Elevate your design and manufacturing processes with Autodesk Fusion

Get a 30-Day Free Trial See Plans and Pricing

This post is also available in: Français (Französisch) Italiano (Italienisch) English (Englisch)

Erfahren Sie, wie Piezoelektrizität durch Anwendung einer mechanischen Spannung auf ein piezoelektrisches Material eine elektrische Ladung erzeugt.

Piezo was? Piezoelektrizität klingt kompliziert, ist aber einfach zu verstehen. Das Wort „piezoelektrisch“ stammt aus dem griechischen Wort „piezein“, was wörtlich „pressen“ oder „drücken“ bedeutet. Anstatt Trauben zu pressen, um Wein zu machen, pressen wir Kristalle, um elektrischen Strom zu erzeugen! Piezoelektrizität kommt in vielen elektronischen Geräten des täglichen Gebrauchs vor, von Quarzuhren bis hin zu Lautsprechern und Mikrofonen.

Kurz gesagt: Piezoelektrizität ist der Prozess, bei dem mechanische Energie mithilfe von Kristallen in elektrische Energie umgewandelt wird oder umgekehrt.

Normale Kristalle werden durch ihre organisierte und sich wiederholende Struktur von Atomen definiert, die durch Bindungen, so genannte Elementarzellen, zusammengehalten werden. Die meisten Kristalle, wie z. B. Eisen, haben eine symmetrische Elementarzelle. Dadurch sind sie für piezoelektrische Zwecke nutzlos.

Es gibt andere Kristalle, die als piezoelektrische Materialien zusammengefügt werden. Die Struktur dieser Kristalle ist nicht symmetrisch, aber sie existieren dennoch in einem elektrisch neutralen Gleichgewicht. Wenn Sie jedoch mechanischen Druck auf einen piezoelektrischen Kristall anwenden, verformt sich die Struktur, die Atome liegen nicht mehr symmetrisch um das Zentrum, und es ergibt sich ein Kristall, der elektrischen Strom leitet. Wenn Sie auf denselben piezoelektrischen Kristall elektrischen Strom anwenden, dehnt sich der Kristall aus und zieht sich zusammen. Dabei wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt.

Arten von piezoelektrischen Materialien

Es gibt eine Vielzahl künstlicher und natürlicher piezoelektrischer Materialien, die elektrischen Strom leiten können. Das bekannteste und erste piezoelektrische Material, das in elektronischen Geräten eingesetzt wurde, ist der Quarzkristall. Andere natürliche piezoelektrische Materialien sind Rohrzucker, Rochelle-Salz, Topas, Turmalin und sogar Knochen.

Die Anfänge der piezoelektrischen Technologie gehen auf die Zeit nach dem Ersten Weltkrieg zurück. Damals begann die Entwicklung künstlicher Materialien, die dem Quarz leistungsmäßig Konkurrenz machten. Beispiele für künstliche piezoelektrische Materialien:

• PZT wird aus Blei-Zirkonat-Titanat hergestellt und kann bei gleichem mechanischen Druck mehr Spannung erzeugen als Quarz.
• Bariumtitanat ist ein piezoelektrisches Keramikmaterial, das während des Zweiten Weltkriegs entdeckt wurde und für seine lange Lebensdauer bekannt ist.
• Lithiumniobat ist ein Material, das Sauerstoff, Lithium und Niob zu einem Keramikmaterial mit ähnlichen Eigenschaften wie Bariumtitanat verbindet.

Funktionsweise der Piezoelektrizität

Es gibt spezielle Materialien für piezoelektrische Anwendungen, aber wie genau funktioniert das Verfahren? Mit dem piezoelektrischen Effekt. Das einzigartige Merkmal dieses Effekts ist, dass er auf zwei Arten funktioniert. Sie können mechanische oder elektrische Energie auf dasselbe piezoelektrische Material anwenden und das gegenteilige Ergebnis erzielen.

