Der Piezoelektrische Effekt

Der piezoelektrische Effekt ist eine Eigenschaft bestimmter Materialien sich bei mechanischer Verformung elektrisch zu polarisieren,
wobei eine messbare elektrische Spannung entsteht.

Geräte:

Aufgebaute Darlingtonstufe aus zwei NPN Transistoren und 9V Spannungsversorgung
(bestehend aus: 2x Transistor BC 547 oder vergleichbarer Typ, 1x LED, 1x Widerstand 470 Ohm, Steckboard oder fester Aufbau auf Platine)
Oszilloskop (alternativ Oszilloskop-Software auf einem PC mit Soundkarte)

Materialien/Chemikalien:

Aluminiumfolie
Kaliumnatriumtartrat Kristall (Seignettesalz, C₄H₄KNaO₆)
Kaliumaluminiumsulfat Kristall (Kaliumalaun, KAl(SO₄)₂)

Durchführung:

Aus Aluminiumfolie werden zwei Streifen zur Verwendung als Messelektroden angefertigt. (Länge ca. 100mm, Breite ca. 8mm)
(Die Abmessungen der Aluminiumstreifen sind praktische Richtwerte und für den Erfolg des Versuches nicht ausschlaggebend.)

Eine Darlingtonschaltung aus zwei Transistoren und einer Leuchtdiode mit Vorwiderstand zur optischen Anzeige wird aufgebaut.
An der Basis des ersten Transistors wird ein Aluminiumstreifen als Messelektrode angeschlossen, ein zweiter an den Minuspol.
Ein Seignettesalzkristall wird zwischen den Enden der Aluminiumstreifen fixiert.
Die Schaltung wird an eine Spannung von 9V angeschlossen.

Nun wird auf einen,auf dem Kristall aufgesetzten Druckstempel (z.B. Stift oder Schraubenziehergriffseite) geklopft
und zwar gerade so stark dass der Kristall nicht zerstört wird.
Bei jedem stark genug ausgeführten Schlag (Druckänderung auf dem Kristall) sollte die LED kurz aufleuchten,
was ein durch die Schaltung verstärkter Spannungsimpuls aus dem Kristall ist.

Für einen Doppelblindversuch kann ein anderer nicht piezoelektrich aktiver Kristall, wie z.B. ein Kaliumaluminiumsulfat-Kristall verwendet werden.
Die LED wird bei Schlägen auf den nicht piezoelektrischen Prüfkristall nicht aufleuchten.

Sollte die Darlingtonschaltung zu stark ansprechen und die LED dauerhaft leuchten (z.B durch ein in der Nähe befindliches elektrisches Feld),
kann ein Widerstand im Megaohmbereich (Pulldown) von der Basis des ersten Transistors gegen den Minuspol geschalten werden (siehe Schaltplan).

Alternativ zu Kaliumnatriumtartrat können auch Kaliumdihydrogenphosphat, Turmalin oder andere vergleichbare Materialien mit Piezoeigenschaften verwendet werden.

Um den Spannungspuls genauer zu überprüfen, kann der Kristall über die Aluminiumelektroden an ein Oszilloskop angeschlossen werden. Bei entsprechender Einstellung der Messbereiche kann der Spannungsimpuls auf dem Oszilloskop visualisiert dargestellt werden.

Wird ein Gegentaktverstärker verwendet,um den Spannungsimpuls sichtbar zu machen,
stellt man fest dass beim dekomprimieren des Kristalls nochmals eine anders gerichtete Spannung auftritt als beim komprimieren.

Erklärung:

Piezomaterialien sind Nichtleiter und haben Kristallgitter ohne Symmetriezentren,
d.h. man bekommt bei Verdrehen des Kristalls um 180° keine Deckungsgleichheit der Flächen.
Bei Verschiebung der "festsitzenden" Ionen im asymmetrischen Kristallgitter verschieben sich die Ladungsschwerpunkte von negativer und positiver Ladung
relativ zueinander, was zu einer elektrischen Polarisation und damit zur Ausbildung einer Potentialdifferenz (elektrische Spannung) führt.
Würde man im Vergleich dazu Druck auf einen elektrischen Leiter (wie z.B. ein Metall) ausüben würden sich die Ladungen aufgrund der
frei beweglichen Elektronen sofort ausgleichen, weshalb nur nichtleitende Materialien als piezoelektrische Materielien in Frage kommen.
Das gleichmässig angeordnete Ionengitter eines Kristalls verstärkt diesen Effekt, wodurch eine stärkere Potentialdifferenz zwischen den Kristallflächen zustandekommt.

