JURNAL. Volume 09, Nomor 01, Januari 2021, ISSN X. Gambar 8. hal 62

(1)

JURNAL

Volume 09, Nomor 01, Januari 2021, ISSN 2303-016X

Website: http://jurnal.fmipa.unila.ac.id/index.php/jtaf/

Email: [email protected]

Gambar 8. hal 62

(2)

P E N A N G G U N G J A W A B

Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Universitas Lampung

P I M P I N A N R E D A K S I

Junaidi

D E W A N R E D A K S I

Gurum Ahmad Pauzi Leni Rumiyanti Roniyus Marjunus Agus Riyanto Donni Kis Apriyanto Iqbal Firdaus Humairoh Ratu Ayu Khoirul Effendi

M I T R A B E S T A R I

Warsito (UNILA) Dwi Asmi (UNILA)

Zulaini Supangat (UNIVERSITAS OF MALAYA) Yanti Yulianti (UNILA)

Zarina Aspanut (UNIVERSITAS OF MALAYA) Posman Manurung (UNILA)

Jatmiko Endro Suseno (UNDIP) Khairurrijal (ITB)

Simon Sembiring (UNILA)

A L A M A T R E D A K S I

Jurusan Fisika, Universitas Lampung

Jl. Sumantri Brojonegoro No.1 Bandar Lampung Telp. 0721-701609 Ext. 719 Fax. 0721-704625 Email: [email protected]

http://jurnal.fmipa.unila.ac.id/jtaf/

Jurnal ini diterbitkan oleh Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung bekerja sama dengan Himpunan Fisika Indonesia Cabang Lampung, sebagai sarana untuk mempublikasikan hasil penelitian, artikel review dari peneliti-peneliti di bidang fisika teori dan aplikasinya. Jurnal ini terbit dua kali setahun (Januari dan Juli), volume pertama terbit pada tahun 2013 dengan nama Jurnal Teori dan Aplikasi Fisika (JTAF) dengan ISSN 2303-016X.

JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika

(3)

DAFTAR ISI

JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika

ISSN 2303-016X, Volume 09, Nomor 01, Januari 2021

Halaman

Pengukuran Modulus Geser Baja Menggunakan Analisis Osilasi Pegas-Massa dengan Software Logger Pro

(Samuel Hia, Albertus Hariwangsa Panuluh)

1 – 8

Pengaruh waktu milling terhadap Sifat mikro struktur dan magnet dari NdFeB dengan proses Wet dan Dry milling

(Wahyu Solafide Sipahutar, William Wiliiam, Muljadi Muljadi)

9 – 16

Perancangan Sensor LVDT dan Potensiometer Geser Sederhana Se-bagai Alat Potensial Pendeteksi Pergeseran Tanah

(Tri Siswandi Syahputra, Heru Asyubi, Eko Satria)

17 – 22

Analisis Pola Struktur Kalsium Karbonat (CaCO3) Pada Cangkang Kerang Darah (Anadara granosa) Di Bukit Kerang Kabupaten Aceh Tamiang

(Putri Mekar Insani S, Rahmatsyah Rahmatsyah)

23 – 32

Pengaruh Molaritas dalam Teknik Spray terhadap Performa Foto-detektor Berbasis ZnO

(Okky Fajar Tri Maryana, Anisa Fitri, Mohamad Samsul Anrokhi, Wahyu Solafide Sipatuhar, Eka Nurfani)

33 – 38

Rancang Bangun Alat Pengukur Suhu Real Time Laboratorium menggunakan Protokol MQTT Berbasis Internet of Things

(Indrawata Wardhana, Vandri Ahmad Isnaini, Rahmi Putri Wirman, Rita Syafitri, Akhmad nasuha)

39 – 46

Sintesis Ferroelektrik BaZrxTi1-xO3 Dengan Variasi Zirkonium Ter-hadap Struktur Kristal dan Konstanta Dielektrik

(Yunita Subarwanti, Erni Mariana)

47 – 54

Difusi Bebas 1D dan 2D dengan Monte Carlo: Perbandingan Distri-busi Bilangan Random Normal dan Seragam dengan Box-Müller

(Fairusy Fitria Haryani, Freddy Haryanto, Sparisoma Viridi)

55 – 64

Rancang Bangun Mesin Replika Penghasil Gas Vulkanik sebagai Studi Awal Monitoring Erupsi Gunung Berapi

(umi salamah, Qonitatu Hidayah, Damar Yoga Kusuma)

(4)

Halaman

Aplikasi Sensor BH1750 Untuk Sistem Monitoring Pertumbuhan Tanaman Cabai Menggunakan Arduino Bertenaga Surya Terintegrasi Internet of Things (IoT)

(Syafrima Wahyu, Mohamad Syafaat, Agnes Yuliana, Revi Meliyani)

71 – 78

Pengaruh Penambahan Co-Doping Mg/La Terhadap Karakterisasi TiO2 Sebagai Fotoelektroda

(Mursal Mursal, Nurul Azmi, Ismail Ismail)

79 – 86

Analisis Perhitungan Gaya Berat pada Tongkat Gayung Lipat untuk Mengetahui Efektifitas Pengungkit Jenis Tiga

(Feri Hidayatullah Firmansyah, Tasha Nabila, Fauziah Mas'ula Soffa, Yusri El Fahmi)

87 – 96

Porous Si (111) Fabrication Using Electrochemical Anodization: Effects of Electrode Distance and Current Density

(Risa Suryana, Fauzi Ahmad Bogas, Kuwat Triyana, Khairurrijal Khairurrijal, Heru Susanto)

97 – 102

Effect of Tube Voltage on the Use of Iterative Reconstruction on Computed Tomography Brain Examination

(Muhammad Irsal, Nurbaiti Nurbaiti, Aulia Narendra Mukhtar, Shinta Gunawati, Wahyu Hidayat)

103 – 110

Kajian Impelementasi Quality Control Faktor Bright Band dan Atenuasi Radar Cuaca C-Band

(Deffi Putri, Eko Yulianto Nugroho, Januar Rahmad Pratama)

(5)

Jurnal Teori dan Aplikasi Fisika Vol. 09, No. 01, Januari 2021

1

Pengukuran Modulus Geser Baja Menggunakan Analisis

Osilasi Pegas-Massa dengan Software Logger Pro

Samuel Hia

(a)

_{, dan Albertus Hariwangsa Panuluh}

(b)*

Program Studi Pendidikan Fisika, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta, Indonesia 55282 Email :(a)_{[email protected],}(b*)_{[email protected]}

Diterima (21 Juli 2020), Direvisi (30 Januari 2021)

Abstract. A steel shear modulus measurement has been conducted using spring-mass oscillation analysis. The purpose of this study is to determine whether the spring-mass oscillation analysis method can measure the shear modulus of the steel. In this study, springs that are used are made of steel with a spring radius of 7,86 ± 0,02 mm, a spring wire diameter of 0.817±0,001 mm and there is no distance between the coil springs. The length of the spring is varied 7 times, i.e., 4.75±0,01 cm, 5.36±0,01 cm, 5.89±0,01 cm, 6.81±0,01 cm, 8.53±0,01 cm, 9.44 ±0,02 cm, and 10.87±0,02 cm. The spring radius and the diameter of the spring wire are measured using a micrometer screw, while the spring length is determined using image analysis using the Logger Pro program. The spring constant is determined from the equation of the results of the position graph fitting (x) with respect to time (t) load on the oscillating spring-mass system. The value of the shear modulus can be determined from the constants on the graph of the relationship of the spring constant to the spring length following the equation from Sommerfeld. The research measures the shear modulus is 1.24±0,02 GPa.

Keywords: Spring constant, logger pro, shear modulus, oscillation, spring

Abstrak. Telah dilakukan penelitian pengukuran modulus geser baja menggunakan analisis osilasi

pegas-massa. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui apakah metode analisis osilasi pegas-massa dapat mengukur nilai modulus geser baja penyusun pegas. Dalam penelitian ini, pegas yang digunakan berbahan baja dengan jari-jari pegas 7,86±0,02 mm, diameter kawat pegas 0,817±0,001 mm serta tidak ada jarak antara lilitan pegas. Panjang pegas divariasi sebanyak 7 kali yakni, 4,75 ±0,01 cm, 5,36±0,01 cm, 5,89 ±0,01 cm, 6,81±0,01 cm, 8,53±0,01 cm, 9,44±0,02 cm, dan 10,87±0,02 cm. Jari-jari pegas dan diameter kawat pegas diukur menggunakan mikrometer sekrup, sedangkan panjang pegas ditentukan menggunakan analisis gambar menggunakan program Logger Pro. Konstanta pegas ditentukan dari persamaan hasil fitting grafik posisi (x) terhadap waktu (t) beban pada sistem pegas-massa yang berosilasi. Nilai modulus geser dapat ditentukan dari konstanta pada grafik hubungan konstanta pegas terhadap panjang pegas mengikuti persamaan dari Sommerfeld. Penelitian berhasil mengukur nilai modulus geser baja penyusun pegas sebesar 1,24±0,02 GPa.

