Kristal Piezoelektrik: Cara Tekanan Menghasilkan Listrik dan Kenapa Kuarsa Dipakai di Jam

Oleh Suhinar El · Seri Motor Academy: Listrik Dasar, Lesson 03: Listrik Arus (artikel 6 dari 7)

Tekan kristal tertentu, dan ia menghasilkan tegangan. Beri kristal yang sama tegangan, dan ia berubah bentuk. Dua arah, satu bahan. Sifat bolak-balik inilah yang membuat kristal piezoelektrik ada di dalam pemantik gas, mikrofon, sensor getaran, sampai pembersih ultrasonik yang mungkin ada di sudut bengkel Anda.

Tekanannya mekanis, keluarannya listrik. Dan arahnya bisa dibalik.

Tekanan Menjadi Tegangan

Bahan yang punya sifat ini bukan logam. Yang paling dikenal adalah kuarsa, lalu ada garam Rochelle, dan sekarang banyak dipakai keramik buatan seperti barium titanat.

Cara kerjanya begini. Di dalam kristal, atom-atomnya tersusun teratur dalam pola tertentu, dan saat kristal itu ditekan susunannya sedikit tergeser, sehingga muatan listrik di dalamnya tidak lagi seimbang antara satu sisi dengan sisi yang lain. Satu sisi jadi lebih positif, sisi lainnya lebih negatif.

Pasang pelat logam di dua sisi itu, hubungkan kawat, dan tegangannya bisa diukur. Sesederhana itu.

Dua hal yang perlu dicatat. Tegangannya bisa sangat tinggi, puluhan ribu volt pada pemantik gas, tetapi arusnya sangat kecil dan hanya muncul sesaat. Dan tegangannya hanya ada selama tekanannya berubah, bukan selama tekanannya ada. Tekan dan tahan, tegangannya muncul lalu hilang. Lepaskan, muncul lagi dengan arah berlawanan.

Sifat terakhir itu yang membuat kristal piezoelektrik cocok untuk benda bergetar dan tidak cocok untuk beban tetap.

Tegangan Menjadi Gerakan

Arah sebaliknya sama pentingnya, dan di sinilah kristal piezoelektrik jadi lebih dari sekadar sensor.

Beri kristal itu tegangan, dan ia sedikit berubah bentuk. Bolak-balikkan tegangannya dengan cepat, dan kristal itu bergetar mengikuti irama tegangannya.

Getaran itu bisa dipakai. Pada buzzer, getarannya menghasilkan suara, pada pembersih ultrasonik getarannya diteruskan ke dalam cairan lalu mengelupas kotoran dari permukaan benda, dan pada probe pengukur ketebalan getarannya dikirim ke dalam logam sebagai gelombang suara. Tiga alat, satu prinsip.

Dan karena kristal kuarsa bergetar pada frekuensi yang sangat stabil serta hampir tidak terpengaruh keadaan di sekelilingnya, benda ini juga dipakai sebagai penentu waktu, yang berarti isi kristal pada papan rangkaian digital dan isi jam kuarsa sebetulnya satu keluarga. Itu bukan kebetulan penamaan.

Di Mana Dipakai

Alat	Arah pemakaian	Yang terjadi
Pemantik gas	Tekanan ke tegangan	Pukulan pegas menekan kristal, muncul tegangan tinggi sesaat, timbul bunga api
Mikrofon kristal	Tekanan ke tegangan	Gelombang suara menekan kristal, keluar sinyal listrik
Sensor getaran	Tekanan ke tegangan	Getaran mesin menghasilkan sinyal yang bisa dianalisis
Buzzer	Tegangan ke gerakan	Tegangan bolak-balik membuat kristal bergetar dan berbunyi
Pembersih ultrasonik	Tegangan ke gerakan	Getaran kristal diteruskan ke cairan dan melepas kotoran
Kristal osilator	Tegangan ke gerakan	Kuarsa bergetar pada frekuensi stabil sebagai penentu waktu

Perhatikan pembagiannya. Tiga teratas memanfaatkan kristal sebagai penghasil sinyal, tiga terbawah memanfaatkannya sebagai penggerak.

Bahan yang sama, dua pemakaian yang berlawanan arah.

Sudut Pandang Workshop

Di bengkel servis motor listrik, kristal piezoelektrik paling berguna dalam bentuk sensor getaran, dan inilah alat yang paling sering diabaikan padahal paling banyak bercerita.

Alasannya sederhana. Kerusakan mekanis hampir selalu mengubah pola getaran lebih dulu sebelum ia mengubah suhu atau arus, sehingga getaran menjadi gejala yang paling dini muncul, dan bearing yang mulai cacat, kopling yang tidak sejajar, rotor yang tidak seimbang, serta baut dudukan yang longgar semuanya meninggalkan jejaknya di sana.

Yang membuat analisis getaran menolong bukan besar angkanya, melainkan di frekuensi mana energinya muncul. Ketidakseimbangan rotor menonjol pada frekuensi putaran motor. Ketidaksejajaran kopling menonjol pada dua kali frekuensi putaran. Kerusakan bearing muncul di frekuensi yang jauh lebih tinggi dan khas untuk tiap bagian bearingnya. Jadi satu alat yang sama bisa membedakan empat penyebab yang berbeda, kalau yang dibaca bukan cuma angka totalnya.

