Piezoelektrizität

1880 entdeckten die Brüder Pierre und Jacques Curie den piezoelektrischen Effekt - eine grundlegende Eigenschaft von Kristallen, Keramiken, Polymeren und Flüssigkristallen. Es gibt unterschiedlichste Arten, dieses Phänomen zu beschreiben, die wahrscheinlich gebräuchlichste Definition besagt, dass ein dielektrisches Material piezoelektrisch ist, wenn unter mechanischer Krafteinwirkung eine innere Verformung erzeugt wird. Diese Verformung zeigt sich als eine innere elektrische Polarisation oder eine externe elektrische Ladung. Umgekehrt entsteht eine Deformation des Materials, wenn elektrische Spannung an ein piezoelektrisches Material angelegt wird. Dieser Effekt wird inverser piezoelektrischer Effekt oder Piezostriktion genannt.

Die Abbildung zeigt ein SiO2-Tetraeder. Die Krafteinwirkung verursacht eine Verschiebung der Kationenladung relativ zum Zentrum der Anionenladungen. Es tritt eine innere elektrische Polarisation auf, die strukturelle Einheit ist piezoelektrisch. (Dabei ist zu beachten, dass es nicht möglich ist, den piezoelektrischen Effekt auf der Grundlage einfacher Symmetrieüberlegungen zu berechnen. Es läßt sich nur sagen, dass bei vorhandener Symmetrie in einem Kristall Piezoelektrizität nicht ausgeschlossen ist.)

Es gibt einen wesentlichen Parameter, der für die Entstehung von Piezoelektrizität vorliegen muß: Die Achse auf die Druck ausgeübt wird, muss polar sein. Eine rotationssymmetrische Achse ist dann polar, wenn die beiden gegenüberliegenden Seiten sich nicht entsprechen. Aufgrund dieser Voraussetzung können weder Gase und Flüssigkeiten noch viele Kristalle, wie NaCI, piezoelektrisch sein.

Gerthsen und Vogel führen ein einfaches Beispiel für polare Achsen an: Die Achse einer Bierflasche in einem Stapel von Bierkisten ist rein tetragonal, weil vier benachbarte Bierflaschen sie im 90°-Winkel umgeben (rotationssymmetrische Achse). Da die Öffnung und der Boden einer Flasche nicht identisch sind, ist die Flasche polar.

-	Eine Belastung entlang der polaren Achse erzeugt in einem piezoelektrischen Material ein elektrisches Feld zwischen den beiden gegenüberliegenden Seiten.
-	Umgekehrt entsteht durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine Deformation des Materials.
-	Der Effekt ist reversibel: Eine Veränderung des Vorzeichens der Belastung verändert das Vorzeichen des resultierenden elektrischen Feldes.
-	Turmalin zeigt wie viele andere piezoelektrische Materialien eine Veränderung der inneren elektrischen Polarisation bei einer Temperaturveränderung, d.h. eine Erwärmung führt zu einer Ladungstrennung ähnlich der des piezoelektrischen Effekts.

Zu diesem Phänomen tragen zwei Effekte bei: der primäre pyroelektrische Effekt, eine Veränderung der existierenden Dipolmomente durch Erwärmung eines Kristalls, und als Sekundäreffekt eine Veränderung der Ladungsdichte bei thermischer Expansion.

-	Ein elektrisches Feld entsteht in einem piezo-/pyroelektrischen Kristall durch eine Temperaturveränderung.
-	Pyroelektrizität erfordert vorhandene, permanente elektrische Dipole (deren Stärke durch Temperaturveränderungen beeinflußt wird).

Die Pyroelektrizität erzeugt oftmals störende Artefakte in technischen Anwendungen, da sie den eigentlich interessanten piezoelektrischen Effekten überlagert sind. So zeigen z.B. Drucksensoren, die das piezoelektrische und gleichzeitig pyroelektrische Turmalin verwenden - bedingt durch die Pyroelektrizität - unter Erwärmung Signale, obwohl keine Druckänderung vorliegt.

Diese Abbildung zeigt die Abhängigkeiten von piezoelektrischen, pyroelektrischen und ferroelektrischen Materialien. Aus dem Symmetriesatz folgt, dass alle ferroelektrischen und pyroelektrischen Materialien ebenfalls piezoelektrisch sind.