Piezoelektrischer Effekt

Der reziproke piezoelektrische Effekt

1881 entdeckten die Gebrüder CURIE den von G. J. LIPPMANN (1845-1921) vorhergesagten Effekt, dass sich Quarzkristalle verformen, wenn man sie in das elektrische Feld zwischen den Platten eines Plattenkondensators bringt. Dieser Effekt wird als reziproker piezoelektrischer Effekt bezeichnet. Er kommt zustande, weil im elektrischen Feld coulombsche Kräfte zwischen den Ladungen wirken. Bringt man einen Quarzkristall in ein elektrisches Wechselfeld, so kommt es zu periodischen Verformungen, wobei bei dünnen Plättchen die Frequenz sehr hoch sein kann. Man spricht dann von Schwingquarzen, die nicht nur bei Quarzuhren genutzt werden, sondern z.B. auch zur Erzeugung von Ultraschall. Weitere Anwendungen sind:

• Lautsprecher: In vielen elektronischen Geräten ist ein piezoelektrischer Tongeber vorhanden. Einfache Anordnungen mit piezoelektrischer Tongeber werden auch als Piezofon bezeichnet.
• Nierensteinzertrümmerer: Eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, die an der Innenseite einer konkaven Schale angebracht sind, können gleichzeitig ausgelöst werden und eine Schall-Schockwelle erzeugen. Die hohe Energie im Brennpunkt dieser Schockwelle kann Nieren- oder Gallensteine zertrümmern.
• Zahnsteinentferner: Piezoelektrisches Material schwingt mit Frequenzen von 20 kHz - 80 kHz und treibt einen kleinen Schaber an. Durch die hohe Frequenz bei sehr kleinen Amplituden im Mikrometerbereich kann Zahnstein gründlich entfernt werden, ohne den Zahn zu schädigen.
• Skalpell: Auch hier schwingt piezoelektrisches Material mit hohen Frequenzen. Ein Skalpell mit einem derartigen Antrieb wirkt ähnlich wie die niederfrequenten elektrischen Brotmesser, nur sehr viel präziser. Insgesamt ist die Ultraschallmaterialbearbeitung durch große Präzision und hohe Oberflächengüte gekennzeichnet.
• Ultraschallreinigung: In einer Reinigungsflüssigkeit wird mit Ultraschall Kavitation erzeugt. Kavitation heißt: Es bilden sich aufgrund von Druckunterschieden in der Flüssigkeit kleinste lokale Gasblasen, die nach sehr kurzer Zeit wieder implodieren. Diese Kavitation sorgt an der verschmutzten Oberfläche von Gegenständen für eine intensive Reinigung, auch bei komplizierten Formen. Geräte dieser Art findet man in kleiner Ausführung beim Optiker als Brillenreinigungsbad und in großer Ausführung als Industriereinigungsanlage von bis zu 20 m Länge.
• Ultraschallschweißen: Jeder weiß, dass Reibung Wärme erzeugt. Presst man zwei Metall- oder Kunststoffteile aneinander und regt sie mit hochfrequentem Ultraschall an, erhitzen sich die Oberflächen so stark, dass sie miteinander verschmelzen.