Der piezoelektrische Effekt und seine Anwendung in der Technik

Im Jahr 1880 entdeckten die Brüder Jacques und Pierre Curie, dass beim Zusammendrücken oder Strecken bestimmter natürlicher Kristalle elektrische Ladungen an den Rändern der Kristalle entstanden. Die Brüder nannten dieses Phänomen „Piezoelektrizität“ (das griechische Wort „piezo“ bedeutet „drücken“), und sie selbst nannten solche Kristalle piezoelektrische Kristalle.

Wie sich herausstellte, haben Turmalinkristalle, Quarz und andere natürliche Kristalle sowie viele künstlich gezüchtete Kristalle einen piezoelektrischen Effekt. Solche Kristalle werden regelmäßig in die Liste der bereits bekannten piezoelektrischen Kristalle aufgenommen.

Wenn ein solcher piezoelektrischer Kristall in die gewünschte Richtung gedehnt oder gestaucht wird, erscheinen auf einigen seiner Oberflächen entgegengesetzte elektrische Ladungen mit einer kleinen Potentialdifferenz.

Wenn wir auf diesen Flächen miteinander verbundene Elektroden platzieren, entsteht im Moment der Kompression oder Dehnung des Kristalls ein kurzer elektrischer Impuls in dem von den Elektroden gebildeten Stromkreis.Dies wird die Manifestation des piezoelektrischen Effekts sein... Bei konstantem Druck tritt ein solcher Impuls nicht auf.

Die inhärenten Eigenschaften dieser Kristalle ermöglichen die Herstellung präziser und empfindlicher Instrumente.

Der piezoelektrische Kristall ist hochelastisch. Wenn die Kraft verformt wird, kehrt der Kristall ohne Trägheit in sein ursprüngliches Volumen und seine ursprüngliche Form zurück. Es lohnt sich, sich noch einmal anzustrengen oder bereits Angewandtes zu ändern, und es wird sofort mit einem neuen Stromimpuls reagieren. Es ist der beste Rekorder zum Erreichen sehr schwacher mechanischer Vibrationen. Der Strom im Stromkreis des vibrierenden Kristalls ist gering und dies war ein Stolperstein bei der Entdeckung des piezoelektrischen Effekts durch die Curie-Brüder.

In der modernen Technik stellt dies kein Hindernis dar, da der Strom millionenfach verstärkt werden kann. Mittlerweile ist bekannt, dass bestimmte Kristalle einen sehr deutlichen piezoelektrischen Effekt haben. Und der daraus gewonnene Strom kann auch ohne vorherige Verstärkung über Leitungen über große Entfernungen übertragen werden.

Piezoelektrische Kristalle werden bei der Ultraschall-Fehlererkennung eingesetzt, um Fehler in Metallprodukten zu erkennen. In elektromechanischen Wandlern zur Hochfrequenzstabilisierung, in Filtern der Mehrkanal-Telefonkommunikation, wenn mehrere Gespräche gleichzeitig auf einer Leitung geführt werden, in Druck- und Verstärkungssensoren, in Adaptern, bei Ultraschalllöten — In vielen technischen Bereichen haben piezoelektrische Kristalle ihre unerschütterliche Stellung eingenommen.

Eine wichtige Eigenschaft piezoelektrischer Kristalle war auch ein umgekehrter piezoelektrischer Effekt... Werden auf bestimmte Oberflächen des Kristalls Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen aufgebracht, so werden in diesem Fall die Kristalle selbst verformt.Wenn ein Kristall mit elektrischen Schwingungen einer Audiofrequenz beaufschlagt wird, beginnt er mit der gleichen Frequenz zu schwingen und es werden Schallwellen in der umgebenden Luft angeregt. Derselbe Kristall kann also sowohl als Mikrofon als auch als Lautsprecher fungieren.

Eine weitere Eigenschaft piezoelektrischer Kristalle macht sie zu einem integralen Bestandteil der modernen Funktechnik. Da der Kristall die Eigenfrequenz mechanischer Schwingungen besitzt, beginnt er in dem Moment besonders stark zu schwingen, in dem die Frequenz der angelegten Wechselspannung mit dieser übereinstimmt.

Dies ist eine Manifestation der elektromechanischen Resonanz, auf deren Grundlage piezoelektrische Stabilisatoren erzeugt werden, wodurch in Generatoren kontinuierlicher Schwingungen eine konstante Frequenz aufrechterhalten wird.

Sie reagieren in ähnlicher Weise auf mechanische Schwingungen, deren Frequenz der Eigenschwingungsfrequenz des piezoelektrischen Kristalls entspricht. Auf diese Weise können Sie akustische Geräte erstellen, die aus allen sie erreichenden Klängen nur diejenigen auswählen, die für den einen oder anderen Zweck benötigt werden.

Ganze Kristalle werden nicht für piezoelektrische Geräte verwendet. Kristalle werden in Schichten geschnitten, die streng in Bezug auf ihre kristallographischen Achsen ausgerichtet sind. Aus diesen Schichten werden rechteckige oder kreisförmige Platten geformt, die dann auf eine bestimmte Größe poliert werden. Die Dicke der Platten wird sorgfältig eingehalten, da die Resonanzfrequenz der Schwingungen davon abhängt. Eine oder mehrere Platten, die durch Metallschichten auf zwei breiten Flächen verbunden sind, werden als piezoelektrische Elemente bezeichnet.