GEJALA THERMOELEKTRIK

BAB  1

PENDAHULUAN

1.1  LATAR BELAKANG

Bahan thermoelektrik adalah bahan unik yang dapat mengkonversi energi panas menjadi energi

listrik, atau sebaliknya yang ramah lingkungan. Kinerja dari bahan thermoelektrik ditentukan oleh nilai figure of merit (FOM) yang didefinisikan sebagai T=(S2s/k)/T, dengan S adalah koefisien Seebeck, s adalah konduktivitas listrik, k adalah konduktivitas thermal, dan T adalah temperatur yang dinyatakan dalam Kelvin. Devais thermoelektrik konvensional umumnya menggunakan bahan aloy bulk binary semikonduktor. Walaupun demikian, penggunaan devais thermoelektrik konvensional ini dibatasi oleh nilai efisiensinya yang relatif masih rendah. Dalam makalah ini direview hasil penelitian bahan thermoelektrik baru dalam usaha untuk meningkatkan kinerjanya untuk aplikasi. Teknik yang digunakan berupa manipulasi sifat fisis bahan dengan ‘induksi’ elemen tertentu (“rattler”), manipulasi struktur kristal dengan struktur nano, dan investigasi bahan oksida bulk baru berbasis logam oksida kobalt.

Di dalam kehidupan manusia di muka bumi ini energi panas terutama dihasilkan dari cahaya matahari; energi panas yang tidak berguna banyak pula dihasilkan dari limbah industri (pabrik) maupun dari kegiatan antropogenik manusia seperti kendaraan bermotor (automotive) dan pemakaian AC (air conditioning). Dengan demikian, dengan menggunakan bahan thermoelektrik ini, energi panas yang jumlahnya berlebih atau tidak berguna dapat dikonversi menjadi energi listrik yang berguna bagi kehidupan manusia, terutama bagi daerah - daerah terpencil atau terisolir dimana distribusi energi listrik masih memerlukan transmisitransmisi energi. Dalam skala aplikasi yang lebih besar, material thermoelektrik ini diharapkan dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif untuk menggantikan energi dari bahan bakar

1.2 TUJUAN

1. Untuk mengetahui prinsip kerja termokopel.

2. Untuk mengetahui efek seeback, efek thomson, efek peltier, dan gejala thermoelektrik.

3. Untuk mengetahui aplikasi percobaan gejala thermoelektrik.

4. Untuk mengetahui  hubungan antara suhu dengan GGL (gaya gerak listrik)

BAB 2

LANDASAN TEORI

Pada banyak tanaman menghasilkan, batubara atau tanah dibakar dalam boiler untuk menghasilkan turbin uap. Turbin ini, pada gilirannya, memutar generator yang menghasilkan listrik. Dengan demikian energi panas diubah menjadi energi listrik. Tapi itu adalah sebuah proses tidak langsung .

Pada abad kedelapan belas, Alessandro Volta, penemu sel volta, menemukan fenomena aneh. Ia menemukan bahwa jika dua logam berbeda ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain, salah satu logam akan menjadi sedikit negatif dan yang lain sedikit positif. Dengan kata lain, perbedaan potensial muncul antara keduanya. Kami menyebutnya potensi kontak ini. Dia lebih lanjut menemukan bahwa potensi kontak dipengaruhi oleh logam yang digunakan dan suhu persimpangan antara mereka .

Hari ini, kami percaya bahwa potensi kontak diproduksi karena elektron bebas hadir dalam logam. Elektron bebas berpindah dari satu logam ke lain tapi dispending pada logam yang digunakan, bisa menyeberang lebih mudah dalam satu arah daripada yang lain. Logam menerima elektron yang paling bebas, maka akan menjadi negatif. Yang lainnya, karena kekurangan yang elektron, menjadi positif .

Pada 1822 Thomas J Seebeck ahli fisika Jerman, mengambil tip dari pengamatan Volta tentang pengaruh suhu pada potensi kontak, mengembangkan termokopel. Ini terdiri dari dua strip logam berbeda, bergabung pada salah satu ujungnya. Ketika tho bergabung ujungnya dipanaskan, tegangan langsung kecil muncul antara ujung unjoined keren dari strip. Besarnya tegangan ini tergantung langsung pada perbedaan suhu antara ujung panas dan dingin termokopel.

Sejumlah termokopel dapat bergabung untuk menghasilkan thermopile, yang merupakan detektor yang sangat sensitif panas sinar. Sebanyak beberapa ratus termokopel dapat bergabung dalam seri ( Hanya tiga set yang ditampilkan di sini ) dan terbungkus dalam wadah yang terbuka di satu sisi. Satu set dari sambungan tetap dingin dengan menempatkannya di belakang kontainer.       Yang lain dari persimpangan terkena panas sinar masuk melalui lubang. Sebuah tanduk dipasang di sisi terbuka, bertindak sebagai semacam corong untuk menangkap lebih banyak sinar panas dan dengan demikian meningkatkan tegangan yang dihasilkan di ujung terbuka thermopile tersebut. Sebuah galvanometer sensitif digunakan untuk mengukur tegangan ini. Dalam 1883 Thomas A Edison, sementara bereksperimen dengan lampu pijar nya, melihat efek aneh. Lampu terdiri dari filamen dalam bola kaca dari mana semua udara telah dihapus. Ketika arus listrik disahkan throught filamen ini, perlawanan itu ditemui menyebabkan filamen menyala, menghasilkan cahaya. Dalam lampu khusus ini, Edison telah disegel dalam pelat logam. Ketika ia menghubungkan galvanometer sensitif antara piring dan satu sisi dari filamen, instrumen menunjukkan bahwa arus kecil mengalir pikir itu dari piring ke filamen. Edison Eable untuk menjelaskan adanya arus ini .

