MODUL 3
TERMOELEKTRIK
Suprapto, Briandhika Utama, Eddo Putradipura, Juwanda, Wiwin Theresia S., Fandi Walio
10211103, 10211062, 10211070, 10211076, 10211083, 10211107
Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia
Email: prapto.fmipaitb@yahoo.com
Asisten: Fauzia P. Lestari/10210085
Tanggal Praktikum: 24-10-2013
Abstrak
Praktikum modul Termoelektrik bertujuan untuk mengamati efek Seebeck dan efek Peltier. Pada praktikum ini juga dilakukan percobaan menentukan arah arus listrik yang dihasilkan pada percobaan efek Seebeck dengan menggunakan kincir yang dipasang pada dinamo yang disambungkan dengan Reversible Thermoelectric Demonstrator. Efek Peltier merupakan kebalikan dari efek Seebeck. Percobaan efek Seebeck dan percobaan efek Peltier menggunakan probe Logger Pro yang dimasukkan ke dalam air dan diletakkan pada Reversible Thermoelectric Demonstrator yang menghasilkan perbedaan hasil dalam pengukuran selisih suhu. Koefisien Seebeck didapat dengan melakukan plot nilai tegangan dan perbedaan suhu yang didapat pada percobaan. Koefisien Seebeck pada setiap bahan memiliki nilai yang berbeda yang bergantung pada jenis bahan tersebut.
Kata Kunci: Temperatur, Tegangan, Efek Seebeck, Efek Peltier
I. Pendahuluan
Praktikum Modul Termoelektrik bertujuan untuk memahami fenomena Efek Seebeck dan Efek Peltier. Selain itu, praktikum ini bertujuan untuk menentukan koefisien Seebeck.
Efek Seebeck merupakan efek yang terjadi bila terjadi perbedaan temperatur antara dua titik pada konduktor atau semikonduktor yang menghasilkan perbedaan tegangan pada kedua titik tersebut.
Koefisien Seebeck menyatakan kenaikan tegangan termoelektrik pada setiap unit perbedaan temperatur di kedua ujung logam tersebut.
S = V / T (1)
Keterangan
S : Koefisien Seebeck (V/°C)
V : Tegangan termoeletrik (V)
T : Temperatur (°C)
Efek Peltier merupakan kebalikan dari efek Seebeck. Efek Peltier terjadi ketika sambungan antara kedua bahan diberikan arus listrik sehingga terjadi perbedaan temperatur.
Praktikum modul ini menggunakan Reversible Thermoelectric Demonstrator yang tersusun dari material semikonduktor yang saling terhubung yaitu semikonduktor tipe-n dan semikonduktor tipe-p. Semikonduktor tipe-n merupakan pembawa muatan mayoritas yaitu elektron. Semikonduktor tipe-p didominasi oleh hole. Semikonduktor tipe-n dan tipe-p ini disambungkan dengan sambungan semikonduktor yang pada ujung-ujungnya dihubungkan dengan logam yang dipanaskan dan didinginkan.
Gambar 1. Skema Reversible Thermoelectric Demonstrator[1]
II. Metode Percobaan
Praktikum Modul Termoelektrik ini terdiri dari tiga percobaan yaitu mengamati efek Seebeck dan menghitung koefisien Seebeck, mengamati efek termoelektrik pada kincir, dan mengamati efek Peltier.
Percobaan untuk mengamati efek Seebeck dan menghitung koefisien Seebeck dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut:
– Panaskan air sebanyak satu gelas sampai kira-kira mencapai suhu 80°C.
– Air yang sudah dipanaskan dimasukan ke dalam gelas dan es batu dimasukan ke dalam gelas yang lain.
– Pasang Reversible Thermoelectric Demonstrator sebagai penghubung antara gelas berisi air panas dan gelas berisi es batu. Pastikan kaki alat tersebut terendam di air panas dan di es batu.
– Pada percobaan ini, akan dilakukan perbandingan pengukuran dengan penempatan probe Logger Pro pada posisi yang berbeda. Untuk kasus pertama, masukan probe Logger Pro pada masing-masing gelas tersebut. Untuk kasus kedua, probe Logger Pro diletakan di atas kaki-kaki Reversible Thermoelectric Demonstrator.
