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Der piezoelektrische Effekt

Der piezoelektrische Effekt

In diesem Kapitel wollen wir uns den Grundwerkstoff, der in den piezoelektrischen Beschleunigungs-messern verwendet wird, genauer ansehen. Unter Piezoeffekt verstehen wir das Phänomen, dass bei einigen Materialien auf ihrer Oberfläche eine elektrische Ladung erzeugt wird, wenn sie durch eine äußere Kraft verformt werden. Oder umgekehrt, wenn wir eine elektrische Spannung an ein Piezo-material anlegen, ändert es leicht seine Form. Wir werden den grundlegenden Effekt betrachten, wie wir ihn auf verschiedene Arten nutzen können, und uns die besonderen Eigenschaften einiger gängiger Piezomaterialien ansehen. Aber zunächst einmal: Was ist eigentlich elektrische Ladung?

Was ist elektrische Ladung?

Dies ist wahrscheinlich eine der am schwierigsten zu beantwortenden Fragen. Versuchen wir es trotzdem, zumindest für eine Teilantwort. Im Lexikon findet man so etwas wie:
Elektrische Ladung ist eine grundlegende Eigenschaft der Materie und ist die Ursache aller elektrischen Phänomene.
Um dies genauer zu verstehen, müssen wir tief in die Materie bis auf die Ebene der Atome vordringen.

Die Atome bestehen aus drei Arten von Teilchen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Protonen und Neutronen bilden den Kern im Zentrum des Atoms, während die Elektronen drum herum kreisen wie Planeten um die Sonne.
Die Protonen und Elektronen haben diese sehr interessante Eigenschaft, die als elektrische Ladung bezeichnet wird. Elektronen haben eine negative Ladung, Protonen haben die gleiche, aber entgegengesetzte, positive Ladung. Wie der Name sagt sind die Neutronen elektrisch neutral.  Wenn die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen ist, zeigt das Atom keine Gesamtladung.

Model of Atom with Proton, Neutron, Electron

Proton

Neutron

Elektron

Der Kern des Atoms ist positiv geladen, was durch die rote Farbe angezeigt wird. Die Elektronen sind negativ geladen, durch die blaue Farbe angezeigt.

Es ist wichtig zu wissen, dass gleiche Ladungen sich abstossen und ungleiche Ladungen sich gegenseitig anziehen. Negativ zieht positiv an und positiv zieht negativ an. Negativ stösst negativ ab und positiv stösst positiv ab.

Wenn wir zwei Tischtennisbälle aufhängen und sie jeweils entsprechend aufladen, können wir dieses Phänomen beobachten.

charge up the ping-pong balls by hovering

(       Lade die die Tischtennisbälle auf, indem du mit dem Mauszeiger über die Bilder unten fährst.)

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charge up the ping-pong balls by hovering

positiv und positiv stossen sich ab

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charge up the ping-pong balls by hovering

positiv und negativ ziehen sich an

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charge up the ping-pong balls by hovering

negativ und negativ stossen sich ab

Wenn ein Objekt einen Überschuss an Elektronen hat, ist es negativ geladen, wenn es einen Mangel an Elektronen hat, ist es positiv geladen.
Da die negativen Ladungen so intensiv von den positiven angezogen werden, werden sie immer versuchen, einen Weg zu finden, um zusammenzufinden. Dies kann langsam aufgrund eines niedrigen elektrischen Widerstandes oder abrupt durch einen Funken geschehen. Wenn das Gleichgewicht hergestellt ist, weist das Objekt keine Nettoladung auf. Man nennt es dann neutral. Die Ladungen sind zwar noch vorhanden, aber sie haben keine äussere Wirkung, sie heben sich gegenseitig auf.
Elektrische Ladung kann nicht im eigentlichen Sinne erzeugt werden, aber positive und negative Ladungen lassen sich trennen. Dies kann zum Beispiel durch mechanische Reibung geschehen.

Die Dimension der elektrischen Ladung

Die elektrische Ladung ist sozusagen die Menge der Elektrizität. Der Physiker verwendet den Buchstaben Q oder q für die Ladung (Q vom lateinischen Wort "Quantum")
Die Dimension der Ladung heisst Coulomb [C] zu Ehren des französischen Wissenschaftlers

Charles-Augustin de Coulomb

 

1 C = 1 A·s  (1 Coulomb = 1 Ampere-Sekunde)

 

Wenn elektrische Ladungen von Punkt A nach B fließen, nennen wir das elektrischen Strom. Ein Ampere entspricht einem Coulomb pro Sekunde (1A = 1C/s)

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Beispiele

Lightening strike / Pixabay: Blitz-953118_1280

Der elektrische Strom ist die Grundlage fast unseres ganzen modernen Lebens, aber ausserdem stossen wir bei etlichen Gelegenheiten auf elektrische Ladungen. Die Blitze in einem Gewitter sind sehr eindrucksvolle Beispiele für Ladungen, die das Gleichgewicht suchen. Die elektrische Ladung, die durch einen Blitzschlag aus einer Wolke auf den Boden verfrachtet wird, beträgt normalerweise nur wenige Coulombs, während die elektrische Energie in der Größenordnung von einigen Giga-Joule liegt.
(1 Giga Joule = 1 Million kWs oder 280 kWh)

Dies zeigt sehr schön, dass elektrische Ladung und Energie nicht dasselbe sind!

C. A. Coulomb_de.png

Charles-Augustin de Coulomb © by Wikipedia, the free encyclopedia

Ein anderes Phänomen kann manchmal beim Gehen auf einem Teppich aus bestimmten Materialien auftreten. In Verbindung mit dem Material unserer Schuhe können durch die Reibung elektrische Ladungen getrennt und unser Körper aufgeladen werden. Wenn wir den nächsten Türgriff berühren, der mit der Erde verbunden ist, können wir die elektrische Entladung spüren.
Die Ladung beträgt in diesem Fall nur wenige pico-Coulomb.


1 pico-Coulomb (1pC) = 10⁻¹²  C oder ein Millionstel eines Millionstels eines Coulomb.

Kannst du dir vorstellen, was 10⁻¹²  bedeutet?

 
 

Elektrische Ladung