MODUL 3 TERMOELEKTRIK

Moch. Arif Nurdin, Septia Eka M. P, Hanani Disi L, Robby Hidayat, M. Ilham 10211003, 10211022, 10211051, 10211063, 10211078

Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia

Email : marifnurdin@gmail.com Assisten : Fauzia P. Lestari / 10210085

Tanggal Praktikum : 10 10 2013

Abstrak Termoelektrik merupakan alat untu menghasilkan potensial listrik berdasarkan perubhan kalor dan juga sebaliknya. Aplikasi Termoelektrik sering kita gunakan dalam kehidupan sehari. Proses Termolektrik dipengaruhi oleh efek seebek, efek peltier dan efek thompson. Pada efek seebek perbedaan temperatur pada dua buah logam akan menghasilkan suatu beda potensial. Efek peltier berlaku sebaliknya, suatu beda potensial pada suatu logam akan meghasilkan perbedaan suhu pada ujung-ujungnya. Reversible Thermoelectric Demonstration (RTD) digunakan untuk mengamati arus listrik yang diakibatkan perbedaan temperatur. Hubungan antara perubahan beda potensial dan peruabhan suhu terjadi secara linear. Gradien garisnya menunjukkan besar dan arah dari koefiseien seebek. Koefisien seebek memiliki nilai dan arah yang berbeda-beda yang diakibatkan dari perbedaan material semikonduktor yang digunakan. Kata kunci : Efek Peltier, Efek Seebek, Koefisien Seebek, Temperatur

I. Pendahuluan Pada praktikum ini, kita akan

menghitung nilai koofesien seebek dan mengamati gejala efek seebek dan peltier.

Termoelektrik merupakan suatu alat/piranti untuk mengubah perubahan seuhu menjadi suatu beda potensial, dan sebaliknya. Termoelektrik dipengaruhi oleh tiga efek, yaitu efek seebek, thompson dan peltier.

Efek seebek terjadi ketika suatu logam dengan beda temperatur antara kedua ujung nya. Ketika logam tersebut di sambung, maka akan terjadi beda potensial diantara kedua ujungnya. Efek ini digunakan dalam aplikasi termokopel.

Gambar 1 Skema Efek Seebek pada suatu bahan

Efek peltier terjadi ketika dua buah metal atau bahan semikonduktor di saambungkan dan diberi beda potensial, maka akan terjadi pelepasan dan penyerpan kalor pada ujung ujung bahan konduktornya. Maka akan terdapat bagian logam yang dingin dan panas. Selang waktu

perubahan tersebut tergantung dari besarnya beda potensial yang kita berikan dan juga dari koofesian semikonduktor tersebut.

Gambar 2 Skemat Efek Peltier pada suatu bahan

Efek thompson menjelaskan bahwa proses pelepasan dan penyerapan kalor secara bolak balik dalam batang homogen berlangsung secara kontinu dikarenaan adanya beda potensial. Gradien potensial ini bergantung dari perubahan beda potensial per perubahan suhunya.[1]

Pada semikonduktor, ketika tidak diberikan energi (atau energinya kurang dari batas minimumnya) maka elektron akan tersimpan pada pita valensinya debngan ikatan kovalaen yang cukup besar. Ketika diberikan suatu energi, maka elektron tersebut akan tereksitasi meninggalkan pita valensi menuju pita konduksinya yang selanjutnya akan menghasilkan arus. Untuk kasus semikonduktor tipe-n, ketika elektron tereksitasi ke pita konduksi, maka akan ada hole dari hasil perpindahan elektron tersebut.

Setelah itu, hole tersebut akan diisi oleh elktron selanjutnya dan elektron yang pindah ke hole satu, akan menghasilkan hole selanjutnya. Sehingga akan terlihat pergerakan hole yang berlawanan pergerakan dari elektron (arus).

