Embed Size (px)
Citation preview
EFEK TERMOELEKTRIK
Denniswara S., Widyo J., Yangki Sulaeman, David , Iwan N., Agus Rahmat A.
10209016, 10208038, 10209014, 10208035, 10209047, 10209089
Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia
E-mail : [email protected]
Asisten : Fajar M. Subhi (10208046)
Tanggal Praktikum : 12-10-2011
Abstrak
Teknologi termoelektrik adalah teknologi yang bekerja dengan mengkonversi energi panas menjadi listrik secara
langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik menghasilkan dingin (pendingin termoelektrik).
Untuk menghasilkan listrik, material termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang
menghubungkan sumber panas dan dingin. Dari rangkaian itu akan dihasilkan sejumlah listrik sesuai dengan jenis
bahan yang dipakai. Efek termoelektrik dipengaruhi oleh tiga efek yang berbeda yaitu Efek Seebeck, Efek Peltier,
dan Efek Thompson. Di praktikum inilah kita bisa lihat dan buktikan pengaruh dari ke-3 efek tsb. Praktikum kali ini
bertujuan menentukan koefisien seeback pada percobaan 1a dan 2, metode praktikum kali ini praktikan melakukan
pengamatan dan percobaan secara langsung dibantu dengan sebuah peragkat computer. Hasil dari percobaan kali
ini kita dapatkan koefisien seebeck untuk percobaan 1a sebesar S= -0.0162, dan pada percobaan 2 sebesar S= -
0,0938, pada percobaan 1b arah kincir bergerak ke kanan sesuai arah jarum jam. Pada Percobaan 2 membuktikan
bahwa proses pada efek seebeck bisa berlangsung secara kebalikannya, tentunya hal ini membuktikan bahwa efek
peltier benar adanya.
Kata kunci: Konversi, J. C. A. Peltier, Semikonduktor, Thomas Seebeck, Williams Thomson
I. Pendahuluan
a. Tujuan
1. Menentukan grafik hubungan
nilai tegangan terhadap suhu
untuk percobaan 1a dan
percobaan 2.
2. Menentukan arah dari perputaran
dinamo (kincir) yang dipakai pada
percobaan 1b.
3. Menentukan nilai koefiesien
Seebeck dari grafik hubungan
nilai tegangan terhadap suhu.
b. Teori Dasar
EFEK TERMOELEKTRIK
Termoelektrik adalah teknologi yang
bekerja dengan mengkonversi energi
panas menjadi listrik secara langsung
(generator termoelektrik), atau
sebaliknya, dari listrik menghasilkan
dingin (pendingin termoelektrik). Untuk
menghasilkan listrik, material
termoelektrik cukup diletakkan
sedemikian rupa dalam rangkaian yang
menghubungkan sumber panas dan
dingin. Dari rangkaian itu akan
dihasilkan sejumlah listrik sesuai
dengan jenis bahan yang dipakai.
Efek termoelektrik dipengaruhi oleh
tiga efek yg berbeda yaitu :
a) Efek seebeck
Jika 2 buah logam yang berbeda
disambungkan salah satu ujungnya,
kemudian diberikan suhu yang berbeda
pada sambungan, maka terjadi
perbedaan tegangan pada ujung yang
satu dengan ujung yang lain. Fenomena
ini pertama kali ditemukan oleh
Seebeck sehingga disebut efek Seebeck
atau umumnya dikenal dengan nama
prinsip termokopel. Tegangan yang
dihasilkan ini sebanding dengan
pembedaan temperatur diantara dua
junction. Semakin besar perbedaan
temperatur, semakin besar tegangan di
antara junction. Dari fenomena ini, kita
dapat menentukan koefisien Seeback,
yaitu:
S =
…………(1)
Gambar 1. Skema ilustrasi terjadinya Seebeck
effect, pendingin termoelektrik pada material
semikonduktor
Gambar 2. Skema ilustrasi terjadinya Seebeck
effect, generator pada material semikonduktor
b) Efek Peltier
Penemuan Seebeck memberikan
inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk
melihat kebalikan dari fenomena
tersebut. Dia mengalirkan listrik pada
dua buah logam yang direkatkan dalam
sebuah rangkaian. Ketika arus listrik
dialirkan, terjadi penyerapan panas
pada sambungan kedua logam tersebut
dan pelepasan panas pada sambungan
yang lainnya. Pelepasan dan
penyerapan panas ini saling berbalik
begitu arah arus dibalik.
