MAKALAH
PIEZOELEKTRISITAS
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ..............................................................................................
2
Daftar Isi .......................................................................................................
3
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang ......................................................................
4
B. Rumusan Masalah .................................................................
4
C. Tujuan Penulisan ...................................................................
4
D. Sistematika Penulisan ...........................................................
5
BAB II KAJIAN PUSTAKA
A. Pengertian Piezoelektrisitas ...................................................
6
B. Awal Mula Piezoelektrik .......................................................
6
C. Efek Piezoelektrik .................................................................
6
D. Bahan Piezoelektrik ...............................................................
7
E. Karakteristik Bahan Piezoelektrik .........................................
7
F. Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik .........................................
8
G. Kelemahan dan Kekurangan Bahan Piezoelektrik ................
8
H. Kelebihan Bahan Piezoelektrik .............................................
9
BAB III PENUTUP
A. Kesimpulan ...........................................................................
10
Daftar Pustaka ...............................................................................................
11
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Bahan piezoelektrisitas digunakan untuk penghasil listirk tenaga tinggi dan tranduser. Berdasarkan pengertian piezoelektrisitas menurut kamus besar bahasa indonesia digital merupakan arus listrik yang diperoleh dari efek piezoelektrik.
Selain itu pengertian menurut Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton.
Berdasarkan paparan tersebut, maka piezoelektrisitas penting untuk dibahas, sehingga bisa lebih memahami dan mengerti tentang pizeoelektrisitas. Makalah ini membahas tentang piezoelektrisitas dan karakteristiknya serta kelekbihan dan kekurangan dari bahan piezoelektrisitas.
B. Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam makalah ini adalah sebagai berikut.
1. Apakah pengertian dari piezoelektrisitas?
2. Bagaimanakah awal mula terjadinya piezoelektrisitas?
3. Apakah karakteristik dari piezoelektrisitas?
4. Apakah kelebihan dan kekurangan dari piezoelektrisitas?
C. Tujuan Penulisan
Tujuan yang hendak dicapai adalah untuk:
1. memahami pengertian dari piezoelektrisitas,
2. memahami awal mula terjadinya piezoelektrisitas,
3. memahami karakteristik dari piezoelektrisitas,
4. memahami kelebihan dan kekurangan dari piezoelektrisitas.
D. Sistematika Penulisan
BAB I Pendahuluan
Makalah ini memuat latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan dan sistematika penulisan.
BAB II Pembahasan
Makalah ini memuat pembahasan tentang Piezoelektrisitas.
BAB III Penutupan
Makalah ini memuat Kesimpulan.
BAB II
KAJIAN PUSTAKA
A. Pengertian Piezoelektrisitas
Pengertian piezoelektrisitas menurut kamus besar bahasa indonesia digital merupakan arus listrik yang diperoleh dari efek piezoelektrik. Sedangkan efek piezoelektrik terjadi apabila kristal diberi tekanan mekasis akan menimbulkan arus listrik dan apabila kristal tersebut dilalui arus bolak-balik maka kristal tersebut akan bergetar.
Sedangkan pengertian menurut Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1 – 100 pico coloumb/Newton.
B. Awal Mula Piezoelektrik
Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas atau ditekan dan piezo yang bermakna didorong. Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880‐an oleh Jacques dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik.
C. Efek Piezoelektrik
Efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan Electrostriction.
D. Bahan Piezoelektrik
Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Sebaliknya, jika medan listrik diterapkan, maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2), berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan diantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate (PbTiO3) dan lainnya.
E. Karakteristik Bahan Piezoelektrik
Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yang terpolarisasi sehingga beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negative membentuk elektroda‐elektroda yang menempel pada dua sisi yang berlawanan dan menghasilkan medan listrik material yang dapat berubah akibat gaya mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena ini disebut electrostriction (efek piezoelektrik).
A. Sebelum diberi tekanan atau medan listrik
B. Ketika diberi medan listrik, bahan memanjang.
C. Diberi medan listrik berlawanan, bahan memendek.
D. Ketika diberi tekanan, induksi polarisasi dan tegangan luar terjadi.
F. Pemanfaatan Bahan Piezoelektrik
1. Penghasil listrik tegangan tinggi
Bahan piezoelektrik dapat menghasilkan beda potensial hingga ribuan volt sehingga banyak digunakan sebagai sumber tegangan tinggi.
