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Demonstration der Piezospannung mit einem Oszilloskop

Akustik Ak 2.1 Versuch 1.18

Einführung

Die Wechselspannungen, die an den Oberflächen eines durch Ultraschall zu Schwingungen angeregten Quarzplättchens auftreten, können unmittelbar auf einem Oszilloskop sichtbar gemacht werden. Wendet man das Quarzplättchen, so ändert sich das Vorzeichen des jeweiligen Momentanwertes der Wechselspannung.

Material

Dreifuß
Stativstange, 4kt,l = 400 mm
Doppelmuffe
Universalklemme
Ultraschallquarz
abgeschirmtes Kabel BNC, l = 750 mm
Adapter, BNC-Stecker / 4-mm-Buchsen
Glycerin, 250 ml
Ultraschallgenerator
Oszilloskop, 15 MHz, 2 Kanal
Verbindungsleitungen

Versuchsaufbau Versuchsaufbau s. Abb. 18 (Ultraschallgenerator Betriebsart: Sinus) Der Schallkopf ist so in ein Stativ eingespannt, dass seine Stirnfläche waagerecht liegt. Auf den Schallkopf, auf den als Kopplungsflüssigkeit einige Tropfen Glycerin gegeben wurden, legt man den Ultraschallquarz. Auf die Quarzoberfläche drückt man das Steckerende einer Verbindungsschnur, die über einen Adapter an den Y1-Eingang des Oszilloskops angeschlossen ist. Das Monitorsignal ist mit dem Eingang Y2 verbunden, über den auch die Triggerung erfolgt.

Einstelldaten des Oszilloskops:
Zeitablenkung 0,5 μs/cm
Y₁-Eingang (Ultraschallquarzsignal) 0,5 V/cm
Y₂-Eingang (Monitorsignal) 0,05 V/cm
Triggerung über Y₂-Eingang

Durchführung

Am Ultraschallgenerator wird eine kleine bis mittlere Amplitude eingestellt und das Signal auf dem Bildschirm beobachtet. Der Ultraschallquarz wird herumgedreht und die oszilloskopierte Spannung mit der vorher aufgenommenen verglichen.

Es ist zu beachten, dass der Generator weniger als eine Minute betrieben werden soll, wenn die Marke des Stellknopfes "Amplitude" bis in den schraffierten Bereich gedreht wird. Andernfalls kann der Schallkopf durch die dabei entwickelte Wärme zerstört werden.

Ergebnis

Das Signal zeigt eine Wechselspannung, deren Amplitude sich im gleichen Maße wie die am Generator eingestellte ändert. Nach dem Wenden des Ultraschallquarzes ergibt sich eine Wechselspannung mit umgekehrter Polarität.

Anmerkung

Da die dem Generatorausgang "Monitor" entnommene Spannung phasenstarr mit der Erregerspannung des Schallkopfes gekoppelt ist, zeigt das Versuchsergebnis, dass bei der durch den Ultraschall bewirkten Deformation des Quarzplättchens an den gegenüberliegenden Oberflächen jeweils einander entgegengesetzte Ladungen und damit Felder entgegengesetzter Polarität auftreten.