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Wie funktioniert Piezoelektrik:Ein vollständiger ultimativer Leitfaden

Die meisten modernen Geräte verwenden Piezoelektrizität als Komponente ihrer Leiterplatten (PCBs). Zum Beispiel benötigt Ihre Quarzuhr Piezoelektrizität, um die Zeit zu regulieren. Außerdem benötigen Mikrofone und sogar Ihre geliebte Siri es auch für die Spracherkennung. Aber wie funktioniert Piezoelektrik? Alle piezoelektrischen Materialien haben einzigartige Eigenschaften. Und diese Eigenschaften ermöglichen es ihnen, sich nahtlos in die meisten modernen Technologien zu integrieren, um eine perfekte Mischung zu bieten. In diesem Artikel geben wir Ihnen eine vollständige Anleitung, wie Piezoelektrizität für den täglichen Gebrauch funktioniert.

Wie funktioniert Piezoelektrik

Illustration der Mechanik der Piezoelektrizität.

Quelle: https://www.audiowell.com/technology/187.html

Piezoelektrik war ein Begriff, der von den Brüdern zweier französischer Wissenschaftler, Jacques und Pierre Curie, geprägt wurde. Nach der Entdeckung, dass Druck auf zwei Quarze (oder bestimmte Kristalle) eine elektrische Ladung erzeugt.

Piezo kommt vom griechischen Wort „Stück hinein“. ,’ was Drücken oder Drücken bedeutet. Daher bedeutet Piezoelektrizität „Elektrizität quetschen“. Nämlich das Pressen von zwei Kristallen, um elektrische Energie zu erzeugen. Der Piezokristall hilft dabei, mechanische (Schallenergie) in elektrische Signale umzuwandeln, die das elektrische Gerät interpretieren kann.

Diese Technologie befindet sich derzeit in rasanter Entwicklung. Und viele Unternehmen nutzen dieses Phänomen derzeit als Grundlage für fortschrittlichere Technologien. Der neue keramische Audio-Tonwandler ist beispielsweise das geistige Kind der Piezoelektrizität.

Was ist der piezoelektrische Effekt?

Abbildung des piezoelektrischen Effekts.

Der piezoelektrische Effekt ist die Fähigkeit, zwei bestimmte Materialien zusammenzupressen, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Das Anwenden von mechanischer Spannung auf diese Materialien trägt dazu bei, eine abwechselnd negative und positive Ladung auf dem Material zu erzeugen, wodurch ein aktives elektrisches Feld entsteht.

Diese einzigartige Eigenschaft der Piezoelektrizität ist jedoch auch reversibel. Materialien, die einen direkten piezoelektrischen Effekt zeigen, können auch einen inversen piezoelektrischen Effekt zeigen.

Der inverse piezoelektrische Effekt ist in vielen Bereichen hilfreich, in denen es um die Erzeugung, Erfassung und Verteilung von Schall geht. Dazu gehören auch Mikrowaagen, Zündquellenmechanik, elektronische Frequenzerzeugung, Erzeugung von Hochspannungen etc.

Direkter piezoelektrischer Effekt

Illustration von Piezoelektrik und umgekehrter Piezoelektrik.

Quelle: https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

Wie bereits erwähnt, erzeugt das Zusammendrücken eines piezoelektrischen Kristalls Piezoelektrizität.

Wenn Sie in der Abbildung ein nicht leitendes piezoelektrisches Material zwischen zwei Metallplatten platzieren und diese zusammendrücken oder zusammendrücken, erzeugen sie einen elektrischen Strom. Die Metallplatten wirken als Übermittler dieses elektrischen Stroms.

Der erzeugte elektrische Strom erzeugt einen Strom – bekannt als piezoelektrischer Effekt.

Umgekehrter piezoelektrischer Effekt

Sie erzeugen ein inverses Piezoelektrikum, wenn Sie eine elektrische Gleichspannung anlegen, um ein piezoelektrisches Material auszudehnen oder zu schrumpfen. Dadurch entsteht ein umgekehrter piezoelektrischer Effekt – der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt.