Kata kunci: Konstanta pegas, logger pro, modulus geser, osilasi, pegas

PENDAHULUAN

Teknologi telah berkembang pesat saat ini. Smartphone yang dulu hanya dipakai sebagai alat komunikasi, sekarang sudah dapat menjadi salah satu alat untuk

mengukur besaran-besaran fisika. Sensor gerak pada smartphone dapat digunakan untuk menentukan nilai percepatan gravitasi bumi melalui osilasi pendulum sederhana [1,2]. Selain menggunakan

(6)

Samuel Hia: Pengukuran Modulus Geser Baja Menggunakan Analisis Osilasi Pegas-Massa dengan Software Logger Pro

2

untuk menghitung nilai redaman dan viskositas zat cair menggunakan osilasi pegas massa [3,4].

Analisis video dapat dilakukan dengan menggunakan berbagai software, salah satunya ialah software Logger Pro. Software Logger Pro juga dapat digunakan

untuk menampilkan, menganalisis dan menyimpan data berupa tabel dan grafik yang diperoleh dari hasil pengukuran menggunakan suatu sensor, dengan syarat sensor tersebut dapat dihubungkan melalui

interface ke komputer/laptop yang sudah

terinstal software Logger Pro. Misalnya, sensor gerak dengan merek LabPro bisa dihubungkan ke komputer menggunakan (salah satunya) interface LabPro untuk memonitoring data dari pergerakan pegas-massa dan hasilnya bisa ditampilkan menggunakan Software Logger Pro.

Pegas-massa adalah sistem yang terdiri dari pegas dan massa. Pegas bisasanya terbuat dari suatu bahan, misalnya plastik, besi dan baja. Baja merupakan suatu material yang sering digunakan dalam membuat sebuah bangunan maupun kendaraan. Salah satu besaran dari material yang penting adalah modulus geser (shear

modulus) yang merupakan perbandingan

antara tegangan geser terhadap regangan geser. Salah satu cara mengukur modulus geser adalah menggunakan resonansi magnetik [5].

Pengukuran modulus geser

menggunakan resonansi magnetik

memerlukan alat dan bahan yang sangat mahal. Serta tidak dapat dilakukan oleh siapa pun. Oleh karena itu, kami melakukan pengukuran modulus geser dari baja menggunakan analisis video osilasi pegas massa. Pada penelitian ini kami fokus kepada metode yang digunakan. Metode ini kami pilih karena relatif lebih mudah dan dapat dilakukan oleh siapa pun.

TEORI DASAR

Osilasi merupakan salah satu peristiwa yang sudah sejak lama diketahui. Terdapat dua macam osilasi yang paling sering dipakai untuk menjelaskan fenomena osilasi yaitu osilasi pendulum sederhana (bandul matematis) [6,7] dan osilasi sistem pegas massa [8,9]. Percepatan gravitasi merupakan salah satu besaran fisika yang dapat ditentukan menggunakan osilasi pendulum sederhana [10,11] maupun osilasi sistem pegas massa [12,13].

Menurut Sommerfeld, panjang pegas mempengaruhi nilai dari konstanta pegas, mengikuti Persamaan 1 [14]: 4 2 32 G k d R l   (1)

dengan G = modulus geser bahan (Pa), d = diameter kawat pegas (m), R = jari-jari pegas (m), dan l = panjang pegas (m).

Nilai modulus geser G pada

Persamaan 1 dapat ditentukan dari

konstanta M pada grafik hubungan konstanta pegas terhadap panjang pegas mengikuti Persamaan 2

1

kMl (2a)

dengan konstanta pada grafik 𝑀 diberikan oleh Persamaan 3 4 2 32 G R d M   (3)

sehingga nilai modulus geser G dan ralatnya dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 4 2 4 32MR G d   (4a) dan 𝑑𝐺 = √(_𝜕𝑀𝜕𝐺𝑑𝑀)2 (4b) dengan 𝑑𝑀 diperoleh dari persamaan grafik pada Gambar 3.

(7)

3 Konstanta pegas ditentukan dari

persamaan hasil fitting grafik posisi (𝑥) terhadap waktu (𝑡) beban pada sistem pegas-massa yang berosilasi. Posisi beban (massa) pada sistem pegas-massa yang berosilasi diberikan oleh Persamaan 5 [15].

x t( ) A e₀ tcos(_Dt) (5)

dengan 𝐴₀ adalah amplitudo awal osilasi, 𝛾 adalah faktor redaman, 𝛿 adalah fase, dan 𝜔𝐷 merupakan frekuensi sudut teredam

osilasi pegas massa. Frekuensi sudut teredam dalam hal ini adalah frekuensi sudut sistem pegas-massa yang berosilasi teredam. Frekusnsi sudut teredam berhubungan dengan frekuensi sudut alami osilasi pegas-massa 𝜔_𝑛, mengikuti

Persamaan 6. 2 2 D n     (6a) atau 2 2 D n     (6b)

Dengan 𝜔𝑛 diberikan oleh Persamaan 7

n

k m

  (7) dimana k = konstanta pegas (N/m) dan m =

massa beban (g), sehingga konstanta pegas diberikan oleh Persamaan 8

2

n

k m (8)

METODE PENELITIAN

Dalam penelitian ini, pegas yang digunakan berbahan baja dengan jari-jari pegas 7,86±0,02 mm, diameter kawat pegas 0,817±0,001 mm serta tidak ada jarak antara lilitan pegas. Panjang pegas divariasi sebanyak 7 kali yakni, 4,75±0,01 cm, 5,36±0,01 cm, 5,89±0,01 cm, 6,81±0,01 cm, 8,53±0,01 cm, 9,44±0,02 cm, dan 10,87±0,02 cm. Jari-jari pegas dan

diameter kawat pegas diukur menggunakan mikrometer sekrup, sedangkan panjang pegas ditentukan menggunakan analisis gambar menggunakan program Logger Pro dengan mistar digunakan sebagai acuan. Beban yang digantung di ujung bebas pegas memiliki massa 166,63 gram dan diukur menggunakan Neraca Ohaus. Beban terdiri dari lempeng kuningan dan piringan tripleks (luas penampang tripleks 320 cm2). Penggunaan piringan tripleks bertujuan untuk menunjukkan gejala redaman dengan cepat.

Posisi beban (A dan B) pada sistem pegas-massa (A, B dan C) yang berosilasi dimonitor menggunakan sensor gerak (D) dengan merek Lab Pro yang dihubungkan ke laptop (F) melalui interface Lab Pro (E), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Data osilasi yang diperoleh berupa grafk sinusoidal dan ditampilkan melalui

software Logger Pro yang sudah diinstall di

laptop, kemudian grafik di fit menggunakan persamaan yang sesuai dengan Persamaan

5 sehingga nilai 𝜔_𝐷 dan 𝛾 bisa diperoleh.

Gambar 1. Susunan peralatan untuk memonitor posisi pegas-massa yang berosilasi. Dengan urutan: A (pegas), B (kuningan), C (piringan tripleks), D (sensor gerak), E (interface), dan F (laptop)

(8)

4

Gambar 2. Grafik posisi terhadap waktu osilasi pegas-massa dengan pegas yang berbahan baja,

panjang pegas 4,75 cm, jari-jari pegas 7,86 mm dan diameter kawat pegas 0,817 mm serta massa beban 166,63 gram.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Grafik posisi (𝑥) terhadap waktu (𝑡) beban pada sistem pegas-massa yang berosilasi, mengunakan pegas dengan panjang 4,75 cm, yang sudah di-fit menggunakan persamaan yang sesuai dengan

Persamaan 5 ditampilkan pada Gambar 2.

Persamaan grafik pada Gambar 2 mengikuti Persamaan 9

xAeBtcos(CtD)E (9)

Menyamakan Persamaan 5 dan

Persamaan 9 sehingga didapatkan

Persamaan 10

  B (10)

dan Persamaan 11

_D C (11)

Grafik pada Gambar 2 di-fitting dengan

Persamaan 9 diperoleh nilai 1 0,04015 s  _  dan 1 . 10,71 rads D  _ 

Sehingga frekuensi sudut alaminya dapat

ditentukan menggunakan Persamaan 6b

sebesar -1

10, 71 rad s

n

  .

Dengan menggunakan Persamaan (8), konstanta pegas baja dengan panjang 4,75 cm tersebut dapat ditentukan 𝑘 = 𝑚𝜔_𝑛2_.

𝑘 = (1,6663 × 10−1_{kg) (10,71008}rad

s )

2

= 19,11 N/m

Penentuan konstanta pegas untuk 6 pegas lainnya dilakukan dengan cara yang sama untuk pegas dengan panjang 4,75 cm di atas. Hubungan konstanta pegas terhadap panjang pegas ditampilkan dalam Tabel 1 dan grafik pada Gambar 3.

Dimana:

Bahan pegas : baja

Diameter kawat pegas : 8,17 × 10−4_m

(9)

5 Gambar 3. Grafik hubungan konstanta pegas terhadap panjang pegas

Tabel 1. Hubungan konstanta pegas terhadap

panjang pegas No Panjang Pegas (× 10−2_m) Konstanta Pegas _(N/m) 1 4,75 ± 0,01 19,11 2 5,36 ± 0,01 16,62 3 5,89 ± 0,01 14,29 4 6,81± 0,01 12,99 5 8,53± 0,01 10,50 6 9,44± 0,02 8,91 7 10,87± 0,01 8,05

Grafik hubungan konstanta pegas terhadap panjang pegas pada Gambar 3 di atas di-fit dengan Persamaan 2 sehingga didapat nilai konstanta grafik M = 0,8808 N. Melalui Persamaan 4 dapat ditentukan nilai modulus geser dan ralat nilai modulus geser baja bahan penyusun pegas tersebut. Dengan memasukkan nilai R = 7,86 × 10-3

m dan d = 8,17 × 10-4 m, sehingga diperoleh nilai modulus geser baja penyusun pegas G = (1,24± 0,02) GPa.

