rancang bangun sumber energi terbarukan …/rancang... · 3 pernyataan keaslian skripsi dengan ini...
TRANSCRIPT
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
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
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
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
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
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
ABSTRAK
Penelitian ini dilakukan untuk memaksimalkan fungsi sistem cantilever
dalam 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
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
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
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
“Rancang 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
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
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 ............................................. 12
2.3. 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
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 40
4.5.2. 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
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
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 ................................................ 18
Gambar 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
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
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
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
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 menghasilkan
listrik 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
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
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
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 bersifat
kaku, 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
Tegangan Piezoelektrik
Elekroda
Tegangan
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
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=dijklk ....(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=d3111 ....(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 d31, d32, d33, d15, d24, semua
sisanya berharga nol. Konstanta d31 sama dengan konstanta d32 dan konstanta d15
sama dengan konstanta d24. sehingga hanya ada 3 distrik konstanta piezoelektrik.
Besarnya hubungan diantara konstanta ialah d15>d33>d31. Secara umum material
piezoelektrik d33 dua kali lebih besar dibandingkan d31 dan d15 lima kali lebih
besar dari d31. Bahkan meskipun d15 merupakan jumlah yang terbesar, yang
berarti 5 gaya memotong dapat menghasilkan energi lebih daripada pemberian
1
3
P
Elektroda
Elektroda
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=d1513 ....(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 d33 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
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=-g31(x3) .....(2.4)
dengan g31 ialah konstanta piezoelektrik, x3 ialah ketebalan dengan arah aksis.
Dengan demikian, tegangan antara elektroda pada Gambar (2.7) ialah sebagai
berikut:
𝑉 = −𝑔31𝜍 𝑥3 𝑑𝑥 = 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
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 = Pxx + Pyy + Pzz .....(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:
Pxx = d11 xx + d12 yy + d13 zz
Pyy = d21 xx + d22 yy + d23 zz
Pzz = d31 xx + d32 yy + d33 zz
Dengan dmn 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
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
C C
H
H F
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
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 atasnya
delakatkan 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
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 bekerja
gaya 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
a b -kx
A x
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 2A.
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:
𝐾 =𝐹
=
𝐸𝑤𝑑3
4𝐿3 … . . (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:
𝑓 =1
2𝜋
𝐾
𝑚 ∗=
𝑑
2𝜋(0,98)𝐿2 𝐸
𝜌 … . . (2.8)
dalam hal ini indikasi dari kerapatan cantilever (kg/m3) dan m*
mengindikasikan massa efektif cantilever (kg). Massa efektif cantilever
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 dalam
medan magnet yang bervariasi terhadap waktu. Induksi gerak listrik ditemukan
dan diselidiki oleh Faraday dan Lenz.
A
B
C
L
B
C
B
A
B
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)
U S
U S
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 melintasi
loop 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
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) = −𝑁∆
𝑡 ...............(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
𝑒𝑖𝑛𝑑 = −𝑑𝜙
𝑑𝑡 ....................(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
Gambar 2.16. Induksi gaya gerak listrik memotong garis gaya (Soedojo, 1985)
Flux garis gaya magnet yang dipotong persatuan waktu ialah:
𝑑𝜙
𝑑𝑡= 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.
𝐹 = 𝑞𝑣 𝑥 𝐵 ..........(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
B B
B
B B
isolator
isolator v
v konduktor
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 cahaya
menjadi 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
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 (
Volt
)
Jarak (Cm)
Pengujian GP2D12
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, Delphi
mempunyai kompabilitas yang baik antara versi lama dengan versi barunya. Jenis
apliikasi yang dirancang dengan delphi sangat luas dan bervariasi.
2.5.5. Komponen Serial Port 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
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
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Metode Penelitian
Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode eksperimen
untuk memberikan hubungan antara kinerja kumparan dan bahan piezoelektrik
dengan energi listrik yang dihasilkan dalam sistem cantilever.
