Erforschen von piezoelektrischen Materialien: Typen, Eigenschaften und technologische Auswirkungen

Im Laufe der Jahre haben Fortschritte in der Materialwissenschaft verschiedene piezoelektrische Materialien wie Einzelkristalle, Keramik und dünne Filme geschaffen.Dieser Artikel sieht sich piezoelektrische Materialien, einschließlich ihrer Eigenschaften, Typen, ihrer Funktionsweise und ihrer Verwendung, genau an.Es unterstreicht ihre Bedeutung für die Verknüpfung von Maschinen- und Elektrotechnik und fördert Innovationen in vielen Bereichen.

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Abbildung 1: Piezoelektrisches Material

Was ist Piezo?

Das Wort "Piezo" stammt aus dem griechischen Wort "Piezein", bedeutet "Drücken" oder "Druck".Dies passt gut zu seiner Verwendung in der Wissenschaft für Piezoelektrizität.1880 entdeckten die französischen Physiker Jacques und Pierre Curie Piezoelektrizität.Sie stellten fest, dass bestimmte Kristalle wie Turmalin, Quarz, Topaz und Rochelle Salz gepresst wurden, sie eine elektrische Ladung erzeugten.Sie sahen auch, dass diese Kristalle die Form ändern konnten, wenn ein elektrischer Strom angewendet wurde, was zeigt, dass der Prozess in beide Richtungen funktionieren könnte.

Diese Entdeckung führte zur Schaffung verschiedener piezoelektrischer Geräte.Während des Ersten Weltkriegs wurde die Piezoelektrizität hauptsächlich in Ultraschall -U -Boot -Detektoren eingesetzt.Heute werden in vielen Dingen piezoelektrische Materialien verwendet.Sie finden sich in alltäglichen Gegenständen wie Elektrozigaretten -Feuerzeugen und Tintenstrahldruckern sowie in fortschrittlichen Technologien wie medizinischer Ultraschallbildgebung und Präzisionsbewegungskontrolle in der Robotik.

Arten von piezoelektrischen Materialien

Abbildung 2: Beispiele für piezoelektrische Materialien

Einkristallpiezoelektrische Materialien

Einkristallpiezoelektrische Materialien sind durch ihr kontinuierliches und gleichmäßiges Kristallgitter gekennzeichnet, die frei von Korngrenzen sind.Diese gleichmäßige Struktur führt häufig zu einer besseren elektromechanischen Kopplungseffizienz im Vergleich zu anderen piezoelektrischen Materialien.Beispiele für solche Materialien sind Quarz und Langasit.Diese Einzelkristalle werden unter Verwendung präziser Wachstumsmethoden wie dem Czochralski -Prozess oder der hydrothermalen Synthese produziert.Ihre außergewöhnliche Leistung eignet sich perfekt für präzise Anwendungen wie Advanced Medical Imaging Systems, Telekommunikationsresonatoren und Filter und Vibrationsüberwachung in der Luft- und Raumfahrt.

Abbildung 3: Piezo -Kristallquarzmaterial

Keramikpiezoelektrische Materialien

Piezoelektrische Keramik werden aus perovskitstrukturierten Materialien wie Bleizirkonat-Titanat (PZT) hergestellt.Diese Materialien sind polykristallin und werden durch Sinterpulversubstanzen erzeugt.Ihre piezoelektrischen Eigenschaften werden durch einen Polingprozess entwickelt und richten die elektrischen Dipole durch die Anwendung eines externen elektrischen Feldes aus.Diese Keramik kann leicht in verschiedene Formen und Größen geformt werden.Ihre Haltbarkeit und Kosteneffizienz machen sie für den Einsatz bei Aktuatoren, Sensoren, Ultraschallwandlern und Unterhaltungselektronik-Summer beliebt.