Gambar 3 Pita Konduksi dan Pita valensi pada

elektron

II. Metode Percobaan Dalam percobaan ini kita melakukan

perhitungan terhadap efek seebek dan efek peltier.

Pada percobaan efek peltier, kita sipakan 2 wadah dengan wadah yang pertama kita isi dengan air panas (suhu sekitar 80oC) dan wadah kedua kita isi dengan es (suhu sekitar 0oC). Setelah itu kita pasang Reversible Thermoelectric Demonstrator (RTD). Kita hubungkan prob Logger pro. Probe tersebut kita hubungkan pada 4 titik (air panas, es, kaki panas RTD, dan kaki dingin RTD). Hitung perubahan suhu tiap titik (bisa dilihat di komputer) dan perubahan potensial untuk perubahan setiap selang 5 sekon selama 3 menit.

Pada percobaan peltier, kita siapkan dua buah wadah diisi dengan air sama banyak dengan temperatur yang sama. Kita masukkan RTD dengan terlebih dahulu dihubungkan ke sebuah sumber tegangan. Atur sumber inputan agar tidak melebihi ambang batas RTD (2 Ampere, 6 Volt). Tunggu untuk selang waktu sekitar 60 menit. Setelah 60 menit, kita kembali ukur suhu untuk setiap titik (sama seperti percobaan seebek) dan juga perubahan untuk suhunya.

III. Data dan Pengolahan

1. Percobaan Efek Seebek

Kondisi awal T panas = 94 oC T dingin = 0,1 oC

Gambar 4 Fungsi Transfer Efek Seebek

(pada air panas dan es)

Gambar 5 Fungsi Transfer Efek Seebek (pada RTD kaki air panas dan Kaki es)

2. Percobaan Efek Peltier Data untuk Reversible Thermoelectric Demonstration (RTD) :

Vinput = 5,012 V Arus = 1 A Tair awal = 26,3 oC Tair akhir (panas) = 36 oC Tair (oC) akhir (dingin) = 24,47 oC

Gambar 6 Fungsi Transfer Efek Peltier (pada air

panas dan es)

Gambar 7 Fungsi Transfer Efek Peltier (pada RTD kaki air panas dan Kaki es)

IV. Pembahasan

Berdasarkan percobaan, kita dapat mengetahui nilai koofesien seebek dengan cara melakukan regresi linear antara perubahan beda potensial terhadap suhu, karena hubungan antara beda potensial dan perubahan suhu nya adalah linear, sehingga koefisien seebek adalah gradien garisnya.

= + ....... (1)

Dimana persamaan tersebuk sebanding dengan : = (. ) + ..... (2) Maka didapat nilai koofesien seebek sebagai berikut :

No Percobaan Koofesien Seebek

1 Efek Seebek pada Probe Cairan (1a)

-0,023

2. Efek Seebek pada Probe Kaki (1b)

0,01975

3. Efek Peltier pada Probe Cairan (2a)

-0,09136

4. Efek Peltier pada Probe Kaki (2b)

O,03693

Tabel 1 Koefiseien Seebek untuk setiap percobaan

Dari hasil percobaan, nilai koofesien seebek yang didapat berbeda-beda. Untuk nilai mutlaknya, nilai kooefesien seebek berkisar di 0,02 V/K, dengan nilai referensi sebesar 10 V/K. Namun untuk nilai secara fisisnya, nilai koofesien seebek untuk probe yang di cairan (air panas dan es),

menunjukan nilai koofesien seebek positive. Dan untuk kooefesien seebek pada probe kaki nya (kaki RTD untuk es dan air panas), menunjukkan nilai koefesien seebek yang negative.

