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