Abbildung 4: Struktur der PZT -Piezoelektrik -Keramik

Dünne Film piezoelektrische Materialien

Dünnfilm -Piezoelektrika werden hergestellt, indem Schichten abgelagert werden, die von einigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern der Dicken unter Verwendung fortschrittlicher Herstellungstechniken wie Sputter, chemischer Dampfabscheidung oder gepulster Laserablagerung reichen.Gemeinsame Materialien, die in Dünnfilmen verwendet werden, umfassen PZT, Zinkoxid (ZnO) und Aluminiumnitrid (ALN).Die Dünnheit dieser Filme ermöglicht es ihnen, in mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und nanoelektromechanische Systeme (NEMs) integriert zu werden, wodurch ihre Funktionalität in kompakten Geräten wie Mikrofonen, Mikroschalten und fortschrittlichen Sensorarrays verbessert wird.Ihre Kompatibilität mit Standard -Halbleiterprozessen und Skalierbarkeit macht sie für integrierte Schaltkreise und flexible Elektronik geeignet.

Abbildung 5: Aln Piezoelektrische Dünnfilme

Abbildung 6: Bulk Piezo -Elemente

Die Auswahl zwischen Dünnfilm- und Bulk-piezoelektrischen Materialien hängt vom spezifischen Anforderungen der Anwendung nach Präzision, Leistung und Haltbarkeit ab.Dünnfilm-Piezo-Materialien sind in kleinen Technologien geeignet.Im Gegensatz dazu werden Schüttgütermaterialien in anspruchsvolleren, größeren Anwendungen bevorzugt.Die folgende Tabelle vergleicht Dünnfilm-Piezo-Materialien und Schüttgummi-Materialien basierend auf ihrer Dicke, Herstellungstechniken, wichtigen Merkmalen und Anwendungen.

Kategorie	Dünnfilm-Piezo-Materialien	Bulk Piezo -Materialien
Dicke	Ein paar Nanometer zu mehreren Mikrometern	Mehrere Millimeter bis Zentimeter
Fertigungstechniken	Sputtern, gepulste Laserablagerung, chemische Dampfabscheidung	Pressen, Extrusion, Bearbeitung
Merkmale	Hochfrequenzantwort: Schnelle Reaktion mal	Hochleistungsgenerierung: Erzeugt Kraft unter mechanischer Belastung
	Flexibilität: anwendbar auf flexible Oberflächen	Haltbarkeit: stark und langlebig, geeignet Bei schweren Lasten und harten Bedingungen
	Präzision: Genauige Kontrolle auf a mikroskopischer Ebene	Vielseitigkeit: leicht geformt und diente für spezifische Bedürfnisse
Anwendungen	Mikroelektronik und Mems: Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Tintenstrahldruckerköpfe	Energiernutzung: Konvertiert mechanisch Spannung durch Schwingungen in elektrische Energie
	Medizinprodukte: Ultraschallwandler zur Bildgebung und Therapie	Aktuatoren und Sensoren: Große Aktuatoren in Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, Hochlastsensoren
	Telekommunikation: Filter und Resonatoren in Mobiltelefonen und Kommunikationsgeräten	Sonar und Ultraschallgeräte: Sonar Systeme für die Marinekonsum, industrielle Ultraschallreiniger

Dünnfilm-PZT- und Abscheidungsmethoden

Dünnfilm-Blei-Zirkonat-Titanat-Materialien (PZT) werden aufgrund ihrer großen piezoelektrischen Eigenschaften in Sensoren, Aktuatoren und mikroelektromechanischen Systemen (MEMs) verwendet.Die Zusammensetzung und Wirksamkeit von PZT -Dünnfilmen hängt stark von ihren Abscheidungsmethoden ab, die ihre Struktur, Orientierung und piezoelektrische Leistung beeinflussen können.Die drei Hauptabscheidungstechniken: Sol-Gel, Sputter- und Metall-organische chemische Dampfabscheidung (MOCVD).

Abbildung 7: Flexible Dünnfilm PZT

Sol-Gel-Prozess

Der Sol-Gel-Prozess ist eine kostengünstige Möglichkeit, PZT-Dünnfilme abzulegen und die Kontrolle über die Filmzusammensetzung auf molekularer Ebene zu ermöglichen.Diese Technik beginnt mit der Vorbereitung einer kolloidalen Lösung (SOL), die sich in ein Gel verwandelt.Wichtige Schritte sind hydrolysierend und polymerisierende Metallalkoxide.Das resultierende Gel wird unter Verwendung von Spinbeschichtung oder Dip-Beschichtung auf ein Substrat angewendet, gefolgt von einer Wärmebehandlung, um organische Komponenten zu entfernen und die PZT-Phase zu kristallisieren.