Gambar 2 di atas memperlihatkan

grafik posisi terhadap waktu beban pada sistem pegas-massa yang berosilasi. Terlihat bahwa amplitudo osilasi mengecil seiring bertambahnya waktu. Pengurangan amplitudo tersebut disebabkan oleh adanya

redaman yang bekerja pada sistem pegas-massa yang berosilasi [16]. Dari grafik pada

Gambar 2 dapat ditentukan besarnya faktor

redaman dan frekuensi sudut teredam osilasi pegas-massa, sehingga frekuensi sudut alami sistem pegas-massa tersebut dapat ditentukan dengan Persamaan 6b, berikutnya konstanta pegas dapat ditentukan dengan Persamaan 8. Konstanta pegas dipengaruhi oleh panjang pegas, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 dan grafik pada Gambar 3. Terlihat bahwa konstanta pegas mengecil jika pegas semakin panjang, hal ini sesuai dengan

Persamaan 1. Menggunakan hasil fitting

grafik hubungan konstanta pegas dengan panjang pegas pada Gambar 3 dapat ditentukan nilai modulus geser baja yang merupakan bahan pegas yang digunakan dalam penelitian ini. Pada penelitian ini kami lebih fokus kepada penggunaan metode ini.

KESIMPULAN

Dari penelitian yang telah dilakukan, dapat ditunjukkan bahwa metode analisis video osilasi sistem pegas massa dapat digunakan untuk mengukur nilai modulus

(10)

6

geser dari baja penyusun pegas. Dapat disimpulkan untuk pegas-pegas dengan bahan, diameter kawat pegas, dan jari-jari pegas yang sama, konstanta pegas mengecil jika panjang pegas semakin besar dan modulus geser baja adalah G = (1,24± 0,02) GPa.

UCAPAN TERIMAKASIH

Peneliti mengucapkan terima kasih kepada Kepala Laboratorium Fisika Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan izin penggunaan lab sebagai tempat penelitian. Juga kepada laboran yang telah menyiapkan berbagai alat dan bahan sehingga penelitian ini dapat berjalan dengan baik.

DAFTAR PUSTAKA

[1] A. Suciarahmat, dan Y. Pramudya, “Aplikasi Sensor Smartphone dalam Eksperimen Penentuan Percepatan Gravitasi”, J. Fis. Indones., vol. 19, no. 55, pp. 10–13, 2015.

[2] P. Vogt, dan J. Kuhn, “Analyzing Simple Pendulum Phenomena With a Smartphone Acceleration Sensor”,

Phys. Teach., vol. 50, no. 7, pp. 439–

440, Sep. 2012, doi:

10.1119/1.4752056.

[3] J. J. Mendoza-Arenas, E. L. D. Perico, dan F. Fajardo, “Motion of a damped oscillating sphere as a function of the medium viscosity”,

Eur. J. Phys., vol. 31, no. 1, pp. 129–

141, 2009, doi: 10.1088/0143-0807/31/1/012.

[4] R. Oktova, dan N. Diana, “Penentuan

Koefisien Viskositas Air

Menggunakan Metode Getaran Pegas dengan Koreksi Kedalaman Penetrasi dan Koreksi Efek Dinding”, Berk.

Fis. Indones., vol. 5, no. 1, pp. 25–

34, 2013.

[5] S. M. Atay, C. D. Kroenke, A. Sabet,

dan P. V Bayly, “Measurement of the Dynamic Shear Modulus of Mouse Brain Tissue In Vivo by Magnetic Resonance Elastography”,

J. Biomech. Eng., vol. 130, no. 2,

Mar. 2008, doi: 10.1115/1.2899575. [6] L. P. Fulcher, dan B. F. Davis,

“Theoretical and Experimental Study of The Motion of The Simple Pendulum”, Am. J. Phys., vol. 44, no. 1, pp. 51–55, Jan. 1976, doi: 10.1119/1.10137.

[7] R. Nelson dan M. Olsson, “The Pendulum - Rich Physics from a Simple System”, Am. J. Phys., vol. 54, no. 2, pp. 1120–121, 1986. [8] T. E. Cayton, “The Laboratory

Spring–Mass Oscillator: an Example of Parametric Instability”, Am. J.

Phys., vol. 45, no. 8, pp. 723–732,

Aug. 1977, doi: 10.1119/1.11035. [9] L. Dai dan M. C. Singh, “On

Oscillatory Motion of Spring-Mass Systems Subjected to Piecewise Constant Forces”, J. Sound Vib., vol. 173, no. 2, pp. 217–231, 1994, doi: https://doi.org/10.1006/jsvi.1994.122 7.

[10] E. Budi, “Kajian Fisis pada Gerak Osilasi Harmonis”, J. Penelit.

Pengemb. Pendidik. Fis., vol. 1, no.

2, pp. 59–66, 2015.

[11] H. I. R. Mosey, dan B. M. Lumi, “Penentuan Percepatan Gravitasi Lokal di Universitas Sam Ratulangi Manado Berdasarkan Teori Getaran Harmonik”, J. Ilm. Sains, vol. 16, no. 2, pp. 104–107, 2016.

[12] R. Ginoga, “Gerak Harmonik Sederhana Pada Pegas Dapat Digunakan Untuk Membuktikan Nilai Percepatan Gravitasi Bumi”,

Din. Pembelajaran, vol. 2, no. 1, pp.

82–90, 2020.

[13] K. Widyaningrum, “Penentuan

(11)

7 dan Sensor Ultrasonik”, Inov. Fis.

Indones., vol. 4, no. 3, 2015.

[14] C. A. Triana, dan F. Fajardo, “The Influence of Spring Length on The Physical Parameters of Simple Harmonic Motion”, Eur. J. Phys., vol. 33, no. 1, pp. 219–229, 2011, doi: 10.1088/0143-0807/33/1/019.

[15] G. Fowles, dan G. Cassiday,

Analytical mechanics. Thomson Brooks/Cole, 2005.

[16] R. A. Serway, dan J. W. Jewett,

Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Connected:

(12)

(13)

9

Pengaruh Waktu Miling terhadap Sifat Mikro Struktur dan

Magnet dari NdFeB dengan Proses Wet dan Dry Milling

Wahyu Solafide Sipahutar

(1,a)*

, William

(2,b)

dan

Muljadi

(3,c)

(1)_{Teknik Material, Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan, Indonesia, 35365} (2)_{Materials Science and Engineering, NTUST, Taipei, Taiwan}

(3)_{Pusat Penelitian Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)} Kompleks Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan, 15314

Email :(a*)_{[email protected],}b_{[email protected],}c_{[email protected]}

Diterima (04 November 2020), Direvisi (22 Januari 2021)

Abstract. Making of magnets from NdFeB flakes by Wet and dry milling to determine the microstructure,

physical and magnetic properties of the milling time variation is 16, 24, and 48 hours. The milling powder is then analysed to determine the particle size with PSA and XRD to determine the phase formed. Then the compacting process with isotropy printing for making pellet test samples with a pressure of 7 tons for 2 minutes. Then the pellet sample, given annealing temperature with a variation of 150 and 170 ̊C, then a measurement of magnetic properties with a Gauss Meter. The results obtained by the smallest optimum particle size with 48 hours of milling time at a diameter of 90% 4.7 μm, while the results of dry milling at a diameter of 90% amounted to 60.85 μm. The best method to get the smallest particle size is the Wet milling method. XRD results with Wet and Dry milling phases that appear only Nd2Fe14B phase. As milling time increases, the resulting density increases. The largest magnetic flux testing with dry milling method with 48 hours of milling time for temperatures 170 ̊C temperature obtained 468.5 Gauss and the addition of annealing temperature the magnetic properties of the material is getting better.

Keywords: Dry milling, Fluks Magnetic, Microstructure, NdFeB, Wet milling

Abstrak. Telah dilakukan penghalusan dan pembuatan magnet dari flakes NdFeB dengan proses Wet dan dry

milling untuk mengetahui sifat mikrostruktur, fisis dan magnet terhadap variasi waktu milling yaitu 16 ,24, dan 48 jam. Serbuk hasil milling kemudian di analisis untuk mengetahui ukuran partikel dengan PSA dan XRD untuk mengetahui fasa yang terbentuk. Kemudian proses kompaksi dengan cetak isotropi untuk pembuatan sampel uji pelet dengan tekanan 7 tonf selama 2 menit. Kemudian sampel pelet, diberikan suhu annealing dengan variasi 150 dan 170C, kemudian pengukuran sifat magnet dengan Gauss Meter. Hasil yang diperoleh

ukuran partikel optimum terkecil dengan waktu milling 48 jam pada diameter 90% 4,7 μm, sedangkan hasil dry milling pada diameter 90% sebesar 60,85 μm. Metode terbaik untuk mendapatkan ukuran partikel terkecil adalah dengan metode wet milling. Hasil XRD dengan Wet dan Dry milling fasa yang muncul hanya fasa Nd2Fe14B. Semakin naiknya waktu milling, densitas yang dihasilkan semakin besar. Pengujian fluks magnetik terbesar dengan metode dry milling dengan waktu milling 48 jam untuk suhu Suhu 170C didapatkan 468,5 Gauss dan penambahan suhu annealing sifat magnetik bahan semakin baik.

