KAJIAN EFEK MAGNETOIMPEDANSI FREKUENSI RENDAH PADA MULTI LAPISAN [Ni80Fe20/Cu]N KAWAT Cu HASIL ELEKTRODEPOSISI.

KAJIAN EFEK MAGNETOIMPEDANSI FREKUENSI RENDAH
PADA MULTI LAPISAN [Ni80Fe20/Cu]N KAWAT Cu
HASIL ELEKTRODEPOSISI

TESIS

Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister
Program Studi Ilmu Fisika

Oleh
ISMAIL
S911408001

PROGRAM PASCASARJANA
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2016

i

ii

iii

iv

PERSEMBAHAN

Tesis ini saya persembahkan untuk :
1. Allah Ta’ala yang selalu melimpahkan rahmat dan pertolongan-Nya kepada saya
selama penelitian dan penulisan tesis ini.
2. Kedua orang tua dan mertua yang selalu mendukung dan memberikan bantuan baik
sprirituil maupun materiil.
3. Istriku tercinta, Nurul Jannah Hamdan, yang selalu menemani dalam setiap suka
maupun duka, dan putri pertamaku tersayang, Dzakiyyah Salsabila, yang menjadi
penyejuk hati setiap hari.
4. Teman-teman seperjuangan Magister Ilmu Fisika 2014 : Ashari Bayu, Fengky,
Mahfudli Fadli, Subur Pramono, Ramona, Yuniar Alam, Yunita, dan Restu.
5. Rekan-rekan guru di SMA Warga Surakarta yang selalu memberikan semangat untuk
segera menyelesaikan penelitian dan penulisan tesis ini.

v

Ismail, S911408001. Kajian Efek Magnetoimpedansi Frekuensi Rendah pada
Multilapisan [Ni80Fe20/Cu]N Kawat Cu Hasil Elektrodeposisi. Tesis. Pembimbing I :
Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si, M.Si. Pembimbing II : Nuryani, S.Si, M.Si, Ph.D.
Program Studi Ilmu Fisika, Program Pascasarjana, Universitas Sebelas Maret Surakarta.

ABSTRAK
Telah dilakukan kajian terhadap efek magnetoimpedansi pada substrat kawat
tembaga (Cu) yang dilapisi dengan multilapisan [Ni80Fe20/Cu]N dalam rentang frekuensi
rendah (20 – 100 kHz). Kajian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh
frekuensi arus AC, jumlah multilapisan, panjang kawat, dan diameter kawat terhadap
rasio magnetoimpedansi.
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah eksperimen melalui proses
elektrodeposisi untuk pembuatan sampel. Sampel yang dibuat adalah kawat Cu yang
dilapisi dengan multilapisan Ni80Fe20 setebal 800 nm dan Cu setebal 300 nm. Panjang
kawat yang digunakan adalah 1 – 4 cm dengan variasi diameter kawat 0,1 – 1,0 mm.
Jumlah lapisan yang dideposisikan pada kawat Cu adalah N = 1 hingga N = 3 lapis.
Hasil perhitungan rasio

magnetoimpedansi

menunjukkan bahwa

rasio

magnetoimpedansi meningkat delapan kali lipat dengan peningkatan jumlah
multilapisan dan meningkat empat kali lipat dengan bertambahnya panjang kawat. Nilai
rasio magnetoimpedansi optimum dicapai pada diameter kawat 0,5 mm yang dapat
disebut sebagai diameter kritis. Pada variasi diameter kawat, rasio magnetoimpedansi
meningkat dengan peningkatan diameter dari 0,1 mm hingga 0,5 mm dan kemudian
menurun dengan bertambahnya ukuran diameter kawat dari 0,5 mm hingga 1,0 mm.
Selain itu peningkatan frekuensi arus AC juga mampu meningkatkan magnetoimpedansi
karena frekuensi berpengaruh dengan reaktansi bahan yang berpengaruh langsung
terhadap impedansi sampel.

Kata kunci : Magnetoimpedansi, Elektrodeposisi, Multilapisan, Permalloy Ni80Fe20,
Kawat Cu, Frekuensi rendah, Geometri.

vi

Ismail, S911408001. Study of Low Frequency Magneto-impedance Effects on
Electrodeposited Cu Multilayer [Ni80Fe20/Cu]N Wires. Thesis. Supervisor I: Dr. Eng.
Budi Purnama, S.Si., M.Si. Supervisor II: Nuryani, S.Si., M.Si., Ph.D. Physics
Department, Post Graduate Program, Sebelas Maret University of Surakarta.
ABSTRACT