Hari ini, kami percaya bahwa, sebagai filamen dipanaskan, aktivitas normal dari elektron bebas yang dipercepat sampai beberapa dari mereka ditembak keluar ke angkasa. Sejumlah elektron bebas ini mendarat pada pelat logam, sehingga negatif. Filamen, memiliki elektron yang hilang menjadi positif. Ketika sirkuit eksternal diselesaikan dengan menghubungkan galvanometer antara piring dan filamen, saat ini mengalir pikir sirkuit seperti yang ditunjukkan. Jadi di sini kita memiliki metode lain langsung untuk mengkonversi panas menjadi energi listrik. Pemberian off elektron oleh filamen dipanaskan disebut emisi termionik. Sebagian besar tabung elektron yang digunakan dalam radio, televisi, dan perangkat sejenis beroperasi pada prinsip ini. Kami akan membahas masalah ini lebih lanjut nanti dalam buku ini. Energi listrik diubah menjadi energi cahaya dalam lampu listrik. Dapatkah energi cahaya diubah kembali menjadi energi listrik. 

 Petunjuk pertama datang pada tahun 1887 ketika Heinrich Hertz, Ilmuwan Jerman yang dikenal sebagai " bulu radio " menemukan bahwa, untuk gaya gerak listrik diberikan, percikan listrik akan melompat melintasi celah besar jika kesenjangan ini diterangi oleh sinar ultraviolet dari jika kesenjangan yang tersisa dalam gelap. Petunjuk kedua muncul setahun kemudian ketika Wilhelm Balai Wachs, ilmuwan lain Jerman, menemukan bahwa sinar ultraviolet jatuh pada logam pelat bermuatan negatif menyebabkannya berkurang dengan sendirinya .

Petunjuk terakhir datang sekitar sepuluh tahun kemudian ketika Joseph J Thomson ilmuwan Inggris yang terkenal menemukan bahwa sinar ultraviolet jatuh pada permukaan logam menyebabkan ia memancarkan elektron. Berikut adalah alasan untuk perilaku Hertz spark gap. Kehadiran elektron yang dipancarkan (dari bola logam antara yang percikan melompat) mengurangi hambatan efektif kesenjangan dan dengan demikian percikan mampu melompat di atasnya lebih mudah. Juga, jika piring bermuatan negatif yang dipancarkan elektron itu kehilangan muatan negatif. Jika di sisi lain, piring didakwa positively, hilangnya elektron hanya akan meningkatkan biaya .

Emisi elektron di bawah pengaruh energi cahaya disebut emisi fotolistrik. Semakin intese cahaya, semakin banyak elektron yang dipancarkan oleh logam terbuka. Walaupun kebanyakan logam akan memancarkan elektron dipancarkan ketika permukaannya expsed sinar ultraviolet dua ilmuwan Jerman lainnya, Julius Elster dan Hans Friendrich Geitel menemukan bahwa beberapa logam seperti natrium, kalium dan beberapa sinar lainnya dan sinar infra merah juga.

Setengah silinder logam (disebut katoda) dilapisi pada permukaan dalamnya dengan beberapa zat memancarkan seperti kalium atau cesium. Sebuah batang logam tipis (disebut anoda) ditempatkan sepanjang sumbu pusat katoda. Kedua katoda dan anoda tertutup dalam amplop kaca dari mana udara telah dievakuasi dan yang diatur dalam basis Bakelite. Koneksi yang dibuat ke anoda dan katoda dengan cara garpu dipasang di dasar .

Ada dua alasan untuk mengevakuasi udara dari amplop. Pertama, kami ingin elektron emmited untuk memiliki jalur tanpa hambatan dari katoda ke anoda tanpa bertabrakan dengan molekul udara. Kedua permukaan memancarkan dan merusak tindakan tabung berikut kemudian adalah sebuah alat yang mengubah energi cahaya langsung menjadi energi listrik.

Aplikasi berbagai unsur foto yang sederhana seperti mereka cerdik. Misalnya, seberkas cahaya di salah satu sisi ruangan dapat difokuskan untuk menyerang chathode dari unsur foto pada sisi yang berlawanan .Sebuah setup yang sama dapat digunakan sebagai alarm pencuri, kecuali bahwa sinar ulatraviolet terlihat akan digunakan sebagai pengganti sinar cahaya tampak. Ketika sinar terganggu oleh tubuh lewat pencuri pikir itu, alarm akan diberikan. Sirkuit yang sama dapat digunakan untuk menghitung dan tujuan pengurutan mana ada gangguan sinar mengoperasikan counter atau beberapa perangkat lain. [3]

Pada dunia elektronika, termokopel adalah sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik (voltage). Termokopel yang sederhana dapat dipasang, dan dimiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperature dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1 ^oC.

