Direkte und umgekehrte piezoelektrische Effekte. Alphabetischer Index Beschreibung des piezoelektrischen Effekts

Der piezoelektrische Effekt (piezoelektrischer Effekt) wird in Kristallen einiger Substanzen beobachtet, die eine bestimmte Symmetrie aufweisen. Zu den häufigsten piezoelektrischen Mineralien in der Natur gehören Quarz, Turmalin, Sphalerit und Nephelin. Einige polykristalline Dielektrika mit geordneter Struktur (keramische Materialien und Polymere) verfügen über den piezoelektrischen Effekt. Als Dielektrika werden piezoelektrische Effekte bezeichnetPiezoelektrika.

Reis. 1

Äußere mechanische Kräfte, die in bestimmte Richtungen auf einen piezoelektrischen Kristall einwirken, verursachen in ihm nicht nur mechanische Verformung (wie in jedem Festkörper), sondern auch elektrische Polarisation, d. h. das Auftreten elektrischer Ladungen unterschiedlichen Vorzeichens auf seinen Oberflächen (Abb. 1a, F- wirkende Kräfte, P - elektrischer Polarisationsvektor). Wenn die mechanischen Kräfte in die entgegengesetzte Richtung wirken, ändern sich die Vorzeichen der Ladungen(Abb. 1b). Dieses Phänomen nennt mandirekter piezoelektrischer Effekt(Abb. 2a).

Reis. 2

Aber Der piezoelektrische Effekt ist reversibel. Wenn ein Piezoelektrikum einem elektrischen Feld in der entsprechenden Richtung ausgesetzt wird, treten in ihm mechanische Verformungen auf (Abb. 1c).Wenn sich die Richtung des elektrischen Feldes ändert, ändern sich die Verformungen entsprechend(Abb. 1d). Dieses Phänomen nennt manumgekehrter piezoelektrischer Effekt(Abb. 2b) .

Piezoelektrischer Effektwird wie folgt erklärt. Im Kristallgitter gibt es aufgrund der Nichtübereinstimmung der Zentren positiver und negativer Ionen eine volumetrische elektrische Ladung. Ohne ein äußeres elektrisches Feld tritt diese Polarisation nicht auf, da sie durch Ladungen an der Oberfläche kompensiert wird. Bei der Verformung des Kristalls werden die positiven und negativen Ionen des Gitters relativ zueinander verschoben und das elektrische Moment des Kristalls ändert sich entsprechend, was zur Entstehung von Potentialen auf der Oberfläche führt. Es ist diese Änderung des elektrischen Drehmoments, die sich im piezoelektrischen Effekt manifestiert. Der piezoelektrische Effekt hängt nicht nur von der Stärke des mechanischen oder elektrischen Stoßes ab, sondern auch von der Art und Richtung der Kräfte relativ zu den kristallographischen Achsen des Kristalls.

Die aus dem piezoelektrischen Effekt resultierenden Verformungen des Piezoelektrikums sind im absoluten Wert unbedeutend. Beispielsweise ändert eine 1 mm dicke Quarzplatte unter dem Einfluss einer Spannung von 100 V ihre Dicke nur um 0,23 Mikrometer. Die unbedeutende Verformung von Piezoelektrika erklärt sich aus ihrer sehr hohen Steifigkeit.

Die direkten und inversen piezoelektrischen Effekte sind linear und werden durch lineare Abhängigkeiten beschrieben, die die elektrische Polarisation P mit der mechanischen Spannung g verbinden:

Р=αg (1).

Diese Abhängigkeit wird als Gleichung des direkten piezoelektrischen Effekts bezeichnet. Der Proportionalitätskoeffizient α wird als piezoelektrisches Modul (piezoelektrisches Modul) bezeichnet. Sie dient als Maß für den piezoelektrischen Effekt. Der inverse piezoelektrische Effekt wird durch die Abhängigkeit beschrieben

r=αE (2),

wobei r die Verformung ist;

E ist die elektrische Feldstärke.

Reis. 3

Der piezoelektrische Modul α für direkte und umgekehrte Wirkung hat den gleichen Wert. Piezoelektrische Emitter haben keine mechanischen Kontakte und bestehen aus einem Keramikelement, das auf einer Metallscheibe montiert ist (Abb. 3).Die Vibration der Scheibe wird durch die an sie angelegte Spannung verursacht. Eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz erzeugt ein Tonsignal. Piezoelektrische Emitter unterliegen keinem mechanischen Verschleiß der Strukturelemente, haben einen geringen Energieverbrauch und kein elektrisches Rauschen. Mit Hilfe von Piezokeramik ist es möglich, eine erhebliche Lautstärke zu erzielen. Einige Proben von piezokeramischen Wandlern können in einer Entfernung von 1 m einen Schalldruck von bis zu 130 dB (Schmerzschwellenwert) entwickeln.

Reis. 4

Piezoelektrische Emitter sind in zwei Modifikationen erhältlich:

- „reine“ Wandler (ohne Steuerkreis) - Piezoglocken;
- Sender mit Steuerkreis (mit eingebautem Generator) - Sirenen.

Damit Wandler des ersten Typs Töne erzeugen können, sind generierte Steuersignale erforderlich (Sinuswelle oder Rechteckwelle einer bestimmten Frequenz, die für ein bestimmtes Wandlermodell festgelegt ist). Strahler mit eingebautem Generator benötigen nur ein bestimmtes Spannungsniveau. Solche Geräte sind für Nennspannungen von 1 bis 250 V (DC und AC) erhältlich.

Zum Beispiel die piezokeramische Glocke (Piezo-Summer) ZP-1 (Abb. 4)besteht aus zwei piezoelektrischen Blöcken, deren Membran jeweils in Form einer flachen Platte mit einem Außendurchmesser von 32 mm gefertigt ist. Die Platten werden gegenläufig gestapelt und am Außenrand verlötet. Die Piezoelemente in der Glocke sind so verschaltet, dass bei Anlegen einer Wechselspannung die Oberflächen der Platten entweder konvergieren oder divergieren, d. h. Auf beiden Seiten der Glocke bilden sich Kompressions- und Verdünnungszonen. Die Resonanzfrequenz der Glocke beträgt 2 kHz.

Reis. 5

Sie erzeugt in 1 m Entfernung bei einer Spannung mit der Resonanzfrequenz von 10 V einen Schalldruck von 75 dB. Diese Glocke strahlt Schallwellen gleichmäßig in beide Halbräume ab. In Tabelle 1Es werden die Parameter anderer Piezostrahler angegeben, deren Aussehen in Abb. 5 dargestellt ist. In Abb.6 Es werden die Amplituden-Frequenz-Eigenschaften von Piezoelementen vorgestellt: PVA-1- Abb.6a und ZP-5 - Abb.6b.