Study of the magneto-impedance effects on a copper wire (Cu) substrate coated
with multilayer [Ni80Fe20/Cu]N in the low frequency range (20-100 kHz) has been
conducted. The study is conducted to determine the effect of the AC current frequency,
the number of multilayer, the wire length and diameter of the wire against magnetoimpedance ratio.
This study used an experimental method by mean of electro-deposition process
for the preparation of samples. The sample is Cu wire coated with Ni80Fe20 and Cu, with
thick of 800 nm and 300 nm respectively. The length of the wire is 1 – 4 cm with a
variety of the wire diameters from 0.1 to 1.0 mm. The number of layers deposited on the
wire is N = 1 to N = 3 layers.
The experiment results show that the magneto-impedance ratio increases octuple
with the increasing the number of layers from 1 to 3 layers. The magneto-impedance
ratio also increases quadruple with increasing wire length from 1 to 4 cm. The
maximum magneto-impedance ratio is achieved at the wire diameter of 0.5 mm which

can be referred to be the critical diameter. At the wire diameter variation, magnetoimpedance ratio increases with increase of diameter from 0.1 mm to 0.5 mm and then
decreases with increasing of the wire diameter of 0.5 mm to 1.0 mm. In addition,
increasing the AC current frequency can increase the magneto-impedance ratio as it
influences the materials reactance that directly influences the sample impedance.

Keywords: Magneto-impedance, electrodeposited, multilayer, Permalloy Ni80Fe20,
Cu Wire, Low Frequency, Geometry.

vii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah Ta’ala Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang
karena hidayah dan inayah-Nya lah penulis dapat menyelesaikan penyusunan tesis yang
berjudul “ Kajian Efek Magnetoimpedansi Frekuensi Rendah pada Multi Lapisan
[Ni80Fe20/Cu]N Kawat Cu Hasil Elektrodeposisi ”.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan tesis ini tidak terlepas dari bantuan
berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya
kepada :
1. Prof. Dr. M. Furqon Hidayatullah, M.Pd selaku Direktur Program Pascasarjana

Universitas Sebelas Maret Surakarta.
2. Prof. Drs. Cari, M.A., M.Sc., Ph.D selaku Ketua Program Studi Ilmu Fisika
Pascsarjana Universitas Sebelas Maret, yang memberikan banyak nasehat dan
motivasi sehingga menjadi inspirasi selama masa perkuliahan.
3. Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si, M.Si selaku dosen pembimbing I yang senantiasa
memberikan bimbingan, saran, motivasi dan dana penelitian kepada penulis untuk
dapat menyelesaikan penelitian dan tesis ini.
4. Bapak Nuryani, S.Si, M.Si, Ph.D., selaku dosen pembimbing II yang senantiasa
bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan arahan, utama
dalam penulisan publikasi internasional.
5. Bapak/Ibu Dosen Program Studi Ilmu Fisika Pascasarjana Universitas Sebelas Maret
yang telah menularkan ilmunya dibidang fisika selama penulis menjalani masa
perkuliahan.
6. Pengelola Sub Lab Kimia Pusat Universitas Sebelas Maret Surakarta yang telah
banyak membantu selama penulis melakukan aktivitas eksperimen di laboratrium.
Semoga dengan bantuan yang telah diberikan mendapat balasan kebaikan yang
jauh lebih baik, lebih banyak dan lebih besar dari Allah Ta’ala. Penulis berharap tesis
ini bisa memberikan manfaat, meskipun dalam penyusunan tesis ini masih banyak
kesalahan dan kekurangan.
Surakarta, Juli 2016

Ismail

viii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ........................................................................................

i

HALAMAN PENGESAHAN ..........................................................................

ii

HALAMAN PERNYATAAN ..........................................................................

iv

HALAMAN PERSEMBAHAN .......................................................................

v

ABSTRAK ......................................................................................................

vi

ABSTRACT ....................................................................................................

vii

KATA PENGANTAR .....................................................................................

viii

DAFTAR ISI ...................................................................................................

ix

DAFTAR TABEL ............................................................................................

xi

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................

xii

DAFTAR SIMBOL .........................................................................................

xiv

DAFTAR PUBLIKASI ....................................................................................

xvi

BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang ......................................................................................

1

B. Rumusan Masalah ..................................................................................

2

C. Tujuan Penelitian ...................................................................................

2

D. Batasan Masalah ....................................................................................

3

E. Manfaat Penelitian .................................................................................

3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA
A. Momen Magnetik dan Magnetisasi ........................................................

4

B. Klasifikasi Bahan Magnetik ...................................................................

10

C. Domain Magnetik dan Domain Wall ......................................................

12

D. Histeresis ...............................................................................................

14

E. Medan Demagnetisasi dan Faktor Demagnetisasi ...................................

15

F. Impedansi dan Magnetoimpedansi .........................................................

16

G. Skin Depth .............................................................................................

19

H. Impedansi pada Sistem Multi Lapisan (Multilayer System) ....................

21

I. Arus Eddy .............................................................................................

23

J. Redaman Arus Eddy ..............................................................................

25

ix

BAB III METODE PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu Penelitian ................................................................

