Was ist Elektrostriktion?
Wenn ein elektrisches Feld an einen elektrischen Isolator angelegt wird, kann sich dieser Isolator auf irgendeine Weise verformen oder seine Form ändern. Diese Eigenschaft des elektrischen Isolators wird als Elektrostriktion bezeichnet. Insbesondere ist Elektrostriktion die Kopplung zwischen Dehnung und elektrischem Feld oder zwischen Dehnung und Polarisation; Diese Kopplung findet nur statt, wenn ein elektrisches Feld an das Material angelegt wird. Elektrostriktive Materialien können verwendet werden, um Aktuatoren zu konstruieren, die in Steuerkreisen verwendet werden können, in denen ein geringer Kraftaufwand erforderlich ist, um den Stromkreis einzuschalten. Diese Materialien reagieren auch sehr schnell auf elektrische Felder, was diese Materialien für Hochgeschwindigkeitsregelkreise geeignet macht.
Elektrostriktion tritt in bestimmten Materialien auf, die schlechte elektrische Stromleiter sind. Wenn eine Spannungsdifferenz an elektrostriktive Materialien angelegt wird, erfahren diese Materialien eine vorübergehende Formänderung. Elektrostriktive Materialien ändern ihre Form aufgrund der elektrostatischen Anziehung von freien Ladungen an den Elektroden, die auf das elektrostriktive Material aufgebracht werden.
Elektrostriktive Materialien unterscheiden sich von magnetischen Materialien darin, dass elektrostriktive Materialien die Richtung der Verformung nicht umkehren, wenn das elektrische Feld umgekehrt wird. Im Gegensatz zur linearen Magnetostriktion ist es bei der Berechnung der bei der Elektrostriktion wirkenden Kräfte erforderlich, quadratische Gleichungen zu verwenden. Diese nichtlineare Eigenschaft der Elektrostriktion ermöglicht es den elektrostriktiven Materialien, eine reproduzierbare Spannungsreaktion auf elektrische Felder zu zeigen, ohne die Verluste an Hysterese - und die daraus resultierende Abwärme - zu verursachen, die magnetische Materialien erzeugen.
Ein elektrostriktiver Aktuator besteht häufig aus elektrostriktiven Polymermaterialien. Jedes Polymer zeigt eine unterschiedliche Elektrostriktion. Beispielsweise können Silikonpolymere im Vergleich zu anderen elektrostriktiven Polymeren eine hohe Dehnungsleistung aufweisen.
Ein Polymer mit hoher Verformungsleistung ist besser für eine Umgebung geeignet, in der mechanische Verformungen ein Problem darstellen können als ein Polymer mit geringer Verformungsleistung. Andere elektrostriktive Polymere - wie Polyurethan - können unter den gleichen elektrischen Bedingungen mehr Kraft erzeugen als andere Polymere. Ein solches Polymer ermöglicht es, einen größeren Teil der eingegebenen elektrischen Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln.
Elektrostriktive Materialien haben eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit - oft weniger als 10 Millisekunden -, wenn ein elektrisches Feld an das Material angelegt wird. Schnell ansprechende elektrostriktive Materialien können in mechanischen und elektromechanischen Vorrichtungen verwendet werden, die ultraschnelle Schaltungsansprechzeiten erfordern, wie beispielsweise Präzisionsinstrumente. Elektrostriktive Materialien werden häufig in mechanischen Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel Mikrowinkel-Einstellvorrichtungen, Öldruck-Servoventilen und vor Ort abstimmbaren piezoelektrischen Wandlern.