Nilai yang berubah ubah tersebut berasal dari pengaruh suhu reservoir nya, khususnya untuk percobaan peltier, keadaan nya sangat mudah drop mendekati suhu reservoir (suhu ruangan 26 oC). Sehingga sebaiknya diperlukan rentang yang lebih lebar lagi antara suhu dingin dan panas nya. Nilai koefisien seebek yang bernilai positif artinya, nilai perubahan arus dan tegangan nya itu sama dan sebaliknya. Arah gerak arus sendiri bergantung dari medan listrik yang diberikan. Pada semikonduktor tipe n, nilai kooefesien seebek > 0. Karena arah dan medan elektrik nya berlawanan (arah tegangan berbanding erbalik dengan arah medan listrik contohnya pada asus GGL induksi). Pada konduktor tipe p, nilai medan listrik dan temperaturnya berbanding lurus. Maka nilai koefesien seebeknya < 0. Sehingga pada kasus tersebut, terjadi beda jenis material antara material di air dan di kaki RTD nya. Metode yang paling baik adalah pada percobaan 1b, dimana input kita yang berikan berasal dari data suhu yang kita ambil dari kaki RTD langsung, bukan dari cairan. Karena ketika memasukan data, yang lebih real time adalah dari kaki dibanding dengan air. Karena pada air, suhu akan mudah dipengaruhi oleh keadaan suhu reservoir nya (khusunya utuk temperatur yang tinggi, kalor lebih mudah memancar pada keadaan radiasi dibanding konveksi atau dalam keadaan radiasinya). Semikonduktor terbagi atas semikonduktor tipe p dan tipe n. Pada semikonduktor tipe p, mayoritas yang ada adalah muatan positif yang bertindak sebagai hole. Pada semikonduktor tipe n, mayoritasnya adalah elektron. Ketika terjadi pemberian energi pada semikonduktor, elektron yang asalnya terikat pada ikatan kovalen akan terseksitasi ke pita onduksi yang akan mengahsilkan suatu arus.

Pada fenomena efek seebek, ketika ada energi kalor yang berpindah dari dingin ke panas, maka elektron pada semikondutor akan bergerak berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, dengan hubungan yang linear. Besar perubahan nilai tersebut bergantung

dari koefesien seebek material tersebut. Sehingga akan terjadi beda otensial ketika benda tersebut kita hubungkan satu sama lain.

Pada peristiwa efek peltier, ketika ada arus yang mengalir, maka hal itu akan menyebabkan pergerakan kalor dari batang tersebut pergerakan kalor tersebut berlawanan arah dengan perubahan temperaturnya, dimana akan ketika ada aliran arus dari bagian A ke bagian B, maka akan terjadi perpndahan kalor dari A ke B. Sehingga pada batang A temperaturnya memiliki nilai yang lebih tinggi dengan temperatur pada batang B. Sehingga lama kelamaan air akan panas pada satu sisi dan sisi lainnya menjadi dingin.

Koefisien seebek secara kasarnya menujukan seberapa besar kemampuan suatu material mengubah beda potensial menjadi suatu perubahan suhu dan sebaliknya. Kemampuan tersebut bergantung dari material bahan yang ada dalam suatu logam. Ketika suatu logam memiliki energi ikat yang besar (ikatan kovalen), maka nilai koefisien seebek nya akan kecil. Karena dibutuhkan energi yang besar untuk melepas elektron dari ikatan kovalennya agar dapat tereksitasi ke pita konduksi untuk selanjutnya mengahsilkan beda potensial.

Setiap logam selain memiliki nilai koefisen sebek yang berbeda besarnya juga berbeda tandanya. Hal itu tergantung dari jenis semikonduktor penyusun logam tersebut. Pada saat koefisien seebek bernilai positif, medan listrik akan serah dengan perubahan suhunya (arus drift). Ketika semikonduktor tipe n, dengan mayoritasnya adalah elektron, ketika diberi suatu energi (kalor), elektron akan terseksitasi dengan arah nya yang searah dengan perubahan suhunya. Hal tersebut dikarenakan ketika terjadi suatu medan listrik makan akan menghasilkan suatu kecepatan drift, yang arahnya berlawanan dengan arah medannya. Untuk kasus semikonduktor tipe p, kecepatan drift yang terjadi searah dengan arah medan listriknya. Kecepatan drift ini yang selanjutnya akan menghasilkan nilai kerpatan arus dengan besar : Jn = - en Vdm = - en (- n E) = en n E ... (3) Dimana : n = konsentrasi elektron

e = besar/magnitud muatan listrik n = konstanta mobilitas E = Medan listrik.

