Prinsip Kerja Termokopel

 Oleh Nahrowi, 0906516461

Prinsip kerja termokopel berdasar pada sebuah fenomena fisika yang disebut thermoelectric effect. Thermoelectric effect merupakan efek yang berhubungan dengan konversi dari perbedaan temperatur menjadi tegangan listrik dan sebaliknya. Penemuan thermoelectric effect merupakan hasil dari eksperimen tiga ilmuwan yang berbeda, yaitu Thomas Johann Seebeck (1821) dari Jerman, Jean Charles Peltier (1834) berkebangsaan Prancis, dan W. Thompson (1851)yang melanjutkan penemuan Lord Kelvin tentang arus termal.

Penemuan Termokopel

Pada awal 1820, Thomas Seebeck mencoba mencari relasi antara kelistrikan dan panas. Pada tahun 1821 ia menggabungkan dua kabel konektor dari metal yang berbeda membentuk sebuah loop rangkaian di mana ujung dari tiap kabel dari metal beda jenis dihubungkan. Ketika ada perbedaan temperatur antara kedua sambungan metal, ternyata rangkaian tersebut dapat membelokkan jarum kompas (terinduksi medan magnet). Kemudian, ia menyebutnya thermomagnetic effect. Kemudian seorang Fisikawan Denmark bernama Oersted mengoreksinya dengan menamakan efek tersebut thermoelectric effect, dan percobaannya menghasilkan tegangan berkisar  mikrovolt per Kelvin. Efek ini secara khusus kemudian disebut Seebeck Effect.

Kemudian Peltier (1834) menemukan keberadaan panas pada sambungan listrik yang terbuat dari dua metal berbeda. Efek ini dinamakan sama dengan namanya. Saat aliran arus listrik melalui sambungan metal yang terbuat dari material A dan material B, dihasilkan panas dari metal A dan diserap oleh metal B searah dengan aliran arus listrik. Lalu, W. Thompson (1851) melengkapi penjelasan thermoelectric effect ini dengan menjelaskan keterkaitan pemanasan dan pendinginan konduktor arus listrik dengan gradient temperatur konduktor tersebut.

Gambar 1 Seebeck effect

Gambar 2. Thompson Effect

Fenomena di atas dapat terjadi karena saat salah satu ujung material konduktor dipanaskan sehingga temperaturnya lebih tinggi dibandingkan ujung yang lain, elektron di ujung sisi yang panas memiliki energi termal yang lebih tinggi dibandingkan elektron di ujung yang lebih dingin. Elektron dengan energi ini lebih besar ini kemudian “menyebar”, sampai di ujung ujung yang lebih dingin. Namun, kenetralan atom tetap terjaga, sehingga distribusi elektron ini membentuk muatan negative pada ujung dingin (keberadaan elektron yang banyak) dan muatan positif pada ujung yang panas (karena holes, kekosongan elektron pada atomnya). Maka sebagai konsekuensinya terbentuk tegangan elektrostatik yang berhubungan dengan redistribusi elektron akibat energi termal.

Penjelasan secara kuantum dengan matematika yang kompleks memang diperlukan untuk memahami gerak elektron ini, namun secara sederhana dapat dijabarkan sebagai berikut. Jika ujung suatu logam dipanaskan maka elektron pada ujung yang dipanaskan akan memiliki energi yang cukup untuk berpindah orbit. Perpindahan orbit ini adalah dari ujung yang dipanaskan menuju ujung yangtidak dipanaskan. Perpindahan elektron inilah yang mengakibatkan ujung yang dipanaskan memiliki polaritas yang lebih positif dibandingkan ujung yang tidak dipanaskan sehingga peristiwa ini menimbulkan tegangan. Hukum ini berlaku pada setiap logam yang memiliki ujung yang berbeda suhu. 

Termopower (Thermoelectric Sensitivity, Seebeck Coefficient)

Hasil percobaan Seebeck menunjukkan bahwa jika yang digunakan sebagai konduktor adalah dua material yang sama, meskipun panjangnya berbeda, tidak dapat menghasilkan tegangan listrik. Ini adalah sebuah sifat yang unik dari fenomena yang ditemukannya. Namun, jika digunakan dua buah material yang berbeda dengan memvariasikan perbedaan temperatur di tiap ujungnya, thermoelectric effect dapat diamati. Ini menunjukkan tiap material memiliki suatu sifat sensitivitas terhadap panas yang disebut thermoelectric sensitivity, thermopower, atau Seebeck Coefficient (S). Secara matematis:

V₁₂ = S x (T_H - T_C)              

dimana V₁₂ adalah tegangan listrik antara ujung panas dengan ujung dingin

Gambar 3. Efek Seebeck pada dua konduktor dengan koefisien Seebeck yang sama

Hal ini karena ∑V = Sa x (T_H - T_C) - Sb x (T_C - T_H) = 0 (karena Sa = Sb)

Gambar 4. Efek Seebeck pada dua konduktor dengan koefisien Seebeck yang berbeda

Nilai koefisien Seebeck (Sa) suatu konduktor tergantung pada struktur material bahannya. Berarti jika bahan berbeda maka memiliki Sa yang berbeda pula. Secara teoritis Sa nilainya konstan, akan tetapi pada kenyataannya nilanya berubah tergatntung pada suhu dan struktur molekul bahan.

Dengan teknik rekayasa material dan metalurgi, perbedaan Seebeck Coefficient antara ujung-ujung konduktor bisa diperbesar dan menjadi tegangan yang dapat diamati dan digunakan sebagai salah satu piranti sensor elektronika. Dalam fabrikasinya, prinsip dasar ini secara umum dapat diilustrasikan sebagai berikut:

Gambar 5. Contoh ilustrsasi termokopel

Definisi dari ilustrasi termokopel di atas adalah:

·         Tx adalah temperature yang belum diketahui

·         Tc adalah temperature pada ujung voltmeter (diasumsikan sama untuk setiap kabel)

·         Tv adalah temperature internal dari elemen dalam voltmeter

·         Sa adalah koefisien Seebeck dari termokopel untuk bagian yang terbuat dari material a.

·         Sb adalah koefisien Seebeck dari termokopel untuk bagian yang terbuat dari material b

·         Sc adalah koefisien Seebeck dari kabel yang digunakan untuk pengukuran tegangan

·         VTC adalah tegangan yang terukur dari termokopel dengan kondisi “open” (impedansi rangkaian tinggi dan arus minimal)

Dengan hukum Kirchoff untuk tegangan, jumlah dari seluruh tegangan dalam rangkaian loop tertutup adalah nol. Dengan mengingat V₁₂ = S x (T_H - T_C), persamaan kirchoff untuk rangkaian di atas dapat ditulis sebagai:

[Sa x (T_X - T_C)] + [Sb x (T_C – T_V)] + VTC + [Sc x (T_X- T_C)] + ……… + [Sb x (T_C – T_X) = 0

Dengan penyederhanaan didapatkan:

(Sa – Sb) x (T_X - T_C) = [VTC]

Dimana Sa dan Sb menentukan polaritas VTC, biasanya ditulis (Sa - Sb) = Sab = -Sba. Dalam standar industri, “ab” digunakan sebagai tipe termokopel standar yang artinya dibuat dari material a dan material b.

***