Tabelle 1 Eigenschaften von Piezo-Emittern

Typ	Klang Druck, DB	Arbeiten Stromspannung,	Resonant Frequenz, kHz	Abmessungen, mm
				Durchmesser	Höhe
ZP-1			1...3
ZP-3			4,1 ±0,05	42,7
ZP-4			4,1 ± 0,05
ZP-5			1...3
ZP-6			4,1 ± 0,05
ZP-18			4,1 ±0,05
ZP-19
ZP-22*			1 ...3,5
ZP-25			4,1 ±0,05
ZP-31
PVA-1
PPA-1

Notiz: * - für den Betrieb im selbstoszillierenden Modus ausgelegt.

Reis. 6, Amplituden-Frequenz-Eigenschaften von Piezoelementen

A. Kaschkarow

Inhalt:
Piezoelektrischer Effekt
Piezoelektrika – Einkristalle
Quarz
Turmalin
Rochelle-Salz
Ammoniumdihydrogenphosphat
Kaliumtartrat
Lithiumniobat
Polykristalline Piezoelektrika
Piezoelektrische Texturen
Piezoelektrische Keramik
Merkmale der Herstellungstechnologie keramischer Piezoelemente
Industrielle piezokeramische Materialien und Piezoelektrika – Polymere
Materialien auf Bariumtitanatbasis
Materialien auf Basis fester Lösungen von Titanat – Bleizirkonat
Materialien auf der Basis von Bleimethaniobat
Piezoelektrika – Polymere

Piezoelektrischer Effekt

Im Jahr 1756 entdeckte der russische Akademiker F. Epinus, dass beim Erhitzen eines Turmalinkristalls elektrische Ladungen auf seinen Flächen erscheinen. Dieses Phänomen erhielt später den Namen pyroelektrischer Effekt. F. Epinus ging davon aus, dass die Ursache der bei Temperaturänderungen beobachteten elektrischen Phänomene die ungleichmäßige Erwärmung zweier Oberflächen ist, die zum Auftreten mechanischer Spannungen im Kristall führt. Gleichzeitig wies er darauf hin, dass die Konstanz der Polverteilung an bestimmten Enden des Kristalls von seiner Struktur und Zusammensetzung abhängt, wodurch F. Epinus der Entdeckung des piezoelektrischen Effekts nahe kam.

Der piezoelektrische Effekt in Kristallen wurde 1880 von den Brüdern P. und J. Curie entdeckt, die das Auftreten elektrostatischer Ladungen auf der Oberfläche von Platten beobachteten, die in einer bestimmten Ausrichtung unter dem Einfluss mechanischer Beanspruchung aus einem Quarzkristall geschnitten wurden. Diese Ladungen sind proportional zur mechanischen Belastung, wechseln mit ihr das Vorzeichen und verschwinden, wenn sie entfernt wird.

Die Bildung elektrostatischer Ladungen auf der Oberfläche eines Dielektrikums und das Auftreten einer elektrischen Polarisation im Inneren durch mechanische Beanspruchung wird als direkter piezoelektrischer Effekt bezeichnet.

Neben dem direkten gibt es einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt, der darin besteht, dass in einer aus einem piezoelektrischen Kristall geschnittenen Platte unter dem Einfluss eines an sie angelegten elektrischen Feldes eine mechanische Verformung auftritt; Darüber hinaus ist die Größe der mechanischen Verformung proportional zur elektrischen Feldstärke.

Der inverse piezoelektrische Effekt sollte nicht mit dem Phänomen der Elektrostriktion verwechselt werden, also mit der Verformung des Dielektrikums unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Bei der Elektrostriktion besteht ein quadratischer Zusammenhang zwischen Verformung und Feld, beim piezoelektrischen Effekt ein linearer Zusammenhang. Darüber hinaus tritt Elektrostriktion in einem Dielektrikum jeglicher Struktur und sogar in Flüssigkeiten und Gasen auf, während der piezoelektrische Effekt nur in festen Dielektrika, hauptsächlich kristallin, beobachtet wird.

Piezoelektrizität tritt nur dann auf, wenn die elastische Verformung des Kristalls mit einer Verschiebung der Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen der Elementarzelle des Kristalls einhergeht, also ein individuelles Dipolmoment hervorruft, das notwendig ist für das Auftreten einer elektrischen Polarisation des Dielektrikums unter dem Einfluss mechanischer Beanspruchung. In Strukturen, die ein Symmetriezentrum haben, kann keine gleichmäßige Verformung das innere Gleichgewicht des Kristallgitters stören, und daher sind nur 20 Klassen von Kristallen, die kein Symmetriezentrum haben, piezoelektrisch. Das Fehlen eines Symmetriezentrums ist eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für die Existenz des piezoelektrischen Effekts und daher weisen ihn nicht alle azentrischen Kristalle auf.

Der piezoelektrische Effekt kann in festen amorphen und kryptokristallinen Dielektrika (nahezu isotrop) nicht beobachtet werden, da dies im Widerspruch zu ihrer sphärischen Symmetrie steht. Die Ausnahme besteht dann, wenn sie unter dem Einfluss äußerer Kräfte anisotrop werden und dadurch teilweise die Eigenschaften von Einkristallen annehmen. Der piezoelektrische Effekt ist auch bei einigen Arten kristalliner Texturen möglich.

Der piezoelektrische Effekt hat im Rahmen der modernen Atomtheorie des Kristallgitters bisher keine zufriedenstellende quantitative Beschreibung gefunden. Selbst für Strukturen einfachster Art ist es unmöglich, die Ordnung der piezoelektrischen Konstanten auch nur annähernd zu berechnen.

Derzeit wurde eine phänomenologische Theorie des piezoelektrischen Effekts entwickelt, die Verformungen und mechanische Spannungen mit dem elektrischen Feld und der Polarisation in Kristallen verbindet. Es wurde ein Parametersystem etabliert, das die Wirksamkeit des Kristalls als Piezoelektrikum bestimmt. Das piezoelektrische Modul (Piezomodul) d bestimmt die Kristallpolarisation (oder Ladungsdichte) bei einer gegebenen angelegten mechanischen Spannung; die piezoelektrische Konstante bestimmt die mechanischen Kräfte, die in einem eingespannten Kristall unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes entstehen; die piezoelektrische Konstante g charakterisiert die elektrische Spannung in einem offenen Stromkreis bei gegebener mechanischer Belastung; und schließlich bestimmt die piezoelektrische Konstante h die elektrische Spannung im Leerlauf bei gegebener mechanischer Verformung. Bei diesen Konstanten handelt es sich um verwandte Größen, die durch Beziehungen zueinander in Beziehung stehen, zu denen elastische Konstanten und die Dielektrizitätskonstante von Kristallen gehören. Daher kann jede dieser Konstanten verwendet werden. Das am häufigsten verwendete piezoelektrische Modul ist d. Piezoelektrische Konstanten sind Tensoren und daher kann jeder Kristall mehrere unabhängige Piezomodule haben.

Im Allgemeinen lautet die Gleichung für den direkten piezoelektrischen Effekt unter dem Einfluss einer gleichmäßigen mechanischen Spannung Tr wie folgt:

Wobei Pi die Polarisationsvektorkomponente ist; dir - Piezomodul; Tr ist die mechanische Spannungskomponente.

Die Gleichung des inversen piezoelektrischen Effekts lautet wie folgt:

Dabei ist Xi die elastische Verformungskomponente; Er ist die Komponente der elektrischen Feldstärke.

Da es sich bei jedem Piezoelektrikum um einen elektromechanischen Wandler handelt, ist sein wichtiges Merkmal der elektromechanische Kopplungskoeffizient r. Das Quadrat dieses Koeffizienten stellt das Verhältnis der in mechanischer Form manifestierten Energie für eine bestimmte Verformungsart zur gesamten elektrischen Energie dar, die am Eingang von der Stromquelle empfangen wird.

In vielen Fällen von Piezoelektrika sind ihre elastischen Eigenschaften, die durch Elastizitätsmodule C (Young-Moduli Eyu) oder deren Umkehrgrößen – elastische Konstanten S – beschrieben werden, von wesentlicher Bedeutung.

Bei der Verwendung von piezoelektrischen Elementen als Resonatoren wird in manchen Fällen ein Frequenzkoeffizient eingeführt, der sich aus dem Produkt aus der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements und der geometrischen Größe ergibt, die die Art der Schwingung bestimmt. Dieser Wert ist proportional zur Schallgeschwindigkeit in Ausbreitungsrichtung der elastischen Wellen im piezoelektrischen Element.

Derzeit sind viele Substanzen bekannt (mehr als 500), die eine piezoelektrische Aktivität gezeigt haben. Allerdings finden nur wenige davon praktische Anwendung.

Piezoelektrika – Einkristalle

Quarz. Quarz ist ein in der Natur weit verbreitetes Mineral; unterhalb einer Temperatur von 573 Grad Celsius kristallisiert es in der trigonal-trapezoedrischen Klasse des hexagonalen Systems. Es gehört zur Klasse der Enantiomorphen und kommt in der Natur in zwei Modifikationen vor: rechts und links.

Die chemische Zusammensetzung von Quarz ist wasserfreies Siliziumdioxid (SiO2) mit einem Molekulargewicht von 60,06.

Quarz ist eines der härtesten Mineralien und weist eine hohe chemische Beständigkeit auf.

Die äußeren Formen natürlicher Quarzkristalle sind sehr vielfältig. Die häufigste Form ist eine Kombination aus einem sechseckigen Prisma und Rhomboedern (Pyramidenflächen). Die Flächen des Prismas weiten sich zur Basis des Kristalls hin aus und weisen auf der Oberfläche eine horizontale Schattierung auf.

Für die Verwendung in piezoelektrischen Geräten geeigneter Quarz kommt in der Natur in Form von Kristallen, deren Fragmenten und abgerundeten Kieselsteinen vor. Die Farbe reicht von farblos-transparent (Bergkristall) bis schwarz (Morion).

Typischerweise weisen natürliche Quarzkristalle verschiedene Mängel auf, die ihren Wert mindern. Zu den Mängeln zählen Einschlüsse von Fremdmineralien (Rutilchlorit), Risse, Blasen, Geisterbilder, blaue Nadeln, Streifen und Zwillinge.

Derzeit werden neben natürlichen auch synthetische Quarzkristalle verwendet, die in Autoklaven bei erhöhten Temperaturen und Drücken aus mit Siliziumdioxid gesättigten alkalischen Lösungen gezüchtet werden.

Die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz werden in der Technik häufig zur Stabilisierung und Filterung von Radiofrequenzen, zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen und zur Messung mechanischer Größen (Piezometrie) genutzt.

Turmalin. Turmalin kristallisiert in der trigonal-pyramidalen Klasse des trigonalen Systems. Die Kristalle sind prismatisch mit Längsschraffur, länglich, oft nadelförmig.

Turmalin ist von seiner chemischen Zusammensetzung her ein komplexes Aluminiumborosilikat mit Verunreinigungen aus Magnesium, Eisen oder Alkalimetallen (Na, Li, K).

Die Farbe reicht von schwarz bis grün, auch rot bis einfarbig, seltener farblos. Beim Reiben wird es elektrisiert und hat eine starke pyroelektrische Wirkung.

Turmalin ist in der Natur weit verbreitet, allerdings sind die Kristalle in den meisten Fällen voller Risse. Defektfreie Kristalle, die für piezoelektrische Resonatoren geeignet sind, sind selten.

Der Hauptvorteil von Turmalin ist der höhere Wert des Partialkoeffizienten im Vergleich zu Quarz. Dadurch sowie aufgrund der höheren mechanischen Festigkeit des Turmalins ist es möglich, Resonatoren für höhere Frequenzen herzustellen.

Derzeit wird Turmalin kaum für die Herstellung piezoelektrischer Resonatoren verwendet und ist nur begrenzt für die Messung des hydrostatischen Drucks geeignet.

Rochette-Salz. Rochelle-Salz kristallisiert in der rhombotetraedrischen Klasse des rhombischen Systems. Die Zugehörigkeit zur enantiomorphen Klasse bestimmt die theoretische Möglichkeit der Existenz rechts- und linksdrehender Kristalle des Rochelle-Salzes. Allerdings sind Rochelle-Salzkristalle, die aus Weinabfällen gewonnen werden, nur rechtsseitig.

Zum Schutz vor Feuchtigkeit werden Piezoelemente aus Rochelle-Salz mit dünnen Lackfilmen überzogen.

Piezoelektrische Elemente aus Rochelle-Salz wurden häufig in Geräten verwendet, die in einem relativ engen Temperaturbereich betrieben wurden, insbesondere in Tonabnehmern. Derzeit werden sie jedoch fast vollständig durch keramische Piezoelemente ersetzt.

Ammoniumdihydrogenphosphat. Ammoniumdihydrogenphosphat kristallisiert im tetragonalen System. Die Kristalle sind eine Kombination aus einer tetragonalen Pyramide und einem Prisma.

Dihydrogenphosphatkristalle enthalten kein kristallisiertes Wasser und dehydrieren nicht. Bei 93 % relativer Luftfeuchtigkeit beginnen die Kristalle, Feuchtigkeit aufzunehmen und sich aufzulösen.

Ammoniumdihydrogenphosphat schmilzt bei einer Temperatur von 190 Grad Celsius, oberhalb von 100 Grad beginnt Ammoniak jedoch von der Kristalloberfläche zu verdampfen. Dadurch wird die Obergrenze der Betriebstemperaturen begrenzt.

Aufgrund der weit verbreiteten Entwicklung piezoelektrischer Keramik ist die Verwendung von Ammoniumdihydrogenphosphat derzeit begrenzt.

Kaliumtartrat. Kaliumtartrat (Symbol VK) kristallisiert in einem Einkristallsystem.

Resonatoren aus VC weisen hohe Gütefaktoren und elektromechanische Kopplungskoeffizienten auf. Sie können Quarz in Fernfiltern ersetzen.

Lithiumniobat. Lithiumniobat ist ein synthetischer Kristall, der in der ditrigonal-pyramidalen Klasse des rhomboedrischen Systems kristallisiert.