Pada tahun 1821 seorang fisikawan Estonia bernama Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa sebuah konduktor (semacam logam) yang diberikan perbedaan panas secara gradient akan menghasilkan tegangan listrik. Hal ini disebut sebagai efek termolistrik. Untuk mengukur perubahan panas ini gabungan dua macam konduktor sekaligus sering dipakai pada ujung benda panas yang diukur.

Konduktor tambahan ini kemudian akan mengalami gradiasi suhu, dan mengalami perubahan tegangan secara berkebalikan dengan perbedaan temperature benda. Menggunakan logam yang berbeda untuk melengkapi sirkuit akan menghasilkan tegangan yang berbeda, meninggalkan perbedaan kecil tegangan memugkinkan kita melakukan pengukuran, yang bertambah sesuai temperatur. Perbedaan ini umumnya berkisar antara 1 hingga 70 mikrovolt tiap drajat celcius untuk kisaran yang dihasilkan kombinasi logam modern. Beberapa kombinasi menjadi popular sebagai standart industri, dilihat dari biaya, ketersediaannya, kemudahan, titik lebur, kemampuan kimia, stabilitas dan hasil. Sangat penting di ingat bahwa termokopel mengukur perbedaan temperatur di antara 2 titik, bukan temperature absolute. Pada banyak aplikasi, salah satu sambungan (sambungan yang dingin) dijaga sebagai temperatur referensi, sedang yang lain di hubungkan pada obyek pengukuran.

 Contoh, pada gambar di atas hubungan dingin akan ditempatkan pada tembaga pada papan sirkuit. Sensor suhu yang lain akan mengukur suhu pada titik ini, sehingga suhu pada ujung benda yang diperiksa dapat dihitung. Termokopel dapat dihubungkan  secara seri satu sama lain untuk membuat thermopile, dimana tiap sambungan yang panas diarahan ke suhu yang lebih tinggi dan semua sambungan dingin ke suhu yang lebih rendah.

Dengan begitu, tegangan pada setiap termokopel menjadi naik, yang memungkinkan untuk digunakan pada tegangan yang lebih tinggi. Dengan adanya suhu tetapan pada sambungan dingin yang berguna untuk pengukuran di laboratorium secara sederhana termokopel tidak mudah dipakai untuk ujung - ujung kebanyakan indikasi sambungan langsug dan instruen control. Mereka menambahkan sambungan dingin tiruan ke sirkuit mereka yaitu peralatan lain yang sensitive terhadap suhu (seperti termistor atau dioda) untuk mengukur suhu sambungan input pada peralatan, dengan tujuan khusus untuk mengurangi gradiasi suhu diantara ujung – ujungnya.

Disisni, tegangan yang berasal dari hubungan dingin yang diketahui dapat disimulasikan, dan koreksi yang baik dapat diaplikasikan. Hal ini dikenal dengan kompensasi hubungan digin. Biasanya termokopel dihubungkan dengan alat indikasi oleh kawat yang disebut kabel ekstensi menggunakan kawat – kawat dengan jumlah yang sama dengan konduktor yang dipakai pada termokopel itu sendiri.

Kabel – kabel ini lebih murah dari pada kabel termokopel, walaupun tidak terlalu mudah, dan biasanya diproduksi pada bentuk yang tepat untuk pengangkutan jarak jauh umumnya sebagai kawat tertutup fleksibel atau kabel multi inti. Kabel – kabel ini biasanya memiliki spesifikasi untuk rentang suhu yang lebih besar dari kabel termokopel. Kabel ini direkomendasikan untuk keakuratan tiggi. Kabel kompensasi pada sisi lain, kurang presisi, tetapi murah.

Mereka memakai perbedaan kecil, biasanya campuran material konduktor yang murah yang memiliki koefisien termoelektrik yang sama dengan termokopel (bekerja pada rentang suhu terbatas) dengan hasil yang tidak seakurat kabel ekstensi. Kombinasi ini menghasilkan output yang mirip dengan termokopel, tetapi opersi rentang suhu kabel kompensasi dibatasi untuk menjaga agar kesalahan yang diperoleh kecil. Kabel ekstensi atau kompensasi harus dipilih sesuai kebutuhan termokopel.

