piezoelektrisch

Piezoelektrizität ist ein elektromechanischer Effekt, bei dem bestimmte Kristalle oder keramische Materialien mechanische Spannungen in elektrische Ladung umwandeln (direkter piezoelektrischer Effekt) und umgekehrt elektrische Spannungen mechanische Verformungen erzeugen (konverser Effekt). Die Effekte treten nur in nicht-zentrumssymmetrischen Kristallen auf; bekannteste natürliche Piezoelektrika sind Quarz, Turmalin und Topas, während synthetische Keramiken wie Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) dominieren.

Die Entdeckung geht auf das Jahr 1880 zurück, als die Curie-Brüder den Effekt erstmals beschrieben. Der Begriff Piezoelektrizität leitet sich von griechisch piezein („drücken“) und elektrisch ab. In der Technik werden häufig zwei Betriebsarten unterschieden: der direkte Effekt (Druck oder Dehnung erzeugt eine elektrische Spannung) und der konverse Effekt (angewendete Spannung bewirkt Verformung).

Wichtige Eigenschaften sind anisotrope Kopplung, piezoelektrische Koeffizienten, Dielektrizitätskonstante und die Curie-Temperatur. Materialien werden in Sensoren, Aktuatoren und Resonatoren eingesetzt; gebräuchliche Anwendungen umfassen Druck- und Vibrationssensoren, Ultraschallsonden, Piezozündungen sowie Piezo-Buzzer und hochpräzise Stellglieder.

Vorteile sind schnelle Reaktionszeiten, hohe Steuerauflösung und Funktionsfähigkeit bei hohen Frequenzen. Nachteile umfassen spröde Keramiken, Depolarisation bei hohen Temperaturen, Alterungseffekte und Umweltaspekte wegen Bleihaltigkeit in vielen PZT-Verbindungen; daher werden bleifreie Alternativen erforscht.

Siehe auch: Ferroelectricity, Piezoelement, Quartz oscillator.