Lithiumniobat ist wasserunlöslich, zersetzt sich bei hohen Temperaturen nicht und weist eine hohe mechanische Festigkeit auf. Von den elektrischen Eigenschaften her handelt es sich um ein Ferroelektrikum mit einer Curie-Temperatur von etwa 1200 Grad Celsius.

Aufgrund seiner hohen piezoelektrischen und mechanischen Eigenschaften, einschließlich des hohen Qualitätsfaktors, ist Lithiumniobat ein vielversprechendes Material für die Herstellung von Konvertern für verschiedene Zwecke. Dünne (etwa einen Mikrometer dicke) Filme aus Lithiumniobat, die durch Kathodenzerstäubung im Vakuum gewonnen werden, sind orientierte polykristalline Texturen, die als Sender und Empfänger von Ultraschallschwingungen im Mikrowellenbereich verwendet werden können.

Polykristalline Piezoelektrika.

Piezoelektrische Texturen. Texturen, bei denen es sich um eine Reihe piezoelektrischer Kristalle handelt, die in einer bestimmten Weise im Raum ausgerichtet sind und kein Symmetriezentrum haben, können einen piezoelektrischen Effekt haben. Der piezoelektrische Effekt in der Textur des Rochelle-Salzes wurde von A. V. Shubnikov entdeckt; Er begründete auch die Grundprinzipien des piezoelektrischen Effekts in ähnlichen Medien. Piezotexturen aus Rochelle-Salz, die durch Auftragen von geschmolzenem Rochelle-Salz mit einem Pinsel auf ein Substrat erhalten werden, haben einen Piezomodul d14 von Rochelle-Salz.

Derzeit sind solche Texturen von keinem praktischen Interesse. Die hochwertigste Imebt-Textur basierend auf polarisierter piezoelektrischer Keramik.

Piezoelektrische Keramik. Die ferroelektrischen Eigenschaften solcher Materialien bestimmen die Möglichkeit des piezoelektrischen Effekts. Unter dem Einfluss eines konstanten elektrischen Feldes orientieren sich einige der Domänen in Richtung des angelegten Feldes. Nachdem das äußere Feld entfernt wurde, werden die meisten Domänen durch das innere Feld, das durch die parallele Ausrichtung der Polarisationsrichtungen der Domänen entsteht, in ihrer neuen Position gehalten. Dadurch erhält die Keramik eine polare Textur, die einen piezoelektrischen Effekt hat.

Die keramische Technologie zur Herstellung von Piezoelementen unterliegt keinen grundsätzlichen Einschränkungen hinsichtlich Form und Größe. Diese Umstände sowie hohe Werte der piezoelektrischen Eigenschaften haben zu einer weit verbreiteten Verwendung keramischer Piezoelemente in der Technik geführt, insbesondere in Geräten zum Senden und Empfangen von Ultraschallschwingungen.

Merkmale der Herstellungstechnologie keramischer Piezoelemente. Ein charakteristisches Merkmal des Herstellungsprozesses von piezokeramischen Produkten ist ihre Polarisation durch ein starkes konstantes elektrisches Feld, das normalerweise nach dem Anbringen von Elektroden an einem gesinterten Werkstück angelegt wird, das durch eine der Methoden der Keramiktechnologie erhalten wurde.

Industrielle piezokeramische Materialien und piezokeramische Polymere.

Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften werden in Marken (nach Zusammensetzung und Eigenschaften) und Funktionsgruppen (nach Verwendungszweck) unterteilt.

Materialien der Funktionsgruppe 1 werden zur Herstellung hochempfindlicher piezoelektrischer Elemente verwendet, die mechanische Schwingungen empfangen oder abgeben. Materialien der Funktionsgruppe 2 sind für Piezoelemente bestimmt, die unter Bedingungen starker elektrischer Felder oder hoher mechanischer Beanspruchung betrieben werden. Für die Herstellung von Piezoelementen mit erhöhter Stabilität der Resonanzfrequenzen in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit werden Materialien der Funktionsgruppe 3 und für Hochtemperatur-Piezoelemente Materialien der Funktionsgruppe 4 verwendet.

Betrachten wir nun die Eigenschaften verschiedener Arten von Piezokeramiken.

Materialien auf Basis von Bariumtitanat. Bariumtitanat ist ferroelektrisch. Piezokeramiken aus Bariumtitanat (TB-1) werden häufig zur Herstellung von Konvertern verwendet, für die keine strengen Anforderungen an die Temperatur- und Zeitstabilität der Eigenschaften gelten. Das Fehlen flüchtiger Bestandteile in der Bariumtitanat-Formulierung während des Brennens und die Einfachheit der Technologie zur Herstellung piezoelektrischer Elemente machen dieses Material in der Technologie immer noch weit verbreitet.

Materialien auf Basis fester Lösungen von Titanat – Bleizirkonat. Feste Lösungen von Bleititanat weisen sehr hohe piezoelektrische Eigenschaften auf. Basierend auf diesen festen Lösungen wurde eine Reihe technologischer piezokeramischer Materialien mit dem Codenamen PZT (im Ausland PZT) entwickelt.

Die Technologie zur Herstellung von Produkten aus Materialien wie PZT wird dadurch erschwert, dass sie Bleioxid enthalten, das sich beim Hochtemperaturbrennen teilweise verflüchtigt, was zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Eigenschaften führt. Daher erfolgt das Brennen von Rohlingen piezoelektrischer Elemente in einer Atmosphäre aus Bleioxiddampf, wobei die Rohlinge in dicht verschlossenen Kapseln platziert werden, die eine Hinterfüllung aus Bleioxidverbindungen enthalten. Aufgrund der hohen Eigenschaften dieser Art von Materialien werden sie jedoch sehr häufig für die Herstellung von piezoelektrischen Wandlern für verschiedene Zwecke verwendet: für elektroakustische Geräte, Ultraschalltechnik, Piezometrie sowie einige Arten von Radiofiltern.

Materialien auf Basis von Bleimethaniobat. Feste Lösungen von Blei- und Bariummethaniobaten haben einen hohen Curie-Punkt. Darauf basierende Materialien sind in einem weiten Temperaturbereich von piezoelektrischen Modulen und Resonanzfrequenzen stabil. Die Technologie zur Herstellung von Produkten daraus ist einfacher als aus Materialien der Marke PZT, da das in Niobatkeramiken enthaltene Bleioxid beim Brennen praktisch nichtflüchtig ist.

Piezoelektrika sind Polymere. Einige Polymermaterialien in Form von mechanisch orientierten Filmen, die in einem elektrischen Feld polarisiert werden, weisen polare Texturen auf, in denen ein piezoelektrischer Effekt beobachtet wird. Unter ihnen ist Polyvinylidenfluorid (PVDF) von praktischem Interesse. Wenn aus diesem Polymer Filme zu 300...400 % gezogen werden, werden sie so ausgerichtet, dass sie eine spezielle Konformation bilden, die nach Polarisation in einem starken elektrischen Feld einen piezoelektrischen Effekt erhält.