Penemuan yang terjadi pada tahun
1934 ini kemudian dikenal dengan efek
Peltier.
Gambar 3. Skema ilustrasi terjadinya peltier
effect pada material semikonduktor
c) Efek Thompson
Efek Thomson menyatakan bahwa
terdapat penyerapan atau pelepasan
panas bolak-balik dalam penghantar
homogen yang terkena perbedaan
panas dan perbedaan listrik secara
simultan. Didapat bahwa gradien
potensial hasil dari perbedaan
temperatur adalah positif searah
dengan gradien temperatur.
Pada praktikum ini digunakan material
semikonduktor yang saling terhubung.
Dalam semikonduktor tipe‐n, elektron
bertidak sebagai pembawa muatan
mayoritas. Sebaliknya, pada
semikonduktor tipe‐p, jumlah elektron
sangat sedikit. Ketika electron
berpindah ke tingkat energi yang lebih
tinggi, tempat yang ditinggalkan
electron kemudian disebut sebagai hole.
Hole bertindak sebagai pembawa
muatan positif. Karena satu elektron
bergerak, dia meninggalkan sebuah hole
yang kemudian akan diisi oleh elektron
lain. Satu elektron berpindah untuk
mengisi hole tadi dan meninggalkan
hole baru. Hal ini mengakibatkan hole
tampak bergerak ke arah yang
berlawanan dengan arah elektron.
Dalam semikonduktor tipe‐p, pembawa
muatan mayoritas adalah hole.
Gambar 4. Penampang thermoelectric cooler
II. Metode Percobaan
1. Percobaan pertama (bagian 1) :
Thermoelectric Effect
Gambar 5 : Reversible Thermoelectric
Demonstrator yang akan digunakan pada
percobaan modul Efek Termoelektrik
a. Panaskan air kira-kira satu gelas
sampai suhu 700 C (tidak
sampai mendidih)
b. Masukkan air yang panas ke
dalam gelas styrofoam,
sementara gelas styrofoam
yang satnya lagi dimasukkan air
beserta es batu. Pasang
Reversible Thermoelectric
Demonstrator. Pastikan setiap
kaki terendam air panas dan
dingin.
c. Catat perubahan beda suhu
antara air panas dan air dingin
setiap lima detik sampai tiga
menit. Catat juga perubahan
tegangan yang terjadi dengan
multimeter.
2. Percobaan pertama (bagian 2) :
Thermoelectric Effect
Secara metode percobaan pertama
bagian 1 dengan percobaan ini
sangatlah sama, namun perbedaan
terdapat pada suhu air dan
terdapat kincir yang dapat berputar
apabila dialiri arus.
Suhu air pada kedua gelas harusnya
berbeda jauh, gelas pertama akan
diisi air mendidih dan gelas kedua
akan diisi oleh air yang
ditambahkan es batu. Pada
percobaan ini, hanya dilakukan
pengamatan arah berputarnya
kincir.
Gambar 6 : Kincir yang dipasangkan
pada Reversible Thermoelectric
Demonstrator
Pastikan pemasangan kutub positif
dan negatif dari alat Reversible
Thermoelectric Demonstrator tidak
terbalik.
3. Percobaan kedua : Reversible
Thermoelectric Effect
a. Sambungkan Reversible
Thermoelectric Demonstrator
dengan sumber tegangan,
pastikan VOUT < 6 VDC dan arus <
2 A.
b. Masukkan air ke dalam kedua
gelas styrofoam, pastikan suhu
kedua air sama (gunakan air
keran)
c. Masukkan Reversible
Thermoelectric Demonstrator
pada kedua gelas dan diamkan
selama 30-45 menit kemudian
cabut kabel yang
menghubungkan dengan
sumber tegangan.
Gambar 7 : Sumber tegangan yang
digunakan
d. Catat perubahan suhu antara
gelas styrofoam yang pertama
dengan yang kedua, lalu catat
pula perubahan tegangan
setiap lima detik.
e. Catat nilai perubahan
perbedaan suhu air dan
tegangan tersebut sampai tiga
menit.