Bilder:


Kristallgitterschema zur Erklärung des piezoelektrischen Effektes anhand von Natriumchlorid und Siliciumdioxid


Schaltplan zur Darlingtonschaltung


Aufbau Darlingtonschaltung mit Kristall zwischen Messesselektroden


Oszillogramm und Kaliumnatriumtartratkristall Fixierung


Doppelblindversuch mit einem Kaliumaluminiumsulfatkristall


Weitere Versuche mit Kaliumdihydrogenphosphat und Turmalin


Kaliumnatriumtartrat Kristalle

Downloadempfehlung freie Oszilloskopsoftware: http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_de

Erinnert mich an ein altes Jugend Forscht Projekt von mir. Da haben wir exakt das selbe gemacht Wir haben damals allerdings die Kristallflächen an denen wir gemessen haben mit Leitsilber angepinselt um eine möglichst große Oberfläche zum Abgreifen der Spannung zu bekommen.
p.s.: Du könntest auch noch den Klassiker schlechthin antesten, Quarz also z.B. Bergkristall.

schlachte doch einfach nen computerquarz mit dem Dremel... da gibts die Anschlüsse gleich frei Haus mitgeliefert

Schöne Sache Andi, durch dich bekommt unser Physikforum ja richtig guten zuwachs... sobald ich mal wieder zum verschieben komme

-ich hab auch aus nem Quarzkristall (Bergkristall) und einem Calcit (Doppelspat) was rausbekommen.
Man muss nur fester draufkloppen,dafür ist Quarz ja um einiges stabiler.
(vielleicht sollte ich das zum Artikel dazuschreiben)
Den KDP-Kristall wollt ich erst für den Doppelblindversuch analog zum Kalialaun nehmen weil er grad da war,
hab mich gewundert als ich daran ebenfalls Spanung gemessen hab.(vorher nicht über die Kristallklasse nachgedacht )
Das mit dem Leitsilber ist eine gute Idee,interessant wärs mal aus den Kristall einen Ton durch Spannung anlegen rauszuholen.
Hab schon verschiedene Schaltunge versucht,hat aber bis jetzt leider nicht geklappt.
Noch ein interessanter link: http://de.inforapid.org/index.php5?search=Fl%C3%BCssigkristalline%20Elastomere
-edit: mit was habt ihr die Messungen durchgeführt?
-edit2: Danke Tobi!
-edit3: hab statt Darlingtonstufe auch mal einen Gegentaktverstärker drangehängt,dort erkennt man dass der Ausschlag in beide Richtungen geht.

HCl mit etwas Wasserstoffperoxid oder Salpetersäure mit 53% leisten dabei erfahrungsgemäß gute Dienste. Allerdings sind die Anschlüsse dann ein "Ionen-Bausatz".
Die Messungen haben wir damals mit einem Messverstärker und nem uralten Röhrenoskar gemacht. Später haben wir dann auf den Verstärker verzichtet und konnten auch so messen allerdings mit höherem Rauschen, da der bei der höheren Empfindlichkeit alles mitgenommen hat was so vor sich hinbrummte
@ Bahmtec
Welchen Messbereich hast Du denn eingestellt beim Oszi? Wenn ich mir die Amplitude beim Hintergrund-Sinus so ansehe warst Du vermutlich im n*100mV Bereich? Ich denke je nach Empfindlichkeit des Oskars kannst Du die Zeitliche Auflösung noch runterziehen und den Messbereich empfindlicher gestalten. Hätte den Vorteil, daß Du die Kristalle nicht so stressen musst. Das Tartrat ist erfahrungsgemäß ziemlich spröde und bröselt leicht weg. Kleiner Tip noch zum Leitsilber, wenn Du Blattelektroden aus Kupferfolie mit Leitsilber versiehst und diese mit dem noch feuchten Leitsilber auf den "eingesilberten" Flächen anlegst und nach dem Trocknen mit Epoxidkleber fixierst, kannst Du den Kristall nach dem Aushärten des Epoxidklebers mit Epoxidharz oder dickflüssigem Collodiumlack überziehen weil die Dinger recht anfällig für Fingerfeuchtigkeit etc sind. Dann kannst Du weiterbasteln ohne das sich dauernd die Elektroden ab oder die Leitsilberschichten auflösen. Wichtig bei dem Ganzen ist, dass Du das bei niedriger Luftfeuchtigkeit und mit einem Furztrockenen Kristall machst, sonst blättert dir u.U. das Coating weg. NC Lack hat dabei den Vorteil, dass er auch in dickeren Schichten (~< 1mm) etwas Wasserdampfdurchlässig ist so das das "Hydratwasser" des Kristalls bei Luftfeuchteigkeits und Temperaturschwankungen keine Blasen unter dem Lack wirft und die Kristalloberfläche intakt bleibt.

