Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Der piezoelektrische Effekt Übt man auf einen Quarzkristall (SiO 2 ) eine Kraft in einer ganz bestimmten Rich- tung aus, so führt die entstehende Deformation zur Ausbildung örtlicher elektri- scher Dipole. Da sie alle die gleiche Orientierung haben, wird der ganze Kristall zum Dipol. Er erzeugt daher ein elektrisches Feld. Man nennt diese Erscheinung den piezoelektrischen Effekt . Diesen Effekt zeigen auch viele andere Kristalle, Quarz ist das bekannteste Beispiel. Bei einem kräftigen Schlag kann die elektrische Spannung zwischen den Enden des Kristalls so groß werden, dass damit ein elektrischer Funkenüberschlag in Luft hervorgerufen werden kann. Darauf beruhen die piezoelektrische Zündung eines Durchlauferhitzers oder das Piezofeuerzeug. Die Umkehrung des piezoelektrischen Effektes hat eine noch größere praktische Bedeutung: Beim Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein Quarzkristall je nach Polarität dieser Spannung gedehnt oder gestaucht. Bei Verwendung von Gleichspannung lassen sich damit Mikroelektroden auf atomare Distanzen genau positionieren: Im Rastertunnelmikroskop werden auf diese Weise Oberflächen so präzise abgetastet, dass man einzelne Atome auflösen kann. Legt man eine Wechselspannung an den Quarzkristall, so wird er zu mechani- schen Schwingungen angeregt. Dabei wirkt er dank des piezoelektrischen Effektes selbst als Wechselspannungsquelle und steuert so seinen eigenen elektrischen An- trieb. Durch geeignete Formgebung lässt sich die Schwingungsfrequenz in weiten Grenzen variieren. Mit Hilfe dieser elektromechanischen Frequenzstabilisatoren lassen sich elektri- sche Uhren (Quarzuhren) mit hoher Ganggenauigkeit herstellen (Fehler nur weni- ge Sekunden im Monat), Sendekanäle in Funkgeräten einstellen, Computer im Takt steuern und Ultraschallquellen für Materialprüfung, Reinigung oder medizinische Diagnose herstellen. Teste dein Wissen W 1 104.1 Wie kommen Feldlinienbilder für magnetische Kräfte zustande, wie für elektrische? 104.2 Was versteht man unter einem elektrischen Feld? 104.3 Was versteht man unter Feldlinien? 104.4 Welcher Unterschied besteht zwischen der Kraft auf Ladungen und der Feldstärke? 104.5 Welche Form hat das Feld einer Ladungsverteilung in großer Entfernung? 104.6 Was versteht man unter elektrischer Spannung? 104.7 Welche Einheit hat die elektrische Spannung? 104.8 Welche Analogien gibt es zwischen dem elektrischen Feld und dem Gravitationsfeld? 104.9 Welche Aufgabe haben Kondensatoren? 104.10 Was bedeutet Kapazität von Kondensatoren? 104.11 Wie kann man die Kapazität von Kondensatoren vergrößern? 104.12 Was geschieht im Inneren eines elektrischen Leiters, wenn man ihn in ein elektrostatisches Feld bringt? Welche praktische Anwendung hat dies? 104.13 Was geschieht im Inneren eines Isolators, wenn man ihn in ein elektrostatisches Feld bringt? Welche praktische Anwendung hat dies? ohne Druck mit Druck Si-Atom O-Atom 104.1 Piezoelektrizität: a) Ohne äußeren Druck sind die Ladungen im Kristall gleichmäßig verteilt. Der Kristall er- scheint ungeladen. b) Bei Druck auf den Kristall werden die Silici- um- und die Sauerstoffatome relativ zu einan- der verschoben. Dadurch häufen sich auf einer Kristallseite negative Ladungen, auf der ande- ren Seite positive. 104.2 Bergkristall ist reiner Quarz. 104 FELDER Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv