Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik 2013 “Teknologi Untuk Mendukung Pembangunan Nasional “
Pengaruh Variasi Front Time dan Arus Puncak Impuls Arus terhadap Kuat Medan Magnet Beberapa Bahan Logam 1)
Citra Dewi
2)
T. Haryono
3)
Sasongko Pramonohadi
1) Mahasiswa Teknik Elektro - UGM Kampus UGM Jl. Grafika 2 Yogyakarta 55281 – INDONESIA Telp. 083896893790 Email:
[email protected] 2) 3) Dosen Teknik Elektro - UGM, Kampus UGM Jl. Grafika 2 Yogyakarta 55281 – INDONESIA Email:
[email protected]
Abstract – Bahan logam yang digunakan yaitu kunci L dan paku beton. Bahan ini memiliki potensi untuk menjadi magnet permanen karena mengandung unsur logam Fe yang lebih banyak dibanding unsur logam lainnya (unsur logam yang di dianalisis). Fe merupakan salah satu unsur yang termasuk dalam bahan feromagnetik, yaitu bahan yang mempunyai resultan medan magnet atomis yang besar. Pada penelitian ini, kunci L berbentuk balok dengan panjang 6 cm, lebar 0,4 cm dan tinggi 0,4 cm serta paku beton berbentuk silinder dengan panjang 6 cm dan diameter 0,3 cm, dimasukkan secara bersamaan kedalam inti (pipa besi berlubang) yang sudah dililit dengan kabel NYA 1,5 mm. Kemudian dihubungkan dengan sumber DC dan pembangkit impuls arus yang menggunakan empat buah kapasitor pengisi. Impuls arus diterapkan dengan nilai arus puncak sebesar 1,2 kA, 1,5 kA dan 2,1 kA. Kumparan dengan inti pipa besi berlubang diisi sampai penuh dengan kunci L dan paku beton. Variasi front time dipengaruhi oleh beban atau induktor sehingga untuk mendapatkan front time yang bervariasi maka lilitan pada induktor juga divariasikan. Rangkaian yang digunakan dalam pengujian yaitu rangkaian Capacitive-Discharge Magnetizers. Hasil yang diperoleh dari pengujian ini adalah semakin besar front time dan arus puncak impuls arus yang diterapkan, maka kuat medan magnet yang dihasilkan akan semakin besar. Kuat medan magnet terbesar diperoleh dari kunci L yaitu 20 Gauss, hal ini disebabkan karena kunci L mengandung unsur Fe lebih banyak dari paku beton. Kata Kunci: front time, kuat medan magnet, bahan logam, magnet.
1. PENDAHULUAN Dewasa ini logam cukup tinggi perannya dalam kehidupan. Logam banyak digunakan dalam berbagai keperluan sebagai sarana memenuhi kebutuhan dalam kehidupan sehari-hari. Logam-logam yang sering digunakan diantaranya adalah besi, baja, timah, aluminium, tembaga, seng dan nikel. Logam-logam tersebut umumnya mempunyai sifat mekanik, elektrik dan magnetik[1].
Pada penelitian ini bahan logam yang digunakan adalah bahan yang sudah dicampur dan dibentuk menjadi kunci L dan paku beton. Kunci L dan paku beton merupakan bahan yang memiliki potensi besar menjadi magnet karena mengandung unsur Ferrit (Fe) atau besi yang banyak. Fe merupakan salah satu unsur logam yang termasuk dalam bahan ferromagnetik. Bahan ferromagnetik yaitu bahan yang mempunyai resultan medan magnet atomis yang besar, sehingga dapat menjadi magnet permanen. Penelitian mengenai magnet, baik itu pengujian kekuatan medan magnet, pembuatan magnet permanen, dan aplikasi magnet permanen telah banyak diteliti, Mihara[2] dan Kumada[3] menyebutkan bahwa kekuatan medan magnet yang dihasilkan oleh magnet permanen dipengaruhi oleh bahan yang digunakan. Pembuatan magnet permanen dapat dilakukan dengan menggabungkan bahan magnet dengan serbuk magnet permanen yang akan menghasilkan magnet permanen akan lebih kuat[4]. Cara lain untuk membuat bahan magnetik menjadi magnet permanen adalah dengan mengaliri arus listrik yang biasa disebut elektromagnet. Elektromagnet terdiri atas tiga unsur penting, yaitu jumlah lilitan, kuat arus, dan inti besi. Makin banyak lilitan dan makin besar arus listrik yang mengalir maka makin besar medan magnet yang dihasilkan. Selain itu, medan magnet yang dihasilkan elektromagnet juga tergantung pada inti besi yang digunakan. Dalam penelitian ini, kunci L dan paku beton dialiri impuls arus dengan nilai arus puncak sebesar 1,2 kA, 1,5 kA dan 2,1 kA dengan memvariasikan front timenya. Front time atau waktu muka ini merupakan waktu yang diperlukan oleh impuls tegangan atau impuls arus untuk mencapai puncak atau nilai maksimal. Variasi front time ini dipengaruhi oleh induktans (L) sehingga untuk mendapatkan front time yang bervariasi maka lilitan pada induktor juga divariasikan. Lilitan yang digunakan adalah 23, 50, 90 dan 200 lilitan, besar induktans masing-masing lilitan dapat dilihat pada tabel 1. Rangkaian pembangkit impuls arus yang digunakan yaitu rangkaian Capacitive-Discharge Magnetizers, menggunakan empat kapasitor pengisi.
