Die Gegenwart
Mit gedämpften Knack springt das Feuerzeug an, eine stille, aber heiße Flamme brennt.
Das ausströmende Gas wird von einem Funken entzündet, der aus keiner Batterie, aus
keiner Steckdose stammt.
Was passiert? Eine Taste öffnet das Ventil zum Flüssiggasbehälter. Gleichzeitig spannt
sie ein Federsprungwerk, das beim Kippsprung auf einen Keramikkörper schlägt. Er trägt
zwei metallische Elektroden. Durch den kurzen, mechanischen Schlag werden im Inneren
dieser Keramik elektrische Ladungen verschoben, die sich auf den Elektroden sammeln. An
ihnen entsteht eine hohe elektrische Spannung, die den Funkenüberschlag auslöst. Durch
den Funken von der "heißen" Elektrode zur Düse am Ventil wird das
Gas-Luft-Gemisch entzündet. Die Energie für die Zündung liefert bei jeder Betätigung
die Kraft des drückenden Fingers.
Kern des Zünders ist ein mechanisch-elektrischer Wandler aus einer speziellen Keramik,
piezoelektrischer Keramik. Diese piezoelektrische Keramik wandelt direkt mechanische in
elektrische Energie um.
Auch der gegenteilige Effekt ist verbreitet. In den meisten PCs sind Piepser mit
piezoelektrischen Membranen eingebaut.
Der Name
Die Piezolelektrizität ist - mit unserem schnellebigen Zeitmaßstab beurteilt - schon
recht lange bekannt. Dafür spricht, dass das bestimmende Wort für Druck
(piezo) und auch der erste Teil der Elektrizität aus dem Griechischen
stammen. Dieser Effekt wurde also in einer Zeit entdeckt und benannt, in der der
naturwissenschaftlich Forschende humanistisch gebildet war und vielleicht die alten
Griechen im Urtext las. Die Elektrizität muss schon bekannt gewesen sein und mindestens
Mess- oder Nachweisgeräte dazu, sonst hätte dieser Effekt nicht entdeckt werden können.
Wäre die Entdeckung jüngeren Datums, sicher wäre daraus so etwas wie "pressure
electricity" geworden. Aber auch daran ist erkennbar, dass die alten Griechen sich
durchgesetzt haben. Sie sind wirklich schon sehr alt, doch ihre Begriffswelt umgibt uns
immer noch. Der namengebende Bernstein (elektron) ist
inzwischen nicht mehr Forschungsobjekt der Elektrotechniker, er ist wohl nur noch Schmuck.
Ich denke an die schöne, dicke Kette meiner Großmutter, aber auch an das vielgesuchte
und berühmte Bernsteinzimmer.
Eine Verbindung zwischen der Bernsteinkette meiner Großmutter und dem Strom aus der
Steckdose besteht für mich nicht. Ich halte es mehr mit der sachlich betrachteten
Elektrotechnik, mit den Herren Volta, Ampere, Ohm, genauso wie mit Gauß, Siemens, Weber,
Tesla, denen in den elektrischen Maßeinheiten trotz oder mit SI Denkmäler gesetzt
wurden.
Die Entdeckung
An der Piezoelektrizität, an der Untersuchung der natürlichen Materialien, an der
Herstellung und Verbreitung künstlicher Werkstoffe lässt sich sehr gut der Lebenslauf
eines Wissensgebietes darstellen.
Bekannt waren elektrische Eigenschaften des Turmalins. Turmalin, ein Edelstein, im
Glutbett erhitzt, zog Teilchen der Asche an und stieß sie auch wieder ab. Diese
elektrische Eigenart war auch von anderen elektrisch geladenen Körpern bekannt. Vermutet
wurde wegen dieser temperaturbedingten Elektrizität auch eine vom Druck abhängige. Nach
vielen Irrwegen, bei denen im wesentlichen Reibungselektrizität beschrieben wurde,
entdeckten die legendären Brüder Curie diesen Effekt am Turmalin. Das war 1880, Später
fanden sie diese Eigenart auch an Quarz und anderen Kristallen. Sie bezeichneten die
Eigenschaft als Polarelektrizität. Ein Jahr später wurde die Bezeichnung
"piezoelektrischer Effekt" vorgeschlagen. Das hat sich offensichtlich
durchgesetzt. Der reziproke Effekt, durch Anlegen einer elektrischen Spannung bewegt sich
der Kristall, wurde zunächst 1881 vorausgesagt und kurz darauf - wieder von den Brüdern
Curie - im Experiment gefunden. Beide müssen sehr geschickte Experimentatoren gewesen
sein und über märchenhafte Mittel verfügt haben.
