Ein Turmalin kann beim Erwärmen so viel elektrische Ladung aufbauen, dass leichte Ascheteilchen an seiner Oberfläche hängen bleiben, obwohl niemand den Stein reibt. Niederländische Steinschleifer kannten diesen Effekt spätestens 1703, Franz Aepinus untersuchte ihn 1756 systematisch, und nur 10 von 32 Kristallklassen besitzen grundsätzlich die nötige Symmetrie für Pyroelektrizität. Der Effekt erinnert an einen Kunststoffkamm, der nach dem Reiben kleine Papierschnipsel anzieht, doch beim Turmalin reicht eine Temperaturänderung im Kristall aus. Genau darin liegt das überraschende Verhalten dieses Edelsteins.
Im Berlin des Jahres 1756 untersuchte der Physiker Franz Ulrich Theodor Aepinus einen Turmalinkristall, dessen Verhalten zu den auffälligen elektrischen Erscheinungen seiner Zeit gehörte. Nach dem Erwärmen konnte der Stein leichte Teilchen anziehen und unter veränderten Bedingungen wieder abstoßen, während seine beiden Enden elektrische Eigenschaften mit entgegengesetztem Vorzeichen zeigten. Aepinus ordnete diese Beobachtungen systematisch und machte damit deutlich, dass die Wirkung nicht einfach einer gewöhnlichen Reibungselektrizität entsprach. Eine frühe Übersicht dieser Experimente ist nachzulesen unter Physics Today.
Schon Jahrzehnte vor Aepinus war das ungewöhnliche Verhalten in Europa bekannt, denn Berichte aus dem frühen 18. Jahrhundert beschreiben Turmalin aus Ceylon, dem heutigen Sri Lanka, als Stein mit auffälliger Wirkung auf leichte Teilchen. In Holland erhielt er deshalb den Namen Aschentrekker, sinngemäß Aschezieher, weil erwärmte Kristalle Asche von heißen Kohlen anzogen und später auch wieder abstoßen konnten. Louis Lemery veröffentlichte 1717 eine frühe wissenschaftliche Beschreibung dieses Effekts, während eine historische Ausgabe von Gems & Gemology die niederländische Bezeichnung bestätigt und auch die Wirkung von Sonnenwärme erwähnt, nachzulesen unter GIA.
Mit dem Handel zwischen Südasien und Europa gelangten verschiedenfarbige Steine aus Ceylon in die Niederlande, wo Händler und Steinschleifer ihre ungewöhnlichen Eigenschaften bemerkten. Das heutige Wort Turmalin geht auf das singhalesische toramalli zurück, einen Ausdruck für verschiedenfarbige, vom Wasser abgerundete Schmucksteine aus den Kieslagerstätten der Insel. Niederländische Händler übernahmen diese Bezeichnung für gemischte Steine, die damals nicht immer eindeutig voneinander unterschieden wurden. Die Herkunft des Namens und die damalige Verwechslung mit anderen Edelsteinen sind nachzulesen unter GIA.
Mineralogisch bezeichnet Turmalin keine einzelne chemisch einheitliche Substanz, sondern eine Gruppe verwandter Minerale, deren Kristalle häufig lang und prismatisch wachsen. Innerhalb eines einzigen Kristalls kann sich die Farbe stark verändern, beispielsweise von Grün zu Rosa, doch für den Ascheeffekt spielt diese Farbverteilung keine entscheidende Rolle. Maßgeblich ist vielmehr die innere Ordnung der Atome, durch die der Kristall eine bevorzugte elektrische Richtung besitzt. Entlang dieser Richtung reagieren seine Enden unterschiedlich, sobald sich die Temperatur des Materials verändert.
Pyroelektrizität beschreibt eine Änderung der elektrischen Polarisation, wenn sich die Temperatur eines geeigneten Materials verändert. Mit Polarisation ist dabei eine feste Trennung positiver und negativer Ladung im Kristallgitter gemeint, die aus der besonderen Anordnung der Atome entsteht. Bleibt die Temperatur konstant, verändert sich diese Polarisation nicht weiter, während Erwärmung oder Abkühlung ihre Stärke verändert und dadurch an den Oberflächen vorübergehend einen Ladungsüberschuss erzeugt. Aus diesem Überschuss entsteht ein elektrisches Feld, das durch freie Ladungen aus der Umgebung nach und nach wieder ausgeglichen wird.
Leichte Teilchen wie Asche, Staub oder kleine Papierfasern reagieren auf dieses elektrische Feld, obwohl sie vorher nicht selbst elektrisch geladen sein müssen. Das Feld kann die Verteilung ihrer Ladungen geringfügig verschieben, sodass die dem Kristall zugewandte Seite stärker angezogen wird und sich das Teilchen auf den Stein zubewegt. Unter veränderten Bedingungen kann anschließend auch eine Abstoßung auftreten, weshalb historische Beobachter beide Bewegungsrichtungen beschrieben. Der bekannte Ascheeffekt beruht daher auf Elektrostatik und nicht auf einer magnetischen Wirkung des Turmalins.