46
Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik 2013 “Teknologi Untuk Mendukung Pembangunan Nasional “
Tabel 1. Induktans masing-masing lilitan
No.
Lilitan
1. 2. 3. 4.
23 50 90 200
Induktans (H) inti udara inti bahan 23,2 25,2 105,3 108,2 258,1 262,9 1353 1582
Inti bahan yang dimaksud adalah bahan penelitan.
N o 1
Bahan
Kunci L 2 Paku beton
Hasil analisis (%) Fe Co Ni 100 0,0031 0,0353 78,30
0,0068
0,0156
Metode SSA SSA
SSA = Spektrofotometrik Serapan Atom Batas deteksi : Co = 0,1 ppm dan Ni = 0,25 ppm 1 ppm = 1/10.000 %
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi front time dan arus puncak impuls arus terhadap kuat medan magnet berdasarkan unsur logam feromagnetik yang terkandung dalam kunci L dan paku beton.
2. METODE PENELITIAN Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kunci L dan paku beton. Sebelum dilakukan pengujian, bahan ini terlebih dahulu dianalisis di LPPT UGM dan Laboratorium Kimia Analitik FMIPA UGM, dengan tujuan untuk diketahui kandungan unsur feromagnetiknya yaitu besi , nikel dan kobalt (Fe, Ni dan Co) yang ada pada bahan. Persentasi kandungan Fe, Ni dan Co dapat dilihat pada tabel 2. Kunci L dan paku beton dipotong sepanjang yaitu 6 cm, diameternya adalah 4,8 dan 3,95 mm, seperti pada gambar 1. Bahan ini diletakkan didalam inti kumparan yaitu pipa besi berlubang. Jadi, di dalam pengujian ini menggunakan tiga inti kumparan yaitu udara(diabaikan), pipa besi berlubang (diabaikan) dan bahan pengujian (diukur). Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah rangkaian pembangkit impuls, osiloskop, regulator, multimeter, LCR databridge, penampang kumparan lilitan, jangka sorong dan tesla meter. Rangkaian yang digunakan dalam penelitian ini adalah rangkaian Capacitive Discharge Magnetizers, karena rangkaian ini tersedia di Laboratorium Tegangan Tinggi Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi. Capacitive Discharge Magnetizers adalah rangkaian yang dapat mengalirkan tegangan dari sumber yang kemudian disimpan di kapasitor berkapasitas besar [5]. Gambar 2 merupakan rangkaian Capacitive Discharge Magnetizers, yang dapat dijelaskan sebagai berikut: ketika saklar 1 ditutup maka sumber tegangan tinggi DC mengisi kapasitor pemuat C1, pengisian ini tidak boleh melebihi kapasitas dari kapasitor C1. Dioda yang dipasang di dekat sumber tegangan menjamin arus yang masuk ke kapasitor C1 tidak kembali ke sumber. Resistansi Rf dirancang memiliki resistans yang cukup tinggi untuk menghambat arus yang datang dari sumber masuk ke beban Lf.