3.2. Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian dilakukan di Laboratorium Komputer Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Sebelas Maret dan penelitian ini telah dilakukan sejak April 2010
sampai Juni 2010.
3.3. Alat dan Bahan
Peralatan dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya:
1. Seperangkat bahan polymer piezoelektrik PVdF V21B (1 buah)
2. Lilitan
Diameter kawat 0,25 mm (jumlah lilitan: 1200, 1000, 800 dan 600)
3. Magnet (12 buah)
4. Cantilever
a. Penggaris stainless steal 30 cm
5. Statif (2 buah)
6. Voltmeter DC (2 buah)
7. Seperangkat alat pengukur simpangan ( 1 buah)
a. Seperangkat komputer (1 buah)
b. Power suplly (1 buah)
c. DT-5 Munimum System Ver 3.3 berbasis AT89S51 (1 buah)
d. Switch input nilai bit ( 1 unit)
e. ADC 0804 (1 buah)
f. Sensor GD2D12 infrared detector (1 buah)
g. Perangkat lunak Delphi 7, M-IDE dan Downloader DT51L
8. Motor listrik dan pulley (1 buah)
9. Dimmer (1 buah)
10. Stopwatch (1 buah)
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. Voltmeter
8. 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
1 4 2
5
8
6
1
3 10
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
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
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 pemberian
tiga 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.)
Dimmer Motor
listrik Pulley Cantilever
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 lilitan
2. 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
1 4
2
3
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
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
4
5
00:00,0 00:04,3 00:08,6 00:13,0 00:17,3 00:21,6 00:25,9
Sim
pan
gan
(cm
)
Waktu (detik)
Grafik simpangan Vs waktu
Waktu real 9,3 detik
5 23,6
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
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
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
Sim
pan
gan
(cm
)
Waktu (detik)
Grafik Simpangan Vs waktu
50,3 14,9
51
sensor. Misalnya pada Gambar (4.2), terdapat enampuluh gelombang dengan
selang waktu antara 14,9 detik dan 50,5 detik. Sehingga:
𝑛 = 60
∆𝑡 = 35,4 detik =35,2
2= 17,7 detik
𝑓 = 𝑛
∆𝑡=
60
17,6= 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
Sim
pan
gan
(cm
)
Waktu (detik)
Pemberian tegangan 200 volt
47,5 53,5
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
00:50,1 00:51,0 00:51,8 00:52,7 00:53,6 00:54,4 00:55,3 00:56,2 00:57,0 00:57,9
Sim
pan
gan
(cm
)
Waktu (detik)
Pemberian tegangan 160 volt
51 57
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 = 𝐹
𝐴 (4.2)
R² = 0,997
R² = 0,997
R² = 0,950
0,6
1
1,4
1,8
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
Teg
angan
(V
)
Frekuensi (Hz)
Frekuensi Vs tegangan bahan piezo8 magnet
10 magnet
12 magnet
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
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<frekuensi ke-2<frekuensi ke-3, dengan
frekuensi ke-1 adalah 2,9 Hz, frekuensi ke-2 sebesar 3,1 Hz dan frekuensi ke-3
70
85
100
115
130
145
160
175
190
400 600 800 1000 1200 1400
Teg
angan
(m
V)
Jumlah lilitan
Grafik tegangan Vs jumlah lilitan (12 magnet)
frekuensi ke-1
frekuensi ke-2
frekuensi ke-3
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 <frekuensi ke-2<frekuensi ke-3, dengan
frekuensi ke-1 adalah 2,7 Hz sedangkan untuk frekuensi ke-2 adalah 2,8 Hz dan
frekuensi ke-3 adalah 3,2 Hz.
4.5.3. Pengujian Kinerja Kumparan dengan Delapan Magnet
Untuk pengujian delapan magnet, cantilever memperoleh tambahan massa
magner sebesar 4,782 gram.