Pemilihan ini menghasilkan tegangan yang proposional terhadap beda suhu antara sambungan panas dan dingin, dan kutub harus dihubungkan dengan benar sehingga tegangan tambahan ditambahakan pada tegangan termokopel, menggantikan perbedaan suhu antara sambungan panas dan dingin. Termokopel paling cocok digunakan untuk mengukur rentangan suhu yang luas, hingga 1800 K. Sebaliknya, kurang cocok untuk pengukuran dimana perbedaan suhu yang kecil harus diukur dengan akurasi tingkat tinggi , contohnya rentang suhu 0-100 ^oC dengan keakuratan 0,1 ^oC. Untuk aplikasi ini termistor dan RTD lebih cocok. Contoh penggunaan termokopel yang umumnya antara lain :

1.      Industri besi dan baja

2.      Pengaman pada alat – alat pemanas

3.      Untuk thermopile sensor radiasi

4.      Pembangkit listrik tenaga panas radioisotop, salah satu aplikasi thermopile [4]

Dalam anlisis gawai termoelektrik, lima efek harus diperhatikan. Di samping konduksi kalor dan kerugian Joule sedehana, yang menyertai arus listrik terhadap tahanan medium penghantar, efek Seebeck, Peltier, dan Thomson harus dibahas. Akan terlihat bahwa ketiga fenomena yang terakhir, yang semuanya terjadi akibat ketidaksamaan potensial listrik yang dihasilkan dalam cara yang berbeda, diantarhubungkan melalui pernyataan yang relatif sederhana yang mula-mula dikembangkan oleh Kelvin, yang dikenal sebagai hubungan Kelvin yang pertama dan kedua.

Efek Hall dan Ettinghausen (galvanometik) dan efek Nernst dan Right-Leduc (termomagnetik) akan dijelaskan kemudian bilamana pengaruh medan magnetik-luar disajikan.  Kegunaan efek Hall dalam menentukan jenis-jenis senikonduktor akan dijelaskan. Analisis termodinamik gawai termoelektrik, di sini bahan penghantar adalah benda padat, menghendaki meninjau perpindahan kalor dengan konduksi. Perpindahan kalor dengan radiasi dan konveksi akan diabaikan. Perpindahan kalor sederhana yang laju perpindahan kalor diandaikan sebanding dengan gradien temperatur sering disebut sebagai aloran kalor Fourier karena perpindahan kalor ini mengikuti hukum Fourier tentang konduksi kalor :

                                                                                            (2.1)

Dengan demikian  adalah koefisien konduktivitas termal, yang biasanya dinyatakan dalam watt per cm-derajat K. Untuk batang penampang persegi panjang, laju perpindahan kalor akan sama dengan :

                                                 

                                                                                                                                    (2.2)

Diandaikan bahwa  tidak berubah terhadap temperatur, atau boleh juga, bahwa nilai yang dipakai adalah nilai dalam jangka temperatur .

Aliran arus listrik dalam sembarang tahanan diikuti oleh pembuangan energi listrik, dengan kata lain, transformasi energi listrik menjadi energi termal. Pembuangan energi ini akan menaikkan temperatur bahan penghantar kecuali energi yang jumlahnya sama diambil oleh perpindahan kalor. Dengan hokum Ohm, V= I.R. Laju pemanasan Joule adalah

                                                                                                                      (2.3)

Tahanan R ditentukan oleh ukuran bahan penghantar dan tahanan jenis bahan ( , ohm sentimeter²/sentimeter, tau hanya dengan ohm-sentimeter. Kebalikan tahanan jenis adalah konduktivitas ( , dengan demikian 

                                    (ohm-cm)^-1                                                                         (2.4)

Untuk batang persegi panjang, tahanan listrik adalah

                                                  ohm                                                                  (2.5) 

Arus listrik lebih mudah dinyatakan sebagai kerapatan (densitas) arus (J), yang berupa

                                                                                                                 (2.6)

Maka:

                                                                                                                                  (2.7)                                                     =                                                                        (2.8)

Efek termoelektrik Seebeck sudah dikenal  oleh kebanyakan ahli teknik disebabkan oleh penggunaannya pada pengukuran temperatur secara termokopel atau sepasang penghantar yang berbeda, yang disusun secara skematis. Kedua bahan yang berbeda tersebut, yang menyusun termokopel, ditandai dengan P dan N yang temperaturnya T_H yang merupakan temperatur yang akan diukur. Rangkaian potensiometer dihubungkan melaui kawat tembaga ke penghantar P dan N masing-masing, kedua sambungan (junction) adalah pada temperatur acuan T_L. Dengan potensiometer pada posisi nol (aliran arus listrik melalui galvanometer adalah nol), tegangan rangkaian terbuka V_PN, yang diakibatkan oleh perbedaan temperatur (T_H-T_L).

            Koefisien Seebeck (  yang kadang-kadang disebut “daya termoelektrik”, untuk satu bahan relativ terhadap bahan lainnya didefenisikan sebagai          

                                                                                                                    (2.9)  

Jika, misalnya, platina diambil sebagai acuan, seperti yang memang dilakukan untuk bahan-bahan termokopel, maka  adalah kemiringan garis pada sebarang temperatur untuk bahan P yang pada tge (emf) dilukiskan tehadap temperatur.