Der Lebenslauf
Der Effekt, die Zündquelle des anfangs beschriebenen Feuerzeugs, ruhte in wenigen
Laboratorien als Kuriosum spezieller Stoffe, die meist sehr hart waren und
Kristalleigenschaften hatten, bekannt wurden Turmalin und Quarz. Die Kristallwissenschaft
suchte weiter. Berühmte Leute beschäftigen sich mit der Theorie z.B. auch Lord Kelvin.
Aber erst 1954 fand Max Born eine prinzipielle Lösung, aus dem Kristallgitter die
piezoelektrischen Konstanten abzuleiten.
Die technische Anwendung war zögernd, aber doch schneller als die prinzipielle Lösung.
Sie begann mit piezoelektrischen Resonatoren, also mit dem reziproken piezoelektrischen
Effekt.
Auslöser war die Untersuchung von Nachrichtenübermittlung unter Wasser mit Ultraschall,
sicher eine Folge des 1. Weltkrieges und der damals neuen Unterseeboote. Die ersten
Veröffentlichungen dazu stammen aus den 20er Jahren. Die militärische Anwendung führte
zur Geheimhaltung, es wurde still.
Trotzdem wurde weitergearbeitet. Es wurde erkannt, dass mit piezoelektrischen Resonatoren
Frequenzgeneratoren gesteuert werden können, die den Kern sehr genauer und weitgehend
temperaturunabhängiger Zeit- und Frequenznormale bilden. Als erste zivile Anwendung
wurden diese Resonatoren als frequenzbestimmende Elemente in Rundfunksendern eingesetzt.
Damit konnten in der dichter werdenden Rundfunksenderlandschaft die Sendefrequenzen stabil
gehalten werden. Aus meiner Lehrzeit kenn' ich noch Schwingquarze aus Beständen der
deutschen Wehrmacht, eingebaut in ein steckbares Stahlgehäuse wie das einer Stahlröhre
der 11er Reihe. Kennen Sie die alten Röhren als Verstärkerelemente überhaupt noch -
oder kennen Sie die neuen bildschönen, sanft glühenden Röhren, nicht mehr versteckt
sondern offen aufgebaut und präsentiert in den modernen high-end-power- amplifiers?
Es war wieder ein Krieg, der die Entwicklung beschleunigte. Von 1942 stammt eine
französische Veröffentlichung, in der piezoelektrisch angeregte Quarzelemente als Sender
und auch als Empfänger von Ultraschall für die Tiefenmessung und die Ortung von
Gegenständen im Wasser beschrieben wird. Der Erscheinungsort Paris war zu dieser Zeit von
der deutschen Wehrmacht besetzt. Mir ist nicht bekannt, welche Seite der Kriegsgegner
diese Ergebnisse schneller und konsequenter genutzt hat und welchen Einfluss der
piezoelektrische Effekt auf das Ende des Krieges hatte, hier also wieder ein Effekt unter
vielen am Rande der Weltgeschichte.
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Nach dem Ende des von Deutschland begonnenen Krieges, der weite Teile Europas und darin
besonders auch deutsche Städte zu Schutthaufen gemacht hatte, begann eine stürmische
Entwicklung für den beschriebenen Effekt. Anregungen kamen aus der Kristallphysik. Aus
dem inneren Aufbau der Kristalle und dem damit festgelegten Ort der Ladungsträger ist
nämlich ableitbar, ob durch Druck oder Temperatur sich die Ladungsverteilung ändert.
Zusätzlich zu den bekannten Kristallen Quarz und Turmalin wurden andere Einkristalle
entdeckt. Es erlangten aber nur einige wirtschaftliche Bedeutung. In der Anwendung habe
ich selbst Quarz, Lithiumniobat und Seignettesalz kennengelernt. Seignettesalz hatte eine
solche Bedeutung erlangt, dass im russischsprachigen Raum von Seignetteelektrizität
gesprochen wird. Ein russisches Buch mit diesem Titel steht noch in meinem Bücherregal.
