Di Balik Ilmu Piezoelectricity: Cara Kerjanya & Mengapa Penting

Sebagian besar perangkat modern menggunakan piezoelectricity sebagai komponen dari papan sirkuit cetak (PCB) mereka. Misalnya, jam kuarsa Anda memerlukan piezoelectricity untuk mengatur waktu. Selain itu, mikrofon dan bahkan Siri favorit Anda juga membutuhkannya untuk pengenalan suara. Tapi bagaimana piezoelectric bekerja? Semua bahan piezoelectrik memiliki karakteristik unik. Dan karakteristik ini memungkinkan mereka untuk terintegrasi dengan lancar dengan sebagian besar teknologi modern untuk memberikan campuran yang sempurna. Dalam artikel ini, kami akan memberi Anda panduan lengkap tentang cara kerja piezoelectricity untuk penggunaan sehari-hari.

Bagaimana Piezoelectric Bekerja

Ilustrasi mekanisme piezoelectricity. 

Sumber: https://www.audiowell.com/technology/187.html

Piezoelectric adalah istilah yang diusulkan oleh dua saudara ilmuwan Prancis, Jacques dan Pierre Curie. Setelah menemukan bahwa memberikan tekanan pada dua kuarsa (atau kristal tertentu) menghasilkan muatan listrik.

Piezo berasal dari kata Yunani 'piece in,' yang berarti Squeeze atau tekan. Oleh karena itu, piezoelectricity berarti 'menyedot listrik.' Yaitu, menekan dua kristal untuk membuat energi listrik. Kristal piezo membantu mengubah energi mekanik (energi suara) menjadi sinyal listrik yang dapat diinterpretasikan oleh perangkat listrik. 

Teknologi ini saat ini dalam perkembangan cepat. Dan banyak perusahaan saat ini menggunakan fenomena ini sebagai fondasi untuk teknologi yang lebih canggih. Misalnya, transduktor nada audio keramik baru adalah anak buah dari piezoelectricity. 

Apa itu Efek Piezoelectric?

Ilustrasi Efek Piezoelectric.  

Efek Piezoelectric adalah kemampuan untuk menekan dua bahan tertentu bersama untuk membuat arus listrik. Memberikan tekanan mekanik pada bahan-bahan ini membantu menciptakan muatan negatif dan positif yang bergantian pada bahan, menciptakan medan listrik aktif. 

Namun, karakteristik unik dari piezoelectricity ini juga reversibel. Bahan yang menunjukkan efek piezoelectric langsung juga dapat menunjukkan efek piezoelectric terbalik. 

Efek piezoelectric terbalik berguna di banyak bidang yang melibatkan produksi, deteksi, dan distribusi suara. Juga, ini mencakup mikrobalans, mekanika sumber penyalin, generasi frekwensi elektronik, produksi tegangan tinggi, dll.

Efek Piezoelectric Langsung

Ilustrasi piezoelectric dan piezoelectric terbalik.

Sumber:https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

Seperti yang dinyatakan sebelumnya, menekan kristal piezoelectrik menghasilkan piezoelectricity. 

Dalam ilustrasi, ketika Anda menempatkan bahan piezoelectrik non-konduktif di antara dua plat logam dan menekan atau meremukkan mereka bersama, mereka menghasilkan arus listrik. Plat logam bertindak sebagai transmisi arus listrik ini. 

Arus listrik yang dihasilkan menciptakan arus — yang dikenal sebagai efek piezoelectric.

Efek Piezoelectric Terbalik

Anda menciptakan efek piezoelectric terbalik saat memberikan tegangan listrik langsung untuk membuat bahan piezoelectrik melebar atau menyusut. Dengan demikian, ini menciptakan efek piezoelectric terbalik — mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

Menggunakan metode ini membantu membuat perangkat yang menghasilkan suara akustik, misalnya, speaker piezoelectrik dan mikrofon piezoelectrik. Perangkat piezoelectrik seperti ini sangat fungsional karena tipis dan dapat muat dalam berbagai peralatan kecil. Demikian pula, prinsip yang sama berlaku untuk perangkat seperti transduktor sonar dan ultrasonografi medis.

