Piranti Sederhana Untuk MenampiU(an Kurva Histeri.\'i.\' (Budi Purnama)

PIRANTI SEDERHANAUNTUK MENAMPILKAN KURV A HISTERISIS

Syb

I6ABSTRAK

PIRANTI SEDERHANA UNTUK MENAMPILKAN KURVA HISTERISIS. Telah dibuat piranti sederhana untukmenampilkan kurva histerisis. Hal ini meliputi pembuatan rangkaian listrik, pembuatan dan desain pick up coil Berta penyusunanseluruh piranti hysteresis looper. Medan pengimbas yang dipakai berupa medan AC yang dihasilkan dari kumparan Helmholtz.Sedangkan konfigurasi pick up coif yang dipakai berupa kotak berongga dengan dimensi p x I x t = 7,5 cm x 3 cm x 0,1 em. Variasidiameter pick up coil dari 0,12 mm, 0,2 mm, 0,35 mm. 0,4 mm dan 0,5 mm, menunjukkan bahwa. sensitifitas pengukuranoptimum terjadi pada diameter 0,35 mm. Pel:lambahan jumlah lilitan juga memperlihatkan adanya jumlah lilitan optimum.Akhimya kurva histerisis dari bahan besi lunak dengan tampang lintang kecil 1 cm2 daD 1,5 cm2 berhasil ditampilkan di layar

oscilloscope.

Kata kunci : Pick up coil, sensitifitas, hysteresis

ABSTRACT

A SIMPLE DEVICE FOR DISPLAYING HY~'TERESIS CURVE. A simple device for displaying hysteresis curve hasbeen made. These include the design and set up of'its electrical circuit, pick up coil as well as the device configuration as ahysteresis looper. The alternating magnetic field generated by the helmholtz coil is used as the inducing field. The pick up coil hasa cavity of dimension I x w x t =7.5 cm x 3 cm x 0.1 cm. The sensitivity depends on the diameter of the coil wire and its optimumvalue is obtained with a diameter of 0.35 mm. Increase in the number of the optimum coil wound turns also affect the sensitivity.Finally, the hysteresis curves of soft ferric samples with small cross section 1 cm2 and 1.5 cm2 are successfully displayed on theoscilloscope screen.

Key Word: Pick up coil, sensitivities, hysteresis

PENDAHULUAN

Ciri-ciri magnetik bahan ferromagnetik telah lamadiketahui dan dipelajari oleh para fisikawan. Keberadaaninstrumen yang mampu memperlihatkan/menampilkansifat magnetik suatu bahan ferromagnetik dengandemikian sangat dibutuhkan.

Rekayasa instrumentasi ini telah dimulai olehCrittenden dkk [1] dengan hysteresis looper-nya daDsecara prinsip tidak ada batasan fisis sensitivitas. Alattersebut dirancang untuk menangkap fluks magnetikmaterial dengan luas tampang lintang permukaan yangkecil. Teknisnya, ketika material magnetik diimbas denganmedan yang berubah-ubah secara periodik maka hal inijuga menyebabkan perubahan fluks magnetik padamaterial magnetik tersebut. Karena perubahan fluksmagnetik tersebut melingkupi pick up coil maka padaujung-ujung kawat pick up coilnya timbul ggl induksi.Sinyal ini kemudian ditampilkan pada oscilloscopesebagai kurva hysteresis. Semenjak itu rekayasainstrumentasi magnetik khususnya hysteresis looperberkembang pesat dengan disertai penyempurnaan-penyempurnaan yaitu berturut-turut oleh Crintenden dkk[2], Olson daD Pohm [3], Oguey [4], serta diperbaharui

dengan teknik penguatan terintegrasi oleh Gordon daDMarin [5] serta Snider [6].

