Elektrische Polarisation und piezoelektrischer Effekt eine anschauliche Darstellung am Beispiel von -Quarz

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Leander Florian Fuhrmann
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1 Elektrische Polarisation und piezoelektrischer Effekt eine anschauliche Darstellung am Beispiel von -Quarz Wissenschaftsforum 2017 an der Wilhelm Büchner Hochschule 25. Oktober 2017 Wilhelm Büchner Hochschule, D Pfungstadt 1

2 Inhalt -Quarz auf makroskopischer Ebene -Quarz auf molekularer Ebene Direkter Piezoelektrischer Effekt Reziproker Piezoelektrischer Effekt Elektrische Polarisation Zusammenfassung 2

3 -Quarz auf makroskopischer Ebene Kristallform und dazugehörige Kristallachsen Tieftemperatur-Modifikation (unterhalb 573 C) Tiefquarz gehört zum trigonalen Kristallsystem dient der dreidimensionalen Klassifizierung Kristallographische Hauptachse optische Achse 3 polare Achsen eine polare Achse verbindet zwei gegenüberliegende Kanten des sechsseitigen Prismas gegenüberliegende Kanten sind nicht gleichwertig Wissenschaftsforum 2017, Pfungstadt 3

4 -Quarz auf makroskopischer Ebene Erzeugung von Piezoelektrizität Betrachtung der Struktur von -Quarz auf molekularer Ebene 4

5 -Quarz auf makroskopischer Ebene Strukturaufbauender Koordinationspolyeder von -Quarz und dessen Bindungs-Grenzformen die Elektronegativität eines chemischen Elements ist ein Maß für dessen Fähigkeit, Elektronen in einem Molekül an sich zu ziehen Si = 1.8 und O = 3.5 = 1.7 Annahme eines 50 % partiell ionischen Charakters der Si O-Bindung Annahme einer reinen Ionenbindung innerhalb des [SiO 4 ] 4- -Tetraeders 5

6 -Quarz auf molekularer Ebene Strukturzelle von -Quarz Wissenschaftsforum 2017, Pfungstadt 6

7 -Quarz auf molekularer Ebene Vereinfachte Strukturzelle von -Quarz 7

8 Direkter Piezoelektrischer Effekt Longitudinaler und Transversaler Effekt das obere Siliciumion rückt zwischen die beiden oberen Sauerstoffionen, das untere Sauerstoffion rückt zwischen die beiden unteren Siliciumionen 8

9 Direkter Piezoelektrischer Effekt Longitudinaler und Transversaler Effekt das Silicium- und Sauerstoffion links- und rechtsseitig der Strukturzelle werden gleichmäßig nach innen verschoben und deren Ladungen heben sich gegenseitig auf Wissenschaftsforum 2017, Pfungstadt 9

10 Reziproker Piezoelektrischer Effekt Longitudinaler und Transversaler Effekt die beiden oberen Sauerstoffionen werden ein Stück weit zur unteren Elektrode A hin und die beiden unteren Siliciumionen ein Stück weit zur oberen Elektrode A hin angezogen 10

11 Reziproker Piezoelektrischer Effekt Longitudinaler und Transversaler Effekt die beiden oberen Sauerstoffionen werden ein Stück weit zur oberen Elektrode A hin und die beiden unteren Siliciumionen ein Stück weit zur unteren Elektrode A hin angezogen Wissenschaftsforum 2017, Pfungstadt 11

12 Elektrische Polarisation 12

13 Elektrische Polarisation Dipolmomente innerhalb der vereinfachten Strukturzelle von -Quarz (unverformte Konfiguration) Wissenschaftsforum 2017, Pfungstadt 13

14 Elektrische Polarisation Geometrische Größen innerhalb der vereinfachten Strukturzelle von -Quarz (unverformte Konfiguration) Wissenschaftsforum 2017, Pfungstadt 14

15 Elektrische Polarisation ohne mechanische Druckbeanspruchung 15

16 Elektrische Polarisation bei mechanischer Druckbeanspruchung Wissenschaftsforum 2017, Pfungstadt 16

17 Elektrische Polarisation bei mechanischer Druckbeanspruchung Wissenschaftsforum 2017, Pfungstadt 17

18 Zusammenfassung Darstellung der Struktur von -Quarz und der dazugehörigen kristallographischen Achsen erfolgte auf makroskopischer Ebene Darstellung der Struktur von -Quarz auf molekularer Ebene ermöglicht Erklärung des Phänomens der Piezoelektrizität auf makroskopischer Ebene Annahme einer Ionenbindung innerhalb der Strukturzelle von -Quarz liefert einfache und anschauliche Erklärung des direkten und reziproken piezoelektrischen Effekts Elektrisches Dipolmoment und somit elektrische Polarisation erschließen physikalisches Verständnis für den piezoelektrischen Effekt 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 19

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