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Ferroelektrische Hysterese

Erst beim Erreichen der Koerzitivfeldstärke E_c durch ein entgegengerichtetes elektrisches Feld wird die Polarisation wieder aufgehoben. Eine weitere Erhöhung dieses Gegenfeldes führt wieder zu einer Polarisation, aber mit umgekehrtem Vorzeichen.



Krafteinwirkung auf Zylinder mit Voltmeter



Deformation eines piezokeramischen Körpers bei anliegender Spannung

Der Piezoeffekt 

Ferroelektrische Domänen undPolarisation der Piezokeramik

Ein ferroelektrischer Kristall kann in Raumgebiete unterschiedlicher Polarisations-richtung eingeteilt werden, sog. ferroelektrische Domänen. Unter einer Domäne in einem Festkörper versteht man allgemein ein physikalisch abgegrenztes Raum-gebiet, in dem eine den Zustand des Festkörpers charakterisierende vektorielle Größe überall die gleiche Richtung hat. Diese charakteristische Größe einer ferroelektrischen Domäne besteht in gleicher Ausrichtung und gleichem Absolutbetrag der spontanen Polarisation. Je nach Korngröße des polykristallinen Keramikmaterials enthalten die Einzelkristallite nur einige wenige Domänen, abgegrenzt durch sog. Domänenwände.

Bei großen Änderungen der elektrischen Feldstärke bzw. mechanischen Spannung kommt es zu Domänenwand- Schaltprozessen, d.h. einzelne Raumbereiche werden durch Domänen-Neubildung umgepolt. Diese Schaltprozesse und irreversible Domänenwandverschiebungen sind u.a. die Ursachen der bekannten ferroelektrischen Hysteresekennlinien.

Im Herstellungsprozess piezoelektrischer Keramiken sind diese polykristallinen Materialien nach dem Sinterprozess im sog. thermisch-depolarisierten Zustand. Statistisch gesehen existiert eine nahezu gleichverteilte Ausrichtung der spontanen Polarisationsrichtungen in den Domänen und das Material ist isotrop, d.h. nicht piezoelektrisch. Durch das Anlegen eines starken elektrischen Feldes E werden diese spontanen Domänenpolarisationen bis zur Sättigung P_s umorientiert. Es entsteht ein resultierender remanenter Polarisationsvektor parellel zur Richtung des Polungsfeldes und das Material ist anisotrop bzw.piezoelektrisch.

Direkter Piezoeffekt

Mechanische Spannungen durch Krafteinwirkung von außen auf den piezoelektrischen Körper induzieren Verschiebungen der positiven und negativen Gitterbausteine, welche in Dipolmomenten zum Ausdruck kommen. Der damit verbundene Aufbau eines elektrischen Feldes erzeugt elektrische Spannungen. Vielfach wird dieser direkte Piezoeffekt in der Literatur auch Generatoreffekt genannt.

Inverser Piezoeffekt

Das Anlegen einer elektrischen Spannung an einen piezoelektrischen Körper bewirkt dessen geometrische Deformation im ungeklemmten Zustand. Die erzielte Bewegung ist abhängig von der Polarität der angelegten Spannung und der Richtung des Vektors der Polarisation. Das Anlegen einer Wechselspannung erzeugt eine zyklische Änderung der Geometrie (z. B. Zunahme bzw. Verringerung des Durchmessers einer Scheibe). Wird der Körper geklemmt, d.h. Behinderung einer freien Deformation, wird eine mechanische Spannung bzw. Kraft generiert. Dieser Effekt wird vielfach auch Motoreffekt genannt.