27

B. Alat dan Bahan Penelitian ......................................................................

27

1. Alat ..................................................................................................

27

1.1 Alat untuk Elektrdeposisi ...........................................................

27

1.2 Alat untuk Pengukuran Magnetoimpedansi ................................

28

2. Bahan ..............................................................................................

28

2.1 Bahan Substrat ...........................................................................

28

2.2 Bahan Kimia untuk Larutan Elektrodeposisi NiFe ......................

28

2.3 Bahan Kimia untuk Larutan Elektrodeposisi Cu .........................

28

C. Metode Penelitian ..................................................................................

29

1. Preparasi Substrat ............................................................................

30

2. Preparasi Larutan .............................................................................

30

3. Elektrodeposisi Multi Lapisan [Ni80Fe20/Cu]N ..................................

30

4. Pengukuran Magnetoimpedansi .......................................................

32

5. Pengambilan Data ............................................................................

32

BAB IV PEMBAHASAN
A. Fenomena Magnetoimpedansi pada Kawat Multi Lapisan ......................

34

B. Magnetoimpedansi Karena Pengaruh Frekuensi Arus AC ......................

37

C. Magnetoimpedansi Karena Pengaruh Jumlah Multi Lapisan ..................

40

D. Magnetoimpedansi Karena Pengaruh Panjang Kawat Cu .......................

42

E. Magnetoimpedansi Karena Pengaruh Diameter Kawat Cu .....................

45

BAB V PENUTUP
Kesimpulan .................................................................................................

49

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................

50

LAMPIRAN PUBLIKASI ILMIAH ................................................................

54

x

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Faktor demagnetisasi pada beberapa bentuk geometri sampel .........

16

Tabel 3.1 Tahapan dan Waktu Pelaksanaan Penelitian ...................................

27

Tabel 4.1 Resistansi kawat multi lapisan Ni80Fe20/Cu pada variasi l ................

43

Tabel 4.2 Resistansi kawat multi lapisan Ni80Fe20/Cu pada variasi d ...............

46

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 (a) Momen magnetik spin (Coey, 2009 ......................................

4

(b) Momen magnetik orbital (Coey, 2009) .................................

4

Gambar 2.2 Sebatang magnet yang berada pada medan magnet seragam
(Cullity dan Graham, 2009) .......................................................
Gambar 2.3 Gambaran skematik domain magnetik (Skomski dkk, 2001) ......

8
12

Gambar 2.4 Struktur domain magnetik membujur di bagian inti dan radial di
bagian kulit (Phan dan Peng, 2008) ...........................................

13

Gambar 2.5 Struktur domain magnetik di bagian inti tegak lurus dan
melingkar di bagian kulit (Phan dan Peng, 2008) .......................

13

Gambar 2.6 Gambar skematik domain wall (Bloch Walls) (Jiles, 1998) ........

14

Gambar 2.7 Tipikal kurva histeresis soft magnetik & hard magnetik .............

14

Gambar 2.8 Grafik

magnetoimpedansi

yang

menunjukkan

perubahan

impedansi sebagai fungsi medan magnet luar (Phan dan Peng,
2008) .........................................................................................

17

Gambar 2.9 Skema pengukuran magnetoimpedansi pada kawat konduktor
(Chaturvedi et al., 2010) ............................................................

18

Gambar 2.10 Ketergantungan antara skin depth dan permeabilitas dengan
medan magnet luar (Phan dan Peng, 2008) ................................

20

Gambar 2.11 Skema sistem multi lapisan yang terdiri atas dua lapisan
magnetik (NiFe) dengan tebal d2 yang disisipi oleh lapisan
konduktif non-magnetik (Cu) dengan tebal d1 (Fernandez et al.,
2012) .........................................................................................

21

Gambar 2.12 Sebuah bahan magnet dililit dengan kawat konduktor berarus ...

23

Gambar 2.13 Penggambaran total medan pada batang magnet dengan
pengaruh medan arus Eddy ........................................................

24

Gambar 2.14 Ilustrasi proses terjadinya redaman arus eddy pada bahan
magnetik ...................................................................................

25

Gambar 3.1 Diagram alir tahapan penelitian .................................................

29

Gambar 3.2 Skema proses elektrodeposisi ....................................................

31

Gambar 3.3 Skema multi lapisan Ni80Fe20/Cu pada kawat Cu .......................

31

xii

Gambar 3.4 Skema susunan alat pengukuran magnetoimpedansi (Chaturvedi
et al., 2010) ...............................................................................
Gambar 4.1 Fenomena

magnetoimpedansi

kawat

multi

32

lapisan

[Ni80Fe20/Cu]3 pada frekuensi 20 kHz dengan panjang 1 cm ......

