Der pyro- und piezoelektrische Effekt
Worin liegt der Unterschied zwischen Druck- und Temperatursensoren? Die Antwort auf diese Frage scheint offensichtlich: Drucksensoren messen die Kraft, Temperatursensoren messen die Temperatur. Doch wussten Sie, dass die am häufigsten verwendeten Temperatur- und Drucksensoren, die pyro- und piezoelektrischen Sensoren, auf einem sehr ähnlichen Prinzip basieren? Dies mag erstaunlich klingen, da Druck und Temperatur auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben, doch der erste Eindruck täuscht.
In den nachfolgenden Absätzen wollen wir Ihnen erklären, wie diese Piezo- und Pyrosensoren funktionieren und warum sich beide so ähnlich sind. Falls Sie nur an den Anwendungen dieser Sensoren interessiert sind, können Sie auch sofort zum Absatz „Anwendungen des pyro- und piezoelektrischen Effekts“ springen.
Der piezoelektrische Effekt
Viele Festkörper (wie Metalle, Quarze, …), auf die wir in unserem Alltag treffen, sind Kristalle. Dies hat nichts mit Schmuck zu tun, sondern bedeutet nur, dass deren Atome in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind. Eine spezielle Art von Kristallen sind piezoelektrische Kristalle, welche den piezoelektrischen Effekt ausüben: Wirkt eine Kraft auf einen piezoelektrischen Kristall, so entsteht eine Spannung an seiner Oberfläche. Diese Spannung kann ausgelesen und als Kennwert für die einwirkende Kraft verwendet werden.
Doch was verleiht piezoelektrischen Kristallen diese besondere Eigenschaft? Die Antwort findet man, wenn man die Anordnung der einzelnen Atome dieses Kristalls betrachtet. Schauen Sie sich dazu die untenliegenden Abbildungen genauer an.
Atomanordnung von Piezo- und nicht Piezokristall
In Abbildung a.) ist die Atomanordnung eines „gewöhnlichen“ nicht piezoelektrischen Kristalls dargestellt. Die roten Punkte stellen positiv geladene, die blauen Punkte negativ geladene Atome dar. Eine solche Atomstruktur wirkt nach außen hin neutral, da die negativen und positiven Ladungen symmetrisch um das Zentrum (den rot-blauen Stern) liegen und sich daher aufheben. Auch wenn man diese quadratische Atomstruktur mit einer Kraft zusammendrückt, liegen die Atome noch immer symmetrisch um das Zentrum und die Konfiguration wirkt nach außen elektrisch neutral.
Anders schaut dies bei piezoelektrischen Kristallen aus. Die Atome vieler piezoelektrischer Kristalle liegen, wenn keine Kraft auf sie wirkt, ebenfalls symmetrisch um das Zentrum. In Abbildung b.) ist ein solcher piezoelektrischer Kristall zu sehen. Wirkt jedoch eine Kraft auf diese Atomstruktur, so verändert sich die Form drastisch. Man sieht, dass die Atome nun nicht mehr symmetrisch um das Zentrum liegen. Die positiven und negativen Ladungen können sich nicht mehr aufheben und es entsteht ein Ladungsungleichgewicht. Dieses Ungleichgewicht äußert sich nach außen hin in einer elektrischen Spannung.
Der pyroelektrische Effekt
Eine weitere, spezielle Klasse von Kristallen sind pyroelektrische Kristalle. Diese kennzeichnen sich durch den vorhandenen pyroelektrischen Effekt: Erwärmt man einen pyroelektrischen Kristall, so entsteht eine messbare Spannung an seiner Oberfläche. Aus dieser Spannung kann man auf die Temperaturänderung des Kristalls zurückschließen. Somit ist ein Pyrosensor ein Temperatursensor.
Wie in der Einleitung erwähnt, gibt es einen tiefgründigen Zusammenhang zwischen Pyro- und Piezosensoren: Jeder pyroelektrische Kristall ist gleichzeitig ein piezoelektrischer Kristall (aber nicht umgekehrt). Um dies zu verstehen, schauen wir uns wieder die Anordnung der einzelnen Atome an:
Atomanordnung von Pyrokristallen: Abbildung b.) und Abbildung c.)
In Abbildung a.) sieht man den piezoelektrischen hexagonalen Kristall aus dem vorherigen Kapitel. Stellen wir uns nun vor, dieser Kristall wäre etwas länger in eine Richtung als in die andere – Abbildung b.). Wie man erkennen kann, ist dieser piezoelektrische Kristall nun asymmetrisch um das Zentrum und nach außen hin nicht mehr neutral. Man kann diesen neuen Kristall mit einer externen Kraft verformen, was trotzdem zum vorher erklärten piezoelektrischen Verhalten führt.
Wir müssen aber nicht zwangsläufig äußere Kraft anwenden, um den Kristall zu verformen. Eine andere Möglichkeit ist es, den Kristall einfach zu erwärmen, wodurch er sich ausdehnt. Diese Ausdehnung verstärkt die Asymmetrie des Kristalls, da die Atome (wie in Abbildung b.) zu sehen) asymmetrisch um das Zentrum liegen. Würden die Atome symmetrisch um das Zentrum liegen (Abbildung a.)), so wäre die Wärmeausdehnung in alle Richtungen gleich groß und es würde keine Asymmetrie entstehen.
Zusammengefasst bedeutet das: Eine Erwärmung eines pyroelektrischen Kristalls führt zu einer Ausdehnung des Kristallgitters. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes führt diese Ausdehnung des Gitters nun zu einer messbaren elektrischen Spannung.
Anwendungen des pyro- und piezoelektrischen Effekts
Da piezoelektrische Kristalle leicht herzustellen sind (schon gewöhnlicher Quarz hat leichte piezoelektrische Eigenschaften) und über eine hohe Sensitivität verfügen, finden sie in vielen Bereichen Anwendung. Naheliegend ist der Einsatz als Druck- und Kraftsensor, da bei Belastung eines Piezokristalls eine elektrische Spannung an seiner Oberfläche entsteht. Diese Spannung kann ausgelesen und auf die Belastung des Kristalls zurückgeschlossen werden. Doch Piezosensoren sind so sensitiv, dass sie sogar Luftschwingungen wahrnehmen können. So werden sie als Tonabnehmer bei Saiteninstrumenten oder in Mikrofonen genutzt.
Der piezoelektrische Effekt kann aber auch in die entgegengesetzte Richtung wirken: Legt man eine Spannung an den Kristall an, ändert sich seine Ausdehnung. So werden beispielsweise moderne Einspritzsysteme für Dieselmotoren und bestimmte Lautsprecher durch Piezokristalle realisiert. Piezokristalle können so präzise eingestellt werden, dass sie sogar bei Rastertunnelmikroskopen zum Einsatz kommen.
Ähnlich vielfältig schaut das Anwendungsgebiet bei Pyrosensoren aus. So ist der klassische Anwendungsfall ein Temperatursensor, doch auch Infrarotsensoren in Bewegungsmeldern werden mit pyroelektrischen Kristallen realisiert. Die Infrarotstrahlung, welche von Lebewesen abgegeben wird, erwärmt dabei den Sensor und erzeugt ein Spannungssignal.
In Zukunft könnten sogar Stromgeneratoren auf Basis des pyroelektrischen Effekts zu kaufen sein. In vielen Anwendungen entsteht nämlich Abwärme. Diese Abwärme kann einen Pyrosensor erhitzen, welcher daraus wieder eine elektrische Spannung generiert. Mit derzeitigem Stand der Technik sind solche Sensoren jedoch nicht wirtschaftlich realisierbar.
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