Satu hal praktis soal pemasangan sensornya. Sensor piezoelektrik harus menempel kaku pada rumah bearing, bukan pada tutup kipas atau pelat penutup yang ikut bergetar sendiri. Dipasang di tempat yang salah, yang terbaca adalah getaran pelatnya, bukan getaran bagian yang ingin diperiksa. Dan jangan dipegang dengan tangan sambil diukur, karena tangan menyerap getaran dan hasilnya tidak bisa dibandingkan dengan pengukuran sebelumnya.

Soal yang lebih sepele tapi sering: pemantik gas. Kalau pemantik di bengkel tidak mau memercik padahal masih terasa mengklik, biasanya kristalnya masih sehat dan yang bermasalah justru jarak celah elektrodanya atau kabelnya yang lepas. Jangan langsung dibuang, periksa dulu dua hal itu.

Cek Pemahaman

1. Apa yang terjadi kalau kristal piezoelektrik ditekan?
   Jawaban: muncul tegangan di dua sisinya.
2. Apa yang terjadi kalau kristal itu diberi tegangan?
   Jawaban: ia berubah bentuk, dan kalau tegangannya bolak-balik ia bergetar.
3. Sebutkan tiga bahan piezoelektrik.
   Jawaban: kuarsa, garam Rochelle, dan keramik buatan seperti barium titanat.
4. Kenapa kristal piezoelektrik tidak cocok mengukur beban tetap?
   Jawaban: karena tegangannya hanya muncul selama tekanannya berubah, bukan selama tekanannya ada.
5. Kenapa kuarsa dipakai sebagai penentu waktu?
   Jawaban: karena getarannya sangat stabil frekuensinya.

Baca Juga

• Termokopel dan Termopile: Cara Kerja Sensor Suhu
• Sel Surya, Sel Foto, dan Optoisolator
• Elektromagnetisme Dasar Motor dan Generator
• 6 Cara Menghasilkan Listrik

Ringkasan

• Kristal piezoelektrik menghasilkan tegangan saat ditekan.
• Kristal yang sama berubah bentuk saat diberi tegangan.
• Bahannya antara lain kuarsa, garam Rochelle, dan keramik barium titanat.
• Tekanan menggeser susunan atomnya sehingga muatannya tidak lagi seimbang.
• Tegangannya bisa sangat tinggi tetapi arusnya kecil dan sesaat.
• Tegangan hanya muncul selama tekanannya berubah, bukan selama tekanannya ada.
• Arah tekanan ke tegangan dipakai pada pemantik gas, mikrofon, dan sensor getaran.
• Arah tegangan ke gerakan dipakai pada buzzer, pembersih ultrasonik, dan probe ultrasonik.
• Kuarsa bergetar pada frekuensi stabil sehingga dipakai sebagai penentu waktu.
• Sensor getaran harus menempel kaku pada rumah bearing, bukan pada pelat penutup.

Pertanyaan yang Sering Muncul

Apa itu efek piezoelektrik?

Efek piezoelektrik adalah sifat bahan tertentu yang menghasilkan tegangan listrik ketika ditekan atau ditarik secara mekanis, dan sebaliknya berubah bentuk ketika diberi tegangan listrik. Sifat ini bekerja dua arah pada bahan yang sama, sehingga satu jenis kristal bisa dipakai sebagai sensor yang menghasilkan sinyal maupun sebagai penggerak yang menghasilkan getaran.

Bahan apa yang bersifat piezoelektrik?

Bahan piezoelektrik yang paling dikenal adalah kuarsa, menyusul garam Rochelle, dan sekarang banyak dipakai keramik buatan seperti barium titanat. Yang menjadikannya bersifat demikian adalah susunan atomnya yang teratur dalam pola tertentu, sehingga pergeseran kecil akibat tekanan membuat muatan di dalamnya tidak lagi seimbang antara satu sisi dan sisi lainnya.

Kenapa pemantik gas bisa memercik tanpa baterai?

Karena di dalamnya ada kristal piezoelektrik yang dipukul oleh pegas ketika tombolnya ditekan, dan pukulan itu menghasilkan tegangan sangat tinggi dalam waktu sangat singkat. Tegangan sebesar itu cukup untuk melompati celah antara dua elektrode dan menghasilkan bunga api, meskipun arusnya sangat kecil dan hanya muncul sesaat, sehingga tidak dibutuhkan baterai sama sekali.

Kenapa kristal piezoelektrik tidak bisa mengukur beban tetap?

Karena tegangan yang dihasilkannya hanya muncul selama tekanannya berubah dan bukan selama tekanannya ada, sehingga menekan lalu menahannya hanya menghasilkan satu lonjakan tegangan yang langsung hilang. Untuk beban yang nilainya tetap diperlukan sensor jenis lain, sedangkan kristal piezoelektrik justru paling cocok untuk benda yang bergetar atau tekanan yang berubah cepat.

Kenapa jam disebut jam kuarsa?

Karena di dalamnya ada potongan kristal kuarsa yang diberi tegangan bolak-balik sehingga bergetar, dan frekuensi getaran kuarsa itu sangat stabil serta hampir tidak terpengaruh perubahan di sekelilingnya. Getaran yang stabil itu dipakai sebagai patokan waktu, dan prinsip yang sama juga dipakai pada kristal osilator di papan rangkaian digital.

Sumber

• TPC Training, Basic Electricity and Electronics, Course 201, Lesson 3, bagian Other Sources of Electricity, subbagian Electricity from Pressure (modul internal Motor Academy).
• Kunci kuis modul: kristal yang menghasilkan tegangan saat ditekan disebut kristal piezoelektrik.
• Praktik analisis getaran pada pemeliharaan motor listrik di bengkel.