Abbildung 8: Sol-Gel-Prozess für PZT-Dünnfilme

Vorteile

• Ermöglicht eine feine Kontrolle über die Stöchiometrie, verbesserte piezoelektrische Eigenschaften

• Verwendet niedrigere Temperaturen im Vergleich zu anderen Methoden

Herausforderungen

• Es ist schwierig, eine konsistente Dicke und Zusammensetzung in großen Bereichen zu erhalten

• Ein hohes Schrumpfen beim Trocknen und Schießen verursacht häufig Risse

Sputtern

Sputtering ist eine PVD-Technik (Physical Dampor Deposition), bei der energiereiche Partikelmaterial von einem Ziel abklopfen und dann auf ein Substrat ablegt.Für PZT -Filme wird RF -Magnetronsputter verwendet, an dem ein Plasma von Argonionen beteiligt ist, das das PZT -Ziel erreicht.

Abbildung 9: Sputterabscheidungsmethode der Ablagerung von Dünnschicht

Vorteile

• Produziert Filme mit guter Haftung und Dichte

• Geeignet für die gleichmäßige Beschichtung großer Substrate

Herausforderungen

• In den Filmen, die ihre Eigenschaften beeinflussen, kann sich Stress aufbauen

• Die Zusammensetzung des Ziels kann sich während des Sputterns aufgrund differenzierter Sputterausbeute ändern

Metall organische chemische Dampfablagerung (MOCVD)

MOCVD beinhaltet die Zersetzung von metallorganischen Vorläufern in einer Dampfphase und reagiert oder zersetzt auf ein erhitztes Substrat, um einen dünnen Film zu bilden.Diese Methode wird vorgezogen, um hochpurige, gut kristallisierte Filme zu erzeugen, die für elektronische Anwendungen geeignet sind.

Vorteile

• Bietet eine ausgezeichnete Film Gleichmäßigkeit und Konformität, selbst bei komplexen Substraten

• Gut für die Produktion mit hoher Volumen

Herausforderungen

• Erfordert höhere Temperaturen als andere Methoden

• Handhabung und Lagerung von metallorganischen Vorläufern kann gefährlich sein

Abbildung 10: Ablagerung der Metall organischen chemischen Dampfdampf

Wie Materialien unter Stress wirken

Verhalten unter Kompression

Wenn Materialien wie Quarz oder Bariumtitanat gepresst werden, ändern sie sich in einer Weise, die sich auf ihre Verwendung auf verschiedenen Geräten auswirkt.Diese Materialien haben spezielle Strukturen, die beim Drücken elektrischer Ladungen erzeugen.Wenn sie komprimiert sind, schrumpfen sie und ihre inneren Struktur ändert sich.

Dieses Drücken führt dazu, dass die elektrischen Ladungen innerhalb des Kristalls ungleichmäßig verteilt werden.Der Druck bewegt Ionen in der Struktur des Kristalls und erzeugt ein elektrisches Feld.Dies geschieht, weil die positiven und negativen Ladungszentren in der Materialverschiebung.Die Menge der elektrischen Reaktion hängt von der Art des Kristalls, der aufgebrachten Kraft und der Richtung des Kristalls relativ zur Kraft ab.

In Sensoren kann beispielsweise die von den Kristallen erzeugte Spannung die aufgebrachte Kraft messen, wodurch sie perfekt zum Erkennen von Druck und Überwachung von Lasten perfekt sind.Bei Aktuatoren kann das Auftragen eines elektrischen Feldes die Form des Kristalls ändern und eine präzise Kontrolle der Bewegungen in Dingen wie Ultraschallgeräten und Einspritzdüsen für Auto -Kraftstoff ermöglichen.

Abbildung 11: piezoelektrische Materialien funktioniert

Piezoelektrische Reaktion auf Druck

Wenn piezoelektrische Materialien mechanischer Druck ausgesetzt sind, stimmen ihre Moleküle neu aus und beeinflussen ihre elektrischen Eigenschaften.Die Kraft verändert die molekulare Struktur, stimmt Regionen mit gleichmäßiger elektrischer Richtung aus und erhöht die elektrische Polarisation.

