Bahan piezoelektrik telah ada sejak akhir 80-an dan membuka jalan bagi banyak penemuan yang mengubah permainan. Melayani dalam bentuk MIMPI dalam perang dunia bahan-bahan ini sekarang telah menarik perhatian para penemunya karakteristik mistik . Jaringan Sensor Nirkabel , Internet untuk segala memerintah era teknis abad ke-21. Untuk menjaga hal-hal baru ini terus berjalan, kebutuhan daya telah menjadi tantangan terbesar. Berburu yang berkelanjutan, andal, energi terbarukan sumber menyebabkan para peneliti tersandung pada pemanen listrik yang luar biasa bahan piezoelektrik . Mari kita mulai menjelajahi zaman baru ini pemanen listrik.
Apa itu Bahan Piezoelektrik?
Untuk mengetahui apa a bahan piezoelektrik Apakah kita harus tahu apa singkatan dari piezoelektrik ?. Di PIEZOELECTRICITY istilah 'piezo' berarti tekanan atau stres. Jadi piezoelektrik didefinisikan sebagai 'Listrik yang dihasilkan oleh penerapan tegangan atau tegangan mekanis' dan bahan yang menunjukkan sifat ini termasuk dalam kategori bahan piezoelektrik . Penghargaan atas penemuan bahan-bahan ini diberikan kepada Sir Jacques Curie (1856–1941) dan Pierre Curie (1859–1906) . Saat bereksperimen dengan mineral kristal tertentu seperti kuarsa, gula tebu, dll… mereka menemukan bahwa penerapan gaya atau tegangan pada bahan-bahan ini menghasilkan tegangan polaritas yang berlawanan dengan besaran yang sesuai dengan beban yang diterapkan. Fenomena ini dinamakan sebagai Langsung Efek piezoe .
Di tahun berikutnya, Lippman menemukan efek Converse yang menyatakan bahwa salah satu kristal penghasil tegangan ini, ketika terkena medan listrik, diperpanjang atau diperpendek sesuai dengan polaritas medan yang diterapkan. Bahan piezoelektrik mulai dikenal dengan peran mereka di WW1 ketika Quartz digunakan sebagai resonator di SONAR. Selama periode WW2, bahan piezoelektrik sintetis ditemukan, yang kemudian menyebabkan perkembangan intens perangkat piezoelektrik . Sebelum menggunakan suatu bahan piezoelektrik seseorang harus mengetahui karakteristik apa yang membuat bahan piezoelektrik tersebut.
Sifat Bahan Piezoelektrik dan Bagaimana Cara Kerjanya?
Rahasia bahan piezoelektrik terletak pada struktur atomnya yang unik. Bahan piezoelektrik terikat secara ionik dan mengandung ion positif dan negatif dalam bentuk pasangan yang disebut sel satuan. Bahan-bahan ini tersedia di alam sebagai dielektrik anisotropik dengan kisi kristal non-sentrosimetris yaitu, mereka tidak memiliki muatan listrik bebas dan ion-ion tersebut tidak memiliki pusat simetri.
Efek Piezoelektrik Langsung
Ketika tegangan atau gesekan mekanis diterapkan pada bahan-bahan ini, geometri struktur atom kristal berubah karena pergerakan total ion positif dan negatif terhadap satu sama lain, menghasilkan dipol listrik atau Polarisasi . Jadi kristal berubah dari dielektrik menjadi bahan bermuatan. Besarnya tegangan yang dihasilkan berbanding lurus dengan jumlah tegangan atau tegangan yang diterapkan pada kristal.
Efek Piezoelektrik Langsung
Converse Efek Piezoelektrik
Kapan listrik diterapkan pada kristal-kristal ini dipol listrik muncul, membentuk gerakan dipol yang menyebabkan deformasi kristal, sehingga menimbulkan kebalikan efek piezoelektrik seperti yang ditunjukkan pada gambar.
Converse Efek Piezoelektrik
Bahan Piezoelektrik Sintetis
Buatan manusia bahan piezoelektrik Suka keramik piezoelektrik menunjukkan polarisasi spontan (sifat feroelektrik) yaitu dipol ada dalam strukturnya bahkan ketika tidak ada medan listrik yang diterapkan. Di sini jumlahnya efek piezoelektrik diproduksi sangat tergantung pada struktur atomnya. Dipol yang ada dalam struktur membentuk domain-daerah di mana dipol tetangga memiliki keselarasan yang sama. Awalnya, domain ini diorientasikan secara acak sehingga tidak menyebabkan polarisasi bersih.
Struktur Kristal Perovskit Di Atas dan Di Bawah Titik Curie
Dengan menerapkan medan listrik DC yang kuat ke keramik ini ketika mereka melewati titik Curie mereka domain menjadi sejajar dengan arah medan listrik yang diterapkan. Proses ini disebut poling . Setelah mendingin sampai suhu kamar dan melepaskan medan listrik yang diterapkan, semua domain mempertahankan orientasinya. Setelah proses ini selesai, keramik dipamerkan efek piezoelektrik . Bahan piezoelektrik alami seperti kuarsa tidak ditampilkan perilaku feroelektrik .
Persamaan piezoelektrik
Efek piezoelektrik dapat dijelaskan dengan berikut ini Persamaan Kopling Piezoelektrik
Efek piezoelektrik langsung: S = sE .T + d. E
Efek piezoelektrik berbanding terbalik: D = d.T + εT.E
Dimana,
D = vektor perpindahan listrik
T = vektor tegangan
sE = matriks koefisien elastis pada kuat medan listrik konstan,
S = vektor regangan
εT = matriks dielektrik pada regangan mekanis konstan
E = vektor medan listrik
d = efek piezoelektrik langsung atau berlawanan
Medan listrik yang diterapkan ke arah yang berbeda menghasilkan jumlah tegangan yang berbeda pada bahan piezoelektrik. Jadi konvensi tanda digunakan bersama dengan koefisien untuk mengetahui arah bidang terapan. Untuk menentukan arah, sumbu 1, 2, 3 digunakan secara analogi dengan X, Y, Z. Poling selalu diterapkan pada arah 3. Koefisien dengan subskrip ganda menghubungkan karakteristik listrik dan mekanik dengan subskrip pertama yang menjelaskan arah sumbu. medan listrik sesuai dengan tegangan yang diterapkan atau muatan yang dihasilkan. Subskrip kedua menunjukkan arah tegangan mekanis.
Koefisien kopling elektromekanis terjadi dalam dua bentuk. Yang pertama adalah suku penggerak d, dan yang kedua adalah sensor istilah g. Koefisien piezoelektrik beserta notasinya dapat dijelaskan dengan d33
Dimana,
d menentukan tegangan yang diterapkan dalam arah ke-3.
3 menentukan elektroda tegak lurus dengan sumbu ke-3.
3 menentukan konstanta piezoelektrik.
Bagaimana Bahan Piezoelektrik Bekerja?
Seperti yang sudah dijelaskan di atas bahan piezoelektrik dapat bekerja masuk dua mode :
- Efek piezoelektrik langsung
- Efek piezoelektrik berbanding terbalik
Mari kita ambil contoh untuk masing-masing memahami penerapan mode ini.
Heal-Strike Generator menggunakan Direct Piezoelectric Effect:
DARPA telah mengembangkan perangkat ini untuk melengkapi tentara dengan generator listrik portabel. Bahan piezoelektrik yang ditanamkan pada sepatu mengalami tekanan mekanis saat tentara berjalan. Karena langsung properti piezoelektrik , material menghasilkan muatan listrik karena tekanan mekanis ini. Biaya ini disimpan di kapasitor atau baterai yang dengan demikian dapat digunakan untuk mengisi daya perangkat elektronik mereka saat dalam perjalanan.
Heal Strike Generator
Quartz Crystal Oscillator pada Jam Tangan menggunakan Converse Piezoelectric Effect
Jam tangan mengandung a kristal kuarsa . Ketika listrik dari baterai dialirkan ke kristal ini melalui sirkuit, efek piezoelektrik sebaliknya terjadi. Karena efek ini pada penerapan muatan listrik, kristal mulai berosilasi dengan frekuensi 32768 kali per detik. Microchip yang ada di sirkuit menghitung osilasi ini dan menghasilkan pulsa reguler per detik yang memutar jarum detik jam tangan.
