Quelltext der Seite Piezoelektrizität

[[Datei:Piezoeffekt350px.gif|mini|hochkant=2|Direkter Piezoeffekt: Durch mechanischen Druck verlagert sich der positive (Q+) und negative Ladungsschwerpunkt (Q–). Dadurch entsteht ein [[Elektrischer Dipol|Dipol]], eine [[elektrische Spannung]] am Element. Die Zeichnung ist vereinfacht, ohne das Prinzip zu verfälschen: Nicht berücksichtigt ist die transversale Dehnung bei Längskompression; deren Verhältnis wird durch die [[Poissonzahl]] beschrieben. ]]
Die '''Piezoelektrizität''', auch '''piezoelektrischer Effekt''' oder kurz '''Piezoeffekt''', (von [[Altgriechische Sprache|altgr.]] {{lang|grc|πιέζειν}} ''piezein'' ‚drücken‘, ‚pressen‘ und {{lang|grc|ἤλεκτρον}} ''ēlektron'' ‚Bernstein‘) beschreibt die Änderung der elektrischen [[Polarisation (Elektrizität)|Polarisation]] und somit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden ''(direkter Piezoeffekt)''. Umgekehrt verformen sich Materialien bei Anlegen einer elektrischen Spannung ''(inverser Piezoeffekt)''.

== Geschichte ==
[[Datei:Quadrant electrometer built by Pierre Curie, 1880-1890. (9660571325).jpg|mini|Quadrantenelektrometer von [[Pierre Curie]], 1880–1890. [[Science Museum London]].]]
Der direkte Piezoeffekt wurde im Jahre 1880 von den Brüdern [[Jacques Curie|Jacques]] und [[Pierre Curie]] bewiesen. Bei Versuchen mit [[Turmalingruppe|Turmalinkristallen]] fanden sie heraus, dass bei mechanischer Verformung der [[Kristall]]e auf der Kristalloberfläche [[elektrische Ladung]]en entstehen, deren Menge sich proportional zur Beanspruchung verhält. Heute werden für [[Piezoelement]]e meist PZT-Keramiken (wie [[Blei-Zirkonat-Titanat]]) benutzt.

[[Makroskopisch]] konnte der Effekt im Rahmen der [[Kontinuumsmechanik]] schon Anfang des 20. Jahrhunderts beschrieben werden. Die [[Mikrokosmos|mikroskopische Beschreibung]] wurde erst durch ein tiefgehendes Verständnis der diskreten Struktur der [[Kondensierte Materie|kondensierten Materie]] möglich. Eine genauere mikroskopische Abhandlung wurde von [[Richard M. Martin]] 1972 gegeben.<ref name="MartinRichard1972">{{Literatur |Autor=Richard M. Martin |Titel=Piezoelectricity |Sammelwerk=Physical Review B |Band=Jg. 5 |Nummer=4 |Datum=1972 |ISSN=1098-0121 |Seiten=1607–1613 |DOI=10.1103/PhysRevB.5.1607}}</ref>

Die ersten Anwendungen waren piezoelektrische [[Ultraschall]]wandler und bald darauf [[Schwingquarz]]e für die Frequenzstabilisierung. Durch das 1950 an [[Kistler Instrumente|Walter P. Kistler]] erteilte Patent auf den [[Ladungsverstärker]] gelang der piezoelektrischen Messtechnik der Durchbruch zur breiten industriellen Anwendung.<!--Quelle fehlt. Es gibt schon Patente des Autoren von 1946 und früher zu diesem Thema-->

== Prinzip ==
Durch die gerichtete Verformung eines piezoelektrischen Materials bilden sich mikroskopische Dipole innerhalb der [[Elementarzelle]]n (Verschiebung der [[Elektrische Ladung|Ladungs]][[Geometrischer Schwerpunkt|schwerpunkte]]). Die Aufsummierung über das damit verbundene elektrische Feld in allen Elementarzellen des Kristalls führt zu einer makroskopisch messbaren elektrischen Spannung. ''Gerichtete'' Verformung bedeutet, dass der angelegte Druck nicht von allen Seiten auf die Probe wirkt, sondern (beispielsweise) nur von gegenüberliegenden Seiten aus. Umgekehrt kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung eine Verformung des Kristalls oder des Piezokeramik-Bauteils erreicht werden.