Diese Ausrichtung steigert die Ladungsetrennung im Material und verbessert seine elektrische Polarisation.In einfachen Worten macht der Druck die Dipole (Moleküle mit zwei entgegengesetzten Ladungen) gleichmäßiger und erzeugt ein stärkeres elektrisches Feld für eine bestimmte Kraft.

Die Fähigkeit, diese Reaktion unter unterschiedlichem Druck genau zu steuern, macht piezoelektrische Materialien in vielen Technologien sehr nützlich.Ihre Fähigkeit, den mechanischen Druck in elektrische Signale umzuwandeln und umgekehrt, ermöglicht sie effektiv bei Aufgaben wie präzise elektronische Frequenzen und Überwachung von Vibrationen in industriellen Umgebungen.

Der piezoelektrische Effekt

Abbildung 12: der piezoelektrische Effekt

Mechanische Energie in elektrische Energie mit dem piezoelektrischen Effekt verwandeln

Der piezoelektrische Effekt verändert die mechanische Energie in elektrische Energie, indem bestimmte Kristallmaterialien deformiert werden.Diese als Piezoelektrika bekannten Materialien umfassen natürliche Substanzen wie Quarz und synthetische wie fortschrittliche Keramik.

Wenn ein piezoelektrisches Material mechanischer Spannung ausgesetzt ist, wie z. B. gepresst, verdreht oder gebogen, hat seine Kristallstruktur keine zentrale Symmetrie und wird gestört.Diese Störung verschiebt die Ladungszentren im Kristall, was zu Polarisation führt und an bestimmten Stellen im Material ein elektrisches Potential entsteht.

Schlüsselpunkte dieses Prozesses:

Die erzeugte elektrische Ladung entspricht der Menge an mechanischer Spannung.Dies bedeutet, dass der elektrische Ausgang auf der Grundlage der angewendeten bekannten Kraft genau gesteuert werden kann.

Wenn die Kraft entfernt wird, kehrt das Material in seinen ursprünglichen Zustand zurück und die elektrische Ladung verschwindet.Dies stellt sicher, dass die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Materials für Geräte gut geeignet ist, die wiederholt gut funktionieren müssen.

Elektrische Energie in mechanische Energie mit dem reversen piezoelektrischen Effekt verwandeln

Der umgekehrte piezoelektrische Effekt verändert die elektrische Energie wieder in mechanische Energie.Das Auftragen einer elektrischen Spannung auf ein piezoelektrisches Material erzeugt ein elektrisches Feld, das die Kristallgitterstruktur verändert und die Abmessungen des Materials verändert.

Dieser Effekt wird in Präzisionsaktuatoren in optischen Instrumenten und Mikropositionierungssystemen verwendet.Der umgekehrte piezoelektrische Effekt stellt sicher, dass kleine elektrische Eingaben zu präzisen, kontrollierten mechanischen Anpassungen führen und Fortschritte bei Robotik, Automobiltechnologie, medizinischen Instrumenten und Telekommunikation unterstützen.

Die doppelte Fähigkeit des piezoelektrischen Effekts, sowohl als mechanischer bis elektrischer als auch als elektrisch-mechanischer Wandler zu fungieren, unterstützt technologische Fortschritte.Es verbindet die mechanischen und elektrischen Bereiche und erweitert die moderne Technik und Innovation.

Abbildung 13: Direkter und reverse piezoelektrischer Effekt

Vergleich nicht piezoelektrischer und piezoelektrischer Materialien

Nicht-piezoelektrische und piezoelektrische Materialien unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie mit mechanischer und elektrischer Energie umgehen.Nicht-Piezoelektrische Materialien wie Stahl und Aluminium können Strom leiten, erzeugen jedoch keine elektrische Ladung, wenn sie gestresst sind.Piezoelektrische Materialien wie Quarz und bestimmte Keramik können aufgrund ihrer speziellen Kristallstruktur die mechanische Energie in elektrische Energie verwandeln.

Nicht-piezoelektrische Materialien haben symmetrische Kristallgitter, sodass sie bei Betonung kein elektrischer Dipol erzeugen.Piezoelektrische Materialien haben asymmetrische Kristallgitter, die es ihnen ermöglichen, eine elektrische Ladung zu erzeugen, wenn sie unter Spannung sind.Diese Verformung verursacht interne Polarisation und schafft ein elektrisches Potential.

Nicht-piezoelektrische Materialien verhalten sich wie reguläre Leiter oder Isolatoren, die auf ihrer Elektronenmobilität und -bandstruktur basieren, und sie erzeugen bei Deforming keine elektrische Ladung.Piezoelektrische Materialien zeigen zwei Effekte: den direkten piezoelektrischen Effekt, bei dem mechanische Spannung eine elektrische Ladung erzeugt, und den inversen piezoelektrischen Effekt, bei dem ein elektrisches Feld mechanische Verformung verursacht.Diese Eigenschaften machen piezoelektrische Materialien für die Verwendung in Sensoren und Aktuatoren geeignet.

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften werden in verschiedenen Anwendungen nicht-piezoelektrische und piezoelektrische Materialien verwendet.Nicht-Piezoelektrische Materialien werden in strukturellen Komponenten, elektrischen Kabel und Standard-elektronischen Teilen verwendet, in denen Stärke und Leitfähigkeit wichtig sind.Piezoelektrische Materialien werden in Feldern verwendet, die eine präzise Kontroll- und mechanisch-elektrische Energieumwandlung erfordern, z. B. Ultraschallgeräte, Präzisionspositionierungsgeräte sowie verschiedene Sensoren und Aktuatoren, die für fortschrittliche Technologien gut sind.

Anwendungen der Piezoelektrizität

Unterhaltungselektronik: In Smartphones und anderen Geräten werden piezoelektrische Teile in Lautsprechern und Mikrofonen verwendet.Sie verwandeln elektrische Signale in Schallvibrationen oder Schallvibrationen in elektrische Signale für den Audioeingang.

Automobilindustrie: Moderne Autos verwenden piezoelektrische Sensoren für viele Zwecke wie die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung in Motoren und die Überwachung des Reifendrucks.

Umweltüberwachung: Piezoelektrische Sensoren erkennen Druckänderungen, Schwingungen und Geräusche fest.Sie werden zur Überprüfung der Umgebungsbedingungen und zur Gewährleistung der Sicherheit von Gebäuden und Brücken verwendet.

Energieernte: Piezoelektrische Materialien können Energie aus mechanischer Spannung erfassen.Beispielsweise können Böden, die Schritte in elektrische Energie umwandeln, in geschäftigen Bereichen Lichter und Elektronik ansprechen und zu nachhaltigen Umgebungen beitragen.

Hochspannende piezoelektrische Feuerzeuge: Diese Feuerzeuge, die zum Leuchten von Gasherden und Grills verwendet werden und eine hohe Spannung von einem kleinen mechanischen Klick erzeugen und einen Funken zum Licht des Brenners erzeugen.Dies zeigt die praktische Verwendung von piezoelektrischen Materialien.

Medizinische Bildgebung: Piezoelektrische Kristalle sind in Ultraschallmaschinen nützlich.Sie erzeugen Schallwellen, die von Geweben und Organen abprallen und Bilder für die Diagnose erstellen.

Präzisionsaktuatoren in wissenschaftlichen Instrumenten: Piezoelektrische Materialien in Präzisionsaktuatoren schaffen winzige Bewegungen für Optik und Nanotechnologie.Diese Aktuatoren stellen Spiegel, Linsen und andere Teile mit mikroskopischer Genauigkeit für die wissenschaftliche Forschung und die Herstellung von Halbleiter an.

Abschluss

Die Untersuchung von piezoelektrischen Materialien zeigt einen starken Zusammenhang zwischen Physik und Engineering und zeigt, wie ihre natürlichen Eigenschaften für viele technologische Zwecke verwendet werden können.Die Vielseitigkeit von piezoelektrischen Materialien, die sowohl als starke Massenmaterialien als auch flexible Dünnfilme verfügbar sind, macht sie für verschiedene Anwendungen geeignet, wie die Energieernten, die Umweltüberwachung und die Entwicklung nachhaltiger Technologien.Mit fortgesetzter Innovation sind Forschung und Entwicklung in piezoelektrischen Materialien wichtiger und vielversprechende Verbesserungen in Bezug auf Effizienz, Präzision und Funktionalität für zukünftige Technologien.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Was bewirkt, dass Strom aus piezoelektrischem Effekt erzeugt wird?

