rancang bangun sensor magnetik berdasarkan metode induksi

perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
RANCANG BANGUN SENSOR MAGNETIK
BERDASARKAN METODE INDUKSI SEBAGAI TESLAMETER
Disusun Oleh :
YOVITA LISNASARI
M0206078
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
commit to user
September, 2010
i
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
LEMBAR PENGESAHAN
Skripsi ini dibimbing oleh :
Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. Suharyana, M.Sc
Dr. Eng. Budi Purnama, M.Si
NIP. 19611217 198903 1 003
NIP. 19731109 200003 1 001
Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada :
Hari
: Senin
Tanggal
: 4 Oktober 2010
Anggota Tim Penguji :
(.............................................)
1. Sorja Koesuma, S.Si, M.Si
NIP. 19720801 200003 1 001
(.............................................)
2. Dr. Yofentina Iriani, S.Si, M.Si,
NIP. 19711227 199702 2 001
Disahkan oleh
Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Ketua Jurusan Fisika,
Drs. Harjana, M.Si, Ph.D
commit to NIP.
user 19590725 198601 1 001
ii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “RANCANG
BANGUN
SENSOR
MAGNETIK
BERDASARKAN
METODE
INDUKSI
SEBAGAI TESLAMETER” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar
kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum
pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu
dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, 20 September 2010
Yovita Lisnasari
commit to user
iii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
PERNYATAAN
Sebagian dari skripsi saya yang berjudul “RANCANG BANGUN SENSOR
MAGNETIK BERDASARKAN METODE INDUKSI SEBAGAI TESLAMETER”
telah dipresentasikan dalam:
Seminar Nasional Fisika (SNF) Tahun 2010 oleh Jurusan Fisika Fakultas Matematika
dan IPA UNNES pada tanggal 2 Oktober 2010 dengan judul “Kajian Pendahuluan
Sensor Magnet dengan Kumparan Pencuplik Tunggal sebagai Alat Ukur Medan
Magnet”
Surakarta, 20 September 2010
Yovita Lisnasari
commit to user
iv
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Kegiatan mengukur merupakan pendahuluan pembelajaran fisika yang
sangat penting. Mengukur pada hakekatnya membandingkan suatu besaran yang
belum diketahui nilainya dengan besaran lain yang sudah diketahui nilainya
sebagai standar. Untuk keperluan tersebut diperlukan alat ukur, yaitu sebuah alat
untuk menentukan nilai atau besaran dari suatu kuantitas atau variabel. Salah satu
alat ukur dalam dunia fisika adalah alat ukur medan magnet yang disebut
teslameter. Teslameter ini menjadi penting mengingat banyaknya aktivitas
eksperimen yang melibatkan pengukuran medan magnet, antara lain praktikum
efek Zeeman dan efek Hall. Namun, diperlukan investasi yang sangat mahal yaitu
berkisar puluhan juta rupiah guna merealisasikan sebuah teslameter. Sebagai
gambaran, di UPT Laboratorium Pusat MIPA UNS baru memiliki dua teslameter,
yaitu merk PHYWE dan F.W. BELL model 5070. Keberadaan kedua teslameter
tersebut jauh dari memadai untuk proses pembelajaran fisika yang ideal di
perguruan tinggi. Oleh karena itu usaha rancang bangun sebuah alat ukur medan
magnet yang murah menjadi topik menarik untuk dikerjakan.
Guna mendeteksi medan magnet, terdapat beberapa metode penginderaan,
yaitu metode induksi, SQUIDs, magnetoresistive, sensor efek Hall, dan fluxgate
magnetometers resonance (Craik, 1995). Setiap metode mempunyai karakteristik
masing-masing, sehingga membuat jenis teslameter semakin banyak di pasaran.
Seperti metode SQUIDs, metode ini digunakan untuk mendeteksi medan magnet
lemah antara 10-14 – 10-9 tesla. Sedangkan metode yang mampu mencakup nilai
medan magnet di atas 1 tesla adalah metode induksi dan sensor efek Hall. Untuk
metode magnetoresistive dan fluxgate magnetometers resonance, keduanya
berada diantara metode sensor efek Hall dan SQUIDs, dimulai rentang 10-10 – 10-3
tesla. Dari kelima metode tersebut, metode induksi merupakan cara mendeteksi
medan magnet yang paling sederhana karena dapat mendeteksi medan magnet
commit
to user
yang diukur sepanjang lintasan hanya
dengan
disertai adanya perubahan fluks di
1
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
2
dalamnya (Jiles, 1998). Metode induksi mengacu pada hukum Faraday dengan
menggunakan kumparan, sehingga dapat dibuat sendiri. Mekanisme penginderaan
medan magnet dengan metode induksi dapat dipaparkan dengan penjelasan
berikut.
