
Piezoelektrizität
Der Effekt der Piezoelektrizität (auch piezoelektrischer Effekt oder kurz: Piezoeffekt, veraltet: Piëzo-) beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck (griech. πιέζειν – pressen, drücken) und elektrischer Spannung in Festkörpern. Er basiert auf dem Phänomen, dass bei der Verformung bestimmter Materialien auf der Oberfläche elektrische Ladungen auftreten (direkter Piezoeffekt). Umgekehrt verformen sich diese (zumeist Kristalle) bei Anlegen einer elektrischen Spannung (inverser Piezoeffekt, siehe dazu auch Elektrostriktion). Der Piezoeffekt ist damit in der Physik das Bindeglied zwischen der Elektrostatik und der Mechanik.
Der piezoelektrische Effekt ist allerdings bei allen bekannten Materialien relativ klein: Die Verformung beim Anlegen einer Spannung kann kaum ein Promille der Körperabmessung überschreiten.
Inhaltsverzeichnis
Piezoelektrische Materialien
Grundlagen
Der Piezoeffekt kann nur in nichtleitenden Materialien auftreten. Weiterhin sind alle nichtleitenden ferroelektrischen Materialien bzw. Materialien mit permanentem elektrischen Dipol auch piezoelektrisch, beispielsweise Bariumtitanat und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Jedoch verhält sich nur ein Teil der Piezoelektrika ferroelektrisch.
Bei Kristallen ist die Kristallsymmetrie ein weiteres Kriterium für das Auftreten der Piezoelektrizität. Die piezoelektrische Polarisation tritt nicht auf, wenn der Kristall ein Inversionszentrum besitzt. Bei allen 21 nicht-zentrosymmetrischen Punktgruppen kann Piezoelektrizität auftreten, mit Ausnahme der kubischen Punktgruppe 432. Anders gesagt darf eine Elementarzelle kein Symmetriezentrum (= ein Punkt, an dem eine Punktspiegelung den Kristall in sich selbst überführt) besitzen.
Das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften ist Quarz (SiO2). Quarzkristalle besitzen die nicht-zentrosymmetrische Punktgruppe 32. Jedes Si-Atom sitzt in der Mitte eines Tetraeders aus vier Sauerstoffatomen. Eine in Richtung Grundfläche-Spitze (Kristallografische Richtung: [111]) wirkende Kraft verformt nun diese Tetraeder derart, dass die zusammengedrückten Tetraeder elektrisch polarisiert sind und auf den Oberflächen des Kristalls (in [111]-Richtung) eine Nettospannung auftritt.
Technisch genutzte Materialien, die einen stärkeren Piezo-Effekt als Quarz zeigen, leiten sich oft von der Perowskit-Struktur ab, z. B.: Bariumtitanat (BaTiO3). Die kubische Perowskit-Modifikation selbst besitzt die zentrosymmetrische Punktgruppe m3m und ist somit nicht-piezoelektrisch, das Material kann aber unterhalb einer kritischen Temperatur – die piezoelektrische Curie-Temperatur TC – in eine nicht-zentrosymmetrische Perowskit-Struktur übergehen (rhomboedrisch/tetragonal, siehe Blei-Zirkonat-Titanat). Es zeigt dann eine spontane Polarisation und ist ferroelektrisch.
weiterlesen: http://www.chemie.de/lexikon/Piezoelektrizit%C3%A4t.html
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Der Piezoeffekt am Beispiel des Quarzkristalls
Als direkten piezoelektrischen Effekt bezeichnet man die Eigenschaft piezoelektrischer Kristalle oder Keramiken, bei mechanischer Deformation elektrische Ladung auf ihrer Oberfläche abzuscheiden. Umgekehrt verformen sich derartige Kristalle beim Anlegen eines elektrischen Feldes, was als inverser oder reziproker Piezoeffekt bezeichnet wird.
Wie in Abbildung 16 ersichtlich ist, kann man bei Quarzkristallen drei polare Achsen, die hier mit X1, X2 und X3 bezeichnet sind, feststellen. Außerdem sind 4 nichtpolare Achsen Y1, Y2, Y3 und Z vorhanden. Die Y-Achsen sind jeweils senkrecht zu einer X-Achse und heißen neutrale Achsen. Die Z-Achse, die senkrecht zu allen X-Achsen ist, wird optische Achse genannt.
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Abb. 16: Quarzkristall und vereinfachte Strukturzelle des Quarzes
Die chemische Formel von Quarz ist SiO2, in Abbildung 16 werden zwei benachbarte Sauerstoffionen durch einen blauen Kreis und ein Siliziumion durch einen roten Kreis dargestellt. Da jedem Si-Ion vier positive und jedem O-Ion zwei negative Einheitsladungen zugeordnet werden und der negative mit dem positiven Ladungsschwerpunkt zusammen fällt, ist die Zelle nach außen elektrisch neutral. Der direkte Piezoeffekt lässt sich in vier Klassen, die sich je nach Richtung des Drucks unterscheiden, unterteilen. Bei Druck in Richtung irgendeiner X-Achse spricht man vom longitudinalen Piezoeffekt und bei Druck in Y-Richtung vom transversalen Piezoeffekt. Bei einer Belastung in Richtung Z tritt kein Effekt auf! Entsprechend kann man auch den reziproken Piezoeffekt in 2 Kategorien unterteilen.
weiterlesen: https://www.piezoeffekt.de/1theory.php



















































