RANCANG BANGUN MESIN UJI KONDUKTIVITAS LISTRIK METODE FOUR-POINT PROBE
SKRIPSI Disusun sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh: ADITYA YULI INDRAWAN NIM. I1413002
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016
RANCANG BANGUN MESIN UJI KONDUKTIVITAS LISTRIK METODE FOUR-POINT PROBE
SKRIPSI Disusun sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Oleh: ADITYA YULI INDRAWAN NIM. I1413002
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2016
ii
RANCANG BANGUN MESIN UJI KONDUKTIVITAS LISTRIK METODE FOUR-POINT PROBE
SKRIPSI Oleh: ADITYA YULI INDRAWAN NIM. I1413002 Komisi
Nama
Tanda Tangan
Tanggal
Pembimbing
Pembimbing I
Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., ____________
____________
M.T. NIP. 19710615 1998021 002
Pembimbing II
Dr. Techn. Suyitno, S.T., M.T.
____________
NIP. 19740902 2001121 002
Telah dinyatakan memenuhi syarat Pada tanggal ........................ 2016
Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Sarjana UNS
Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T. NIP. 19710615 1998021 002 iii
____________
KATA PENGANTAR
Assalamu'alaikum Wr. Wb Puji dan syukur penulis haturkan ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan
rahmat,
taufik
dan
hidayah-Nya
sehingga
penulis
dapat
menyelesaikan skripsi ini. Selama menyelesaikan tugas sarjana ini penulis memperoleh banyak ilmu dan pengalaman yang mudah-mudahan dapat dijadikan bekal untuk masa depan penulis. Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini penulis banyak memperoleh bantuan, bimbingan, pengalaman dan pelajaran yang sangat berharga dari berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini perkenankanlah penulis menghaturkan terima kasih kepada: 1. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi S.T., M.T selaku pembimbing pertama skripsi. 2. Bapak Dr. Techn. Suyitno S.T., M.T selaku pembimbing kedua skripsi. 3. Bapak Agus Kurniawan S.T., M.T selaku pembimbing lapangan skripsi. 4. Ibu Evi Mariana S.I.P., M.B.A selaku wali dan yang selalu memberikan dukungan secara finansial selama saya menjalani perkuliahan. 5. Bapak-bapak dosen di program studi Sarjana Teknik Mesin UNS. 6. Orang tua tercinta, dan saudara-saudaraku. 7. Teman-teman sarjana teknik mesin non-regular, laboratorium perpindahan panas dan teman-teman laboratorium biofuel untuk dukungan dan doanya. 8. Semua pihak yang membantu proses pengerjaan ini yang belum dapat kami sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih belum sempurna, untuk itu masukan dan saran yang membangun akan penulis terima dengan ikhlas dan penulis ucapkan terima kasih. Penulis berharap semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi penulis khususnya dan bagi pembaca pada umumnya. Akhirnya semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi kemajuan bersama.
Surakarta, 3 February 2016 Penulis
iv
RANCANG BANGUN MESIN UJI KONDUKTIVITAS LISTRIK METODE FOUR-POINT PROBE Aditya Yuli Indrawan I1413002
Mahasiswa Program Sarjana Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret, Surakarta +6285743867671, Abstrak
Konduktivitas listrik sebagai salah satu sifat material dapat diukur dengan berbagai metode sesuai dengan karakteristik material sebagai konduktor atau nonkonduktor. Untuk material semikonduktor pada bahan termoelektrik pengukuran konduktivitas listrik memerlukan upaya khusus dikarenakan sifat material yang berbeda pada suhu rendah dan tinggi. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan proses perancangan alat uji konduktivitas listrik dengan menggunakan methode four-point probe dan pengujian keakuratan alat tersebut dengan menggunakan berbagai material uji; stainless steel, alumunium, tembaga dan semikonduktor Zinc Oxide (ZnO) berdoppng Copper (Cu) dengan diamater 13 mm pada berbagai tingkat suhu. Proses validasi dilakukan dengan menggunakan material konduktor pada suhu 29˚C. Hasil pengujian menunjukan alat uji konduktivitas listrik dimana nilai konduktivitas listrik material stainless steel (1,26 x 106 ± 3,5% Siemens/m), tembaga (4,77 x 107 ± 3,5% Siemens/m) dan alumunium (3,37 x 107 ± 3,5% Siemen/m) mempunyai perbedaan kurang dari 8% dari referensi. Selanjutnya dilakukan pengujian dari berbagai material tersebut diatas dengan menggunakan variasi temperatur dari 30 ˚C, 100 ˚C, 200 ˚C, 300 ˚C, 400 ˚C dan 500 ˚C. Hasil yang didapatkan menunjukan bahwa, semakin tinggi temperatur pengujian nilai konduktivitas listrik semakin menurun. Untuk material semikonduktor ZnO dopping Cu dilakukan pengujian hanya pada suhu 400 ˚C dan 450 ˚C yang menunjukan peningkatan nilai konduktivitas listrik dari temperatur 400 ˚C sebesar 2,28 x 103 siemens/m ke temperatur 450 ˚C sebesar 4,61 x 103 siemens/m.