Kata kunci: Dry milling, Fluks Magnetik, Mikrostruktur, NdFeB, Wet milling

PENDAHULUAN

Dewasa ini, magnet khususnya magnet permanen telah banyak dilakukan penelitian

dan pengembangan dalam pemanfaatan berbagai bidang aplikasi dan menggunakan teknologi maju [1]. Magnet permanen dengan energi tertinggi seperti Nd2Fe14B

(14)

Wahyu Solafide Sipahutar: Pengaruh Waktu Milling terhadap Sifat Mikro Struktur dan Magnet dari NdFeB dengan Proses Wet dan Dry milling

10

atau Pr2Fe14B merupakan jenis magnet dari RE-Fe-B (RE (Rearth Eart) atau tanah jarang = Nd,Pr) [2]. Ini merupakan jenis magnet yang paling banyak dikembangkan secara luas diberbagai bidang industry [3]. Produk energi maksimum (BHmax), remanens (Br), dan koersivitas (Hc) adalah parameter yang bisa digunakan untuk mengukur kualitas dari magnet [4].

Dalam memenuhi kebutuhan dan aplikasi magnet permanen, telah ditemukan bahan magnet dalam ukuran yang mikrometer hingga skala nano. Sehingga pemanfaatan magnet permanen dimasa depan dapat memberikan lebih lagi nilai fungsional, namun tetap memperhatikan ketersediaan magnet permanen tersebut, dikarenakan belum tersedianya penghasil magnet lokal dalam memenuhi kebutuhan produksi magnet dalam negeri. Sehingga, penelitian di bidang magnet khususnya magnet permanen dilakukan secara intensif. Untuk mengembangkan sistem produksi magnet permanen NdFeB maka dilakukan kegiatan riset dan penelitian dengan metode

Wet dan dry milling, di mana dua metode milling ini diharapkan dapat menghasilkan

bahan magnet dalam berukuran kecil [5]

Mechanical Milling atau proses penggilingan adalah teknik penghalusan mekanis dengan menggunakan bola penggilingan di mana suatu bahan material yang ditempatkan dalam suatu tempat penggilingan kemudian digiling dengan bola

milling berenergi tinggi saling berbenturan

dengan material yang berada dalam wadah penggilingan. Adapun proses milling

bertujuan untuk memperoleh ukuran bahan menjadi serbuk (berukuran sangat kecil) sehingga menghasilkan campuran homogen yang diharapkan menghasilkan sifat magnetik yang lebih baik. Metode dry

milling dalam proses penggilingan menggunakan gas inert, ini bertujuan untuk mencegah terjadinya oksidasi lingkungan

pada magnet dimana gas inert merupakan gas yang tidak reaktif atau tidak mudah bereaksi. Sedangkan metode Wet milling pada saat proses penggilingan menggunakan toluene untuk mencegah terjadinya proses oksidasi (korosi) pada NdFeB [6]–[8].

Pada penelitian ini dilakukan persiapan sampel bahan magnet Neodymium Iron

Boron menggunakan bahan baku flakes

NdFeB type N35H. Metode penggilingan dengan dry mechanical milling dengan atmosfer gas inert N2 untuk mencegah oksidasi. Metode Wet milling mengunakan toluen (dalam keadaan basah) untuk mencegah proses oksidasi. Proses penghalusan flakes NdFeB dengan metode

Dry dan Wet milling ini dilakukan dengan

menggunakan ball mill dengan variasi waktu

milling 16, 24 dan 48 jam. Kemudian di

karakterisasi mengguakan Particle Size Analyzer (PSA) untuk mengetahui ukuran diameter partikel hasil proses milling dengan variasi waktu milling, karakterisasi fasa dari serbuk hasil setiap variasi waktu milling dilakukan dengan pengujian XRD, Setelah proses milling. Kemudian untuk mencetak sampel pelet ,serbuk hasil milling

dikompaksi dengan beban tekan 7 tonf selama 2 menit, celuna WE-518 sebanyak 3 wt ditambahkan sebagai bahan perekat. Selanjutnya perlakuan heat treatment pada sampel pelet dengan suhu mulai 150 dan 170oC selama 1 jam. Kemudian sampel pelet dilapisi dengan sirlak (insulating material). Selanjutnya di magnetisasi dengan tegangan 1500 V. Sampel pelet diukur dengan Gauss

Meter untuk mengetahui besar kuat medan

magnet yang dihasilkan.

HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Data Dari Karakterisasi PSA

(15)

11 Tabel 1. Hasil Pengukuran PSA Serbuk NdFeB dengan metode Wet dan Dry Milling

Diameter Serbuk

16 Jam 24 Jam 48 Jam

Wet Milling

Dry

Milling Wet Milling Dry Milling Wet Milling Dry Milling

Diameter 10% (μm) 20,26 22,77 6,82 21,53 0,3 14,93

Diameter 50% (μm) 41,65 47, 18 18,48 45,35 1,49 33,36

Diameter 90% (μm) 68,67 114, 84 42,15 84,34 4,7 60,85

Berdasarkan Tabel 1, diperoleh bahwa diameter ukuran partikel atau serbuk NdFeB semakin kecil dengan naiknya waktu

milling. Ukuran partikel terkecil dihasilkan

oleh serbuk NdFeB hasil Wet milling dengan waktu milling 48 jam yaitu, dengan diameter 10% berukuran 0,3 μm, diameter 50% 1,49 μm, dan pada diameter 90% 4,7 μm, sedangkan hasil dry milling dengan waktu 48 jam pada diameter 10% berukuran 14,93, pada diameter 50% berukuran 1,49 μm 33,36, dan pada diameter 90% sebesar 60,85 μm. Metode terbaik untuk mendapatkan ukuran partikel terkecil adalah dengan metode Wet milling. Untuk ukuran partikel, dengan bertambahnya waktu penggilingan, maka ukuran partikel yang dihasilkan semakin mengecil, baik dari hasil

Wet atau dry milling. Ini menyatakan

korelasi berbanding lurus ukuran diameter partikel semakin kecil dengan naiknya waktu penggilingan. Dengan bertambahnya Waktu penggilingan akan menyebabkan penurunan ukuran rata – rata serbuk partikel [9]. Namun, berdasarkan hasil sebelumnya, ketika waktu milling diteruskan hingga 72 jam, ukuran dari partikel kembali membesar [10]. Hal ini dikarenakan terjadi penggumpalan atau aglomerasi yeng menyebabkan ukuran diameter partikel dari serbuk semakin membesar. Maka pemilihan waktu milling yang tepat harus benar benar diperhatikan.

Analisa Struktur Kristal dan Fasa Sampel Serbuk NdFeB

Untuk mengamati fasa-fasa yang muncul pada sampel serbuk setelah proses milling maka analisa struktur kristal NdFeB diketahui dengan menggunakan XRD. Waktu milling yang digunakan adalah 48 jam. Hasil analisa XRD untuk setiap variasi waktu milling 48 jam dengan metode Wet dan dry milling adalah terdapat Gambar 1. XRD (X-Ray Diffraction) dilakukan untuk mengamati fasa yang muncul dari setiap variasi waktu milling baik hasil proses Wet dan dry milling , dengan melihat puncak (peak) tertinggi sehingga struktur kristal yang terbentuk dapat diketahui dalam sampel serbuk NdFeB. Analisa difraksi sinar-X yang digunakan merupakan teknik karakteristik kristalografi suatu material dengan mengamati puncak – puncak (peak) intensitas yang terlihat [11]. Perangkat lunak match! digunakan untuk mengetahui peak yang dihasilkan dari XRD. Waktu milling 48 jam dipilih untuk mengetahui hasil fasa yang terbentuk baik dengan metode Wet atau dry

milling, dipilih 48 jam karena waktu milling

terlama yang digunakan dalam penelitian ini. Pada Gambar 1. diatas menghasilkan pola XRD hasil sampel yang di milling dengan metode Wet dan dry milling selama 48 jam. Dari gambar pola XRD tersebut menunjukkan bahwa dengan metode Wet

milling selama 48 jam terdapat 12 peak

tertinggi, setelah dilakaukan Rietveld Rifinement masih hanya terdapat satu fasa

(16)

12

(a)

(b)

Gambar 1. a) Grafik Pola Difraksi Hasil Analisa XRD Serbuk NdFeB hasil dry milling selama 48 jam. b)

Grafik Pola Difraksi Hasil Analisa XRD Serbuk NdFeB hasil Wet milling selama 48 jam.

dominan saja yaitu fasa Nd2Fe14B dengan 3

peak tertinggi memiliki 2theta (2θ) sebesar 42.43° dengan jarak antar bidang d = 2,1347 Å dan bidang hkl (4 1 0), 43,96 ° dengan jarak antar bidang d = 2,0600 Å dan bidang hkl (3 1 4), 37.21° dengan jarak antar bidang d = 2,4165 Å dan bidang hkl (2 1 4) dan tidak ada fasa pengotor atau fasa baru yang muncul, maka % Kristalisasi fasa dimilling selama 48 jam dan memiliki % Kristalisasi sebesar 100% Nd2Fe14B. Sama halnya

dengan metode dry milling selama 48 jam, terdapat satu fasa dominan yaitu fasa Nd2Fe14B dan memiliki 3 puncak tertinggi

dengan nilai peak masing–masing puncaknya secara berurutan adalah pada 2θ = 42,31o dengan d= 2,1361 Å , pada 2θ = 37,20o dengan d = 2,4173 Å dan pada 2θ = 43,95o dengan d = 2,0601 Å. Fasa yang dihasilkan dengan proses dry milling NdFeB selama 48 jam adalah 100% fasa Nd2Fe14B

dan tidak ditemukannya fasa impurities atau pengotor yang terdapat dalam serbuk NdFeB. Semakin bertambahnya waktu

milling cenderung tidak mengubah fasa. Ini

menunjukkan perubahan fasa yang relatif kecil dan cenderung tidak terlalu banyak berubah pada setiap variasi waktu milling.