Perhatikan bahwa tegangan Seeback tidak dipengaruhi oleh temperatur sekitar maupun oleh bahan yang dipakai untuk kawat-kawat penghubung peralatan (dalam hal ini tembaga). Dua bahan berbeda (katakanlah, P1 dan N) dibutuhkan untuk gawai ini dan koefisien Seebeck pada temperatur tertentu untuk gabungan tersebut diberikan oleh

                                                                                                                     (2.10) 

Kita lihat bahwa efek Seebeck akan telah dihasilkan dengan dua bahan P1 dan P2, akan tetapi tge untuk perbedaan temperatur, tidak akan sebesar yang dihasilkan oleh gabungan bahan P1 dan N. Bila satu koefisien Seebeck adalah positif dan yang lainnya negatif terhadap bahan pembanding, koefisien dengan (Couple) adalah perjumlahan nilai-nilai numeriknya.

            Bila arus mengalir dari satu bahan penghantar ke bahan lainnya melalui satu sambungan, energi dibawa oleh pembawa muatan ke sambungan dari bahan A pada bagian kiri pada laju Q_A, dan energi di bawa  dari sambungan ke bahan B pada bagian kanan laju Q_B. Karena tingkat energi pembawa muatan pada umumnya akan berbeda pada kedua bahan tersebut, Q_A akan lebih atau lebih kecil dari besar Q_B. Untuk mempertahankan temperatur sambungan yang konstan kalor harus dipindahkan ke atau dari sebaliknya. Perhatikan bahwa arah aliran arus yang  ditunjukkan adalah arus-arus konvensional yang berlawanan dengan arah aktual aliran elektron, aliran ini dapat dinyatakan sebagai arah aliran “lubang” (hole), disini “lubang” diartikan sebagai lowongan yang ditinggalkan oleh pengambilan satu elektron. Tingkat energi, dengan demikian, jumlah energi yang diangkut adalah fungsi setiap bahan.

            Sambungan itu sendiri harus mempunyai tahanan listrik terhingga (finite) sehingga aliran arus melalui sambungan tersebut akan menghasilkan pembuangan daya Joule yang biasa, yang besarnya sama dengan I²R. Tentu saja proses ini bersifar reversible, tetapi akan selalu merupakan konversi energi listrik menjadi energi kalor.

            Tergantung pada besaran relatif  dan , efek Peltier dapat positif maupun negatif,  atau   kah yang lebih besar efek Peltier dapat dibalik oleh pembalikan arah aliran arus listrik. Akan tetapi Q_j akan mempunyai nilai maksimum untuk nilai efek Peltier yang negatif karena suku I²R selamanya bertanda positif.         Disebabkan oleh pengacauan termal pembawa muatan, adalah memungkinkan untuk diciptakan gradien tegangan pada bahan yang homogeni bilamana terdapat gradien temperatur, agak terpisah dari penurunan tegangan yang diakibatkan oleh tahanan bahan. Diandaikan bahwa gradien tegangan yang dihasilkan oleh perbedaan temperatur adalah positif dalam arah yang sama dengan arah gradien temperatur tersebut.

            Untuk satu elektron, satuan-satuannya adalah elektron-volt per elektron per derajat K, yang analog dengan kalor spesifik. Pada rangkaian tertutup, arah aliran arus listrik yang disebabkan oleh perbedaan temperatur akan tergantung pada jenis bahan, pada bahan jenis-P arahnya berlawanan dengan arah bahan jenis-N. Pada dasarnya, perbedaan itu tergantung pada pakah arus dibawa oleh eksitasi (penggairahan) elektron dari tingkat energi donor ke dalam pita konduksi itu dilakukan oleh lubang yang ditinggalkan lowong oleh elektron begitu elektron dieksitasi ke tingkat penerima yang masih tetap dibawah tingkat energi konduksi.

            Aliran arua (arah aliran lubang) akan berlangsung dan temperatur yang lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah, seperti yang ditunjukkan untuk bahan jenis-P. Perbedaan temperatur yang sama akan menciptakan perbedaan tegangan yang berlawanan dan aliran arus dari kanan ke kiri (berlawanan  dengan arah aliran elektron) pada bahan jenis-N.       

            Seperti yang diharapkan, efek Seebeck, Peltier, dan Thomson bukanlah fenomena yang tersendiri-sendiri, tetapi mempunyai antar hubungan. Thomson meramalkan bentuk hubungan dengan penalaran termodinamik makroskopik murni. Karena dia mengabaikan pengaruh ireversibilitas, yang dihasilkan Kelvin belum kuat dan tidak akan diterima saat ini.                     [1]

Efek listrik thermoelektrik adalah karena gradien dalam potensial elektrokimia disebabkan oleh gradien suhu dalam bahan melakukan. Koefisien Seebeck, α didefinisikan sebagai (ΔV / AT) sebagai AT → 0 dimana ΔV adalah emf adalah jumlah yang sangat berguna dan berhubungan dengan entropi diangkut per partikel (α =-S * / e).

 Dalam ekstrinsik semikonduktor koefisien Seebeck untuk elektron diberikan oleh
                                                    =                                                                 (2.11)

Ruang Koefisien Rh diberikan oleh ekspresi:

R_h        =                                                                               (2.12)

Dimana Zen diberi muatan kerapatan pembawa (dengan tanda yang sesuai untuk biaya operator) dan A adalah konstanta tergantung pada apakah bahan yang semikonduktor atau logam. Jika kedua σ dan R diketahui, maka produk.

