laporan_piezoelektrik

PIEZOELEKTRIKUntuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Listrik Magnet 1

Disusun Oleh : Kelompok 3

Ibnu Mubarok 140310130048Isnan Taufikkurrohman 140310130050Ria Evanti 140310130052Muhammad Fadillah Sobari 140310130054Azhar Isti Hanifah 140310130056Mala Saputri 140310130058Harry Poetra 140310130062Martin Gammariel Tampubolon 140310130064Adika Pambudi 140310130066Dheabella Zettiara 140310130068M. Fakhri Mulhadi 140310130070Naufal Nandaliyarasyad 140310130072Stevani Ariwibowo 140310130074

POGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS PADJADJARAN

2014

Latar Belakang

Kekuatan dielektrik bahan adalah kemampuan bahan tersebut untuk menyimpan

elektron pada tegangan tinggi. Bila kapasitor dalam keadaan bermuatan penuh, hampir tidak

ada arus yang lewat. Namun dengan tegangan tinggi dapat mengeksitasi elektron dari pita

valensi ke pita konduksi. Bila hal ini terjadi arus mengalir dalam kapasitor, dan mungkin

disertai dengan kerusakan material karena meleleh, terbakar atau menguap. Medan listrik

yang diperlukan untuk menghasilkan kerusakan itu disebut kekuatan dielektrik. Beberapa

keramik mempunyai kekuatan dielektrik yang sangat besar.Porselain misalnya sampai 160

kV/cm. Sebagian besar hantaran listrik dalam padatan dilakukan oleh elektron. Di logam,

elektron penghantar dihamburkan oleh vibrasi termal meningkat dengan kenaikan suhu,

maka hambatan logam meningkat pula dengan kenaikan suhu.

Sebaliknya, elektron valensi dalam keramik tidak berada di pita konduksi, sehingga

sebagian besar keramik adalah isolator. Namun, konduktivitas keramik dapat ditingkatkan

dengan memberikan ketakmurnian. Energi termal juga akan mempromosikan elektron ke pita

konduksi, sehingga dalam keramik, konduktivitas meningkat (hambatan menurun) dengan

kenaikan suhu. Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistrikan tekan. Sifat

ini merupakan bagian bahan "canggih" yang sering digunakan sebagai sensor. Dalam bahan

piezoelektrik, penerapan gaya atau tekanan dipermukaannya akan menginduksi polarisasi dan

akan terjadi medan listrik, jadi bahan tersebut mengubah tekanan mekanis menjadi tegangan

listrik.

Sifat piezielektrik ini pertamakali ditunukan oleh seoran ilmuan prancis bernama

Pierre Currie yang merupakan pelopor kristalografi, magnetisme, radioaktivitas, dan

piezoelektrik itu sendiri. Pada tahun 1880, Pierre dan kakaknya Jacques (1856-1941)

menunjukkan piezoelektrik, yaitu potensial listrik yang dihasilkan ketika kristal dikompresi.

Untuk membantu pekerjaan mereka, mereka menemukan piezoelectric Quartz elektrometer.

Tak lama setelah itu, pada tahun 1881, mereka menunjukkan efek sebaliknya bahwa kristal-

kristal dapat meleleh saat dialiri medan listrik. Untuk lebih memahami mengenai

piezoelektrik, efek piezoelektrik dan kegunaannya maka disusunlah makalah ini.

Tujuan

1. Untuk mengetahui apa itu piezoelektrik dan bagaimana efek piezoelektrik serta

peumusan matematis piezoelektrisitas..

2. Untuk mengetahui bahan dan karakteristik bahan piezoelektrik.

3. Untuk mengetahui pemanfaatan bahan piezoelektrik.

4. Untuk mengetahui kelemahan dan kekurangan bahan piezoelektrik

Rumusan Masalah

1. Apa piezoelektrik?

2. Bagaimana efek piezoelektrik serta perumusan matematis piezoelektrisitas?

3. Apa bahan piezoelektrik dan bagaimana karakteristik dari bahan piezoelektrik?

4. Bagaimana pemanfaatan bahan piezoelektrik?

5. Bagimana kekurangan dan kelebihan bahan piezoelektrik?

PIEZOELEKTRIK

1. Pengertian dan histori

Piezoelektrik berasal dari bahasa Yunani yaitu piezo yang artinya tekanan dan elektrik

yang berarti listrik. 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 atau perubahan dimensi

bahan.[1]

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.[2]

Jacques dan Pierre Curie mengombinasikan pengetahuan akan piroelektrisitas

(kemampuan bahan‐bahan tertentu untuk menghasilkan sebuah potensial listrik saat bahan‐bahan 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.[3]

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.

