## Simulasi Aliran Plasma dengan Variasi Kecepatan Injeksi Plasma pada Potensial Penghalang dalam Posisi Melayang
Muliady Faisal *1 , Acep Purqon 2
1 Magister Sains Komputasi, FMIPA ITB, 2 Fisika Bumi dan Sistem Kompleks FMIPA ITB *1 muliadyfaisalalmandary@gmail.com, 2 acep@fi.itb.ac.id

## Abstrak
Dalam  penelitian  ini  akan  diperlihatkan  bentuk  difusi  aliran  plasma  yang  terjadi akibat  variasi  kecepatan  injeksi  plasma  pada  sebuah  potensial  penghalang  dalam  posisi melayang  pada  kasus  distribusi  kerapatan  muatan  dan  daerah  potensial  listrik  yang diturunkan  dari  persamaan  Poisson.  Metode  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah Particle-In-Cell  (PIC).  Dalam  metode  PIC,  elektron  dan  proton  merupakan  sumber  dari plasma.  Secara  numerik  step  waktu  yang  digunakan  dalam  penelitian  yaitu  setiap  1  detik dengan  periode  plasma  selama  200  detik  dan  grid  yang  digunakan  yaitu  20 20.  Adapun potensial  penghalangnya  berbentuk  persegi.  Dari  variasi  kecepatan  injeksi  berpengaruh terhadap  kerapatan  muatan  sehingga  jika  kecepatan  injeksinya  diperbesar  maka  akan terdapat daerah kosong yang tidak terisi dibelakang potensial penghalang. Sedangkan untuk daerah  potensial  listrik  jika  kecepatan  injeksi  plasmanya  diperbesar  maka  daerah dibelakang potensial penghalang akan terdapat daerah yang berpotensial yang lebih kecil.
Kata kunci : Plasma, PIC, Potensial penghalang

## 1. PENDAHULUAN
Sebuah  plasma  dapat  dibuat  dengan  memanaskan  gas  atau  mengalirkannya  ke  medan elektromagnetik  yang  kuat,  diterapkan  dengan  laser  atau  microwave  pembangkit.  Hal  ini mengurangi atau meningkatkan jumlah elektron, menciptakan partikel bermuatan positif atau negatif  yang  disebut  ion,  Merlino  R.L  (1998)  dan  disertai  oleh  disosiasi  ikatan  molekul Sturrock dan Peter A (1994)
Kehadiran  jumlah  signifikan  dari  partikel  bermuatan  membuat  plasma  elektrik konduktif  sehingga  merespon  kuat  medan  elektromagnetik.  Seperti  gas,  plasma  tidak memiliki  bentuk  yang  pasti  atau  volume  yang  pasti  kecuali  tertutup  dalam  sebuah  wadah. Tidak  seperti  gas,  di  bawah  pengaruh  medan  magnet,  itu  dapat  membentuk  struktur  seperti filamen, balok dan lapisan ganda.
Ketika plasma atau partikel bermuatan bergerak menghasilkan arus listrik dan medan magnet.  Tiga  faktor  yang  mempengaruhi  aliran  plasma.  Pertama,  approksimasi  plasma: partikel  bermuatan  yang  dekat  saling  berpengaruh.  Apporksimasi  plasma  valid  ketika sejumlah partikel bermuatan berada dalam lingkup interaksi. Hal ini disebut Panjang Debye .  Kedua,  interaksi  bulk:  Panjang  Debye  lebih  pendek  daripada  fisik  plasma.  Ketiga,
frekuensi plasma: frekuensi elektron plasma terjadi akibat adanya tumbukan dengan partikel proton.
Plasma  adalah  bentuk  paling  berlimpah  dialam  semesta,  buktinya  dapat  ditemukan didaerah inter galaksi, terutama di daerah intercluster dan bintang termasuk matahari. Bentuk umum plasma di bumi diproduksi  di lampu-lampu neon. Pengolahan teknologi plasma telah dikembangkan  secara  intensif  selama  lebih  dari  tiga  dekade  dan  telah  membuat  kemajuan luar  biasa  dan  sukses  sebagai  teknologi  manufaktur  kunci  untuk  berbagai  aplikasi  industri dalam  H.  Conrads  dan  M.  Schmidt  (2000)  Mulai  dari  modifikasi  permukaan  bahan  untuk teknologi  perangkat-manufaktur  maju  dan  proses  biomaterial.  teknologi  plasma  pengolahan ini telah didasarkan pada generasi dan kontrol spesies reaktif (radial dan ion) dalam plasma tekanan rendah berkelanjutan dalam ruang hampa. Karena tabrakan cukup antara elektron dan molekul gas dalam plasma tekanan rendah ini dalam A. Schutze, dkk (1998). Suhu gas dijaga biasanya  pada  suhu  kurang  dari  suhu  elektron  dari  beberapa  elektron  volt.  Terlepas  dari keberhasilan  pengembangan  plasma  tekanan  rendah  sebagai  kunci  teknologi  manufaktur kunci, plasma tekanan rendah memiliki beberapa kelemahan; sistem vakum diperlukan untuk generasi  plasma  pada  tekanan  gas  berkurang  dan  dengan  demikian  plasma  tekanan  rendah tidak  dapat  diterapkan  secara  langsung  untuk  diproses  atau  perawatan  jaringan  biomedis dengan  fase  cair.  Plasma  generasi  baru  pada  tekanan  atmosfer  dapat  mengatasi  kelemahan dari  plasma  tekanan  rendah  .  Mempertahankan  plasma  tekanan  atmosfer  ,  bagaimanapun, memerlukan tegangan tinggi untuk gangguan gas dan cenderung menunjukkan busur dan gas pemanas  karena  ditingkatkan  tabrakan  antara  elektron  dan  molekul  gas  dalam  A.  Schutze, dkk  (1998).  Untuk  menghindari  busur  dan  menurunkan  suhu  gas  di  atmosfer  bertekanan plasma  untuk  mencapai  sumber  -  suhu  rendah  ,beberapa  skema  memiliki  dikembangkan melalui konfigurasi elektroda benar merancang dan bentuk gelombang tegangan discharge  - eksitasi untuk membatasi durasi debit dalam C Tendero (2006).

