Sie wissen es vielleicht nicht, aber die Chancen stehen gut, dass Sie in Ihrem Leben unzählige Male mit Piezoelektrizität zu tun hatten. Wann immer Sie drahtlose Kopfhörer verwenden oder etwas mit einem Tintenstrahldrucker drucken, ist es wahrscheinlich, dass Piezoelektrizität ein Treiber dieser Interaktion war, und viele modernere Geräte machen sich still und leise die Vorteile dieser wichtigen Technologie zunutze.
Einfach ausgedrückt ist Piezoelektrizität eine Methode zur Umwandlung mechanischer Kraft in elektrische Energie. Es ist in alles integriert, von moderner Elektronik bis hin zu medizinischen Geräten und industriellen Systemen. Ingenieure verwenden piezoelektrische Komponenten zur präzisen Erfassung, Betätigung, Klangerzeugung und Bewegungssteuerung in Geräten, die von Alltagsgeräten bis hin zu fortschrittlicher Robotik reichen.
Piezoelektrizität ist ein Schlüsselelement bei der fortgeschrittenen Miniaturisierung der Elektronik. Der Reiz dieser Technologie liegt vor allem darin, dass sie sich in kompakte Geräte integrieren lässt und präzise sowie energieeffizient ist. Es wird auch als potenzieller Weg zur Gewinnung von Energie aus der Umwelt untersucht, indem Vibrationen oder andere kleine Bewegungen erfasst und diese kinetische Energie in elektrische Ladung umgewandelt werden. Dazu gehören neue Apps wie das Aufladen Ihres Telefons jedes Mal, wenn Sie tippen oder auf den Bildschirm tippen.
Was ist Piezoelektrizität?
Unter Piezoelektrizität versteht man die Fähigkeit bestimmter Materialien, unter Einwirkung mechanischer Kraft Elektrizität zu erzeugen. Sie können auch umgekehrt funktionieren, wobei das Anlegen von elektrischem Strom an ein Material dieses physisch verformen kann.
Das Phänomen wurde erstmals 1880 von einem französischen Wissenschaftlerpaar namens Jacques und Pierre Curie (Pierre war Maries Ehemann) dokumentiert. Sie waren die ersten, die beobachteten, dass bestimmte Kristalle, wie zum Beispiel Quarz, beim Komprimieren eine elektrische Ladung erzeugten. Heute nutzen Physiker und Ingenieure sowohl natürliche Kristalle als auch synthetische Keramiken (wie Bleizirkonat-Titanat), um lokalisierte, gut kontrollierbare piezoelektrische Ströme zu erzeugen.
Piezoelektrische Materialien funktionieren größtenteils aufgrund ihrer asymmetrischen Kristallstruktur. Wenn Druck ausgeübt wird, verschiebt sich die innere Ladungsverteilung und es entsteht eine Spannung im gesamten Material. Wenn man das Material einem elektrischen Feld aussetzt, verändert sich die Struktur selbst subtil, im Mikrometerbereich, aber auf vorhersehbare und wiederholbare Weise, Schlüsselmerkmale moderner Elektronik.
Welche Geräte nutzen Piezoelektrizität?
Obwohl die Anwendungen der Piezoelektrizität noch relativ begrenzt sind, tauchen sie in viel mehr Branchen und Geräten auf, als Sie vielleicht denken, von der Unterhaltungselektronik über das Gesundheitswesen, Automobilsysteme und Industrieanlagen bis hin zu geräuschunterdrückenden Seidentüchern.
Lautsprecher und Mikrofone gehören zu den häufigsten Anwendungsfällen in der Unterhaltungselektronik. Piezoelektrische Elemente können elektrische Signale in Schallschwingungen umwandeln, sodass sehr kompakte Audiokomponenten in kleinere Geräte wie Kopfhörer und Smartphones integriert werden können. Vielleicht sind Sie schon einmal auf Piezoelektrizität in einem Gasgrill oder Feuerzeug gestoßen. Dabei handelt es sich häufig um einen Zünder, der auf Knopfdruck zündet, Druck auf einen Kristall ausübt und einen Hochspannungsfunken erzeugt.
Piezoelektrische Systeme sind auch für die Ultraschallbildgebung im Gesundheitswesen unverzichtbar. Mit ihnen senden Wandler hochfrequente Schallwellen aus. Das Gerät erkennt dann Echos, die aus dem Körperinneren zurückreflektiert werden, und ermöglicht es Ärzten, Echtzeitbilder ohne invasive Eingriffe zu erstellen. Piezoelektrische Aktoren werden auch in fortschrittlichen Fertigungsumgebungen eingesetzt und ermöglichen die Art der Positionierung im Nanomaßstab, die für die Halbleiterfertigung und optische Systeme unerlässlich ist. Aktuatoren können auch in Smartphones verwendet werden, um einen gesprungenen Bildschirm vor Ihnen zu erkennen.