Arus drift ini memiliki arah yang berlawan dengan aliran carrier negatif (dalam hal ini elektron), yang berarti semikonduktor tipe-n memiliki arah arus yang sama dengan dengan medan listrik yang diberikan. Dan sebaliknya untuk konduktor tipe-p, memiliki nilai arah arus yang berlawanan dengan arah medan listrik yang diberikan. Dikarenakan arah kecepatan driftnya yang searah dengan arah arus nya. Sehingga rapat arusnya berlawanan arah dengan arah medan listriknya.

Gambar 8 Kecepatan dan Arus Drift Carrier pada

Semikonduktor tipe-p dan tipe-n

Sehingga ketika arah medan listrik tersebut positif akan menghasilkan nilai koefisien seebek yang positif. Hal tersebut terjadi pada semikoduktor tipe-n. Dan sebaliknya, pada semikonduktor tipe-p nilai koefisien seebeknya akan bernilai negatif.

Perputaran kincir yang terjadi pada termokoper serah dengan arah jarum jam. Dimana input positif berasal air panas dan negatifnya berasal dari air dingin. Hal ini menandakan perputaran arus, terjadi dari logam yang memiliki suhu lebih tinggi munuju logam yang suhunya relatif lebih rendah. Termokopel bekerja berdasarkan prinsip termoelektrik. Intinya, ketika ada perubahan suhu maka akan terjadi perubahan potensial listriknya. Pada termokopel digunakan dua material logam untuk menyusunnya. Digunakan titik referensi untuk membandingkan nilai beda potensialnya. Secara kasar, ketika ada perubahan suhu, maka akan menghasilkan sutu tegangan, dan tegangan tersebut akan dikonversikan menjadi data digital lagi melalui suatu sistem interface.

Gambar 9 Skema Ragkaian Termokopel

Aplikasi termoelektrik banyak kita jumpai pada kehidupan sehari hari. Contohnya pada mesin pendingin (refrigator), AC dan kompor listrik. Pada Refrigator dan AC, sifat dingi yang digunakan menggunakan prinsip peltier. Ketika diberikan suatu beda potensial tertentu, maka menghasilkan sifat dingin pada logam yang di kelilingi pada mesein tersebut. Pada kompor litrik, sifat panas nya yang kita gunkan. Sama halnya seperti refrigator, beda potensial yang diberikan akan menghasilkan nilai arus tertentu.

V. Simpulan

Pada percobaan ini kita mendapatkan nilai koefesien seebek sebesar 0,02 volt. Perbedaan yang terjadi diakibatkan dari pengaruh perubahan suhu yang drastis dari lingkungan. Nilai positif negatif yang ada pada semikonduktor bergantung pada jenis semikonduktor yang ada. Untuk semikonduktor tipe-n, nilai koefisien seebek

nya bernilai positif. Dan sebaliknya untuk semikonduktor tipe p.

Pada praktikum ini, metode yang lebih tepat dilakukan adalah pengukuran pada kaki Reversible Thermoelectric demnstration nya. Termoelektrik banak digunakan dalam kehidupan sehari hari. Contohnya untuk mesin pendingin dan kompor listrik.

VI. Pustaka

[1] Sutahja, M. Inge. Penelitian Bahan Thermoelektrik bagi aplikasi konversi energi di masa datang. Bandung : Institut Teknologi Bandung, 2010 [2]http://cnej.wordpress.com/2008/11/25/dasar-teori-semikonduktor-3/ diakses pada 13 Oktober 2013 .