Fields of Research

Piezoelektrizität

Übt man auf definierte Flächen eines bestimmten Kristalls mechanischen Druck aus, so tritt ein elektrisches Potential auf. 1880 entdeckte Pierre Curie zusammen mit sein Bruder Jacques dieses Phänomen bei Quarz und Rochellesalz und nannten es piezoelektrischen Effekt (griechisch: piezein = drücken). Piezoelektrische Effekte beobachtet man bei verschiedenen kristallinen Substanzen. Die Tabelle zeigt eine Aufstellung der technisch verwendeten piezoelektrischen Werkstoffe.

Material	Piezoelektrischer Koeffizient
Bleititanzirkonat-Keramik	1,9-23,3
Bariumtitanat	4,3-17,5
Lithiumniobat	0,2-3,7
Zinkoxid	0,5-0,6
Polyvinylfluorid	0,2-0,85
Kristalliner Quarz	0,04-0,17

Der piezoelektrische Effekt wird durch die Verschiebung von Ionen in Kristallen mit nichtsymmetrischen Einheitszellen verursacht. Beim Zusammenpressen (a.) verschieben sich, wie unten dargestellt, die Ionen (b.) in jeder Einheitszelle und verursachen damit eine Verschiebung der Ladungsschwerpunkte von negativer und positiver Ladung relativ zueinander (c.). Dies führt zu einer elektrischen Polarisation. Aufgrund der regelmäßigen kristallinen Struktur verstärken sich diese Effekte und erzeugen so eine elektrische Potentialdifferenz zwischen einzelnen Flächen des Kristalls (d.).

Piezoelektrischer Effekt

Wird im umgekehrten Fall ein elektrisches Feld an bestimmte Kristallflächen angelegt, kommt es zu einer Kristallverformung. Beim Anlegen eines externen elektrischen Feldes an den Kristall werden die Ionen in jeder Einheitszelle durch die elektrostatischen Kräfte so verschoben, daß sich der gesamte Kristall verformt. Das Anlegen einer Wechselspannung, deren Frequenz der Resonanzfrequenz des anzuregenden Schwingquarzes entspricht, führt zu einer Schwingung des Quarzkristalls.

Der in der Tabelle aufgeführte piezoelektrische Koeffizient ergibt sich aus dem Verhältnis von mechanischer Energie zu elektrischer Energie, die beide durch den piezoelektrischen Effekt miteinander korreliert sind. Materialien mit großen piezoelektrischen Koeffizienten eignen sich hervorragend zur Herstellung elektronischer Bauteile. Für hochstabile Resonatoren wird wegen der großen thermischen Stabilität hingegen bevorzugt Quarz ( AT- und BT-Schnitt ) verwendet, auch wenn dessen piezoelektrischer Koeffizient gering ist. Daneben findet häufig Lithiumniobat und Zinkoxid Verwendung in der Resonatortechnik.

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