(17)

13 Fasa yang dihasilkan dari masing- masing

variasi waktu dry milling yaitu fasa Nd2Fe14B dan fasa Nd2Fe14B cenderung

mempunyai fasa struktur amorf [12].

Hasil Analisa Densitas Bulk NdFeB

Dari Tabel 2 di atas diketahui bahwa dengan semakin lamanya waktu milling baik dengan metode Wet dan dry milling maka besar nilai densitas yang dihasilkan dari bulk magnet NdFeB semakin besar, ini dikarenakan ketika ukuran dari diameter partikel yang dihasilkan semakin kecil, maka nilai bulk density semakin naik, sehingga hubungan antara ukuran partikel dan bulk density berbanding terbalik. Ini diperjelas dengan penelitian yang dilakukan sebelumnya kepadatan dari bulk magnet semakin tinggi dengan semakin kecilnya ukuran serbuk. Sehingga ukuran dan bentuk serbuk perlu diuji lebih lanjut untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal [13].

Tabel 2. Pengujian Densitas dari Bulk Magnet

NdFeB dengan metode Wet dan dry milling dengan variasi Waktu Milling

Waktu

milling

(Jam)

Densitas Bulk Magnet NdFeB (gr/cm3)

Wet milling Dry milling

16 5,025 5,532

24 5,045 5,537

48 5,084 5,650

Hasil Pengujian Sifat Magnet Sampel Pelet Magnet NdFeB

Untuk menguji sifat magnet dilakukan pengujian sifat medan magnet dengan Gaussmeter yaitu dengan menguji pada bulk magnet NdFeB hasil dari proses kompaksi atau cetakan. Selanjutnya diberikan suhu annealing dengan variasi suhu 150 ̊C dan 170 ̊C, kemudian di magnetisasi dengan mengunakan Magnet-Physic Dr.steingrover

GmbH Impluse magnetizer K-series pada

tegangan 1500 V selanjutnya menggunakan

Gaussmeter untuk mengetahui kualitas besar sifat magnet dari bulk NdFeB.

Berdasarkan Gambar 2, dinyatakan besar nilai kenaikan densitas fluks magnetik

bulk magnet NdFeB secara tetap. Hal ini

menyatakan, semakin lama waktu penggilingan yang diberikan sehingga menghasilkan ukuran butir yang semakin kecil maka fluks magnetik NdFeB semakin besar, ini disebabkan karena proses penggilingan mengahasilkan ukuran yang sangat kecil sehingga membentuk dominan tunggal yang lebih banyak dan menghasilkan bahan dengan sifat magnet yang semakin kuat [5]. Hasil lain yang didapatkan adalah pengujian fluks magnetik terbesar dengan metode dry milling dengan waktu milling 48 jam untuk suhu Suhu 170 ̊C didapatkan 468,5 Gauss dan untuk suhu Suhu 170 ̊C didapatkan sedangkan fluks magnetik terbesar dengan metode Wet

milling dengan waktu milling 48 jam 412

Gauss. Dari Tabel 1 juga diketahui bahwa dengan kenaikan suhu annealing yang diberikan sifat magnetik bahan tersebut semakin baik. Sifat magnetik membaik disebabkan dengan pemberian suhu

annealing yang dapat membentuk dan

memperbaiki kembali fasa yang sudah terdeformasi hasil dari proses milling [14] menyatakan rekontruksi bahan dapat dilakukan dengan pemberian suhu

annealing.

Gambar 2. Hasil pengukuran Fluks magnet bulk

NdFeB Wet dan Dry milling

16 24 32 40 48 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 F lu k s Ma g n e t (G a u s s ) Waktu Milling Wet Suhu 150 C Dry Suhu 150 C Wet Suhu 170 C Dry Suhu 170 C

(18)

14

KESIMPULAN

Hasil Proses preparasi Mechanical

Milling serbuk bahan flakes NdFeB dengan

metoda Wet dan dry Milling yang telah dilakukan, dimana bahan dimilling dengan

Wet milling menggunakan Toluene untuk

mencegah terjadinya proses oksidasi, sehingga tidak terjadi korosi pada bahan sampel dan dry milling menggunakan gas inert N2. Variasi waktu milling memberikan

pengaruh yang signifikan dengan hasil ukuran butir yang diperkecil, tanpa mempengaruhi struktur kristal dan memperbesar kuat medan magnetik sampel magnet NdFeB baik menggunakan metode

Wet atau dry milling, dimana semakin lama

waktu milling yang diaplikasikan ukuran dari serbuk yang dihasilkan cendrung semakin kecil. Metode Wet milling dengan waktu milling 48 jam menghasilkan ukuran butir paling kecil 4,7 μm, Sedangkan dengan dry milling dengan waktu milling 48 jam menghasilkan ukuran 60,85 μm. Fasa yang dihasilkan dari pengujian XRD dengan metode Wet dan dry milling terhadap variasi waktu milling, fasa yang dihasilkan masih tetap 100% NdFeB dan tidak ada muncul fasa baru. Kuat medan magnet hasil pengukuran Gauss Meter dengan efek variasi waktu milling dengan metode Wet dan dry milling terhadap dengan bertambahnya waktu milling kuat medan magnet semakin besar. Kekuatan magnet terbesar adalah serbuk hasil dry milling dengan waktu milling 48 jam. Ketika Suhu annealing meningkat maka kuat medan magnet juga naik, hal ini disebabkan suhu

annealing dapat merekontruksi struktur

kristal dan bahan.

Peneliti dan seluruh staf laboratorium Magnet , Bidang Fisika Bahan Baru, Pusat Penelitian Fisika LIPI Gd. 440 Kawasan

Puspiptek Serpong, dan PSTBM- BATAN Gd. 42 Kawasan Puspiptek Serpong.

DAFTAR PUSTAKA

[1] M. Hilda Ayu, Syahrul Humaidi, “Pengaruh Komposisi Poliester Terhadap Sifat Magnet Dan Mekanik Pada Pembuatan Bonded Magnet Pr-Fe-B,” USU, 2013.

[2] C. O. D.W.Scott, M. Ma, Y. L. Liang, “Bounds, Microstructural control of NdFeB castingots for achieving 50 MGOe sintered magnets,” J. Appl. Phys., vol. 79, no. 8, pp. 4830–4832, 1996. [3] J. Fraden, Handbook of Modern Sensors:

Physics, Design, and Applications.

Springer US, 2010.

[4] E. dan M. Yuliati, “Penghalusan Serbuk dan Efeknya Pada Fasa dan Sifat Magnetik Sistem Magnet Permanen Berbasis Nd2Fe14B,” J. Sains Mater.

Indones., vol. 7, no. 1, pp. 21–24, 2005.

[5] P. M. Sardjono, “Analisis Struktur Kristal dan Mikrostruktur Serbuk Nd2Fe14B Hasil Proses Mechanical Alloying,” in Prosiding Pertemuan

Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, 2013,

pp. 29–34.

[6] T. R. S. William, “Pengaruh Waktu Dry Milling Terhadap Karakteristik Dan Sifat Magnet Permanen Nd-Fe-B.,” J. Fis. dan

Apl., vol. 1, no. 1, 2016.

[7] W. Solafide, “Efek Waktu Wet Milling Dan Suhu Annealing Terhadap Sifat Fisis, Mikrostruktur Dan Magnet Dari Flakes Ndfeb,” 2015.

[8] W. Sipahutar, “Efek Waktu Wet Milling dan Suhu Annealing Terhadap Sifat Fisis, Mikrostruktur dan Magnet dari Flakes NdFeB,” USU, 2015.

[9] A. Fiandimas, A. dan Manaf, “Pembuatan Magnet Permanen Barium Heksaferit Berbahan Baku Mill Scale dengan Teknik Metalurgi Serbuk,” J.

Sains Mater. Indones., vol. 5, pp. 5–50,

2003.

