Magnetometer.

Magnetometer.
• Medan magnet bumi mempunyai arah utara-selatan dan
besarnya 45000 gama ( 1 gama = 1 nano Tesla), untuk
posisi di katulistiwa. Medan ini disebut juga dengan
medan normal.
• Keberadaan mineral logam yang mengandung bahan
feromagnetik, menyebabkan timbulnya medan magnet
induksi oleh mineral feromagnetik, sehingga harga
medan magnet menyimpang dari medan normal, medan
ini disebut medan magnet anomali.
• Survei magnetik mengukur medan magnet anomali
untuk mengetahui penyebaran mineral feromagnetik,
misalnya besi (Fe.).
Medan magnet bumi,
1.
2.
3.
Medan utama magnet bumi, sumber dari bumi sebagai magnet,
tidak berubah terhadap waktu.
Medan dari pengaruh luar bumi, pengaruh dari aktivitas di
matahari, badai magnetik, variasi harian medan magnet.
Medan lokal, pengaruh medan lokal akibat adanya mineral
feromagnetik pada kerak bumi.
Utara geografik
D
Utara magnetik
I
Timur
Alat ukur medan magnet bumi (1).
•
“vertical balance” mengukur komponen medan magnet vertikal
menggunakan magnet jarum.
h
 m0
mgd
Z  (
 H ) 
M
2ℓ
M
d
ө
m0
m
Z
M  2 m0 l
Alat ukur medan magnet bumi (2).
•
Proton Precession Magnetometer (PPM), sensor alat ini terdiri
dari bahan yang banyak mengandung hidrogen (inti atom higrogen
adalah proton), misalnya kerosen. Bahan kerosen dimasukkan ke
dalam tempat yang terbuat dari bahan bukan logam (misalnya
tabung PVC) yang dililiti dengan kawat (kumparan). Proton dalam
bahan mempunyai momen magnetik yang arahnya random, bila
pada kumparan dilewatkan arus listrik, maka momen magnetik
proton akan terarah sesuai arah medan magnet yang ditimbulkan
oleh arus listrik yang melalui kumparan. Bila arus listrik diputus,
maka arah momen magnetik proton akan kembali kearah semula
sambil berpresesi. Presesi proton ini menimbulkan ggl induksi pada
kumparan, frekensi presesi proton tergantung pada medan magnet
luar ( H ) yang mempengaruhi, jadi dengan mengukur frekuensi ggl
induksi sama dengan mengukur intensitas medan magnet H (total).
PPM
•
Sketsa lat PPM.
kerosen
+12 V
s
a
b
penguat
frekuensi
counter
kumparan
sensor PPM
p
   pH
frekuensi presesi
2f
H
p
gyromagnetic ratio dari proton
Untuk medan luar H=0,5 Oersted, frekuensi presesi = 2130 Hz.
PPM, perhitungan
•
Bila volume cairan sensor adalah V, maka medan polarisasi Hp
akan menimbulkan momen magnetik total :
M  k nVH p
k n  3  10 10 emu / cm 2
M  1.5  10 5
,adalah suseptibilitas nuklir
H p  100.Oersted
V  500.cm
M (t )  Me t / 
3
Vo  2 fNA . 4 M  10
  fillingfac tor ,  0.01  0.05
8
volt
A  50cm 2
N  1000
Diperoleh tegangan keluaran Vo=10 μV, untuk f = 2000 Hz.
Flux-gate magnetometer.
•
•
•
•
•
Flux-gate magnetometer, mengukur komponen medan magnet,
bila sensor dipasang vertikal, maka komponen medan magnet
vertikal yang terukur.
Sensor terdiri dari inti (logam) yang mudah jenuh karena pengaruh
medan magnet luar, biasanya digunakan “mu-metal”.
Dua buah inti logam dililiti kawat dengan arah lilitan berlawanan
(kumparan primer), kedua inti tersebut dipasang sejajar, kemudian
keduanya dililiti lagi dengan kawat sebagai kumparan sekunder.
Kumparan primer dialiri arus bolak-balik (Ep), maka bila medan
magnet luar sama dengan nol, maka keluaran pada kumparan
sekunder (Es),sama dengan nol, karena induksi dari kumparan
primer saling menghilangkan.
Bila medan magnet luar tidak nol, maka inti menjadi jenuh, sehingga
induksi total dari kumparan primer tidak sama dengan nol,
mengakibatkan keluaran pada kumparan sekunder tidak sama
dengan nol.
Logam mu-metal
•
•
Logam pada umumnya mempunyai sifat mudah terinduksi menjadi
magnet karena pengaruh medan magnet luar, kurva hubujngan
antara B dan H disebut kurva hysterisis.
mu-metal adalah logam yang medan B didalamnya mudah menjadi
jenuh karena pengaruh medan luar.
B
B
jenuh
H
Kurve hysterisis
Logam biasa
H
Logam mu-metal
B jenuh karena pengaruh H
Flux-gate magnetometer.
•
Sensor flux-gate magnetometer
1
Ep
2
Es
H
Flux-gate magnetometer.
•
Sensor flux-gate magnetometer
1
H=0
B
B1
B2
B1+B2=0
Ep
2
Es
B
H≠0
B
B1+B2≠0
H
untuk H≠0, maka B1+B2≠0 sehingga ggl induksi
Es≠0, harga Es sebanding dengan H.
