Piezoelectricity

1.    Piezoelectricity

Piezoelectricity adalah kemampuan suatu material yang dapat menghasilkan medan listrik atau potensial listrik sebagai respon akibat tekanan mekanik (Wikipedia, 2010). Efek piezoelektrik adalah suatu efek yang reversible, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung

(direct piezoelectric effect) dan efek piezoelektrik balikan (converse piezoelectric effect). Efek piezoelektrik langsung adalah produksi potensial listrik akibat adanya tekanan mekanik. Sedangkan efek piezoelektrik balikan adalah produksi tekanan akibat pemberian tegangan listrik, contohnya adalah kristal lead zirconate titanate yang akan mengalami perubahan dimensi sampai maksimal 0.1 % jika diberi tegangan listrik. (Tama, 2009)

Gambar 1. piezoelektrik disk yang menghasilkan voltase karena tekanan

Pada sebuah kristal piezoelektrik, muatan listrik positif dan muatan listrik negatif adalah terpisah, namun tersebar secara simetris. Sehingga secara keseluruhan kristal bersifat netral.

Gambar 2. Penampang penyebaran muatan listrik dari Kristal piezoelektrik.

Masing-masing sisi membentuk kutub listrik. Dan ketika suatu tekanan mekanik diterima oleh kristal piezoelektrik bentuk simetris dari tiap-tiap muatan listrik tersebut berubah menjadi tidak simetris yang akan menghasilkan tegangan listrik. Sebagai contoh, 1 cm kubik kristal quartz dengan tekanan mekanik sebesar 2000 Newton akan menghasilkan tegangan listrik sebesar 12.500 Volt. Berdasarkan arah datangnya tekanan, terdapat tiga operasi yang dapat dilakukan yaitu transverse effect, longitudinal effect, dan shear effect. Spesifikasi Piezoelektrisitas adalah efek gabungan dari sifat elektris bahan yaitu Fluks listrik, Permitivitas listrik, Medan listrik. Hukum Hooke.

 

  

Gambar 3. Mekanisme efek piezoelektrik

2. Piezo Generator

Piezoelectricity dapat menghasilkan voltase yang sangat tinggi.  Jumlah tekanan yang diperlukan untuk mengubah elemen keramik piezoelektrik dengan 0.05mm bisa menghasilkan hampir 100.000 volt, namun saat ini sangat kecil.(LiveWIRE, 2006) jumlah tegangan ini sudah cukup untuk menciptakan bunga api listrik untuk menyalakan gas di oven, grill atau saku lebih ringan. Faktor kunci yang terlibat dalam jumlah energi yang dihasilkan oleh bahan piezoelectric ada hubungannya dengan tekanan pada elemen. Ini adalah rasio dari gaya diterapkan ke area permukaan elemen. Ketika komposisi keramik, volume elemen keramik, dan gaya yang digunakan adalah konstan, unsur yang memiliki luas permukaan terkecil akan menghasilkan energi listrik yang paling besar (APC 2002).
           Jumlah energi listrik tertinggi yang dapat dicapai dengan elemen piezoelektrik yakni saat jumlah tegangan sangat tinggi dihasilkan oleh bahan piezoelektrik. Misalnya, kekuatan 2 kN bekerja pada kristal piezoelektrik berukuran sentimeter kubik menghasilkan lebih dari 12,5 kV.

Gambar 4. Persamaan sistematis dalam piezoelectric effect

Jumlah energi akan meningkat secara linear dengan jumlah tegangan yang diaplikasikan, sehingga jika Anda memberi tekanan lebih pada bahan piezoelectric maka energi yang dihasilkan besar pula. Hal ini memiliki implikasi untuk keperluan dalam "energy harvesting" (LiveWIRE, 2006). Energi dari orang-orang yang berjalan, mengemudi mobil, kereta api, goncangan di truk atau orang-orang menari di atas lantai dansa dapat dimanfaatkan melalui efek piezoelektrik  yakni bila perangkat yang ditempatkan di bawah tanah terkena dampak tekanan akibat kegiatan

tersebut (Horn, 2009).

3.  Sensor Desain

                   Berdasarkan teknologi piezoelectric. Gambar 5 menunjukkan konfigurasi skematis dari  sensor dalam konfigurasi melintang. Untuk accelerometers, massa seismik terpasang untuk elemen kristal. Ketika accelerometer mengalami gerakan, beban gempa massa invarian unsur menurut hukum kedua Newton tentang gerak F = m.a. (Piezocryst, 2005)

Gambar 5. Skematik sensor design (a) untuk tekanan dan (b) sensor akselerasi

Pada kedua sensor tekanan piezoelektrik (a) dan piezoelektrik accelerometers (b), unsur-unsur kristal yang digunakan dalam modus transversal. Perbedaan utama dalam prinsip kerja antara kedua kasus ini adalah kekuatan cara yang diterapkan pada elemen penginderaan. Dalam sensor tekanan, selaput tipis yang digunakan untuk memandu memaksa elemen-elemen, sedangkan pada accelerometers, gaya diaplikasikan tergantung pada besarnya massa seismic yang terpasang.

Sensor cenderung sensitif terhadap lebih dari satu dimensi fisik. Sebagai contoh, sensor tekanan canggih sering menggunakan percepatan elemen kompensasi. Mereka kompensasi didasarkan pada kenyataan bahwa elemen pengukuran dapat mengalami tekanan dan kegiatan percepatan. Sebuah unit pendukung pengukuran adalah ditambahkan ke sensor perakitan yang hanya mengalami percepatan. Sensor ini dapat aktif apabila menerima tekanan mekanik. (Piezocryst, 2005)