34

Gambar 4.2 Kurva rasio magnetoimpedansi pada kawat Cu yang dideposisi
dengan lapisan NiFe/Cu (a) hasil penelitian (b) hasil Mishra et
al (2011) ..................................................................................

36

Gambar 4.3 (a) Pengaruh frekuensi terhadap rasio magnetoimpedansi ........

37

(b) Hubungan rasio magnetoimpedansi maksimum terhadap
frekuensi ..........................................................................................................................

37

Gambar 4.4 (a) Pengaruh frekuensi terhadap rasio magnetoimpedansi hasil
penelitian ..................................................................................

39

(b) Pengaruh frekuensi terhadap rasio magnetoimpedansi hasil
Seet et al (2006) ........................................................................

39

Gambar 4.5 (a) Rasio magnetoimpedansi kawat multi lapisan [NiFe/Cu)]N
pada frekuensi 20 kHz dengan panjang kawat 2 cm ...................

40

(b) Hubungan rasio megnetoimpedansi maksimum dengan
jumah multi lapisan [Ni80Fe20/Cu]N ...........................................

40

Gambar 4.6 (a) Rasio magnetoimpedans kawat multi lapisan [NiFe/Cu]N
pada frekuensi 20 kHz dengan panjang kawat 1, 2, dan 4 cm
dengan diameter d = 0,5 mm .....................................................

42

(b) Hubungan rasio magentoimpedansi maksimum dengan
panjang kawat ...........................................................................
Gambar 4.7 (a) Kurva

peningkatan

rasio

magnetoimpedansi

yang

meningkat dengan peningkatan panjang kawat hasil penelitian ..
(b) Kurva

peningkatan

rasio

megnetoimpedansi

42

44

yang

meningkat dengan peningkatan panjanng kawat oleh Vaquez ....

44

Gambar 4.8 (a) Rasio – magnetoimpedansi kawat multi lapisan [NiFe/Cu]3
pada frekuensi 20 kHz dengan diameter 0,1 – 1,0 mm ...............

45

(b) Hubungan diameter kawat multi lapisan [NiFe/Cu]3 dengan
nilai rasio magnetoimpedansi maksimum pada f = 20 kHz ..........

xiii

45

Gambar 4.9 (a) Kurva

peningkatan

rasio

magnetoimpedansi

akibat

pertambahan diameter kawat (a) hasil penelitian (b) hasl kajian
oleh Zhan et al ...........................................................................

xiv

47

DAFTAR SIMBOL

A

luas penampang

B

induksi magnet

Br

induksi magnet remanen (sisa)

Bs

induksi magnet saturasi

b

lebar lapisan

c

kecepatan cahaya

d

diameter kawat

d1

ketebalan lapisan konduktif

d2

ketebalan lapisan magnetik

E

medan listrik

e

gaya gerak listrik

F

momen gaya

f

frekuensi

H

medan magnet

Hd

medan demagnetisasi

Hec

medan arus eddy

Heff

medan efektif

Hmax

medan maksimum

I

arus listrik

iec

arus eddy

J0, J1

fungsi Bessel orde pertama

j

rapat arus

l

panjang kawat

M

magnetisasi

m

momen magnetik

N

jumlah multi lapisan

Nd

faktor demagnetisasi

p

(pole) kekuatan kutub magnet

R

hambatan listrik

Rdc

hambatan pada kawat

xv

Rm

hambatan pada multi lapisan

r

jari-jari kawat

t

waktu

V

beda potensial

W

lebar domain wall

X

reaktansi

Z

impedansi



suseptibilitas

δ

skin depth



permeabilitas

0

permeabilitas ruang hampa

r

permeabilitas relative



resistivitas



konduktifitas

ω

frekuensi sudut

xvi

DAFTAR PUBLIKASI

1.

Ismail, B. Anggit, Nuryani, B. Purnama. 2015. Pengaruh Jumlah Multi Lapisan
[Ni80Fe20/Cu]N Terhadap Efek Magnetoimpedansi Pada Kawat Cu Hasil
Elektrodeposisi. Jurnal Materi dan Pembelajaran Fisika, Vol . 5 No. 2,
hal. 9 – 13.

2.

Ismail, Nuryani, B. Purnama. 2016. Influence of Sample Length to Magnetoimpedance Effect in Electrodeposited [Cu/Ni80Fe20]3 Multilayer Wires at Low
Frequency. AIP Proceedings, Vol. 1710, pp. 03002-1 – 03002-4.

3.

Ismail, Nuryani, B. Purnama. 2016. Critical Diameter and Magneto-impedance
Effect in Electrodeposited [Cu/Ni80Fe20]3 Multilayer Wire at Low Frequency.
AIP Proceedings, Vol. 1746, pp. 020002-1 – 020002-4

xvii