Die Anwendung mechanischer Energie auf einen Kristall ist ein direkter piezoelektrischer Effekt und funktioniert wie folgt:

1. Ein piezoelektrischer Kristall wird zwischen zwei Metallplatten platziert. An diesem Punkt ist das Material vollkommen ausgeglichen und leitet keinen elektrischen Strom.
2. Dann wird durch die Metallplatten mechanischer Druck auf das Material angewendet. Dadurch geraten die elektrischen Ladungen im Kristall aus dem Gleichgewicht. Auf den gegenüberliegenden Seiten der Kristallfläche treten übermäßige negative und positive Ladungen auf.
3. Die Metallplatte nimmt diese Ladungen auf. Diese können verwendet werden, um eine Spannung zu erzeugen und einen elektrischen Strom durch einen Schaltkreis zu senden.

Das ist alles: eine einfache Anwendung von mechanischem Druck, das Pressen eines Kristalls, und schon entsteht ein elektrischer Strom. Sie können auch das Gegenteil tun und ein elektrisches Signal auf ein Material anwenden, um einen inversen piezoelektrischen Effekt zu erzeugen.Das funktioniert folgendermaßen:

1. Die Ausgangssituation ist dieselbe wie bei dem obigen Beispiel: ein piezoelektrischer Kristall zwischen zwei Metallplatten. Die Struktur des Kristalls ist perfekt ausgeglichen.
2. Dann wird dem Kristall elektrische Energie zugeführt. Die Struktur des Kristalls zieht sich zusammen und dehnt sich aus.
3. Wenn sich die Struktur des Kristalls ausdehnt und zusammenzieht, wandelt sie die empfangene elektrische Energie um und gibt mechanische Energie in Form einer Schallwelle ab.

Der inverse piezoelektrische Effekt wird in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Ein Lautsprecher wendet beispielsweise eine Spannung auf eine piezoelektrische Keramik an, wodurch das Material die Luft in Form von Schallwellen in Schwingung versetzt.

Die Entdeckung der Piezoelektrizität

Die Piezoelektrizität wurde 1880 von zwei französischen Wissenschaftlern, den Brüdern Jacques und Pierre Curie, entdeckt. Bei der Untersuchung verschiedener Kristalle entdeckten sie, dass durch die Anwendung von mechanischem Druck auf bestimmte Kristalle wie Quarz eine elektrische Ladung freigesetzt wurde. Das bezeichneten sie als piezoelektrischen Effekt.

In den folgenden 30 Jahren wurde die Piezoelektrizität hauptsächlich in Laborversuchen angewandt und weiter verfeinert. Im Ersten Weltkrieg wurde die Piezoelektrizität für praktische Anwendungen im Echolot eingesetzt. Ein Echolot verbindet eine Spannung mit einem piezoelektrischen Sender. Dies ist der inverse piezoelektrische Effekt in Aktion, der elektrische Energie in mechanische Schallwellen umwandelt.

Die Schallwellen breiten sich durch das Wasser aus, bis sie auf einen Gegenstand treffen. Dann werden sie an einen Quellempfänger zurückgesendet. Dieser Empfänger wandelt Schallwellen mit dem direkten piezoelektrischen Effekt in elektrische Spannung um. Diese kann dann von einem Signalverarbeitungsgerät verarbeitet werden. Anhand der Zeit zwischen dem Aussenden und der Rückkehr des Signals lässt sich die Entfernung zu einem Gegenstand unter Wasser problemlos berechnen.

Das Echolot war ein Erfolg. Damit wurde die Piezoelektrizität für die Rüstungsindustrie interessant. Im Zweiten Weltkrieg wurde die Technologie weiterentwickelt, als Forscher aus den USA, Russland und Japan an der Herstellung neuer künstlicher piezoelektrischer Materialien arbeiteten: den Ferroelektrika. Aus diesen Forschungen gingen zwei künstliche Materialien hervor, die neben natürlichem Quarzkristall verwendet wurden: Bariumtitanat und Blei-Zirkonat-Titanat.