## 2. METODE PANENELITIAN

## 2.1 Simulasi Plasma
Fenomena  aliran  plasma  merupakan  hal  yang  menarik  untuk  diamati  baik  secara eksperimen  maupun  simulasi.  Dalam  penelitian  ini  akan  diperlihatkan  bentuk  difusi  aliran plasma yang terjadi akibat variasi kecepatan injeksi plasma pada sebuah potensial penghalang dalam  posisi  melayang  pada  kasus  distribusi  kerapatan  muatan  dan  daerah  potensial  listrik yang diturunkan dari persamaan Poisson. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah Particle-In-Cell  (PIC).  Dalam  metode  PIC,  elektron  dan  proton  merupakan  sumber  dari plasma.

## 2.2 Persamaan Fundamental
Metode yang digunakan bersumber dari blog Particle-In-Cell (PIC) Consulting yaitu : The  Electrostatis  Particle-In-Cell  (ES-PIC)  Metohd dan Simple  Particle-In-Cell  Code  In Matlab. Nilai kerapatan muatan adalah jumlah banyaknya partikel bermuatan dalam dimensi ruang. Untuk mencari nilai kerapatan muatan digunakan rumus:
(1)
Keterangan: ρ = kerapatan muatan e = elektron Z p = jumlah rata-rata proton n = jumlah proton n e = jumlah elektron.
Sedangkan  untuk  mencari  daerah  potensial  listriknya,  pertama-tama  menggunakan  Hukum kedua Newton
(2) (3)
Keterangan: a = percepatan
F = gaya
q = muatan partikel m = massa partikel E = medan elektrostatis
Medan elektrostatis dapat dinyatakan dalam gradient potensial listrik
(4) Berdasarkan Persamaan Poisson (5)
Sehingga potensial listriknya dapat dicari. dimana:
= Potensial listrik
= Permitivisitas ruang bebas

## 2.3 Persamaan yang digunakan dalam simulasi
Persamaan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  rumus  menghitung  nilai  kerapatan muatan dan potensial listrik. Terkhusus potensial listrik persamaanya didiskrititasi.
Kerapatan muatan
(6)
Potensial Listrik

