Glossar - Begriff

Der Effekt der Piezoelektrizität (griech. piezein = drücken, piezo "ich drücke"), auch piezoelektrische Polarisation genannt, beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck und elektrischer Spannung in Festkörpern. Piezoelemente erzeugen Elektrizität, wenn sie gestreckt oder gestaucht werden. Dieser Effekt funktioniert auch umgekehrt: Piezoelemente dehnen sich unter dem Einfluss elektrischer Spannungen oder erzeugen Kräfte.
Der Piezoeffekt kann nur in bestimmten Materialen auftreten: in Isolatoren, (das sind Substanzen, die keinen elektrischen Strom leiten), nicht aber in Metallen. Denn für den Piezoeffekt ist eine bestimmte atomare Struktur notwendig: Piezoelektrizität wird in Kristallen beobachtet, deren Struktur durch eine oder mehrere Achsen ohne Symmetriezentrum gekennzeichnet sind. Die Elektrizität entsteht durch eine gerichtete Verformung des Kristalls. Gerichtete Verformung bedeutet, dass der angelegte Druck nicht von allen Seiten auf das Material wirkt, sondern beispielsweise nur von gegenüberliegenden Seiten aus.
Das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften ist Quarz (SiO2). Aber auch bestimmte keramische Werkstoffe, wie Titanate (Keramiken auf Titanbasis), verfügen über piezoelektrische Eigenschaften.
Bekanntestes Beispiel für die Anwendung des Piezoeffektes ist das elektrische Feuerzeug - hier wird durch Daumendruck eine Piezokeramik verbogen und ein Funke erzeugt. Dieser dient dem Entzünden der Gasflamme.
Generell lassen sich die Anwendungen der Piezoelektrizität in zwei Bereiche aufteilen:

1. Sensoren: Das Auftreten der Piezospannung bei mechanischer Verformung lässt sich beispielsweise für Drucksensoren nutzen. Hier bewirkt eine mechanische Kraft (der Druck) die Verformung. Die dabei auftretende Spannung kann einfach elektrisch gemessen werden.

2. Aktoren: Hier wird die Umkehrung des Piezoeffektes genutzt: die Verformung eines Piezoelementes beim Anlegen einer Spannung. Eine Anwendung aus diesem Bereich ist zum Beispiel die Zerstäubung von Tinte in Tintenstrahldruckern durch die hochfrequente Schwingung eines Piezoelementes.

Besonders in der Adaptronik sind Piezoelemente von großer Bedeutung. So entsteht durch die Integration von piezoelektrischen Keramikfasern, etwa in Kunststoffen, ein adaptives Leichtbaumaterial. Die Keramikfasern können die beim Betrieb auftretenden Belastungen punktgenau "erfühlen" und daraufhin die Eigenschaften des Bauteils gezielt den wechselnden Belastungen anpassen. Anwendung finden Piezokeramiken z. B. in Autokarosserien, Hubschraubern, aber auch in Computertomografen.

Zum Artikel: Adaptronik: Leise Stoffe für die Welt von morgen