FENOMENA MAGNETO IMPEDANSI PADA KUMPARAN KAWAT DAN LAPISAN TIPIS MAGNETIK
commit to user FENOMENA MAGNETO IMPEDANSI PADA KUMPARAN KAWAT DAN LAPISAN TIPIS MAGNETIK Disusun Oleh : HANAFI EKO PRASETYO M0207037 SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA Agustus, 2013
commit to user
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul : FENOMENA MAGNETO IMPEDANSI PADA KUMPARAN KAWAT DAN LAPISAN TIPIS MAGNETIK
Yang disusun oleh : Nama : Hanafi Eko Prasetyo NIM : M0207037
Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji Hari : Jumat Tanggal : 30 Agustus 2013
Anggota Tim Penguji : 1. Dr. Nuryani, S.Si., M.Si. .............................
NIP. 19690303 200003 1 001 2. Drs. Suharyana, M.Sc. ............................. NIP. 19611217 198903 1 003 3. Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si., M.Si ............................. NIP. 19731109 200003 1 001 4. Utari, S.Si., M.Si ............................. NIP. 19701206 200003 2 001
Disahkan oleh Ketua Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta
Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D
NIP. 19680508 199702 001
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi dari seluruh intelektual skripsi saya yang berjudul “Fenomena magneto impedansi pada kumparan kawat dan
lapisan tipis m agnetik” merupakan hasil kerja saya dan sepengetahuan saya
hingga saat ini isi dari skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis dibagian ucapan terimakasih. Isi di dalam skripsi ini diperbolehkan untuk di gunakan sebagai bahan rujukan atau di perbanyak secara bebas dengan tanpa memberitahu penulis.
Surakarta, 10 Agustus 2013
HANAFI EKO PRASETYO
commit to user
FENOMENA MAGNETO IMPEDANSI PADA KUMPARAN KAWAT
DAN LAPISAN TIPIS MAGNETIK
Hanafi Eko Prasetyo
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Fenomena magneto impedansi pada kumparan kawat Fe dan lapisan tipis magnetic NiFe dilaporkan pada penelitian ini. Tiga tahapan ekperimental telah dilakukan yaitu klarifikasi fenomena magneto impedansi, pengaruh penambahan ferit, dan efek deposisi lapisan tipis NiFe terhadap respon magneto impedansi. Pengukuran magneto impedansi dilakukan dengan memberikan medan magnet arah tegak lurus terhadap sampel.
Pada tahap pertama, fenomena magneto impedansi sukses diamati pada kumparan kawat Fe. Magneto impedansi naik dengan kenaikan jumlah lilitan (N), diameter kumparan (d), dan diameter kawat (D). Jika kumparan ditinjau sebagai material megnetik maka penambahan N, d, dan D akan menaikan nilai permeabilitas dari sampel. Sehingga nilai impedansi naik dengan kenaikan medan magnet.
Pada tahap kedua, sampel kumparan kawat Fe memberikan respon magneto impedansi berbeda jika inti ferit disisipkan. Tipikal perubahan impedansi kumparan kawat Fe dengan inti ferit pada frekuensi tinggi lebih kecil daripada frekuensi rendah. Magneto impedansi tidak signifikan berubah dengan perubahan diameter kumparan (d). Sebaliknya magneto impedansi meningkat secara drastic dengan kenaikan jumlah lilitan (N) dibandingkan dengan diameter kumparan (d).
Pada tahap ketiga, evaluasi respon magneto impedansi pada frekuensi 1900 Hz. Sampel kumparan kawat Fe dengan pelapisan NiFe meningkat dengan kenaikan ketebalan lapisan tipis. Hal ini dapat dikorelasikan dengan peningkatan magnetisasi jenuh dengan kenaikan ketebalan. Akhirnya, perubahan impedansi signifikan meningkat dengan kenaikan jumlah lilitan (15, 20, dan 25). Kenyataan hasil ini disumbang akibat kenaikan permeabilitas.