Im Wesentlichen unterscheidet man drei Effekte<ref name="PhysikIngs">{{Literatur |Autor=[[Ekbert Hering]]; Rolf Martin; Martin Stohrer |Titel=Physik für Ingenieure |Auflage=12 |Verlag=Springer-Verlag |Datum=2016 |ISBN=978-3-662-49354-0 |Kapitel=9.3.3 Piezoelektrizität}}</ref>:
* Längs-Effekt: Die [[Kraft]] erzeugt eine [[Polarisation (Elektrizität)|Polarisation]] in Kraftrichtung und die elektrische Spannung kann in der gleichen Richtung gemessen werden.
* Quer-Effekt: Die Polarisation ist [[Transversalebene|transversal]] zur Kraft, so dass die Spannung quer zur Kraftrichtung entsteht.
* Scher-Effekt: Die Spannung entsteht diagonal zu den Ebenen der [[Scherung (Mechanik)|Scherung]].
Alle drei Effekte lassen sich auch umkehren. Das heißt, dass durch die Einwirkung einer Spannung durch die Volumenänderung eine Kraft erzeugt werden kann.

Wie jeder andere Festkörper können auch piezoelektrische Körper mechanische Schwingungen ausführen. Bei Piezoelektrika können diese Schwingungen elektrisch angeregt werden und bewirken ihrerseits wieder eine elektrische Spannung. Die Frequenz der Schwingung ist nur von der [[Schallgeschwindigkeit]] (eine Materialkonstante) und den Abmessungen des piezoelektrischen Körpers abhängig. Bei geeigneter Befestigung werden diese [[Eigenfrequenz]]en kaum von der Umgebung beeinflusst, wodurch piezoelektrische Bauteile wie [[Schwingquarz]]e sehr gut für den Einsatz in präzisen [[Quarzoszillator|Oszillatoren]] geeignet sind, beispielsweise für [[Quarzuhr]]en.

== Piezoelektrische Materialien ==
=== Grundlagen ===
Der piezoelektrische Effekt kann zunächst durch die Änderung der Geometrie erklärt werden. Alle [[Ferroelektrizität|ferroelektrischen]] Materialien und Materialien mit permanentem elektrischen Dipol sind auch piezoelektrisch, beispielsweise [[Bariumtitanat]] und [[Blei-Zirkonat-Titanat]] (PZT). Jedoch verhält sich nur ein Teil der Piezoelektrika ferroelektrisch.

Bei Kristallen ist die Kristallsymmetrie ein weiteres Kriterium für das Auftreten der Piezoelektrizität. Die piezoelektrische Polarisation tritt nicht auf, wenn der Kristall ein Inversionszentrum besitzt. Bei allen 21 nicht-zentrosymmetrischen [[Punktgruppe]]n kann Piezoelektrizität auftreten, mit Ausnahme der kubischen Punktgruppe ''432''. Anders gesagt darf eine Elementarzelle keinen Punkt besitzen, an dem eine Punktspiegelung den Kristall in sich selbst überführt.

Das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften ist [[Quarz]] (SiO<sub>2</sub>). Quarzkristalle besitzen die nicht-zentrosymmetrische Punktgruppe ''32''. Jedes Si-Atom sitzt in der Mitte eines [[Tetraeder]]s aus vier Sauerstoffatomen. Eine in Richtung Grundfläche-Spitze (Kristallografische Richtung: [111]) wirkende Kraft verformt nun diese Tetraeder derart, dass die zusammengedrückten Tetraeder elektrisch polarisiert sind und so auf den Oberflächen des Kristalls (in [111]-Richtung) eine Nettospannung auftritt.

Technisch genutzte Materialien, die einen stärkeren Piezo-Effekt als Quarz zeigen, sind Verbindungen aus der [[Perowskit-Supergruppe]] ab, z.&nbsp;B.: Bariumtitanat (BaTiO<sub>3</sub>). Die [[Kubisches Gitter|kubische]] Modifikation selbst besitzt die zentrosymmetrische Punktgruppe <math>m\bar3 m</math> und ist somit nicht-piezoelektrisch. Das Material kann aber unterhalb einer kritischen Temperatur&nbsp;– der piezoelektrischen [[Curie-Temperatur]] T<sub>C</sub>&nbsp;– in eine nicht-zentrosymmetrische [[Perowskit-Supergruppe#Kristallstruktur|Perowskitstruktur]] übergehen (rhomboedrisch/tetragonal, siehe [[Blei-Zirkonat-Titanat]]). Es zeigt dann eine [[spontane Polarisation]] und besitzt ferroelektrische Eigenschaften.

