1 1. BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Alat uji

advertisement
1
1. BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Alat uji konduktivitas listrik dengan metode four-point probe temperatur
tinggi telah dibuat Gambar 1.1. Pembuatan alat uji konduktivitas listrik dimulai
dari pembuatan furnace, pembuatan rangkaian panel, dan pembuatan probe.
Langkah selanjutnya adalah dilakukan validasi alat dengan menggunakan material
konduktor dan material semikonduktor ZnO yang didoping Cu. Pengujian
berikutnya adalah dengan memberikan variasi suhu pada material tersebut dengan
temperatur pemanasan 30˚C, 100˚C, 200˚C, 300˚C, 400˚C, 500˚C. Hasil
pembuatan dan pengujian alat uji konduktivitas listrik jenis four-point probe
diterangkan di subbab berikut:
Nanovoltmeter
Multimeter
Digital
Heater
Gambar 1.1 Alat uji konduktivitas listrik
Power Supply
1.1 Hasil Konduktivitas Listrik Material Logam
Material konduktor diukur konduktivitas listriknya dengan mesin uji yang
telah dibuat pada temperatur ruang 29˚C. Data awal yang dihasilkan berupa kurva
V-I (tegangan-arus) sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 1.2 sampai Gambar
1.4 Bahan-bahan konduktor sangat mematuhi hukum ohm, semakin besar arus
yang mengalir pada suatu material konduktor maka tegangan yang terjadi juga
semakin besar.
Selanjutnya, resistivitas yang merupakan besaran resiprok (kebalikan) dari
konduktivitas berubah nilainya hampir secara linier terhadap temperatur antara
20˚C-30˚C (Sudaryanto, S. and Utari, S.N., 2012). Kelinieran pada diagram V-I
akan menentukan konduktivitas listrik, semakin linier maka nilai dari
konduktivitas listrik akan semakin akurat. Terjadinya perbedaan kelinieran pada
setiap pengujian dapat pada diagram V-I ini disebabkan seperti kontak yang
kurang baik atau terjadinya getaran pada saat pengambilan data. Penelitian
sebelumnya menyatakan bahwa ketidaklinieran pada diagram V-I disebabkan
karena kontak yang kurang baik antara probe dan sample (Chen, Q., et al., 2006)
serta penjelasan dari standar pengujian konduktivitas listrik dengan menggunakan
four-point probe yang menyatakan bahwa adanya getaran berpengaruh terhadap
pengambilan data (F1529, A., 1997).
Gambar 1.2 Diagram V-I dengan menggunakan material stainless steel
Gambar 1.3 Diagram V-I dengan menggunakan material alumunium
Gambar 1.4 Diagram V-I dengan menggunakan material tembaga
Gambar 1.5
sampai
Gambar
1.7
menunjukkan hasil
pengujian
konduktivitas listrik, dilakukan lima kali pengujian pada temperatur ruang 29˚C,
dengan setiap pengujian diambil sepuluh data dengan variasi arus 0 A sampai
dengan 0,5 A. Pembuatan alat uji konduktivitas listrik temperatur tinggi yang
dapat diaplikasikan untuk material konduktor dan semikonduktor sebelumnya
pernah dilakukan, akan tetapi menggunakan metode Van Der Pauw dan pengujian
dilakukan dengan variasi arus antara 0 mA sampai dengan 0,5 A (Borup, k.A., et
al., 2012). Hasil yang didapatkan setiap rata-rata pengujian mempunyai perbedaan
nilai konduktivitas listrik yang berbeda dengan nilai konduktivitas listrik referensi
pada temperatur 25˚C yaitu 1,33 x 106 Siemens/m untuk stainless steel, 4,93 x
107 Siemen/m untuk tembaga dan 3,82 x 107 Siemens/m untuk alumunium
(William H Hayt, J. and Buck, J.A., 2012). Hasil rata-rata tersebut menunjukkan
bahwa terdapat perbedaan kurang dari 8% dari nilai referensi.