                                                                                                            (2.13)

Model Band seperti yang disebutkan sebelumnya ada dua penjelasan membatasi elektron terluar atom dalam bentuk padat teori karet, dan lokal-elektron teori atau teori-ligan lapangan. Ketika ada tumpang tindih yang cukup antara orbital elektron terluar dari atom, teori band Bloch dan Wilson akan berlaku. Dimana keduanya ukuran dan elektronegativitas dari anion dan kation yang sangat berbeda, seperti dalam kasus oksida logam transisi, luar s dan p-orbital membentuk pita valensi penuh dan pita konduksi kosong dipisahkan oleh celah besar. Satu-satunya negara yang berada di sekitar tingkat Fermi akan menjadi orang-orang di d-band. D-band akan sempit (dibandingkan dalam logam) jika ion logam yang jauh terpisah.

 Mari kita mempertimbangkan monoxides logam transisi 3d. Oksida TiO ke Nio semua kubik dengan struktur garam. Bidang kristal oktahedral dari anion O-2 di xides ini membagi lima kali lipat-merosot band atas. Meskipun pemisahan medan kristal besar, kesenjangan yang nyata dalam kepadatan negara hanya akan terjadi jika bandwidth adalah urutan membelah atau lebih kecil. Karena band 3d cukup sempit, kita akan mengharapkan kesenjangan energi ada.
 Di TiO dan NbO ada dua dan tiga masing-masing d-elektron dan sub lower band hanya terisi sebagian.

Dari teori Bloch-Wilson logam kita tahu bahwa bahan-bahan yang baik band yang benar-benar penuh band harus metalik. Dengan demikian kita berharap TiO dan NbO menjadi logam, karena memang ditemukan eksperimental. Chronium monoksida, CrO tidak diketahui 3d teks teroksidasi yang berada, MnO memiliki lima d-elektron dan d-band masih belum terisi penuh. Bertentangan dengan harapan, oksida ini tidak metalik. Meminjam sifat anti feromagnetik dari beberapa oksida, adalah mungkin untuk menjelaskan perilaku mereka isolasi pada T = 0. Urutan magnetik menyebabkan dua kali lipat dari ukuran sel primitif dan akibatnya membelah pertukaran semua band. Ini mungkin berlaku untuk NiO dan MnO tetapi tidak untuk CoO, dan untuk menjelaskan perilaku isolasi ini oksida terakhir kita harus mengasumsikan bahwa kristalografi distorsi spontan untuk simetri rendah pada suhu rendah memperkenalkan celah energi. Namun, perilaku suhu terbatas tidak dijelaskan, karena senyawa harus menunjukkan konduktivitas logam pada suhu yang lebih tinggi dari Tn (NiO, MnO, dan CoO yang semikonduktor sama sekali suhu). [2]

Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Belakangan diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.

Penemuan Seebeck ini 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. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik. Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik yang sedang dikembangkan saat ini, seperti pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat, atau pemanfaatan panas bumi. Kesulitan terbesar dalam pengembangan energi ini adalah mencari material termoelektrik yang memiliki efisiensi konversi energi yang tinggi. Parameter material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit suatu material. Idealnya, material termoelektrik memiliki konduktivitas listrik tinggi dan konduktivitas panas yang rendah.

Namun kenyataannya sangat sulit mendapatkan material seperti ini, karena umumnya jika konduktivitas listrik suatu material tinggi, konduktivitas panasnya pun akan tinggi.
Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi 2 Te 3, PbTe, dan SiGe. Saat ini Bi2 Te3 memiliki figure of merit tertinggi. Namun, karena terurai dan teroksidasi pada suhu di atas 500 ^OC, pemakaiannya masih terbatas. Rendahnya figure of merit ini menyebabkan rendahnya efisiensi konversi yang dihasilkan, di mana saat ini efisiensinya masih berkisar di bawah 10 persen. Nilai ini masih berkurang sampai 5 persen setelah menjadi sebuah sistem pembangkit listrik. Masih cukup jauh dibandingkan dengan solar cell yang sudah mencapai 15 persen. Namun, penelitian ini masih terus berkembang, apalagi setelah Yamaha Co Ltd berhasil menaikkan figure of merit sebesar 40 persen dari yang ada selama ini. Setelah itu, perkembangan termoelektrik tidak diketahui dengan jelas sampai kemudian dilanjutkan oleh WW Coblenz pada tahun 1913 yang menggunakan tembaga dan constantan (campuran nikel dan tembaga).

