Jaringan Sensor Nirkabel (wireless), IoT (Internet of Things) merubah era teknis era ke-21. Untuk tetap menjaga hal gres ini dan mengembangkanya, keperluan daya sudah menjadi tantangan terbesar. Pemburuan yang berkelanjutan, sanggup diandalkan, sumber energi terbarukan.
Apa itu Bahan (material) Piezoelektrik?
Sebelum mengenali apa itu materi piezoelektrik, maka sebelumnya kita mesti mengerti arti dari piezoelektrik? Dalam PIEZOELECTRICITY, perumpamaan "piezo" bermakna tekanan atau stres. Dengan demikian piezoelektrik didefinisikan selaku “Listrik yang dihasilkan oleh penerapan tekanan atau tegangan mekanis” dan materi yang memperlihatkan sifat ini berada di bawah klasifikasi materi piezoelektrik.Sir Jacques Curie (1856–1941) dan Pierre Curie (1859–1906) mendapat penghargaan atas penemuan materi atau material Piezoelektrik. Sementara bereksperimen dengan mineral kristal tertentu seumpama kuarsa, gula tebu, dll.
Mereka mendapatkan bahwa penerapan gaya atau tegangan pada bahan-bahan ini menciptakan tegangan polaritas yang bertentangan dengan besaran yang proposisional dengan beban yang diterapkan. Fenomena ini dinamai Direct Piezoeffect.
Tahun berikutnya, Lippman mendapatkan imbas Converse (berlawanan) yang menyatakan bahwa salah satu kristal penghasil tegangan ini, pada di saat terpapar ke medan listrik, memanjang atau memendek sesuai dengan polaritas medan yang sudah diterapkan.
Bahan piezoelektrik mulai dimengerti dengan kiprahnya dalam WW1 di saat Quartz dipakai selaku resonator di SONAR. Ketika dalam periode WW2, materi piezoelektrik sintetik ini ditemukan, yang kemudian mengarah pada pengembangan yang intens perangkat piezoelektrik. Sebelum memakai materi material piezoelektrik orang mesti tahu karakteristik apa yang menciptakan materi piezoelektrik ini.
Properti Bahan Piezoelektrik dan Bagaimana Cara Kerjanya?
Bahan atau material dari piezoelektrik ini mempunyai 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 selaku dielektrik anisotropik dengan kisi kristal non-Centrosymmetric yang artinya mereka tidak mempunyai muatan listrik bebas dan ion tidak mempunyai sentra simetri.
Efek Piezoelektrik Direct (langsung)
Ketika tekanan mekanik atau ukiran dipraktekkan atau terjadi pada bahan-material ini, geometri struktur atom kristal akan menjadi berubah alasannya pergerakan higienis ion negatif dan positif kepada satu sama lain, dan menciptakan Polarisasi listrik.Kaprikornus kristal berubah dari dielektrik ke materi bermuatan. Jumlah tegangan yang sudah didapatkan berbanding lurus dengan jumlah tegangan atau tegangan yang sudah dipraktekkan pada kristal.
Efek Piezoelektrik Converse (berlawanan)
Pada di saat listrik dipraktekkan pada kristal ini, polarisasi listrik muncul, membentuk gerakan polarisasi yang memunculkan deformasi kristal, sehingga memunculkan imbas piezoelektrik converse yang bertentangan seumpama yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
Bahan Piezoelektrik Sintetis
Bahan material piezoelektrik produksi umpamanya seumpama piezoelektrik keramik memperlihatkan polarisasi impulsif (properti feroelektrik) yang polarisasinya ada dalam strukturnya, bahkan di saat tidak ada medan listrik yang diterapkan.
Di sini jumlah imbas piezoelektrik yang dihasilkan sungguh tergantung pada struktur atomnya. Polarisasi tiba dengan struktur yang membentuk domain-daerah yang mana polarisasi tetangga mempunyai keharmonisan yang sama. Awalnya, domain ini berorientasi secara acak sehingga tidak memunculkan polarisasi bersih.
Di sini jumlah imbas piezoelektrik yang dihasilkan sungguh tergantung pada struktur atomnya. Polarisasi tiba dengan struktur yang membentuk domain-daerah yang mana polarisasi tetangga mempunyai keharmonisan yang sama. Awalnya, domain ini berorientasi secara acak sehingga tidak memunculkan polarisasi bersih.
