche aufteilen:

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

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

• Aktorik: Die Verformung beim Anlegen einer Spannung kann für Aktoren benutzt werden: Piezo-Positionierer erlauben durch die Verformung 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 Piezo-Elementes die Tinte zerstäubt werden.

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