Was ist der piezoelektrische Effekt?
Der piezoelektrische Effekt ist eine einzigartige Eigenschaft bestimmter Kristalle, bei denen sie unter physikalischer Belastung ein elektrisches Feld oder einen elektrischen Strom erzeugen. Der gleiche Effekt kann auch in umgekehrter Richtung beobachtet werden, wenn ein auf den Kristall einwirkendes elektrisches Feld seine Struktur belastet. Der piezoelektrische Effekt ist für Wandler von wesentlicher Bedeutung, bei denen es sich um elektrische Komponenten handelt, die in einer Vielzahl von Sensor- und Schaltungsanwendungen verwendet werden. Trotz der Vielseitigkeit des Phänomens für Anwendungen in elektromechanischen Geräten wurde es 1880 entdeckt, fand aber erst etwa ein halbes Jahrhundert später breite Anwendung. Zu den kristallinen Strukturen mit piezoelektrischem Effekt gehören Quarz-, Topas- und Rochellesalz, eine Art Kaliumsalz mit der chemischen Formel KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 O.
Pierre Curie, der 1903 mit seiner Frau Marie den Nobelpreis für Physik für Strahlungsforschung gewann, wird die Entdeckung des piezoelektrischen Effekts bei seinem Bruder Jacques Curie im Jahr 1880 zugeschrieben. Die Brüder entdeckten damals den inversen piezoelektrischen Effekt nicht jedoch, wo Elektrizität Kristalle deformiert. Gabriel Lippmann, ein französisch-luxemburgischer Physiker, wird die Entdeckung des inversen Effekts im folgenden Jahr zugeschrieben, die zur Erfindung des Lippmann-Elektrometers im Jahr 1883 führte, einem Gerät, das das Herzstück des Betriebs des ersten experimentellen Elektrokardiographie-Geräts (EKG) darstellt.
Piezoelektrische Effekte haben die einzigartige Eigenschaft, oft Tausende von Volt Potentialdifferenz elektrischer Energie bei sehr niedrigen Strompegeln zu entwickeln. Dies macht selbst winzige piezoelektrische Kristalle zu nützlichen Objekten für die Erzeugung von Funken in Zündgeräten wie Gasöfen. Andere übliche Anwendungen für piezoelektrische Kristalle umfassen die Steuerung präziser Bewegungen in Mikroskopen, Druckern und elektronischen Uhren.
Der Prozess, bei dem der piezoelektrische Effekt stattfindet, basiert auf der Grundstruktur eines Kristallgitters. Kristalle weisen im Allgemeinen ein Ladungsgleichgewicht auf, bei dem sich negative und positive Ladungen entlang der starren Ebenen des Kristallgitters genau aufheben. Wenn dieses Ladungsgleichgewicht durch Anlegen einer physikalischen Spannung an einen Kristall gestört wird, wird die Energie durch elektrische Ladungsträger übertragen, wodurch ein Strom in dem Kristall erzeugt wird. Mit dem umgekehrten piezoelektrischen Effekt bringt das Anlegen eines externen elektrischen Feldes an den Kristall den neutralen Ladungszustand aus dem Gleichgewicht, was zu mechanischer Beanspruchung und einer leichten Neueinstellung der Gitterstruktur führt.
Ab 2011 wurde der piezoelektrische Effekt weitgehend monopolisiert und in allen Bereichen eingesetzt, von Quarzuhren über Warmwasserbereiterzünder bis hin zu tragbaren Grills und sogar einigen Handfeuerzeugen. In Computerdruckern werden die winzigen Kristalle an den Tintenstrahldüsen verwendet, um den Tintenfluss zu blockieren. Wenn sie mit Strom beaufschlagt werden, verformen sie sich und lassen Tinte in sorgfältig kontrollierten Mengen auf das Papier fließen, um Text und Bilder zu erzeugen.
Der piezoelektrische Effekt kann auch zur Schallerzeugung für Miniaturlautsprecher in Uhren und für Schallwandler zur Messung von Entfernungen zwischen Objekten verwendet werden, z. B. für Bolzensucher im Baugewerbe. Ultraschallwandler basieren ebenso auf piezoelektrischen Kristallen wie auf vielen Mikrofonen. Ab 2011 verwenden sie Kristalle aus Bariumtitanat, Bleititanat oder Bleizirkonat, die niedrigere Spannungen erzeugen als Rochellesalz, das in frühen Formen dieser Technologien der Standardkristall war.
Eine der fortschrittlichsten Technologien, mit denen der piezoelektrische Effekt ab 2011 genutzt werden kann, ist das Rastertunnelmikroskop (STM), mit dem die Struktur von Atomen und kleinen Molekülen visuell untersucht wird. Das STM ist ein grundlegendes Instrument auf dem Gebiet der Nanotechnologie. Piezoelektrische Kristalle, die in STMs verwendet werden, können messbare Bewegungen im Maßstab von nur wenigen Nanometern oder Milliardstel Metern erzeugen.