Dengan menerapkan medan listrik DC yang berefek untuk keramik ini di saat mereka melalui titik Curie mereka domain sanggup disejajarkan dengan arah medan listrik yang diterapkan. Proses ini disebut poling.
Setelah cuek pada suhu kamar dan kemudian melepaskan medan listrik yang diterapkan, semua domain menjaga orientasinya. Setelah proses ini selesai, keramik memperlihatkan imbas piezoelektrik. Bahan piezoelektrik alami yang ada seumpama kuarsa tidak memperlihatkan sikap feroelektrik.
Setelah cuek pada suhu kamar dan kemudian melepaskan medan listrik yang diterapkan, semua domain menjaga orientasinya. Setelah proses ini selesai, keramik memperlihatkan imbas piezoelektrik. Bahan piezoelektrik alami yang ada seumpama kuarsa tidak memperlihatkan sikap feroelektrik.
Persamaan Piezoelektrik
Efek piezoelektrik sanggup 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 lentur pada kekuatan medan listrik yang konstan,
S = vektor regangan
εT = matriks dielektrik pada regangan mekanis konstan
E = vektor medan listrik
d = imbas piezoelektrik pribadi atau sebaliknya
Medan listrik yang dipraktekkan pada arah yang berlainan menciptakan jumlah tegangan yang berlainan dalam materi piezoelektrik. Kaprikornus tanda konvensi dipakai bareng dengan koefisien untuk mengenali arah bidang yang diterapkan. Kemudian untuk menyeleksi arah, sumbu 1, 2, 3 dipakai secara analog dengan X, Y, Z.
Poling senantiasa dipraktekkan 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 dipraktekkan atau muatan yang dihasilkan. Subskrip kedua memperlihatkan arah tekanan mekanis.
Poling senantiasa dipraktekkan 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 dipraktekkan atau muatan yang dihasilkan. Subskrip kedua memperlihatkan arah tekanan mekanis.
Koefisien kopling elektromekanis terjadi dalam dua bentuk. Yang pertama merupakan perumpamaan aktuasi d, dan yang kedua merupakan perumpamaan sensor g. Koefisien piezoelektrik bareng dengan notasinya sanggup diterangkan dengan d33
Dimana,
d menyeleksi tegangan yang dipraktekkan ke arah 3.
3 menyeleksi elektroda tegak lurus kepada sumbu ke-3.
3 pastikan konstanta piezoelektrik.
Bagaimana Bahan Piezoelektrik Bekerja?
Seperti sudah dijabarkan di atas materi piezoelektrik sanggup melakukan pekerjaan dalam dua mode :
- Efek piezoelektrik pribadi (direct)
- Efek piezoelektrik bertentangan (converse)
Mari kita ambil pola untuk masing-masing untuk mengerti penerapan mode ini.
Heal-Strike Generator memakai Efek Piezoelektrik Langsung:
DARPA pernah membuatkan perangkat ini guna melengkapi serdadu dengan generator daya portabel. Bahan piezoelektrik yang ditanamkan dalam sepatu mengalami tekanan mekanis di saat serdadu berjalan.
Karena sifat piezoelektrik direct (langsung), materi material menciptakan muatan listrik alasannya adanya tekanan mekanik ini. Muatan ini disimpan dalam baterai yang dengan demikian sanggup dipakai untuk mengisi daya perangkat elektronik mereka di saat bepergian.
Karena sifat piezoelektrik direct (langsung), materi material menciptakan muatan listrik alasannya adanya tekanan mekanik ini. Muatan ini disimpan dalam baterai yang dengan demikian sanggup dipakai untuk mengisi daya perangkat elektronik mereka di saat bepergian.
Osilator Kristal Kuarsa pada Jam Tangan dengan Efek Piezoelektrik Converse
Jam tangan berisi kristal kuarsa. Pada di saat listrik dari baterai dipraktekkan pada kristal ini lewat rangkaian maka akan terjadi imbas piezoelektrik. Karena imbas ini pada penerapan muatan listrik kristal mulai berosilasi dengan frekuensi 32768 kali per detik. Kehadiran microchip di rangkaian menjumlah osilasi ini dan menciptakan pulsa reguler per detik yang memutar tangan kedua arloji.