2. Tranducer
Transduser adalah alat yang mengubah suatu bentuk energi kedalam bentuk energi yang lain. Transduser ultrasonik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, dalam bentuk suara dan sebaliknya. Transduser akan mengeluarkan gelombang ultrasonik dengan frekuensi di atas 20 kHz. Transduser ultrasonik 40 kHz akan membangkitkan gelombang dengan frekuensi 40 kHz, transduser akan aktif jika diberi sinyal dengan frekuensi dengan 40 kHz. Transduser ultrasonik terdiri atas dua macam yaitu pengirim (transmitter) Tx dan penerima (receiver) Rx. Transduser ultrasonik terbuat dari material piezoeletrik, yaitu terbuat dari material quartz (SiO3) atau barium titanat (BaTiO3) yang akan menghasilkan medan listrik pada saat material berubah bentuk atau dimensinya sebagai akibat gaya mekanik.
G. Kelemahan dan Kekurangan Bahan Piezoelektrik
Piezoelektrik bukanlah suatu dielektrik yang bagus. Ada sedikit kebocoran muatan pada material piezoelektrik. Karena fenomena ini, ada suatu konstanta waktu penyimpanan tegangan pada piezoelektrik setelah diberikan suatu gaya. Konstanta waktu ini tergantung pada kapasitansi elemennya dan pada resistansi kebocorannya. Konstanta waktunya berada pada orde 1 detik. Karena efek ini, piezoelektrik kurang bermanfaat untuk mendeteksi besaran static seperti berat suatu benda.
Aspek penting lainnya dalam penggunaan piezoelektrik adalah adanya kenyataan bahwa material piezoelektrik dibuat melalui proses kristalisasi kisi‐kisi (laticce) dalam susunan tertentu. Hal tersebut dilakukan dengan memanskan kristal sampai diatas suhu Curie sambil menerapkan tegangan pada elektrodanya. Jika kristal telah dipanaskan mendekati suhu Curie, material tersebut dapat ``menjadi “ de pole “ yang dapat menghasilkan pengurangan sensitifitas piezoelektrik. Untuk beragam material, suhu curie ini berada antara 50 – 600 ° C. Pemanasan dibawah suhu Curie dapat membatasi penggunaan sensor ini.
Kekurangan utama sensing piezoelektrik ini adalah sensitifitasnya hanya bagus untuk sinyal yang berubah‐ubah terhadap waktu. Sensing piezoelektrik tidak dapat beoperasi untuk aplikasi‐aplikasi yang membutuhkan sensitifitas terhadap besaran statik. Meskipun demikian, jika ada sinyal yang berubah terhadap waktu, perlu adanya pemikiran yang serius pada penggunaan elemen sensing piezoelektrik.
H. Kelebihan Bahan Piezoelektrik
Elemen piezoelektrik mempunyai beberapa kelebihan penting dibandingkan mekanisme sensing yang lain. Pertama dan yang utama adalah fakta bahwa piranti tersebut membangkitkan sendiri tegangannya. Karena itu elemen ini tidak memerlukan daya dari luar untuk operasionalnya. Untuk suatu aplikasi di mana konsumsi daya sangat terbatas, piranti piezoelektrik sangat berguna. Tambahan lagi, efek piezoelektrik memiliki hukum penyekalaan yang menarik sehingga bermanfaat pada piranti yang kecil.
BAB III
PENUTUP
A. KESIMPULAN
Piezoelektrisitas itu sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan menimbulkan muatan listrik pada permukaan segmen bahan tersebut yang disebabkan oleh adanya distribusi muatan listrik pada sel sel kristal. Efek pizeoelektrik terjadi apabila kristal diberi tekanan mekasis akan menimbulkan arus listrik dan apabila kristal tersebut dilalui arus bolak-balik maka kristal tersebut akan bergetar.
Piezoelektrik digunakan untuk tenaga listrik tegangan tinggi dan tranduser. Piezoelektrik juga memiliki kelebihan serta kekurangan yaitu dapat membangkitkan tegangan sendiri sehingga tidak memerlukan daya untuk operasional. Akan tetapi bahan ini memiliki kekurangan yaitu sensing piezoelektrik tidak dapat beoperasi untuk aplikasi‐aplikasi yang membutuhkan sensitifitas terhadap besaran statik.