Kata kunci: Magneto impedansi, kawat Fe, lapisan tipis NiFe, medan magnet
commit to user
THE PHENOMENON OF MAGNETO IMPEDANCE ON WIRES COIL
AND MAGNETIC THIN FILM
Hanafi Eko Prasetyo
Physics Department, Faculty of Sciences, Sebelas Maret University
ABSTRACT
The phenomenon of magneto-impedance on Fe wire coil and thin layer Ni
80 Fe 20 had been reported by this research. Three-stage experimental had been
done, they are magneto-impedance phenomenon, effect of adding ferrite core, and effect of Ni80Fe20 thin film deposition on magneto-impedance response. Magneto-impedance measurements had been performed by sample given perpendicular magnetic field.
First stage, magneto-impedance phenomenon on Fe wire coil had been clarified. The value of magneto-impedance is increased by increased number of Fe wire coil (N), diameter of coil (D), and diameter of Fe wire coil. If the coil is considered as magnetic material, the increase sample permeability is caused by increased of N, d, and D. Then, the decrease of impedance is caused by increased of magnetic field.
Second stage, the sample of Fe wire coil had different respond magneto impedance if the ferrite core is inserted. The typical change of impedance Fe wire coil with ferrite core at high frequency had smaller value than lower frequency. Magneto-impedance did not significant change with the variation of coil diamater (d) is used. Instead, magneto-impedance increased drastically with increase the value of coil (N). This phenomenon indicated that permeability more sensitive with increase the value of coil (N) then diameter of coil (d).
Last stage, the evaluation of magneto-impedance response is performed in frequency 1900 Hz. The impedance value of coil coating Ni
80 Fe 20 increased with
increase thin film thickness. This phenomenon can be correlated with saturation magnetization, the increase of saturation magnetization is resulted by increased thin film thickness. Finally, the change of impedance increased drastically with increased N (15, 20, and 25). This fact is contributed by resulted higher permeability.
Keyword : Magneto impedance, Fe wire coil, thin film NiFe, magnetic field
commit to user
MOTTO “Hidup bagaikan roda yang berputar, kadang kita berada diatas, kadang pula kita berada dibawah” Namun bagi saya, prinsip kehidupan tidak sesimpel roda yang telah diutarakan tadi. Bagi saya roda kehidupan yang baik adalah ketika kita sedang diatas maka kita harus memberikan perlambatan sebesar mungkin agar roda kehidupan kita tidak berputar kebawah dengan cepat, dan juga ketika kita sedang dalam posisi dibawah maka kita harus memberikan percepatan sebesar mungkin sehingga roda kehidupan kita akan berputar cepat menuju posisi atas kembali. -Hanafi- commit to user
HALAMAN PERSEMBAHAN
commit to user
Karya yang sangat sederhana ini selain saya persembahkan untuk ibu, bapak dan adik, juga untuk seseorang yang telah mengorbankan seluruh hidupnya untuk saya….. seluruh waktunya hanya untuk saya…. meninggalkan kehidupan pribadinya nya untuk saya… memulai hidup baru dengan saya… menjalani hidup dengan saya… membuang waktunya untuk saya… terima kasih atas waktumu… kasih sayangmu… cintamu… air matamu… tawamu… senyummu… jiwamu… pengorbananmu… semangatmu… kekuatanmu… keringatmu… sangat berharga bagiku dan tak sebanding dengan emas ataupun berlian yang ada di dunia ini terima kasih untuk satu nama…
Euis Inayati
tak akan lekang oleh waktu
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, taufik, hidayah, dan inayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian serta penyusunan skripsi dengan judul: “Fenomena Magneto Impedance pada Wires
dan Lapisan tipis Magnetik
” yang merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Surakarta.
Selama melakukan penelitian maupun penyusunan skripsi ini penulis telah mendapat banyak masukan, bantuan dan dukungan dari berbagai pihak yang sangat bermanfaat baik secara langsung maupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan yang baik ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Ibu dan bapak tercinta yang telah memberikan dukungan, materi, semangat, kasih sayang, dan do’anya untuk kelancaran studi penulis.
2. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc., (Hons)., Ph.D selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam UNS.
3. Bapak Ahmad Marzuki., S.Si., Ph.D selaku Ketua Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret 4. Bapak Dr.Eng. Budi Purnama., S.Si., M.Si selaku Pembimbing I yang senantiasa dengan sabar membimbing meluangkan waktu, memberi arahan, memberi berbagai masukan, serta motivasi tersendiri kepada penulis.