[10] T. P. Radyumikono, Nofrizal, Dwiwahyu Nugroho, “Sintesis Nano-partikel Zno Dengan Metode Mechano-chemical

(19)

15 Milling,” in Prosiding Pertemuan Ilmiah

Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Bahan,

2012, pp. 60–62.

[11] E. H. Wahyuni, M.S., “Karakterisasi Cangkang Kerang Menggunakan XRD dan X-Ray Physics Basic Unit,” J.

Neutrino, vol. 3, pp. 34–38, 2010.

[12] S. P. R. Mujamillah, Bambang S., Evy Y., M.Refai M., “Sifat Magnetik Bahan Komposit Berbasis Serbuk Magnet NdFeB Hasil Milling dan Polimer Termoplastik LLDPE,” J. Sains Mater.

Indones., vol. 3, pp. 6–9, 2002.

[13] Suharpiyu, “Pengaruh Komposlsl Dan Beban Tekan Terhadap Rarakteristik Rigid Bonded Magnet Berbasis Logam Tanah Jarang Nd-Fe-B Dengan Bahan Pengikat Resin Poliester,” 2000.

[14] R. Akmal Johan, “Magnetik Nanokristalin Barium Heksaferit (BaO6Fe2O3) Hasil Proses High Energy Milling,” J. Sains Mater. Indones., pp. 120–125, 2007.

(20)

(21)

17

Perancangan Sensor LVDT dan Potensiometer Geser

Sederhana Sebagai Alat Potensial Pendeteksi

Pergeseran Tanah

Tri Siswandi Syahputra

(a)*

_{, Heru Asyubi}

(b)

_dan

_{Eko Satria}

(c)

Prodi Fisika, Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan, Indonesia, 35141

Email : (a*)_{[email protected]}(b)_{[email protected]}(c)_{[email protected].}

Diterima (10 Desember 2020), Direvisi (30 Januari 2021)

Abstract. A preliminary study on the design of a Linear Variable Differential Transformer (LVDT) sensor and a sliding potentiometer has been carried out. It is a distance measuring sensor that can be used as a ground shift sensor. This study aims to develop a new type of low cost mechanical sensor which has a high enough accuracy. The LVDT sensor is built using affordable materials such as PVC pipes, winding wires and iron cores, which is varied based on the number of primary coil and its diameter. While the potentiometer sensor is prepared by using linear bearing using electrode sheets of nickel and copper which is arranged by implemented the concept of the Newton-Wheatstone Bridge. The measurement value shows that the LVDT sensor with the number of primary coil of 110 and a diameter of 4 mm can measure with an accuracy of 0.5 mm and a range of more than 4 cm. While the sliding potentiometer using a sheet of copper electrodes can measure 0.5 mm with a range of more than 4 cm. The average error shown by the LVDT sensor and the sliding potentiometer is 5.2% and 6.4%, respectively.

Keywords: Configuration, LVDT, landslide, sliding poteniometer.

Abstrak. Telah dilakukan penelitian studi awal perancangan sensor Linear Variable Differential Transformer

(LVDT) dan potensiometer geser yang merupakan sensor pengukur jarak yang dapat digunakan sebagai sensor pergeseran tanah. Penelitian ini memliki tujuan untuk mengembangkan suatu jenis sensor mekanis baru yang berbiaya rendah tetapi tetap memiliki ketelitian yang cukup tinggi. Pada penelitian ini, sensor LVDT dibuat dengan menggunakan bahan terjangkau seperti pipa paralon, kawat lilitan dan inti besi yang divariasikan berdasarkan jumlah lilitan primer dan diameternya. Sedangkan sensor potensiometer dibuat dari linear bearing dengan menggunakan lembaran elektroda dari bahan nikel dan tembaga yang disusun seperti konsep jembatan newton wheatstone. Nilai pengukuran menunjukan sensor LVDT dengan jumlah lilitan primer 110 dan diameter 4 mm dapat mengukur dengan keterlitian 0.5 mm dengan jangkauan lebih dari 4 cm. Sedangkan potensiometer geser dengan menggunakan lembaran elektroda tembaga dapat mengukur 0.5 mm dengan jangkauan lebih dari 4 cm. Galat rata rata yang ditunjukan dari sensor LVDT dan potensiometer geser masing masing sebesar 5.2 % dan 6.4%.

Kata kunci: Konfigurasi, LVDT, pergeseran tanah, potensiometer geser.

PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi sensor saat ini telah banyak digunakan untuk membantu manusia dalam beraktivitas. Jangkauan penggunaan sensor tidak hanya untuk skala industri, namun juga sampai skala rumah

tangga dan kesehatan. Selain itu pengembangan sensor juga saat ini telah digunakan untuk keperluan deteksi dini kebencanaan seperti banjir, kebakaran dan tanah longsor.

(22)

Tri Siswandi Syahputra: Perancangan Sensor LVDT dan Potensiometer Geser Sederhana Sebagai Alat Potensial Pendeteksi Pergeseran Tanah

18

Penyebab longsor pada umumnya dipengaruhi oleh adanya aktivitas pergeseran tanah yang diakibatkan oleh curah hujan yang tinggi [1]. Pengukuran pergeseran tanah yang sering digunakan adalah menggunakan sensor extensometer, sensor getaran, sensor accelerometer, inclinometer, fiber bragg grating strainmeter [2,3]. Selain itu terdapat

beberapa sensor lain yang secara teknis dapat juga digunakan untuk mendeteksi pergeseran tanah seperti sensor cahaya, sensor linear variable differential transformer (LVDT), dan potensiometer

geser [3-8].

Sensor LVDT merupakan salah satu sensor magnetik yang sangat presisi yang dapat mengukur dengan ketelitian 0.1 mm [7]. Biasanya sensor ini digunakan untuk keperluan industri sehingga harganya masih relatif mahal. Untuk proses keperluan deteksi dini secara massal, tentu sensor tersebut tidak menjadi pilihan pertama. Sehingga diperlukan pembuatan sensor LVDT berbiaya rendah yang memiliki juga memiliki sensitifitas yang tinggi [5].

Selain sensor LVDT, Potensiometer geser juga dapat diaplikasikan sebagai sensor pergeseran tanah berbiaya rendah [4,7]. Sensor ini dapat memberikan keluaran tegangan yang berbeda dengan cara menggeser elektroda berbahan konduktor sesuai dengan prinsip jembatan newton

wheatstone.

Pada penelitian ini, kemampuan sensor LVDT dan Potensiometer geser untuk mengukur pergeseran tanah akan diobservasi dengan menggunakan beberapa variable. Untuk Sensor LVDT, akan dilakukan variasi diameter lilitan dan panjang lilitan, Sedangkan pada potensiometer geser akan dilakukan variasi bahan elektroda.

Pada penelitian ini dilakukan pembuatan sensor LVDT dan sensor potensiometer geser sekaligus pengukuran tegangan keluaran berbagai konfigurasi dengan tahapan penelitian ditunjukkan pada

Gambar 1.

Gambar 1. Diagram blok tahapan penelitian

Konsep Potensiometer Geser

Pada penelitian ini potensiometer geser dirancang menggunakan prinsip jembatan

wheatstone seperti pada Gambar 2.

Berdasarkan kaidah jembatan

wheatstone, rangkaian akan dikatakan

setimbang jika kedua sisi rangkaian tersebut memiliki keluaran yang sama, dapat dirumuskan dengan Persamaan 1 dan 2.

1 1 oA i X R V V R R = + (1) dan 2 2 oB i S R V V R R = + (2) Pembuatan sensor LVDT dan Potensiometer Geser berbagai Rangkaian Pengkondisian Sinyal ADC dan Interface Pengujian dan Kalibrasi Prototype Sensor LVDT dan Potensiometer Geser

(23)

19 Gambar 2. Rangkaian jembatan Newton-Wheatston

agar rangkaian menjadi sebanding maka ditinjau pada Persamaan 3.

V_oA =V_oB (3) sehingga menghasilkan Persamaan 4.

1 2

X S

R R

R = R (4) Pada penelitian ini 𝑅₁ dan 𝑅₂ diwakilkan dengan panjang variasi kawat tembaga dan nikel, dimana 𝐿₁ dan 𝐿₂ akan mempengaruhi nilai resistansi dari rangkaian tersebut.

Jika salah satu sisi dari kawat tembaga pada Gambar 2. mengalami perubahan panjang, misalnya 𝐿1 maka nilai dari

resistansi 𝑅₁ pada 𝐿₁ akan berubah pula, sesuai dengan perubahan 𝐿₁, karena berdasarkan persamaan pada hambatan kawat pengantar bahwa resistansi sebuah bahan berbanding lurus dengan panjangnya (dalam keadaan 𝜌 dan A konstan).

Konsep Sensor LVDT

Sensor LVDT memiliki inti berupa magnetik, sehingga besar atau kecil fluks yang dihasilkan oleh kumparan LVDT sangat dipengaruhi oleh inti magnetik tersebut. Sebagaimana menurut hukum Faraday bahwa fluks pada kumparan sama dengan arus dari kumparan tersebut, hal ini dapat ditulis dengan Persamaan 5.

N d LdI

dt dt



 = − = − (5)

Gambar 3. Desain sensor LVDT

dengan 𝜀 merupakan induksi magnetic, N jumlah lilitan, 𝛷 fluks magnetic, L merupakan induksi timbal balik antara lilitan primer dan lilitan sekunder dan I adalah arus pada lilitan primer.