Kata Kunci: Mesin uji konduktivitas listrik, Four-point probe, stainless steel, tembaga, alumunium, semikonduktor, temperatur tinggi.
v
DESIGN OF ELECTRIC CONDUCTIVITY APPARATUS WITH FOUR POINT-PROBE METHOD Aditya Yuli Indrawan I1413002 Student of Bachelor Mechanical Engineering Program Sebelas Maret University, Surakarta +6285743867671, Abstract Electric conductivity as one of the characteristics of a material can be measured through various methods in accordance with its characteristics as a conductor or non-conductor. For the semiconductor material of the thermoelectric material, the electrical conductivity measurement requires a special effort due to its different material natures at low and high temperatures. The objectives of this research are to conduct the design process of an electric conductivity testing apparatus with four-point probe and to test its accuracy through the testing of various test materials, namely: Stainless Steel, Aluminum, Copper, and Zinc Oxide (ZnO) dopping Copper (Cu) with the diameter of 13 mm at various temperature levels. The validation process was done by using conductor material at the temperature of 290C. The result of the test shows that the values of electric conductivity of the Stainless Steel, Copper, and Aluminum were 1.26 x 106 + 3.5% Siemens/m, 4.77 x 107 + 3.5% Siemens/m, and 3.37 x 107 + 3.5% Siemens/m respectively. Aluminum had the difference of 8% out of the reference. Then, the various materials were tested at the temperature variations of 3 0C, 100 0C, 200 0C, 300 0C, 400 0C, and 500 0C. The result of the test shows that the higher the temperature of the material testing was, the lower the value of the electric conductivity was. For the semiconductor material of ZnO dopping Cu, the testing was done at the temperature variations of 400 0C and 450 0C, and the value of the electric conductivity increased from 2.28 x 103 Siemens/m to 4.61 x 103 Siemens/m. Keywords: Resistivity measurement, four-point probe, high temperature, stainless steel, Alumunium, copper, semiconductor.
vi
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ........................................................................................................ vii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. 9 DAFTAR TABEL ................................................................................................ 10 DAFTAR PERSAMAAN .....................................................................................11 DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... 12 DAFTAR NOTASI .............................................................................................. 13 BAB I PENDAHULUAN ..................................... Error! Bookmark not defined. 1.1
Latar Belakang ......................................... Error! Bookmark not defined.
1.2
Batasan Masalah ...................................... Error! Bookmark not defined.
1.3
Perumusan Masalah ................................. Error! Bookmark not defined.
1.4
Tujuan dan Manfaat Penelitian ................ Error! Bookmark not defined.
1.5
Sistematika Penulisan .............................. Error! Bookmark not defined.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................... Error! Bookmark not defined. 2.1
Studi Awal ................................................ Error! Bookmark not defined.
2.2
Dasar Teori ............................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.1
Hukum ohm...................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2
Karakteristik material ....................... Error! Bookmark not defined.
2.2.3
Standar pengujian konduktivitas listrik.......... Error! Bookmark not
defined. 2.2.4
Four-point probe method. ................ Error! Bookmark not defined.
2.2.5
Konduktivitas listrik ......................... Error! Bookmark not defined.
2.2.6
Analisa ketidakpastian ..................... Error! Bookmark not defined.
2.2.7
Pembuatan Alat uji konduktivitas .... Error! Bookmark not defined.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......... Error! Bookmark not defined. 3.1
Tempat Penelitian..................................... Error! Bookmark not defined.
3.2
Prosedur Penelitian .................................. Error! Bookmark not defined.
3.2.1
Perancangan mesin uji konduktivitas listrik. . Error! Bookmark not
defined. 3.2.2
Pembuatan mesin uji konduktivitas listrik ..... Error! Bookmark not
defined. vii
3.2.3
Pembuatan four-point probe............. Error! Bookmark not defined.
3.2.4
Pengujian konduktivitas listrik......... Error! Bookmark not defined.
3.3
Analisa Data ............................................. Error! Bookmark not defined.
3.4
Diagram Alir Penelitian. .......................... Error! Bookmark not defined.
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .. Error! Bookmark not defined. 4.1
Hasil Konduktivitas Listrik Material Logam ......... Error! Bookmark not
defined. 4.2
Ketidakpastian Pengukuran Konduktivitas Listrik Material Logam Error!
Bookmark not defined. 4.3
Pengaruh Temperatur Terhadap Konduktivitas Listrik Material Logam Error! Bookmark not defined.
4.4
Pengujian Material Semikonduktor Zno Dopping Cu .. Error! Bookmark
not defined. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............. Error! Bookmark not defined. 5.1
Kesimpulan .............................................. Error! Bookmark not defined.
5.2
Saran ........................................................ Error! Bookmark not defined.