Verweise:

Handbuch der Elektromaterialien Band 3

Im Jahr 1756 entdeckte der russische Akademiker F. Epinus, dass beim Erhitzen eines Turmalinkristalls elektrostatische Ladungen auf seinen Flächen auftreten. Anschließend erhielt das Atomphänomen den Namen pyroelektrischer Effekt. F. Epinus ging davon aus, dass die Ursache der bei Temperaturänderungen beobachteten elektrischen Phänomene die ungleichmäßige Erwärmung zweier Oberflächen ist, die zum Auftreten mechanischer Spannungen im Kristall führt. Gleichzeitig wies er darauf hin, dass die Konstanz der Polverteilung an bestimmten Enden des Kristalls von seiner Struktur und Zusammensetzung abhängt, wodurch F. Epinus der Entdeckung des piezoelektrischen Effekts nahe kam.

Der piezoelektrische Effekt in Kristallen wurde 1880 von den Brüdern P. und J. Curie entdeckt, die das Auftreten elektrostatischer Ladungen auf der Oberfläche von Platten beobachteten, die in einer bestimmten Ausrichtung aus einem Quarzkristall unter dem Einfluss mechanischer Beanspruchung geschnitten wurden. Diese Ladungen sind proportional zur mechanischen Belastung, wechseln mit ihr das Vorzeichen und verschwinden, wenn sie entfernt wird. Die Bildung elektrostatischer Ladungen auf der Oberfläche eines Dielektrikums und das Auftreten einer elektrischen Polarisation im Inneren durch mechanische Beanspruchung wird als direkter piezoelektrischer Effekt bezeichnet.

Neben dem direkten gibt es einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt, der darin besteht, dass in einer aus einem piezoelektrischen Kristall geschnittenen Platte unter dem Einfluss eines an sie angelegten elektrischen Feldes eine mechanische Verformung auftritt; und die Größe der mechanischen Verformung ist proportional zur elektrischen Feldstärke. Der inverse piezoelektrische Effekt sollte nicht mit dem Phänomen der Elektrostriktion verwechselt werden, also mit der Verformung des Dielektrikums unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Bei der Elektrostriktion besteht ein quadratischer Zusammenhang zwischen Verformung und Feld, beim piezoelektrischen Effekt ist er linear.

Darüber hinaus tritt Elektrostriktion in Dielektrika jeglicher Struktur und sogar in Flüssigkeiten und Gasen auf, während der piezoelektrische Effekt nur in festen Dielektrika, hauptsächlich kristallinen, beobachtet wird.

Piezoelektrizität tritt nur dann auf, wenn die elastische Verformung des Kristalls mit einer Verschiebung der Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen der Elementarzelle des Kristalls einhergeht, also ein induziertes Dipolmoment verursacht, das notwendig ist für das Auftreten einer elektrischen Polarisation des Dielektrikums unter dem Einfluss mechanischer Beanspruchung. In Strukturen, die ein Symmetriezentrum haben, kann keine gleichmäßige Verformung das innere Gleichgewicht des Kristallgitters stören und daher sind nur 20 Klassen, die kein Symmetriezentrum haben, piezoelektrisch. Das Fehlen eines Symmetriezentrums ist eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für die Existenz des piezoelektrischen Effekts und daher weisen ihn nicht alle azentrischen Kristalle auf.

Der piezoelektrische Effekt kann in festen amorphen und kryptokristallinen Dielektrika nicht beobachtet werden, da dies im Widerspruch zu ihrer sphärischen Symmetrie steht. Eine Ausnahme bilden sie, wenn sie unter dem Einfluss äußerer Kräfte anisotrop werden und dadurch teilweise die Eigenschaften von Einkristallen annehmen. Bei einigen Arten kristalliner Texturen ist auch der piezoelektrische Effekt möglich.

Der piezoelektrische Effekt hat im Rahmen der modernen Atomtheorie des Kristallgitters bisher keine zufriedenstellende quantitative Beschreibung gefunden. Selbst für Strukturen einfachster Art ist es unmöglich, die Ordnung der piezoelektrischen Konstanten auch nur annähernd zu berechnen.

Da es sich bei jedem Piezoelektrikum um einen elektromechanischen Wandler handelt, ist sein wichtiges Merkmal der elektromechanische Kopplungskoeffizient k. Das Quadrat dieses Koeffizienten stellt das Verhältnis der in mechanischer Form manifestierten Energie für eine bestimmte Verformungsart zur gesamten elektrischen Energie dar, die am Eingang von der Stromquelle empfangen wird.

In vielen Fällen sind Piezoelektrika von wesentlicher Bedeutung für ihre elastischen Eigenschaften, die durch Elastizitätsmodule (Young-Moduli Eyu) oder umgekehrte Größen – elastische Konstanten s – beschrieben werden.

Bei der Verwendung von piezoelektrischen Elementen als Resonatoren wird in manchen Fällen ein Frequenzkoeffizient eingeführt, der sich aus dem Produkt aus der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements und der geometrischen Größe ergibt, die die Art der Schwingung bestimmt. Dieser Wert ist proportional zur Schallgeschwindigkeit in Ausbreitungsrichtung der elastischen Wellen im piezoelektrischen Element. Derzeit sind viele Substanzen bekannt (mehr als 500), die eine piezoelektrische Aktivität gezeigt haben. Allerdings finden nur wenige praktische Anwendung.

2. Umgekehrter piezoelektrischer Effekt.

Neben dem piezoelektrischen Effekt gibt es auch das gegenteilige Phänomen: In piezoelektrischen Kristallen geht die Polarisation mit mechanischen Verformungen einher. Wenn daher eine elektrische Spannung an die auf dem Kristall montierten Metallplatten angelegt wird, wird der Kristall unter dem Einfluss des Feldes polarisiert und verformt.

Es ist leicht zu erkennen, dass sich die Notwendigkeit der Existenz des inversen piezoelektrischen Effekts aus dem Energieerhaltungssatz und der Tatsache der Existenz des direkten Effekts ergibt. Betrachten wir eine piezoelektrische Platte (Abb. 5) und gehen wir davon aus, dass wir sie durch äußere Kräfte F komprimieren. Gäbe es keinen piezoelektrischen Effekt, dann wäre die Arbeit der äußeren Kräfte gleich der potentiellen Energie der elastisch verformten Platte. Durch den piezoelektrischen Effekt entstehen Ladungen auf der Platte und es entsteht ein elektrisches Feld, das zusätzliche Energie enthält. Aus dem Energieerhaltungssatz folgt, dass beim Komprimieren einer piezoelektrischen Platte viel Arbeit geleistet wird, wodurch in ihr zusätzliche Kräfte F1 entstehen, die der Komprimierung entgegenwirken. Dies sind die Kräfte des inversen piezoelektrischen Effekts. Aus der obigen Überlegung ergibt sich ein Zusammenhang zwischen den Anzeichen beider Wirkungen. Wenn in beiden Fällen die Vorzeichen der Ladungen auf den Flächen gleich sind, dann sind die Vorzeichen der Verformungen unterschiedlich. Wenn beim Zusammendrücken der Platte Ladungen auf den Flächen entstehen, wie in Abb. 5: Wenn die gleiche Polarisation durch ein äußeres Feld erzeugt wird, dehnt sich die Platte.