Tabel 2. Persentasi kandungan Fe, Ni dan Co
(a)
(b) Gambar 1. Bahan penelitian (a) kunci L dan (b) paku beton
Gambar 2. Rangkaian Capacitive Discharge Magnetizers
Keterangan: S1 dan S2 C1 dan C2 IG1 dan IG2 T1 dan T2 Rf Lf Dfb
= = = = = = =
saklar kapasitor pengisi ignitron (spark gap) trigger (pemicu) resistans induktans flyback dioda
Ketika saklar 2 ditutup maka akan terjadi pelepasan muatan dari kapasitor C1 masuk ke kapasitor pemuat C2. Setelah kapasitor C2 penuh maka ignitron (IG1, IG2) di picu (ditrigger T1, T2) sehingga terjadi pengosongan muatan dari C2 dan mengalir kebeban Lf. Karena Rf memiliki tahanan yang besar, 47
Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik 2013 “Teknologi Untuk Mendukung Pembangunan Nasional “
pengosongan muatan berlangsung lambat. Dfb atau flyback diode berfungsi untuk memastikan ketika arus yang sudah melewati beban tidak dapat mengalir kembali ke kapasitor. Hal ini menyebabkan tegangan terminal pada kapasitor bernilai negatif. Tegangan ini akan menyebabkan demagnetisasi pada bahan sehingga bahan tidak akan dapat mencapai titik saturasi. Pada osiloskop kondisi ini ditandai dengan munculnya osilasi. Osilasi ini tidak menguntungkan dan sangat dihindari, karena sangat mempengaruhi bahan uji sehingga tidak dapat mencapai hasil yang maksimal. Gambar 3 merupakan langkah-langkah pengujian pengaruh variasi front time. Langkah pertama yaitu memasukkan bahan yaitu kunci L dan paku beton dalam kumparan dengan 23 lilitan sampai kumparan penuh. Pemasangan kumparan harus kuat dan erat, begitu juga ujung kumparan yang telah berisi bahan harus tertutup kuat. Setelah itu, impuls arus sebesar 1,2 kA dengan tegangan 7 kV diterapkan dan bentuk gelombang impulsnya direkam dengan osiloskop untuk mengetahui nilai front timenya. Apabila pemberian impuls arus selesai, matikan pembangkit impus arus dan lakukan hubungan pentanahan sebelum mengeluarkan bahan dari kumparan. Langkah terakhir yaitu mengukur kuat medan magnet pada bahan dengan mengabaikan posisi bahan dalam kumparan. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Variasi front time diperoleh dengan memvariasikan cacah lilitan kumparan sampai dengan 200 lilit. Namun kekuatan magnet yang dihasilkan sangat kecil sehingga sulit untuk membaca hasil pengukurannya pada tesla meter. Setelah dianalisis dan studi literatur maka pengujian ini perlu tambahan induktor untuk memperpanjang gelombang arus sehingga dapat menghasilkan medan magnet yang besar. Induktans induktor tambahan (pasif) adalah sebesar 26970 H. Tabel 3 menunjukkan besar arus dan tegangan. Besar impuls arus diperoleh dari tegangan terukur pada osiloskop dikalikan 50 kemudian dibagi 0,009. Perkalian dengan 50 dilakukan karena tegangan yang terukur pada osiloskop dibagi per divisi sebanyak 50 buah. Sedangkan 0,009 merupakan nilai hambatan current shunt pada pembangkit impuls arus. Rumus besar impuls arus yang diperoleh dapat dilihat pada persamaan 1. =
50 0,009 ℎ
Gambar 3. Langkah-langkah pengujian
Untuk nilai front time dan tail timenya dapat dilihat pada Tabel 4. Nilai front time dan tail time didapat dari hasil pengukuran gelombang impuls arus yang terekam di osiloskop. Gambar gelombang impuls arus dapat dilihat pada Gambar 4.
(1)
Ip = impuls arus Vt = tegangan terukur pada osiloskop
48
Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik 2013 “Teknologi Untuk Mendukung Pembangunan Nasional “
o. 1.
an 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2.
3.
4.
Ditambah dengan L = 26970 H
Tabel 3. Besar impuls arus dan tegangan saat pengujian Tegangan N Penguji lilitan Vt Ip
23 23 23 50 50 50 90 90 90 200 200 200
(kV) 7 9 12 7 9 12,2 7,3 9,3 12,25 7,65 9,75 13
V 0,22 0,28 0,38 0,22 0,28 0,38 0,22 0,28 0,38 0,22 0,28 0,38
(kA) 1,2 1,5 2,1 1,2 1,5 2,1 1,2 1,5 2,1 1,2 1,5 2,1
(b) 23 lilitan, 9 kV
Tabel 4. Nilai front time dan tail time
No
Lilitan
Ip (kA)
Front time (s)
Tail time (s)
1.
23 23 23 50 50 50 90 90 90 200 200 200
1,2 1,5 2,1 1,2 1,5 2,1 1,2 1,5 2,1 1,2 1,5 2,1
800 820 880 820 880 920 880 940 980 860 940 990
1540 1580 2100 2330 2380 2540 3300 2380 2840 2340 2480 2600
2.
3.
4.