Spannungsmessbereich war 0,05V ,sprich ein Kästchen sind 0,05V.
Zeitablenkung war 0,1 S.
Die Einstellungen waren haupsächlich aufs Fotografieren ausgerichtet,zum reinen Messen geht sicher was feineres
Man bedenke,gleichzeitig auf den Kristall kloppen und im selben Moment ein Foto zu machen iss nicht,
ebensowenig wie Messung Speicherfunktion und hoher Zeitauflösung,da man ja genau beim Screenshot den Impuls geben muss.
Bei dieser Einstellung sieht man eher einen "punktförmigen Streifen" über den Schirm wandern,
der von der Speicherleuchtschicht (analoge Speicherfunktion) nach einmaligen vorbeiwandern festgehalten wird.
Helligkeit dazu entsprechend abgestimmt und so weiter.
Die kleinen Wellen im Hintergrund sind einfach das 50Hz Brummen vom Netz (Einstreuung).
Die grösste gemessene Spannung die ich erreicht hab,waren um die 2V,kann aber sein dass der Zeitliche Messbereich zu träge eingestellt war.
Das Oszi ist ein C8-13 russischer Bauart,damals noch für die DDR hergestellt .
Hir ein pic mit besagter PC-Software:



Die ganzen Tips mit der Lack-action hören sich nicht schlecht an,vielleicht kann man so ein Mikro oder einen
kleinen Hochtöner bauen. Die Bearbeitung mit feinen Schleifpapier geht auch schonmal.
Momentan kommt aber nicht das geringste aus dam Kristall wenn man (Wechsel oder pulsierende) Spannung anlegt.Auch nicht mit Resonanzkörper.
Beim Versuch mit Hochspannung (Zeilentrafo) ist der Kristall in seinen Kristallwasser geschmolzen

Eine Frage zu einem deiner Bildchen habe ich, und zwar zu den Siliciumdioxid-Schema-Bildchen; sollen die "O-" und "Si+"-"Kugeln" die einzelnen Ionen darstellen?

Wundert mich nur etwas, weil es sonst ja Si⁴⁺ und O^2- wäre, und das Mengenverhältnis analog der Formel SiO₂ dementsprechend anders

Die Elementarzelle bei Quarz ist tatsächlich ein SiO₄ Tetraeder. Wenn man davon aber wie in einem Kristall unzählige aneinanderfügt kommt man letztlich auf SiO₂ weil sich das zentrale Si die vier umgebenden O´s mit dem Benachbarten Zentralen Si teilt und so weiter...

p.s.: was hat Pehbehklammeraufenndreiklammerzuzwei eigentlich für ein Kristallgitter? Hat man das schon mal auf Piezo/ Pyroelektrische Eigenschaften überprüft?

Höhö, ein richtig schöner, großer Kristall, und dann noch

Da bekommt der Begriff piezoelektrischer Zünder direkt ne ganz neue Dimension Aber mal ernsthaft, ich hab nirgends was zur Kristallstruktur von dem Zeug gefunden. Wäre mal interessant zu wissen wie die aussieht und ob das u.U. tatsächlich piezoelektrisch ist. Wäre zwar zu nix zu verwenden aber was solls

p.s.: Daraus könnte man nen Prima Doppelpreisträger kreieren. IG-Nobelpreis und Darwinaward auf einmal IG-Nobelpreis für die Erforschung piezo und pyroelektrischer Effekte bei Schwermetallaziden und der Darwinaward ergibt sich aus ersterem...Freiwillige vor ...

OT:
Das wär ja mal nen Job für meine Leyboldkiste.
Mitlerweile läuft das Ding, hab aber immer noch keine Literatur zum Verfahren beschafft...

Im Prinzip Schon aber dafür müsstest Du das Material als Probe vorliegen haben und das fände der Gesetzgeber nicht so lustig vielleicht könnte man andere Analoga der Stickstoffgruppe verwenden. Cool!