III. Data dan Pengolahan
1. Percobaan 1a
Waktu (Second)
Beda Suhu (THOT – TCOLD)
Beda Tegangan
(Volt)
5 67.40743 0.477
10 67.82164 0.499
15 67.30693 0.515
20 67.47443 0.529
25 67.24055 0.545
30 66.95584 0.559
35 66.81067 0.568
40 66.94686 0.579
45 66.5977 0.586
50 66.2994 0.593
55 66.57702 0.599
60 66.04196 0.607
65 65.94124 0.612
70 65.8962 0.617
75 65.573 0.62
80 65.69386 0.623
85 65.22303 0.625
90 64.91115 0.627
95 64.8278 0.628
100 64.74461 0.63
105 64.54769 0.63
110 64.40346 0.631
115 64.20803 0.631
120 64.064 0.631
125 63.85991 0.63
130 63.65683 0.63
135 63.52613 0.629
140 63.57398 0.628
145 63.58437 0.627
150 63.41044 0.626
155 62.97014 0.625
160 62.75791 0.624
165 62.4224 0.623
170 62.3267 0.622
175 62.42554 0.621
180 62.41853 0.618 Tabel 1 : Beda Suhu dan Beda Tegangan
percobaan 1a
dengan grafik yang didapatkan
Grafik 1 : Beda Tegangan terhadap Beda
Suhu pada percobaan 1a
dengan persamaan linear
y(x) = -0.0185x + 1.8051…..(2)
persamaan (1) menyatakan negatif dari
gradien persamaan (2) adalah koefisien
Seebeck, maka
S =
maka S = 0.0185
2. Percobaan 1b
Pada percobaan 1b, arah gerak dari
kincir sebelum kutub dari kincir ditukar
posisinya adalah bergerak berlawanan
arah jarum jam dan setelah ditukar
gerak dari kincir adalah searah jarum
jam.
y = -0.0185x + 1.8051 R² = 0.5813
0
0.2
0.4
0.6
0.8
62 64 66 68 70
Be
da
Tega
nga
n (
Vo
lt)
Beda Suhu (Celcius)
Grafik Percobaan 1a
Gambar 8 : Kincir yang sedang berputar
3. Percobaan 2
Waktu (Second)
Beda Suhu (THOT – TCOLD)
Beda Tegangan
(Volt)
5 5.43383 0.403
10 5.317263 0.373
15 5.293967 0.348
20 5.293967 0.326
25 5.270672 0.306
30 5.201064 0.289
35 5.154721 0.271
40 5.178092 0.257
45 5.247484 0.243
50 5.270575 0.233
55 5.224628 0.224
60 5.247792 0.215
65 5.270672 0.207
70 5.317159 0.2
75 5.22449 0.194
80 5.27124 0.188
85 5.294137 0.183
90 5.340454 0.178
95 5.271028 0.173
100 5.224935 0.17
105 5.294549 0.166
110 5.294401 0.163
115 5.387284 0.16
120 5.410462 0.157
125 5.410292 0.155
130 5.410403 0.153
135 5.341336 0.15
140 5.410589 0.148
145 5.36398 0.147
150 5.341336 0.145
155 5.456949 0.143
160 5.410953 0.142
165 5.410657 0.14
170 5.3878 0.139
175 5.457072 0.137
180 5.411292 0.136
Tabel 2 : Beda Suhu dan Beda Tegangan
percobaan 2
dengan grafik yang didapatkan
Grafik 2 : Beda Tegangan terhadap Beda
Suhu pada percobaan 2
dengan persamaan linear
y(x) = -0.3525x + 2.0802…..(3)
persamaan (1) menyatakan negatif dari
gradien persamaan (2) adalah koefisien
Seebeck, maka
y = -0.3525x + 2.0802 R² = 0.1578
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
Be
da
Tega
nga
n (
volt
)
Beda Suhu (Celcius)
Grafik Percobaan 2
S =
maka S = 0.3525
IV. Pembahasan
a. Nilai Koefisien Seeback yang didapat
bernilai positif, yaitu 0.0185 dan 0.3525
Volt/Kelvin. Hasil yang didapat pada
praktikum kali ini berbeda. Dikarenakan
adanya perubahan pada titik medan
listrik, dari titik medan listrik yang tinggi
ke titik medan yang lebih rendah, hal ini
mengakibatkan terjadinya perubahan
suhu yang lumayan besar, suhu
berubah dari suhu yang temperaturnya
rendah ke temperature yang tinggi
(700C /tidak sampai mendidih). Bisa kita
lihat pada gambar 2 muatan pada
semikonduktor tsb cenderung bergerak
melawan arah perubahan temperature,
hal ini terjadi karena keduanya harus
mencapai keadaan setimbang.
