intan purwasih

8/16/2019 Intan Purwasih

1/79

1

RANCANG BANGUN SUMBER ENERGI TERBARUKAN

SECARA HYBRID (KUMPARAN DAN BAHAN

PIEZOELEKTRIK PVDF) DENGAN MEMANFAATKAN

CANTILEVER SEBAGAI PENGGETAR

Disusun oleh :

INTAN PURWASIH

M 0206045

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Juli, 2010


2/79

2

HALAMAN PENGESAHAN

Skripsi ini dibimbing oleh:

Pembimbing I

Ir. Ari Handono R, M.Sc., Ph.D.

NIP. 19610223 198601 1 001

Pembimbing II

Drs. Iwan Yahya, M.Si.

NIP. 19670730 199302 1 001

Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada:

Hari : Senin

Tanggal : 5 Juli 2010

Anggota Tim Penguji:

1. Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si., M.Si. (.................................)

NIP. 19731109 200003 1 001

2. Drs. Cari, MA., Ph.D. (.................................)

NIP. 19610306 198503 1 001

Disahkan Oleh

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta

Dekan FMIPA UNS

Prof. Drs. Sutarno, M.Sc., Ph.D.

NIP. 19600809 198612 1 001

Ketua Jurusan Fisika

Drs. Harjana, M.Si., Ph.D.

NIP. 19590725 198601 1 001


3/79

3

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “Rancang

Bangun Sumber Energi Terbarukan Secara Hybrid (Kumparan dan Bahan

Piezoelektrik PVDF) dengan Memanfaatkan Cantilever sebagai Penggetar”

belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan

tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau

dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini

dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Surakarta, 21 Juli 2010

Intan Purwasih


4/79

4

MOTTO

“Dengan ilmu kehidupan akan menjadi mudah, dengan seni

kehidupan akan menjadi indah, dan dengan agama kehidupan

akan menjadi terarah” (H.A Mukti Ali)

“Bermimpilah, karena Tuhan akan memeluk mimpi -mimpi itu”

(Arai)

“Semua akan berlalu dengan waktu, tapi dapatkanlah

kepuasan dari semua itu” (penulis)


5/79

5

PESEMBAHAN

Karya kecilku ini aku persembahkan teruntuk:

Ayah Ibu tercinta

i’ll be d’ best 4 u

Acik dan Pahan i love u so much

Ari beruang maduku hm?love u ajah

Sahabat i very proud of u


6/79

6

RANCANG BANGUN SUMBER ENERGI LISTRIK TERBARUKAN

DECARA HYBRID (KUMPARAN DAN BAHAN PIZOELEKTRIK PVDF)

DENGAN MEMANFAATKAN CANTILEVER SEBAGAI PENGGETAR

Intan Purwasih

Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret

[email protected]

ABSTRAK

Penelitian ini dilakukan untuk memaksimalkan fungsi sistem cantileverdalam menghasilkan energi listrik. Sumber energi yang digunakan adalah bahan

piezoelektrik dan kumparan. Dari sistem cantilever, bahan piezoelektrik diberi

variasi frekuensi dan beban cantilever sedangkan kumparan diberi variasi

frekuensi masuknya magnet, jumlah lilitan dan besarnya medan magnet. Hasilnya,

frekuensi dn pemberian beban pada sistem cantilever sebanding dengan tegangan

yang dihasilkan oleh bahan piezoelektrik dan kumparan sedangkan jumlah lilitan

dan medan magnet sebanding dengan tegangan yang dihasilkan oleh kumparan.

Kata kunci: sistem cantilever, frekuensi, bahan piezoelektrik, kumparan, magnet,

jumlah lilitan

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]


7/79

7

HYBRID ENERGY RENEWABLE RESOURCE (COIL AND PVDF

PIEZOELECTRIC MATERIAL) DESIGN BY UTILIZING CANTILEVER

AS A VIBRATOR

Intan Purwasih

Departement of Physics, Mathematics and Natural Sciences Faculty,

Sebelas Maret University

[email protected]

ABSTRACT

This research designed to maximize the function of cantilever system to

generating electrical energy. The source of energy is the piezoelectric material and

the coil. The cantilever system is given by the variation frequency and increase of

beam of the piezoelectric material and the load coil given frequency variation

while the entry of the magnet, the number of windings and magnetic field

magnitude. The result, the frequency and increase of beam of the cantilever

system is proportional with generated voltage by piezoelectric materials and the

coil while the number of windings and the magnetic field is proportional to the

voltage generated by the coil.

Keywords: cantilever system, frequency, piezoelectric materials, coils, magnets,

number of windings

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]


8/79

8

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum wr. wb.

Puji syukur Alhamdulillah kehadirat Alloh SWT atas limpahan rahmat dan

karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul

“R ancang Bangun Sumber Energi Terbarukan Secara Hybrid (Kumparan dan

Bahan Piezoelektrik PVDF) dengan Memanfaatkan Cantilever sebagai

Penggetar”. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam menyelesaikan skripsi

ini penulis melibatkan bantuan dari banyak pihak. Oleh karena itu, dalam

kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada:

1. Bapak Prof. Drs. Sutarno, M.Sc., Ph.D. selaku Dekan FMIPA Universitas

Sebelas Maret.

2. Bapak Drs. Harjana, M.Si., Ph.D. selaku ketua jurusan Fisika FMIPA

Universitas Sebelas Maret.

3.

Bapak Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph.D. selaku dosen pembimbing I,

yang telah memberikan bimbingan selama penelitian, memberi motivasi, bimbingan, saran serta kesabaran dalam penyusunan skripsi.

4.

Bapak Iwan Yahya, S.Si., M.Si. selaku Pembimbing II yang telah memberikan

kesabaran, bimbingan dan saran dalam penyusunan skripsi.

5. Bapak Mohtar Yunianto, M.Si., selaku pembimbing akademik, terima kasih

atas semuanya.

6. Ayah ibu dan seluruh keluarga tercinta terima kasih atas dukungan moral dan

material yang tak terkirakan.

7.

Arie Beruang maduku, terima kasih atas semuanya, terutama mau

mendengarkan semua keluh kesah sampai kegembiraanku.

8. Bapak Fendi Aji P., S.Si, Mas David, Mas Danang, Mas Aris, Fuad, Ismail

terima kasih atas semua bantuannya.

9. Sahabatku: Anis, Astri Souljah, Bec Ty, Mahmudah Fariz, Mentari Laila

Nugroho, tiada hari terindah di Solo selain dengan kalian.


9/79

9

10. Temen-temenku tercinta fisika 2006, etin, galuh&nurul(wah, lu2s duluan),

sarroh, mbk yuli, mb anik, cia, herna, diah, eka, ike, mb sofi, bundo, yanti,

rahma, herlina, fajri, defi, ryanti, mb lesti, mbk leti, widi, novi, siska, yovita,

hasto, fatoni, sigit, nanang, toriq, dewan, muklis, agus d2, udin, hsbr, chris,

terima kasih atas semua dukungan, bantuan, dan semangatnya.

11.

Adik-adikku angkatan 2007, 2008 dan 2009.

12. Temen-temen kost Dewi Sumbi, ulva, ninuk, dinah, mita, tyas, novi, via, sari,

terima kasih semangatnya.

13. Dan semua pihak yang tidak mungkin disebutkan satu persatu sehingga skripsi

ini dapat terselesaikan. Semoga Alloh memberikan keberkahan dan

mencatatnya sebagai amalan yang baik, Amiin.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa struktur maupun isi penulisan

skripsi ini jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis menerima kritik dan

saran yang bersifat membangun demi kesempurnaannya. Semoga dapat

menjadikan manfaat.

Wassalamu’alaikum wr. Wb

Surakarta, 21 Juli 2010

Intan Purwasih


10/79

10

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ............................................................................ i

HALAMAN PENGESAHAN .............................................................. ii

HALAMAN PERNYATAAN ............................................................ iii

HALAMAN ABSTRAK ...................................................................... iv

HALAMAN ABSTRCT ...................................................................... v

PERSEMBAHAN ................................................................................ vi

KATA PENGANTAR ......................................................................... vii

DAFTAR ISI ........................................................................................ x

DAFTAR TABEL ................................................................................ xii

DAFTAR GAMBAR ........................................................................... xii

DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................

BAB I. PENDAHULUAN ................................................................... 1

I.1. Latar Belakang Masalah .................................................. 1

I.2. Perumusan Masalah ......................................................... 2

I.3. Batasan Masalah .............................................................. 3

I.4. Tujuan Penelitian ............................................................. 3

I.5. Manfaat Penelitian ........................................................... 3

I.6. Sistematika Penulisan ...................................................... 4

BAB II. KAJIAN PUSTAKA .............................................................. 5

2.1. Bahan Piezoelektrik ....................................................... 5

2.1.1. Aplikasi Bahan Piezoelektrik ................................ 10

2.1.2. PVdF ..................................................................... 11

2.2. Gerakan Selaras Sederhana ............................................. 122.3. Cantilever ........................................................................ 15

2.3.1. Karakteristik Cantilever ........................................ 15

2.4. Induksi elektromagnetik.................................................. 16

2.4.1. Percobaan Faraday ................................................ 17

2.4.2. Hukum Lenz ......................................................... 19

2.5. Pengukuran simpangan .................................................. 20

2.5.1. Sensor GP2D12 ..................................................... 21


11/79

11

2.5.2. Mikrokontroler ...................................................... 22

2.5.3. ADC 0804 ............................................................. 23

2.5.4. Perangkat Lunak Pengukur Simpangan ................ 23

2.5.5. Komponen Serial Port untuk Delphi .................... 23

BAB III METODOLOGI PENELITIAN............................................. 25

3.1 Metode Penelitian .......................................................... 25

3.1 Tempat dan Waktu Penelitian........................................ 25

3.3. Alat dan Bahan ............................................................. 25

3.4. Rancangan Alat............................................................. 26

3.5 Tahapan penelitian ........................................................ 27

3.5.1. Pembuatan Pulley ............................................... 27

3.5.2. Pembuatan Sistem Cantilever ............................. 28

3.5.3. Pembuatan Kumparan ........................................ 29

3.5.4. Kalibrasi Sensor Simpangan............................... 29

3.5.5. Pengujian Kinerja Kumparan dan PVdF ............ 30

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .................... 32

4.1. Kalibrasi Sensor Simpangan ......................................... 32

4.2. Magnet .......................................................................... 33

4.2.1. Massa Magnet ..................................................... 33

4.2.1. Medan Magnet .................................................... 34

4.3. Cantilever ..................................................................... 34

4.3.1. Penentuan Frekuensi ........................................... 35

4.4. Pengujian Kinerja Bahan Piezoelektrik ........................ 38

4.5. Pengujian Kinerja Kumparan ...................................... 40

4.5.1. Pengujian Kinerja kumparan dengan 12 Magnet 404.5.2. Pengujian Kinerja kumparan dengan 10 Magnet 41

4.5.3. Pengujian Kinerja kumparan dengan 8 Magnet . 41

BAB V ............................................................................................. 44

5.1. Kesimpulan .................................................................. 44

5.2. Saran ............................................................................ 44

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................... 45

LAMPIRAN-LAMPIRAN ................................................................... 46


12/79

12

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Pengukuran massa magnet .......................................................... 33