– Catat perbedaan suhu antara gelas berisi air panas dan gelas berisi es batu dengan menggunakan program Logger Pro setiap 5 detik selama 3 menit. Catat perbedaan tegangan yang terukur dengan menggunakan multimeter.
Percobaan untuk mengamati efek termoelektrik pada kincir dapat dilakukan dengan langkah sebagai berikut:
– Masukan air mendidih ke suatu gelas dan masukan es batu ke gelas yang lain.
– Reversible Thermoelectric Demonstrator dihubungkan antar gelas yang berisi air panas dan gelas yang berisi es batu. Pastikan kaki alat tersebut terendam di air panas dan di es batu.
– Pasang kincir pada Reversible Thermoelectric Demonstrator dan pastikan kabel positif dan kabel negatif terpasang dengan tidak terbalik.
– Amati arah gerak kincir. Arah gerak kincir memiliki dua kemungkinan yaitu searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam.
Arah perputaran kincir akan searah dengan arah arus listrik yang dihasilkan. Arah arus listrik yang dihasilkan searah dengan arah arus suhu. Arus suhu mengalir dari permukaan bersuhu panas ke permukaan bersuhu dingin.
Percobaan untuk mengamati efek Peltier dapat dilakukan dengan langkah sebagai berikut:
– Sumber tegangan dinyalakan dan gunakan tegangan yang tidak melebihi 6 VDC dan gunakan arus yang tidak melebihi 2 A.
– Isi air dengan suhu yang sama pada kedua gelas yang akan digunakan.
– Pasang Reversible Thermoelectric Demonstrator untuk menghubungkan kedua gelas dan hubungkan sumber tegangan menggunakan kabel penghubung.
– Diamkan rangkaian alat-alat tersebut selama kira-kira 30-45 menit. Setelah mencapai waktu tersebut, cabut kabel penghubung dengan sumber tegangan.
– Pada percobaan ini, akan dilakukan perbandingan pengukuran dengan penempatan probe Logger Pro pada posisi yang berbeda. Untuk kasus pertama, masukan probe Logger Pro pada masing-masing gelas tersebut. Untuk kasus kedua, probe Logger Pro diletakan di atas kaki-kaki Reversible Thermoelectric Demonstrator.
– Catat perubahan perbedaan suhu air pada masing-masing gelas, lalu catat perubahan tegangan menggunakan multimeter. Pencatatan dilakukan setiap 5 detik selama 3 menit.
Koefisien Seebeck yang didapat dari percobaan efek Seebeck dan efek Peltier memiliki besar yang sama dan tanda yang sama karena Reversible Thermoelectric Demonstrator yang digunakan adalah sama.
III. Data dan Pengolahan
Percobaan 1 – Efek Seebeck
a) Menentukan koefisien Seebeck dengan memasukkan probe Logger Pro ke dalam masing-masing gelas
R-square: 0,8918
Gambar 2. Grafik V vs T pada efek Seebeck dengan memasukkan probe Logger Pro ke dalam masing-masing gelas
b) Menentukan koefisien Seebeck dengan menaruh probe Logger Pro pada Reversible Thermoelectric Demonstrator
R-square: 0,01526
Gambar 3. Grafik V vs T pada efek Seebeck didapat dengan menaruh probe Logger Pro pada Reversible Thermoelectric Demonstrator
c) Menentukan arah gerak kincir
Pada percobaan dengan menggunakan dinamo yang dihubungkan dengan Reversible Thermoelectric Demonstrator, kincir yang disambungkan pada dinamo bergerak berlawanan arah jarum jam. Bila dilihat dari depan, susunan alat yang digunakan pada percobaan yaitu gelas berisi es batu berada di sebelah kiri dan gelas berisi air panas berada di sebelah kanan. Temperatur mengalir dari temperatur yang panas ke temperatur yang dingin. Berdasarkan susunan alat tersebut, aliran suhu mengalir dari gelas kanan ke gelas kiri. Aliran suhu searah dengan aliran arus listrik, sehingga arus mengalir dari gelas kanan ke gelas kiri. Akibat hal tersebut, kincir berputar berlawanan arah jarum jam.
