tugas-Prof Wayan-

download tugas-Prof Wayan-

If you can't read please download the document

  • date post

    15-Nov-2015
  • Category

    Documents

  • view

    125
  • download

    19

Embed Size (px)

Transcript of tugas-Prof Wayan-

  • TUGAS KONVERSI ENERGI MATERIAL CERDAS

    PIEZOELEKTRIK

    Disusun Oleh :

    JOKO SUKARIONO

    147895016

    Dosen :

    Prof. DR. I Wayan Susila, MT

    PROGRAM STUDI S-2 PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN

    PASCA SARJANA UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA

    2015

  • Piezoelektrik

    Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu segment bahan yang 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. Sejarah Piezoelektrik

    Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas atau ditekan dan piezo yang bermakna didorong. Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880an oleh Jacques dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik.

    Piezoelektrik ini untuk pertama kalinya di temukan pada tahun 1880 oleh dua orang bersaudara pieze curie dan Jacques curie, dan akhirnya pada tahun 1950 piezoelektrik dapat diaplikasikan untuk alat-alat industri setelah memalui proses yang panjang. Sejak itu, pemanfaatan prinsip pengukuran ini telah mengalami pertumbuhan konstan dan dapat dianggap sebagai teknologi yang matang dan telah berhasil digunakan dalam berbagai aplikasi seperti misalnya di medis, aerospace, instrumentasi nuklir dan mobile pad touch screen sebagai sensor tekanan.

    Jacques dan Pierre Curie mengombinasikan pengetahuan akan piroelektrisitas (kemampuan bahanbahan tertentu untuk menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahanbahan itu dipanaskan atau didinginkan) dengan pemahaman akan struktur dan perilaku sebuah kristal pada kristal turmalin, kuarsa, ratna cempaka, dan garam rossel. Dari uji coba tersebut diketahui bahwa kristal kuarsa dan garam rossel memperlihatkan kemampuan piezoelektrisitas paling besar saat itu.

    Piezoelektrik didefenisikan sebagai suatu kemampuan yang dimiliki sebagian kristal maupun bahan-bahan tertentu lainnya yang dapat menghasilkan tegangan listrik jika mendapatkan perlakuan tekanan atau regangan. Piezoelektrik adalah suatu efek yang reversibel, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung (direct piezoelectric effect) yaitu produksi potensial listrik akibat adanya tekanan mekanik dan efek piezoelektrik balikan (converse piezoelectric effect) yaitu produksi tekanan akibat pemberian tegangan listrik yang menghasilkan perubahan dimensi (Triwahyuni, 2010).

    Piezoelektrik adalah tumpukan muatan dalam materi padat (kristal atau keramik) tertentu dalam menanggapi regangan mekanik yang dikenakan. Kata piezoelektrik yang berarti memeras atau tekan, dan elektrik yang berarti listrik atau electron. Kata yang piezoelektrik berarti listrik yang dihasilkan dari tekanan. Sumber muatan listrik piezoelektrik merupakan akibat dari efek piezoelektrik.

    Piezoelektrik joko sukariono s-2 PTK UNESA 2015 1

  • Piezo Vibration Sensor

    Efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik terbentuk 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.

    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 ) dsb.Bahan Piezoelektrik terbentuk oleh keramik yang terpolarisasi sehingga beberapa bagian molekul bermuatan positif dan sebagian yang lain bermuatan negative membentuk

    Piezoelektrik joko sukariono s-2 PTK UNESA 2015 2

  • elektrodaelektroda 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).

    Gambar Efek piezoelektrik: Jika material piezoelektrik diberi aliran listrik akan bergetar, bila ditekan akan menghasilkan listrik

    Banyak teknologi modern menggunakan sifat unik dari efek piezoelektrik, seperti oscillator, sensor temperature, renewable energy dan sebagainya. Salah satu bahan yang mempunyai efek piezoelektrik ini adalah Quartz Crystal seperti terlihat pada gambar berikut :

    Gambar Quartz Crystal

    Material yang mempunyai sifat ini meliputi: Kuarsa (Quartz, SiO2), berlinite, turmalin dan garam rossel. Bahan piezoelektrik buatan diantaranya: Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate (PbTiO3) dan Na atau LiNbO3. Konstanta piezoelektrik d untuk kuarsa, yang menghubungkan regangan dengan kekuatan medan F( = d x F) sama dengan 2,3 x 10-12mV-1, sedang untuk PZT sama dengan 250 x 10-12mV-1.