=== Piezoelektrische Kristalle ===
* Der wichtigste piezoelektrische Kristall ist die vom Quarz gebildete bis zu 573&nbsp;°C stabile trigonale Kristallstruktur [[Quarz#Kristallstruktur|α-Quarz]]. Die wichtigste Anwendung sind Schwingquarze.<ref>{{Literatur |Titel=Piezoelektrische Biegewandler |Autor=Rüdiger G. Ballas |Verlag=Springer |Datum=2025 |ISBN=978-3-662-70389-2 |Seiten=27 |Online={{Google Buch|BuchID=Ri1OEQAAQBAJ|Seite=27}}}}</ref>
* [[Lithiumniobat]] hat gegenüber Quarz höhere piezoelektrische Konstanten und wird für piezoelektrische Filter und [[Akustische-Oberflächenwellen-Filter|SAW-Bauelemente]] (engl.: ''surface acoustic wave'', [[akustische Oberflächenwelle]]) verwendet.
* [[Galliumorthophosphat]] ist erst seit den 1990er Jahren als Piezoelektrikum erhältlich. Dieses Material ist dem Quarz ähnlich, hat jedoch höhere piezoelektrische Konstanten und eine bessere Temperaturstabilität. Es ist bis über 900&nbsp;°C stabil.

Weitere piezoelektrische Kristalle sind [[Berlinit (Mineral)|Berlinit]], Minerale der [[Turmalingruppe]], [[Seignettesalz]] und alle [[Ferroelektrikum|Ferroelektrika]] wie Bariumtitanat (BTO) oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). BTO und PZT werden jedoch normalerweise nicht als Einkristalle, sondern in polykristalliner Form (Keramiken) verwendet.

Gegenüber piezoelektrischen Kristallen haben piezoelektrische Keramiken wie PZT den Vorteil wesentlich höherer piezoelektrischer Koeffizienten. Vorteile der Kristalle Quarz, Galliumorthophosphat und Lithiumniobat sind höhere Temperaturstabilität, geringere Verluste, eine wesentlich geringere [[Hysterese]] und kaum vorhandenes Kriechen (also verzögerte Verformung) nach Änderung der angelegten Spannung.

=== Piezoelektrische Keramiken ===
[[Datei:Perovskite.svg|mini|Perowskit-[[Elementarzelle]] von PZT-Piezokeramik. Unterhalb der Curie-Temperatur bildet sich ein Dipol aus.]]
[[Datei:Piezokeramik.svg|mini|Einprägen einer Polarisationsrichtung durch Ausrichtung der Dipole in einem elektrischen Feld]]
Industriell hergestellte [[Piezoelement]]e sind zumeist [[Keramik]]en. Diese Keramiken werden aus [[synthetisch]]en, [[anorganisch]]en, [[ferroelektrisch]]en und [[polykristallin]]en Keramikwerkstoffen gefertigt. Typische Basismaterialien für Hochvolt-Aktoren sind modifizierte Blei-Zirkonat-Titanate (PZT) und für Niedervolt-Aktoren [[Blei-Magnesium-Niobat]] (PMN).

Der Stoffverbund der PZT-Keramiken (Pb, O, Ti/Zr) kristallisiert in der [[Perowskit-Supergruppe#Kristallstruktur|Perowskit-Kristallstruktur]]. Unterhalb der piezoelektrischen [[Curie-Temperatur]] bildet sich durch Verzerrungen der idealen Perowskit-Struktur ein [[Elektrisches Dipolmoment|Dipolmoment]] aus.

Bei keramischen Piezoelementen sind die internen Dipole nach dem [[Sintern|Sinterprozess]] noch ungeordnet, weshalb sich keine piezoelektrischen Eigenschaften zeigen. Die [[Weiss-Bezirk|Weissschen Bezirke]] oder Domänen besitzen eine willkürliche räumliche Orientierung und gleichen sich gegenseitig aus. Eine deutlich messbare piezoelektrische Eigenschaft lässt sich erst durch ein äußeres [[Elektrisches Feld|elektrisches Gleichfeld]] mit einigen MV/m aufprägen, wobei das Material bis knapp unter die Curie-Temperatur erwärmt und wieder abgekühlt wird. Die eingeprägte Orientierung bleibt danach zum großen Teil erhalten (''remanente'' [[Polarisation (Elektrizität)|Polarisation]]) und wird als ''Polarisationsrichtung'' bezeichnet.