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).[4]

2. Efek piezoelektrik

Efek piezoelektrik adalah kemampuan dari suatu material untuk bergetar ketika

diberikan tegangan pada material tersebut dan sebaliknya, apabila material tersebut diberi

tekanan maka material tersebut akan menghasilkan tegangan.[5]

Efek piezoelektrik dapat digambarkan pada gambar 1. Jika material piezoelektrik diberi

aliran listrik maka material tersebut akan bergetar, dan sebaliknya bila diberi tekanan akan

menghasilkan listrik.[5]

Gambar 1. 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 2.[5]

Material yang mempunyai sifat ini meliputi kuarsa, BatiO3, Pb(TiZr)O3 atau PZT dan

Na atau LiNbO3. Konstanta piezoelektrik d untuk kuarsa, yang menghubungkan regangan ℰ dengan kekuatan medan F(ℰ = d x F) sama dengan 2,3 x 10-12mV-1, sedang untuk PZT sama

dengan 250 x 10-12mV-1. [6]

Efek Piezoelektrik dimanfaatkan pada transduser yang mengubah gelombang suara

menjadi medan listrik atau sebaliknya. Aplikasi mulai dari mikrofon, pada alat ini dihasilkan

tegangan 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.[6

3. 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 dapat mengubah deformasi mekanik menjadi medan listrik yang

setara dengan (piezoelectric effect) nya. Bahan PVDF merupakan jenis lapisan tipis atau

sering disebut film PVDF ini mempunyai beberapa sifat yang menguntungkan, di antaranya

adalah: fleksibel, ringan, mampu bekerja pada frekuensi yang sangat lebar, dan juga tersedia

dalam berbagai bentuk ketebalan dan luasan. Bahan PVDF ini juga sangat mudah serta dapat

meminimalisir kerusakan pada material yang bersangkutan serta kerusakan pada PDVF itu

sendiri.

Apabila film PVDF terdeformasi secara mekanik, misalnya terkena tekanan, maka

partikel penyusunnya menjadi terpolarisasi sehingga menimbulkan konsentrasi muatan listrik

pada masing-masing permukaannya. Semakin besar sensor ini terdeformasi maka output

yang dihasilkan sensor ini juga ikut membesar.

Pada batas frekuensi rendah operasi paling sederhana modus film berperilaku seperti

pengukur regangan yang dinamis,tidak memerlukan sumber daya eksternal dan menghasilkan

sinyal dari hasil tegangan dan regangan.Sensitivitas dari output getaran disebabkan oleh

format bahan film piezo.Ketebalan rendah membuat film, pada gilirannya, area penampang

yang sangat kecil dan kekuatan longitudinal yang relatif kecil sehingga menciptakan tekanan

yang sangat besar dalam materi. Sangat mudah untuk mengeksploitasi aspek ini untuk

meningkatkan sensitivitas sejajar dengan sumbu mesin. Jika elemen dilaminasi film (untuk

contohLDT1-028K). ditempatkan di antara dua lapisan dari bahan sesuai maka setiap

kekuatan tekan yang diubah menjadi jauh lebih besar kekuatan daripada yang luas

memanjang.[7]

4. 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 :

1. 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(=ΣQd/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 .[8]

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). Fenomena efek piezoelektrik dapat digambarkan sebagai

berikut:[7]

(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.

5. Persamaan matematis piezoelektrik

Piezoelectricity is the combined effect of the electrical behavior of the material:

where D is the electric charge density displacement (electric displacement), ε is permittivity

and E is electric field strength, and Hooke's Law:

where S is strain, s is compliance and T is stress

These may be combined into so ‐called coupled equations, of which the strain‐charge form is:

where [d] is the matrix for the direct piezoelectric effect and [dt] is the matrix for the

converse piezoelectric effect. The superscript E indicates a zero, or constant, electric field;

the superscript T indicates a zero, or constant, stress field; and the superscript t stands for

transposition of a matrix.

The strain‐charge for a material of the 4mm (C4v) crystal class (such as a poled piezoelectric

ceramic such as tetragonal PZT or BaTiO3) as well as the 6mm crystal class may also be

written as (ANSI IEEE 176):

where the first equation represents the relationship for the converse piezoelectric effect and

the latter for the direct piezoelectric effect.

where the first set of 4 terms correspond to the direct piezoelectric effect and the second set

of 4 terms correspond to the converse piezoelectric effect [9]. A formalism has been worked

out for those piezoelectric crystals, for which the polarization is of the crystal ‐field induced

type, that allows for the calculation of piezoelectrical coefficients dij from electrostatic lattice

constants or higher ‐order Madelung constants.[7]

6. Pemanfaatan bahan piezoelektrik

1. Penghasil listrik tegangan tinggi

Bahan piezoelektrik dapat menghasilkan beda potensial hingga ribuan

volt sehingga banyak digunakan sebagai sumber tegangan tinggi. Salah alat yang bekerja

dengan prinsip ini antara lain: Electric cigarette lighter: menekan tombol menyebabkan palu

springloaded untuk memukul kristal piezoelektrik, menghasilkan arus listrik tegangan yang

cukup tinggi yang mengalir di celah percikan kecil, sehingga pemanasan dan memicu gas.