(c) 23 lilitan, 12 kV
(d) 50 lilitan, 7 kV
(a) 23 Lilitan, 7 kV
(e) 50 lilitan, 9 kV
49
Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik 2013 “Teknologi Untuk Mendukung Pembangunan Nasional “
(f) 50 lilitan, 12,2 kV
(j)
200 lilitan, 7,65 kV
(k) 200 lilitan, 9,75 kV (g) 90 lilitan, 7,3 kV
(l)
200 lilitan, 13 kV
(h) 90 lilitan, 9,3 kV Gambar 4. Gelombang impuls arus, I = impuls arus dan t adalah waktu
(i)
90 lilitan, 12,25 kV
Tabel 4 dan Gambar 4 (a sampai l) menggambarkan bahwa semakin banyak lilitan dan semakin besar tegangan dan arus yang diberikan, maka nilai front time dan tail timenya semakin besar. Tabel 5 menunjukkan kekuatan medan magnet yang dihasilkan oleh variasi front time dan arus puncak yang dilakukan. Semakin besar front time dan arus puncak impuls arus yang diberikan maka kuat medan magnet yang dihasilkan semakin besar. Lain halnya pada besar lilitan yang diterapkan, jika lilitan yang diterapkan semakin besar tetapi impuls arus yang Tabel 5. Kuat medan magnet yang dihasilkan dari variasi front time
50
Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik 2013 “Teknologi Untuk Mendukung Pembangunan Nasional “
No.
1.
2.
3.
4.
Front time (s) 800 820 880 820 880 920 880 940 980 860 940 990
Ip (kA) 1,2 1,5 2,1 1,2 1,5 2,1 1,2 1,5 2,1 1,2 1,5 2,1
Kuat medan magnet bahan (Gauss) Kunci L Paku beton 10 3 20 3 20 4 10 4 10 5 20 5 10 3 15 4 20 5 10 2 10 2 15 3
Gambar 5. Pengaruh front time dan arus puncak pada kuat medan magnet kunci L
bahan yang akan di magnetisasi, maka potensi bahan untuk menjadi magnet akan semakin besar.
4. KESIMPULAN Dari hasil penelitian yang telah dilakukan terhadap bahan logam dengan memvariasikan front time dan arus puncak impuls arusnya, maka dapat disimpulkan bahwa variasi front time (dengan variasi jumlah lilitan) akan berpengaruh terhadap kuat medan magnet. Semakin besar impuls arus dan jumlah lilitan yang diberikan, maka kuat medan magnet akan semakin besar. Selain itu, besarnya arus impuls dan jumlah lilitan juga mempengaruhi front time dan tail time. Nilai front time akan semakin besar apabila arus impuls dan jumlah lilitan yand diterapkan juga semakin besar. Kuat medan magnet terbesar yaitu pada kunci L sebesar 20 Gauss, dan terendah pada paku beton yaitu 2 Gauss. Nilai front time dan tail time terbesar yaitu 990 s dan 2600 s.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dosen Pembimbing dan Laboran dari Laboratorium Tegangan Tinggi Jurusan Teknik Elektro karena telah membimbing dan membantu penulis dalam menyelesaikan penelitian ini. DAFTAR REFERENSI
Gambar 6. Pengaruh front time dan arus puncak pada kuat medan magnet paku beton
diberikan sama untuk masing-masing lilitan maka kuat medan yang dihasilkan juga akan sama. Dari Tabel 5, Gambar 5 dan Gambar 6 dapat kita lihat bahwa kuat medan magnet yang terbesar yaitu pada kunci L sebesar 20 Gauss, sedangkan pada paku beton kuat medan magnet terbesar yaitu 5 Gauss. Ditinjau dari unsur feromagnetik yang terkandung dalam kunci L dan paku beton, kunci L mengandung unsur Fe lebih banyak dibandingkan paku beton. Semakin banyak unsur Fe yang tekandung dalam
[1] Edi Istiyono, dkk, “Kajian Sifat Mekanik Bahan yang Mengalami Anilisasi”, Jurnal Penelitian Saintek, vol. 11, no. 1, April 2006, hal. 56-86. [2] T. Mihara, Y. Iwashita, M. Kumada, A. Evgeny and C. M. Spencer, “Super Strong Permanent Magnet Quadrupole for a Linear Collider”, IEEE Transactions on Appkied Superconductivity, vol. 14, no. 2, Juni 2004. [3] M. Kumada, Y. Iwashita, M. Aoki, E. Sugiyama, “The Strongest Permanent Dipole Magnet”, IEEE Proceedings of The Particle Accelerator Conference, 2003. [4] Pudji Irasari dan Novrita Idayanti, “Aplikasi Magnet Permanen BaFe12O19 dan NdFeB pada Generator Magnet Permanen Kecepatan Rendah Skala Kecil” Jurnal Sains Materi Indonesia, vol. 11, no. 1, Oktober 2009, hal. 38 – 41. [5] Joseph J. Stupak Jr.,” Methods of Magnetizing Permanent Magnets”, Oersted Technology Corp., 2000.
51