Konduktivitas Listrik (Siemen/m)
20
15
10
Hasil Pengujian
5
ref (William)
0
1
2
3
4
5
Pengujian
Gambar 1.5 Hasil Uji Konduktivitas Listrik Stainless Steel
70
Konduktivitas Listrik (Siemen/m)
60
50
40
30
20
Hasil Pengujian
10
ref (William)
0
1
2
3
4
Pengujian
Gambar 1.6 Hasil Uji Konduktivitas Listrik Tembaga
5
60
Konduktivitas Listrik (Siemen/m)
50
40
30
20
Hasil Pengujian
10
ref (William)
0
1
2
3
4
5
Pengujian
Gambar 1.7 Hasil Uji Konduktivitas Listrik Alumunium
1.2 Ketidakpastian Pengukuran Konduktivitas Listrik Material Logam
Semua alat uji mempunyai nilai accuracy berbeda-beda, termasuk dengan alat
uji konduktivitas listrik. Nilai accuracy setiap pengambilan data didapatkan dari
semua variable yang digunakan seperti nano voltmeter untuk mengukur tegangan
(V), multimeter digital untuk mengukur arus (I), dan penggunaan jangka sorong
untuk mengukur dimensi (m). Dari variable tersebut sehingga didapatkan nilai
ketidakpastian dari pengukuran konduktivitas listrik untuk masing-masing
material sebagaimana dapat dilihat pada Tabel 1.1. Nilai ketidakpastian
pengukuran dari konduktivitas listrik dengan menggunakan alat ini adalah 3, 5%.
Tabel 1.1 Ketidakpastian pengukuran konduktivitas listrik
No
Material
Konduktivitas listrik
(Siemens/m)
1
2
3
Stainless steel
Tembaga
Alumunium
1,26 x 106 ± 3,5 %
4,77 x 107 ± 3,5 %
3,37 x 107 ± 3,5 %
1.3 Pengaruh Temperatur Terhadap Konduktivitas Listrik Material Logam
Nilai konduktivitas listrik dipengaruhi oleh temperatur operasional. Dari
Gambar 1.8 terlihat bahwa semua material konduktor mengalami penurunan
konduktivitas listrik ketika terjadi kenaikan temperatur. Dalam konduktor,
resistivitas listrik terdiri dari dua komponen yaitu resistivitas thermal (ρt) yang
timbul karena adanya hambatan elektron akibat getaran atom dalam kisi-kisi
kristal dan resistivitas residu (ρr) yang timbul karena adanya pengotoran atau
ketidaksempurnaan kristal. Temperatur yang semakin meningkat menyebabkan
getaran atom pada kisi-kisi kristal sehingga hambatan terhadap pergerakan
elektron semakin besar, mobilitas yang lebih rendah, konduktivitas yang lebih
rendah (Sudaryanto, S. and Utari, S.N., 2012). Kondisi yang sama juga telah
dilakukan pada penelitian sebelumnya, dengan menggunakan material stainless
steel 30lL pada temperatur yang semakin meningkat terjadi peningkatan nilai
resitivity pada material tersebut (Saint-Sulpice, L., et al., 2014).
Gambar 1.8 pengukuran pada temperature ruang 29˚C didapatkan nilai
konduktivitas listrik sebesar 1,31 x 106 Simen/m untuk stainless steel, 3,37 x 107
Simen/m untuk alumunium, dan 4,77 x 107 Simen/m untuk tembaga. Berbeda
dengan penelitian sebelumnya yaitu 1,36 x 106 Simen/m untuk stainless steel
(Bowler, N. and Huang, Y., 2005), 3,34 x 107 Simen/m untuk alumunium
(Setiawan, I., et al., 2009), dan 4,83 x 107 Simen/m untuk material tembaga
(Nahlik, J., et al., 2011). Perbedaan nilai konduktivitas listrik dengan referensi
bisa terjadi karena ketidakmurnian material sampel tembaga serta perbedaan jenis
stainless steel dan alumunium yang digunakan (Nahlik, J., et al., 2011).