5. Ibu Utari., S.Si., M.Si selaku Pembimbing II yang senantiasa dengan sabar memberikan bimbingan serta motivasi kepada penulis.
6. Euis Inayati yang telah membantu banyak, baik materi, tenaga, pikiran, waktu, perhatian, do’a, semangat, dan semuanya telah dicurahkan demi kelancaran skripsi ini.
7. Serta semua pihak yang tidak bisa penulis tuliskan satu persatu, penulis mengucapkan beribu-ribu terimakasih.
commit to user Dengan kerendahan hati penulis menyadari bahwa dalam melakukan penelitian dan penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu masukan yang berupa saran dan kritik yang membangun dari pembaca akan sangat membantu. Semoga skripsi ini bisa bermanfaat bagi kita semua dan pihak- pihak terkait.
Surakarta, Agustus 2013 Penulis
commit to user
HALAMAN PUBLIKASI
Sebagian dari skripsi saya yang berjudul
“Fenomena Magneto Impedansi pada Kumparan Kawat dan Lapisan Tipis Magnetik ” telah: 1.
Dipublikasikan pada Jurnal Fisika dan Aplikasinya (JFA) Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam ITS, yang diterbitkan pada Vol 9/ No.2/ Hal. 63-65/ Juni 2013 ISSN:1858:036X dengan judul “Magneto Impedansi pada Kumparan Kawat Fe”.
2. Dipresentasikan di : Annual Conference-HFI JTY 2013 “Innovation
Synergy for Improving National Competitiveness” Physics Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences , Sebelas Maret University,
Surakarta, pada tanggal 22-23 Maret 2013.
commit to user
DAFTAR ISI halaman
i HALAMAN JUDUL ………………………………………………………... ii HALAMAN PENGESAHAN ………………………………………………. iii
HALAMAN PERNYATAAN ……………………………………………… iv HALAMAN ABSTRAK ……………………………………………………. v HALAMAN ABSTRACT ………………………………………………….. vi HALAMAN MOTTO ………………………………………………………. vii HALAMAN PERSEMBAHAN ……………………………………………. viii
KATA PENGANTAR ……………………………………………………… x HALAMAN PUBLIKASI ………………………………………………….. xi DAFTAR ISI ………………………………………………………………... xiv DAFTAR TABEL …………………………………………………………... DAFTAR GAMBAR xv ……………………………………………………….. xvii DAFTAR SIMBOL …………………………………………………………. xix DAFTAR LAMPIRAN ……………………………………………………...
1 BAB I PENDAHULUAN …………………………………………………...
1.1.Latar Belakang Masalah 1 ………………………………………..
1.2.
2 Batasan Masalah ………………………………………………..
1.3.
2 Perumusan Masalah …………………………………………….
1.4.
3 Tujuan Penelitian ……………………………………………….
1.5.
3 Manfaat Penelitian ……………………………………………...
4 BAB II DASAR TEORI …………………………………………………….
2.1.Magneto Impedansi
4 (MI) ………………………………………
2.2.Impedansi Konduktor Magnetik
5 ……………………………….
2.3.
8 Pembagian MI menurut Frekuensi …………………………......
2.4.
9 Teknik Penumbuatan Material MI ……………………………..
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
12 …………………………………...
3.1.
12 Tempat dan Waktu Penelitian ………………………………….
commit to user 3.2.
12 Alat dan Bahan Penelitian ……………………………………...
commit to user
3.2.1.27 4.1.4. Pengaruh Diamater Kumparan (d) …………………….
36 4.3.3. Hasil Karakteristik Magnetik Lapisan Tipis NiFe …….
34 4.3.2. Ketebalan Lapisan Tipis NiFe vs Waktu ……………...
Plat Tembaga (PCB) …………………………………..
34 4.3.1. Analisis Komposisi Lapisan Tipis NiFe pada Substrat
33 4.3. Magneto Impedansi Lapisan tipis NiFe pada Kawat Fe …..
32 4.2.5. Pengaruh Diamater Kumparan Terhadap Perubahan Impedansi ……………………………………………...
31 4.2.4. Pengaruh Jumlah Lilitan Kumparan Terhadap Perubahan Impedansi ………………………………….
