Piezopedia - Piezoelektrischer Effekt

Was der piezoelektrische Effekt ist und wie er funktioniert

1. Piezoelektischer Effekt und inverser piezoelektrischer Effekt

Wird piezoelektrisches Material mechanisch belastet, so verformen sich dessen Elementarzellen. Die daraus resultierende Trennung der positiven und negativen Ladungen führt zu einer Aufladung der Außenfläche. Wenn Elektroden mit gegensätzlichen Oberflächen verbunden sind, erzeugen die Ladungen eine Spannung U. Das wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet.

(1.1)

d – piezoelektrische Ladungskonstante (richtungsabhängig)
C – Kapazität

Durch das Erzeugen von Kräften F auf das piezoelektrische Material wird das Volumen (Bulk) des Materials annähernd konstant. Das Volumen des Köpers kann dabei mit guter Näherung als konstant betrachtet werden.

Die Piezoelektrizität wurde 1880 von den Gebrüdern Curie an Turmalinkristallen entdeckt.

Moderne Anwendungsbeispiele für den Piezoeffekt finden sich z. B. in der Sensorik als Kraft-Beschleunigungs-, Wegaufnehmer, Tonabnehmer, Mikrofonen oder auch in Feuerzeugen und Gasanzündern. Ein inverser piezoelektrischer Effekt liegt vor, wenn ein piezoelektrisches Material eine Verformung erfährt, wenn eine äußere Spannung angelegt wird und eine Bewegung verursacht. Dieser Effekt wurde von Lippmann durch thermodynamische Betrachtungen vorausgesagt und von den Gebrüdern Curie experimentell bestätigt. Die ersten technischen Anwendungen dieses Effektes waren Ultraschallgeräte für die Nachrichtenübertragung im Wasser (Sonartechnik). Für die Aktorik erlangte der inverse piezoelektrische Effekt erst mit der Entwicklung spezieller Piezokeramiken an Bedeutung. In der Aktorik werden vorwiegend Sinterkeramiken (PZT – Blei Zirkonat Titanat für Piezoaktoren oder PMN – Blei Magnesium Niobat für Elektrostriktoren) verwendet.

Im Zusammenhang mit der Aktorik wird oft vom piezoelektrischen Effekt gesprochen – genaugenommen ist dieses auf den inversen piezoelektrischen Effekt bezogen.


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