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
400 600 800 1000 1200 1400
Teg
angan
(m
V)
Jumlah lilitan
Grafik tegangan Vs jumlah lilitan (10 magnet)
frekuensi ke-1
frekuensi ke-2
frekuenai ke-3
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<frekuensi ke-2<frekuensi ke-3, dengan frekuensi
ke-1 adalah 3,2 Hz sedangkan frekuensi ke-2 adalah 3,3 Hz dan frekuensi ke-3
adalah 3,4 Hz.
Dari grafik yang ditunjukkan pada Gambar (4.7) sampai dengan Gambar (4.9)
memperlihatkan bahwa besarnya tegangan yang dihasilkan oleh kumparan
dipengaruhi oleh jumlah lilitan, perubahan fluks dan waktu.
1. Jumlah lilitan
Jumlah lilitan kumparan, sesuai dengan Hukum Faraday yaitu gaya gerak
listrik induksi akan berbanding lurus dengan jumlah lilitan. Telah terlihat pada
ketiga grafik, bahwa semikin banyak lilitan kumparan maka semakin tinggi pula
tegangan yang dihasilkan. Mengacu pada persamaan (2.11), bahwa jumlah lilitan
akan mempengaruhi gaya gerak listrik. Jika perubahan fluks atau perubahan
frekuensi cantilever dan jumlah magnet tetap, maka tegangan akan mengalami
kenaikan sesuai dengan jumlah kumparan. Sehingga perbandingan jumlah
kumparan akan sama dengan tegangan yang dihasilkan. Misal diambil pada data
duabelas magnet seperti yang ditunjukkan pada Tabel (4.3). Diambil
perbandingan jumlah lilitan 1200:600, maka menghasilkan nilai 2, sedangkan
perbandingan untuk frekuensi ke-1 adalah 1,85, frekuensi ke-2 adalah 1,88 dan
frekuensi ke-3 adalah 1,98.
40
50
60
70
80
90
100
110
400 600 800 1000 1200 1400
Teg
angan
(m
V)
Jumlah lilitan
Grafik tegangan Vs jumlah lilitan (8 magnet)
frekuensi ke-1
frekuensi ke-2
frekuensi ke-3
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 diberikan
kecepatan 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
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
DAFTAR PUSTAKA
Dargaville, Tim R., Celina Mathias C., Elliott Julie M, Chaplya Pavel M., D.
Jones Gary, M Mowery Daniel, Assink Roger A., Clough Roger L., Marti
Jeffrey W., 2005. Characterization, Performance and Optimization of
PVDF as a Piezoelectric Film for Advanced Space Mirror Concepts.
Albuquerque. New Mexico 87185 and Livermore: California 94550
Fraden, Jacob, 1993, AIP Handbook of Modern Sensors Phisics Designs and
Aplication. American Institute of Physics: New York.
Giancoli, Douglas C.,1977, Fisika Jilid 2. Erlangga: Jakarta
Kane, Joseph W. dan Sternhem, Morton M., 1938. Physics I. Jhon Wiley and
Sons, Inc: United States.
Kim, Sunghwan, 2002, Low Power Energy Harvesting with Peizoelectric
Generator. University of Pittsburgh.
Park, Jae H., Kim, H., Yoon, Dae S., Kwang, Soo Y., Lee, J., Kim, Tae S., 2009.
Efects of the Material Properties on Piezoelectric Thick Film Micro
Cantilever as Sensor and Self Actuators. Korea institute of Science and
Technology: Korea.
Purnomo, Fendi Aji, 2008. Pembuatan Alat Ukur Simpangan Berbasis PC
Menggunakan Sensor GP2D12 Melalui Serial Port. Fisika FMIPA:
Surakarta.
Sears, F.W. dan Zemansky, M. W., 1970, University Physics. Addison-Wesley
Publ.Co., Inc., Reading, MA, 4th edition
Soedojo, Peter, 1985. Azas-azas Ilmu Fisika Jilid 2. Gadjah Mada University
Press: Yogyakarta.
