Der piezoelektrische Effekt ist eine einzigartige Eigenschaft bestimmter Kristalle, bei denen sie bei physischer Belastung ein elektrisches Feld oder einen Strom erzeugen. Der gleiche Effekt kann auch umgekehrt beobachtet werden, wo ein an den Kristall angelegtes elektrisches Feld seine Struktur belastet. Der piezoelektrische Effekt ist für Wandler von wesentlicher Bedeutung, bei denen es sich um elektrische Komponenten handelt, die in einer Vielzahl von Sensor- und Schaltungsanwendungen verwendet werden. Trotz der Vielseitigkeit des Phänomens für Anwendungen in elektromechanischen Geräten wurde es 1880 entdeckt, fand aber erst etwa ein halbes Jahrhundert später breite Anwendung. Arten von kristallinen Strukturen, die den piezoelektrischen Effekt aufweisen, umfassen Quarz, Topas und Rochelle-Salz, eine Art Kaliumsalz mit der chemischen Formel KNaC4H4O6 4H2O.
Pierre Curie, der dafür bekannt ist, 1903 mit seiner Frau Marie den Nobelpreis für Physik für die Erforschung der Strahlung gewonnen zu haben, wird die Entdeckung des piezoelektrischen Effekts im Jahr 1880 mit seinem Bruder Jacques Curie zugeschrieben. Die Brüder entdeckten damals den inversen piezoelektrischen Effekt nicht , jedoch dort, wo Elektrizität Kristalle verformt. Gabriel Lippmann, einem französisch-luxemburgischen Physiker, wird die Entdeckung des inversen Effekts im folgenden Jahr zugeschrieben, die zu seiner Erfindung des Lippmann-Elektrometers im Jahr 1883 führte, einem Gerät, das das Herzstück des Betriebs des ersten experimentellen Elektrokardiographiegeräts (EKG) bildet.
Piezoelektrische Effekte haben die einzigartige Eigenschaft, bei sehr niedrigen Stromstärken oft Tausende von Volt an elektrischer Energiepotentialdifferenz zu entwickeln. Dies macht selbst winzige piezoelektrische Kristalle zu nützlichen Objekten zur Funkenerzeugung in Zündgeräten wie Gasöfen. Andere übliche Anwendungen für piezoelektrische Kristalle umfassen die Steuerung präziser Bewegungen in Mikroskopen, Druckern und elektronischen Uhren.
Der Vorgang des piezoelektrischen Effekts basiert auf der Grundstruktur eines Kristallgitters. Kristalle haben im Allgemeinen ein Ladungsgleichgewicht, bei dem sich negative und positive Ladungen entlang der starren Ebenen des Kristallgitters genau aufheben. Wenn dieses Ladungsgleichgewicht durch physikalische Belastung eines Kristalls gestört wird, wird die Energie durch elektrische Ladungsträger übertragen, wodurch im Kristall ein Strom entsteht. Beim umgekehrten piezoelektrischen Effekt wird durch Anlegen eines externen elektrischen Felds an den Kristall der neutrale Ladungszustand aus dem Gleichgewicht gebracht, was zu einer mechanischen Spannung und einer leichten Neujustierung der Gitterstruktur führt.
Seit 2011 ist der piezoelektrische Effekt weit verbreitet und wird in allem verwendet, von Quarzuhren bis hin zu Wasserkochern, tragbaren Grills und sogar einigen Handfeuerzeugen. In Computerdruckern werden die winzigen Kristalle an den Düsen von Tintenstrahldruckern verwendet, um den Tintenfluss zu blockieren. Wenn sie mit Strom beaufschlagt werden, verformen sie sich, sodass Tinte in sorgfältig kontrollierten Mengen auf das Papier fließen kann, um Text und Bilder zu erzeugen.
Der piezoelektrische Effekt kann auch zur Tonerzeugung für Miniaturlautsprecher in Uhren und in Schallwandlern zur Messung von Objektabständen genutzt werden, beispielsweise für Bolzensucher im Bauhandwerk. Auch Ultraschallwandler basieren auf piezoelektrischen Kristallen sowie vielen Mikrofonen. Seit 2011 verwenden sie Kristalle aus Bariumtitanat, Bleititanat oder Bleizirkonat, die niedrigere Spannungen erzeugen als Rochelle-Salz, das in frühen Formen dieser Technologien der Standardkristall war.
Eine der fortschrittlichsten Technologien zur Nutzung des piezoelektrischen Effekts ab 2011 ist das Rastertunnelmikroskop (STM), das zur visuellen Untersuchung der Struktur von Atomen und kleinen Molekülen verwendet wird. Das STM ist ein grundlegendes Werkzeug im Bereich der Nanotechnologie. Piezoelektrische Kristalle, die in STMs verwendet werden, sind in der Lage, messbare Bewegungen im Bereich von wenigen Nanometern oder Milliardstel Metern zu erzeugen.