FENOMENA MAGNETO IMPEDANSI PADA KUMPARAN KAWAT DAN LAPISAN TIPIS MAGNETIK

Transkripsi

1 digilib.uns.ac.id i FENOMENA MAGNETO IMPEDANSI PADA KUMPARAN KAWAT DAN LAPISAN TIPIS MAGNETIK Disusun Oleh : HANAFI EKO PRASETYO M SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit Agustus, to 2013 user i

2 digilib.uns.ac.id ii HALAMAN PENGESAHAN Skripsi dengan judul : FENOMENA MAGNETO IMPEDANSI PADA KUMPARAN KAWAT DAN LAPISAN TIPIS MAGNETIK Yang disusun oleh : Nama : Hanafi Eko Prasetyo NIM : M 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 Drs. Suharyana, M.Sc.... NIP Dr. Eng. Budi Purnama, S.Si., M.Si... NIP Utari, S.Si., M.Si... NIP Disahkan oleh Ketua Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta Ahmad Marzuki, S.Si, Ph.D NIP commit to user 001 ii

3 digilib.uns.ac.id iii PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa isi dari seluruh intelektual skripsi saya yang berjudul Fenomena magneto impedansi pada kumparan kawat dan lapisan tipis magnetik 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 iii

4 digilib.uns.ac.id iv 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 iv

5 digilib.uns.ac.id v 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 v

6 digilib.uns.ac.id vi 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- vi

7 digilib.uns.ac.id vii HALAMAN PERSEMBAHAN 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 vii

8 digilib.uns.ac.id viii 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. viii

9 digilib.uns.ac.id ix 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 pihakpihak terkait. Surakarta, Agustus 2013 Penulis ix

10 digilib.uns.ac.id x 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 / 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 Maret x

11 digilib.uns.ac.id xi DAFTAR ISI halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN. ii HALAMAN PERNYATAAN iii HALAMAN ABSTRAK. iv HALAMAN ABSTRACT.. v HALAMAN MOTTO. vi HALAMAN PERSEMBAHAN. vii KATA PENGANTAR viii HALAMAN PUBLIKASI.. x DAFTAR ISI... xi DAFTAR TABEL... xiv DAFTAR GAMBAR.. xv DAFTAR SIMBOL. xvii DAFTAR LAMPIRAN... xix BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Batasan Masalah Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 3 BAB II DASAR TEORI Magneto Impedansi (MI) Impedansi Konduktor Magnetik Pembagian MI menurut Frekuensi Teknik Penumbuatan Material MI.. 9 BAB III METODOLOGI PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Alat dan Bahan Penelitian commit... to user 12 xi

12 digilib.uns.ac.id xii Alat Penelitian Bahan Dasar Bahan Kimia Metode Penelitian Fenomena Magneto Impedansi pada Kumparan Kawat Fe Pengaruh Inti Ferit pada Magneto Impedansi Kumparan Kawat Fe Efek Ketebalan Pelapisan Lapisan Tipis Ni 80 Fe 20 pada Kumparan Kawat Fe.. 18 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Magneto Impedansi Kawat Fe Klarifikasi Fenomena Magneto Impedansi Pengaruh Jumlah Lilitan Kumparan (N) Pengaruh Diameter Kawat (D) Pengaruh Diamater Kumparan (d) Magneto Impedansi Kumparan Kawat Fe Inti Ferit Pengaruh Penambahan Ferit pada Nilai Impedansi Hubungan Frekuensi Terhadap Nilai Impedansi Kumparan Kawat Fe Inti Ferit Pengaruh Penggunaan Medan Magnet Terhadap Perubahan Impedansi Pengaruh Jumlah Lilitan Kumparan Terhadap Perubahan Impedansi Pengaruh Diamater Kumparan Terhadap Perubahan Impedansi Magneto Impedansi Lapisan tipis NiFe pada Kawat Fe Analisis Komposisi Lapisan Tipis NiFe pada Substrat Plat Tembaga (PCB) Ketebalan Lapisan Tipis NiFe vs Waktu Hasil Karakteristik commit Magnetik to user Lapisan Tipis NiFe. 37 xii

13 digilib.uns.ac.id xiii Karakteristik Deposisi NiFe pada Kumparan Kawat Fe BAB V PENEUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA. 43 LAMPIRAN-LAMPIRAN.. 47 xiii

14 digilib.uns.ac.id xiv DAFTAR TABEL halaman Tabel 2.1. Perbandingan teknologi fabrikasi material Magneto Impedansi (MI) 9 Tabel 3.1. Formula larutan elektroplating setiap 100 ml. 19 Tabel 4.1. Delapan unsur terbanyak yang terkomposisi didalam lapisan tipis NiFe xiv

