Piezoelektrizität ist eine Form von Elektrizität, die entsteht, wenn bestimmte Kristalle gebogen oder anderweitig verformt werden. Dieselben Kristalle können auch leicht gebogen werden, wenn ein kleiner Strom durch sie fließt, was ihre Verwendung in Instrumenten fördert, für die ein hohes Maß an mechanischer Kontrolle erforderlich ist. Dies wird als umgekehrte Piezoelektrizität bezeichnet. Rastertunnelmikroskope (STMs) zum Beispiel verwenden piezoelektrische Kristalle, um die Oberfläche eines Materials zu „scannen“ und Bilder mit großen Details zu erstellen. Piezoelektrizität ist mit Pyroelektrizität verwandt, bei der ein Strom durch Erhitzen oder Kühlen des Kristalls erzeugt wird.
Die Eigenschaft der Piezoelektrizität wird sowohl von den Atomen im Kristall als auch von der besonderen Art und Weise, wie dieser Kristall gebildet wurde, bestimmt. Einige der ersten Substanzen, die verwendet wurden, um die Piezoelektrizität zu demonstrieren, sind Topas, Quarz, Turmalin und Rohrzucker. Heute kennen wir viele piezoelektrische Kristalle, von denen einige sogar in menschlichen Knochen zu finden sind. Bestimmte Keramiken und Polymere haben die Wirkung ebenfalls gezeigt.
Ein piezoelektrischer Kristall besteht aus mehreren ineinandergreifenden Domänen, die positive und negative Ladungen haben. Diese Domänen sind innerhalb des Kristalls symmetrisch, wodurch der Kristall als Ganzes elektrisch neutral ist. Wenn der Kristall belastet wird, wird die Symmetrie leicht gebrochen, wodurch Spannung erzeugt wird. Selbst ein winziges Stückchen piezoelektrischer Kristalle kann Tausende von Spannungen erzeugen.
Piezoelektrizität wird in Sensoren, Aktoren, Motoren, Uhren, Feuerzeugen und Wandlern verwendet. Eine Quarzuhr verwendet Piezoelektrizität, wie jeder Zigarettenanzünder ohne Feuerstein. Medizinische Ultraschallgeräte erzeugen mit piezoelektrischen Kristallen hochfrequente akustische Schwingungen. Piezoelektrizität wird in einigen Motoren verwendet, um den Funken zu erzeugen, der das Gas entzündet. Lautsprecher verwenden Piezoelektrizität, um eingehenden Strom in Schall umzuwandeln. Piezoelektrische Kristalle werden in vielen Hochleistungsgeräten verwendet, um winzige mechanische Verschiebungen im Nanometerbereich aufzubringen.
Obwohl sich ein piezoelektrischer Kristall beim Durchfließen von Strom nie um mehr als einige Nanometer verformt, ist die Kraft hinter dieser Verformung extrem hoch, in der Größenordnung von Meganewton. Diese Deformationskraft wird in mechanischen Experimenten und zum Ausrichten optischer Elemente genutzt, die um ein Vielfaches schwerer sind als der piezoelektrische Kristall selbst.