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

Bahan Piezoelectrik

Berbagai bahan, baik alami maupun buatan, menunjukkan efek piezoelectric. Ketika Anda memberikan tekanan (tekanan mekanik) dan merusak dengan memberikan tegangan tinggi, mereka menghasilkan listrik. 

Sebagai aturan, bahan-bahan ini non-konduktif. Dan ini adalah satu-satunya cara efek piezoelectric dapat terjadi. 

Bahan piezoelectrik datang dalam dua kategori utama: 

• Kristal piezoelectrik
• Keramik piezoelectrik

Contoh bahan piezoelectrik yang terjadi secara alami adalah Berlinite, kuarsa, garam Rochelle, turmalin, dll. Contoh bahan piezoelectrik buatan termasuk zirconate titanate seng (PZT), titanate barium, gula tebu, dan niobate litium. 

Dibandingkan bahan biologis, bahan buatan lebih efektif dan memiliki penggunaan bahan yang lebih baik. Misalnya, zirconate titanate seng menghasilkan tegangan yang lebih tinggi daripada kuarsa saat Anda memberikan tekanan yang sama, dan ini benar saat Anda menerapkan arus tegangan tinggi pada kedua bahan.

Bahan Piezoelectrik

Aplikasi

Generator spak piezoelectrik pembakar kompor gas

Saat ini, aplikasi transducer dan sensor piezoelectrik ada di mana-mana. Pasti ada beberapa bahan piezoelectrik di setiap perangkat di pasar saat ini.

Ambillah contoh kereta bawah tanah di Tokyo ini. Ia menggunakan prinsip ini sebagai sumber energi alternatif.

Berikut adalah beberapa aplikasi sehari-hari umum dari prinsip piezoelectric.

Sensor Piezo 

Sensor piezoelectrik mengubah dimensi fisik menjadi gaya yang bertindak pada dua sisi berlawanan dari elemen sensoris. Dalam hal sederhana, sensor mendeteksi variasi tekanan yang disebabkan oleh suara. 

Mereka tidak memerlukan sumber tegangan eksternal dan bekerja untuk menghasilkan hasil dari tekanan yang diterapkan. 

Sensor piezoelectrik sangat sensitif, menjadikannya sempurna untuk perangkat suara frekwensi tinggi seperti transduktor ultrasonografi untuk pengobatan medis dan pemantauan mesin industri. 

Sensor piezoelectrik memiliki karakteristik utama berikut;

• Pertama, kuat dan tipis ukurannya
• Kedua, kekuatan mekanik tinggi
• Kemudian, stabilitas tinggi dan kepatuhan elastis
• Selain itu, rentang frekwensi luas
• Juga, resistensi dampak 
• Terakhir, output tegangan tinggi

Sumber Tegangan dan Daya Tinggi

Pelanggan rokok menggunakan prinsip piezoelectric

Ini adalah aplikasi praktis paling populer dari prinsip piezoelectric yang ada. Contoh terbaik adalah grill gas dan pelanggan rokok listrik. Plus, Anda cukup menekan tombol, dan palu yang dilengkapi pegas mengenai kristal piezoelectrik. Yang kemudian menghasilkan spak yang cukup untuk menyebabkan muatan listrik yang menyala gas. 

Motor

Keuntungan utama dari efek piezoelectric adalah perubahan kecil dalam korespondensi dengan aplikasi tegangan tinggi — menjadikannya sempurna untuk digunakan dengan akurasi ekstrim dalam penempatan.

Itulah sebabnya motor piezoelectrik memiliki banyak keuntungan dibandingkan mesin elektromagnet konvensional. Selain itu, mereka memberikan gaya dan torsi yang lebih besar meskipun umumnya lebih kecil dan lebih kompak. 

Selain itu, medan elektromagnetik tidak mempengaruhi kinerja perangkat piezoelectrik, yang membuatnya lebih baik untuk memulai dan berhenti dengan cepat. 

Aktuator Piezoelectrik

Ilustrasi aktuator piezoelectrik. 

Sumber: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

Aktuator menggunakan efek piezoelectric terbalik untuk menyangga perangkat seperti mesin braille dan mesin benang. Dalam sistem aktuator, bahan piezoelectrik berada di antara plat logam dan perangkat aktuator. 