Magnetometer “optical pump”
•
•
•
•
•
“optical pump” adalah metode mengarahkan spin dari elektron pada
salah satu Zeeman level energi pada ground-state.
Atom mempunyai tiga level energi, yaitu A1, A2 dan B. Beda energi
pada A1 dan A2 hanya kecil, disebabkan karena orientasi spin
elektron yang tidak sama. B mempunyai level yang lebih tinggi
dibanding dengan A1 dan A2.
Bila atom dikenai cahaya dari lampu (misalnya Rubidium), maka
atom dengan energi level A1 akan meloncat ke B, dan kembali ke
level yang rendah yaitu A2, sehingga dalam proses ini energi dari
lampu akan terserap sehingga cahaya yang tertangkap pada photocell hanya sedikit.
Bila semua energi atom sudah pada level A2, maka tidak ada
absorbsi energi oleh atom, sehingga banyak cahaya yang diterima
pada photo-cell, kondisi ini dikatakan “complete-pumping”.
Pengaruh gelombang elektro magnetik membuat orientasi spin tidak
terarah lagi, sehingga banyak energi cahaya yang terserap.
Magnetometer “optical pump” (2)
•
•
Untuk membuat magnetometer dipilih atom yang memiliki sub-level
energi yang sesuai. Atom-atom yang memenuhi syarat ini adalah
Cesium, Rubidium, Natrium, dan Helium.
Pada saat perubahan energi level spin elektron akan berubah
paralel atau anti paralel, sambil berpresesi, frekuensi presesinya
dideteksi oleh photo-cell berdasarkan jumlah energi dari cahaya
yang diserap. Frekuensi presesi dari elektron, disebut frekuensi
Larmour, besarnya tergantung pada medan magnet luar.
2 f
H 
g
H : medan magnet
f : frekuensi presesi
g : gyromagnetic ratio dari elektron
Magnetometer lain,
•
CESIUM Magnetometer,
polarisator
photocell
Lampu
amp.
Lensa.
RF
H
Frekuensi = konstan x Medan magnet
f(proton)
= 0,0425758 x H (gama)
f(rubidium) = 4,667370 x H
f(cesium)
= 3,498577 x H.
Proses “optical pumping”
1.
2.
3.
Pada saat orientasi spin acak, energi terserap, cahaya minimum.
Pada saat “completed pumping”, energi tidak terserap, cahaya
maksimum.
Pada saat dipengaruhi medan EM, energi terserap, cahaya
minimum.
Proses terjadinya presesi elektron.
•
Besarnya arus listrik yang ditangkap oleh photo cell,
menggambarkan saat presesi elektron paralel atau antiparalel
terhadap medan magnet luar, jadi menggambarkan satu cycle
frekuensi presesi, jadi dengan mengukur frekuensi arus listrik pada
photo cell maka medan magnet luar dapat dihitung.
Survei magnetik
•
Medan magnet yang terukur di suatu tempat merupakan superposisi
medan magnet dari beberapa sumber,
H (terukur) = H (normal) + H (anomali) + H (luar).
•
•
•
H (luar) berasal dari pengaruh medan magnet karena posisi
matahari terhadap bumi, polanya berubah dengan periode satu hari
disebut dengan variasi harian ( “diurnal variation”).
H (luar) juga dapat berasal dari medan magnet yang ditimbulkan
oleh adanya kegiatan ekstra dipermukaan matahari, disebut dengan
badai magnetik (“magnetic storm”).
Medan dari lujar tersebut dapat dikoreksi dengan memasang dua
buah magnetometer, satu merekam H di “base-camp” dan satu lagi
untuk mengukur H di lapangan.
Pengukuran RESISTIVITAS batuan.
•
•
•
•
•
Resistivitas adalah kemampuan suatu bahan atau medium
menghambat arus listrik.
Pengukuran resistivitas batuan merupakan metode AKTIF, yaitu
pengukuran dengan memberikan arus listrik ( I ) melalui elektroda
arus dan mengukur beda potensial ΔV pada elektroda potensial.
Sesuai dengan hukum OHM, maka harga resistivitas dapat dihitung
dari perhitungan R sama dengan ΔV dibagi dengan I.
Syarat untuk memperoleh harga ukur ΔV yang benar adalah “input
impedansi” dari volt meter harus besar ( >10 MOhm.)
Untuk menghindari terjadinya polarisasi pada elektroda, digunakan
arus bolak-balik dengan frekuensi rendah.
Rangkaian pengukuran.
•
Pengukuran R
I
V
R
V
(a)
R sama dengan V dibagi I
bila tahanan dalam volt
meter sama dengan tak
berhingga.
I
V
V
R
(b)
R sama dengan V dibagi I
bila tahanan dalam
amperemeter sama
dengan nol
Pengukuran resistivitas “sample” batuan.
•
Sample dengan luas penampang A.
I
V
R
I
L
L
R
A
A
ΔV
V A

.m
I L
Penggunaan 4 elektroda.
•
Dalam geofisika pengukuran resistivitas menggunakan skema ( a )
dengan menggunakan empat buah elektroda untuk menghilangkan
pengaruh tahanan kontak terhadap hasil ukur.
V
K
I
I
ΔV
C1
P1
P2
C2
K : faktor geometri.
C1 dan C2, elektroda arus
P1 dan P2, elektroda potensial