Piezoelektrizität heute

In der heutigen Elektronik wird Piezoelektrizität überall eingesetzt. Wenn Sie Google nach einer Route zu einem neuen Restaurant fragen, wird im Mikrofon Piezoelektrizität verwendet. Es gibt sogar eine U-Bahn in Tokio, die piezoelektrische Strukturen im Boden mithilfe der Leistung von menschlichen Tritten antreibt. Darüber hinaus wird Piezoelektrizität in den folgenden elektronischen Anwendungen eingesetzt:

Auslöseeinrichtungen

Auslöseeinrichtungen nutzen Piezoelektrizität, um Geräte wie Strick- und Braille-Maschinen, Videokameras und Smartphones mit Strom zu versorgen. In diesem System werden eine Metallplatte und eine Auslöseeinrichtung mit einem piezoelektrischen Material in der Mitte konstruiert. Anschließend wird Spannung auf das piezoelektrische Material angewendet. Das Material dehnt sich aus und zieht sich zusammen. Diese Bewegung bewirkt, dass sich die Auslöseeinrichtung ebenfalls bewegt.

Lautsprecher und Summer

Lautsprecher nutzen Piezoelektrizität, um Geräte wie Wecker und andere kleine mechanische Geräte, die eine hohe Audioqualität erfordern, mit Strom zu versorgen. Diese Systeme nutzen den inversen piezoelektrischen Effekt, indem sie ein Audiospannungssignal in mechanische Energie in Form von Schallwellen umwandeln.

Verstärker

Verstärker wandeln eine Niederspannungsbatterie in eine höhere Spannung um, die dann zum Steuern eines Piezogeräts verwendet werden kann. Am Anfang dieses Verstärkungsprozesses gibt ein Oszillator kleinere Sinuswellen aus. Diese Sinuswellen werden dann mit einem Piezoverstärker verstärkt.

Sensoren

Sensoren werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. in Mikrofonen, E-Gitarren und medizinischen Bildgebungsgeräten. Ein piezoelektrisches Mikrofon wird in diesen Geräten verwendet, um Druckschwankungen in Schallwellen zu erkennen, die dann zur Verarbeitung in elektrische Signale umgewandelt werden können.

Energieerzeugung

Eine der einfachsten Anwendungen für Piezoelektrizität ist der elektrische Zigarettenanzünder. Durch Betätigen des Druckknopfs des Zigarettenanzünders wird ein federbelasteter Hammer in einem piezoelektrischen Kristall ausgelöst. Dadurch wird elektrischer Strom erzeugt, der eine Funkenstrecke kreuzt und dadurch Wärme erzeugt. Dadurch entzündet sich Gas. Das gleiche piezoelektrische Energieerzeugungssystem wird in größeren Gasbrennern und verschiedenen Arten von Öfen verwendet.

Motoren

Piezoelektrische Kristalle eignen sich ideal für Anwendungen, die hohe Präzision erfordern, wie z. B. die Bewegung eines Motors. In diesen Geräten empfängt das piezoelektrische Material ein elektrisches Signal, das dann in mechanische Energie umgewandelt wird, um die Bewegung einer Keramikplatte zu erzwingen.

Piezoelektrizität und die Zukunft

Wie sieht die Zukunft für Piezoelektrizität aus? Es gibt unendlich viele Möglichkeiten. Erfinder liebäugeln mit der Idee, Piezoelektrizität zur Energiegewinnung einzusetzen. Stellen Sie sich piezoelektrische Geräte in Ihrem Smartphone vor, die durch die einfache Bewegung Ihres Körpers aktiviert werden können, um das Smartphone aufzuladen.

Eine weitere Dimension wäre die Einbettung eines piezoelektrischen Systems unter dem Fahrbahnbelag der Autobahn, das durch die Räder von fahrenden Autos aktiviert würde. Diese Energie könnte dann für Ampeln und andere Beleuchtungen in der Nähe verwendet werden. Wenn dazu noch lauter Elektroautos auf der Straße fahren würden, könnte die Energiebilanz positiv ausfallen.

Sie möchten eine Zukunft mit Piezoelektrizität gestalten? Probieren Sie gleich heute die Elektronikfunktionen in Fusion 360 aus.