Menerapkan arus tegangan tinggi ke dalam sistem ini menyebabkan bahan piezoelectrik melebar dan menyusut dengan interval, menyebabkan aktuator bergerak secara ritmis. 

Aktuator ini bermanfaat, terutama dalam perangkat yang memerlukan penempatan yang presisi, seperti cermin dalam satelit.  Juga, karena desainnya yang sederhana dan bagian bergerak yang minimum, mereka sangat baik untuk perangkat miniatur seperti kamera video dan ponsel. 

Kelebihan dan Kekurangan Piezoelectricity

Meski semua pujian, piezoelectricity juga memiliki beberapa keterbatasan. Berikut adalah beberapa kelebihan dan kekurangan utama piezoelectricity. 

Kelebihan	Kekurangan
Kemampuan untuk beroperasi pada suhu apa pun	Sensitivitas getaran mereka membuat mereka rentan terhadap getaran acak.
Tidak ada efek dari medan elektromagnetik.	Kadang-kadang kekakuan bahan piezoelectrik tidak cocok dengan bahan aplikasi, misalnya, trotoar.
Mempunyai jejak karbon rendah menjadikannya alternatif terbaik untuk bahan bakar fosil
Bahan yang dapat digunakan kembali secara tinggi
Respons mereka yang kecil terhadap frekwensi tinggi menjadikannya penampung energi terbaik.

Generator Piezoelectric 

Generator piezoelectric (juga dikenal sebagai PEGs) memanfaatkan sensor piezo untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik tanpa rotasi fisik — biasanya ditemukan dalam generator tradisional. Sebagai akibatnya, generator piezoelectric hadir dalam ukuran kecil, kompak, dan sangat mudah dikelola. 

Dalam generasi ini, generator piezoelectrik adalah keberhasilan yang sangat dipersilakan dalam generasi daya. Meskipun belum tercapai, mereka memiliki kekuatan untuk mewujudkan mimpi perangkat elektronik nirkabel daya sendiri menjadi kenyataan. 

Mungkin masih akan lama sebelum kita dapat mewujudkan mimpi ini; namun, generator piezoelectrik telah terbukti sebagai sumber daya yang andal, stabil, dan sangat awet. Para ahli percaya bahwa tidak akan lama lagi generator piezoelectrik dapat menggantikan sebagian besar kebutuhan daya kita. 

Generator Piezoelectric – Manfaat dan Keterbatasan 

Manfaat

• Pertama, serbaguna dalam ukuran. Karena karakteristik uniknya, elemen piezo hadir dalam ukuran dan desain yang sangat fleksibel. Mereka dapat seberas apa pun yang Anda butuhkan untuk muat di perangkat miniatur apa pun. 

Kedua, elemen piezo menampung energi yang jika tidak akan terbuang sia-sia. Misalnya, motor piezo yang terpasang pada jembatan pejalan kaki mengumpulkan getaran dari langkah kaki dan mengonversinya menjadi energi listrik. Ini bekerja sebagai sumber energi alternatif dan cara untuk mengurangi kebisingan dari lingkungan. 

Keterbatasan

• Mereka memiliki output daya yang terbatas. Generator piezoelectrik membutuhkan getaran konstan untuk menghasilkan daya konstan. Oleh karena itu, daya yang dihasilkan secara proporsional dengan tekanan yang diterapkan. Anda dapat meningkatkan output dengan menumpuk beberapa elemen piezoelectrik bersama. Namun, setelah titik tertentu, ada pengurangan pengembalian karena akan membutuhkan lebih banyak tekanan untuk bekerja pada sistem. 

Kesimpulan

Jadi, bagaimana piezoelectric bekerja? Singkatnya, bahan piezoelectrik dapat dengan nyaman mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Karakteristik unik dari bahan-bahan ini membuatnya sangat berguna di banyak area teknologi. Khususnya area yang memerlukan penempatan yang presisi. 

Aplikasi teknologi piezoelectric tak terbatas, dan ada banyak kemungkinan untuk dieksplorasi. Produsen teknologi seperti WellPCB berada di garis depan dalam mengintegrasikan teknologi ini ke dalam penggunaan sehari-hari.