30 4.2.3. Pengaruh Penggunaan Medan Magnet Terhadap Perubahan Impedansi ………………………………….
29 4.2.2. Hubungan Frekuensi Terhadap Nilai Impedansi Kumparan Kawat Fe Inti Ferit ………………………...
29 4.2.1. Pengaruh Penambahan Ferit pada Nilai Impedansi …...
28 4.2. Magneto Impedansi Kumparan Kawat Fe Inti Ferit ………
26 4.1.3. Pengaruh Diameter Kawat (D) ………………………..
Alat Penelitian ………………………………………...
24 4.1.2. Pengaruh Jumlah Lilitan Kumparan (N) ………………
24 4.1.1. Klarifikasi Fenomena Magneto Impedansi ……………
24 4.1. Magneto Impedansi Kawat Fe ………………………………….
18 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ……………………………………
80 Fe 20 pada Kumparan Kawat Fe …………………………………..
16 3.3.3. Efek Ketebalan Pelapisan Lapisan Tipis Ni
15 3.3.2. Pengaruh Inti Ferit pada Magneto Impedansi Kumparan Kawat Fe …………………………………..
13 3.3.1. Fenomena Magneto Impedansi pada Kumparan Kawat Fe ……………………………………………………...
13 3.3. Metode Penelitian ………………………………………………
13 3.2.3. Bahan Kimia …………………………………………..
12 3.2.2. Bahan Dasar …………………………………………...
37
4.3.4. Karakteristik Deposisi NiFe pada Kumparan Kawat
39 Fe ……………………………………………………...
BAB V PENEUTUP 42 ………………………………………………………...
5.1.
42 Kesimpulan …………………………………………………….
42 5.2. Saran …………………………………………………………...
43 DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………………. LAMPIRAN-
47 LAMPIRAN …………………………………………………..
commit to user
DAFTAR TABEL halaman
Tabel 2.1. Perbandingan teknologi fabrikasi material Magneto9 Impedansi (MI) …………………………………………
Tabel 3.1. Formula larutan elektroplating setiap 100 ml19 ………….
Tabel 4.1. Delapan unsur terbanyak yang terkomposisi didalam lapisan tipis NiFe35 …………………………….................
commit to user
DAFTAR GAMBAR
halaman Perubahan impedansi (Z) dibawah pengaruh medan Gambar 2.1. magnet (H) ……………………………………………………………………..4 Gambar 2.2. Definisi skematis impedansi
5 …………………………
Gambar 2.3. (a) penerapan medan magnet dc (H ) tergantung daridc
kedalaman kulit ( m ) dan reversible permeabilitas
δ
(µ r ). (b) merupakan pandangan skematis dari perubahan untuk kawat dan film/pita ..
7
dc
δm dengan H
Gambar 2.4. Skema elektrodeposisi10 ………………………………. Gambar 3.1.
14 Diagram Skema alur penelitian ……………………...
Gambar 3.2. Kumparan kawat Fe15 …………………………………
Gambar 3.3. Skema pengukuran impedansi kumparan kawat Fe16 … Gambar 3.4. Kumparan kawat Fe inti ferit ...................
17 …………...
Gambar 3.5. Skema alat pengukuran impedansi kumparan inti ferit17 Gambar 3.6. Pola bentuk kumparan kawat dan plat tembaga
19 …….. Gambar 3.7.
20 Skema alat elektroplating ……...……………………. Gambar 4.1.
Grafik pengaruh perubahan medan magnet terhadap
25 nilai impedansi ……………………...………………. Gambar 4.2.
Grafik pengaruh perubahan jumlah lilitan terhadap
26 nilai impedansi ...…………………………………….
Gambar 4.3. Grafik pengaruh perubahan nilai diameter kawat terhadap nilai impedansi27 ……….…………………….
Gambar 4.4. Grafik pengaruh perubahan nilai diameter kumparan terhadap nilai impedansi, pada frekuensi 300 Hz .......28 Gambar 4.5. Grafik impedansi sebagai fungsi medan magnet dengan variasi penambahan ferit pada frekuensi 200
29 Hz (A) dan frekuensi 1.000 Hz (B) ……………......... Gambar 4.6.
Grafik impedansi sebagai fungsi medan magnet
commit to user
30 dengan variasi frekuensi ...…………………………...