DAFTAR PUSTAKA............................................ Error! Bookmark not defined. LAMPIRAN .......................................................... Error! Bookmark not defined.
viii
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Spektrum konduktivitas listrik dan ResistivitasError! Bookmark not defined. Gambar 2.2 Diagram pita energi padatan Na ......... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.3 Diagram pita energi material isolator . Error! Bookmark not defined. Gambar 2.4 Diagram pita energi semikonduktor. .. Error! Bookmark not defined. Gambar 2.5 Karakteristik Konduktor .................... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.6 Grafik correction factor 1 .................. Error! Bookmark not defined. Gambar 2.7 4-Point Probe Method ........................ Error! Bookmark not defined. Gambar 2.8 Grafik correction factor 2 .................. Error! Bookmark not defined. Gambar 3.1 Desain Tungku Pemanas .................... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.2 Desain dalam tungku pemanas ........... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.3 Four-Point Probe design.................... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.4 Diagram alat uji konduktivitas listrik. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.1 Alat uji konduktivitas Listrik ............. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.2 Diagram V-I dengan menggunakan material stainless steelError! Bookmark not defined. Gambar 4.3 Diagram V-I dengan menggunakan material alumuniumError! Bookmark not defined. Gambar 4.4 Diagram V-I dengan menggunakan material tembagaError! Bookmark not defined. Gambar 4.5 Hasil Uji Konduktivitas Listrik Stainless SteelError! Bookmark not defined. Gambar 4.6 Hasil Uji Konduktivitas Listrik TembagaError! Bookmark not defined. Gambar 4.7 Hasil Uji Konduktivitas Listrik AlumuniumError! Bookmark not defined. Gambar 4.8 Konduktivitas listrik sebagai fungsi dari temperature operasionalError! Bookmark not defined.
10
11
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Geometri factor 4-point probe kotak (Smith, F.M., 1957)Error! Bookmark not defined. Tabel 2.2 Geometri factor 4-point probe Lingkaran (Smith, F.M., 1957)Error! Bookmark not defined. Tabel 2.3 Jenis Thermokopel ................................. Error! Bookmark not defined. Tabel 2.4 Resistivity of metal ................................. Error! Bookmark not defined. Tabel 2.5 Perbedaan Thermocouple dan RTD ....... Error! Bookmark not defined. Tabel 2.6 Effective total thermal conductivity ....... Error! Bookmark not defined. Tabel 3.1 Bahan dan alat pembuatan tungku pemanasError! Bookmark not defined. Tabel 4.2 Ketidakpastian pengukuran konduktivitas listrikError! Bookmark not defined. Tabel 4.3 Konduktivitas listrik semikonduktor ZnO yang didoping CuError! Bookmark not defined.
12
DAFTAR PERSAMAAN Persamaan 2.1 Hukum Ohm .................................. Error! Bookmark not defined. Persamaan 2.2 Koefisien suhu resistivitas ............. Error! Bookmark not defined. Persamaan 2.3 Resistivity of metal ......................... Error! Bookmark not defined. Persamaan 2.4 Ressitivity ....................................... Error! Bookmark not defined. Persamaan 2.5 Ressitivity and correction factor .... Error! Bookmark not defined. Persamaan 2.6 Resistivity ....................................... Error! Bookmark not defined. Persamaan 2.7 Correction factor 1 ........................ Error! Bookmark not defined. Persamaan 2.8 Correction factor 2 ........................ Error! Bookmark not defined. Persamaan 2.9 Konduktivitas Listrik ..................... Error! Bookmark not defined. Persamaan 2.10 Analisa ketidakpastian ................. Error! Bookmark not defined.
13
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Hasil Uji konduktivitas Listrik Stainless SteelError! Bookmark not defined. Lampiran 2. Hasil Uji konduktivitas Listrik TembagaError! Bookmark not defined. Lampiran 3. Hasil Uji konduktivitas Listrik AluminiumError! Bookmark not defined. Lampiran 4. Hasil Uji konduktivitas Listrik ZnO + CuError! Bookmark not defined. Lampiran 5. Perhitungan mencari nilai konduktivitas listrikError! Bookmark not defined. Lampiran 6. Uncertanty ........................................ Error! Bookmark not defined. Lampiran 7. Guidance Penggunaan Alat Uji Konduktivitas ListrikError! Bookmark not defined. Lampiran 8. Komposisi kimia material konduktor Error! Bookmark not defined. Lampiran 9. Resistivity dan Conductivity material logamError! Bookmark not defined.
14
DAFTAR NOTASI
A
: Luas Area
[Milimeter2]
a
: Lebar Spesimen
[Milimeter]
d
: Panjang Spesimen/Diameter Spesimen
[Milimeter]
: Correction factor 1 : Correction factor 2 I
: Arus
[Ampere]
L
: Panjang
[Milimeter]
R
: Hambatan
[Ohm]
s
: Jarak Antar Probe
[Milimeter]
T
: Temperatur
[ºCelcius]
T0 : Temperatur Referensi
[ºCelcius]
t
: Tebal Spesimen
[Milimeter]
V
: Tegangan
[Volt]
α
: Koefisien Temperatur
ρ
: Resistivity
[Ohm.Meter]
σ
: Konduktivitas Listrik
[Siemens/Meter]
15
16