Abb.5. Zusammenhang zwischen direkten und inversen piezoelektrischen Effekten.

Der inverse piezoelektrische Effekt ähnelt oberflächlich der Elektrostriktion. Beide Phänomene sind jedoch unterschiedlich. Der piezoelektrische Effekt hängt von der Richtung des Feldes ab und wenn sich die Richtung des Feldes in die entgegengesetzte Richtung ändert, ändert sich das Vorzeichen. Die Elektrostriktion hängt nicht von der Richtung des Feldes ab. Der piezoelektrische Effekt wird nur bei einigen Kristallen beobachtet, die kein Symmetriezentrum haben. Elektrostriktion tritt in allen Dielektrika auf, sowohl in festen als auch in flüssigen.

Wenn die Platte fest ist und nicht verformt werden kann, entsteht bei der Erzeugung eines elektrischen Feldes eine zusätzliche mechanische Spannung in ihr. Ihr Wert s ist proportional zur elektrischen Feldstärke im Inneren des Kristalls:

wobei b das gleiche piezoelektrische Modul wie beim direkten piezoelektrischen Effekt ist. Das Minus in dieser Formel spiegelt das obige Verhältnis der Vorzeichen des direkten und umgekehrten piezoelektrischen Effekts wider.

Die gesamte mechanische Spannung im Inneren des Kristalls ist die Summe der durch Verformung verursachten Spannung und der unter dem Einfluss des elektrischen Feldes erzeugten Spannung. Es ist gleich:

Dabei ist C der Elastizitätsmodul bei einseitiger Zugverformung (Young-Modul) bei konstantem elektrischem Feld. Die Formeln (51.2) und (52.2) sind die Hauptbeziehungen in der Theorie der Piezoelektrizität.

Beim Schreiben von Formeln haben wir u und E als unabhängige Variablen gewählt und D und s als ihre Funktionen betrachtet. Dies ist natürlich nicht notwendig, und wir könnten als unabhängige Variablen ein anderes Paar von Größen betrachten, von denen eine mechanisch und die andere elektrisch ist. Dann würden wir auch zwei lineare Beziehungen zwischen u, s, E und D erhalten, allerdings mit unterschiedlichen Koeffizienten. Abhängig von der Art des betrachteten Problems sind verschiedene Formen der Darstellung der grundlegenden piezoelektrischen Beziehungen geeignet.

Da alle piezoelektrischen Kristalle anisotrop sind, hängen die Konstanten e, C und b von der Ausrichtung der Plattenflächen relativ zu den Kristallachsen ab. Darüber hinaus hängen sie davon ab, ob die Seitenflächen der Platte fest oder frei sind (sie hängen von den Randbedingungen bei der Verformung ab). Um eine Vorstellung von der Größenordnung dieser Konstanten zu geben, stellen wir ihre Werte für Quarz für den Fall vor, dass die Platte senkrecht zur X-Achse geschnitten wird und ihre Seitenflächen frei sind:

e=4, 5; C=7, 8 1010 N/m2; b=0,18 C/m2.

Betrachten wir nun ein Beispiel für die Anwendung der Grundbeziehungen (4) und (5): Nehmen wir an, dass eine Quarzplatte, die wie oben angegeben geschnitten wurde, entlang der X-Achse gestreckt ist und die Platten, die die Flächen berühren, offen sind. Da die Ladung der Platten vor der Verformung Null war und Quarz ein Dielektrikum ist, sind die Platten nach der Verformung ungeladen. Gemäß der Definition der elektrischen Verschiebung bedeutet dies, dass D=0. Aus Beziehung (4) folgt dann, dass während der Verformung im Inneren der Platte ein elektrisches Feld mit der Intensität auftritt:

Wenn wir diesen Ausdruck in Formel (5) einsetzen, finden wir für die mechanische Spannung in der Platte:

s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b2/e0eC))u (7)

Die Spannung ist, wie beim Fehlen des piezoelektrischen Effekts, proportional zur Dehnung. Allerdings werden die elastischen Eigenschaften der Platte nun durch den effektiven Elastizitätsmodul charakterisiert

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

Dies ist größer als C. Die Erhöhung der elastischen Steifigkeit wird durch das Auftreten zusätzlicher Spannungen während des umgekehrten piezoelektrischen Effekts verursacht, der eine Verformung verhindert. Der Einfluss der piezoelektrischen Eigenschaften des Kristalls auf seine mechanischen Eigenschaften wird durch den Wert charakterisiert: K2=b2/e0eC (9)

Die Quadratwurzel dieses Wertes (K) wird als elektromechanische Kopplungskonstante bezeichnet. Unter Verwendung der obigen Werte von e, C und b finden wir, dass für Quarz K2 ~ 0,01 ist. Für alle anderen bekannten piezoelektrischen Kristalle ist K2 ebenfalls klein im Vergleich zu Einheit und überschreitet nicht 0,1.

Lassen Sie uns nun die Größe des piezoelektrischen Feldes abschätzen. Nehmen wir an, dass auf die Flächen der Quarzplatte senkrecht zur X-Achse eine mechanische Belastung von 1 1055 N/m2 ausgeübt wird. Dann ist nach (7) die Verformung gleich u=1, 3 · 10-6. Wenn wir diesen Wert in Formel (6) einsetzen, erhalten wir |E|==5900 V/m=59 V/cm. Bei einer Plattendicke von beispielsweise d==0,5 cm beträgt die Spannung zwischen den Platten U=Ed~30 V. Wir sehen, dass piezoelektrische Felder und Spannungen sehr groß sein können. Durch die Verwendung stärkerer Piezoelektrika anstelle von Quarz und durch die Verwendung richtig ausgewählter Verformungsarten ist es möglich, piezoelektrische Spannungen von mehreren tausend Volt zu erhalten.

Der piezoelektrische Effekt (direkt und umgekehrt) wird häufig für die Konstruktion verschiedener elektromechanischer Wandler genutzt. Zu diesem Zweck werden manchmal zusammengesetzte Piezoelemente verwendet, die verschiedene Arten von Verformungen ausführen sollen.

Abbildung 6 zeigt ein doppeltes piezoelektrisches Element (bestehend aus zwei Platten), das unter Druck arbeitet. Die Platten werden so aus dem Kristall geschnitten, dass sie sich gleichzeitig entweder stauchen oder dehnen. Wird hingegen ein solches piezoelektrisches Element durch äußere Kräfte gestaucht oder gedehnt, so entsteht Spannung zwischen seinen Platten. Die Verbindung der Platten in diesem piezoelektrischen Element entspricht der Parallelschaltung von Kondensatoren.

Abb.6. Doppeltes piezoelektrisches Element, das unter Druck arbeitet.

Und auch für messtechnische Zwecke. 3. Grundlegende Kriterien zur Bewertung berührungsloser Schwingungsaufnehmer Für den Vergleich berührungsloser Methoden zur Messung von Schwingungsparametern und darauf basierender Schwingungsmesswandler empfiehlt es sich, zusätzlich zu den aufgeführten Parametern folgende Bewertungskriterien heranzuziehen: die Art der die während des Messvorgangs interagierenden physikalischen Felder oder Strahlungen; ...

