Jika Anda pernah menggunakan pemantik rokok, mengalami USG medis di kantor dokter atau menyalakan kompor gas, Anda telah menggunakan piezoelektrik.
Bahan piezoelektrik adalah bahan yang memiliki kemampuan untuk menghasilkan muatan listrik internal dari tegangan mekanik yang diterapkan.Syaratpiezoadalah bahasa Yunani untuk "mendorong."
Beberapa zat alami di alam menunjukkan efek piezoelektrik. Ini termasuk:
- Tulang
- kristal
- Keramik tertentu
- DNA
- Sutra
- Dentin, dan masih banyak lagi.
Bahan yang menunjukkan efek piezoelektrik juga menunjukkan efek piezoelektrik terbalik (juga disebut efek piezoelektrik terbalik atau terbalik). Ituefek piezoelektrik terbalikadalah pembangkitan internal regangan mekanis sebagai respons terhadap medan listrik yang diterapkan.
Sejarah Bahan Piezoelektrik
Kristal adalah bahan pertama yang digunakan dalam eksperimen awal dengan piezoelektrik. Saudara-saudara Curie, Pierre dan Jacques, pertama kali membuktikan efek piezoelektrik langsung pada tahun 1880. Saudara-saudara memperluas pengetahuan kerja mereka tentang struktur kristal dan bahan piroelektrik (bahan yang menghasilkan muatan listrik sebagai respons terhadap perubahan suhu).
Mereka mengukur muatan permukaan kristal spesifik berikut:
- Gula tebu
- turmalin
- Kuarsa
- Batu topas
- Garam Rochelle (natrium kalium tartrat tetrahidrat)
Garam kuarsa dan Rochelle menunjukkan efek piezoelektrik tertinggi.
Namun, saudara-saudara Curie tidak memprediksi efek piezoelektrik terbalik. Efek piezoelektrik terbalik disimpulkan secara matematis oleh Gabriel Lippmann pada tahun 1881. Curie kemudian mengkonfirmasi efek dan memberikan bukti kuantitatif reversibilitas deformasi listrik, elastis dan mekanik dalam kristal piezoelektrik.
Pada tahun 1910, 20 kelas kristal alami di mana piezoelektrik terjadi sepenuhnya didefinisikan dan diterbitkan dalam Woldemar Voigt'sLehrbuch Der Kristallphysik. Tapi itu tetap menjadi bidang fisika yang tidak jelas dan sangat teknis tanpa aplikasi teknologi atau komersial yang terlihat.
Perang dunia I:Aplikasi teknologi pertama dari bahan piezoelektrik adalah detektor kapal selam ultrasonik yang dibuat selama Perang Dunia I. Pelat detektor terbuat dari transduser (perangkat yang mengubah dari satu jenis energi menjadi energi lain) dan jenis detektor yang disebut hidrofon. Transduser terbuat dari kristal kuarsa tipis yang direkatkan di antara dua pelat baja.
Keberhasilan luar biasa dari detektor kapal selam ultrasonik selama perang mendorong pengembangan teknologi perangkat piezoelektrik yang intens. Setelah Perang Dunia I, keramik piezoelektrik digunakan dalam kartrid fonograf.
Perang dunia II:Aplikasi bahan piezoelektrik maju secara signifikan selama Perang Dunia II karena penelitian independen oleh Jepang, Uni Soviet dan Amerika Serikat.
Secara khusus, kemajuan dalam pemahaman tentang hubungan antara struktur kristal dan aktivitas elektromekanis bersama dengan perkembangan lain dalam penelitian menggeser pendekatan ke arah piezoelektrik teknologi sepenuhnya. Untuk pertama kalinya, para insinyur mampu memanipulasi bahan piezoelektrik untuk aplikasi perangkat tertentu, daripada mengamati sifat bahan dan kemudian mencari aplikasi yang sesuai dari bahan yang diamati properti.
Perkembangan ini menciptakan banyak aplikasi yang berhubungan dengan perang dari bahan piezoelektrik seperti mikrofon super sensitif, perangkat sonar kuat, sonobuoy (kecil pelampung dengan kemampuan mendengarkan hidrofon dan transmisi radio untuk memantau pergerakan kapal laut) dan sistem pengapian piezo untuk silinder tunggal pengapian.
Mekanisme Piezoelektrik
Seperti disebutkan di atas, piezoelektrik adalah properti suatu zat untuk menghasilkan listrik jika tekanan seperti meremas, membungkuk atau memutar diterapkan untuk itu.
Ketika ditempatkan di bawah tekanan, kristal piezoelektrik menghasilkan polarisasi,P, sebanding dengan tegangan yang menghasilkannya.
Itupersamaan utama piezoelektrik adalah
P=d\times\text{stres}
dimanadadalah koefisien piezoelektrik, faktor unik untuk setiap jenis bahan piezoelektrik. Koefisien piezoelektrik untuk kuarsa adalah 3 × 10-12. Koefisien piezoelektrik untuk timbal zirkonat titanat (PZT) adalah 3 × 10-10.
Perpindahan kecil ion dalam kisi kristal menciptakan polarisasi yang diamati dalam piezoelektrik. Ini hanya terjadi pada kristal yang tidak memiliki pusat simetri.
Kristal Piezoelektrik: Daftar
Berikut ini adalah daftar kristal piezoelektrik yang tidak lengkap dengan beberapa deskripsi singkat tentang penggunaannya. Kami akan membahas beberapa aplikasi spesifik dari bahan piezoelektrik yang paling sering digunakan nanti.
Kristal alami:
- Kuarsa. Kristal stabil yang digunakan dalam kristal arloji dan kristal referensi frekuensi untuk pemancar radio.
- Sukrosa (gula meja)
- garam Rochelle. Menghasilkan tegangan yang besar dengan kompresi; digunakan pada mikrofon kristal awal.
- Batu topas
- turmalin
- Berlinit (AlPO4). Mineral fosfat langka yang secara struktural identik dengan kuarsa.
Kristal buatan:
- Gallium ortofosfat (GaPO4), analog kuarsa.
- Langasite (La3ga5SiO14), analog kuarsa.
Keramik piezoelektrik:
- Barium titanat (BaTiO3). Keramik piezoelektrik pertama kali ditemukan.
- Timbal titanat (PbTiO3)
- Timbal zirkonat titanat (PZT). Saat ini keramik piezoelektrik yang paling umum digunakan.
- Kalium niobate (KNbO3)
- Litium niobat (LiNbO3)
- Lithium tantalate (LiTaOTa3)
- Natrium tungstat (Na2WO4)
Piezokeramik bebas timah:
Bahan-bahan berikut dikembangkan sebagai tanggapan atas kekhawatiran tentang paparan lingkungan yang berbahaya terhadap timbal.
- Natrium kalium niobate (NaKNb). Bahan ini memiliki sifat yang mirip dengan PZT.
- Bismut ferit (BiFeO3)
- Natrium niobate (NaNbO3)
Bahan piezoelektrik biologis:
- Urat daging
- Kayu
- Sutra
- dentin
- Kolagen
Polimer piezoelektrik:Piezopolimer ringan dan berukuran kecil, sehingga semakin populer untuk aplikasi teknologi.
Polyvinylidene fluoride (PVDF) menunjukkan piezoelektrik yang beberapa kali lebih besar dari kuarsa. Ini sering digunakan di bidang medis seperti dalam penjahitan medis dan tekstil medis.
Aplikasi Bahan Piezoelektrik
Bahan piezoelektrik digunakan di berbagai industri, termasuk:
- Manufaktur
- Alat kesehatan
- Telekomunikasi
- Otomotif
- Teknologi informasi (TI)
Sumber daya tegangan tinggi:
- Pemantik rokok listrik. Saat Anda menekan tombol pada pemantik api, tombol tersebut menyebabkan palu kecil yang dibebani pegas memukul a kristal piezoelektrik, menghasilkan arus tegangan tinggi yang mengalir melintasi celah untuk memanaskan dan menyalakan and gas.
- Pemanggang gas atau kompor dan pembakar gas. Ini bekerja mirip dengan yang lebih ringan, tetapi pada skala yang lebih besar.
- Transformator piezoelektrik. Ini digunakan sebagai pengganda tegangan AC pada lampu neon katoda dingin.
Sensor Piezoelektrik
Transduser ultrasound digunakan dalam pencitraan medis rutin. SEBUAHtransduseradalah perangkat piezoelektrik yang bertindak sebagai sensor dan aktuator.Transduser ultrasonikmengandung elemen piezoelektrik yang mengubah sinyal listrik menjadi getaran mekanis (transmit mode atau komponen aktuator) dan getaran mekanis menjadi sinyal listrik (mode penerima atau sensor komponen).
Elemen piezoelektrik biasanya dipotong menjadi 1/2 dari panjang gelombang transduser ultrasound yang diinginkan.
Jenis lain dari sensor Piezoelektrik meliputi:
- Mikrofon piezoelektrik.
- Pickup piezoelektrik untuk gitar akustik-elektrik.
- gelombang sonar. Gelombang suara dihasilkan dan dirasakan oleh elemen piezoelektrik.
- Bantalan drum elektronik. Elemen mendeteksi dampak tongkat drumer pada bantalan.
- Akseleromiografi medis. Ini digunakan ketika seseorang berada di bawah anestesi dan telah diberikan relaksan otot. Elemen piezoelektrik dalam akseleromiograf mendeteksi gaya yang dihasilkan otot setelah stimulasi saraf.
Aktuator piezoelektrik
Salah satu kegunaan besar dari aktuator piezoelektrik adalah bahwa tegangan medan listrik yang tinggi sesuai dengan perubahan mikrometer kecil dalam lebar kristal piezoelektrik. Jarak mikro ini membuat kristal piezoelektrik berguna sebagai aktuator ketika diperlukan posisi objek yang kecil dan akurat, seperti pada perangkat berikut:
- Pengeras suara
- Motor piezoelektrik
- Elektronik laser
- Printer inkjet (kristal mendorong pengusiran tinta dari kepala cetak ke kertas)
- Mesin diesel
- daun jendela sinar-X
Bahan Cerdas
Bahan pintar adalah kelas bahan yang luas yang sifatnya dapat diubah dalam metode terkontrol dengan: stimulus eksternal seperti pH, suhu, bahan kimia, medan magnet atau listrik yang diterapkan, atau menekankan.Bahan pintar juga disebut bahan fungsional cerdas.
Bahan piezoelektrik sesuai dengan definisi ini karena tegangan yang diberikan menghasilkan tegangan dalam a bahan piezoelektrik, dan sebaliknya, penerapan tegangan eksternal juga menghasilkan listrik dalam bahan.
Bahan cerdas tambahan termasuk paduan memori bentuk, bahan halokromik, bahan magnetokalorik, polimer yang responsif terhadap suhu, bahan fotovoltaik, dan banyak lagi.