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Ein piezoelektrisches Material ist ein Material, das aufgrund seiner Eigenschaften direkt an seiner Oberfläche elektrische Ladungen erzeugen kann.
Piezo - was ist das?
Piezo ist das erste Glied einer Gruppe zusammengesetzter Wörter, deren Bedeutung einen direkten Zusammenhang mit der Wirkung einer äußeren Kraft, insbesondere Druck und Spannung, erkennen lässt. Historisch gesehen war der Piezo eine Maßeinheit für den Druck. Piezoelemente sind eine bestimmte Gruppe von Materialien, die durch die Einwirkung äußerer Kräfte auf ihrer Oberfläche elektrische Ladungen erzeugen. Für die Erzeugung elektrischer Ladungen kann es zwei Gründe geben, nämlich Kompression oder Spannung. Darüber hinaus werden piezoelektrische Materialien bei der Impulserzeugung verformt. Piezoelektrika zeichnen sich durch ihre reversible Wirkung (bidirektionale) aus. Das Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Material bewirkt eine leichte Verformung.
Piezoelektrika - Anwendungen
Materialien und Komponenten, die sich durch piezoelektrische Eigenschaften auszeichnen, werden für die Herstellung verschiedener Arten von Sensoren, Summern und Aktoren verwendet. Obwohl der piezoelektrische Effekt in einer relativ großen Zahl von Materialien vorhanden ist, werden nur wenige davon häufig verwendet. Ursprünglich konzentrierte sich die Forschung im Bereich der Piezoelektrik hauptsächlich auf Kristalle. Heutzutage werden jedoch hauptsächlich polykristalline Materialien sowie ausgewählte künstliche Filme verwendet.
Zu den beliebtesten Materialien gehören keramische Sinter, die durch hohe Temperaturen geformt werden. Das speziell aufbereitete Pulver enthält verschiedene Arten von chemischen Verbindungen, die sich durch ihre piezoelektrischen Eigenschaften auszeichnen. Bei dieser Art von Materialien sind die verschiedenen Keramiktypen die aktiven Elemente.
Piezoelektrik - zusätzliche Informationen
Materialien und Bauteile, die den piezoelektrischen Effekt aufweisen, sind Dielektrika oder Isolatoren. Ihre Eigenschaften bedeuten, dass sie keinen Strom leiten. Wenn eine äußere Kraft aufgebracht wird, beginnen sich positive und negative elektrische Ladungen auf den gegenüberliegenden Flächen zu bilden. Wie bereits eingangs erwähnt, zeichnen sich diese Ebenen durch ihre dielektrischen Eigenschaften aus. Wenn man also die elektrischen Ladungen nutzen will, die auf piezoelektrischen Flächen oder Elementen vorhanden sind, müssen diese mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet werden.
Um einen umgekehrten Piezoeffekt zu erzielen, ist es am besten, zwei Deckschichten aus Metall zu verwenden. Das piezoelektrische Material muss zwischen den zuvor erwähnten Umhüllungen platziert und die Spannung (zwischen den Umhüllungen) muss angelegt werden. Wenn eine Spannung angelegt wird, verformt sich das piezoelektrische Material. Legt man dagegen eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität an, verformt sich das Piezoelement ebenfalls, allerdings in entgegengesetzter Richtung. In gewisser Hinsicht funktionieren piezoelektrische Materialien ähnlich wie die bekannten Kondensatorenaber im Gegensatz zu diesen haben sie keine Energiespeichereigenschaften. Piezoelektrische Materialien sind mechanisch-elektrische Wandler, die sich durch ihre bidirektionalen (reversiblen) Eigenschaften auszeichnen.
Was gibt es sonst noch Wissenswertes über Piezoelektrik?
Praktisch jedes piezoelektrische Material hat Resonanzeigenschaften. Die Höhe der (resonanten) mechanischen Frequenz ist mit der Größe der dielektrischen Oberfläche korreliert. Die beschriebenen Komponenten funktionieren am besten in so genannten Wechselstromformen, deren Frequenz möglichst nahe an der mechanischen Resonanzfrequenz liegt.
Es sei darauf hingewiesen, dass Bauteile und Oberflächen, die durch piezoelektrische Eigenschaften gekennzeichnet sind, bei Ultraschallfrequenzen (d. h. über 20 kHz) arbeiten.
Piezoelektrische Elemente als Aktoren - die wichtigsten Informationen
Die beliebtesten unter Hobbyelektronikern sind Summer, d.h. Piezo-Membranen. Elemente dieser Art fungieren als Summer. Die Summer benötigen eine Wechselstromversorgung, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Weitere Aktoren sind Piezoaktoren, die sich durch ihre hohe Leistung und Geschwindigkeit auszeichnen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Injektoren sind sie nicht mit einem Elektromagneten, sondern mit einem kristallinen Element mit piezoelektrischen Eigenschaften ausgestattet. Die nächsten Komponenten sind die Mikropumpen, die in ausgewählten Tintenstrahldruckern zu finden sind. Andere Aktoren, die piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, sind Mikroantriebe mit kleinem Hub und Mikroventile.
Piezo-Elektrik - Preis
Der Preis der Piezoelemente hängt von ihrer Größe ab. Auf dem Markt sind unter anderem Piezomembranen aus Messing mit einem Durchmesser von 27 mm zu finden. Der Preis für einen Satz von 10 Membranen beträgt nicht mehr als 2,50€. Parameter von piezoelektrischen Membranen (erhältlich bei Botland) mit einem Außendurchmesser von 27 mm, einem Innendurchmesser von 19 mm und einer Dicke von 0,27 mm lauten wie folgt: 45 nF Kapazität, 2,5 kHz Frequenz und 250 Ω Impedanz.