Penggunaan Bahan Piezoelektrik
Karena karakteristiknya yang unik, materi piezoelektrik sudah menerima tugas penting dalam banyak sekali penemuan teknologi.
Penggunaan Efek Piezoelektrik Langsung (direct)
- Di stasiun-stasiun kereta api Jepang, rancangan “crow farm” diuji di mana jejak pejalan kaki di atas ubin piezoelektrik yang tertanam di jalan sanggup menciptakan listrik.
- Pada tahun 2008 suatu klub malam di London membangun lantai ramah lingkungan pertama yang yang dibikin dari materi piezoelektrik yang sanggup menciptakan listrik untuk menyalakan bola lampu di saat orang menari di atasnya.
- Efek piezoelektrik mendapatkan aplikasi yang mempunyai fungsi selaku filter frekuensi mekanis, perangkat gelombang akustik permukaan, perangkat gelombang akustik massal, dll.
- Mikrofon dan pengeras bunyi dan ultrasonik, pencitraan ultrasonik, hidrofon.
- Piezoelektrik pickup untuk gitar, biosensor untuk menggugah alat pacu jantung.
- Elemen piezoelektrik juga dipakai dalam pendeteksian dan pembangkitan gelombang sonar, poros tunggal dan sensor kemiringan poros ganda.
Penggunaan Efek Piezoelektrik Berlawanan (converse)
Dengan Menggabungkan Bidang Listrik dan Mekanik:
- Untuk pengusutan struktur materi atomistik.
- Untuk mengawasi integritas struktural dan mendeteksi kesalahan pada tahap permulaan dalam struktur sipil, industri dan kedirgantaraan.
Kelebihan dan Kekurangan Bahan Piezoelektrik
Kelebihan dan Kekurangan materi piezoelektrik termasuk yang berikut ini.
Kelebihan
- Bahan piezoelektrik sanggup beroperasi pada keadaan suhu apa pun.
- Mereka mempunyai jejak karbon rendah sehingga menjadi alternatif terbaik untuk materi bakar fosil.
- Karakteristik bahan-bahan ini membuatnya pemanen energi terbaik.
- Energi yang tidak terpakai yang hilang dalam bentuk getaran sanggup disadap untuk menciptakan energi hijau.
- Bahan-bahan ini sanggup dipakai kembali.
Kekurangan
- Saat melakukan pekerjaan dengan getaran, perangkat ini condong mengambil getaran yang tidak diharapkan juga.
- Ketahanan dan Daya Tahan menerapkan batas-batas pada perangkat di saat dipakai untuk mempergunakan energi dari trotoar dan jalan.
- Ketidakcocokan antara kekakuan material piezoelektrik dan material perkerasan.
- Rincian perangkat ini yang kurang dikenali dan jumlah observasi yang dijalankan sampai di sekarang ini tidak cukup untuk mengeksploitasi penggunaan sarat perangkat ini.
Seperti yang dibilang "Kebutuhan merupakan ibu dari penemuan" keperluan kita untuk perangkat pemanenan energi jejak karbon rendah bebas hingar bingar sudah menjinjing materi piezoelektrik menjadi sentra perhatian lagi.
Bagaimana materi ini sanggup menanggulangi kekurangan mereka? Apakah kita bergerak menuju masa depan di mana alih-alih mencemaskan jumlah materi bakar yang dipakai untuk melakukan perjalanan, kita cuma akan bertanya-tanya ihwal jumlah daya yang dihasilkan kendaraan beroda empat kita? Bagaimana menurut anda? Ini pertanyaan untuk Anda, materi piezoelektrik apa yang terbaik?
Bagaimana materi ini sanggup menanggulangi kekurangan mereka? Apakah kita bergerak menuju masa depan di mana alih-alih mencemaskan jumlah materi bakar yang dipakai untuk melakukan perjalanan, kita cuma akan bertanya-tanya ihwal jumlah daya yang dihasilkan kendaraan beroda empat kita? Bagaimana menurut anda? Ini pertanyaan untuk Anda, materi piezoelektrik apa yang terbaik?
 Piezoelektrik Prinsip Kerja, Kelebihan Dan Kekurangan){kind=link}