Piroelektrisitas adalah kemampuan bahan-bahan tertentu untuk
menghasilkan sebuah
potensial listrik saat bahan-bahan itu dipanaskan
atau didinginkan. Akibat perubahan suhu ini, muatan positif serta negatif
bergerak ke ujung-ujung yang berhadapan/berlawanan melalui migrasi (misalnya
bahan menjadi
terpolarisasi) dan
dengan begitu, terbentuklah sebuah potensial listrik.
Daftar isi
Penjelasan
Piroelektrisitas bisa divisualisasikan sebagai salah satu sisi sebuah
segitiga, dimana setiap sudut mewakili berbagai keadaan energi di dalam
kristal:
energi kinetis,
energi
listrik, dan
energi termal. Sisi di
antara sudut elektrik dan termal mewakili efek piroelektrik dan tidak
menghasilkan
energi kinetis. Sisi di antara sudut kinetik dan
elektrik mewakili efek
piezoelektrik dan tidak menghasilkan
panas.
Meski berbagai bahan piroelektrik buatan telah dikembangkan, efek
piroelektrik pertama kali ditemukan dalam sejumlah mineral seperti
kuarsa dan
turmalin serta
kristal ionik. Efek
piroelektrik juga berlangsung di dalam
tulang dan
tendon. Nama
piroelektrik diambil dari kata “pyr” dari bahasa Yunani yang berarti api dan
listrik.
Muatan piroelektrik dalam berbagai
mineral
berlangsung di permukaan kristal-kristal asimetris yang berseberangan. Muatan
biasanya merambat dengan konstan di sepanjang sebuah bahan piroelektrik. Tapi
di dalam beberapa bahan, arah ini bisa diubah oleh medan listrik terdekat.
Bahan-bahan itu juga menunjukkan
feroelektrisitas. Semua
bahan bersifat piroelektrik juga bersifat piezoelektrik, kedua sifat itu memang
berhubungan erat.
Perubahan suhu yang sangat kecil sekalipun pada sebuah bahan yang bersifat
piroelektrik mampu menghasilkan potensial listrik.
Sensor inframerah
pasif sering didesain mengelilingi bahan piroelektrik, sebab panas dari
seorang manusia maupun hewan sejauh beberapa kaki sudah cukup untuk menimbulkan
perbedaan di dalam muatan.
Sejarah
Efek piroelektrik untuk pertama kalinya dicatat oleh
Theophrastus
pada 314 SM, yang mencatat bahwa
turmalin yang
dipanaskan menarik jerami dan abu. Dalam 1747,
Carolus
Linnaeus adalah ilmuwan yang pertama kali menghubungkan fenomena itu dengan
elektrik, meski hal itu baru dibuktikan oleh Franz Ulrich Theodor Aepinus pada
1756.
Adalah Sir David Brewster yang menamai efek itu sebagai efek piroelektrik
pada 1824. Baik
William Thomson, 1st Baron Kelvin
pada 1878 dan Woldemar Voigt pada 1897 menolong mengembangkan sebuah teori
mengenai berbagai proses di belakang piroelektrisitas. Dalam 1880,
Pierre
Curie dan saudara laki-lakinya , Jacques Curie, mempelajari
piroelektrisitas dan menemukan sejumlah mekanisme di belakang piezoelektrik.
Struktur kristal bisa dibagi menjadi 32 kelompok,
berdasarkan pada jumlah sumbu putar dan
bidang pantulan pada
kristal yang membuat struktur kristal tidak berubah. Dari 32 kelompok kristal
tersebut, 21 di antaranya adalah
non-centrosymmetric (tidak memiliki
sebuah pusat simetri). Dari 21 kelompok tadi, 20 di antaranya menunjukkan sifat
piezoelektrik
yang langsung, sedang 1 kelompok tetap berada di kelompok kubus 432. Sepuluh
dari 20 kelompok piezoelektrik memiliki sifat polar (berkutub)—mereka memiliki
polarisasi yang spontan, memiliki sebuah dipol dalam sel satuan mereka, dan
menunjukkan piroelektrisitas. Jika dipol ini bisa dibalikkan dengan menerapkan
medan listrik, maka berarti bahan itu bersifat
feroelektrik. Setiap bahan
dielektrik mengembangkan
polarisasi dielektrik
saat sebuah medan listrik diterapkan, namun substansi yang memiliki pemisahan
muatan secara alami biarpun tidak ada medan listrik disebut sebagai bahan
polar. Polar tidaknya sebuah bahan ditentukan oleh struktur kristalnya. Hanya
10 dari 32 kelompok struktur kristal yang berkutub. Semua kristal polar
merupakan piroelektrik, jadi 10 kelompok kristal polar kadang-kadang dianggap
sebagai kelompok-kelompok piroelektrik.
