Piezoelektrischer Effekt

Der Piezoeffekt beschreibt im Wesentlichen die Veränderung der elektrischen Polarisation eines Stoffes, wenn er verformt wird. Dieser direkte Effekt wurde 1880 von den Curie-Brüdern Jacques und Pierre entdeckt. Außerdem gibt es den umgekehrten Fall, dass sich bei Anlegen einer Spannung der Stoff verformt; dies nennt man inverser Piezoelektrischer Effekt.

Bekannte Beispiele

• Feuerzeug:

Durch die elektrische Energie, die beim Drücken des Auslösers entsteht, wird mit einem Funken das ausströmende Gas angezündet.

• Knochenaufbau: Wird auf die Knochen von Säugetieren Kraft ausgeübt, werden durch den piezoelektrische Effekt Ladungen freigesetzt, die nach einer chemischen Ablaufkette dazu führen, dass neue Knochenpartikel an der Stelle angesetzt werden und der Knochen stärker wird. (Deshalb kann ein Shaolin-Mönch mit seinem Kopf Steine zerschlagen.)

Um den Effekt beobachten zu kennen, benötigt man piezoelektrische Materialien. Dies sind im Allgemeinen nichtleitendende Stoffe. Außerdem tritt in Kristallen auf Grund ihrer Struktur auch oft Piezoelektrizität auf. Besonders typisch ist hier der Quarz (SiO₂). Meistens werden jedoch Keramiken verwendet, die industriell aus synthetischen, anorganen, ferroelektrischen und polykristallinen Stoffen gefertigt werden.

Bei der Verformung eines piezoelektrischen Stoffes, verschieben sich die Ladungen. Ganz einfach gesprochen: Es nähern sich postive und negative Ladungsträger aneinander an. In Leitern würden sich in diesem Falle die Elektronen entsprechend bewegen. Da es sich hier um nicht-leitende Materialien handelt, bleiben die Ladungen wo sie sind, d.h. zwischen ihnen entsteht eine (geringe) Spannung. Diese Spannung kann dann gemessen werden und es kann auf die Kraft, die die Verformung verursacht, rückgeschlossen werden.

Hier eine Grafik

Die resultierende Spannung wird dann über mehrere Eineiten weiterverarbeitet und z.B. in eine Regelstrecke integriert.

Zur Veranschaulichung dient dieses Video:

Hier wird die entstehende Spannung direkt an eine Leuchtdiode weitergeleitet

Um aus der Spannung eine Kraft abzuleiten, sind die Angaben des Sensor-Herstellers von Bedeutung. Liegt der Messbereich bei z.B. 0 bis 1 Newton und die der Spannung bei z.B. 0 bis 10 mV, können wir durch Referenzen die Kraft über die Spannungsmessung ableiten. Werden z.B. 5 mV gemessen, wurde mit einer Kraft von 0,5 Newton auf den Sensor eingewirkt.