Die Verwendung dieses Verfahrens hilft bei der Herstellung von Geräten, die akustischen Ton erzeugen, z. B. piezoelektrische Lautsprecher und piezoelektrische Mikrofone. Solche piezoelektrischen Vorrichtungen sind sehr funktionell, da sie dünn sind und in verschiedene kleine Geräte passen. Ebenso gilt das gleiche Prinzip für Geräte wie Sonarwandler und medizinischen Ultraschall.

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

Piezoelektrische Materialien

Verschiedene Materialien, sowohl natürliche als auch künstliche, weisen piezoelektrische Effekte auf. Wenn Sie Druck ausüben (mechanische Belastung) und sich unter Hochspannung verformen, erzeugen sie Strom.

Diese Materialien sind in der Regel nicht leitfähig. Und nur so kann der piezoelektrische Effekt entstehen.

Die piezoelektrischen Materialien gibt es in zwei Hauptkategorien:

Beispiele für natürlich vorkommende piezoelektrische Materialien sind Berlinit, Quarz, Rochelle-Salz, Turmalin usw. Beispiele für künstliche piezoelektrische Materialien umfassen Bleizirkonattitanat (PZT), Bariumtitanat, Rohrzucker und Lithiumniobat.

Im Vergleich zu biologischen Materialien sind hergestellte Materialien effektiver und haben eine bessere Materialausnutzung. Beispielsweise erzeugt Blei-Zirkonat-Titanat eine höhere Spannung als Quarz, wenn Sie den gleichen Druck ausüben, und dies gilt, wenn Sie einen Hochspannungsstrom an die beiden Materialien anlegen.

Piezoelektrische Materialien

Anwendungen

Piezoelektrischer Funkengeneratorbrenner auf einem Gasherdbrenner

Piezoelektrische Wandler und Sensoranwendungen sind heute allgegenwärtig. Heutzutage gibt es wahrscheinlich in jedem Gerät auf dem Markt piezoelektrisches Material.

Nehmen Sie zum Beispiel diese U-Bahn in Tokio. Es nutzt das Prinzip als alternative Energiequelle.

Hier einige typische Alltagsanwendungen des piezoelektrischen Prinzips.

Piezosensor

Piezoelektrische Sensoren wandeln eine physikalische Größe in eine Kraft um, die auf zwei gegenüberliegende Flächen des Sensorelements wirkt. Vereinfacht ausgedrückt erfassen die Sensoren die durch Schall verursachten Druckschwankungen.

Sie benötigen keine externe Spannungsquelle und arbeiten, um Ergebnisse aus dem angelegten Druck zu erzeugen.

Piezoelektrische Sensoren sind anfällig und eignen sich daher perfekt für Hochfrequenzschallgeräte wie Ultraschallwandler für die medizinische Bildgebung und die Überwachung industrieller Maschinen.

Piezoelektrische Sensoren haben die folgenden Hauptmerkmale;

Hochspannungs- und Stromquellen

Zigarettenanzünder nach dem piezoelektrischen Prinzip

Dies ist die beliebteste praktische Anwendung des piezoelektrischen Prinzips, die es gibt. Die besten Beispiele sind Gasgrills und elektrische Zigarettenanzünder. Außerdem müssen Sie nur einen Knopf drücken, und ein federbelasteter Hammer trifft auf einen piezoelektrischen Kristall. Das erzeugt dann einen ausreichenden Funken, der bewirkt, dass eine elektrische Ladung das Gas entzündet.

Motoren

Der Hauptvorteil des piezoelektrischen Effekts ist die winzige Änderung in Übereinstimmung mit Hochspannungsanwendungen – was ihn perfekt für den Einsatz mit extremer Genauigkeit bei der Positionierung macht.

Aus diesem Grund haben piezoelektrische Motoren viele Vorteile gegenüber herkömmlichen elektromagnetischen Motoren. Außerdem bieten sie eine größere Kraft und ein höheres Drehmoment, obwohl sie im Allgemeinen kleiner und kompakter sind.

Darüber hinaus beeinträchtigen elektromagnetische Felder nicht die Leistung von piezoelektrischen Geräten, wodurch sie besser für schnelles Starten und Stoppen geeignet sind.