Pada penelitian ini sensor LVDT akan divariasikan jumlah lilitan primer dan skunder serta diameter kawat lilitannya. Inti besi yang digunakan berupa bahan ferit dengan panjang 8 cm diletakan ditengah tengah kumparan primer dan sekunder seperti pada Gambar 3.

Keluaran tegangan AC yang dihasilkan sensor dihubungkan dengan rangkaian pengkondisian sinyal untuk mendapatkan tegangan DC kemudian dihubungkan ke sistem pemprosesan sinyal.

HASIL DAN PEMBAHASAN Konfigurasi Sensor LVDT

Untuk mengetahui konfigurasi yang sesuai dalam menghasilkan tegangan yang memiliki kecenderungan linear, sensor LVDT divariasikan berdasarkan diameter, diameter kawat lilitan dan jumlah lilitan yang dapat dilihat pada Tabel 1 dan

Gambar 4.

(24)

20

Tabel 1. Konfigurasi sensor LVD

No Jenis LVDT Diameter kawat (mm) Jumlah lilitan primer (cm) 1. Sensor 1 0.4 110 2. Sensor 2 0.4 125 3. Sensor 3 0.5 110 4. Sensor 4 0.5 125 5. Sensor 5 0.5 250

Inti besi yang digunakan berdimensi panjang 8 cm dan sumber tegangan yang digunakan 3.2 volt AC. Untuk mengukur tegangan keluaran digunakan multimeter digital precision fluke 8808A.

Proses pengujian dan kalibrasi karaktersitik sensor LVDT dilakukan di laboratorium instrumentasi Fisika. Besarnya pergeseran tanah dikalibrasi dengan menggunakan laser distance meter fluke 424D.

Dari hasil data pengukuran didapatkan grafik antara perubahan pergeseran inti besi dengan tengangan keluaran seperti pada

Gambar 5. Pada Gambar 5, kelima jenis

sensor memiliki keluaran yang berbeda beda, namun secara umum memiliki pola yang mirip, hanya saja panjang kelinearannya yang berbeda beda. Sensor 3 dan 4 memiliki masing masing tegangan keluaran terbesar yang terbaca adalah 9.93 mV dan 10.3 mV, dan tegangan terkecilnya adalah 4.54 mV. Sedangkan pada sensor 1 dan sensor 2, masing masing memiliki tegangan maksimumnya adalah 47,92 mV dan 54.93 mV dan tegangan minimumnya adalah 6.25 mV. Sedangkan pada sensor 5 pola grafik tidak membentuk linear yang panjang dan tegangan keluaran terbesar yang terbaca adalah 24.93 mV serta tegangan minimumnya 5.26 mV.

Perbedaan antara sensor 1 dan 2 dengan 3 dan 4 adalah dikarenakan diameter kawat yang berbeda sehingga dapat menghasilkan nilai flux yang berbeda juga. Meskipun demikian kelima sensor tersebut tetap secara

Gambar 5. Grafik keluaran sensor LVD

umum dapat digunakan sebagai sensor LVDT karena membentuk pola linear meskipun jangkauaan linear dan nilai koefisien determinasinya berbeda.

Dari kelima jenis sensor tersebut, sensor yang lebih linear dan adalah sensor 1 hal ini dikerenakan nilai tegangan yang dihasilkan juga memiliki cukup tinggi. Namun demikian, diperlukan pengukuran pada jarak yang lebih dari 4 cm untuk mengetahui apakah grafiknya tetap berpola linear atau tidak seperti yang dilakukan oleh jefri [5, 9] yang melakukan pengukuran sampai 15 cm meskipun tidak melakukan variasi diameter kawat lilitannya.

Konfigurasi Potensiometer Geser.

Pada penelitian ini, potensiometer geser divariasikan berdasarkan jenis lembar elektroda dan jenis elektroda yang digunakan seperti pada Tabel 2 dan

Gambar 6.

Tabel 2. Konfigurasi sensor Potensiometer geser No Jenis Sensor Jenis elektroda Jenis lembaran elektroda 1 Sensor 1 Tembaga Tembaga

(25)

21 Gambar 6. Bentuk konfigurasi sensor potensiometer

geser

Panjang diameter lembaran elektroda nikel dan tembaga yang digunakan dari titik tengah yaitu 15 cm, dan sumber tegangan yang digunakan 3,2 volt DC. Untuk mengukur tegangan keluaran digunakan multimeter digital precision fluke 8808A.

Proses pengujian dan kalibrasi karaktersitik potensiometer geser dilakukan di laboratorium instrumentasi Fisika. Besarnya pergeseran tanah dikalibrasi dengan menggunakan laser distance meter fluke 424D.

Dari hasil data pengukuran didapatkan grafik dengan karakteristik keluaran masing masing pada Gambar 7. Pada Gambar 7 dapat dilihat bahwa kinerja sensor memiliki nilai yang berbeda. Pada sensor 1 yang menggunakan elektroda tembaga, nilai tegangan yang terukur pada pergeseran jarak 4 cm adalah 7.14 mV, sedangkan pada sensor 2 yang menggunakan elektroda nikel tegangan keluaran maksimal yang ditunjukan adalah 2.21 mV.

Gambar 7. Grafik keluaran potensiometer geser

Hal ini menunjukan bahwa nilai tegangan keluaran dari sensor dipengaruhi oleh nilai jenis elektrodanya. Hal ini sesuai dengan literartur yang menyebutkan bahwa nilai resistansi pada nikel lebih besar dari pada nilai resistansi pada tembaga. Meskipun demikian, bentuk grafik sedikit berbeda dengan potensiometer dari bahan karbon [4].

Meskipun demikian pengukuran akan lebih baik jika dilakukan pengukuran perubahan pergeseran tanah sampai jarak lebih dari 4 cm agar mendapatkan gambaran utuh dari kinerja sensor tersebut. Selain itu variasi elektroda lain perlu dilakukan untuk mengetahui konfigurasi sensor terbaik.

Kalibrasi Konfigurasi Sensor LVDT dan Potensiometer Geser

Untuk mengetahui kinerja sensor diperlukan melakukan kalibrasi [10]. Pada penelitian ini kalibrasi dilakukan dengan membandingkan keluaran tegangan pada pengukuran perubahan jarak dengan menggunakan laser distance meter fluke 424D dengan pengukuran jarak manual menggunakan penggaris. Hasil pengukuran didapatkan bahwa terdapat galat rata-rata sebesar 5.2 % untuk konfigurasi sensor 1 LVDT dan 6.4 % untuk konfigurasi sensor 1 potensiometer geser dengan elektroda tembaga. Galat tersebut terjadi bisa dikarenakan ketika melakukan pengukuran terdapat beberapa kesalahan sistem mekanis maupun proses pengambilan data.

KESIMPULAN

Telah dilakukan pembuatan sensor LVDT dan Potensiometer geser berbiaya rendah yang dapat mengukur pergeseran tanah skala laboratorium dengan sampai ketelitian 0.5 mm.

Galat rata rata yang dihasilkan pada

pengukuran sensor LVDT dan

potensiometer geser masing masing 5,2 % dan 6,4 %.

(26)

22

Konfigurasi sensor LVDT terbaik ditunjukan oleh sensor dengan lilitan primer 110 dan diameter kawat 0.4 mm. Sedangkan konfigurasi terbaik potensiometer geser ditunjukan oleh potensiometer dengan menggunakan elektroda tembaga.

Terima kasih kepada Ristek dikti yang telah memberikan pendanaan melalui skema penelitian dosen pemula tahun pelaksanaan 2020.

DAFTAR PUSTAKA

[1] H. C. Hardiyatmo, Tanah Longsor &

Erosi Kejadian dan Penanganan,

Yogyakarta: Gadjah Mada University Press. 2012.

[2] M. Sättele, M. Krautblatter, M. Bründl, dan D. Straub, “Forecasting rock slope failure: how reliable and effective are warning systems”, Landslides, vol. 13, no. 4, pp. 737–750, Aug. 2016, doi: 10.1007/s10346-015-0605-2.

[3] E. Intrieri, G. Gigli, F. Mugnai, R. Fanti, dan N. Casagli, “Design and implementation of a landslide early warning system”, Eng. Geol., vol. 147– 148, pp. 124–136, Oct. 2012, doi: 10.1016/j.enggeo.2012.07.017.

[4] S. Y. Ulfa dan G. A. Pauzi, “Desain dan Realisasi Alat Pendeteksi Perubahan Tingkat Kemiringan Tanah sebagai

Penyebab Tanah Longsor

Menggunakan Sensor Potensio Linier Berbasis Mikrokontroler ATMega 8535”, Jurnal Teori dan Aplikasi

Fisika. vol. 04, no. 01, p. 8, 2016.

[5] W. Jefriyanto, B. G. M. Saka, M. Pineng, dan M. Djamal, “Development of LVDT (Linear Variable Differential Transformer) sensor as land displacement sensor”, J. Phys. Conf.

Ser., vol. 1528, p. 012041. 2020. doi:

10.1088/1742-6596/1528/1/012041.