KuIVa histerisis suatu material mengimplikasikanhilangnya energi saat proses magnetisasi. Selain itukuIVa histerisis juga menunjukkan kecenderungan mate-rial feromagnetik untuk melawan ~mbahan akibat induksimagnetik luar, sehingga kerapatan fluks magnetiknyabukanlah suatu fungsi nilai tunggal medan magnetterpasang [7]. Hal lain yang dapat secara langsungteramati dari kuIVa histerisis adalah medan koersif.

Dalam naskah ini, peneliti melaporkan pembuatansensitive hysteresis looper dengan penguatan terintegrasiserta desain pick up coil model balok berongga. Untukpembangkit medan pengimbas digunakan kumparanHelmholtz. Pemanfaatan penguatan terintegrasi membuatrangkaian menjadi sederhana. Dengan demikian derau(noise) yang ditimbulkan oleh komponen elektronikadapat ditekan. Sedangkan bentuk desain pick up coilyang disajikan memungkinkan selumh fluks magnetiksampel dapat ditangkap secara optimal.

Modifikasi pick up coil dilakukan denganmemvariasi diameter kawat pick up coil dari 0,12 mm,

29

Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet ISerpong, II Oktober 2000 ISSN 1411- 7630

0,2 mm, 0,35 mm, 0,4 mm daD 0,5 mm. Akan dijelaskandibelakang bahwa sensitivitas pick up coil tidak secaralinear gayut dengan kenaikan ataupun penurunandianleter kawai, tetapi terdapat nilai optimum yaitu pactadiameter 0,35 mIn. Hal ini juga terjadi pada penambahaI1/pengurangan jumlah lilitan pick up coil.

TEom Gambar 1. Bagan skematik rangkaian penguat (kiri)clan pick up coil (kanan).

Bila suatu kumparan (da.lam ha.l ini pick up coil)dengan N lilitan dan luas tampang lintang A dilingkupi

fluks medan magnet dengan laju d<j>/dt, maka induksielektromagnetik V(t) yang timbul diujung-ujung kawatadalah

dilakukan adalah dengan memvariasi diameter kawatpick up coil dari diameter 0, 12 mm, 0,2 mm, 0.35 mm, 0,4mm, daD 0,5 mm. Selain itU juga dilakukan variasi jumlahlilitanpickup coil. Dalampelaksanaannyapickup coildibuat rangkap dua yang dipasang secara paralelterhadap arah medan dengan salah satunya berfungsisebagai kompensasi yang lainnya. Sebelum dihubungkanke penguat, kedua kawat pick up coil dirangkai secaraparalel dengan hambatan sebesar R = 47 Q. Gambar

skematik lengkap hysteresis looper ditampilkan dalamGambar2.

Kon1Jensa.~i Kumparan

-~~___~Helmhol1zoJ ~ .~~

Pick up coil

~

dengan As adalah perubahan medan magnet dalam

selang waktu Llt danA adalah luas tampang lintangpickup coi'. Dengan demikian, penguatan output dari gambarSkematik rangkaian penguat (Gambar 1 kiri) adalah [5]

-If'l -NA

Vo = -V(t)dt = -/),B (3)R,C 0 R,C

sedangkan penguatan akhir ranpan magnetometer dialas ditentukan oleh perbandingan resistor untai akhir

yaitu

, n:::=~~)::; -.J

Sumber oscilloscopeTegangan AC

Gambar 2. Bagan skematik hysteresi.r looper.

~V R (4)

1

Akhimya, tegangan OUtput akibat induksi magnetik pacta

ujung-ujungpick Up coil yang ditampilkan pacta sumbu

y osciloscope adalah

;' ~ ((~ +~)/~) 8B" A ~ ~., (5)(N I~C.