Das Drehen der Weissschen Bezirke durch die Polarisation führt zu einer leichten Verzerrung des Materials sowie einer makroskopischen Längenzunahme in Polarisationsrichtung.

=== Weitere piezoelektrische Materialien ===
* Als aktive Sensormaterialien werden zunehmend auch piezoelektrische [[Dünne Schichten|Dünnschichten]] eingesetzt. Mit Hilfe von Halbleitertechnologien ist es möglich, diese aktiven piezoelektrischen Dünnschichten auf Silizium abzuscheiden. Hierbei handelt es sich meist um [[Zinkoxid]] (ZnO) oder [[Aluminiumnitrid]] (AlN).
* Der Kunststoff [[Polyvinylidenfluorid]] (PVDF) lässt sich&nbsp;– ähnlich wie piezoelektrische Keramiken&nbsp;– polarisieren und ist dann piezoelektrisch. Anwendungen hierfür sind [[Hydrophon]]e.

=== Biologisches Gewebe ===
Ein piezoelektrischer Effekt wurde 1957 für Knochen entdeckt.<ref>{{Internetquelle |url=https://phys.org/news/2017-10-straight-heart-piezoelectric-tissues.html |titel=Researchers get straight to the heart of piezoelectric tissues |werk=Phys.org, American Institute of Physics |datum=2017-10-05 |abruf=2018-12-05}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Eiichi Fukada, Iwao Yasuda |Titel=On the Piezoelectric Effect of Bone |Sammelwerk=Journal of the Physical Society of Japan |Band=12 |Nummer=10 |Datum=1957 |Seiten=1158–1162 |DOI=10.1143/JPSJ.12.1158}}</ref> Diese [[Piezoelektrischer Sensor#Anwendungen|reagieren piezoelektrisch auf Belastungen]]. 1967 wurde auch für die weichen Gewebsarten Haut, Bindegewebe und Knorpel ein piezoelektrischer Effekt nachgewiesen.<ref>Morris H. Shamos, Leroy S. Lavine, ''Piezoelectricity as a Fundamental Property of Biological Tissues'', Nature, Band 213, S. 267–269, 21. Januar 1967</ref> Insbesondere reagieren [[Kollagen]]&shy;fibrillen und -fasern piezoelektrisch auf Druck, Zug und Torsion.<ref>Hartmut Heine: ''Lehrbuch der biologischen Medizin: Grundlagen und Extrazellutäre Martix'', Haug Verlag, 2015, ISBN 978-3-8304-7544-6. [https://books.google.com/books?id=yKrTBAAAQBAJ&pg=PA42 S.&nbsp;42].</ref> Die Aorta ist hingegen nach gegenwärtiger Erkenntnis nicht piezoelektrisch.<ref>Thomas Lenz et al.: ''Ferroelectricity and piezoelectricity in soft biological tissue: Porcine aortic walls revisited'', Applied Physics Letters (2017), [[doi:10.1063/1.4998228]].</ref>

== {{Anker |Berechnung}}Berechnung ==
Im Folgenden wird die makroskopische Beschreibung im Rahmen der [[Kontinuumsmechanik]] gezeigt. Es wird nur eine lineare Näherung zwischen den betrachteten Größen berücksichtigt. Nichtlineare Effekte wie die [[Elektrostriktion]] werden hier vernachlässigt.

=== Geometrie ===
[[Datei:Piezoachsen.png|mini|Definition der Achsenrichtungen]]
Zur Beschreibung der räumlich unterschiedlichen Eigenschaften wird ein [[Koordinatensystem]] gewählt. Für die Indizierung wird üblicherweise ein x-, y-, z-Koordinatensystem verwendet, dessen Achsen man mit den Ziffern 1, 2, 3 bezeichnet (Achse 3 entspricht der Polarisationsachse). Die [[Scherung (Mechanik)|Scherungen]] an diesen Achsen tragen die Ziffern 4, 5, 6. Basierend auf diesen Achsen werden die piezoelektrischen Eigenschaften mit [[Tensor]]en in Gleichungen gefasst.