Sparkers portabel digunakan pemanggang gas ringan atau kompor bekerja dengan cara yang

sama, dan berbagai jenis kompor gas sekarang memiliki built-in sistem pengapian berbasis

piezo.

2. Transduser

Transduser adalah alat yang mengubah suatu bentuk energy kedalam bentuk energi yang lain.

Transduser ultrasonic 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.

Beberapa transduser yang bekerja menggunakan bahan piezoelektrik antara

lain:*

· Elemen piezoelektrik juga digunakan dalam deteksi gelombang sonar.

· Pemantauan daya dalam aplikasi daya tinggi (misalnya perawatan medis, sonochemistry

dan pengolahan industri).

· Piezoelectric microbalances digunakan sebagai bahan kimia yang sangat sensitif dan sensor

biologis.

· Piezo kadang-kadang digunakan dalam pengukur regangan. [4]

Aplikasi Piezoelektrik

Sensor piezoelektrik adalah peralatan elektronik pasif berfase padat yang dapat merespon

perubahan temperature, tekanan, dan yang paling penting merespon sifat fisik pada suatu

interface antara permukaan alat dan fluida atau padatan asing. Perubahan pada sifat fisik

antara lain seperti massa jenis, kelistrikan, viskositas dan ketebalan lapisan. Sensor

piezoelektrik beroperasi dengan mengobservasi penyebaran dari suatu gelombang akustik.

1. Penggunaan sensor piezoelektrik untuk menentukan lokasi kerusakan dini pada kom-

ponen mesin melalui analisa penjalaran gelombang tegangan (emisi akustik)

2. Penggunaan piezoelektrik pada ultrasonic tranduser untuk pencitraan medis

3. Penggunaan sensor piezoelektrik di bidang transportasi seperti pada palang pintu rel

kereta yang tanpa penjaga, yang akan menutup otomatis apabila ada kereta api yang

mendekat pada jarak tertentu dan akan terbuka kembali ketika kereta api menjauh.

4. Penggunaan piezoelektrik di jepang yang diaplikasikan pada pintu masuk sebuah sta-

siun [9]

7. Kelemahan dan kekurangan material

Kelemahan

Piezoelektrik bukanlah suatu dielektrik yang bagus. Ada sedikit kebocoran muatan

pada material piezoelektrik. Karena fenomena ini, ada suatu konstanta penyimpanan

tegangan pada piezoelektrik setelah diberikan suatu gaya. Konstanta waktu ini tergantung

pada kapasitansi elemenya 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 kristalissasi kisi-kisi (laticce) dalam

susunan tertentu. Hal tersebut dilakukan dengan memanaskan kristal sampai di atas 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

50-600oC. Pemanasan di bawah suhu curie dapat membtasi penggunaan sensor ini.

Kekurangan utama sensing piezoelektrik ini adalah sensitifitasnya hanya bagus untuk

sinyal yang berubah terhadap waktu. Sensing piezoelektrik tidak dapat beroperasi untuk

aplikasi-aplikasi yang membutuhkan sensitivitas terhadap besaran statik. Meskipun demikian

jika ada sinyal yang berubah terhadap waktu perlu adanya pemikiran yang serius pada

penggunaan elemen sensing piezoelektrik.

Kelebihan

Elemen piezoelektrik mempunyai beberapa kelebihan penting dibandingkan

mekanisme sensing yang lain. Pertama adalah fakta bahwa piranti tersebut membangkitkan

sendiri tegangannya. Karena itu elemen ini tidak memerlukan daya dari luar untuk

operasionalnya. Untuk suatu aplikasi dimana konsumsi daya sangat terbatas, piranti

piezoelektrik sangat berguna. Tambahan lagi, efek piezoelektrik memiliki hukum

penyekalaan yang menarik sehingga bermanfaat pada piranti yang kecil.[1]

DAFTAR PUSTAKA

[1] http://edukasi.kompasiana.com/2013/04/27/material-piezoelektrik-555283.html

[2] (M.Arif Sucipto, 2011, SENSOR DAN TRANSDUSER Sensor Piezoelektrik, Teknik

Komputer Politeknik Negeri Sriwijaya)

[3]https://apiif.wordpress.com/2013/10/20/piezoelektrik/https://apiif.wordpress.com/

2013/10/20/piezoelektrik/

[4]http://budikribo.blogspot.com/2013/05/piezoelectric.html

[5] Soewito, Benfano.2014. Designing Quartz Crystal Oscillator.Link:

[6] http://mti.binus.ac.id/2014/02/27/designing-quartz-crystal-oscillator/

[7] http://iwan78.files.wordpress.com/2010/11/8_piezoelektrik.pdf

[8] H.Lawrence Van Vlack.2001.Elemen-elemen Ilmu dan rekayasa material.

Jakarta:Erlangga

[9]http://www.slideshare.net/satriarwijaya/material-piezoelektrik-satria-dhaniswara-rw

telektro-135060300111004