Gambar 4.7.
Grafik perubahan impedansi kumparan kawat Fe sebagai fungsi frekuensi dengan variasi medan magnet (A) dan perbesaran pada frekuesni 0 hingga
31 10 kHz (B) ………………………………………....... Gambar 4.8.
Grafik perubahan impedansi kumparan kawat Fe sebagai fungsi jumlah lilitan dengan variasi medan 32 magnet ……………………………………………..... Gambar 4.9.
Grafik perubahan impedansi kumparan kawat Fe sebagai fungsi diamater kumparan dengan variasi 33 medan magnet ……………………………….............
Gambar 4.10. Spektral hasil uji XRF lapisan tipis NiFe hasil elektroplating dengan waktu deposisi 900 detik34 …..... Gambar 4.11.
Grafik perubahan massa NiFe terdeposisi sebagai
36 fungsi waktu ………………………………………… Gambar 4.12.
Grafik perubahan ketebalan NiFe terdeposisi sebagai
37 fungsi waktu ………………………………………… Gambar 4.13.
Kurva histeresis lapisan tipis NiFe dengan variasi
38 ketebalan 150 nm, 450 nm, dan 600 nm ……………. Gambar 4.14.
Grafik Magnetisasi jenuh M S sebagai fungsi
38 ketebalan …………………………………………….. Gambar 4.15.
Grafik impedansi sebagai fungsi frekuensi kumparan kawat Fe/Ni Fe 150 nm dengan variasi medan
80
20
39 magnet ………………………………………………. Gambar 4.16.
Grafik perubahan impedansi NiFe terdeposisi sebagai
40 fungsi ketebalan pada frekuensi 2000 Hz …………... Gambar 4.17.
Grafik perubahan impedansi NiFe terdeposisi sebagai
40 fungsi medan magnet pada frekuensi 2000 Hz ……...
commit to user
DAFTAR SIMBOL
commit to user
m δ m
Kecepatan sudut
ω
Konduktivitas listrik
ϕ Circumferential permeability µ T Transverse permeability c Kecepatan cahaya f Frekuensi arus bolak balik σ
r Radius kawat a Retengah ketebalan lapisan tipis j Satuan imajiner µ
J dan J
Kedalaman penetrasi pada medium magnetik (skin depth)
δ
Simbol Keterangan
k Konstanta yang dipengaruhi
⟨ ⟩ Nilai rata-rata potongan melintang pada A
j z Komponen longitudinal rapat arus
Komponen longitudinal dari medan listrik
V Tegangan I ac Arus bolak balik V ac Tegangan bolak balik A Luas penampang E z
I Arus
R Hambatan L Induktansi
Magneto impedansi
H Medan magnet H max medan magnet eksternal yang cukup untuk meredam impedansi Z Impedansi Z(H) Impedansi pada saat penerapan medan magnet H Z( Hmax ) Impedansi yang terukur pada penerapan H max ∆Z/Z
1 Fungsi Bessel jenis pertama
commit to user
ρ2 O Ferro Sulfat H
8 O
8 H
4 Asam Sulfat C
2 SO
4 Asam Baromat H
3 BO
7H
Massa jenis
4
FeSO
Nikel sulfat heksahidrat
2 O
6H
4
µ Permeabilitas pada ruang hampa NiSO
3 Vanillin Ni Nikel Fe Besi Pt Platina N Jumlah lilitan kumparan D Diamater kawat d Diamater kumparan f Frekuensi pH Derajat keasaman larutan m Massa lapisan deposisi l Lebar substrat p Panjang substrat t Ketebalan lapisan hasil deposisi v Laju deposisi
commit to user
DAFTAR LAMPIRAN
halamanLampiran 1. Tipikal perhitungan ketebalan lapisan tipis menggunakan massa deposisi ……………………......
47 Lampiran 2. Foto alat ……………………………………………...
48 Lampiran 3. Foto sampel hasil elektroplating ……………………
49 Lampiran 4 Perhitungan Waktu Deposisi Kawat Fe ……………..
50 Lampiran 5. Perhitungan perbandingan komposisi Ni dan Fe …......
51 Lampiran 6 Perhitungan Ketebalan Lapisan Tipis Terdeposisi.......
52