Hukum Faraday menyatakan jika suatu kawat penghantar digerakkan
memotong arah suatu medan magnet maka akan timbul suatu gaya gerak listrik
pada kawat penghantar tersebut (Griffith, 1991). Gaya gerak listrik yang timbul
pada ujung-ujung penghantar karena adanya perubahan medan magnet disebut
gaya gerak listrik (GGL) induksi. Selain adanya perubahan fluks, besar GGL
induksi juga bergantung pada luasan tampang lintang kumparan (diameter inti
kumparan) serta jumlah lilitan. Semakin besar diameter inti kumparan dan
semakin banyak jumlah lilitan, maka nilai GGL induksi juga akan semakin besar.
Hal inilah yang membuat metode induksi mempunyai kelebihan sebagai metode
yang paling sederhana. Keistimewaan lain metode induksi adalah mempunyai
jangkauan medan magnet yang lebih luas antara 10-10 – 103 tesla.
Mengingat pentingnya teslameter untuk dimiliki (terlebih oleh Jurusan
Fisika FMIPA UNS), maka penulis mencoba membuat teslameter dengan metode
induksi elektromagnetik. Penulis melakukan penelitian kreatif yang berkaitan
dengan pembuatan teslameter sebagai alat ukur medan magnet yang baik dan
dengan harga terjangkau, namun memiliki sensitivitas serta keandalan
sebagaimana teslameter buatan pabrik. Sebagai alat ukur yang baik, teslameter
yang selebihnya disebut teslameter JJ ini, juga akan ditera/dikalibrasi ke dalam
satuan SI (tesla) dengan teslameter merk F.W. BELL model 5070.
I.2. Perumusan Masalah
Dari uraian di atas, masalah yang akan dijawab pada penelitian ini adalah
mencari kaitan antara tingkat sensitivitas teslameter JJ dengan jumlah lilitan (N),
luasan tampang lintang kumparan (d), serta penambahan bahan magnet berupa
ferit. Unjuk kerja teslameter JJ juga akan ditampilkan melalui kurva hysterisis,
sehingga karakteristik alat lebih terlihat.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
3
I.3. Batasan Masalah
Permasalahan pada penelitian ini dibatasi pada:
1. Teslameter JJ yang direncanakan hanya untuk 3 variasi jumlah lilitan
yaitu 750, 1500 dan 3000.
2. Variasi bahan untuk inti kumparan berupa penambahan ferit. Untuk
luasan tampang lintang kumparan diberikan 2 variasi sensor berdiameter
0,9 cm dan 1,4 cm.
3. Pengujian yang dilakukan terhadap teslameter JJ adalah menyangkut dua
karakter alat, yaitu:
a.
Linieritas alat terhadap perubahan medan magnet yang diukur.
b.
Pengkalibrasian alat dengan teslameter F.W. BELL model 5070,
dengan cara digunakan untuk mengukur obyek yang sama yaitu
elektromagnet.
I.4. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Membuat suatu alat ukur medan magnet berbasis induksi elektromagnetik.
2. Mengevaluasi sensitivitas teslameter JJ berdasarkan pada jumlah lilitan,
diameter tampang lintang sensor dan pengaruh ferit, sehingga diperoleh
teslameter yang baik dan terjangkau harganya, tetapi memiliki sensitivitas
serta keandalan sebagaimana teslameter buatan pabrik.
3. Menjelaskan respon teslameter JJ terhadap medan magnet yang
ditunjukkan melalui kurva hysterisis.
I.5. Manfaat Penelitian
Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat:
1. Bermanfaat untuk memperdalam konsep induksi elektromagnetik.
2. Menyediakan teslameter baru yang baik dan sensitif, tetapi murah.
3. Memberikan informasi baru mengenai cara pengukuran medan magnet
dengan metode induksi.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
4
I.6. Sistematika Penulisan
Laporan skripsi ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:
BAB I
Merupakan bab pendahuluan, berisikan tentang latar belakang
penelitian, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian,
manfaat penelitian, serta sistematika penulisan skripsi.