=== Gleichungen ===
Die einfachsten Gleichungen für den Piezoeffekt beinhalten die [[Polarisation (Elektrizität)|Polarisation]] ''P''<sub>pz</sub> (Einheit [C/m²]) und die [[Verformung]] ''S''<sub>pz</sub> ([[Größe der Dimension Zahl]]):
:<math>P_{pz} = d\cdot T = e\cdot S</math>
:<math>S_{pz} = d\cdot E</math>
wobei d,e die piezoelektrischen Koeffizienten, E die [[Elektrisches Feld|elektrische Feldstärke]] (V/m) und T die [[mechanische Spannung]] (N/m²) angibt. Die erste Gleichung beschreibt den direkten, die zweite den inversen Piezoeffekt.

Die piezoelektrischen Koeffizienten werden durch dreistufige sog. ''piezoelektrische Tensoren'' beschrieben. Man hat einerseits:
* piezoelektrische Verzerrungskoeffizienten (Reaktion der [[Verformung|Verzerrung]] auf das elektrische Feld)
:<math>d_{ij,k} = \frac{\partial S_{ij}}{\partial E_k}</math>; andererseits
* piezoelektrische Spannungskoeffizienten (Reaktion der mechanischen Spannung auf das elektrische Feld)
:<math>e_{ij,k} = \frac{\partial T_{ij}}{\partial E_k}</math>
Die beiden Koeffizienten sind über die [[Hookesches Gesetz|elastischen Konstanten]] in einen Zusammenhang zu bringen:
:<math>e_{ij,k} = \sum_{lm} \left( C_{ijlm} \cdot d_{lm,k} \right) </math>

Effekte zweiter Ordnung (inverser Piezoeffekt) werden durch die [[Elektrostriktion|elektrostriktiven]] Koeffizienten beschrieben.

[[Datei:Verkoppelungsmatrix.svg|mini|Beispiel für die Struktur der Koeffizientenmatrizen für die [[Tetragonales Kristallsystem|Kristallklasse 4mm]], der auch PZT angehört]]

Die oben angegebenen Tensoren werden normalerweise in [[Matrix (Mathematik)|Matrixform]] umgeschrieben ([[Voigtsche Notation]]). Damit erhält man Matrizen mit sechswertigen Komponenten, welche der oben dargestellten Achsendefinition entsprechen. Die piezoelektrischen Effekte werden dann mittels zweier ''gekoppelter Gleichungen'' beschrieben, in der die [[dielektrische Verschiebung]] D anstelle der Polarisation verwendet wird.
:::<math>D = d\cdot T + \varepsilon^T\cdot E</math>
:::<math>S = s^E\cdot T + d \cdot E</math>
:<math>\varepsilon^T</math> [[Permittivität]] bei konstanter mechanischer Spannung
:<math>s^E</math> [[Elastizitätsgesetz|Elastizitätskonstante]] bei konstanter elektrischer Feldstärke

Es ist üblich, die Elemente dieser Gleichungen in der Verkoppelungsmatrix zusammenzufassen. Wichtigster Materialparameter für den inversen Piezoeffekt und damit für Aktoren ist die piezoelektrische Ladungskonstante d. Sie beschreibt den funktionalen Zusammenhang zwischen der angelegten elektrischen Feldstärke und der damit erzeugten Dehnung. Die charakteristischen Größen eines piezoelektrischen Wandlers sind für die verschiedenen Wirkrichtungen unterschiedlich.

[[Datei:Aktoreffekte.png|mini|Links: Quereffekt. Rechts: Längseffekt]]

Im Bereich der [[Aktor]]ik sind zwei Haupteffekte relevant. Für diese beiden Effekte vereinfacht sich die Gleichung für die Ausdehnung wie folgt
#''Piezoelektrischer Quer- oder Transversaleffekt'' (d<sub>31</sub>-Effekt). Die mechanische Kraft wirkt quer zum angelegten Feld.
#:<math>S_1 = s_{11}^E \cdot T_1 + d_{31}\cdot E_3</math>
#''Piezoelektrischer Längs- oder Longitudinaleffekt'' (d<sub>33</sub>-Effekt). Die mechanische Kraft wirkt parallel zum angelegten Feld.
#:<math>S_3 = s_{33}^E \cdot T_3 + d_{33}\cdot E_3</math>

