Piezoelektrizität: Die Kraft der Kristalle und Keramiken
Die Piezoelektrizität ist ein Phänomen, das eine elektrische Ladung durch das Anwenden von Druck auf bestimmte Kristalle wie Quarz oder Rochellesalz sowie auf bestimmte Keramiken wie Bariumtitanat erzeugt. Diese einzigartige Fähigkeit, mechanischen Stress in elektrische Energie umzuwandeln, wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet.
Bei piezoelektrischen Materialien können Elektronen durch die Kraftwirkung aus ihrer Umlaufbahn getrieben werden. Sie verlassen eine Seite des Materials und sammeln sich auf der anderen Seite an, wodurch positive und negative Ladungen auf gegenüberliegenden Seiten entstehen. Ein eindrucksvolles Beispiel hierfür ist ein 1 cm3 großer Quarzwürfel, der bei einer korrekt angewendeten Kraft von 2 kN eine Spannung von 12.500 V erzeugen kann.
Die Direkte und Umgekehrte Piezoelektrische Wirkung
Die piezoelektrische Materialien weisen zwei Hauptfunktionen auf: Die Umwandlung von mechanischer Belastung in Elektrizität und umgekehrt. Die erste Funktion, der direkte piezoelektrische Effekt, besteht darin, mechanische Belastung in elektrische Ladung umzuwandeln. Die zweite Funktion, der umgekehrte piezoelektrische Effekt, wandelt ein angelegtes elektrisches Potenzial in mechanische Belastung um. So führt beispielsweise ein elektrisches Feld dazu, dass das Material sich ausdehnt oder zusammenzieht.
Ein Beispiel für die Anwendung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts sind Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, wenn ihre statische Struktur um etwa 0,1 % der ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt ändern diese Kristalle etwa 0,1 % ihrer statischen Dimension, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird. Dieser Effekt wird unter anderem zur Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt.
Anwendungen der Piezoelektrizität
Die bekannteste Anwendung der Piezoelektrizität ist das elektrische Feuerzeug. Beim Drücken des Knopfes schlägt ein federbelasteter Hammer auf einen piezoelektrischen Kristall, wodurch ein ausreichend hoher elektrischer Strom erzeugt wird, der über eine kleine Funkenstrecke fließt, wodurch das Gas erhitzt und entzündet wird.
Zusammenfassend ist die Piezoelektrizität ein faszinierendes und vielseitiges Phänomen, das in vielen technologischen Anwendungen von der Energieerzeugung bis zur Präzisionssteuerung von mechanischen Systemen eingesetzt wird. Seine Fähigkeit, mechanische Energie in elektrische Energie und umgekehrt umzuwandeln, macht es zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der modernen Wissenschaft und Technik.