Der piezoelektrische Effekt tritt auf, wenn bestimmte Materialien als Reaktion auf mechanische Spannung eine elektrische Ladung erzeugen.Diese Materialien, ein Kristalle wie Quarz, Keramik wie Bariumtitanat und einige Polymere, besitzen eine Kristallgitterstruktur, die nicht-zentrosymmetrisch ist, was bedeutet, dass ein Symmetriezentrum fehlt.Wenn mechanische Kraft wie Druck oder Schwingung angewendet wird, wird diese Struktur verzerrt.Diese Verzerrung verdrängt die Ionen innerhalb des Gitters und schafft Bereiche mit positiven und negativen Ladungen.Die räumliche Trennung dieser Ladungen führt zu einem elektrischen Potential, das Strom erzeugt.Dieser Effekt ist reversibel, und die Anwendung eines elektrischen Feldes auf diese Materialien induziert auch mechanische Spannung.

2. Welches Gerät verwendet den piezoelektrischen Effekt?

Geräte, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, sind unterschiedlich und umfassen sowohl alltägliche als auch spezielle Geräte.Gemeinsame Anwendungen sind:

Quartz Uhren: Verwenden Sie die regulären Schwingungen von Quarz unter einem elektrischen Feld, um die Zeit genau zu halten.

Medizinische Ultraschallgeräte: Erzeugen von Klangwellen, die im Körper wiederkommen, um diagnostische Bilder zu erstellen.

Kraftstoffeinspritzdüsen in Autos: Verwenden von piezoelektrischen Stellantrieb zur Steuerung des Zeitpunkts und der Menge an Kraftstoff, die in die Motorzylinder eingespritzt sind.

Piezoelektrische Sensoren und Beschleunigungsmesser: Messung von Druckänderungen, Beschleunigung, Dehnung oder Kraft, indem sie sie in ein elektrisches Signal umwandeln.

3. Wie viele Volt ist ein Piezo?

Der Spannungsausgang eines piezoelektrischen Elements kann je nach Größe, Material und der Menge der angewendeten mechanischen Spannung stark variieren.Ein kleines Piezo -Element wie die in Feuerzeugen oder elektronischen Geräten zu findenen eine Spannungsspitze von einigen Volt bis zu mehreren hundert Volt.Diese Ausgänge befinden sich jedoch im Allgemeinen in sehr niedrigen Strömen und dauern nur Mikrosekunden.

4. Benötigt ein Piezo einen Widerstand?

In vielen Anwendungen wird ein Widerstand mit einem piezoelektrischen Element verwendet, um den Strom zu begrenzen und andere Komponenten in der Schaltung vor dem Hochspannungsspitzen zu schützen, der beim Aktivieren des Piezos erzeugt wird.Der Wert des Widerstands hängt von den spezifischen Anforderungen der Schaltung ab, einschließlich der gewünschten Reaktionszeit und Empfindlichkeit.Ohne einen Widerstand kann der Piezo aufgrund der hohen Ansteiter der Spannung möglicherweise verbundene elektronische Komponenten schädigen.

5. Wie hängt piezoelektrisch mit menschlicher Macht zusammen?

Der piezoelektrische Effekt ist direkt anwendbar, um die menschliche Macht auf innovative Weise zu nutzen.Es kann mechanische Energie aus menschlichen Aktivitäten wie Gehen oder Drücken von Tasten in elektrische Energie umwandeln.Diese Technologie wird in verschiedenen Anwendungen untersucht:

Energieerdienerbodenfliesen: Diese Fliesen erzeugen Strom aus dem Druck von Fußstürmen in geschäftigen Bereichen wie U-Bahn-Stationen oder Einkaufszentren.

Tragbare Technologie: Einbetten von piezoelektrischen Materialien in Schuhe oder Kleidung, um durch normale Körperbewegungen Strom für kleine Geräte zu erzeugen.

Medizinische Implantate: Verwenden von Körperbewegungen, um Geräte wie Herzschrittmacher zu betreiben, die Bedürfnisse externer Batterien zu verringern oder zu beseitigen.