Tabel 4.2 Pengukuram medan magnet ........................................................ 34

Tabel 4.3 Data jumlah lilitan dan tegangan yang dihasilkan

untuk 12 magnet ........................................................................ 43


13/79

13

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Piezoelektrik dalam menghasilkan energi listrik .................... 4

Gambar 2.2 Pembangkit listrik dari magnet dan Pembangkit

listrik dari piezoelektrik ......................................................... 5

Gambar 2.3 Proses pengutuban, (a) sebelum pengutuban,

(b) menghasilkan tegangan meskipun elektroda

berada di atas suhu Curie, (c) menghilangkan

tegangan dan mendingin (cold down) .................................... 5

Gambar 2.4 Gaya pada arah 1 dan elektroda pada permukaan 3 ................ 6

Gambar 2.5 Arah elektroda pada permukaan 1 dan memotong

tekanan ( stress) ...................................................................... 7

Gambar 2.6 Penampang material piezoelektrik dalam arah gaya

pada arah (3) dan permukaan (3) ........................................... 7

Gambar 2.7 Material piezoelektrik dengan kondisi tekanan yang

kompleks ................................................................................ 8

Gambar 2.8 Hubungan antara tegangan, arah pengutuban dan gaya ......... 9

Gambar 2.9 Koordinat polarisasi material piezo ....................................... 10

Gambar 2.10 Struktur PVDF ....................................................................... 11

Gambar 2.11 Struktur rantai PVDF ............................................................. 11

Gambar 2.12 Struktur ikatan kimia yang mengalami defect ....................... 12

Gambar 2.13 Gerak akibat gaya pemilih elastik .......................................... 14

Gambar 2.14 Gelombang yang muncul dari defleksi cantilever .................. 16

Gambar 2.15 Iduksi elektromagnet Faraday ................................................ 18Gambar 2.16 Induksi gaya gerak listrik memotong garis gaya ................... 20

Gambar 2.17 Software pengukur simpangan ............................................... 21

Gambar 2.18 Grafik hasil pengujian GP2D12 ............................................. 22

Gambar 3.1 Rancangan penelitian ............................................................. 26

Gambar 3.2 Diagram penelitian ................................................................. 27

Gambar 3.3 Pulley yang digunakan sebagai penggetar cantilever............. 28

Gambar 3.4 Sistem cantilever dengan statif............................................... 28


14/79

14

Gambar 3.5 Bagan dalam dalam variasi frekuensi .................................... 29

Gambar 3.6 Kalibrasi sensor simpangan.................................................... 30

Gambar 3.7 Bagan pengambilan data ....................................................... 31

Gambar 4.1 Grafik kalibrasi simpangan dan waktu ................................... 32

Gambar 4.2 Koreksi grafik simpangan Vs waktu ...................................... 35

Gambar 4.3 Grafik penentuan frekuensi dengan pemberian tegangan

Pada motor 200 V dan jumlah magnet 12 .............................. 36

Gambar 4.4 Grafik Penentuan frekuensi dengan pemberian

tegangan pada motor 160 V dan jumlah magnet 12 ............... 37

Gambar 4.5 Hubungan frekuensi dengan tegangan PVDF pada

variasi penmbahan beban cantilever ...................................... 38

Gambar 4.6 Stress dan pemampatan yang dialami cantilever ................... 39

Gambar 4.7 Pengujian kinerja kumparan dengan 12 magnet .................... 41

Gambar 4.8 pengujian kinerja kumparan dengan 10 magnet..................... 42

Gambar 4.9 Pengujian kinerja kumparan dengan 8 magnet ...................... 42


15/79

15

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1 Data kalibrasi sensor simpangan ............................................ 42

Lampiran 2 Pengukuran massa dan medan magnet ................................... 48

Lampiran 3 Penentuan frekuensi ............................................................... 52

Lampiran 4 Tabel hasil pengujian kinerja bahan piezoelektrik ................. 62

Lampiran 5 Tabel hasil pengujian kinerja kumparan ................................ 63

Lampiran 6 Data sheets bahan piezoelektrik yang digunakan

dalam penelitian ..................................................................... 64


16/79

16

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.

Latar Belakang Masalah

Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan vital dalam pembangunan

ekonomi dan pembangunan sosial, karena dengan adanya listrik yang memadai,

aman, dan terjangkau merupakan faktor penting dalam pergerakan ekonomi rakyat

yang dapat mempengaruhi taraf hidup masyarakat. Adanya energi listrik tidak

lepas dari pembangunan sumber energi listrik, baik yang berasal dari fosil, gas,

air, nuklir dan angin. Hampir semua kebutuhan konsumsi listrik dipenuhi dari

pembangkit listrik yang menggunakan sumber dari fosil yang merupakan sumber

energi yang tak terbarukan (EET), sedangkan pemenuhan dari sumber energi

listrik yang terbarukan (ET) belum optimal karena belum kompetitif dibandingkan

dengan sumber energi konvensional minyak dan gas bumi.

Tentu terdapat kelebihan dan kekurangan dari masing-masing sumber

energi listrik dan juga kesediaannya di alam. Sumber energi tak terbarukan yang

berasal dari fosil ketersediaan di alam sudah semakin menipis, karena terus

menerus dieksploitasi. Sehingga perlu adanya sumber tenaga listrik yang baru

untuk memenuhi kebutuhan baik dalam skala kecil maupun dalam skala besar.

Permasalahan energi yang ada adalah bagaimana cara menggantikan sumber

bahan bakar fosil dengan sumber energi yang baru dan terbarukan dan ramah

lingkungan. Pengupayaan energi alternatif tersebut dapat membantu dalam

memenuhi asupan energi listrik dan mengurangi dampaknya, misalnya pemanasan

global yang akan memperluas penipisan ozon karena sumber energi fosil juga

menghasilkan CO2.Pembangkit listrik yang sudah ada merupakan pembangkit yang

disediakan khusus untuk menghasilkan listrik. Akan lebih efektif jika dapat

membangkitkan energi listrik dengan memanfaatkan energi yang terbuang.

Energi-energi yang tidak terpakai bahkan tidak diinginkan dapat dijadikan sumber

energi listrik dengan cara mengkonversikannya. Salah satu energi yang belum

termanfaatkan ialah energi getaran. Energi getaran sering tidak diinginkan karena

dapat menimbulkan bising. Energi getaran dapat dikonversikan ke energi listrik


17/79

17

dengan berbagai cara, misalnya dengan pemanfaatan kumparan dan bahan

piezoelektrik.

Kumparan dapat menghasilkan listrik jika terjadi perubahan fluks dan

energi getaran dapat memicu perubahan fluks. Sedangkan bahan piezoelektrik

mempunyai kemampuan sebagai mekanisme tranformasi energi mekanik yang

umumnya berasal dari getaran menjadi energi listrik, sehingga dapat digunakan

sebagai sumber energi (Sodano dkk, 2005). Piezoelektrik merupakan bahan yang

mempunyai kemampuan untuk menghasilkan energi untuk menghasilkan energi

listrik dengan efisiensi konversi energi yang tinggi (Swallow dkk. , 2008).

Sistem yang ada sekarang ialah pembangkit listrik bahan piezoelektrik

dengan cantilever , tapi akan lebih efektif jika dalam satu sistem terdapat lebih dari

satu sumber energi. Cantilever yang bergetar dapat menggerakkan magnet yang

masuk ke dalam kumparan, sehingga terjadi perubahan fluks magnetik, demikian

juga cantilever memberikan defleksi pada bahan piezoeketrik sehingga terjadi

polarisasi muatan dan dapat menghasilkan listrik. Dengan demikian dalam satu

sistem cantilever terdapat dua sumber energi listrik yaitu dari kumparan dan

bahan piezoelektrik. Banyak hal yang dapat mempengaruhi keduanya dalam

menghasilkan listrik, salah satunya sistem cantilever . Dari sistem cantilever dapat

dipelajari defleksi dan frekuensi yang diberikan terhadap tegangan yang

dihasilkan oleh kumparan dan bahan piezoelektrik. Dengan mengetahui apa saja

yang berpengaruh, maka dapat mengoptimalkan produksi listrik untuk ke

depannya.

1.2. Perumusan Masalah

Kumparan dan bahan piezoelektrik dapat digunakan untuk menghasilkanlistrik dengan memanfaatkan defleksi cantilever . Namun, bagaimana merancang

kumparan dan bahan piezoelektrik agar mendapatkan energi listrik pada saat yang

bersaaman. Dari rancangan tersebut dapat diketahui apa saja yang dapat

mempengaruhi dalam menghasilkan energi listrik.


18/79

18

1.3. Batasan Masalah

Permasalahan yang dibatasi dalam penelitian ini adalah:

1.

Pengukuran defleksi cantilever dengan menggunakan sensor inframerah.

2.

Cantilever terbuat dari bahan stainless steal.

3. Kumparan yang digunakan dengan diameter kawat 0,25 mm dan jumlah

lilitan 600, 800, 1000,1200.

4. Jumlah lilitan, magnet dan frekuensi cantilever dikaji dalam hubungan

antara tegangan yang dihasilkan oleh kumparan.

1.4. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian yang dilakukan adalah :

1. Mengetahui hubungan defleksi sistem cantilever terhadap tegangan yang

dihasilkan oleh kumparan dan bahan piezoelektrik.

2. Mengetahui hubungan tegangan yang dihasilkan kumparan dengan jumlah

lilitan dan medan magnet.

1.5. Manfaat Penelitian

Manfaat dalam penelitian ini diantaranya:

1. Dapat memberikan data sehingga memperoleh hubungan antara defleksi

cantilever terhadap tegangan yang dihasilkan kumparan dan bahan

piezoelektrik.

2. Dapat mengaplikasikan alat simpangan yang mengoptimalkan fungsi kerja

komputer.

3. Dapat mengaplikasikan kumparan dan bahan piezoelektrik dalam

menghasilkan energi listrik pada sistem lainnya.


19/79

19

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan skripsi ini disusun berdasarkan sistematika sebagai

berikut:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan tetang latar berlakang masalah, perumuasan masalah,

batasan masalah, tujuan penelitian, manfaaat penelitian dan sistematika penulisan

skripsi.

BAB II : KAJIAN PUSTAKA

Bab ini memaparkan tentang dasar-dasar teori yang menunjang penelitian,

diantaranya teori tentang bahan piezoelektrik, gerak selaras sederhana, cantilever ,

induksi elektromagnetik, pengukuran simpangan.

BAB III : METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini meliputi tempat melaksanan penelitian dan menguraikan

perancangan alat serta tahapan penelitian.

BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini membahas kalibrasi sensor simpangan, magnet, cantilever ,

pengujian kumparan, pengujian bahan piezoelektrik.

BAB V : KESMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan dari keseluruhan pengerjaan proyek akhir

penulisan skripsi serta saran-saran untuk pengembangan berikutnya.


20/79

20

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1. Bahan Piezoelektrik

Jacques dan Currie menemukan fenomena piezoelektrik pada tahun 1880,

yang mana piezoelektrik merupakan katagori material yang mempunyai sifat unik.

Penerapan stress pada kristal piezoelektrik akan membangkitkan listrik karena

terjadi polarisasi muatannya.

Gambar 2.1. Piezoelektrik dalam menghasilkan energi listrik

Contoh bahan piezoelektrik alami adalah quartz , yang merupakan bahan

piezoelektrik yang paling stabil, sedangkan bahan piezoelektrik buatan contohnya

lead zirconate titanate (PZT) dan polyvinylidene frouride (PVdF). Kemungkinan

hampir semua bahan piezoelektrik berupa polymer (PVdF) dan keramik (PZT).

Material dari polymer bersifat lentur dan fleksibel, sehingga mempunyai

dielektrik rendah daripada keramik. Piezoelektrik keramik monolitik bersifatkaku, berat dan dihasilkan dalam bentuk balok, sehingga terdapat penambahan

massa dan kekakuan struktur.

Pembangkit listrik magnetik dan piezoelektrik mempunyai prinsip kerja

yang hampir sama (kim, 2002). Pembangkit listrik dari magnet menggunakan

energi mekanik untuk diubah menjadi medan magnet. Perubahan medan magnet

menghasikan gaya untuk menggerakkan elektron bebas. Dalam membangkit

Domain piezoelektrik

Elekroda

Gaya

Regangan

TeganganPiezoelektrik

Elekroda

Tegangan


21/79

21

listrik piezoelektrik, elektron bebas bergerak dengan mengubah medan listrik

yang berada di dalam kristal.

Gambar 2.2. Prinsip kerja pembangkit listrik dari magnet dan pembangkit listrik

dari piezoelektrik (Kim, 2002)

Pada piezoelektrik keramik, adanya properti dielektrik menjadi sesuatu

yang penting. Posisi muatan tidak berada di tengah kristal, membuat perubahan

kutub. Arah dari tengah ke muatan positif dinamakan arah pengutuban ( poling

direction) dan secara umum ialah distribusi keseluruhan secara acak dari

polykristal piezoelektrik, yang ditunjukkan pada Gambar (2.3.) arah pengutuban

ini dapat dimodifikasi dengan panas dan kondisi tegangan. Kristal piezoelektrik

mempunyai karakteristik suhu, yang dikenal dengan suhu Curie. Biasanya bahan

piezoelektrik mempunyai spesifikasi suhu Curie masing-masing. Sesekali ada

bahan piezoelektrik yang dipanaskan di atas suhu Curie, sehingga akan

kehilangan polarisasinya dan arah pengutuban baru akan muncul sebagai aplikasi

dari tegangan yang dihasilkan material piezoelektrik. Arah pengutuban muncul

kemudian menghasilkan tegangan.

Gambar 2.3. Proses pengutuban, (a) sebelum pengutuban, (b) menghasilkan

tegangan meskipun elektroda berada di atas suhu Curie, (c) menghilangkan

tegangan dan mendingin (cold down) (Kim, 2002).

Arah pengutuban menjadi properti yang sangat penting pada material

piezoelektrik, karena tegangan yang dihasilkan bergantung pada arah pengutuban,

hubungan input-output muatan. Hubungan yang paling penting pada material

piezoelektrik dalam menghasilkan energi listrik ialah antara tekanan ( stress) dan

Rotasi

Gaya

a b c


22/79

22

muatan (charge) dan pemberian konstanta peizoelektrik (d ). Nilai d ialah

konstanta yang diberikan pada keadaan statis. Untuk keadaan statis, rangkaian

terbuka pembangkit tegangan berada dalam hubungan:

Dij=d ijk lk ....(2.1)

dengan D ialah muatan listrik per area (C/m2), merupakan pemberian tekanan

( stress) (N/m2) dan d ialah konstanta piezoelektrik (C/N). Ketika tekanan ( stress)

mengarah secara logitudinal dari sistem, hubungan di atas dapat dituliskan sebagai

berikut:

D3=d 31 11 ....(2.2)

Untuk indeks pertama menunjukkan permukaan, sedangkan indeks kedua

menunjukkan arah yang ditemukan dalam elastisitas ketentuan umum indeks.

Untuk konstanta piezoelektrik, indeks pertama menunjukkan arah pengutuban (P)

dan indeks yang kedua menunjukkan arah gaya atau medan yang diberikan.

Sehingga, indeks dari D menunjukkan arah permukaan dari elektroda. D3 berarti

muatan mengumpul pada elektroda-elektroda, mereka menutupi permukaan

material piezoelektrik normal pada arah 3 yang dapat ditunjukkan pada Gambar

(2.4.).

Gambar 2.4. Gaya pada arah 1 dan elektroda pada permukaan 3 (Kim, 2002)

Secara umum material piezoelektrik (4 mm dan 6 mm untuk kelas kristal)

mempunyai 5 konstant a piezoelektrik (d ) yaitu d 31, d 32, d 33, d 15, d 24, semua

sisanya berharga nol. Konstanta d31 sama dengan konstanta d 32 dan konstanta d 15

sama dengan konstanta d 24. sehingga hanya ada 3 distrik konstanta piezoelektrik.

Besarnya hubungan diantara konstanta ialah d 15>d 33>d 31. Secara umum material

piezoelektrik d 33 dua kali lebih besar dibandingkan d 31 dan d 15 lima kali lebih

besar dari d 31. Bahkan meskipun d 15 merupakan jumlah yang terbesar, yang

berarti 5 gaya memotong dapat menghasilkan energi lebih daripada pemberian

1

3

P

Elektroda

Elektroda


23/79

23

gaya, arah 15 ini ialah memotong tekanan ( stress) yang ditunjukkan pada Gambar

(2.5) yang sangat sulit untuk merealisasikan dalam struktur yang sebenarnya.

D3=d 15 13 ....(2.3)

Gambar 2.5. Arah elektroda pada permukaan 1 dan memotong tekanan

( stress) (Kim, 2002).

Dan selanjutnya jumlah yang paling besar ialah pada arah d 33 tetapi sangat

sulit untuk diaplikasikan dalam struktur yang sebenarnya.

Gambar 2.6. Penampang material piezoelektrik dalam arah gaya pada arah (3) dan

permukaan (3) (Kim, 2002 ).

Dalam struktur yang sebenarnya, keadaan tekanan ( stress) konstan yang

digambarkan pada Gambar (2.4) sampai (2.6) ialah jarang terjadi. Jika distribusi

tekanan ( stress) tidak konstan, maka distribusi elektriknya juga tidak akan

konstan. Sebagai contoh, mempertimbangkan konsisi tekanan dalam Gambar

(2.7.) tekanan terdapat pada elektroda yang lebih atas (upper), sementara

pengembangan terdapat pada lapisan bawah (lower) elektroda.

Gambar 2.7. Material piezoelektrik dengan kondisi tekanan ( stress) (F) yang

kompleks (Kim, 2002 ).

P

1

3

P 2h

F

F

F

F

1

3

P


24/79

24

Jika sistem ialah simetris dan pemberian gaya besarnya sama dengan arah

kebalikan, elektroda keduanya (upper dan lower ) akan mempunyai potensial

listrik yang sama (Gambar 2.8). Dengan demikian, adanya perbedaaan tegangan

tidak akan terlihat di antara elektroda. Sehingga energi tidak dapat dihasilkan pada

kondisi gaya ini.

Gambar 2.8. Hubungan antara tegangan, arah pengutuban dan gaya (Kim, 2002 ).

Secara numerik hunbungan antara medan listrik dengan tekanan ( stress)

ialah:

E=-g 31 (x3 ) .....(2.4)

dengan g 31 ialah konstanta piezoelektrik, x3 ialah ketebalan dengan arah aksis.

Dengan demikian, tegangan antara elektroda pada Gambar (2.7) ialah sebagai

berikut:

= −313 = 0 … ..(2.5)−

Dalam menghasilkan potensial listrik pada material piezoelektrik dan

potensial elektrik pada elektroda mungkin tedapat perbedaan nilai. Perbedaan ini

dapat membuat kondisi perbatasan lainnya untuk material piezoelektrik. Sehingga,

potensial listrik ialah konstan antara elektroda dan adanya distribusi tekanan

( stress).

Piezoelektrisitas ialah kemampuan dari suatu benda (pada umumnya

polymer dan keramik) untuk menghasilkan potensial listrik sebagai response

terhadap tekanan mekanik yang diberikan. Efek piezoelektrik adalah suatu efek

yang reversible, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung direct piezoelectric

effect ) dan efek piezoelektrik balikan (converse piezoelectric effect ). Efek

piezoelektrik langsung adalah produksi potensial listrik akibat adanya tekanan

mekanik. Sedangkan efek piezoelektrik kebalikan adalah produksi tekanan akibat

pemberian tegangan listrik, contohnya adalah kristal lead zirconate titanate yang

akan mengalami perubahan dimensi sampai maksimal 0.1 % jika diberi tegangan

P P


25/79

25

listrik. Pada sebuah kristal piezoelektrik, muatan listrik positif dan muatan listrik

negatif adalah terpisah, tetapi tersebar secara simetris. Sehingga secara

keseluruhan kristal bersifat netral.

Besarnya efek piezoelektrik dalam sederhananya dapat dijelaskan dengan

vektor dari polarisasi.

P = P xx + P yy + P zz .....(2.6)

Gambar 2.9. Koordinat polarisasi material piezo.

dalam hal ini, x, y, z menunjukkan sebuah konvensional sistem ortogonal

yang dihubungkan pada sumbu kristal. Dalam axial stress () dapat dituliskan:

P xx = d 11 xx + d 12 yy + d 13 zz

P yy = d 21 xx + d 22 yy + d 23 zz

P zz = d 31 xx + d 32 yy + d 33 zz

Dengan d mn merupakan koefisian piezoelektrik sepanjang sumbu ortogonal

pada kristal. Dimensi dari koefisien adalah muatan unit per gaya atau C/N

(Colomb/ Newton) (Fraden, 1993).

2.1.1 Aplikasi bahan piezoelektrik

Bahan piezoelektrik mempunyai sifat unik yang dapat diaplikasikan dalam

banyak bidang, terutama pada sensor dan penghasil energi listrik. Contoh

penggunaan banhan polymer piezoelektrik PVdF ialah untuk pengukuran beban

benturan (impact force sensor ), pengukuran reaksi beban dinamis dari bagian-

bagian telapak kaki manusia saat penapakkan kakinya di tanah ( shoes insole

sensor ), elastic band sensor sensor ini untuk pengukuran beban dan deformasi

z

x

y


26/79

26

yang besar, beberapa kegunaan sensor elastis band adalah untuk pengukuran

kekuatan tarikan anggota badan manusia (peralatan fitness) dan juga untuk

membedakan gerak anggota badan manusia saat duduk (apakah seseorang sedang

bergeser, atau sedang berayun dan sebagainya).

2.1.2. PVdF ( Poly Vinylidene Flouride)

Bahan polymer piezoelektrik didominasi oleh polymer feroelektrik dari

keluarga PVdF yang ditemukan pada tahun 1969.

Gambar 2.10. Struktur PVdF

Dargaville dkk (2005), bahan polymer piezoelektrik PVdF (Polyvinylidine

Floride) merupakan bahan polymer semi kristal yang secara komersial dalam

bentuk bubuk, pelet atau berupa film semi transparan (dengan ketebalan antara

range 8 sampai 110 µm). PVdF mempunyai suhu meleleh (melting) pada

pendekatan di suhu 170 C dan termasuk pada lelehan kental sesuai dengan proses

leleh tanpa menggunakan bantuan, bahan tambahan dan stabilisator. Polymer

dapat juga larut diproses karena daya larutnya biasanya dalam bahan pelarut polar

(misalnya, MNP dan DMAc). Suhu transisi kaca secara khas berada di kisaran -

40oC sehingga saat berada pada suhu kamar polymer dapat menyesuaikan dengan

properti mekanik yang baik. PVdF non-piezoelektrik mempunyai banyak

kegunaan dalam coanting , insulasi kabel, tabung fleksibel dan bagian dari

pegangan material radioaktif. PVdF disintesis dengan penambahan polimerisasi

dari monomer CH2=CF2. Ketika menghasilkan homopolymer (misalnya dari 100%

monomer CH2=CF2) secara umum rantai PVdF mempunyai struktur reguler

secara bergantian kelompok CH2 dan CF2.

Gambar 2.11. Struktur rantai PVdF (Dargaville dkk, 2005)

F

CC

H

H F


27/79

27

Namun, polymerisasi terkadang mempunyai daerah yang tidak lengkap

sehingga terdapat unit monomer yang terbalik (hand-to-hand dan tail-to-tail ) yang

seharusnya dipenuhi dengan rangkaian hand-to-tail (dengan definisi hand

merujuk pada ikatan CF2 dan tail merujuk pada ikatan CH2 ).

Gambar 2.12. Struktur ikatan kimia PVdF yang mengalami defect (cacat)

(Dargaville dkk, 2005).

Menurut kondisi polymerisasi yang khusus kelompok defect berjumlah

antara 3,5 sampai dengan 6 %, meskipun perbandingan lebih tinggi dari kelompok

defect ini telah diperoleh secara sintesis yang khusus. Jumlah kelompok defect

mempunyai pengaruh penting pada struktur kristal yang dipercaya mempunyai

andil pada properti piezoelektrik.

2.2. Gerakan Selaras Sederhana

Sears dan Zemansky (1971), bila suatu benda melakukan gerak bolak balik

terhadap suatau titik teredam, maka benda itu dikatakan bergetar. Contoh serupa

dengan semacam ini ialah gerak benda yang digantungkan pada sebuah pegas,

gerak ayunan bandul yang amplitudonya kecil, dan gerak pemimbang pada arloji.

Getaran tali pada kolom udara alat-alat musik merupakan gerak harmonik atau

superposisi. Berdasarkan teori atom modern, orangg-orang menduga bahwa

molekul-molekul benda padat dapat begertar degan gerakan yang hampir

harmonik terhadap kisi-kisi (lattice) tetapnya, walapun gerak molekul-moekul itu

tentunya tidak dapat kita lihat secara langsung.

Dalam setiap bentuk gerak gelombang, partikel medium yang dilalui oleh

gelombang akan bergetar dengan gerak harmonik atau dengan superposisi gerak

harmonik. Bahkan hal ini juga berlaku untuk gelombang cahaya dan gelombang

radio dalam ruang hampa, akan tetapi yang bergetar dalam hal ini bukanlah

Kelompok defect

Tail-

to- tail

Hand-to-

hand


28/79

28

partikel materi, melainkan intensitas listrik dan magnet yang bersangkutan dengan

gelombang tersebut. Sebagai contoh terakhir, persamaan-persamaan yang

melukiskan sifat suatu rangkain listrik yang mana terdapat arus listrik bolak-balik

mempunyai bentuk yang sama dengan persamaan gerak harmonik untuk benda

atau materi. Dengan demikian, jelas kiranya bahwa untuk banyak bidang ilmu

fisika, pengetahuan tentang gerak harmonik ini sangatlah penting untuk dipelajari.

Telah ditunjukkan bahwa apabila suatu benda berubah bentuk gaya yang

menyebabkannya adalah proposional dangan besarnya perubahan, asalkan batas

proposional elastisitas tidak dilampaui. Perubahan mungkin berupa pertambahan

panjang, seperti tali karet atau pegas sulur, atau penyusutan panjang, atau

melengkungnya pegas daun, atau putiran batang terhadap sumbunya. Istilah

“gaya” disini diartikan secara luas, dapat berari gaya, atau gaya putar (torque),

atau tekanan, atau apa saja yang dapat menimbulkan perubahan bentuk. Jika gaya

yang dimaksud adalah dorongan atau tarikan dalam mana perubahan bentuk yang

terjadi hanya berupa perpindahan titik tangkap gaya, maka gaya da perpindahan

dihubungkan berdasarkan Hukum Hooke,

F=kx .....(2.6)

dalam hal ini k adalah sebuah konstanta proposionalitas yang disebut konstanta

gaya k (N/m), dan x adalah perpindahan posisi kesetimbangannya (m). Dalam

persamaan ini, F berarti gaya (N) yang harus dikerjakan terhadap suatu benda

elastis untuk menghasilkan perpindahan x. Gaya yang mana benda elastis itu

menarik kembali suatu benda yang lekat padanya disebut gaya pemulih (restoring

force) yang sama dengan – kx.

Supaya lebih jelas, umpamakan sebuah plat tipis baja, misalnya daun

gergaji, dijepitkan vertikal pada sebuah catok, lalu pada unjung atasnyadelakatkan sebuah benda kecil, seperti pada Gambar (2.13). Andaikan plat itu

cukup panjang dan perpindahan unjungnya cukup kecil, sehingga gerak ujung plat

menuruti sebuah garis lurus, dengan massa plat diabaikan.


29/79

29

Gambar 2.13. Gerak akibat gaya pemulih elastik (Sears dan Zemansky, 1970)

Misalkan ujung plat itu ditarik ke kanan sejauh A, seperti pada Gambar

(2.13.), lalu dilepaskan. Maka terhadap benda yang dilekatkan itu akan bekerjagaya pemulih yang dilakukan oleh plat baja itu dan mengarah ke posisi

kesetimbangan O. Akibat benda itu beroleh kecepatan menurut gaya ini, dan

menuju ke pusat dengan kecepatan yang semaikn besar. Akan tetapi, bertambah

besarnya kecepatan ini tidak konstan, karena gaya yang menimbulkan percepatan

itu menjadi semakin kecil bila benda semakin mendekati pusat.

Ketika benda sampai di pusat, gaya pemulih sudah berkurang menjadi nol,

akan tetapi akibat kecepatan yang sudah diperoleh, benda itu “melewati” posisi

kesetimbangan yang terus bergerak ke kiri. Segera setelah posisi kesetimbangan

terlewati, gaya pemulih timbul lagi, tetapi sekarang arahnya ke kanan. Akibatnya

benda melambat, perlambatan ini semakin besar sesuai dengan bertambahnya

jarak dari O. Karena itu benda itu akhirnya akan berhenti di suatu titik sebelah kiri

O, lalu mengulangi geraknya kembali ke arah yang berlawanan.

Baik percobaan maupun teori menunjukan bahwa gerak tersebut terbatas

pada jarak sejauh kurang lebih A disebelah titik keseimbangan, dan tiap gerak

bolak-balik memakan waktu yang sama lamanya. Sekali mulai, gerak itu langsung

terus-menerus apa bila tidak ada energi yang hilang akibat gesekan. Gerak seperti

ini, yaitu yang terjadi akibat gaya pemulih elastik dan dalam keadaan tidak ada

gesekan sama sekali, disebut gerak harmonik sederhana (Simple Harmonic

Motion, disingkat SHM).

Setiap gerak yang terjadi berulang-ulang dalam selang waktu yang sama,

disebut gerak berkala atau periodik, dan jika geraknya pulang balik dalam lintasan

yang sama, disebut gerak osilasi. Satu getaran penuh atau daur penuh, berarti satu

O

A

ab-kx

A x


30/79

30

kali pulang-balik, misalnya dari a ke b lalu kembali lagi ke a, atau O ke b ke O ke

a dan kembali ke O.

Waktu periode atau periode gerak, dilambangkan dengan ( T ), adalah

waktu yang diperlukan untuk satu kali getaran penuh. Frekuensi ( f ), adalah

jumlah getaran persatuan waktu. Jelas bahwa frekuensi adalah kebalikan dari

periode T , atau T=1/f . Satuan mks-nya, yaitu satu daur per sekon, atau disebut

hertz (1 Hz). Koordinat pada saat sembarang, x ialah jarak lintasan, yang dihitung

dari posisi kesetimbangan (titik tengah lintasan). Amplitudo ( A ) ialah koordinat

maksimum, sehingga jarak total gerak ialah 2 A.

2.3 Cantilever

Cantilever ialah balok yang diperpanjang dengan posisi horizontal.

Sebagian besar penghasilan energi dari getaran atau vibration energy harverting

(VEH) diperoleh pada perangkat resonansi mekanik, yang diharapkan sesuai

dangan spektrum getaran. Terdapat elemen dari perangkat yang bervariasi secara

umum (induksi, piezo, magnet), karena mereka didasarkan pada gaya, gerak

osilasi teredam. Pada penggunaannya di material piezoelektrik untuk

mendapatkan energi listrik secara optimal

2.3.1 Karakteristik Cantilever

Konstanta spring dari defleksi vertikal dengan pemberian beban

ditunjukkan dengan persamaan berikut:

= = 3

43 … . . (2.7)dalam hal ini K ialah indikasi total konstanta spring dari cantilever (N/m), h ialah

defleksi dikarenakan oleh beban (m), E menunjukkan modulus elastisitas dari

cantilever (N/m2), dan w, d dan L merupakan indikasi lebar, ketebalan dan

panjang. Frekuensi resonansi utama atau primary resonance frequency ialah:

= 12 ∗ = 2(0,98)2 … . . (2.8)

dalam hal ini indikasi dari kerapatan cantilever (kg/m3) dan m*

mengindikasikan massa efektif cantilever (kg). Massa efektif cantilever


31/79

31

dihubungkan dengan massa beam (mb ) dan diwakili dengan m*=nmb, n ialah

faktor geometrik dari beam dan m merupakan massa beam (kg). Sebagai contoh,

untuk papan cantilever berbentuk persegi, n-nya bernilai 0,24 (Park dkk., 2009).

Gelombang yang muncul

Gambar 2.14. Gelombang yang muncul dari defleksi cantilever .

Amplitudo adalah simpangan maksimum yang diukur dari titik

kesetimbangan dari titik B A B. Posisi pada saat tidak ada gaya neto yang bekerja

pada partikel yang berosilasi disebut dengan titik setimbang (Resnick dan

Halliday, 1978).

2.4. Induksi Elektromagnetik

Induksi magnetik ialah gejala timbulnya induksi gaya gerak listrik

(electromotive force) di dalam untai listrik apabila untai listrik itu berada di dalammedan magnet yang bervariasi terhadap waktu. Induksi gerak listrik ditemukan

dan diselidiki oleh Faraday dan Lenz.

A

B

C

L

B

C

B B


32/79

32

2.4.1. Percobaan Faraday

Tahun 1831 Faraday mengamati gejala-gejala yang terlihat pada Gambar

(2.15.)

a.

Perubahan arus pada kumparan I menyebabkan timbulnya arus induksi

pada kumparan II yang berada di dekatnya. Arus induksi ini ternyata

sebanding dengan daya hantar kumparan. Jadi sebenarnya yang terinduksi

bukan arus tetapi gaya gerak listrik (electromotive Force). Makin cepat

perubahan arus pada kumparan I maka makin besar gaya gerak listrik

induksi di kumparan II. Lebih lanjut gaya gerak listrik induksi itu timbul

hanya pada waktu ada perubahan kuat arus di kumparan II.

Gambar 2.15. Induksi elektromagnetik Faraday ( Soedojo, 1985)

b. Induksi gaya gerak listrik ini terjadi pula apabila kumparan I diganti

dengan batang magnet yangg digerak-gerakkan mendekati dan menjauhi

kumparan II. Jadi induksi gaya gerak listrik ini tentu berhubungan kuat

Kumparan I Kumparan II

(a)

(b)

(c)

US

US


33/79

33

dengan perubahan kuat medan magnet yang mengenai kumparan I yang

dialiri arus listrik itu juga bersikap sebagai magnet batang. Dengan

mengubah arus di kumparan I berubah pula medan magnet yang

ditimbulkan. Perubahan kuat medan magnet itu menyebabkan tepi-tepi

kumparan II memotong garis-garis gaya magnet yang dipancarkan dari

kumparan I.

c. Cakram konduktor yang diputar pada sumbunya akan memperlihatkan

timbulnya induksi gaya gerak listrik antara pusat dengan tepi cakram

tersebut apabila tegak lurus pada cakram dikenakan medan magnet. Hal ini

menunjukkan bahwa timbulnya induksi gaya gerak listrik itu karena

elemen-elemen radial cakram yaitu ruji-ruji yang banyak dan berimpitan

satu sama lain yang lalu membentuk cakram, memotong garis-garis gaya

magnet sehingga muatan-muatan listrik bebas yaitu elektron-elektron

bebas yang dikandungnya yang ikut bergerak terputar itu mengalami gaya

Lorentz, sehingga bergerak ke arah radial. Jadi dalam hal ini timbulnya

gaya gerak listrik dipandang sebagai akibat memotongnya elemen-elemen

konduktor dengan garis gaya magnet. Sejauh ini Faraday hanya pada

kesimpulan bahwa induksi gaya gerak listrik karena memotongnya

kumparan maupun konduktor dengan garis gaya magnet.

Faktor yang mempengaruhi besarnya gaya gerak listrik yang diinduksi

diantaranya bahwa induksi bergantung pada waktu, semakin cepat terjadinya

perubahan medan magnet, induksi gaya gerak listrik semakin besar. Tetapi gaya

gerak listrik tidak sebanding dengan laju perubahan medan magnet ( B), justru

sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik ( ), yang bergerak melintasiloop seluas A, yang didefinisikan pada Persamaan (2.10).

= B A =B A cos ............(2.10)

Medan magnet ( B) dalam Tesla dan fluks magnetik ( ) dalam Weber ,

disini adalah komponen medan magnet yang tegak lurus permukaan kumparan

dan ( ) adalah sudut antara B dengan garis yang tegak lurus permukaan


34/79

34

kumparan. Jika fluks yang melalui loop kawat dengan N lilitan berubah sebesar

dalam waktu t , maka besarnya gaya gerak listrik dalam waktu itu adalah:

Gaya gerak listrik (ggl) = − ∆ ...............(2.11)Tanda minus menunjukkan bahwa gaya gerak listrik selalu

membangkitkan arus yang medan magnetnya berlawanan dengan asal perubahan

fluks, yang dikenal dengan Hukum Lenz (Giancoli, 1977).

2.4.2. Hukum Lenz

Berdasarkan Hukum Newton ke-3 (aksi=reaksi), Lenz pada tahun 1834

mengemukakan pendapat bahwa gaya gerak listrik induksi ialah suatu reaksi atas

perubahan medan magnet yang dicakup atau yang mengenai kumparan. Reaksi itu

sedemikian rupa sehingga arus listrik dapat mengalir karena induksi gaya gerak

listrik itu akan menimbulkan medan magnet yang flux garis gaya megnetiknya

mengkompensasi perubahan flux garis gaya magnetik luar yang dicakup

kumparan.

Adapun perumusan secara kualitatif tentang induksi gaya gerak listrik baru

dikemukakan pada tahun 1845 oleh Neumann. Ia mengatakan bahwa besarnya

gaya gerak listrik terinduksi sebanding dengan cepatnya perubahan flux garis gaya

magnetik yang dicakup, atau secara matematik

= − ....................(2.12)Tanda (-) pada Persamaan (2.11) di atas, menyatakan arah yang melawan

perubahan flux garis gaya magnetik yang dikenakan padanya, yaitu sebagaimana

Hukum Newton ke-3 dipenuhi. Persamaan (2.11) di atas dapat dibuktikan secara

analitik berdasarkan gaya Lorentz pada muatan listrik yang bergerak dalam medan

magnet.

Pergeseran seutas kawat konduktor pada Gambar (2.16) yang panjangnya

l , dengan kecepatan v pada arah tegak lurus arah memanjangnya, di dalam medan

magnet yang induksi magnetiknya B dengan arah tegak lurus v akan

mengakibatkan kawat tersebut memotong garis gaya magnet.


35/79

35

Gambar 2.16. Induksi gaya gerak listrik memotong garis gaya (Soedojo, 1985)

Flux garis gaya magnet yang dipotong persatuan waktu ialah:

= B x l x v ......(2.13)dengan B ialah medan magnet (Tesla), l merupakan panjang kawat (m) dan v ialah

kecepatan muatan (m/s). Adanya induksi gaya gerak listrik ialah akibat

mengumpulnya muatan listrik yang dikandung dalam kawat, oleh adanya gaya

lorentz. Dengan menggeser kawat dengan kecepatan v maka muatan bebas dalam

kawat itupun akan ikut bergeser dengan kecepatan v. Seandainya muatan bebas itu

q maka gaya Lorentz padanya berdasarkan pada Persamaan (2.13) ialah ke arah

ujung kawat.

=

..........(2.14)

Pengumplan muatan listrik pada ujung ini akan menimbulkan medan

listrik yang menghalangi pengumpulan muatan listrik lebih lanjut. Pada keadaan

setimbang kuat medan elektrostatiknya harus sebesar:

E = v x B ........(2.15)

Hingga beda potensial antara kedua ujung kawat yang tak lain ialah gaya gerak

listrik induksi.

2.5. Pengukuran Simpangan

Sensor simpangan terdiri dari sensor infra merah, mikrokontroler, ADC,

display dalam perangkat lunak Delphi. Sensor ini menggunakan sistem tak sentuh

dengan dukungan dari PC dan menggunakan perangkat keras sensor infra merah

DP2D12 sebagai sensor jarak, ADC 0804, minimum system Ver 3.3 berbasis

AT89S51 dan melalui antarmuka serial port . Hasil pengukuran dapat

diperlihatkan pada monitor komputer dengan menggunakan perangkat lunak

BB

B

BB

isolator

isolatorv

v

konduktor


36/79

36

Borland Delphi 7 berupa tabel data simpangan berserta grafiknya masing-masing

bereksensi *.xls dan *.jpeg (Purnomo, 2008).

Gambar 2.17. Perangkat lunak pengukur simpangan

Alat ukur simpangan ini telah dibuat dengan resolusi dalam cm. Dan alat

ukur simpangan ini mempunyai jarak baca antara 9,0 ± 0,5 cm sampai dengan

25,0 ± 0,50 cm dengan tingkat kesalahan maksimum 3,3 %. Simpangan yang

timbul tidak boleh di bawah jarak 9 cm dan melebihi jarak 25 cm.

2.5.1. Sensor GP2D12

Sensor GP2D12 merupakan sensor jarak yang memanfaatkan media

cahaya infra merah sehingga bersifat sistem tidak sentuh dalam mendeteksi posisi.

Sensor GP2D12 bekerja dengan prinsip tringulasi, sensor ini terdiri dari LED dan

Potition Sensitive Detector (PSD), yang merupakan suatu komponen silikon yang

beroperasi pada prinsip efek fhotoelektrik, dengan megubah energi cahayamenjadi energi listrik. LED inframerah yang menghasilkan cahaya infra merah

termodulasi terpancarkan ke objek yang hendak terukur jaraknya dan sebuah

array CCD yang berfungsi sebagai detektor infra merah yang akan menerima

pantulan cahaya infra merah yang akan diukur.


37/79

37

Gambar 2.18. Grafik hasil pengujian GP2D12 (Purnomo, 2008)

Mengacu Gambar (2.18), pengujian sensor GP2D12-R memiliki kriteria

tegangan sebagai fungsi jarak yaitu pada jarak 0 cm sampai 9 cm dan 30 cm

sampai 80 cm dengan tegangan berubah secara fluktuatif, sehingga pada jarak

tersebut sensor tidak dapat bekerja dengan baik. Namun, pada jarak 9 cm sampai

30 cm respon sensor terhadap jarak menunjukkan kecenderungan kurva yang

linier untuk fungsi jarak sehingga pada jarak tersebut akan dibuat kurva linier

positif sehingga dapat digunakan untuk mengidentifikasi fungsi jarak.

2.5.2. Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah sebuah komputer kecil yang dibangun dalam

dimensi sebuah chip atau IC (Integreted circuit). Jenis dan tipe mikrokontroler

umumnya ditentukan oleh jumlah port input maupun output serta banyak memori

yang dimiliki. Kedua hal tersebut akan menentukan kemampuan dari tiap

mikrokontroler untuk berinteraksi dengan berbagai perangkat keras lain untuk

membentuk sebuah sistem pengendali.

Mikrokontroler yang digunakan ialah AT89S51 yang merupakan keluaran

Atmel dengan 8K byte Flash PEROM ( Progrmmable and Erasable Read Only

Memory), AT89S51 merupakan memori dengan teknologi nonvolatile memory, isi

memory tersebut dapat diisi ulang ataupun dihapus berkali-kali. Memory ini

uuntuk menyimpang instruksi atau perintah berstandar MCS-51 code sehingga

memungkinkan mikrokontroler ini untuk bekerja dalam mode single chip

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 20 40 60 80 100

V ( V o l t )

Jarak (Cm)

Pengujian GP2D12


38/79

38

operation yang tidak memerlukan memori luar untuk menyimpang source code

tersebut.

2.5.3. ADC 0804

ADC atau pengubah analog ke digital ialah suatu alat yang mampu

mangubah sinyal masukan analog menjadi keluaran digital. Data-data digital yang

dihasilkan oleh ADC hanyalah merupakan pendekatan proposional terhadap

masukan analognya. Hal ini karena tidak mungkin melakukan konversi secara

sempurna berkaitan dengan kenyataan bahwa informasi digital berubah dalam

langkah-langkah, sedangkan analog berubah secara kontinyu, misalnya ADC

dengan resolusi 8 bit menghasilkan bilangan 0 sampai 255 (256 bilangan dalam

step 255), dengan demikian tidak mungkin menyajikan semua kemungkinan nilai-

nilai analog. Jika sekarang resolusinya menjadi 20 bit maka akan terdapat

1.048.575 step, semakin banyak kemungkinan nilai analog yang dapat disajikan.

2.5.4. Perangakat Lunak Pengukur Simpangan

Perangakat lunak yang digunakan pada pengukuran simpangan ialahh

program Borland Delphi 7. Bahasa pengembangan yang digunakan oleh Delphi

ialah bahasa pascal (object pascal ). Turbo Pascal dikenal dengan kelebihan dalam

kecepatan eksekusi dan kompilasi, dibandingkan dengan bahasa pemrograman

lain yang berkembang saat itu. Turbo Pascal versi perrtama diciptakan oleh

Andres Heljsberg, yang terus dikembangkan oleh Turbo Pascal menjadi bahasa

yang berorientasi objek ( Object Orientation Programing ) berbasis tampilan

visual yang menarik. Delphi digolongkan ke dalam bahasa pemprograman tingkat

tinggi. Ada beberapa keuntungan dalam perancangan aplikasi dalam Delphi,

antara lain pemograman degan cepat, sederhana dengan mudah, Delphimempunyai kompabilitas yang baik antara versi lama dengan versi barunya. Jenis

apliikasi yang dirancang dengan delphi sangat luas dan bervariasi.

2.5.5. Komponen Serial Por t untuk Delphi

Untuk menghubungkan dengan port serial maka diperlukan memograman

khusus untuk perangakat lunak. Dalam mengakses mikrokontroler dengan

menggunakan Delphi, perlu menggunakan kode-kode asembler . Program Delphi


39/79

39

yang menggunakan kode-kode asembler ini hanya bisa dijalankan pada komputer

dengan sistem operasi Windows 98 atau versi sebelumnya. Pada masa sekarang

sistem operasi Windows 98 sudah jarang digunakan, sedangkan sistem operasi

program dengan asembler pada sistem operasi Windows XP. Untuk membuat

program dengan kode asembler pada sistem operasi Windows XP, maka

programer harus mengetahui kode alamat perangkat keras yang akan diakses dan

diperlukan tambahan file*.dll yang biasanya file tersebut dibuat sendiri. Namun,

library version 3.10 (untuk Delphi 3, 4, 5, 6, 7, 2005, 2006 dan C++ Builder 3, 4,

5, 6) buatan Dejan Carnila, yang dapat didownload secara gratis ( freeware) dari

internet.


40/79


41/79

41

3.4. Rancangan Alat

Secara diagram, rancangan alat untuk menganalisis pengaruh defleksi

bahan piezoelektrik PVdF dan kumparan terhadap tegangan yang dihasilkan,

seperti tampak pada Gambar (3.1.).

Gambar 3.1. Rancangan penelitian

Keterangan gambar:

1. Komputer

2. Perangkat mikrokontroler

3. Magnet

4. Sensor infra merah

5. Bahan piezelektrik PVdF

6. Kumparan

7.

Voltmeter8.

Milivoltmeter

9. Sumber tegangan dan dimmer

10. Motor dan pulley

Rancangan alat mengacu pada Gambar (3.1), sumber tegangan

dihubungkan dengan dimmer , fungsi dimmer ialah memberikan variasi tegangan

pada motor listrik sehingga pulley dapat memvariasi frekuensi simpangan pada

cantilever . Cantilever memberikan simpangan pada bahan piezoelektik PVdF

9

7

42

5

8

6

1

3 10


42/79

42

sehingga terjadi polarisasi padanya dan memberikan simpangan pada magnet

yang masuk ke kumparan sehingga terjadi perubahan fluk magnetik dan keduanya

(bahan piezoelektrik dan kumparan) akan menghasilkan tegangan. Simpangan

yang terjadi pada PVdF dan magnet akan terekam dan dapat ditampilkan dengan

grafik, karena terdapat sensor infra merah yang dihubungan dengan

mikrokontroler dan ditampilkan pada komputer. Tegangan yang dihasilkan oleh

kumparan dan bahan piezelektrik akan terbaca oleh voltmeter.

3.5. Tahapan Penelitian

Dalam penelitian ini, tersusun tahapan penelitian yang ditunjukkan pada

Gambar (3.2.). Tahapan penelitian ini secara umum terbagi dalam tiga bagian

besar, yaitu rancangan dan pembuatan alat yang digunakan, pengujian alat dan

kinerja bahan dan yang terakhir adalah penulisan.

Gambar 3.2 Diagram tahapan penelitian

3.5.1. Pembuatan Pulley

Pulley digunakan sebagai penghasil getaran yang disambungkan dengan as

motor listrik, sehingga saat as motor listrik berputar maka pulley akan memberi

Rancangan dan pembuatan sistem cantilever

Pembuatan pulley

Rancangan Pembuatan kumparan

Kalibrasi sensor simpangan

Kesimpulan

Pengujian kinerja pembangkit energi listrik dari kumparan dan PVdF

Hasil penelitian dan pembahasan


43/79

43

benturan pada cantilever . Akibat dari benturan ini, cantilever akan berayun dan

ayunan ini yang diperngaruhi oleh frekuensi pulley yang dibangkitkan oleh motor

listrik.

Gambar 3.3. Pulley yang digunakan sebagai sumber penggetar cantilever

As motor listrik dimasukkan pada lingkaran putih tepat di tengah lingkaran

dengan diameter 2 cm dan terdapat lingkaran yang melapisi, tetapi lingkaran ini

tidak simetris. Bentuk lingkaran yang tidak simetris ini akan menyebabkan

cantilever berdefleksi jika ia berputar dan mengenai cantilever .

3.5.2. Pembuatan Sistem Cantilever

Sistem cantilever terbuat dari bahan stainless steal sepanjang 30 cm dan

ditopang pada statif, seperti pada Gambar (3.4).

Gambar 3.4. Sistem cantilever dengan statif.

Cantilever merupakan penggetar yang digetarkan oleh pulley yang

digerakkan motor listrik. Motor listrik diberi tegangan yang terhubung dengan

dimmer , sehingga tegangan yang masuk ke motor listrik akan dapat divariasi

28,8 cm

6,5 cm

21,95cm

1 cm

2 cm

1,45 cm


44/79

44

karena tegangan sebanding dengan putaran yang dihasilkan oleh motor listrik dan

pulley yang digerakkan juga akan dapat divariasi putrannya serta akan

mempengaruhi frekuensi pada cantilever . Urutan yang dimaksudkan seperti

ditunjukkan pada gambar 3.5.

Gambar 3.5. Bagan dalam variasi frekuensi

Adanya variasi frekuensi cantilever akan terekam oleh sensor simpangan.

Variasi frekuensi pada cantilever terdiri dari variasi tiga beban dengan pemberiantiga massa cantilever yang berbeda, kemudian tiap beban yang diberikan terdapat

variasi frekuensi dengan cara memvariasi tegangan yang diberikan kepada motor

listrik.

3.5.3. Pembuatan Kumparan

Pembuatan kumparan dengan diameter kawat 0,25 mm dan terdapat empat

variasi, yaitu 1200 lilitan, 1000 lilitan, 800 lilitan dan 600 lilitan. Kumparan

dililitkan pada PVC dengan diamater 4 cm dan panjang 8 cm.

3.5.4. Kalibrasi Sensor Simpangan

Kalibrasi sensor simpangan bertujuan untuk melihat kinerja display yang

terdapat pada komputer dengan yang terjadi sebenarnya. Alat yang digunakan

pada pengujian ini ialah, sensor simpangan, mistar dan objek pemantul. Pengujian

ini meliputi amplitudo simpangan dan waktu, untuk mengujian ampiltudo

dilakukan dengan cara memberikan objek pemantul di depan sensor dengan

gerakan osilasi yang telah ditentukan besarnya amplitudo osilasinya. Besarnya

amplitudo yang diberikan ialah 3 cm dengan gerakan empat gelombang dengan

perulangan pengambilan data sebanyak lima kali. Sedangkan untuk pengujian

waktu dengan cara membandingkan waktu real bidang pemantul dalam

menempuh empat gelombang dengan waktu yang tercatat pada gelombang yang

muncul pada monitor. Kalibrasi sensor simpangan seperti yang ditunjukkan pada

Gambar (3.6.)

DimmerMotor

listrik Pulley Cantilever


45/79

45

Gambar 3.6. Kalibrasi sensor simpangan

Keterangan gambar:

1. Mikrokontroler

2. Sensor inframerah

3.

Mistar

4. Komputer

5. Penghalang

3.5.5. Pengujian Kinerja Kumparan dan PVdF

Pengujian kinerja kumparan dan PVdF ini didiskripsikan seperti pada

Gambar (3.1). Untuk dapat mengetahui hubungan yang mempengaruhi kinerja

kumparan dan bahan piezoelektrik dalam menghasilkan energi listrik, maka

terdapat berbagai variasi pengukuran. Adapun variasi pengujian sebagai berikut:

a. Kumparan

1.

Variasi jumlah lilitan2.

Variasi jumlah magnet

3. Variasi frekuensi getaran magnet

b. Bahan piezoelektrik

1.

Variasi frekuensi

2. Variasi beban cantilever

Cara kerja pengujian ialah setiap satu variasi kumparan (terdapat empat

buah kumparan) maka terdapat tiga buah variasi frekuensi (memvariasi tegangan

5

5

14

2

3


46/79

46

yang masuk ke motor listrik) dari tiga kali variasi jumlah magnet serta setiap satu

frekuensi terdapat lima kali pengukuran. Pengujian tegangan yang dihasilkan oleh

kumparan bersamaan dengan pengujian tegangan yang dihasilkan oleh bahan

piezoelektrik. Sehingga pada satu sistem terdapat dua sumber energi listrik, yaitu

dari kumparan dan bahan piezoelektrik. Untuk pengambilan data tegangan yang

terbaca oleh voltmeter dengan cara meambil tegangan tertinggi dengan durasi

simpangan limabelas detik dan jarak kumparan dengan cantilever 4 cm. Misal

pengujian untuk jumlah magnet 8 seperti yang ditunjukkan pada Gambar (3.7.).

Gambar 3.7. Bagan pengambilan data

8 magnet

1000 lilitan

Frekuensi ke-1

Frekuensi ke-2

Frekuensi ke-3

600 lilitan

Frekuensi ke-1

Frekuensi ke-2

Frekuensi ke-3

1200 lilitan

Frekuensi ke-1

Frekuensi ke-2

Frekuensi ke-3

800 lilitan

Frekuensi ke-1

Frekuensi ke-2

Frekuensi ke-3


47/79

47

BAB IV

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Kalibrasi Sensor Simpangan

Alat yang digunakan untuk mengukur simpangan menggunakan sistem tak

sentuh dengan dukungan dari PC dan menggunakan perangkat keras sensor infra

merah DP2D12 sebagai sensor jarak. Pengujian sensor ini dilakukan agar dapat

membandingkan besarnya output simpangan yang dari sensor terhadap benda

yang disimpangkan di depan sensor. Langkah yang dilakukan dengan cara

menggerakkan benda berwarna putih dengan posisi tegak lurus, kemudian

memberikan amplitudo dan waktu yang telah ditentukan besarnya.

Untuk mengkalibrasi amplitudo, langkahnya dengan memberikan gerakan

simpangan sejauh 3 cm dengan gerakan menjauhi dan mendekati sensor sebanyak

empat gelombang dan waktu yang tercatat adalah 9,3 detik. Sehingga sensor

simpangan akan mendeteksi empat gelombang dengan amplitudo bernilai positif

dan negatif.

Gambar 4.1. Grafik kalibrasi simpangan dan waktu

Dari grafik di atas terdapat empat gelombang yang bernilai positif dan

negatif dengan besar amplitudo 3 cm. Sehingga, untuk pengujian amplitudo

menghasilkan nilai yang sama antara benda yang disimpangkan di depan sensor

dengan keluaran berupa grafik yang dihasilkan oleh sensor. Namun, terdapat

derau yang salah satunya ditunjukkan oleh lingkaran putus-putus.

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

45

00:00,0 00:04,3 00:08,6 00:13,0 00:17,3 00:21,6 00:25,9

S i m p a n g a n ( c m )

Waktu (detik)

Grafik simpangan Vs waktu

Waktu real 9,3 detik

5 23,6


48/79

48

Waktu yang tercatat pada grafik untuk menempuh gelombang adalah 18,6

detik, padahal waktu real yang diperlukan benda pematul dalam menempuh

empat gelombang adalah 9,3 detik, sehingga waktu yang dibutuhkan gerakan

empat gelombang pada benda pemantul mempunyai selisih 9,3 detik. Dalam

pengukuran sebanyak lima kali menghasilkan rasio waktu yang tercatat pada

grafik dengan waktu real adalah (2,026±0,0224) . Sehingga terdapat waktu delay

untuk memproses data pada mikrokontroler maupun pada ADC ( Analog Digital

Converter ). Karena waktu yang terdisplay di monitor ialah waktu yang ada

dikomputer dan berjalan sesuai dengan data yang telah direkam.

4.2. Magnet

Magnet yang digunakan dalam penelitian ini berjumlah duabelas buah.

Magnet yang digunakan untuk variasi ialah, duabelas buah, sepuluh buah dan

delapan buah, dengan penggunaan magnet secara berurutan, misalnya untuk

penggunaan delapan magnet maka magnet yang digunakan ialah magnet dengan

nomor 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, dan 8. Dalam pengujian magnet, dibagi dalam dua

pengukuran yaitu massa dan medan magnet.

4.2.1. Massa Magnet

Massa magnet juga mempengaruhi besarnya tegangan yang dihasilkan dan

juga frekuensi cantilever . Dari data diperoleh, bahwa semakin banyak magnet

atau semakin besar massa yang ditambahkan pada cantilever maka frekuensinya

akan semakin mengecil. Hal ini disebabkan karena beban pulley untuk

memberikan getaran pada cantilever akan bertambah, sehingga cantilever akan

lebih lebih sulit untuk bergetar. Pengukuran massa magnet dengan neraca Ohaus

dengan suhu 26oC, dengan magnet diberi nomor urut. Magnet yang digunakan

dalam penelitian ini terbagi menjadi tiga kelompok, yaitu duabelas magnet,sepuluh magnet dan delapan magnet.

Tabel 4.1. Pengukuran massa magnet.

Magnet ke- Massa (gram)

1 0,598

2 0,597

3 0,588

4 0,596


49/79

49

Tabel.4.1. Pengukuran massa magnet (lanjutan)

Magnet ke- Massa (gram)

5 0,603

6 0,616

7 0,580

8 0,604

9 0,593

10 0,614

11 0,599

12 0,598

4.2.1. Medan Magnet

Medan magnet mempengaruhi besarnya tegangan yang dihasilkan oleh

kumparan. Pengukuran medan magnet menggunakan Teslameter dengan jarak

pengukuran antara magnet dengan Teslameter 1,8 cm. Hal ini disesuaikan dengan

posisinya di kumparan yang berdiameter 4 cm dan diameter magnet 0,4 cm.

Tabel 4.2. Pengukuran medan magnet

Jumlah magnet Medan magnet (Tesla)

8 0,331±0,003

10 0,359±0,002

12 0,376±0,0004

4.3. Cantilever

Simpangan yang terjadi pada cantilever terekam dalam bentuk grafik

waktu Vs simpangan. Cantilever diberi beban yang berupa magnet dengan massa

masing-masing. Beban tersebut membuat cantilever tidak tegak lurus, padahal

detektor infra merah hanya bisa mendeteksi pada pantulan yang tegak lurus. Hal

ini menyebabkan grafik terdapat derau ke arah amplitudo negatif. Gambar 4.2

menunjukkan derau dengan nilai simpangan -1, terlihat dengan bagian yang lebih

tebal pada daerah simpangan negatif yang bernilai -1.


50/79

50

Gerakan cantilever akan lebih mudah untuk ke bawah daripada gerakan ke

atas, karena adanya gaya grafitasi yang sebanding dengan massa.

W = mg (4.1)

dalam hal ini W ialah gaya berat (N), m merupakan massa benda (kg ) dan g ialah

konstanta grafitasi ( N/m). Sedangkan detektor infra merah akan mendeteksi

dengan display amplitudo positif jika terdapat gerakan yang menjauhi sensor dan

akan memberikan display amplitudo negatif jika benda mendekati sensor. Namun,

pada Gambar (4.2), terdapat perbedaan amplitudo dengan nilai positif lebih kecil

daripada nilai negatif. Hal ini terjadi karena pulley diletakkan di bawah cantilever ,

ketika cantilever dibenturkan maka akan bergerak ke atas dan saat akan kembali

ke bawah, cantilever sudah menerima benturan lagi. Sehingga cantilever akan

mempunyai simpangan ke atas lebih jauh dari pada simpangan ke bawah. Karena

jika menyimpang ke atas tidak terdapat ganguan yang membatasi cantilever dalam

menyimpang yang berupa pulley. Misal diambil simpangan pada frekuensi

pertama untuk delapan magnet.

Gambar 4.2. Koreksi grafik simpangan Vs waktu

4.3.1. Penentuan Frekuensi

Dari grafik simpangan Vs waktu akan menunjukkan frekuensi, penentuan

frekuensi dengan cara menghitung jumlah gelombang yang terjadi dan selang

waktunya. Adanya derau dengan arah negatif (ditunjukkan dengan lingkaran

putus-putus), maka penentuan frekuensi diambil pada gelombang dengan

amplitudo positif pertama, yang menandakan cantilever bergerak menjauhi

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

00:07,8 00:16,4 00:25,1 00:33,7 00:42,3 00:51,0 00:59,6

S i m p a n g a n ( c m )

Waktu (detik)

Grafik Simpangan Vs waktu

50,314 9


51/79

51

sensor. Misalnya pada Gambar (4.2), terdapat enampuluh gelombang dengan

selang waktu antara 14,9 detik dan 50,5 detik. Sehingga:

= 60

∆ = 35,4 detik = 35,22 = 17 ,7 detik = ∆ = 6017 ,6 = 3,38 Hz

selang waktu dibagi dua karena terdapat waktu delay yang dibahas pada Sub bab

(4.1.).

Cantilever diberikan perlakuan berbeda dengan variasi beban yang berupa

magnet. Terdapat tiga variasi, yaitu duabelas magnet yang bermassa 7,186 gram,

sepuluh magnet dengan massa 5,989 gram dan delapan magnet dengan massa

4,782 gram. Tiap satu kelompok massa diberikan tiga frekuensi yang berbeda

dengan cara memvariasi tegangan yang masuk ke motor listrik, sehingga terdapat

sembilan frekuensi berbeda. Tegangan yang diberikan mulai dari 160 volt sampai

200 volt dengan selisih 20 volt atau 160 volt, 180 volt dan 200 volt. Pemberian

tegangan mulai dari 160 volt karena pada tegangan terrsebut pulley baru bisa

memberikan defleksi pada cantilever , sedangkan tegangan maksimal 200 volt

karena pada tegangan itu defleksi masih dapat dikendalikan. Dalam massa

tambahan pada cantilever , maka akan memperngaruhi frekuensi, sehingga

terdapat sembilan frekuensi yang berbeda.

a. Pemberian tegangan 200 volt pada motor listrik

Gambar 4.3. Grafik penentuan frekuensi dengan pemberian tegangan pada motor

200 volt dan jumlah magnet 12

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

00:46,7 00:48,4 00:50,1 00:51,8 00:53,6 00:55,3

S i m p a n g a n ( c

m )

Waktu (detik)

Pemberian tegangan 200 volt

47 5

53,5


52/79

52

Dari Gambar (4.3), diketahui selang waktu adalah 6 detik, waktu ini

adalah yang tercatat pada komputer maka waktu sesungguhnya adalah 3 detik.

Dalam tiga detik terdapat sepuluh gelombang, sehingga frekuensi yang dihasilkan

dari pemberian tegangan papa motor listrik dengan pertambahan massa cantilever

sebanyak duabelas magnet adalah 3,33 Hz.

a.

Pemberian tegangan 160 volt pada motor listrik

Gambar 4.4. Grafik penentuan frekuensi dengan pemberian tegangan pada motor

160 volt dan jumlah magnet 12

Dari gambar di atas, terdapat delapan koma lima gelombang dengan

selang waktu 6 detik sehingga dalam keadaan yang sesungguhnya terjadi delapan

koma lima gelombang dalam waktu 3 detik. Karena frekuensi adalah jumlah

gelombang tiap waktu, maka frekuensi dengan pemberian tegangan motor 160

volt ini adalah 2,83 Hz.

Perbedaan pemberian tegangan pada motor listrik ternyata memberikan

nilai frekuensi yang berbeda pula, terbukti dengan Gambar (4.3) dan Gambar

(4.4.). Hal ini disebabkan, semakin besar arus yang diberikan pada motor listrik

maka semakin besar gaya tarik menarik dan tolak menolak yang terjadi antara

kumparan yang dialiri arus tadi dengan magnet tetap, sehingga gerak mekanik

yang berupa putaran akan semakin cepat. As motor yang bergerak semakin cepat

akan membuat pulley juga berputar dengan cepat, sehingga akan semakin sering

menumbuk cantilever dan frekuensi cantilever dalam berdefleksi juga semakin

besar.

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

00:50,100:51,000:51,800:52,700:53,600:54,400:55,300:56,200:57,000:57,9

S i m p a n g a n

( c m )

Waktu (detik)

Pemberian tegangan 160 volt

51

57


53/79

53

4.4. Pengujian Kinerja Bahan Piezoelektrik

Dalam pengujian ini diberikan variasi frekuensi pada cantilever yang

membuat material piezo ikut bergetar. Bahan polymer piezoelektrik (PVdF) akan

menghasilkan listrik jika mengalami polarisasi saat didefleksikan. Sehingga,

respon PVdF akan bergantung pada penggetar. Bahan piezoelektrik diberi variasi

getaran dengan enam variasi frekuensi dan tiga variasi massa pada beban

penggetar (cantilever ) yang berbeda. Dengan demikian dapat diketahui pengaruh

frekuensi cantilever dan pengaruh beban yang diberikan pada cantilever terhadap

tegangan yang dihasilkan.

Dengan penambahan massa dengan duabelas magnet yang ditunjukkan

pada Gambar (4.5), bahan piezo mengalami kenaikan yang sebanding dengan

frekuensi yang diberikan.

Gambar 4.5. Hubungan frekuensi dengan tegangan PVdF pada variasi

penambahan beban cantilever

Dengan penambahan massa sebanyak duabelas magnet, tegangan yang

dihasilkan sebanding dengan frekuensi yang diberikan. Tegangan yang dihasilkan

oleh piezoelektrik berasal dari beda tegangan pada elektrodanya. Sesuai dengan

Persamaan (2.1), muatan sebanding dengan stress yang diberikan, dan stress

dipengaruhi oleh gaya dan luasan

Stress = (4.2)

R² = 0,997

R² = 0,997

R² = 0,950

0,6

1

1,41,8

2,2

2,6

3

3,4

3,8

2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5

T e g a n g a n ( V )

Frekuensi (Hz)

Frekuensi Vs tegangan bahan piezo8 magnet

10 magnet

12 magnet


54/79

54

Dalam hal ini, stress adalah tegangan atau tekanan (N/m2), F adalah gaya

(N) dan A merupakan luas permukaan (m2) (Kane, 1938). Dan gaya sebanding

dengan stress, sehingga jika semakin besar frekuensi maka stress yang terjadi

pada bahan piezo juga akan semakin besar. Muatan-muatan yang terkandung di

dalamnya akan mengalami polarisasi dan menghasilkan tegangan yang sebanding

dengan frekuensi yang diberikan.

Gambar 4.6. Stress dan pemampatan yang dialami oleh cantilever

Pada penambahan massa sepuluh magnet dan delapan magnet juga

mengalami fenomena yang sama dengan penambahan massa duabelas magnet.

Dari Gambar (4.5), grafik tersebut mempunyai kelinearan hampir mendekati 1

sehingga frekuensi dan tegangan yang dihasilkan oleh bahan piezoelektrik adalah

sebanding. Dengan memberikan getaran yang berfrekuensi tinggi, maka bahan

piezo akan mengalami tekanan lebih besar dibandingkan dengan pemberian

vibrasi dengan frekuensi rendah.

Dari grafik yang ditunjukkan pada Gambar (4.5) semakin banyak magnet

yang diberikan pada cantilever , maka semakin besar tegangan yang dihasilkan.

Hal ini berhubungan dengan pertambahan beban pada cantilever , semakin

bertambahnya massa maka gaya yang terjadi akan semaikn besar, sesuai dengan

Hukum Newton II. Adanya penambahan massa akan memperbesar tekanan,

karena tekanan adalah gaya persatuan luas. Dari persamaan (2.1), bahwa muatan

A

B

C

Stress

Pemampatan


55/79

55

listrik per luasan adalah tekanan dikalikan dengan konstanta bahan piezoelektrik.

Sehingga penambahan beban pada cantilever sebanding dengan tegangan yang

dihasilkan.

4.5. Pengujian Kinerja Kumparan

Kumparan yang dipakai mempunyai luas penampang berupa lingkaran

dangan diameter 4 cm. Bentuk lingkaran akan lebih banyak fluks yang melewati

kumparan daripada bentuk yang lain, misalnya persegi. Karena fluks magnetik

bergantung pada luas penampang dan medan magnet.

Pengujian kumparan dan bahan piezoelektrik dilakukan dengan variasi tiga

buah magnet dan enam frekuensi cantilever . Sehingga dapat diketahui hubungan

antara tegangan yang dihasilkan terhadap jumlah lilitan dan besarnya frekuensi

yang diberikan.

4.5.1. Pengujian Kinerja Kumparan dengan Duabelas Magnet

Cantilever dengan beban tambahan berupa magnet sebanyak duabelas

buah, sehingga beban cantilever bertambah 7,186 gram. Pada pengujian ini

terdapat tiga variasi frekuensi cantilever .

Gambar 4.7. Pengujian kinerja kumparan dengan 12 magnet

Frekuensi ke-1 dengan pemberian 160 volt pada motor listrik, frekuensi

ke-2 dengan tegangan 180 volt dan frekuensi ke-3 dengan pemberian tegangan

200 volt. Sehingga frekuensi ke-1


56/79

56

sebesar 3,2 Hz. Dalam pengujian ini, jumlah lilitan sebanding dengan tegangan

yang dihasilkan, dan frekuensi berbanding lurus dengan tegangan.

4.5.2. Pengujian Kinerja Kumparan dengan Sepuluh Magnet

Pada pengujian ini magnet yang digunakan sebanyak sepuluh buah,

sehingga cantilever mendapatkan beban tambahan dari magnet sebesar 5,989

gram. Pengujian ini dilakukan lima kali tiap variasi, dan grafik yang diberikan

adalah hasil dari rata-ratanya. Berikut grafik hubungan jumlah lilitan dengan

tegangan yang dihasilkan pada magnet berjumlah sepuluh buah dan variasi

frekuensi sebanyak tiga.

Gambar 4.8. Pengujian kinerja kumparan dengan sepuluh magnet

Frekuensi ke-1 dengan pemberian 160 volt pada motor listrik, frekuensi

ke-2 dengan tegangan 180 volt dan frekuensi ke-3 dengan pemberian tegangan

200 volt. Sehingga frekuensi ke-1


57/79

57

Gambar 4.9. Pengujian kinerja kumparan dengan delapan magnet

Frekuensi ke-1 dengan pemberian 160 volt pada motor listrik, frekuensi ke-2

dengan tegangan 180 volt dan frekuensi ke-3 dengan pemberian tegangan 200

volt. Sehingga frekuensi ke-1


58/79

58

Tabel 4.3. Data jumlah lilitan dan tegangan yang dihasilkan untuk 12 magnet

Jumlah lilitan

Tegangan

frekuensi ke-1

(V)

Tegangan

frekuensi ke-2

(V)

Tegangan pada

frekuensi ke-3

(V)

1200 134 156 173

1000 116 136 147

800 91 106 121

600 73 83 87

2. Jumlah magnet

Magnet yang diberikan sebanding dengan medan magnet dan akan sebanding

pula dengan tegangan yang dihasilkan. Jumlah magnet yang diberikan akan

membuat magnet semakin panjang sehingga kumparan lebih banyak memotong

garis-garis gaya magnet. Dengan penambahan beban cantilever berupa magnet

yang semakin banyak, maka cantilever akan berdefleksi lebih besar sehingga

magnet akan masuk lebih dalam daripada jumlah beban yang lebih sedikit.

3.

Frekuensi cantilever

Penggetar akan mempengaruhi perubahan fluks, dan semakin besar frekuensi

cantilever maka akan menyebabkan dengan besarnya perubahan fluk sehingga

tegangan yang dihasilkan oleh kumparan akan semakin besar sesuai dengan

Hukum Faraday. Gaya gerak listrik terinduksi sebanding dengan cepatnya

perubahan fluks garis gaya magnetik yang dicakup oleh kumparan, dari

Persamaan (2.12) berarti perubahan fluks berbanding terbalik dengan waktu yang

diberikan, demikian pula pada frekuensi cantilever . Besarnya frekuensi

berbanding terbalik dengan waktu, sehingga terdapat hubungan antara frekuensi

cantilever yang memberikan perubahan fluks dengan tegangan yang dihasilkan

oleh kumparan. Jika pemberian medan magnet yang sama tetapi diberikankecepatan perubahan fluks yang berbeda juga akan mempengaruhi tegangan yang

dihasilkan. Perubahan fluks diberikan dengan cara memasukkan dan

mengeluarkan magnet dari kumparan, semakin tinggi frekuensi magnet yang

keluar dan masuk kumparan maka tegangan yang dihasilkan akan semakin besar.

Dari Gambar (4.7) sampai dengan (4.9), menunjukkan bahwa semakin besar

frekuensi yang diberikan pada magnet untuk keluar dan masuk ke kumparan maka

semakin besar pula tegangan yang dihasilkan.


59/79

59

BAB V

KESIMPULAN

5.1. Kesimpulan

Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai

berikut:

1. Pada sistem cantilever , besarnya frekuensi dan penambahan beban berupa

magnet sebanding dengan tegangan yang dihasilkan oleh bahan

piezolektrik dan kumparan.

2. Tegangan yang dihasilkan oleh kumparan sebanding dengan medan

magnet dan jumlah lilitan.

5.2 Saran

Pada pengembangan lebih lanjut dari penelitian ini, dapat disarankan

beberapa hal:

1.

Sumber penggetar dapat dikembangkan, sehingga menghasilkan getaran

yang konstan dan dapat di kendalikan.

2. Dapat divariasi bahan cantilever , sehingga dapat diketahui hubungannya

terhadap tegangan yang dihasilkan.

3. Memvariasi posisi bahan magnet dan bahan piezoelektrik pada cantilever ,

sehingga diperoleh hubungannya dalam menghasilkan tegangan.


60/79

60

DAFTAR PUSTAKA

Dargaville, Tim R., Celina Ma

intan purwasih

Documents