Piezoelektrische Aktuatoren

Abbildung eines piezoelektrischen Aktuators.

Quelle: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

Aktuatoren nutzen den inversen piezoelektrischen Effekt, um Geräte wie Blindenschrift und Strickmaschinen anzutreiben. Innerhalb des Aktuatorsystems sitzt ein piezoelektrisches Material zwischen einer Metallplatte und einer Aktuatorvorrichtung.

Das Anlegen eines Hochspannungsstroms an dieses System bewirkt, dass sich das piezoelektrische Material in Intervallen ausdehnt und zusammenzieht, wodurch sich der Aktuator rhythmisch bewegt.

Diese Aktuatoren sind von Vorteil, insbesondere bei Geräten, die eine präzise Positionierung erfordern, wie z. B. Spiegel in Satelliten. Aufgrund ihres einfachen Designs und der minimalen beweglichen Teile eignen sie sich auch hervorragend für miniaturisierte Geräte wie Videokameras und Mobiltelefone.

Vor- und Nachteile der Piezoelektrizität

Trotz aller Lobeshymnen hat die Piezoelektrizität auch einige Einschränkungen. Hier sind einige der wichtigsten Vor- und Nachteile der Piezoelektrizität.

Vorteile Nachteile
Betrieb bei jeder Temperatur Ihre Vibrationsempfindlichkeit macht sie anfällig für zufällige Vibrationen.
Keine Wirkung durch das elektromagnetische Feld. Manchmal passt die Steifigkeit des piezoelektrischen Materials nicht zum Anwendungsmaterial, z. B. Pflaster.
Haben einen geringen CO2-Fußabdruck, was sie zur besten Alternative für fossile Brennstoffe macht
Hochgradig wiederverwendbare Materialien
Ihre winzige Reaktion auf hohe Frequenzen macht sie zu den besten Energy Harvestern.

Piezoelektrische Generatoren

Ein piezoelektrischer Generator (auch bekannt als PEGs) verwendet Piezosensoren, um mechanische Energie ohne physische Rotation in elektrische Energie umzuwandeln – was typischerweise in herkömmlichen Generatoren zu finden ist. Daher gibt es piezoelektrische Generatoren in kleinen, kompakten und sehr handlichen Größen.

In dieser Generation sind piezoelektrische Generatoren ein sehr willkommener Durchbruch in der Stromerzeugung. Obwohl noch nicht erreicht, besitzen sie die Kraft, den Traum von drahtlosen elektronischen Geräten mit eigener Stromversorgung Wirklichkeit werden zu lassen.

Es mag noch ein langer Weg sein, bis wir diesen Traum verwirklichen können; Piezoelektrische Generatoren haben sich jedoch als zuverlässige, stabile und äußerst langlebige Energiequellen erwiesen. Experten glauben, dass es nicht mehr lange dauern wird, bis piezoelektrische Generatoren einen großen Teil unseres Strombedarfs ersetzen können.

Piezoelektrische Generatoren – Vorteile und Einschränkungen

Vorteile

Zweitens gewinnen Piezoelemente Energie, die sonst verschwendet würde. Beispielsweise erfasst ein an einem Steg angebrachter Piezomotor die Schwingungen der Fußarbeit und wandelt sie in elektrische Energie um. Dies dient als alternative Energiequelle und als Möglichkeit, Lärm aus der Umgebung zu reduzieren.

Einschränkungen

Schlussfolgerung

Also, wie funktioniert Piezoelektrik? Zusammenfassend lässt sich sagen, dass piezoelektrische Materialien mechanische Energie bequem in elektrische Energie umwandeln können. Die einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien machen sie in vielen Technologiebereichen äußerst nützlich. Besonders Bereiche, die eine genaue Positionierung erfordern.

Die Anwendungen der piezoelektrischen Technologie sind grenzenlos und es gibt viele Möglichkeiten zu erforschen. Tech-Hersteller wie WellPCB stehen an vorderster Front bei der Integration dieser Technologie in den täglichen Gebrauch.


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