Dengan efisiensi konversi sebesar 0,008 persen, sistem yang dibuatnya itu berhasil membangkitkan listrik sebesar 0,6 mW. AF Ioffe melanjutkan lagi dengan bahan-bahan semikonduktor dari golongan II-V, IV-VI, V-VI yang saat itu mulai berkembang. Hasilnya cukup mengejutkan, di mana efisiensinya meningkat menjadi 4 persen. Ioffe melakukan satu lompatan besar di mana ia berhasil menyempurnakan teori yang berhubungan dengan material termoelektrik. Teori itu dibukukan tahun 1956 yang kemudian menjadi rujukan para peneliti hingga saat ini.Penelitian termoelektrik muncul kembali tahun 1990-an setelah sempat menghilang hampir lima dasawarsa karena efisiensi konversi yang tidak bertambah. Setidaknya ada tiga alasan yang mendukung kemunculan tersebut. Pertama, ada harapan besar ditemukannya material termoelektrik dengan efisiensi yang tinggi, yaitu sejak ditemukannya material superkonduktor High-Tc pada awal tahun 1986 dari bahan yang selama ini tidak diduga (ceramic material). Kedua, sejak awal 1980-an, teknologi material berkembang pesat dengan kemampuan menyusun material tersebut dalam level nano. Teknologi analisis dengan XPS, UPS, STM juga memudahkan analisis struktur material. Ketiga, pada awal tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi yang ramah lingkungan sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi termoelektrik sebagai sumber energi alternatif.

Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversi 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.

Kerja pendingin termoelektrik pun tidak jauh berbeda. Jika material termoelektrik dialiri listrik, panas yang ada di sekitarnya akan terserap. Dengan demikian, untuk mendinginkan udara, tidak diperlukan kompresor pendingin seperti halnya di mesin-mesin pendingin konvensional. Untuk keperluan pembangkitan lisrik tersebut umumnya bahan yang digunakan adalah bahan semikonduktor.

Semikonduktor adalah bahan yang mampu menghantarkan arus listrik namun tidak sempurna. Semikonduktor yang digunakan adalah semikomduktor tipe n dan tipe p. Bahan semikonduktor yang digunakan adalah bahan semikonduktor ekstrinsik. Persoalan untuk Termoelektrik adalah untuk mendapatkan bahan yang mampu bekerja pada suhu tinggi.

Salah satunya adalah penerapan teknologi termoelektrik pada pembangkitan listrik dari sumber panas. Sampai saat ini pembangkitan listrik dari sumber panas harus melalui beberapa tahap proses.

Bahan bakar fosil akan menghasilkan putaran turbin apabila dibakar dengan tekanan yang sangat tinggi. Sejak awal tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi yang ramah lingkungan sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi termoelektrik sebagai sumber energi alternatif. Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik selain pada RTG yang digunakan oleh Voyager 1. Salah satunya adalah penerapan teknologi termoelektrik pada pembangkitan listrik dari sumber panas, saat ini pembangkitan listrik dari sumber panas.

Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversi 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.

Kerja pendingin termoelektrik pun tidak jauh berbeda. Jika material termoelektrik dialiri listrik, panas yang ada di sekitarnya akan terserap. Dengan demikian, untuk mendinginkan udara, tidak diperlukan kompresor pendingin seperti halnya di mesin-mesin pendingin konvensional. Untuk keperluan pembangkitan lisrik tersebut umumnya bahan yang digunakan adalah bahan semikonduktor. Semikonduktor adalah bahan yang mampu menghantarkan arus listrik namun tidak sempurna. [5]

BAB 3

METODOLOGI PERCOBAAN

3.1. PERALATAN   

1. PSA Simetris

 Fungsi: sebagai sumber tegangan DC.

2. Termometer

 Fungsi: sebagai pengukur suhu air es.

3. Statif

 Fungsi: sebagai penyangga termokopel dan termometer.

4. Termokopel

 Fungsi: sebagai alat sensor suhu.

5. Kompor Listrik

 Fungsi: Untuk menaikkan suhu air es.

6. Multimeter Digital

 Fungsi: sebagai alat ukur tegangan.

7. Protoboard

 Fungsi: Sebagai tempat untuk merangkai komponen sementara.

8. Jumper

 Fungsi: Sebagai penghubung antar rangkaian.

9. Penjepit buaya

 Fungsi: Sebagai alat penghubung antar komponen.

10.  Bejana

Fungsi: Sebagai wadah air es.

11.  Cok Sambung

    Fungsi: Sebagai penghubung arus PLN dengan rangkaian.

3.2. KOMPONEN

1. Resistor 220kΩ (2 buah), 270kΩ (2 buah), 2kΩ (1 buah)

    Fungsi: Sebagai  tahanan pada rangkaian.

2. Kapasitor

 Fungsi: Untuk menyimpan muatan dalam medan listrik pada rangkaian.

3. IC 356

 Fungsi: Sebagai penguat tegangan.

4.Potensiometer

 Fungsi: Sebagai hambatan variabel.

3.3. BAHAN

1. Es Batu

    Fungsi: sebagai sampel yang akan diukur suhu.

