mechanische Verformungsenergie umwandeln in

elektrische Energie

1880 entdeckten Jacques und Pierre Curie, dass Quarzkristalle sich bei Deformation unter mechanischer Beanspruchung auf Prismenflächen elektrisch positiv und negativ aufladen. Dieses Verhalten wurde von ihnen piezoelektrischer Effekt genannt. Die Umkehrung dieses Effekts wird als inverser Piezo-Effekt bezeichnet, d.h. die gleichen Materialien ändern unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen.

Oberhalb einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Curie-Temperatur, besitzen solche Materialien eine kubische Elementarzelle mit Symmetriezentrum. Die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen liegen im Zentrum der Elementarzelle des Kristalls. Die Materialien sind paraelektrisch. Es ist kein piezoelektrischer Effekt feststellbar.

Im Herstellungsprozess, nach dem Sintern, erfolgt beim Abkühlen unter die Curie-Temperatur eine Verschiebung der Ionen der Elementarzelle. Die Ladungsschwerpunkte der positiven und negativen Ladungen liegen nicht mehr im Zentrum, das Symmetriezentrum geht verloren, es erfolgt eine spontane Polarisation der Elementarzelle. Die Elementarzelle besitzt jetzt einen elektrischen Dipol.

Die Dipole beeinflussen sich gegenseitig und bilden spontan Bereiche mit einheitlicher Ausrichtung, sogenannte Weissche Domänen. Die Polarisationsrichtungen aller Weisschen Domäne einer Piezokeramik sind statistisch gleich verteilt, so dass der makroskopische Körper keine Polarisation hat und somit nicht piezoelektrisch ist.

Werden die Keramiken einem starken elektrischen Feld ausgesetzt, so richten sich die Weisschen Domänen remanent nach diesem aus. Erst durch diesen Polarisationsprozess erhalten die Piezokeramiken ihre für die Industrie wichtigen piezoelektrischen Eigenschaften.

Aktoren und Sensoren