Der piezoelektrische Effekt Übt man auf einen Quarzkristall (SiO2) eine Kraft in einer ganz bestimmten Richtung aus, so führt die entstehende Deformation zur Ausbildung örtlicher elektrischer Dipole. Da sie alle die gleiche Orientierung haben, wird der ganze Kristall zum Dipol. Er erzeugt daher ein elektrisches Feld. Man nennt diese Erscheinung den piezoelektrischen Effekt. Diesen Effekt zeigen auch viele andere Kristalle, Quarz ist das bekannteste Beispiel. Bei einem kräftigen Schlag kann die elektrische Spannung zwischen den Enden des Kristalls so groß werden, dass damit ein elektrischer Funkenüberschlag in Luft hervorgerufen werden kann. Darauf beruhen die piezoelektrische Zündung von Gas-Durchlauferhitzern und das Piezofeuerzeug. Die Umkehrung des piezoelektrischen Effektes hat eine noch größere praktische Bedeutung: Beim Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein Quarzkristall je nach Polarität dieser Spannung gedehnt oder gestaucht. Bei Verwendung von Gleichspannung lassen sich damit Mikroelektroden auf atomare Distanzen genau positionieren: Im Rastertunnelmikroskop werden auf diese Weise Oberflächen so präzise abgetastet, dass man einzelne Atome auflösen kann. Legt man eine Wechselspannung an den Quarzkristall, so wird er zu mechanischen Schwingungen angeregt. Dabei wirkt er dank des piezoelektrischen Effektes selbst als Wechselspannungsquelle und steuert so seinen eigenen elektrischen Antrieb. Durch geeignete Formgebung lässt sich die Schwingungsfrequenz in weiten Grenzen variieren. Mit Hilfe dieser elektromechanischen Frequenzstabilisatoren lassen sich elektrische Uhren (Quarzuhren) mit hoher Ganggenauigkeit herstellen (Fehler nur wenige Sekunden im Monat), Sendekanäle in Funkgeräten einstellen, Computer im Takt steuern und Ultraschallquellen für Materialprüfung, Reinigung oder medizinische Diagnose herstellen. 113.1 Mittels Satelliten der NASA wurde die mittlere Häufigkeit von Blitzen pro km2 und Jahr gemessen. Überlege, warum Gewitter in Zentralafrika besonders häufig sind. Überprüfe deine Vermutung mit Informationen aus dem Geografie-Atlas und Internetquellen. 113.2 Piezoelektrizität: a) Ohne äußeren Druck sind die Ladungen im Kristall gleichmäßig verteilt. Der Kristall erscheint ungeladen. b) Bei Druck auf den Kristall werden die Silicium- und die Sauerstoffatome relativ zu einander verschoben. Dadurch häufen sich auf einer Kristallseite negative Ladungen, auf der anderen Seite positive. ohne Druck mit Druck Si-Atom O-Atom 113.3 Bergkristall ist reiner Quarz 113.4 Vereinfachte Darstellung des piezoelektrischen Effekts und seiner Umkehrung V Piezoelektrischer Kristall Druck elektrische Spannung Wechselspanung Kristall schwingt a) b) Piezoelektrischer Kristall 113 Felder 4 Elektrisches Feld Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy MTA2NTcyMQ==