Kesetimbangan yang didapat
bergantung pada tipe semikonduktor
yang kita pakai, pada praktikum kali ini
kita memakai semikonduktor tipe p
yang mempunyai muatan yang positif
dan tentunya bergerak cenderung
searah arus perubahan temperature,
hal inilah yang menyebabkan nilai
koefisien seebeck yang didapat bernilai
positif.
b. Pada percobaan kali ini efek
termoelektrik dan efek sebaliknya (efek
Peltier) dapat terjadi karena digunakan
bahan semikonduktor yang saling
terhubung. Dalam semikonduktor, tipe-
n, elektron bertindak sebagai pembawa
muatan mayoritas, sebaliknya pada
semikonduktor tipe-p, jumlah elektron
sangat sedikit. Ketika elektron
berpindah ke tingkat energi yang lebih
tinggi, elektron meninggalkan tempat
yang disebut Hole. Hole bertindak
sebagai pembawa muatan positif.
Perpindahan elektron dan hole ini yang
menyebabkan terjadinya efek Seeback
dan efek Peltier.
c. Pada percobaan 1b didapat arah
putaran kincir bergerak ke kiri
berlawanan arah jarum jam. Hal ini
terjadi disebabkan karena perubahan
suhu yang cukup signifikan, dan
mengakibatkan terjadinya efek
Seeback. Dynamo yang kita gunakan
pada praktikum kali ini akan bergerak
jika tegangan yang dihasilkan diatas 1V,
hasil praktikum menunjukan kincir bisa
bergerak dengan cukup cepat, hal ini
akibat dari adanya perbedaan suhu
yang cukup signifikan menghasilkan
tegangan yang besarnya lebih dari 1V.
d. Pemanfaatan teknologi Termoelektrik
antara lain sebagai Pembangkit daya
(Power generation), Dengan
menggunakan Termoelekrik, panas yang
dihasilkan selama proses yang alami
pembangkit akan diubah menjadi listrik,
sehingga panas yang dihasilkan tidak
terbuang secara percuma dan energi
yang dihasilkan oleh pembangkit
menjadi lebih besar, serta efisiensi
energi menjadi lebih tinggi.
e. Simpulan
1. Hubungan antara tegangan dan
temperatur dapat dilihat pada grafik 1
dan 2.
2. Arah putaran pada percobaan 1b
didapat tidak searah dengan jarum jam
(counter-clockwise).
3. Koefisien Seebeck yang didapat pada
percobaan 1a dan 2 adalah 0.0185 dan
0.3525 Volt/Kelvin.
Pustaka
1. http://white-rose-
red.com/img/101207_technology_t
hermoelectric.png copy at 11:29
PM 10/11/2011
2. http://www.thuisexperimenteren.n
l/science/thermokoppel/thermo4.gi
f copy at 11:37 PM 10/11/2011
3. http://www.daviddarling.info/imag
es/Peltier_effect.jpg copy at 11:37
PM 10/11/2011
4. http://hyperphysics.phy-
astr.gsu.edu/hbase/solids/imgsol/n
sem.gif copy at 11:53 PM
10/11/2011
5. http://hyperphysics.phy-
astr.gsu.edu/hbase/solids/imgsol/p
sem2.gif copy at 11:53 PM
10/11/2011
6. http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/
mwagner/node14.html#ss:int:seeb
eck copy at 01:06 AM 10/14/2011
7. http://www.customthermoelectric.
com/History.html copy at 02:33 AM
10/14/2011
8. http://www.hbci.com/~wenonah/ri
ddick/semicond.htm copy at 02:33
AM 10/14/2011