METODAEKSPERIMEN

Peralatan yang digunakan dalam eksperimen inimeliputi sepasang kumparan Helmholtz beserta penyediategangan yang mampu membangkitkan medan bolak-balik sampai kurang lebih 100 gauss. Sedangkan sebagaipemegang sampel sekaligus sensor adalah pick up coildengan dimensi panjang x lebar x tinggi adalah berturut-turut 7,5 cm x 3 cm x 0,1 cm sebagairnana ditunjukkanpacta Gambar 1 bagian kanan. Pemilihan dimensi inidisesuaikan dengan ukuran sampel agar seluruh fluksinduksi rnagnetik yang ditimbulkan sampel akibat medanpengimbas dapat ditangkap pick up coil [4]. Pick upcoil ill terbuat dari bahan t1eksi glass (pertinen) denganketebalan 0,1 cm. Dalam eksperimen, modifikasi yang

Untuk memperkuat sinyal yang ditangkap pickup coil akibat induksi magnetik pacta sampel, maka sinyaldimasukkan dulu ke rangkaian penguat sebelumditanlpilkan di oscilloscope. Rangkaian penguat yangdigunakan pacta eksperimen ini berupa op-amp buatansendiri dengan memodifikasi model penguat yangdigunakan Snider (1971). Dalamhal ini, 1Cyangdipakaiadalah tipe OP 07, sedangkan kapasitor yang digunakanjenis keramik 1 pF. Nilai hambatan yang dipakai sebagaipengunlpan adalahR,= 1 0 MoO dan sebagai penguat akhir

ada1ah hambatan jenis trimpot 100 ko. Untuk lebihjelasnya rangkaian op-ampyang dibuat adalah sepertiyang ditmljukkan dalam Gambar 1.

Akhirnya, kurva histerisis dapat ditampilkansecara langsung dengan oscilloscope dan untukperekamannya dengan pemotretan secara 1angsung.

HASILDANPEMBAHASAN

Langkah pertama yang dilakukan setelahhystere.\'is looper selesai dirangkai adalah kalibasi alat.Yang dimaksud dengan kalibrasi da.lam eksperimen iniadalah pengenolan (zeroing), yaitu diberikannya sedikitmedan pengimbas sehingga sinyal x pacta layar

30

clan hasil integrasi untuk selang waktu 61=0-1memberikan

'I

fV(t)dt =NAM (2)

Piranti Sederhana Untuk Menampilkan Kurva Histeri.~is (Budi Purnama)

oscilloscope bernilai Dol dan hal ini teramati denganberhimpitnya kedua sinyal sumbu x (sinyal + daDsinyal -). Nilai medan yang digunakan dalam kalibrasi inimerupakan salah satu faktor yang mempengaruhikepekaan/sensitifitas pick up coil (hysteresis looper)yang dipakai, artinya semakin kecil medan kalibrasi yangdigunakan maka semakin sensitif pick up coil walaupunhal ini bukanlah satu-satunya ukuran sensitifitas.

Dari Gambar 3 teramati dengan jelas bahwapertambahan maupun penurunan ukuran diameter kawatpick up coil tidak berkorelasi secara lurus denganpeningkatan sensifitas pengukuran. Tetapi ada nilaioptimum yaitu pada saat dianleter kawat pick up coilbernilai 0,35 mm. Artinyafluks magnetik maksimumyangmampu ditangkap adalah padakeadaan tersebut. Untukdiameter pick up coil 0,12 mm dan 1,2 mm, lemahnyasinyal yang teramati dikarenakan efek geometri yangmemberikan rasio sinyal dengan nois besar. Di lainpihak untuk diameter 0,4 mm dan 0,5 mm, efek geometriyang memberikan rasio sinyal dengan nois kecil tetapi,tetapi sifat stray capacitance daripick up coil semakindominan dengan bertambahnya ukuran kawat yangdipakai. Kedua hat ini yang menyebabkan melemahnyasensitifitas pick up coil yang digunakan da.lam

pengukurandi atas[4J.

meningkatkan fluks magnetik yang tertangkap, tetapibersamaan dengan itu ia juga meningkatkan nilai 5'traycapacitance yang dimiliki pick up coil. Hal ini

mengakibatkan respon magnetik yang ditangkap pickup coil tidak segera teramati bahkan cenderungmenghilang pada efek -efek yang lemah.

