Knochen, Holz und Quarz sind piezoelektrische Materialien. Aber was ist Piezoelektrizität und wie funktioniert sie? Hier erklären wir, woher diese bemerkenswerte Eigenschaft kommt.
Kopplung zwischen elektrischen und mechanischen Eigenschaften
Piezoelektrizität ist ein Phänomen, das bedeutet, dass es eine Kopplung zwischen dem elektrischen und dem mechanischen Zustand des Materials gibt. Wenn ein Stück piezoelektrischen Materials mechanisch verformt wird, z. B. komprimiert, fließt ein Strom und lädt seine Flächen auf., und umgekehrt wird es verformt, wenn es auf ein elektrisches Feld ausgeübt wird.
Das Phänomen wurde 1880 von Paul-Jacques Curie und seinem jüngeren Bruder Pierre, dem Ehemann der bekannten Marie Curie, entdeckt. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Materialien gibt es viele weitere Materialien, die piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, wie Saccharose, Seide, Rochellensalz, PVDF und viele Keramiken. Aber warum zeigen nicht alle Materialien diese Eigenschaft? Der Grund dafür ist, dass ein für Piezoelektrizität erscheinen, das Material muss kristallin sein, aber kein Symmetriezentrum haben. Warum, werden wir bald sehen.,
Der piezoelektrische Effekt entsteht durch die Umlagerung von Nettoladungen
Die Manifestation des druckinduzierten Stroms hat seinen Ursprung in der Umlagerung von Ladungen innerhalb des Materials. Im Gleichgewichtszustand, wenn das Material entladen wird, ist die Anordnung der Ladungen innerhalb des Materialgitters so, dass die Einheitszelle entladen ist, Fig 1 A. Wenn das Material jedoch mechanisch verformt wird, kommt es zu einer Ladungsumverteilung innerhalb der Einheitszelle., Diese Umverteilung induziert Nettoladungen auf den Flächen der Einheitszelle und führt zu einem Nettodipolmoment, Fig 1B und 1C.
Figure 1. Eine schematische Darstellung, wie Piezoelektrizität funktioniert. A) im Gleichgewicht sind die Ladungen der Einheitszelle so verteilt, dass kein Nettodipolmoment vorliegt. B) Beim Komprimieren entsteht ein Nettodipolmoment in vertikaler Richtung. C) beim Strecken entsteht ein Netzdipolmoment in horizontaler Richtung.,
Die Summe des Nettoladungsbeitrags aller Einheitszellen ist eine elektrische Polarisation des Materialstücks. Dies bedeutet, dass die angelegte mechanische Kraft eine Spannung über das Material induziert hat. Für die Polarisation darf jedoch kein Symmetriezentrum vorhanden sein, Fig 2. Wie bereits erwähnt, wird diese Anforderung nur von einigen Materialien erfüllt.
Abbildung 2. Eine schematische Darstellung der Ladungsverteilung in der Einheitszelle eines Materials mit einem Symmetriezentrum., Sowohl im Gleichgewichtszustand (A) als auch bei mechanischer Verformung (B, C) ist die Ladungsverteilung so, dass niemals ein Nettodipolmoment entsteht.
Das entgegengesetzte Phänomen, d. H. Wenn das Material seine Form ändert, wenn eine Spannung über seine Flächen angelegt wird, wird als converse piezoelektrischer Effekt bezeichnet, der erst ein Jahr später, 1881, entdeckt wurde.
Piezoelektrizität ist weit verbreitet, und neue anwendungen warten um die ecke
Da die piezoelektrische wirkung wurde entdeckt mehr als ein jahrhundert vor, es hat sich in verschiedenen anwendungen und ist jetzt weit verbreitet., Bereiche umfassen Frequenzregelung, beispielsweise Uhren, Lautsprecher zur Klangerzeugung und Mikrobalanzen, wie QCM und QCM-D, zur Überwachung von Massenänderungen. Aber es hört hier nicht auf. Jetzt ist Piezoelektrizität ein wichtiger Beitrag zur zukünftigen nachhaltigen Energieversorgung. Licht, Wind und Wärme sind seit langem offensichtliche Quellen, und dank des piezoelektrischen Effekts wurden jetzt Vibrationen in die Liste aufgenommen. Eine Möglichkeit, Schwingungsquellen für die Stromerzeugung zu nutzen, besteht beispielsweise darin, menschliche kinetische Energie über Straßen-oder Pflastersteine zu gewinnen. das heißt, die Energie der Schritte in Elektrizität umzuwandeln., Auf diese Weise erzeugte Energie könnte beispielsweise für den Betrieb von Straßenlaternen oder anderen Niederspannungsgeräten in Städten verwendet werden.
Abschließende Bemerkungen
Piezoelektrizität ist eine Eigenschaft bestimmter Materialien, die bei mechanischer Beanspruchung einen elektrischen Strom induziert. Es wird beispielsweise in Frequenzsteuerungs-und Stromerzeugungsanwendungen verwendet.
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