Sodano, Henry A., Inman, Daniel J., and Gyuhae, 2005, Generation and Storage
of Electricity from Power Harvesting Device. Journal Of Intelegent
Material System And Structures, Vol. 16
Swallow, L. M., Luo J K, Siores E, Patel I, and Dodds D, 2008, A Piezoelectric
Fibre Composite Based Energy Harvesting Device For Potential
Wearable Aplication. Journal Of Smart Material And Structure
Xi, J., Dy, E., Hung, M. T, Montemagno, C., 2004. Development of Self-
Assembled Muscle-Powered Piezoelctric Microgenerator. NSTI-
Nanotech. ISBN 0-9728422-7-6
61
LAMPIRAN 1.
Data kalibrasi sensor simpangan
1. N =4; t grafik=25,3 detik; real=12 detik ; rasio=t grafik: real=2,11
2. N = 4 ; t grafik=19,7 detik; real=9,9 ; rasio=t grafik: real=1,98
3. N = 4; t grafik=25,3 detik ;real=10,3 detik ; rasio=t grafik: real=2,01
-6
-4
-2
0
2
4
6
00:00,0 00:08,6 00:17,3 00:25,9 00:34,6
Sim
pan
gan
(cm
)
Waktu (detik)
Grafik simpangan Vs waktu
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
00:00,0 00:04,3 00:08,6 00:13,0 00:17,3 00:21,6 00:25,9 00:30,2
Sim
pan
gan
(cm
)
Waktu (detik)
-6
-4
-2
0
2
4
00:00,0 00:04,3 00:08,6 00:13,0 00:17,3 00:21,6 00:25,9 00:30,2
Sim
pan
gan
(cm
)
Waktu (detik)
62
4. N = 4; t grafik=20,9 detik; real= 10,3 detik; rasio=t grafik: real=2,03
5. N = 4 ; t grafik= 18,6 detik; real= 9,3 ; rasio=t grafik: real= 2
Perhitungan
Pengukuran ke- x x2
1 2,11 4,45
2 1,98 3,92
3 2,01 4,04
4 2,03 4,12
5 2 4
Jumlah 10,13 20,53
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
00:00,0 00:04,3 00:08,6 00:13,0 00:17,3 00:21,6 00:25,9 00:30,2
Sim
pan
gan
(cm
)
Waktu (detik)
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
00:00,0 00:04,3 00:08,6 00:13,0 00:17,3 00:21,6 00:25,9
Sim
pan
gan
(cm
)
Waktu (detik)
63
𝑥 = 2,026
𝑥𝑖2 = 20,533
𝑥𝑖 2
= 102,617
1
122
N
xxN
Ns ii
x
𝑠𝑥 =1
5
5 20,533 − (102,617)
5 − 1
𝑠𝑥 = 0,0224
Hasil = (2,026±0,0224)
LAMPIRAN 2
1. Pengukuran massa magnet
Tabel pengukuran massa 12 magnet
Magnet ke-
Massa (gram)
1 0,598
2 0,597
3 0,588
4 0,596
5 0,603
6 0,616
7 0,58
8 0,604
9 0,593
10 0,614
11 0,599
12 0,598
Jumlah 7,186
64
Tabel pengukuran massa 10 magnet
Magnet ke- Massa (gram)
1 0,598
2 0,597
3 0,588
4 0,596
5 0,603
6 0,616
7 0,58
8 0,604
9 0,593
10 0,614
Jumlah 5,989
Tabel pengukuran massa 8 magnet
Magnet ke- Massa (gram)
1 0,598
2 0,597
3 0,588
4 0,596
5 0,603
6 0,616
