Piezoelektrischer Effekt
Der piezoelektrische Effekt beschreibt die Fähigkeit bestimmter Materialien, eine elektrische Ladung zu erzeugen, wenn sie mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. In solchen Materialien können Elektronen durch die Kraftwirkung aus ihrer Umlaufbahn getrieben werden. Die Elektronen verlassen eine Seite des Materials und sammeln sich auf der anderen Seite, wodurch positive und negative Ladungen auf gegenüberliegenden Seiten aufgebaut werden. Es gibt zwei Arten des piezoelektrischen Effekts: den direkten und den umgekehrten Effekt.
Direkter piezoelektrischer Effekt
Beim direkten piezoelektrischen Effekt wird mechanische Verformung in elektrische Ladung umgewandelt. Ein klassisches Beispiel hierfür ist Quarz. Ein 1 cm3 großer Quarzwürfel kann bei einer korrekt angewendeten Kraft von 2 kN eine Spannung von 12500 V erzeugen. Diese Umwandlung von mechanischem Druck in elektrische Energie findet in verschiedenen Anwendungen Verwendung.
Umgekehrter piezoelektrischer Effekt
Der umgekehrte piezoelektrische Effekt beschreibt die Umwandlung eines angelegten elektrischen Potentials in mechanische Verformung. Somit kann durch ein elektrisches Feld eine Ausdehnung oder Kontraktion des Materials induziert werden und umgekehrt. Ein Beispiel hierfür sind Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, wenn ihre statische Struktur um etwa 0,1 % ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt verändern diese Kristalle etwa 0,1 % ihrer statischen Dimension, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird.
Anwendungen des piezoelektrischen Effekts
Ein bekanntes Anwendungsbeispiel ist das elektrische Feuerzeug: Durch Drücken des Knopfes wird ein federbelasteter Hammer auf einen piezoelektrischen Kristall geschlagen, wodurch ein ausreichend hoher elektrischer Strom erzeugt wird, der über eine kleine Funkenstrecke fließt, das Gas erhitzt und entzündet. Eine weitere häufige Anwendung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts findet sich in modernen Dieselmotoren. Ihre Kraftstoffeinspritzdüsen enthalten einen piezoelektrischen Aktuator sowie eine Sensorkonfiguration zur Messung des Zustands des Aktuators und des zugehörigen Kraftstoffschienen.
Zusammenfassung
Der piezoelektrische Effekt ist ein faszinierendes Phänomen, das in vielen modernen Technologien Anwendung findet. Von der Erzeugung von Ultraschallwellen bis hin zur präzisen Steuerung von Kraftstoffeinspritzsystemen in Fahrzeugen, die Piezoelektrizität ist ein Schlüsselelement in der Entwicklung innovativer Lösungen.
