Sensors and Actuators - Fachbereich Physik der Universität ...

Piezoelektrischer Effekt in lonenkristallen mit und ohne Symmetriezentrum: a) Aufbau eines Kristalls mit
Symmetriezentrum; b) lonenkristall mit Symmetriezentrum mit und ohne elastische Verformung aufgrund einer
Kraft F; c) lonenkristall ohne Symmetriezentrum mit und ohne elastische Verformung aufgrund einer Kraft F
Die Effekte beruhen auf einer elektrischen Polarisation des Kristalls in einer
Vorzugsrichtung unter dem Einfluss einer mechanischen (elastischen) Deformation (direkter
Piezo-Effekt, Brüder Curie 1880). Der Effekt lässt sich umkehren: Beim Anlegen einer
elektrischen Spannung ändert der Kristall seine Form (inverser PiezoEffekt, Lippmann
1881). Der Effekt wurde an einer ganzen Reihe von Kristallen entdeckt (Seignette-Salz,
Kieselzinkerz, Quarz, Zinkblende, Weinsäure, Natriumchlorat, Turmalin, Rohrzucker). Heute
sind folgende Substanzen für die technische Anwendung von großer Bedeutung:
GaAs, ZnO, CdS, LiNbO3, LiTaO3, Quarz. (Auch Nicht-Ferroelektrika wie Quarz können
piezoelektrisch sein.) Man unterscheidet einen Längs-, Quer- und Scher-Effekt, je nachdem
in welcher Richtung die Kraftkomponente und die Richtung der Polarisation des Materials
liegen. Dies gilt für den Piezo-Effekt und seine Umkehrung. Der Piezo-Effekt hat vielfältige
Anwendungen gefunden. Neben den klassischen Materialien ist heute ferroelektrische
Keramik (BleizirkonatTitanat) von größter technischer Bedeutung. Der piezoelektrische
Effekt ist eng mit dem pyroelektrischen Effekt und der Elektrostriktion verwandt.
Piezoelektrischer Effekt am Beispiel des rechtsdrehenden Quarzes, Zustand vor Krafteinwirkung gestrichelt,
nach Krafteinwirkung durchgezogen gezeichnet: a) direkter piezoelektrischer Effekt; b) reziproker
piezoelektrischer Effekt
156