Converse Piezo Effect Digunakan Pada Jam Tangan
Penggunaan Bahan Piezoelektrik
Karena sifatnya yang unik karakteristik, bahan piezoelektrik telah memperoleh peran penting dalam berbagai penemuan teknologi.
Penggunaan Efek Piezo Langsung
- Di stasiun kereta Jepang, konsep ' peternakan kerumunan ”Telah diuji di mana jejak pejalan kaki di ubin piezoelektrik yang tertanam di jalan dapat menghasilkan listrik.
- Pada tahun 2008 sebuah klub malam di London membangun lantai ramah lingkungan pertama yang terbuat dari bahan piezoelektrik yang dapat menghasilkan listrik untuk menyalakan bola lampu saat orang-orang menari di atasnya.
- Efek piezoelektrik menemukan aplikasi yang berguna sebagai filter frekuensi mekanis, perangkat gelombang akustik permukaan , perangkat gelombang akustik massal, dll…
- Mikrofon dan speaker suara dan ultrasound, pencitraan ultrasonik , hidrofon.
- Pickup piezoelektrik untuk gitar, biosensor untuk menyalakan alat pacu jantung.
- Elemen piezoelektrik juga digunakan dalam mendeteksi dan menghasilkan gelombang sonar, sumbu tunggal dan sumbu ganda sensor kemiringan .
Efek piezoelektrik Dari RoadWays
Penggunaan Efek Piezoelektrik Converse
- Aktuator dan motor
- Penempatan presisi mikro dan penyesuaian presisi mikro pada lensa untuk mikroskop.
- Driver jarum di printer, miniatur motor, aktuator bimorf.
- Aktuator berlapis-lapis untuk penentuan posisi yang bagus dalam optik
- Sistem injeksi pada katup bahan bakar otomotif dll…
Piezo Electric Effect Sebagai Penyesuaian Mikro Di Kamera
Dengan Menggabungkan Bidang Listrik dan Mekanik:
- Untuk investigasi struktur atomistik bahan.
- Untuk memantau integritas struktural dan mendeteksi kesalahan pada tahap awal dalam struktur sipil, industri dan dirgantara.
Keuntungan dan Keterbatasan Bahan Piezoelektrik
Kelebihan dan kekurangan bahan piezoelektrik meliputi yang berikut ini.
Keuntungan
- Bahan piezoelektrik dapat beroperasi pada kondisi suhu apa pun.
- Mereka rendah jejak karbon menjadikannya alternatif terbaik untuk bahan bakar fosil.
- Karakteristik bahan ini menjadikannya pemanen energi terbaik.
- Energi yang tidak terpakai yang hilang dalam bentuk getaran dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi hijau.
- Bahan-bahan ini dapat digunakan kembali.
Batasan
- Saat bekerja dengan getaran, perangkat ini juga cenderung menangkap getaran yang tidak diinginkan.
- Resistensi dan Daya Tahan menerapkan batasan pada perangkat saat digunakan untuk memanfaatkan energi dari trotoar dan jalan raya.
- Ketidaksesuaian antara kekakuan material piezoelektrik dengan material perkerasan jalan.
- Detail yang kurang diketahui tentang perangkat ini dan jumlah penelitian yang dilakukan hingga saat ini tidak cukup untuk memanfaatkan sepenuhnya penggunaan perangkat ini.
Seperti yang dikatakan 'Kebutuhan adalah ibu dari penemuan', kebutuhan kami akan perangkat pemanen energi jejak karbon rendah yang bebas keramaian bahan piezoelektrik menjadi pusat perhatian lagi. Bagaimana bahan-bahan ini mengatasi keterbatasannya? Apakah kita sedang bergerak menuju masa depan di mana alih-alih mengkhawatirkan jumlah bahan bakar yang digunakan untuk bepergian, kita hanya akan bertanya-tanya tentang jumlah tenaga yang dihasilkan mobil kita? Bagaimana menurut anda? Ini pertanyaan untukmu, apa bahan piezoelektrik terbaik?