Percobaan 2 – Efek Peltier
a) Mengamati efek Peltier dengan memasukkan probe Logger Pro ke dalam masing-masing gelas
R-square: 0,02849
Gambar 4. Grafik V vs T pada efek Peltier dengan memasukkan probe Logger Pro ke dalam masing-masing gelas
b) Menentukan Efek Peltier dengan menaruh probe Logger Pro pada Reversible Thermoelectric Demonstrator
R-square: 0,647
Gambar 5. Grafik V vs T pada efek Peltier didapat dengan menaruh probe Logger Pro pada Reversible Thermoelectric Demonstrator
Tabel 1. Tabel Koefisien Seebeck
| Percobaan | Logger Pro | S (V/°C) |
|
Seebeck |
Air |
0,02132 |
| Kaki |
0,00279 |
|
|
Peltier |
Air |
-0,003008 |
| Kaki |
-0,01433 |
IV. Pembahasan
Percobaan 1a, 1b, 2a, dan 2b memberikan hasil koefisien Seebeck yang berbeda. Koefisien Seebeck pada percobaan 1a dan 1b bernilai positif sedangkan koefisien Seebeck pada percobaan 2a dan 2b bernilai negatif. Koefisien Seebeck pada percobaan 2a dan 2b bernilai negatif karena Reversible Thermoelectric Demonstrator dipasang terbalik atau penempatan gelas-gelas yang terbalik. Selain itu, probe Logger Pro yang ditempatkan di dalam gelas dan yang ditempatkan pada Reversible Thermoelectric Demonstrator mempengaruhi dalam pengukuran perbedaan suhu yang tentunya berpengaruh pada koefisien Seebeck.
Pada percobaan Efek Seebeck, percobaan dengan menggunakan metode memasukan probe Logger Pro ke dalam masing-masing gelas lebih baik daripada menggunakan metode menaruh probe Logger Pro pada Reversible Thermoelectric Demonstrator. Probe Logger Pro yang dimasukan ke dalam masing-masing gelas langsung bersentuhan dengan air panas dan es batu, sehingga suhu yang terukur akan lebih akurat karena bersentuhan langsung dengan medium yang akan diukur suhunya.
Koefisien Seebeck pada percobaan 1 dan percobaan 2 dapat dilihat pada tabel 1. Koefisien Seebeck yang didapat berbeda satu sama lain. Hal tersebut terjadi karena perbedaan posisi gelas yang digunakan dalam rangkaian percobaan. Pada percobaan efek Seebeck bila dilihat dari depan, susunan alat yang digunakan pada percobaan yaitu gelas berisi es batu berada di sebelah kiri dan gelas berisi air panas berada di sebelah kanan. Pada percobaan efek Peltier bila dilihat dari depan, susunan alat yang digunakan pada percobaan yaitu gelas berisi air yang lebih panas berada di sebelah kiri dan gelas berisi air lebih dingin berada di sebelah kanan. Akibat dari perbedaan penempatan masing-masing gelas, koefisien Seebeck yang didapat pada percobaan 1 dan 2 memiliki tanda yang berbeda. Arus yang dihasilkan pada percobaan 1 memiliki arah yang berbeda dengan arus yang digunakan pada percobaan 2, sehingga tanda koefisien Seebeck menjadi berbeda.
Thomas Johann Seebeck menemukan fenomena termoelektrik pada tahun 1821. Beliau menghubungkan tembaga dan besi dalam suatu rangkaian. Beliau menempatkan kompas di antara kedua logam tersebut. Ketika sisi kedua logam tersebut dipanaskan, jarum kompas bergerak. Aliran listrik yang terjadi pada logam menghasilkan medan magnet yang menggerakkan jarum kompas. Penemuan Seebeck memberikan inspirasi kepada Jean Charles Peltier untuk melihat kebalikan fenomena pada efek Seebeck. Beliau mengalirkan listrik pada dua logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Arus listrik yang dialirkan menghasilkan penyerapan panas pada salah satu sambungan kedua logam dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Ketika arah arus dibalik, penyerapan dan pelepasan panas saling berbalik. Efek ini kemudian dikenal dengan sebutan Efek Peltier[2]. Muatan yang dibawa oleh semikonduktor tipe-p adalah hole sedangkan muatan yang dibawa oleh semikonduktor tipe-n adalah elektron. Pada efek Seebeck, elektron yang berasal dari material tipe-n mengalir dari permukaan yang dingin ke permukaan yang panas dan hole yang berasal dari material tipe-p mengalir dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin. Pada efek Peltier, elektron yang berasal dari material tipe-n mengalir dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin dan hole yang berasal dari material tipe-p mengalir dari permukaan yang dingin ke permukaan yang panas[3].