Konduktivitas listrik (Siemens/m) x 100000
1,000
100
10
Stainless steel
Tembaga
Alumunium
1
20
70
120
170
220
270
320
370
420
470
Temperatur (°C)
Gambar 1.8 Konduktivitas listrik sebagai fungsi dari temperature operasional
1.4 Pengujian Material Semikonduktor ZnO Dopping Cu
Material semikonduktor ZnO yang didoping Cu yang diujikan merupakan
material semikonduktor untuk modul termoelektrik berbasis material ZnO dengan
temperatur sintering 1300°C (Kurniawan, A., 2014). Nilai konduktivitas listrik
material semikonduktor ZnO yang didoping Cu dapat dilihat pada Tabel 1.2
Tabel 1.2 Konduktivitas listrik semikonduktor ZnO yang didoping Cu
Uji konduktivitas listrik
Resistivity
Konduktivitas
(Ω.m)
Temperatur
(Siemens/m)
400
3,56 x 10
2,80 x 10 ± 3,5%
450
2,17 x 10
4,61 x 10 ± 3,5%
Tabel 1.2 menunjukkan hasil uji konduktivitas listrik material semikonduktor
yang didoping Cu. Dari pengujian didapatkan kenaikan konduktivitas dari
temperature 400˚C yaitu sebesar 2,80 x 10 Siemens/m ke temperature 450˚C
sebesar 4,61 x 10 Siemens/m. Penelitian lain pada material semikonduktor
Ag0.8Pb18SbTe20 juga menunjukkan bahwa konduktivitas listrik mengalami
kenaikan ketika terjadi kenaikan temperatur. Pada temperatur 673 K mempunyai
nilai lebih dari dua kali lipat dibandingkan yang dimiliki pada temperatur kamar
300 K. Peningkatan konduktivitas ini disebabkan karena temperatur yang semakin
tinggi menyebabkan celah pita energi yang semakin kecil sehingga elektron yang
mengalir semakin mudah bergerak (Min, Z., et al., 2007).
Pada material konduktor konduktivitas listrik mengalami penurunan
sedangkan pada material semikonduktor terjadi kenaikan. Pada material
konduktor suhu yang semakin meningkat menyebabkan getaran atom pada kisikisi kristalin yang menjadikan terhambatnya pergerakan elektron. Hambatan yang
semakin besar menyebabkan turunnya konduktivitas listrik. Berbeda dengan
material semikonduktor yang bersifat isolator pada suhu rendah karena terdapat
gap energi yang menyebabkan elektron tidak dapat mengalir. Terjadinya kenaikan
temperatur pada material semikonduktor menjadikan gap energi yang semakin
kecil yang menyebabkan elektron semakin mudah bergerak atau terjadi kenaikan
konduktivitas listrik (William H Hayt, J. and Buck, J.A., 2012).
2. BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
2.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa:
1.
Alat uji konduktivitas listrik temperature tinggi dengan metode four-point probe berhasil
dirancang dan dibuat dengan komponen heater, panel, probe, nanovoltmeter dan power
supply.
2.
Besarnya nilai konduktivitas listrik material stainless steel, tembaga dan alumunium diukur
dengan alat uji konduktivitas listrik mempunyai selisih kurang dari 8% dari nilai referensi
masing-masing 1,26 x 106 Siemens/m ± 3,5%, 4,77 x 107 Siemens/m ± 3,5% dan 3,37 x 107
Siemen/m ± 3,5%.
3.
Nilai konduktivitas listrik material Semikonduktor ZnO yang didopping Cu, di ambil pada
temperature 400˚C dan 450˚C adalah 2,82 x 10 siemens/m dan 4,61 x 10 siemens/m.
4.
Semakin besar temperatur pengujian pada material konduktor menghasilkan nilai
konduktivitas listrik yang semakin menurun, sedangkan pada material semikonduktor
mengalami peningkatan konduktivitas listrik.
2.2 Saran
Untuk mendapatkan hasil pengujian konduktivitas listrik yang lebih baik dapat dilihat
dari beberapa faktor akan tetapi, faktor yang paling berpengaruh terhadap besarnya
ketidakpastian pengukuran konduktivitas listrik adalah pada pembacaan arus sehingga
diperlukan multimeter digital yang mempunyai keakurasian pembacaan arus yang lebih baik,
serta penggunaan power supply yang terintegrasi dengan komputer sehingga dapat diprogram
dan pengambilan data secara otomatis.
Download