Im und nach dem Kriege entstanden viele Betriebe in Europa und in den USA, die im Umfeld
der Luftfahrt und der sich entwickelnden Raketentechnik angesiedelt waren. Der Zwang zu
minimalem Gewicht bei maximaler Antriebsleistung forderte bis an die Grenze gehende
Ausnutzung der Materialeigenschaften Elastizität und Festigkeit. Ähnlich entwickelten
sich die Forderungen der Kerntechnik. Schwingungsmessung spielt bei der Reaktorsicherheit
eine große Rolle. Diesen Herausforderungen stellte sich die Messtechnik. Wohl alle
bekannten Wandlermechanismen wurden auf ihre Verwendbarkeit abgeklopft. Auf dem Gebiet der
Messung von Schwingungen hat der piezoelektrische Effekt bis jetzt einen festen Platz.
Welcher andere Wandlereffekt ermöglicht schon einen Dynamikbereich von mehr als 6
Größenordnungen? Die Vielzahl der Firmen und verschiedene Wandlertypen sprechen dafür.
Auch die Wandlermaterialien werden in verschiedenen Formen von vielen Firmen angeboten.
Mit entscheidend für die Verbreitung war, dass der Piezoeffekt auch bei speziellen
Keramiken auftritt, die im Gegensatz zu den piezoelektrischen Einkristallen weit einfacher
hergestellt werden konnte. Diese haben als polykristalline Gebilde keine natürliche
Piezoelektrizität. Im Polarisationsprozess werden die kleinen polaren Gebiete, man nennt
sie Domänen, die nach dem Sintern wirr durcheinander liegen, im elektrischen
Hochspannungsfeld ausgerichtet.
Für das Verständnis und die Anwendung wesentliche Veröffentlichungen erschienen.
Wichtige Eckpunkte waren
- die umfangreichen Schriften von Mason, in denen die Koeffizienten der Materialien
veröffentlicht wurden,
- das für die Anwendung des piezoelektrischen Effektes wichtige Patent von Dr.
Kistler:
Messverstärker zur Messung elektrischer Ladung. Schweizer Patentschrift 267431, Bern
1950,
- viele Untersuchungen neu gemixter Piezokeramiken mit speziellen Eigenschaften.
Gute zeitliche Stabilität, minimaler Temperaturkoeffizient, piezoelektrische Härte
gegen Depolarisation, hoher Curiepunkt, temperaturstabile Frequenzeigenschaften,
Herstellung aus einfachen und preiswerten Rohstoffen sind nur einige davon. Da Chemie und
Physik ihre Gaben - fern von Gerechtigkeit - gleichmäßig verteilen, sind alle positiven
Eigenschaften selten in einem Material vereint. Die Vielfalt der Hersteller lebt davon.
An der Technischen Universität Dresden liefen
noch viele Jahre wissenschaftliche Arbeiten zu den piezoelektrischen Problemen. Die letzte
Arbeit zur Dissertation wurde 1971 eingereicht und mit "magna cum laude"
abgeschlossen. Sie beschäftigte sich mit der quasistatischen Kraftwandlung mittels
Piezokeramik und erklärte Probleme im tieffrequenten Bereich. Ergebnis war,
dass die
Kraftmessung mit vielen Fehlern zu kämpfen hat und nur unter sehr eingeschränkten
Bedingungen verwendet werden kann. Als Nebenzweig wurde ein (nichtpraktikables, weil
unanschauliches) Modell für die pyroelektrischen Wirkungen beschrieben.
Ein wichtiges Buch war "Piezoelektrische Messtechnik" von J.Tichy und
G.Gautschi, im Jahr 1980 bei Springer erschienen. Diese Buch war wohl die letzte größere
Veröffentlichung zum mit Piezoeletrizität messenden Fach.
Zur gleichen Zeit gab es viele Veröffentlichungen zum reziproken piezoelektrischen
Effekt. 1µm- Schritte für die Herstellung mikroelektronischer Schaltungen mussten
bewältigt werden. Dafür boten sich Mikromotoren mit piezoelektrischen Antriebselementen
an. Sie sind als jüngstes Kind der Piezo- Anwendungen inzwischen etabliert.
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