    Efek Piezoelektrik dimanfaatkan pada transduser yang mengubah gelombang suara menjadi medan listrik atau sebaliknya. Aplikasi mulai dari mikrofon, pada alat ini dihasilkan tegangan

    Piezoelektrik joko sukariono s-2 PTK UNESA 2015 3

  • senilai beberapa milivolt, hingga perangkat militer yang menghasilkan beberapa kilovolt dan dari pergeseran kecil berukuran sub-nanometer pada cermin terdeformasi secara piezoelektrik hingga deformasi-besar pada transduser daya.

    1. Karakteristik bahan piezoelektrik

    Bahan piezoelektrik adalah suatu bahan yang apabila diberi stress (tekanan) mekanik akan menghasilkan medan listrik sebaliknya apabila medan listrik diterapkan pada bahan piezoelektrik akan terjadi deformasi mekanik (perubahan dimensi bahan).

    Karakteristik dari bahan piezo elektrik adalah :

    Bisa mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dan sebaliknya.

    Kesebarisan mutualisme antara momen-momen dipol dari suatu sel satuan yang jumlah nya banyak ini menghasilkan polarisasi dimana muatan positif terkumpul di salah satu ujung dan muatan negatif diujung yang lainnya. Perhatikan gambar (b) dan (d). Kompresi (atau tarik) kristal dengan tegangan s. Akan terdapat regangan e, yang ditentukan oleh modulus elastisnya. Regangan ini akan mengubah panjang dipol d dan langsung mempengaruhi polarisasinya (=Qd/v) karena Q dan V pada dasarnya adalah konstan. Dengan polarisasi yang lebih kecil (dari kompresi), akan terdapat kelebihan densitas muatan pada kedua ujung kristal tersebut .jika kedua ujung kristal tersebut diisolasi , beda tegangan akan terjadi(gambar b). Tidak ada tekanan yang dikeluar pada gambar (d). Alih-alih, diberikanlah suatu tekanan yang menaikkan densitas muatan pada kedua ujung .muatan-muatan negatif dalam bahan , tertarik ke suatu arah yang sama dan muatan-muatan positifnya tertarik ke arah yang lawannya , sehingga mengubah tidak hanya panjang dipolnya (d), tetapi juga dimensi bahan(kristalnya). Alat yang memiliki kemampuan seperti ini disebut material tranduser.

    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

    Piezoelektrik joko sukariono s-2 PTK UNESA 2015 4

  • terinduksi dengan molekul atau struktur Kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena ini disebut electrostriction (efek piezoelektrik).

    Fenomena efek piezoelektrik dapat digambarkan sebagai berikut:

    (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.

    Rekayasa Bahan: Piezoelektrik dan Piezoelektrik PVDF (Polyvinylidene Flouride)

    Sumber muatan listrik piezoelektrik merupakan akibat dari efek piezoelektrik.

    Gambar Piezoelektrik

    Piezoelektrik joko sukariono s-2 PTK UNESA 2015 5

  • Tekanan yang mengenai piezoelektrik kemudian menimbulkan medan listrik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipol yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal materi. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction (efek piezoelektrik). Piezoelektrisitas juga dipengaruhi oleh arah dan dimensi, seperti yang ditunjukan oleh gambar berikut :

    Pengaruh Arah dan Dimensi Piezoelektrik

    Bahan piezoelektrik dapat terbentuk secara alami (tersedia di alam) atau buatan manusia. Bahan piezoelektrik alami diantaranya adalah kuarsa (SiO2), berlinite (AlPO4), gula tebu, garam Rochelle, dan enamel. Sedangkan bahan piezoelektrik buatan diantaranya adalah gallium ortofosfat (GaPO4) dan langasite (La3Ga5SiO14).

    Gambar Efek Piezoelektrik Pada Kristal Kuarsa

    Piezoelektrik