== Anwendungen ==
Heute werden piezoelektrische Bauelemente in vielen Branchen eingesetzt: Industrie und Fertigung, Automobilindustrie, Medizintechnik, Telekommunikation. Im Jahr 2010 erzielte der weltweite Markt für piezoelektrische Bauelemente einen Umsatz von rund 14,8&nbsp;Milliarden US-Dollar.<ref>{{cite web | title = Market Report: World Piezoelectric Device Market | publisher = [http://www.acmite.com/ Acmite Market Intelligence] | url = http://www.acmite.com/market-reports/materials/world-piezoelectric-device-market-report.html| accessdate=2011-07-27}}</ref>

Generell lassen sich die Anwendungen in drei Bereiche aufteilen:
# [[Sensorik (Technik)|Sensorik]]
# [[Aktorik]]
# [[Elektrisches Bauelement|Elektrische Bauelemente]]

=== Sensorik ===
Das Auftreten der piezoelektrischen Ladung bei mechanischer Verformung wird bei [[Piezoelektrischer Sensor|piezoelektrischen Sensoren]] genutzt. Die dabei entstehende Ladung kann mit einem [[Ladungsverstärker]] in eine elektrische Spannung mit niedriger [[Quellimpedanz]] umgewandelt werden. Bei der anderen Möglichkeit, mit dieser Ladung einen Kondensator aufzuladen und dessen Spannung mit einem möglichst hochohmigen Spannungsmessgerät zu messen, können mangelhafte Isolationswiderstände beispielsweise durch Feuchtigkeit das Ergebnis stark verfälschen und die Registrierung langsamer Verformungen verhindern.
[[Datei:Piezoelement.PNG|mini|Piezoelement zur Wandlung von mechanischem Druck in elektrische Spannung.]]

* In der Musik werden Piezoelemente als [[Tonabnehmer]] für akustische Instrumente genutzt, hauptsächlich bei [[Saiteninstrument]]en wie [[Gitarre]], [[Geige]] oder [[Mandoline]]. Die dynamische Verformung des Instrumentes (Vibration des Klangkörpers) wird in eine geringe [[Wechselspannung]] umgewandelt, die dann [[Verstärker (Elektrotechnik)|elektrisch verstärkt]] wird.
* Bei piezoelektrischen Beschleunigungssensoren oder -aufnehmern kommt es bei einer mechanischen Deformation (Kompression oder Scherung) durch die Beschleunigung zu einer Ladungstrennung und damit zu einer abgreifbaren Ladung an den aufgedampften Elektroden.
* Bei Schwingquarzen kann der Einfluss verschiedener Größen auf die [[Resonanzfrequenz]], bei akustischen Oberflächenwellenbauteilen der Einfluss auf die Verzögerungszeit ausgenutzt werden. Eine wichtige Anwendung ist die Messung der auf dem Quarz aufgebrachten Masse, z.&nbsp;B. bei industriellen Beschichtungsverfahren zur Bestimmung der Schichtdicke. Es kann auch die Temperaturabhängigkeit der Schwingungsfrequenz gemessen werden; solche Schwingquarzthermometer sind jedoch nicht mehr im Handel.

=== Aktorik ===
Piezoaktoren können nach der Betriebsweise (quasistatisch oder resonant) oder nach der Richtung des genutzten Effekts unterschieden werden. Aus der Unterscheidung von Transversaleffekt (Quereffekt, d31-Effekt), Longitudinaleffekt (Längseffekt, d33-Effekt) und Schereffekt (d15-Effekt) ergeben sich drei verschiedene Grundelemente für piezoelektrische Aktoren. Der Schereffekt wird jedoch deutlich seltener als die anderen beiden Effekte in Aktoren genutzt, da d15-Aktoren aufwändiger herzustellen sind. Für mehrdimensionale Bewegungen müssen mehrere Piezo-Elemente so kombiniert werden, dass sie in verschiedene Richtungen wirken.
[[Datei:Piezo Grundelemente.png|zentriert|mini|hochkant=2.5|Piezoaktorische Grundelemente]]
[[Datei:Piezo.jpg|mini|[[Summer (Elektrik)|Piezo-Summer]], {{enS|Buzzer}}]]