## Diagram alir penelitian
Konstanta yang digunakan dalam simulasi ini, akan diperlihatkan pada tabel berikut :
Tabel 1 Parameter konstanta yang digunakan dalam simulasi Parameter konstanta Keterangan n 0 Kerapatan muatan pada /m 3 T e Temperatur elektron pada  1 eV T p Temperatur proton pada 0.1 eV
Potensial penghalang awal = 0
Bidang potensial penghalang = -5 Mulai Inisialisasi konstanta Kerapatan muatan Potensial listrik Variasi injeksi kecepatan Selesai
Tabel 2 Ukuran dimensi bidang dan step waktu serta variasi injeksi kecepatan yang
digunakan dalam simulasi Parameter Keterangan nx Jarak kurva dalam sumbu x = 20 ny Jarak kurva dalam sumbu y = 20 ts Periode injeksi plasma = 200 detik dt Step waktu yang digunakan untuk mengamati difusi plasma = 1 detik Variasi kecepatan 5 km/detik sampai 50 km/detik 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi dilakukan dengan  menggunakan software matlab R2010b. Hasil penelitian ini diperlihatkan pada gambar berikut ini:
Gambar 1: Variasi injeksi plasma pada kecepatan 5 km/detik
Gambar 2: Variasi injeksi plasma pada kecepatan 10 km/detik
Gambar 3: Variasi injeksi plasma pada kecepatan 20 km/detik
Gambar 4: Variasi injeksi plasma pada kecepatan 30 km/detik
Gambar 5: Variasi injeksi plasma pada kecepatan 40 km/detik
Gambar 6: Variasi injeksi plasma pada kecepatan 50 km/detik
Pengaruh  variasi  kecepatan  injeksi  plasma  pada  distribusi  kerapatan  muatan  yaitu:  jika kecepatan  injeksinya  diperbesar  maka  akan  terdapat  ruang  kosong  berupa  warna  putih dibelakang  daerah  potensial  penghalang.  Pada  saat  kecepatan  injeksi  plasma  masih  5 km/detik  daerah  kosong  tersebut  masih  sedikit,  bahkan  hampir  tidak  ada.  Namun  jika diperbesar akan semakin besar, namun konstan ketika mencapai 50 km/detik. Selain itu jika kecepatan  injeksinya  diperbesar  maka  kerapatan  muatannya  juga  semakin  besar  ini  terlihat dengan  banyaknya  daerah  yang  berwarna  merah.  Dimana  pada  skala,  warna  merah menunjukkan  kerapatan  muatan  yang  besar  dan  makin  kebawah  yaitu  warna  biru menunjukkan kerapatan muatan yang kecil.
Pengaruh  variasi  kecepatan  injeksi  plasma  pada  daerah  potensial  listrik  yaitu:  jika kecepatan  injeksi  plasmanya  diperbesar  maka  dibelakang  daerah  potensial  penghalang terdapat  daerah  yang  berpotensial  kecil  yang  bernilai  (-3)  yang  dipencarkan  dibelakang potensial penghalang.

## 4. KESIMPULAN
Variasi  kecepatan  injeksi  pada  simulasi  plasma  yang  memiliki  potensial  penghalang dalam  posisi  melayang  untuk  distribusi  kerapatan  muatan  mengakibatkan  adanya  daerah kosong dibelakang potensial penghalang, dimana jika kecepatan injeksinya diperbesar maka
daerah  kosong  tersebut juga  semakin  besar dan  akan konstan  ketika  mencapai  50  km/detik. Selain  itu  juga  kerapatan  muatannya  semakin  besar  jika  kecepatan  injeksinya  diperbesar. Sedangkan  variasi  kecepatan  injeksi  pada  simulasi  plasma  pada  daerah  potensial  listrik mengakibatkan  adanya  daerah  yang  berpotensial  rendah  bernilai  (-3)  yang  dipancarkan dibelakang daerah potensial penghalang.

## DAFTAR PUSTAKA
Henry George Liddell, Robert Scott. (1998). A Greek–English Lexicon , on Perseus Luo,  Q-Z;  D'Angelo,  N;  Merlino,  R.  L.  (1998).Shock  formation  in  a  negative  ion  plasma).
Department of Physics and Astronomy.
Sturrock, Peter A. (1994). Plasma Physics: An Introduction to the Theory of Astrophysical, Geophysical & Laboratory Plasmas. Cambridge University Press.
H. Conrads, M. Schmidt. (2000). Plasma Sources Sci. Technol., 9, pp. 441–454 A. Schutze, J.Y. Jeong, S.E. Babayan, J. Park, G.S. Selwyn, R.F. Hicks. (1998). IEEE Trans. Plasma Sci ., 26, p. 1685
C. Tendero, C. Tixier, P. Tristant, J. Desmaison, P. Leprince, Spectrochim. (2006). Ionization and plasma. Acta Part B 61 2. The University of Tennessee, Knoxville Department of Physics and Astronomy.