3.4. PROSEDUR PERCOBAAN 

1. Dipersiapkan peralatan dan komponen yang akan digunakan dalam percobaan.

2. Dirangkain peralatan seperti pada skema rangkaian seperti gambar di bawah ini:

3. Ditetapkan tegangan sebesar 12 Volt.

4. Dimasukkan sampel ke dalam bejana.

5. Di nol kan tegangan pada sumber tegangan.

6. Dimasukkan thermometer dan termokopel ke dalam bejana.

7. Dihidupkan PSA Simetris.

8. Dihidupkan kompor listrik.

9. Dilihat pada multimeter digital besar tegangan yang tertera.

10. Dicatat pengukuran tegangan pada suhu 5⁰C - 30⁰C dengan interval 5⁰C.

3.5.  SKEMA RANGKAIAN 

BAB 4

ANALISA DATA

4.1. DATA PERCOBAAN

        (Terlampir)

4.2. ANALISA DATA

1.      Menentukan koefisien Seebeck.

α =    (mV/^oC)

- untuk T = 5 C, V = 33,5 mVolt

α₁ =  = 6,77

- untuk T = 10 C, V = 26,5 mVolt

α₂ =

- untuk T = 15 C, V = 23,5 mVolt

α₃ =

- untuk T = 20 C, V = 25 mVolt

α₄ =

- untuk T = 25 C, V = 24 mVolt

α₅ =

- untuk T = 30 C, V = 22 mVolt

α₆ =

- untuk T = 35 C, V = 23,5 mVolt

α₇ =

- untuk T = 40 C, V = 24 mVolt

α₈ =

- untuk T = 45 C, V = 26 mVolt

α₉ =

- untuk T = 50 C, V = 31 mVolt

α₁₀ =

2.      Menentukan kalor yang terjadi disambungan tiap – tiap suhu.

Q = m . c . DT

m = 1 kg

C = 1 kal/kg^oC
Q₁ = 1 . 1 . 5 = 5 kal

Q₂ = 1 . 1 . 10 = 10 kal

Q₃ = 1 . 1 . 15 = 15 kal

Q₄ = 1 . 1 . 20 =  20 kal

Q₅ = 1 . 1 . 25 =  25 kal

Q₆ = 1 . 1 . 30 = 30 kal

Q₇ = 1 . 1 . 35 = 35 kal

Q₈ = 1 . 1 . 40 = 40 kal

Q₉ = 1 . 1 . 45 = 45 kal

Q₁₀ = 1 . 1 . 50 = 50 kal

3.      Membuat grafik V–vs–T

Slope =  = 0,266 mV/^oC

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1  KESIMPULAN

1.      Dari percobaan yang telah dilakukan diketahui bahwa Prinsip kerja termokopel yaitu : Dua buah kabel dari jenis logam yang berbeda ujungnya. Hanya ujung saja,disatukan (dilas). Titik penyatuan ini disebut hot junction, kenaikan suhu pada hot junction ini akan menimbulkan pergerakan elektron dari yang tinggi ke yang rendah dan diukur multimeter sebagai beda potensial.

2.      Dari percobaan yang telah dilakukan diketahui bahwa Efek Seebeck yaitu jika dua logam yang berbeda disambungkan salah satu ujungnya, kemudian diberikan suhu yang berbeda pada sambungannya maka akan terjadi perbedaan tegangan pada ujung yang lain; Efek Thomson menyatakan bahwa terdapat pelepasan panas bolak-balik dalam penghantar homogeny yang terkena perbedaan panas dan perbedaan listrik secara simultan; Efek Peltier menyebutkan jika suatu arus searah dialirkan pada suatu rangkaian yang terdiri dari materi berbeda maka salah satu simpangan logam yang tidak sama tersebut akan dipanaskan dan simpangan logam yang lainnya didinginkan.

3.      Dari percobaan yang telah dilakukan diketahui bahwa aplikasi dari gejala thermoelektrik dalam kehidupan sehari-hari yaitu kulkas, hairdryer, AC, perbedaan panas didasar laut dan darat, pemanfaatan panas bumi.

4.      Dari percobaan yang telah dilakukan diketahui bahwa hubungan antara suhu dan gaya gerak listrik (ggl)  berbanding lurus, yaitu semakin besar perbedaan suhunya maka semakin besar gaya gerak listriknya.

5.2  SARAN

1.      Agar praktikan selanjutnya memahami tentang efek Seebeck, efek Peltier dan efek Thomson.

2.      Agar praktikan selanjutnya lebih teliti dalam mengukur suhu.

3.      Agar praktikan selanjutnya memahami perbedaan antara Thermokopel dan Thermometer.

4.      Agar praktikan selanjutnya mengetahui peralatan dan fungsi percobaan.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Barsasella, D. Wood. 2010. Fisika Untuk Mahasiswa Kesehatan. CV.Trans Info Media :          Jakarta.

Hal. 137-141.

[2] Mackay, J. 2001. Phase Transition in Solid. Mc-Graw Hill Inc : America.

Hal. 264-265.

[3] Marcus, A.1964. Basic Electricity. Prentice Hall : New York.

Hal. 250-255.

[4] Wood, Bernard. D. 1988. Penerapan Termodinamika. Edisi Kedua. Erlangga :  Jakarta.

            Hal. 67-72.

[5] http://firdausmuhamad.blogspot.com/.../termoelektrik.html

Diakses tanggal 19 November 2013.

Medan, 7 Desember 2013

            Asisten                                                                                    Praktikan

    (Ronald J Naibaho)                                                                    (Rinto Pangaribuan)