Der schwedische Naturforscher Carl von Linné verband die ungewöhnliche Wirkung des Turmalins schon im 18. Jahrhundert mit Elektrizität und bezeichnete ihn als lapis electricus, also als elektrischen Stein. Historische Fachliteratur nennt dafür das Jahr 1747, als der genaue Zusammenhang zwischen Temperatur, Kristallform und elektrischer Ladung noch nicht erklärt war. Seine Bezeichnung beschrieb deshalb eine beobachtbare Eigenschaft, ohne den später bekannten Mechanismus der Pyroelektrizität bereits vorwegzunehmen. Wenige Jahre danach lieferte Aepinus mit seinen Versuchen eine genauere physikalische Einordnung.
Bei seinen Untersuchungen von 1756 stellte Aepinus fest, dass die beiden Enden des Turmalins gegensätzliche elektrische Eigenschaften besitzen und ihre Vorzeichen beim Erwärmen und Abkühlen wechseln. Damit ließ sich die Vorstellung einer einfach dauerhaft gespeicherten Ladung im Stein nicht aufrechterhalten, weil die elektrische Wirkung unmittelbar mit der Temperaturänderung zusammenhing. David Brewster verwendete 1824 erstmals den Begriff Pyroelektrizität, dessen erster Wortteil auf das griechische pyr für Feuer zurückgeht. Eine offene Flamme ist dafür jedoch nicht nötig, denn auch eine ausreichend schnelle Erwärmung oder Abkühlung kann den Effekt auslösen.
Damit ein Kristall pyroelektrisch reagieren kann, müssen seine Atome so angeordnet sein, dass sich die positiven und negativen Ladungsschwerpunkte im Inneren nicht vollständig gegenseitig aufheben. Von den 32 möglichen Kristallklassen erfüllen nur 10 die grundlegenden Symmetriebedingungen für diesen Effekt, und Turmalin gehört zu diesen Gruppen. In seinem Kristallgitter existiert eine feste polare Achse, entlang derer die elektrische Polarisation gerichtet ist. Diese innere Asymmetrie gehört zur Struktur des Materials und entsteht deshalb nicht erst durch eine zufällige äußere Aufladung.
Pyroelektrizität wird häufig mit Piezoelektrizität verwechselt, obwohl beide Effekte durch unterschiedliche Auslöser entstehen und deshalb getrennt betrachtet werden müssen. Bei der Piezoelektrizität führt mechanischer Druck oder eine Verformung zu einer elektrischen Reaktion, während bei der Pyroelektrizität eine Temperaturänderung entscheidend ist. Turmalin kann beide Effekte zeigen, was die Unterscheidung bei diesem Mineral besonders anschaulich macht. Ein weiteres Prinzip ist die Thermoelektrizität, bei der eine anhaltende Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen Bereichen eine Spannung erzeugen kann; ein verwandtes Beispiel behandelt der Artikel über thermoelektrische Materialien.
In moderner Sensortechnik wird derselbe physikalische Zusammenhang genutzt, weil pyroelektrische Materialien auf Änderungen der Wärmestrahlung mit einer messbaren elektrischen Reaktion antworten können. Trifft Infrarotstrahlung auf einen geeigneten Sensor, erwärmt sie das Material und verändert dadurch seine Polarisation, woraufhin Elektroden die entstehende Ladungsänderung als elektrisches Signal aufnehmen. Solche Bauteile eignen sich deshalb für Bewegungsmelder, Flammenmelder, Infrarotspektrometer und andere Sensoren, die schnelle Änderungen der Wärmestrahlung erfassen sollen. Das empfindliche Element besteht in heutigen Geräten häufig nicht aus Turmalin, weil andere Materialien technisch leichter nutzbare Signale liefern können.
Materialien wie Lithiumtantalat oder spezielle Keramiken können bei Umgebungstemperatur arbeiten und werden deshalb in vielen technischen Anwendungen bevorzugt, obwohl das zugrunde liegende Prinzip dem historischen Turmalinversuch entspricht. Ein grün-rosa Turmalinkristall auf einem Stück Gestein bleibt äußerlich ein gewöhnlicher Edelstein, während eine Temperaturänderung seine elektrischen Verhältnisse an den Enden messbar verändert und leichte Teilchen beeinflussen kann. Bleibt seine Temperatur anschließend konstant, klingt die nutzbare Ladungsänderung wieder ab, weshalb pyroelektrische Bewegungsmelder besonders gut auf wechselnde Wärmestrahlung reagieren, etwa wenn sich eine warme Person durch ihr Sichtfeld bewegt.
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