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.
Daftar isi
- 1 Penjelasan
- 2 Sejarah
- 3 Kelompok-kelompok kristal piroelektrik
- 4 Perkembangan terbaru
- 5 Uraian matematis
- 6 Rujukan
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.
Kelompok-kelompok kristal piroelektrik
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]: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.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar