Bahan (material) Piezoelektrik Prinsip Kerja, Kelebihan dan Kekurangan

Bahan (material) piezoelektrik telah ada sejak akhir 80-an dan membuka jalan bagi banyak penemuan yang mengubah game. Melayani dalam bentuk SONAR dalam perang dunia, bahan-bahan ini sekarang telah menarik perhatian para penemu karena karakteristik mistik mereka.

Jaringan Sensor Nirkabel (wireless), IoT (Internet of Things) mengubah era teknis abad ke-21. Untuk tetap menjaga hal baru ini dan mengembangkanya, kebutuhan daya telah menjadi tantangan terbesar. Pemburuan yang berkelanjutan, dapat diandalkan, sumber energi terbarukan.

Apa itu Bahan (material) Piezoelektrik?

Sebelum mengetahui apa itu bahan piezoelektrik, maka sebelumnya kita harus memahami arti dari piezoelektrik? Dalam PIEZOELECTRICITY, istilah "piezo" berarti tekanan atau stres. Dengan demikian piezoelektrik didefinisikan sebagai “Listrik yang dihasilkan oleh penerapan tekanan atau tegangan mekanis” dan bahan yang menunjukkan sifat ini berada di bawah kategori bahan piezoelektrik.

Sir Jacques Curie (1856–1941) dan Pierre Curie (1859–1906) mendapatkan penghargaan atas penemuan bahan atau material Piezoelektrik. Sementara bereksperimen dengan mineral kristal tertentu seperti kuarsa, gula tebu, dll.

Mereka menemukan bahwa penerapan gaya atau tegangan pada bahan-bahan ini menghasilkan tegangan polaritas yang berlawanan dengan besaran yang proposisional dengan beban yang diterapkan. Fenomena ini dinamai Direct Piezoeffect.

Tahun berikutnya, Lippman menemukan efek Converse (berlawanan) yang menyatakan bahwa salah satu kristal penghasil tegangan ini, pada saat terpapar ke medan listrik, memanjang atau memendek sesuai dengan polaritas medan yang telah diterapkan.

Bahan piezoelektrik mulai dikenal dengan perannya dalam WW1 ketika Quartz digunakan sebagai resonator di SONAR. Ketika dalam periode WW2, bahan piezoelektrik sintetik ini ditemukan, yang kemudian mengarah pada pengembangan yang intens perangkat piezoelektrik. Sebelum memakai bahan material piezoelektrik orang harus tahu karakteristik apa yang membuat bahan piezoelektrik ini.

Properti Bahan Piezoelektrik dan Bagaimana Cara Kerjanya?

Bahan atau material dari piezoelektrik ini memiliki struktur atomnya yang terbilang unik. Bahan piezoelektrik terikat secara ionik dan mengandung ion positif dan negatif dalam bentuk pasangan yang disebut sel satuan.

Bahan atau material ini tersedia banyak di alam sebagai dielektrik anisotropik dengan kisi kristal non-Centrosymmetric yang artinya mereka tidak mempunyai muatan listrik bebas dan ion tidak memiliki pusat simetri.

Efek Piezoelektrik Direct (langsung)

Ketika tekanan mekanik atau gesekan diterapkan atau terjadi pada bahan-material ini, geometri struktur atom kristal akan menjadi berubah karena pergerakan bersih ion negatif dan positif terhadap satu sama lain, dan menghasilkan Polarisasi listrik.

Jadi kristal berubah dari dielektrik ke bahan bermuatan. Jumlah tegangan yang telah didapatkan berbanding lurus dengan jumlah tegangan atau tegangan yang sudah diterapkan pada kristal.

Efek Piezoelektrik Converse (berlawanan)

Pada saat listrik diterapkan pada kristal ini, polarisasi listrik muncul, membentuk gerakan polarisasi yang menyebabkan deformasi kristal, sehingga menyebabkan efek piezoelektrik converse yang berlawanan seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Bahan Piezoelektrik Sintetis

Bahan material piezoelektrik buatan misalnya seperti piezoelektrik keramik memperlihatkan polarisasi spontan (properti feroelektrik) yang polarisasinya ada dalam strukturnya, bahkan saat tidak ada medan listrik yang diterapkan.

Di sini jumlah efek piezoelektrik yang dihasilkan sangat tergantung pada struktur atomnya. Polarisasi datang dengan struktur yang membentuk domain-daerah yang mana polarisasi tetangga mempunyai keselarasan yang sama. Awalnya, domain ini berorientasi secara acak sehingga tidak menyebabkan polarisasi bersih.

Dengan menerapkan medan listrik DC yang kuat untuk keramik ini ketika mereka melewati titik Curie mereka domain bisa disejajarkan dengan arah medan listrik yang diterapkan. Proses ini disebut poling.

Setelah dingin pada suhu kamar dan kemudian melepaskan medan listrik yang diterapkan, semua domain mempertahankan orientasinya. Setelah proses ini selesai, keramik menunjukkan efek piezoelektrik. Bahan piezoelektrik alami yang ada seperti kuarsa tidak menampilkan perilaku feroelektrik.

Persamaan Piezoelektrik

Efek piezoelektrik bisa dijabarkan dengan Persamaan Kopling Piezoelektrik berikut ini

Efek piezoelektrik direct: S = sE. T + d. E

Efek piezoelektrik converse: D = d.T + εT.E

Dimana,

D = vektor perpindahan listrik

T = vektor tegangan

sE = matriks koefisien elastis pada kekuatan medan listrik yang konstan,

S = vektor regangan

εT = matriks dielektrik pada regangan mekanis konstan

E = vektor medan listrik

d = efek piezoelektrik langsung atau sebaliknya

Medan listrik yang diterapkan pada arah yang berbeda menghasilkan jumlah tegangan yang berbeda dalam bahan piezoelektrik. Jadi tanda konvensi digunakan bersama dengan koefisien untuk mengetahui arah bidang yang diterapkan. Kemudian untuk menentukan arah, sumbu 1, 2, 3 dipakai secara analog dengan X, Y, Z.

Poling selalu diterapkan dalam arah 3. Koefisien dengan subskripsi ganda menghubungkan karakteristik listrik dan mekanik dengan subskrip pertama yang menggambarkan arah dari medan listrik sesuai dengan tegangan yang diterapkan atau muatan yang dihasilkan. Subskrip kedua memberikan arah tekanan mekanis.

Koefisien kopling elektromekanis terjadi dalam dua bentuk. Yang pertama adalah istilah aktuasi d, dan yang kedua adalah istilah sensor g. Koefisien piezoelektrik bersama dengan notasinya dapat dijelaskan dengan d33

Dimana,

d menentukan tegangan yang diterapkan ke arah 3.

3 menentukan elektroda tegak lurus terhadap sumbu ke-3.

3 menetapkan konstanta piezoelektrik.

Bagaimana Bahan Piezoelektrik Bekerja?

Seperti sudah dijabarkan di atas bahan piezoelektrik bisa bekerja dalam dua mode :

• Efek piezoelektrik langsung (direct)

• Efek piezoelektrik berlawanan (converse)

Mari kita ambil contoh untuk masing-masing untuk memahami penerapan mode ini.

Heal-Strike Generator menggunakan Efek Piezoelektrik Langsung:

DARPA pernah mengembangkan perangkat ini guna melengkapi prajurit dengan generator daya portabel. Bahan piezoelektrik yang ditanamkan dalam sepatu mengalami tekanan mekanis ketika prajurit berjalan.

Karena sifat piezoelektrik direct (langsung), bahan material menghasilkan muatan listrik karena adanya tekanan mekanik ini. Muatan ini disimpan dalam kapasitor atau baterai yang dengan demikian dapat digunakan untuk mengisi daya perangkat elektronik mereka saat bepergian.

Osilator Kristal Kuarsa pada Jam Tangan dengan Efek Piezoelektrik Converse

Jam tangan berisi kristal kuarsa. Pada saat listrik dari baterai diterapkan pada kristal ini melalui rangkaian maka akan terjadi efek piezoelektrik. Karena efek ini pada penerapan muatan listrik kristal mulai berosilasi dengan frekuensi 32768 kali per detik. Kehadiran microchip di rangkaian menghitung osilasi ini dan menghasilkan pulsa reguler per detik yang memutar tangan kedua arloji.