Berbagai Kelompok Kristal Piezoelektrik: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm,
-42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m
Piroelektrik: 1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4mm, 6, 6mm
Sifat piroelektrisitas merupakan perubahan terukur dalam polarisasi netto
(sebuah vektor) proporsional terhadap perubahan suhu. Total koefisien
piroelektrik yang diukur pada tekanan konstan merupakan jumlah koefisien
piroelektrik pada keregangan yang konstan (efek piroelektrik primer) serta
kontribusi piezoelektrik dari ekspansi termal (efek piroelektrik sekunder).
Dalam kondisi tertentu, bahan polar tidak menunjukkan momen dipol netto.
Akibatnya tidak terdapat kesetaraan dipol elektriknya magnet batang sebab momen
dipol intrinsik dinetralkan oleh muatan listrik “bebas” yang terbentuk di
permukaan. Muatan listrik “bebas” itu sendiri ditimbulkan oleh
konduksi/hantaran internal atau dari atmosfer lingkungan. Kristal polar baru
menunjukkan sifatnya saat diusik dengan metode yang untuk sementara waktu
mengganggu keseimbangan dengan muatan permukaan yang berimbang.
Perkembangan terbaru
Kemajuan telah dicapai dalam pembuatan berbagai bahan piroelektrik buatan,
biasanya dalam bentuk film tipis, dari
galium nitrida (
GaN),
sesium nitrat (
CsNO3),
polivinil fluorida,
sejumlah turunannya
phenylpyrazine, and
kobal phthalosianin. (Lihat
kristal piroelektrik.)
Litium tantalit (
LiTaO3)
merupakan kristal yang menunjukkan sifat piezoelektrik serta piroelektrik, yang
telah digunakan untuk menciptakan
fusi
nuklir berskala kecil (“
fusi piroelektrik”).
[1]
Uraian matematis
Koefisien piroelektrik bisa dideskripsikan sebagai perubahan vektor
polarisasi yang spontan dengan suhu
[1]:
dimana
pi (Cm
-2K
-1) merupakan vektor
bagi koefisien piroelektrik.
Sebuah eco-nightclub “Surya” di London, Inggris, memanfaatkan
energi gerakan para clubbers untuk menghasilkan listrik. Lantai disko
yang telah dipasangi pegas dan material piezoelektrik ini mengubah energi
kinetik dari hentakan kaki para clubbers yang berdisko menjadi energi
listrik yang dimanfaatkan untuk keperluan elektrik club tersebut. Aksi sustainable
nightclub ini tidak hanya dilakukan oleh nightclub di Inggris tetapi
juga oleh “Sustainable Dance Club” di Rotterdam, Belanda. Pemilik club
tersebut, bahkan, memanfaatkan listrik yang dihasilkan untuk mengaktifkan microchip
yang mengontrol nyala array LED (Light-Emitting Diode) yang
disusun menyerupai baterai raksasa sehingga memungkinkan clubbers
melihat hasil energi yang mereka hasilkan. Energi listrik tersebut memang
disimpan dalam baterai, sehingga selama para clubbers berdisko,
pergerakan di lantai akan secara konstan mengisi baterai. Semakin banyak orang
berdisko, semakin banyak energi yang dihasilkan. Dengan lantai piezoelektrik
tersebut, 60% kebutuhan energi club tersebut dapat terpenuhi.
Gbr1.Display Baterai, Club Watt, Belanda
Bagaimana energi kinetik/mekanik dapat diubah menjadi energi listrik? Material
piezoelektrik, berupa kristal atau keramik, memiliki kemampuan menghasilkan
arus dalam jumlah kecil ketika dikenai tekanan mekanikal seperti dorongan,
hentakan, tekukan, atau putaran. Kumpulan dari material-material piezoelektrik
yang diletakan saling berdekatan pada area yang banyak dilalui manusia ini
berpotensi menghasilkan daya listrik yang cukup besar. Defense Advanced
Research Projects Agency (DARPA) milik NASA mengestimasi bahwa setiap satu
langkah dapat menghasilkan 1 sampai 2 watt listrik. Bayangkan dengan 85.162.203
langkah pada kerumunan manusia, listrik yang dihasilkan bahkan cukup untuk
meluncurkan sebuah pesawat ruang angkasa!