7 0,58
8 0,604
Jumlah 4,782
65
2. Pengukuran medan magnet
a. 12 magnet
Tabel pengukuran medan magnet untuk 12 magnet
Pengukuran ke- Medan magnet (tesla) x2
1 0,377 0,142129
2 0,376 0,141376
3 0,375 0,140625
4 0,375 0,140625
5 0,377 0,142129
Jumlah 1,88 0,706884
𝑥 = 0,376 𝑡𝑒𝑠𝑙𝑎
𝑥𝑖2 = 0,707
𝑥𝑖 2
= 3,534
1
122
N
xxN
Ns ii
x
𝑠𝑥 =1
5
5 0,707 − (3,534)
5 − 1
𝑠𝑥 = 0,0004
Hasil = (0,376±0,0004) tesla
b. 10 magnet
Tabel pengukuran medan magnet untuk 10 magnet
Pengukuran ke- Medan magnet (tesla) x2
1 0,356 0,126736
2 0,357 0,127449
3 0,365 0,133225
4 0,356 0,126736
5 0,361 0,130321
Jumlah 1,795 0,644467
66
𝑥 = 0,359 𝑡𝑒𝑠𝑙𝑎
𝑥𝑖2 = 0,644
𝑥𝑖 2
= 3,222
1
122
N
xxN
Ns ii
x
𝑠𝑥 =1
5
5 0,644 − (3,222)
5 − 1
𝑠𝑥 = 0,002
Hasil = (0,322±0,002) tesla
c. 8 magnet
Tabel pengukuran medan magnet untuk 8 magnet
Pengukuran ke- Medan magnet (tesla) x2
1 0,327 0,106929
2 0,324 0,104976
3 0,339 0,114921
4 0,336 0,112896
5 0,331 0,109561
Jumlah 1,657 0,549283
𝑥 = 0,331 𝑡𝑒𝑠𝑙𝑎
𝑥𝑖2 = 0,549
𝑥𝑖 2
= 2,745
1
122
N
xxN
Ns ii
x
𝑠𝑥 =1
5
5 0,549 − (2,745)
5 − 1
𝑠𝑥 = 0,003
Hasil = (0,331±0,003) tesla
67
LAMPIRAN 3
Penentuan frekuensi
1. Frekuensi ke-1
1. N = 60 ; t=19,45 detik; f= 3,084 Hz
2. N = 49; t=14,55; f = 3,367 Hz
3. N= 57; t= 17,3 detik; f=3,294 Hz
4. N= 73; t=23,4 detik; f = 3,119 Hz
5. N = 72; t= 22,22 detik; f = 3,243 Hz
68
2. Frekuensi ke-2
1. N= 67; t = 21,1 detik; f= 3,175 Hz
2. N= 64; t = 20,55 detik; f = 3,114 Hz
3. N= 51; t = 15,6 detik; f = 3,269 Hz
4. N = 103; t = 31,85 detik; f= 3,233 Hz
5. n = 73,5; t = 22,9 detik; f=3,2 Hz
69
3. Frekuensi ke-3
1. N = 74; t=24 detik; f= 3,08 hz
2. N = 80,5; t= 24,25 detik; f= 3,319 Hz
3. N= 51; t= 16,75; f = 3,044Hz
4. N = 54;t=27,5 detik; f=1,963 hz
5. N= 59; t = 17,2 detik; f= 3,402 Hz
70
4. Frekuensi ke-4
1. n =72, t = 22, f = 3,275
2. n = 71, t = 21,95, f = 3,234 Hz
3. n = 75,5 ; t=22 ; f = 3,431 Hz
4. n = 76,5; t = 26,8 detik ; f = 2,854 Hz
71
5. n = 66,5; t = 20,4; f = 3,259 Hz
5. Frekuensi ke-5
1. n = 84; t = 25, 65 detik; f = 3,27 Hz
2. n = 69; t = 20,05; f = 3,441 Hz
3. n = 52; t = 19,4; f = 2,680 Hz
4. n = 65; t = 20,95; f = 3,102 Hz
72
5. n = 67; t = 23; f = 2,913 Hz
6. Frekuensi ke-6
1. n = 58; t = 20,2; f = 2,87 Hz
2. n = 73; t = 22,15; f = 3,295 Hz
3. n = 83; t = 30,15; f = 2,752 Hz
4. n = 51; t = 25,5 detik; f = 2 Hz
73
5. n = 58; t = 21,7; f = 2,710 Hz