Gambar 6. Efek Seebeck pada Termokopel Semikonduktor[3]
Gambar 7. Efek Peltier pada Termokopel Semikonduktor[3]
Setiap logam memiliki koefisien Seebeck yang berbeda. Hal tersebut terjadi karena adanya perbedaan kerapatan elektron bebas pada masing-masing bahan[4].
Koefisien Seebeck pada logam ada yang bernilai positif dan ada yang bernilai negatif disebabkan oleh tipe material bahan tersebut. Koefisien Seebeck yang positif dimiliki oleh material tipe-p sedangkan Koefisien Seebeck yang negatif dimiliki oleh material tipe-n[5].
Termokopel adalah sensor pasif yang menghasilkan tegangan sebagai respon terhadap temperatur dan tidak membutuhkan daya eksitasi dari luar. Tegangan yang dihasilkan dari termokopel bergantung pada perbedaan temperatur antara dua thermocouple junction. Untuk mengukur suhu dengan termokopel, salah satu junction dijadikan sebagai referensi dan suhu mutlak yang diukur oleh junction tersebut diukur dengan menggunakan sensor seperti thermistor, RTD, atau yang sejenisnya. Cara yang lain selain cara tersebut adalah dengan menempatkan salah satu junction ke material yang temperaturnya dapat dijadikan temperatur referensi[6]. Termokopel adalah junction yang terbentuk dari dua logam yang berbeda. Termokopel terdiri dari dua logam yang berbeda karena junction yang terbentuk dari dua logam yang berbeda tersebut ada yang digunakan untuk mengukur temperatur referensi (misalkan 0°C) dan ada yang digunakan untuk mengukur temperatur yang akan diukur[7].
Aplikasi dari efek termoelektrik adalah jam termoelektrik yang diproduksi oleh Seiko Co Ltd dengan nama Seiko Thermic. Jam tangan tersebut memanfaatkan perbedaan suhu tubuh dan suhu sekitarnya. Bahan yang digunakan yaitu bismut-tellurium yang mampu menghasilkan listrik sebesar 0,2 miliVolt/°C. Seiko membuat unit pembangkit listrik yang terdiri dari sepuluh buah modul termoelektrik yang masing-masing berisi seratus kawat mikro. Dari setiap unit ini dihasilkan energi listrik sebesar 0,15 V yang digunakan untuk mengisi baterai litium pada jam dengan nama Seiko Thermic tersebut[2].
V. Simpulan
– Efek Peltier merupakan fenomena kebalikan dari efek Seebeck.
– Koefisien Seebeck yang didapat dari percobaan efek Seebeck dan percobaan efek Peltier berbeda karena penempatan probe Logger Pro (di dalam gelas atau pada Reversible Thermoelectric Demonstrator) dan penempatan kedua gelas (di sebelah kiri atau di sebelah kanan).
VI. Pustaka
[1] Thermocouple Electric Generators. Tersedia di:
http://www.mpoweruk.com/thermoelectricity.htm
Diakses tanggal 27 Oktober 2013.
[2] Melirik Teknologi Termoelektrik sebagai Sumber Energi Alternatif. Tersedia di:
http://www.energi.lipi.go.id/utama.cgi?cetakartikel&1091919348
Diakses tanggal 26 Oktober 2013.
[3] Semiconductors Without the Quantum Physics. Tersedia di:
http://www.mpoweruk.com/semiconductors.htm
Diakses tanggal 26 Oktober 2013.
[4] Aplikasi Material Semikonduktor untuk Sistem Pengkondisian Udara.
http://www.academia.edu/839300/Aplikasi_Material_Semikonduktor_Untuk_Sistem_Pengkondisian_Udara
Diakses tanggal 26 Oktober 2013.
[5] Room Temperature Seebeck Coefficient Measurement of Metals and Semiconductors.
Diakses tanggal 27 Oktober 2013.
[6] Jacob F. Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. 3rd ed. New York: Springer; 2004.
[7] Temperature Sensor – The Thermocouple.
http://www.facstaff.bucknell.edu/mastascu/elessonshtml/Sensors/TempThermCpl.html.
Diakses tanggal 26 Oktober 2013.
praptofi11 
Leave a comment