15 digilib.uns.ac.id xv DAFTAR GAMBAR halaman Gambar 2.1. Perubahan impedansi (Z) dibawah pengaruh medan magnet (H).. 4 Gambar 2.2. Definisi skematis impedansi 5 Gambar 2.3. (a) penerapan medan magnet dc (H dc ) tergantung dari kedalaman kulit (δ m ) dan reversible permeabilitas (µ r ). (b) merupakan pandangan skematis dari perubahan δm dengan H dc untuk kawat dan film/pita.. 7 Gambar 2.4. Skema elektrodeposisi. 10 Gambar 3.1. Diagram Skema alur penelitian Gambar 3.2. Kumparan kawat Fe 15 Gambar 3.3. Skema pengukuran impedansi kumparan kawat Fe 16 Gambar 3.4. Kumparan kawat Fe inti ferit Gambar 3.5. Skema alat pengukuran impedansi kumparan inti ferit 17 Gambar 3.6. Pola bentuk kumparan kawat dan plat tembaga.. 19 Gambar 3.7. Skema alat elektroplating Gambar 4.1. Grafik pengaruh perubahan medan magnet terhadap nilai impedansi Gambar 4.2. Grafik pengaruh perubahan jumlah lilitan terhadap nilai impedansi Gambar 4.3. Grafik pengaruh perubahan nilai diameter kawat terhadap nilai impedansi.. 27 Gambar 4.4. Grafik pengaruh perubahan nilai diameter kumparan terhadap nilai impedansi, pada frekuensi 300 Hz Gambar 4.5. Grafik impedansi sebagai fungsi medan magnet dengan variasi penambahan ferit pada frekuensi 200 Hz (A) dan frekuensi Hz (B) Gambar 4.6. Grafik impedansi sebagai fungsi medan magnet dengan variasi frekuensi commit to user 30 xv

16 digilib.uns.ac.id xvi Gambar 4.7. Gambar 4.8. Gambar 4.9. Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Grafik perubahan impedansi kumparan kawat Fe sebagai fungsi frekuensi dengan variasi medan magnet (A) dan perbesaran pada frekuesni 0 hingga 10 khz (B) Grafik perubahan impedansi kumparan kawat Fe sebagai fungsi jumlah lilitan dengan variasi medan magnet Grafik perubahan impedansi kumparan kawat Fe sebagai fungsi diamater kumparan dengan variasi medan magnet Spektral hasil uji XRF lapisan tipis NiFe hasil elektroplating dengan waktu deposisi 900 detik Grafik perubahan massa NiFe terdeposisi sebagai fungsi waktu 36 Grafik perubahan ketebalan NiFe terdeposisi sebagai fungsi waktu 37 Kurva histeresis lapisan tipis NiFe dengan variasi ketebalan 150 nm, 450 nm, dan 600 nm. 38 Grafik Magnetisasi jenuh M S sebagai fungsi ketebalan.. 38 Grafik impedansi sebagai fungsi frekuensi kumparan kawat Fe/Ni 80 Fe nm dengan variasi medan magnet. 39 Grafik perubahan impedansi NiFe terdeposisi sebagai fungsi ketebalan pada frekuensi 2000 Hz Grafik perubahan impedansi NiFe terdeposisi sebagai fungsi medan magnet pada frekuensi 2000 Hz xvi

17 digilib.uns.ac.id xvii DAFTAR SIMBOL Simbol H H max Z Z(H) Keterangan Medan magnet medan magnet eksternal yang cukup untuk meredam impedansi Impedansi Impedansi pada saat penerapan medan magnet H Z( Hmax ) Impedansi yang terukur pada penerapan H max Z/Z Magneto impedansi R Hambatan L Induktansi I Arus V Tegangan I ac V ac A E z j z Arus bolak balik Tegangan bolak balik Luas penampang Komponen longitudinal dari medan listrik Komponen longitudinal rapat arus Nilai rata-rata potongan melintang pada A k Konstanta yang dipengaruhi δ m δ m J 0 dan J 1 r a j Kedalaman penetrasi pada medium magnetik (skin depth) Fungsi Bessel jenis pertama Radius kawat Retengah ketebalan lapisan tipis Satuan imajiner µ ϕ Circumferential permeability µ T Transverse permeability c Kecepatan cahaya f Frekuensi arus bolak balik σ Konduktivitas listrik ω Kecepatan sudut xvii

18 digilib.uns.ac.id xviii ρ Massa jenis µ 0 Permeabilitas pada ruang hampa NiSO 4 6H 2 O Nikel sulfat heksahidrat FeSO 4 7H 2 O Ferro Sulfat H 3 BO 4 Asam Baromat H 2 SO 4 Asam Sulfat C 8 H 8 O 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 xviii

19 digilib.uns.ac.id xix DAFTAR LAMPIRAN halaman Lampiran 1. Tipikal perhitungan ketebalan lapisan tipis menggunakan massa deposisi Lampiran 2. Foto alat Lampiran 3. Foto sampel hasil elektroplating 49 Lampiran 4 Perhitungan Waktu Deposisi Kawat Fe.. 50 Lampiran 5. Perhitungan perbandingan komposisi Ni dan Fe Lampiran 6 Perhitungan Ketebalan Lapisan Tipis Terdeposisi xix