7. Frekuensi ke-7
1. N = 75; t =23,6 detik ; f = 3,177Hz
2. N = 54; t = 16,3 detik ; f = 3,128 Hz
3. N = 60,5; t = 17,5 detik ; f = 3,4 Hz
74
4. N = 80; t = 23,65detik ; f = 3,82 Hz
5. N = 59; t = 17,45 detik ; f = 3,381 Hz
8. Frekuensi ke-8
1. N = 77,5; t =22,55 detik ; f = 3,43Hz
2. N = 69,5; t =20,3 detik ; f = 3,423Hz
75
3. N = 79; t =23,45 detik ; f = 3,368Hz
4. N = 75,5; t =22,6 detik ; f = 3,34Hz
5. N = 72; t =23,2detik ; f = 3,10Hz
9. Frekuensi ke-9
1. N = 64; N = 80; t = 18,55 detik ; f = 3,45 Hz
76
2. N = 53; t = 14,85; f = 3,569 Hz
3. N= 66; t = 19,35 detik ; f = 3,410 Hz
4. n = 70, t = 20,45, f = 3,42 Hz
5. n = 92, t = 26,1, f = 3,52 Hz
77
LAMPIRAN 4
Tabel hasil pengujian kinerja bahan piezoelektrik
1. Penambahan beban duabelas magnet
Pengukuran ke-
Tegangan pada
frekuensi ke-1
(V)
Tegangan pada
frekuensi ke-2
(V)
Tegangan pada
frekuensi ke3
(V)
1 0,848 2,016 3,77
2 1,114 2,512 3,944
3 1,07 2,896 4,018
4 0,5 1,946 2,734
Rata-rata 0,883 2,3425 3,6165
2. Penambahan beban sepuluh magnet
Pengukuran ke-
Tegangan pada
frekuensi ke-4
(V)
Tegangan pada
frekuensi ke-5
(V)
Tegangan pada
frekuensi ke-6
(V)
1 0,786 1,084 2,888
2 1,146 2,168 3,71
3 0,726 1,716 2,576
4 1,072 1,346 4,05
Rata-rata 0,9325 1,5785 3,306
3. Penambahan beban delapan magnet
Pengukuran ke-
Tegangan
Frekuensi ke-7
(V)
Tegangan
Frekuensi ke-8
(V)
Tegangan
Frekuensi ke-9
(V)
1 0,264 1,374 3,05
2 0,954 1,914 3,48
3 0,382 1,39 3,122
4 0,904 1,00 3,088
Rata-rata 0,626 1,4195 3,185
Tabel data untuk 12 magnet (Gambar (4.5))
Frekuensi (Hz) Tegangan (V)
2,9 0,883
3,1 2,3425
3,2 3,6165
Tabel data untuk 10 magnet
Frekuensi (Hz) Tegangan (V)
2,7 0,9325
2,8 1,5785
3,2 3,306
78
Tabel data untuk 8 magnet
Frekuensi (Hz) Tegangan (V)
3,2 0,626
3,3 1,4195
3,4 3,185
LAMPIRAN 5
Tabel hasil pengujian kinerja kumparan
1. Duabelas 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. Sepuluh magnet
Jumlah lilitan
Tegangan pada
frekuensi ke-4
(V)
Tegangan pada
frrekuensi ke-5
(V)
Tegangan pada
frekuensi ke-7
(V)
1200 107 123 133
1000 95 116 120
800 74 95 105
600 54 67 77
3. Delapan magnet
Jumlah lilitan
Tegangan pada
frekuensi ke-7
(V)
Tegangan pada
frekuensi ke-8
(V)
Tegangan pada
frekuensi ke-9
(V)
1200 79 88 106
1000 64 76 90
800 54 64 74
600 41 49 57
79
LAMPIRAN 6
Data sheets bahan piezoelektrik yang digunakan dalam penelitian