Efek Seebeck: Bagaimana Perbedaan Suhu Menghasilkan Listrik
Efek Seebeck adalah fenomena yang mengubah perbedaan suhu menjadi tegangan listrik voltage dan sebaliknya. Dinamai setelah Thomas Johann Seebeck, seorang fisikawan Jerman yang menemukannya pada tahun 1821. Efek Seebeck merupakan dasar dari termokopel, pembangkit listrik termoelektrik, dan spin caloritronics.
Apa itu Efek Seebeck?
Efek Seebeck didefinisikan sebagai pembangkitan potensial listrik (atau tegangan) di antara dua konduktor atau semikonduktor yang berbeda yang terhubung dalam sebuah loop dan memiliki perbedaan suhu di antara ujung-ujungnya. Tegangan tersebut proporsional dengan perbedaan suhu dan tergantung pada bahan yang digunakan.
Sebagai contoh, sebuah termokopel adalah alat yang menggunakan efek Seebeck untuk mengukur suhu. Terdiri dari dua kawat yang terbuat dari logam berbeda (seperti tembaga dan besi) yang dihubungkan pada kedua ujungnya. Satu ujung dipaparkan ke sumber panas (seperti api) dan ujung lainnya dipertahankan dingin (seperti air es). Perbedaan suhu antara ujung-ujung tersebut menciptakan tegangan di antara kawat, yang dapat diukur oleh voltmeter.
Efek Seebeck juga dapat digunakan untuk menghasilkan listrik dari panas limbah. Pembangkit listrik termoelektrik adalah alat yang terdiri dari banyak termokopel yang dihubungkan secara seri atau paralel. Sisi panas dari termokopel dihubungkan ke sumber panas (seperti mesin atau tungku) dan sisi dingin dihubungkan ke penyerap panas (seperti udara atau air). Perbedaan suhu antara sisi-sisi tersebut menghasilkan tegangan yang dapat mendorong beban listrik (seperti lampu atau kipas).
Bagaimana Cara Kerja Efek Seebeck?
Efek Seebeck dapat dijelaskan melalui perilaku elektron dalam konduktor dan semikonduktor. Elektron adalah partikel bermuatan negatif yang bergerak bebas dalam bahan-bahan ini. Ketika konduktor atau semikonduktor dipanaskan, elektronnya mendapatkan energi kinetik lebih banyak dan cenderung bergerak lebih cepat. Hal ini menyebabkan mereka difusi dari daerah panas ke daerah dingin, menciptakan arus listrik.
Namun, bahan-bahan yang berbeda memiliki jumlah dan jenis elektron yang berbeda untuk konduksi. Beberapa bahan memiliki lebih banyak elektron daripada yang lain, dan beberapa memiliki elektron dengan orientasi putaran yang berbeda. Putaran adalah sifat kuantum dari elektron yang membuat mereka bertindak seperti magnet kecil. Ketika dua bahan dengan karakteristik elektron yang berbeda dihubungkan bersama, mereka membentuk antarmuka di mana elektron dapat menukar energi dan putaran.
Efek Seebeck terjadi ketika dua antarmuka tersebut dikenakan perbedaan suhu. Elektron di antarmuka panas mendapatkan lebih banyak energi dan putaran dari sumber panas dan mentransfernya ke elektron di antarmuka dingin melalui loop. Hal ini menciptakan ketidakseimbangan muatan dan putaran antara antarmuka, menghasilkan potensial listrik dan medan magnet. Potensial listrik mendorong arus listrik melalui loop, sementara medan magnet membelokkan jarum kompas yang ditempatkan dekat dengan loop tersebut.
Apa Aplikasi dari Efek Seebeck?
Efek Seebeck memiliki banyak aplikasi dalam ilmu pengetahuan, teknik, dan teknologi. Beberapa di antaranya adalah:
Termokopel: Ini adalah perangkat yang menggunakan efek Seebeck untuk mengukur suhu dengan akurasi dan sensitivitas tinggi. Mereka digunakan secara luas di industri, laboratorium, dan rumah tangga untuk berbagai tujuan, seperti mengontrol oven, memonitor mesin, mengukur suhu tubuh, dll.
Pembangkit listrik termoelektrik: Ini adalah perangkat yang menggunakan efek Seebeck untuk mengonversi panas limbah menjadi listrik untuk aplikasi khusus, seperti memberdayakan pesawat ruang angkasa, sensor jarak jauh, implan medis, dll.
Spin caloritronics: Ini adalah cabang fisika yang mempelajari bagaimana panas dan putaran berinteraksi dalam bahan magnet. Efek Seebeck memainkan peran penting dalam bidang ini, karena dapat menciptakan arus putaran dan tegangan dari gradien suhu. Hal ini dapat mengarah pada perangkat baru untuk pemrosesan dan penyimpanan informasi, seperti baterai putaran, transistor putaran, katup putaran, dll.
Apa Kelebihan dan Keterbatasan Efek Seebeck?
Efek Seebeck memiliki beberapa kelebihan dan keterbatasan yang mempengaruhi kinerja dan efisiensinya. Beberapa di antaranya adalah:
Kelebihan: Efek Seebeck sederhana, handal, dan serbaguna. Tidak memerlukan bagian bergerak atau sumber daya eksternal. Dapat beroperasi dalam rentang suhu dan bahan yang luas. Dapat menghasilkan listrik dari sumber panas rendah yang sebaliknya akan terbuang.
Keterbatasan: Efek Seebeck dibatasi oleh ketersediaan dan kompatibilitas bahan. Membutuhkan bahan dengan konduktivitas listrik tinggi dan konduktivitas termal rendah untuk mencapai tegangan tinggi dan kehilangan panas rendah. Juga membutuhkan bahan dengan koefisien Seebeck yang berbeda untuk menciptakan perbedaan tegangan. Koefisien Seebeck adalah sifat yang mengukur berapa banyak tegangan yang dihasilkan per unit perbedaan suhu untuk bahan tertentu. Koefisien Seebeck tergantung pada jenis dan konsentrasi pembawa muatan, tingkat energi mereka, dan interaksi mereka dengan struktur kristal. Koefisien Seebeck dapat bervariasi dengan suhu, komposisi, dan medan magnet. Menemukan bahan dengan koefisien Seebeck tinggi dan stabil adalah tantangan untuk aplikasi termoelektrik.
Apa Jenis Bahan yang Digunakan untuk Efek Seebeck?
Bahan yang digunakan untuk efek Seebeck dapat diklasifikasikan menjadi tiga kategori: logam, semikonduktor, dan superkonduktor.
Logam: Logam adalah konduktor yang baik untuk listrik dan panas. Mereka memiliki koefisien Seebeck rendah dan konduktivitas termal tinggi, yang membuatnya tidak efisien untuk aplikasi termoelektrik. Namun, logam mudah dibuat dan dihubungkan, dan memiliki kekuatan mekanis dan stabilitas tinggi. Logam umumnya digunakan untuk termokopel, di mana akurasi dan ketahanan lebih penting daripada efisiensi. Beberapa contoh pasangan logam yang digunakan untuk termokopel adalah tembaga-konstantan, besi-konstantan, kromel-alumel, dll.
Semikonduktor: Semikonduktor adalah bahan yang memiliki konduktivitas listrik menengah yang dapat dikendalikan dengan doping atau menerapkan medan listrik. Mereka memiliki koefisien Seebeck yang lebih tinggi dan konduktivitas termal yang lebih rendah daripada logam, yang membuatnya lebih cocok untuk aplikasi termoelektrik. Namun, semikonduktor lebih sulit dibuat dan dihubungkan, dan memiliki kekuatan mekanis dan stabilitas yang lebih rendah daripada logam. Semikonduktor umumnya digunakan untuk pembangkit listrik dan pendingin termoelektrik, di mana efisiensi dan kinerja lebih penting daripada akurasi dan ketahanan. Beberapa contoh pasangan semikonduktor yang digunakan untuk perangkat termoelektrik adalah bismut tellurida-antimon tellurida, timbal tellurida-silikon germanium, dll.
Superkonduktor: Superkonduktor adalah bahan yang memiliki hambatan listrik nol di bawah suhu kritis. Mereka memiliki koefisien Seebeck yang sangat tinggi dan konduktivitas termal yang sangat rendah, yang membuatnya ideal untuk aplikasi termoelektrik. Namun, superkonduktor sangat langka dan mahal, dan memerlukan suhu yang sangat rendah untuk beroperasi, yang membatasi penggunaan praktisnya. Superkonduktor terutama digunakan untuk tujuan penelitian, seperti mempelajari efek Seebeck putaran, yang merupakan fenomena yang melibatkan pembangkitan tegangan putaran dari gradien suhu dalam bahan magnet.
Kesimpulan
Efek Seebeck adalah fenomena yang menarik yang mengubah perbedaan suhu menjadi tegangan listrik dan sebaliknya. Efek ini memiliki banyak aplikasi dalam ilmu pengetahuan, teknik, dan teknologi, seperti termokopel, pembangkit listrik termoelektrik, pendingin termoelektrik, dan spin caloritronics. Efek Seebeck bergantung pada bahan yang digunakan, konduktivitas listrik, konduktivitas termal, dan koefisien Seebeck. Menemukan bahan dengan koefisien Seebeck tinggi dan stabil adalah tantangan untuk meningkatkan efisiensi dan kinerja perangkat termoelektrik.
Pernyataan: Hormati aslinya, artikel yang baik layak dibagikan, jika ada pelanggaran hak cipta silakan hubungi untuk dihapus.