Penggunaan Bahan Piezoelektrik

Karena karakteristiknya yang unik, bahan piezoelektrik telah memperoleh peran penting dalam berbagai penemuan teknologi.

Penggunaan Efek Piezoelektrik Langsung (direct)

• Di stasiun-stasiun kereta api Jepang, konsep “crow farm” diuji di mana jejak pejalan kaki di atas ubin piezoelektrik yang tertanam di jalan dapat menghasilkan listrik.

• Pada tahun 2008 sebuah klub malam di London membangun lantai ramah lingkungan pertama yang terbuat dari bahan piezoelektrik yang dapat menghasilkan listrik untuk menyalakan bola lampu ketika orang menari di atasnya.

• Efek piezoelektrikmenemukan aplikasi yang berguna sebagai filter frekuensi mekanis, perangkat gelombang akustik permukaan, perangkat gelombang akustik massal, dll.

• Mikrofon dan pengeras suara dan ultrasonik, pencitraan ultrasonik, hidrofon.

• Piezoelektrik pickup untuk gitar, biosensor untuk menghidupkan alat pacu jantung.

• Elemen piezoelektrik juga digunakan dalam pendeteksian dan pembangkitan gelombang sonar, poros tunggal dan sensor kemiringan poros ganda.

Penggunaan Efek Piezoelektrik Berlawanan (converse)

• Aktuator dan motor

• Penempatan presisi mikro dan penyesuaian presisi mikro pada lensa untuk mikroskop.

• Driver jarum pada printer, motor mini, aktuator bimorf.

• Aktuator berlapis-lapis untuk penentuan posisi yang baik dalam optik

• Sistem injeksi di katup bahan bakar otomotif dll.

Dengan Menggabungkan Bidang Listrik dan Mekanik:

• Untuk penyelidikan struktur bahan atomistik.

• Untuk memantau integritas struktural dan mendeteksi kesalahan pada tahap awal dalam struktur sipil, industri dan kedirgantaraan.

Kelebihan dan Kekurangan Bahan Piezoelektrik

Kelebihan dan Kekurangan bahan piezoelektrik meliputi yang berikut ini.

Kelebihan

• Bahan piezoelektrik dapat beroperasi pada kondisi suhu apa pun.

• Mereka memiliki jejak karbon rendah sehingga menjadi alternatif terbaik untuk bahan bakar fosil.

• Karakteristik bahan-bahan ini menjadikannya pemanen energi terbaik.

• Energi yang tidak terpakai yang hilang dalam bentuk getaran dapat disadap untuk menghasilkan energi hijau.

• Bahan-bahan ini dapat digunakan kembali.

Kekurangan

• Saat bekerja dengan getaran, perangkat ini cenderung mengambil getaran yang tidak diinginkan juga.

• Ketahanan dan Daya Tahan menerapkan batasan pada perangkat saat digunakan untuk memanfaatkan energi dari trotoar dan jalan.

• Ketidakcocokan antara kekakuan material piezoelektrik dan material perkerasan.

• Rincian perangkat ini yang kurang diketahui dan jumlah penelitian yang dilakukan hingga saat ini tidak cukup untuk mengeksploitasi penggunaan penuh perangkat ini.

Seperti yang dikatakan "Kebutuhan adalah ibu dari penemuan" kebutuhan kita untuk perangkat pemanenan energi jejak karbon rendah bebas keramaian telah membawa bahan piezoelektrik menjadi pusat perhatian lagi.

Bagaimana materi ini dapat mengatasi keterbatasan mereka? Apakah kita bergerak menuju masa depan di mana alih-alih mengkhawatirkan jumlah bahan bakar yang digunakan untuk melakukan perjalanan, kita hanya akan bertanya-tanya tentang jumlah daya yang dihasilkan mobil kita? Bagaimana menurut anda? Ini pertanyaan untuk Anda, bahan piezoelektrik apa yang terbaik?