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Magnetostriktionseffekt
Ultraschallgeneratoren
Ultraschallschneiden
Reduzierte mechanische Kräfte bei der Bearbeitung mit Schneidwerkzeugen
Ultraschallreinigung
Ultraschallschweißen
Ultraschall-Lötverzinnung
Ultraschalluntersuchung
Ultraschall-Expressanalyse
Beschleunigung von Produktionsprozessen
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Ultraschall in der Metallurgie
Ultraschall im Bergbau
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Ultraschall in der Biologie
Ultraschalldiagnose von Krankheiten
Ultraschallbehandlung von Krankheiten
Zu Land und zu Wasser

Im Jahr 1880 entdeckten die französischen Wissenschaftlerbrüder Jacques und Pierre Curie den piezoelektrischen Effekt. Sein Wesen liegt darin, dass bei einer Verformung einer Quarzplatte auf ihren Flächen elektrische Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen auftreten. Daher ist Piezoelektrizität Elektrizität, die durch mechanische Einwirkung auf eine Substanz entsteht („Piezo“ bedeutet im Griechischen „drücken“).
Erstmals wurden piezoelektrische Eigenschaften in Bergkristall, einer Quarzart, entdeckt. Bergkristall ist ein transparenter, farbloser, eisähnlicher Kristall. Der sowjetische Mineraloge A.E. Fersman schrieb in seinem Buch „Entertaining Mineralogy“: „Nehmen Sie ein Stück Bergkristall und dasselbe Stück Glas in die Hand – beide sind in Farbe und Transparenz ähnlich. Wenn Sie sie zerbrechen, werden sie gleichermaßen scharf und schneidend sein.“ „Kristall“ vom griechischen Namen für „Eis“, da Bergkristall eigentlich Eis sehr ähnlich ist…“
In der Natur kommen fast zweihundert Quarzarten vor. Dazu gehören goldgelber Citrin, blutroter Karneol, rotbrauner Aventurin mit goldener Tönung, violetter Amethyst und viele andere. Fast ein Zehntel der Erdkruste besteht aus verschiedenen Quarzarten. Auch gewöhnlicher Sand besteht hauptsächlich aus Quarzkörnern.
Quarz wird in Wissenschaft und Technik häufig verwendet. Es löst ultraviolette Strahlen auf, ist hart und feuerfest. Quarzglasschalen können glühend heiß erhitzt und sofort in Eiswasser getaucht werden. Es ist beständig gegen fast alle Säuren und ein schlechter Stromleiter. Aber seine bemerkenswerteste Eigenschaft ist die Piezoelektrizität. Wenn eine Platte, die auf eine bestimmte Weise aus einem Quarzkristall geschnitten wurde, zusammengedrückt und gelöst wird, erscheinen auf ihren Flächen elektrische Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen. Je stärker die Kompression, desto größer die Ladung. Das Auftreten elektrischer Ladungen auf den Flächen einer Quarzplatte während ihrer Verformung wird als direkter piezoelektrischer Effekt bezeichnet.
Wird eine solche Quarzplatte mit elektrischer Ladung beaufschlagt, verändert sie ihre Größe. Je größer die Ladung, desto stärker wird die Platte verformt. Wenn ein elektrisches Wechselfeld auf die Platte einwirkt, zieht sie sich im Takt der Vorzeichenänderung der angelegten Spannung zusammen oder dehnt sie sich aus. Ändert sich diese mit einer Ultraschallfrequenz, so schwingt auch die Platte mit einer Ultraschallfrequenz, was die Grundlage für die Verwendung von Quarz zur Erzeugung von Ultraschallwellen ist. Die Größenänderung einer Quarzplatte unter dem Einfluss elektrischer Ladungen wird als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet.
Der direkte piezoelektrische Effekt wird in Ultraschallschwingungsempfängern genutzt, wo diese in Wechselstrom umgewandelt werden. Legt man aber an einen solchen Empfänger eine Wechselspannung an, kommt der inverse piezoelektrische Effekt voll zur Geltung. Dabei wird Wechselstrom in Ultraschallschwingungen umgewandelt und der Empfänger fungiert als Ultraschallsender. Folglich können der piezoelektrische Empfänger und der Sender in Form eines Geräts dargestellt werden, das abwechselnd Ultraschallschwingungen aussenden und empfangen kann. Ein solches Gerät wird Ultraschallwandler genannt.
Akustische Wandler werden erfolgreich in verschiedenen Arten von elektroakustischen Systemen eingesetzt, insbesondere in Systemen, die für akustische und hydroakustische Messungen und Forschung bestimmt sind. Piezoelektrische Geräte werden häufig in der Weltraumforschung eingesetzt. Heutzutage werden sie durch einige Sensoren repräsentiert, die Daten über den Zustand des Astronauten, über die Bedingungen im Inneren des Raumfahrzeugs, Warnungen vor Meteoritengefahr usw. übermitteln.
Piezoelektrische Geräte helfen, Flugzeugteile zu „fühlen“, Fehler in ihren Berechnungen zu erkennen und die gefährlichen Folgen dieser Fehler zu verhindern; „Blicken“ Sie in den Lauf einer Schusswaffe, um den Druck zu messen oder andere Daten zu erhalten. Piezoelektrizität wird in der Funktechnik und im Fernsehen eingesetzt. Piezoelektrische Geräte helfen dabei, Fischschwärme zu finden, das Erdinnere zu erkunden, nach Mineralien zu suchen, Menschen zu diagnostizieren und zu behandeln, chemische Prozesse zu analysieren und zu beschleunigen usw.
Quarz gilt seit langem als eines der Hauptmaterialien für die Herstellung von Ultraschallwandlern. Doch der Emitter, der aus einer kleinen Quarzplatte besteht, hat wenig Leistung. Um diese zu vergrößern, wird die Fläche der Abstrahlfläche durch die Anordnung von Quarzplatten in Form einer Art Mosaik vergrößert.
In der Natur kommen Quarzkristalle meist in relativ kleinen Größen vor, obwohl es Ausnahmen gibt. In den Ostalpen fanden Geologen sechs Bergkristalle in einem Nest mit einer Gesamtmasse von über eineinhalb Tonnen. Ein noch einzigartigerer Fund wurde von Ural-Geologen entdeckt, die eine Kristalllagerstätte mit einer ganzen Familie riesiger Kristalle entdeckten. Zunächst wurden 800 Kilogramm schwere Kristalle aus dem Gestein gewonnen. Die anschließende beharrliche Suche brachte absolut verblüffende Ergebnisse – eine Konstellation von zwanzig transparenten reinen Kristallen wurde gefunden. Ihr Gesamtgewicht überstieg 9 Tonnen. Allerdings können solche Funde den ständig wachsenden Bedarf von Wissenschaft und Technik an Quarzkristallen nicht decken. Deshalb versuchen sie, sie künstlich in Labors zu züchten, aber leider wachsen sie langsam und ihre Produktion ist teuer.
Auf der Suche nach anderen piezoelektrischen Materialien richteten Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf Rochelle-Salz. Es wurde erstmals vom französischen Apotheker Segnet aus Weinsäuresalzen gewonnen. Rochelle-Salz ist leicht zu verarbeiten; ein Rochelle-Salzkristall kann mit einem gewöhnlichen, mit Wasser angefeuchteten Faden geschnitten werden. Im Vergleich zu anderen piezoelektrischen Kristallen, einschließlich Quarz, hat der Rochelle-Salzkristall einen deutlich größeren piezoelektrischen Effekt; die geringste mechanische Einwirkung auf die Platte führt zum Auftreten elektrischer Ladungen. Allerdings weist Rochelle-Salz auch gravierende Nachteile auf, die seinen praktischen Nutzen einschränken. Dies ist in erster Linie ein niedriger Schmelzpunkt von etwa 60 Grad, bei dem der Rochelle-Salzkristall seine piezoelektrischen Eigenschaften verliert und nicht mehr wiederhergestellt wird. Rochelle-Salz löst sich in Wasser auf und ist daher anfällig für Feuchtigkeit. Darüber hinaus ist es fragil und kann starken mechanischen Belastungen nicht standhalten.
Besonders intensiv wurde während des Zweiten Weltkriegs an neuen piezoelektrischen Materialien geforscht. Sie wurden durch eine „Quarz-Hungersnot“ verursacht, die durch die weit verbreitete Verwendung von piezoelektrischem Quarz in hydroakustischen Geräten und in der militärischen Funkelektronik entstand. So wurden damals Ammzur Herstellung piezoelektrischer Wandler verwendet. Dieses Material ist frequenzstabil und ermöglicht das Arbeiten mit hohen Leistungen und über einen weiten Frequenzbereich. Andere piezoelektrische Materialien wie Ammoniumphosphat, Lithiumsulfat und Kaliumdihydrogenphosphat werden seit langem verwendet. In hydroakustischen Wandlern wurden sie in Form von Mosaikpaketen eingesetzt. Allerdings haben alle diese Piezokristalle einen gemeinsamen Nachteil: die geringe mechanische Festigkeit. Daher suchten Wissenschaftler beharrlich nach einem Ersatz, der ihnen in den piezoelektrischen Eigenschaften nahe kommt und den oben genannten Nachteil nicht aufweist. Und ein solcher Ersatz wurde von sowjetischen Wissenschaftlern unter der Leitung des korrespondierenden Mitglieds der Akademie der Wissenschaften der UdSSR B. M. Vul gefunden. Es handelte sich um Bariumtitanat, das kein Kristall wie Quarz und Rochelle-Salz ist und selbst keine piezoelektrischen Eigenschaften besitzt.
Bariumtitanat wird künstlich gewonnen, da es im Erdinneren sehr selten vorkommt. Dazu wird eine Mischung aus zwei mineralischen Stoffen – Bariumcarbonat und Titanatdioxid – bei sehr hoher Temperatur gebrannt. Es entsteht eine gelblich-weiße Masse, die in ihrem Aussehen und ihren mechanischen Eigenschaften gewöhnlichem Ton ähnelt. Dieser Masse kann wie Ton jede beliebige Form gegeben werden, sie ist jedoch mechanisch stark und in Wasser unlöslich. Und um Bariumtitanat piezoelektrische Eigenschaften zu verleihen, wird die verbrannte Masse in ein starkes elektrisches Feld gebracht und anschließend abgekühlt. Infolgedessen kommt es zu einer Polarisation von Bariumtitanatkristallen, ihre Dipole (eine Kombination aus zwei entgegengesetzten, aber im absoluten Wert gleichen elektrischen Ladungen, die in einiger Entfernung voneinander angeordnet sind) nehmen dieselbe Position ein und sind nach dem Abkühlen sozusagen fixiert in diesem Zustand „eingefroren“. Das resultierende Material hat einen 50-mal größeren piezoelektrischen Effekt als Quarz und ist kostengünstig, da für seine Herstellung sehr viele Rohstoffe zur Verfügung stehen. Zu den Nachteilen von Bariumtitanat zählen große mechanische und dielektrische Verluste, die zu seiner Überhitzung führen, und bei Temperaturen über 90 Grad wird der piezoelektrische Effekt deutlich reduziert.
Bariumtitanat-Keramik kann geschnitten, geschliffen und poliert werden, um dem Wandler die gewünschte Form und Größe zu verleihen (flache Platte, Zylinder, Halbkugel, Teil einer Kugel usw.). Bariumtitanat-Konverter wandeln elektrische Energie effizienter in mechanische Energie um, sind widerstandsfähiger gegen elektrische Durchschläge und können bei niedrigen Spannungen betrieben werden. Darüber hinaus sind Bariumtitanat-Ultraschallwandler in der Lage, im gepulsten Modus zu arbeiten.
Für die Herstellung piezoelektrischer Wandler wird auch eine andere Piezokeramik verwendet: eine Mischung aus Zirkonium mit Bleititanat (PZT). Diese Piezokeramik hat einen doppelt so starken piezoelektrischen Effekt wie Bariumtitanat. Piezokeramik PZT ist wasserunlöslich und kann auch mechanisch bearbeitet werden.
Gleichzeitig wurde die Suche nach Kristallen, die piezoelektrische Eigenschaften besitzen und die notwendigen technischen Anforderungen erfüllen, fortgesetzt. So gerieten Wissenschaftler auf Cadmiumsulfid. Neben der außergewöhnlichen Fähigkeit, Ultraschallschwingungen zu verstärken, kann es auch zur Herstellung eines Ultraschallwandlers für sehr hohe Frequenzen verwendet werden, der für Quarz und Bariumtitanat völlig unzugänglich ist. Forscher gehen davon aus, dass der Cadmiumsulfid-Kristall den Rekord für die Anzahl möglicher Anwendungen halten wird. Es kann nicht nur als Ultraschallverstärker und -wandler dienen, sondern auch zusammen mit Germanium und Silizium als gemeinsamer Halbleiter verwendet werden. Darüber hinaus ist Cadmiumsulfid ein ausgezeichneter Fotowiderstand.
Etwas vereinfacht kann man sagen, dass ein piezoelektrischer Wandler ein oder mehrere einzelne piezoelektrische Elemente mit einer flachen oder kugelförmigen Oberfläche sind, die auf eine bestimmte Weise verbunden und auf eine gemeinsame Metallplatte geklebt sind. Um eine hohe Strahlungsintensität zu erzielen, werden fokussierende piezoelektrische Wandler oder Konzentratoren verwendet, die verschiedene Formen (Halbkugeln, Hohlkugelteile, Hohlzylinder, Hohlzylinderteile) haben können. Solche Wandler werden verwendet, um starke Ultraschallschwingungen mit hohen Frequenzen zu erzeugen. In diesem Fall ist die Strahlungsintensität im Zentrum des Brennflecks sphärischer Wandler 100-150-mal höher als die durchschnittliche Intensität auf der emittierenden Oberfläche des Wandlers.

„Schall, Ultraschall, Infraschall“