Gambar 4. Tampilan dua kurva histerisis daTi sampel lempengbesi lunak dengan luas tampang lintang I cm% daD 1,5 cm%untuk ketebalan 0,5 mm.

Dalam Gambar 4 disajikan basil tampilan kurvahisterisis untuk dua buah sampel dengan luas tampanglintang 1 cm2 dan 1,5 cm2 yang diukur pacta suhu mangoPerekaman visual kurva histerisis dilakukan denganpemotretan secara langsung pacta layar oscilloscope. Darikurva di atas tampak jelas bahwa luas kurva untuk sampeldengan luas tampang lintang 1,5 cm2lebih besar. Hal inimengindikasikan besar energi yang hilang saat prosesmagnetisasi lebih besar dibandingkan sampel denganluas tampang lintang 1 cm2. Sedangkan setengah lebarkurva histerisis yang diperoleh daTi pengukuran di alasmenunjukkan medan koersif.

KESIMPULANGambar 3. Hubungan antara medan kompensasi dengandiameter pick up coil (kiri) dan hubungan medan kompensasidengan jumlah lilitan untuk diameter pick up coil 0,35 mm

(kanan).

Dari analisis basil eksperimen di alas dapatdirnmuskan beberapa butir kesimpulan sebagai berikut:1. Telah berhasil dibuat piranti untuk menampilkan

kurva histerisis yang mampu menangkap fluksmagnetik dengan luas tampang lintang kecil.

2. Sensitifitas pick up coil tidak bergantung secaralinear dengan kenaikan diameterkawat tetapi adanilai optimumnya yaitu pacta diameter 0,35 mm.

3. Penambahan jumlah lilitan tidak signifikanmeningkatkan sensitifitas sebab semakin banyak

Selain diameter kawat, penambahan maupunpengurangan jumlah lilitan juga tidak secara langsungterkait dengan sensitivitas pickup coil. Artinya ada lulaimaksimum jumlah lilitan yang diizinkan [4]. Berkurangnyajumlah lilitan mengakibatkan fluks magnetik yangtertangkap berkurang sehingga sensitivitas yang dimilikimenurun. Sebaliknya penambahan jumlah lilitan

31

Prosiding Seminar Na.5ional Bahan Magnet ISerpong, 11 Oktober 2000 ISSN1411- 7630

jumlah lilitan efek stray capacitance semakindominan sehingga respon terhadap finks magnetikmenjadi rendah.

UCAPAN TERJMA KASm

Terima kasih diucapkan pacta Mas Kardi daDseluruh anggota staffLaboratorium Atom Inti Universi-tas Gadjall Mada Yogyakarta yang telah membantu daIamdiskusi sella pelaksanaan eksperimen. Juga ucapanserupa untuk Bapak Sudjatmoko beserta staff alassaran-saran dalam peIaksaan eksperimen. Akhirnya,Bapak R. Sudirman dengan diskusi-diskusi singkatnyasella semua pihak yang telah membantu sehinggaeksperimen ini rerIangsung.

DAFTARPUSTAKA

[I]. CRITTENDEN, JR.E.C., SMIlli, C.S., and OLSEN.L.O., Rev: Sci. In.\'t!: 17-10 (1946) 372-374.

[2]. CRITTENDEN, Jr.E.C., HUDIMAC, A.A., andSTROUGH,RI., Rev. Sci. lnstr.., 22-1.2 (1951) 872.

[3]. OLSON, C.D., and FORM. A. V; J.. Appl. Phy.\'.,129-3 (1958) 274.

[4]. OGVEY, H.J, Rev.Sci.Jnstr., 31- 7 (1960) 70r[5]. GORDON, J.E., and MARIN, J.,Am. J.. Phys. 38-1

(1970) 94.[6]. SNIDER, J.W., Am. J. Phys. 39(1971) 964.[7]. SOOHOO, R.F., Magnetic Thin Films. Harper and

Row Publisher, New York, (1965).

32