Gbr2. Cara Kerja Lantai Piezoelektrik
Menjadi Sumber Inspirasi
Instalasi bahan piezoelektrik pada lantai ini menjadi inspirasi konsep “crowd
farming”, memanen energi dari langkah manusia pada area yang ramai dilalui
manusia (crowded). Tidak terbatas pada nightclub,
fasilitas-fasilitas publik yang selalu ramai dikunjungi orang seperti stasiun
kereta api dan bandara berpotensi untuk dipasangi lantai dengan sistem
piezoelektrik. The East Japan Railway Company bekerja sama dengan para
peneliti Universitas Keio, Jepang, misalnya, memasang karpet piezoelektrik pada
lantai di gerbang tiket dan area lain di Stasiun Tokyo yang ramai oleh orang
yang berlalu-lalang. Sistem piezoelektrik ini mampu mensuplai listrik 1400 kW,
pada kondisi normal trafffic, yang dapat menyediakan energi listrik
untuk semua display di stasiun tersebut.
Gbr3. Instalasi Karpet Piezoelektrik di Gerbang Tiket Stasiun
Tokyo
Apakah harus selalu langkah manusia? Mengacu pada sistem kerja piezoelektrik
sebelumnya, muatan listrik dapat dipicu oleh sumber-sumber penghasil tekanan
mekanik, tidak terbatas hanya pada langkah manusia. Rel kereta api, landasan
terbang pesawat, dan jalan raya dengan volume kendaraan yang besar bahkan
merupakan sumber-sumber potensi tekanan mekanik yang lebih besar. Sebagai
contoh, di Israel, para engineer Israel melakukan tes terhadap 100 meter
jalan raya yang telah terpasang dengan jaringan Piezo Electric Generators(IPEGTM).
Seberapa besar energi listrik yang dihasilkan bergantung kepada massa kendaraan,
gerakan, vibrasi, dan perubahan temperatur. Semakin berat kendaraan dan semakin
banyak voulme kendaraan yang berlalu-lalang, maka semakin banyak energi listrik
yang dapat dipanen. Menariknya, sistem ini tidak hanya meng-capture
energi yang dibuang oleh kendaraan selama melaju pada jalan raya
ber-piezoelektrik tetapi juga dapat menyediakan informasi massa, frekuensi,
kecepatan dan jarak antar kendaraan. Dengan keunggulan-keunggulan tersebut, “smart
road” tersebut dapat menjadi sistem manajemen lalu lintas yang
terintegrasi. Belum lagi, listrik yang dihasilkan dapat disalurkan ke grid
listrik ataupun digunakan untuk kepentingan penerangan jalan dan kepentingan
infrastruktur lainnya. Mengenai instalasi, instalasi sistem ini dapat dilakukan
pada jalan raya yang akan dibangun ataupun jalan raya yang existing.
Tantangan dan Prospek Masa Depan
Keterbatasan sistem piezoelektrik ini, seperti halnya keterbatasan pada hampir
semua sumber energi alternatif terbarukan, yaitu ketika “trigger”
(cahaya matahari, angin, langkah manusia, dll) hilang, kapasitas pengisian
energi pada media penyimpanan (misalnya baterai) akan menurun secara drastis.
Tantangan lainnya, yaitu masih terbatasnya material piezoelektrik di pasaran
sehingga menyebabkan harga bahan piezoelektrik masih belum kompetitif
dibandingkan fossil fuel.
Namun demikian, penelitian mengenai bahan piezoelektrik dan teknologi
penggunaannya terus dikembangkan oleh para peneliti di universitas dan di
industri. Misalnya, untuk panel piezoelektrik di Stasiun Tokyo yang masih
dilapisi karet, di masa yang akan datang akan dikembangkan menyerupai keramik
lantai seperti keramik lantai yang dipakai di permukaan lainnya di stasiun.
Adapun prospek pengembangan sumber energi alternatif ini di Indonesia sendiri
cukup besar, mengingat Indonesia memiliki “People Power” dengan populasi
penduduk terbesar ke-4 di dunia setelah China, India, dan Amerika. Indonesia
juga tengah gencar membangun infrastruktur-infrastruktur publik yang memerlukan
sumber energi independen.