Auch [[Aktor]]en, die im kHz-Bereich betrieben werden, können als quasistatisch betrachtet werden, solange die Betriebsfrequenz deutlich unterhalb der ersten [[Resonanzfrequenz]] des Systems liegt. Die hohe Genauigkeit und die große Dynamik prädestinieren den Piezoaktor für Positionieraufgaben und zur aktiven Schwingungsdämpfung. Typische Längenänderungen und damit Stellwege liegen bei 0,1 % der Aktorlänge und damit bei den größten verfügbaren Aktoren in der Größenordnung von 100&nbsp;µm. Begrenzend auf die Stellwege wirken die Spannungsfestigkeit des Materials, die hohen Betriebsspannungen und die in eine Sättigung laufende Kennlinie des Materials. Die kurzen Stellwege von Piezoaktoren lassen sich mit verschiedenen Mitteln vergrößern, z.&nbsp;B. durch Hebel oder durch Sonderbauformen wie das Bimorph-Biegeelement. Dieses ist eine Kombination aus zwei Querdehnelementen. Eine entgegengesetzte Polarisierung oder Ansteuerung der Elemente bewirkt eine Verbiegung des Aktors.

Beispiele für die quasistatische Anwendung von Piezoaktoren sind
* [[Braillezeile]]n für Blinde, bei denen durch Anlegen einer Spannung für den Blinden tastbare Stifte hochgedrückt werden, womit am PC der Monitortext in tastbare Blindenschriftzeichen umgesetzt wird.
* Tintenstrahldrucker (engl. ''Drop-on-Demand'')
* [[Ferroelektrischer Lautsprecher|Piezolautsprecher]], bei denen die [[Schallwelle]]n durch eine tonfrequente Wechselspannung erzeugt werden
* Dieseleinspritzsysteme mit piezoelektrischen Aktoren (keramische Vielschichtbauteile mit Edelmetallinnenelektroden), die die [[Common-Rail-Einspritzung|Common-Rail-Technik]] verbessert haben. Dabei wird die Einspritzung von Diesel über Ventile teilweise ersetzt. Seit 2005 werden auch beim [[Pumpe-Düse-System]] Piezoaktoren eingesetzt. Industrieunternehmen, die derartige Piezoaktoren in großen Stückzahlen fertigen, sind die Firmen [[Epcos]] und [[Robert Bosch GmbH|Bosch]].

[[Resonanz|Resonant]] betriebene Piezoaktoren werden überwiegend zur [[Ultraschall]]erzeugung und in [[Piezomotor]]en wie z.&nbsp;B. [[Wanderwellenmotor]]en eingesetzt. In Piezomotoren werden die kleinen Stellwege von Piezoaktoren mittels verschiedener Prinzipien aufaddiert, so dass sehr große Stellwege erreicht werden können. Je nach Motorprinzip arbeiten Piezomotoren quasistatisch oder resonant.

=== Elektrische Bauelemente ===
Bei diesen Anwendungen wird eine mechanische Schwingung eines piezoelektrischen Festkörpers elektrisch angeregt und wieder elektrisch detektiert. Es wird grundlegend zwischen zwei Typen unterschieden
* Volumenresonatoren, bei denen im Wesentlichen das gesamte piezoelektrische Element schwingt. Die wichtigsten Vertreter sind [[Schwingquarz]]e und keramische Filter.
* SAW-Bauelemente basieren auf [[Akustische Oberflächenwelle|akustischen Oberflächenwellen]] (engl. ''surface acoustic wave'', SAW). Beispiele sind [[SAW-Filter]] und Verzögerungsleitungen.

Als Bauelement findet der [[Piezoelektrischer Transformator|piezoelektrische Transformator]] Anwendung als eine Form des [[Resonanztransformator]]s zur Erzeugung der Hochspannung im Bereich der [[Resonanzwandler|Inverter]]. Er dient zur Versorgung von [[Leuchtröhre]]n (CCFL), wie sie als Hintergrundbeleuchtung bei [[Flüssigkristallanzeige]]n verwendet werden.

=== Weitere Anwendungen ===
[[Datei:Feuerzeug Johannes Rau, schwarz -2992.jpg|mini|Piezofeuerzeug]]
Der piezoelektrische Effekt findet Verwendung in [[Piezofeuerzeug]]en, hier wird in einem Piezozünder ein plötzlicher großer Druck (Hammer) verwendet, um eine kurzzeitige hohe elektrische Spannung zu erzeugen. Die [[Funkenentladung]] zündet dann die Gasflamme. Aufschlagzünder wie in den Gefechtsköpfen von Panzerabwehrwaffen (Panzerfaust/[[RPG-7]]), [[Piezomikrofon]]e (Kristallmikrofone), [[Ferroelektrischer Lautsprecher|Piezo-Lautsprecher]] in Kopfhörern, batterielose Funkschalter, Piezo-Sirenen und -[[Buzzer|Summer]] sind weitere Verwendungen.