[6] M. Jamil dan J. Togubu, “Implementasi Teknologi Wireless Sensor Network (WSN) untuk Monitoring Pergeseran Tanah”, PROtek J. Ilm. Tek. Elektro, vol. 3, no. 2, 2016, doi: 10.33387/protk.v3i2.158.

[7] P. Madona, “Rancang Bangun Peringatan Bahaya Longsor dan Monitoring Pergeseran Tanah Menggunakan Komunikasi Berbasis GSM”, J. Elektro dan Mesin Terap., vol. 2, no. 1, pp. 43–53, May 2016, doi: 10.35143/elementer.v2i1.37.

[8] O. O. Artha, B. Rahmadya, dan R. E. Putri, “Sistem Peringatan Dini Bencana

Longsor Menggunakan Sensor

Accelerometer dan Sensor

Kelembabapan Tanah Berbasis Android”, J. Inf. Technol. Comput.

Eng., vol. 2, no. 02, pp. 64–70. Sep.

2018. doi: 10.25077/jitce.2.02.64-70.2018.

[9] W. Jefriyanto, “Analisis Pergeseran Tanah dengan Menggunakan Sensor Kelembaban Tanah Berbasis Arduino Uno”, Prosiding SNIPS. 2018.

[10] R. Ekawita, R. Yuliza, and L. Lizalidiawati, “Desain Sistem Kalibrator dan Detektor Pergerakan Tanah Di Lahan Miring”, Seminar

Nasional Fisika 2017 UNJ. 2017. pp.

SNF2017-CIP-95-SNF2017-CIP-102, doi: 10.21009/03.SNF2017.02.CIP.12.

(27)

23

Analisis Pola Struktur Kalsium Karbonat (CaCO

3

) pada

Cangkang Kerang Darah (Anadara granosa) di Bukit

Kerang Kabupaten Aceh Tamiang

Putri Mekar Insani S.

(a)*

_{dan Rahmatsyah}

(b)

Jurusan Fisika, Universitas Negeri Medan, Medan, Indonesia, 20221. Email : (a*)_{[email protected]}_,(b)_{[email protected]}

Diterima (16 Desember 2020), Direvisi (08 Januari 2021)

Abstract. Characterization of material on cockle shell has been wiped out the shells hills of the Bendahara district of Aceh Tamiang district, with the aim of knowing the basic content and diffraction patterns of the cockle shell to plain CaCO3 aragonite. The research method begins with sampling the cockle shell from the Kerang hill. Firstly, preparation cockle shell. Then, characterized by X-Ray Fluorescence (XRF) examining to work out the basic content within the cockle shell, then doing Scanning Microscopy Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX), and X-ray diffraction ( XRD) testing. The characterization leads to XRF testing showed that the content of the constituent elements of the CaCO3 compound was dominated by CaO of 98.93% at station I and at station II, CaO was obtained the maximum amount as 98.73%. In SEM analysis, the cockle shell have a rod-like morphological structure within the sort of aragonite crystals. The results of EDX at station I, obtained CaO elements is 58.18% and at station II CaO is 36.76%. The results of XRD analysis, the cockle shell have an aragonite phase with an orthorombic crystal structure. the very best phase that appears at 2θ at station I is 26,220, and station II is 26,280.

Keywords: Cockle shell, CaCO3, XRF, SEM-EDX, XRD.

Abstrak. Telah dilakukan karakterisasi material pada cangkang kerang di bukit Kerang kecamatan Bendahara

kabupaten Aceh Tamiang, dengan tujuan untuk mengetahui kandungan unsur dan pola difraksi pada cangkang kerang terhadap data standar CaCO3 aragonit. Metode penelitian diawali dengan pengambilan sampel cangkang kerang di bukit Kerang dan dipreparasi terlebih dahulu. Kemudian dikarakterisasi dengan pengujian X-Ray Fluorescence (XRF) untuk mengetahui kandungan unsur pada cangkang kerang, kemudian dilakukan Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive X-Ray (SEM-EDX) , serta pengujian X-Ray Diffraction (XRD). Hasil karakterisasi pada pengujian XRF menunjukkan bahwa kandungan unsur penyusun senyawa CaCO3 didominasi oleh CaO sebesar 98.93% di stasiun I dan di stasiun II diperoleh CaO sebesar 98.73%. Pada hasil analisis SEM cangkang kerang memiliki struktur morfologi seperti batang (rod-like) berupa kristal aragonit. Hasil karakterisasi EDX pada stasiun I , diperoleh unsur CaO sebesar 58.18% dan pada stasiun II CaO sebesar 36.76%. Hasil analisis XRD cangkang kerang memiliki fasa aragonit dengan struktur kristal orthorombik. Fasa tertinggi yang muncul pada 2θ di stasiun I sebesar 26.220 _{dan pada stasiun II sebesar 26.28}0_.

Kata kunci: Cangkang kerang, CaCO3, XRF, SEM-EDX, XRD.

PENDAHULUAN

Indonesia merupakan negara yang terdiri dari berbagai provinsi, Indonesia memiliki berbagai budaya dan peninggalan situs

warisan sejarah yang beragam. Salah satunya berada di bukit kerang Aceh Tamiang. Bukit Kerang merupakan situs peninggalan prasejarah berupa tumpukan cangkang kerang sisa manusia purba. Pada

(28)

Putri Mekar Insani S.: Analisis Pola Struktur Kalsium Karbonat (CaCO3) pada Cangkang Kerang Darah (Anadara granosa) di Bukit Kerang Kecamatan Bendahara Kabupaten Aceh Tamiang

24

saat itu kerang adalah makanan yang paling mudah ditemukan [1]

Kerang (Bivalvia) merupakan hewan yang memenuhi kebutuhan nutrisinya dengan cara menyaring air sebagai media hidupnya (filter feeder). Kerang hidup di perairan pantai yang bersubstrat pasir

berlumpur sehingga senang

membenamkan diri dalam sedimen dan menyaring air media disekitarnya dengan menggunakan sifon [2].

Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan, senyawa utama yang ada dalam cangkang kerang adalah kalsium karbonat [3]. Adapun hasil penelitian Bharatham, dkk. (2014) kandungan kalsium karbonat pada cangkang kerang sebesar 95,7 % [4]. Menurut penelitian Rahmatsyah (2015) pengujian sampel cangkang kerang menggunakan pengujian (XRD) teramati senyawa CaO sebesar 19.0%, dan unsur C sebesar 67.6% [5]. Pada penelitian Harahap (2015), CaCO3 yang dihasilkan dengan

kristalinitas sebesar 74%. Fasa tertinggi yang muncul pada 2θ sebesar 26,1o merupakan kalsium karbonat dengan bentuk kristal aragonit dan struktur kristal orthorhombik [6]. Berdasarkan teori penelitian sebelumnya, penulis tertarik untuk mengetahui kandungan unsur dan perbandingan pola standar kalsium karbonat dengan pola difraksi kalsium karbonat pada cangkang kerang di daerah bukit kerang Aceh Tamiang.

Pengambila sampel Kerang (Bivalvia) sebanyak dua titik dan dilakukan di Bukit Kerang Kecamatan Bendahara Kabupaten Aceh Tamiang Sumatera Utara. Cangkang kerang yang telah dikumpulkan kemudian di bersihkan menggunakan aquades, dan dikeringkan selama 1 hari dibawah matahari. Kemudian, cangkang kerang digiling menggunakan ball mill dan disaring

menggunakan ayakan berukuran 100 mesh. Cangkang kerang yang sudah dipreparasi kemudian disimpan kedalam plastik sampel serta diberi label stasiun I dan stasiun II. Analisis kandungan unsur pada cangkang kerang dilakukan di Laboratorium Mineral dan Material Maju Fakultas MIPA Universitas Negeri Malang dengan menggunakan alat X-Ray Fluorscence (PANanlytical Type Minipal) untuk melihat kandungan unsur pada sampel, Scanning Electron Microscope Energy Diispersive X-Ray (FEI Type Inspect S50 EDAX AMETEX) untuk melihat morfologi serta kandungan unsur pada permukaan sampel, Analisa X-Ray Diffraction (Shimadzu Type 6100) untuk membandingkan pola struktur sampel dengan pola standar dilakukan di Laboratorium Fisika Universitas Negeri Medan.

HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pengujian X-Ray Fluorscence (XRF)

Data yang diperoleh dari sampel Stasiun I ditunjukkan pada Tabel 1. Berdasarkan Tabel 1 dapat dilihat bahwa unsur yang terkandung didalam sampel cangkang kerang adalah Kalsium (Ca) sebesar 98,68%, dengan unsur pengotor dianataranya adalah Mangan (Mn) sebesar 0,059%, Besi (Fe) sebesar 0,11%, Cobalt (Co) sebesar 0,11%, Stronsium (Sr) sebesar 0,89%, dan Lutesium (Lu) sebesar 0,16%.

Tabel 1. Hasil analisis XRF stasiun I

Unsur Komposisi (%) Oksida Komposisi (%) Ca 98,68 % CaO 98,93 % Mn Fe 0,059 % 0,11 % MnO Fe2O3 0,050 % 0,11 % Co 0,11 % Co3O4 0,097 % Sr 0,89 % SrO 0,69 % Lu 0,16 % Lu2O3 0,12 %