Eine Reihe von mikromechanischen Sensoren macht sich Piezoelektrizität zunutze, z.&nbsp;B. [[Beschleunigungssensor]]en, [[Drehratensensor|Drehraten]]-, [[Drucksensor|Druck]]- und [[Kraftsensor]]en sowie Ultraschallsensoren, Mikrowaagen und [[Klopfsensor]]en in Kraftfahrzeugmotoren.

Auch manche mikromechanische [[Aktor]]en basieren auf Piezoelektrizität: [[Piezomotor]]en (Squiggler), [[Ultraschallmotor]]en, z.&nbsp;B. für die [[Objektivautofokussierung]] oder [[Uhr]]enantriebe, im Bereich der Mikro- und [[Nanopositioniersystem]]e sind [[Rastertunnelmikroskop]], [[Rasterelektronenmikroskop]] und das [[Rasterkraftmikroskop]] piezoelektrisch angetriebene Systeme. In der [[Ventil]]technik sind [[Einspritzdüse (Dieselmotor)|Einspritzdüsen]] von Pkw (Serienstart 2000 für Dieselmotoren), Proportional-Druckregler und [[Druckkopf|Druckköpfe]] von [[Tintenstrahldrucker]]n zu erwähnen. [[Tonabnehmer]], elektroakustische [[Verzögerungsleitung]]en wie in älteren [[Phase Alternating Line|PAL]]- oder [[SECAM]]-Farbfernsehgeräten, [[batterielose Funktechnik]] (Schalter) und [[Modulator (Optik)|optische Modulatoren]] sind ebenfalls piezoelektrische Bauteile. Die [[Zuführtechnik]] verwendet viele der genannten Bauteile. Der piezoelektrische Kristall wird zudem zur Erzeugung von kaltem [[Atmosphärendruckplasma]] genutzt, das vor allem für die [[Oberflächenenergie|Oberflächenaktivierung]], [[Keim]]reduktion und [[Geruch]]sreduktion in der Medizin eingesetzt wird.<ref>{{Internetquelle |autor=Stefan Nettesheim |url=http://www.relyon-plasma.com/wp-content/uploads/2016/06/technical-note-innovative-plasma-generator-29-10-2015.pdf |titel=Innovative plasmagenerator in piezo technology:Applications in medicine and medicaltechnology |werk= |hrsg= |datum=2015-10-29 |format=PDF |sprache=en |abruf=2019-03-05}}</ref>

== Ähnliche Effekte ==
* [[Pyroelektrizität]]
* [[Piezoresistiver Effekt]]

== Weblinks ==
{{Commonscat|Piezoelectricity}}
* [http://www.piezomat.eu PiezoMat.eu] – Online-Datenbank zu piezoelektrischen Materialien, ihren Eigenschaften und Anwendungen
* [https://piezotransfer.de/ Piezotransfer.de] – Plattform für gebündeltes Wissen der Piezokeramikbranche
* [http://www.piezoeffekt.de/intro.php Der Piezoeffekt bei Kristallen]
* [http://www.physikinstrumente.de/de/produkte/piezo_tutorium.php?#tutorial Piezo-Tutorium] – Piezoaktorik in der Präzisionsstelltechnik
* [http://www.keramverband.de/brevier_dt/3/4/2/3_4_2_8.htm Brevier Technische Keramik] – Bleizirkonattitanat, piezoelektrischer Effekt
* [https://www.piezosystem.de/piezopedia/piezotheorie/ Piezofibel – Wissenswertes zur Piezomechanik]
* [[:en:Piezoelectric direct discharge plasma|Piezoelectric direct discharge plasma]] – Plasmaerzeugung
* [https://de.f3lix-tutorial.com/piezo-constants Piezoelektrische Konstanten einfach erklärt]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4322722-3|LCCN=sh85102071|NDL=00560405}}

{{SORTIERUNG:Piezoelektrizitat}}
[[Kategorie:Theoretische Elektrotechnik]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Sensorik]]