BAB II
Dasar Teori, memaparkan teori dasar dari penelitian yang dilakukan,
meliputi medan magnet B , teslameter, rangkaian penguat, dan
kalibrasi. Pada medan magnet diberikan metode dasar pengukuran
dan karakteristik bahan magnet. Kemudian dijelaskan mengenai
prinsip kerja dan jenis teslameter, dilanjutkan rangkaian penguat
integrator dan non inverting. Diberikan juga teori dasar dari kalibrasi
sebagai akhir dari bab ini.
BAB III
Metode Penelitian, membahas tentang tempat, waktu dan pelaksanaan
penelitian, alat dan bahan yang diperlukan, serta langkah-langkah
dalam penelitian. Dalam bab ini juga diberikan langkah pembuatan
dan penggunaan teslameter JJ untuk mengukur medan magnet secara
lengkap.
BAB IV
Hasil dan Pembahasan, berisi tentang hasil penelitian dan
analisa/pembahasan yang dibahas dengan acuan dasar teori yang
berkaitan dengan penelitian. Membahas mengenai kaitan sensitifitas
teslameter JJ terhadap variasi lilitan, diameter tampang lintang
sensor, serta pengaruh ferit sebagai inti kumparan. Dibahas pula
mengenai kurva hysterisis dari teslameter JJ sehingga respon linier
sebagai sensor dapat langsung diamati.
BAB V
Penutup, berisi kesimpulan dari pembahasan di bab sebelumnya serta
saran guna pengembangan lebih lanjut untuk memperoleh alat ukur
medan magnet dengan metode induksi yang lebih baik dalam segala
aspek.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
5
BAB II
DASAR TEORI
II.1. Medan Magnet, B
Medan magnet dapat didefinisikan sebagai ruangan disekitar magnet atau
penghantar yang dialiri arus listrik. Medan magnet merupakan besaran vektor
sehingga untuk menyatakannya dapat digunakan garis medan. Sebagai contoh
besarnya medan induksi magnet B dapat dinyatakan sebagai jumlah garis medan
per satuan luas. Bila d A adalah vektor pada elemen luas S dan B adalah vektor
induksi yang menembus elemen luas tersebut, maka jumlah garis gaya atau fluks
 yang keluar dari permukaan S adalah
   B.d A
(2.1)
S
Integral permukaan B.d A menyatakan produk skalar antara vektor B dan
d A . Persamaan (2.1) dapat ditulis ulang dengan analisis vektor menggunakan
teorema Stokes menjadi bentuk
   B.dA cos   Bn .dA
S
(2.2)
S
dengan  adalah sudut antara vektor B dan d A , sedangkan Bn  B cos adalah
komponen B pada arah normal permukaan. Hubungan di atas merupakan
pernyataan matematis medan induksi magnet B yang digambarkan sebagai
jumlah garis gaya tiap satuan luas, sehingga induksi magnet B disebut pula
sebagai rapat fluks.
Untuk mengetahui gambaran medan magnet, keberadaannya dapat
divisualisasikan dengan bantuan sebuah kompas kecil. Jika kompas memiliki
kutub utara–selatan kemudian didekatkan pada sebuah magnet, jarum kompas
akan menunjuk ke arah kutub magnet yang berlawanan. Jadi apabila kompas
berada di dekat kutub selatan magnet, maka jarum kompas utara akan
menunjuknya. Dengan kata lain apabila kedua kutubnya sama, maka jarum
commit to user
5
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
6
kompas akan bergerak menjauhi, dan mendekat jika kedua kutub berbeda. Hal ini
dapat dijelaskan pada Gambar 2.1.
U
Medan magnet lemah
S
Medan magnet kuat
U
S
Gambar 2.1 Visualisasi medan magnet dengan kompas kecil
(Cooper, 2009)
Hasil visualisasi medan magnet seperti Gambar 2.1 di atas adalah rantai
titik-titik yang bisa disatukan dengan mulus untuk menghasilkan garis lengkung
yang menunjukkan garis-garis medan. Di setiap titik, arah garis medan
memperlihatkan arah gaya. Garis medan atau garis gaya merupakan garis khayal
yang keluar dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet. Semakin jauh
garis medan tersebar, semakin lemah medannya. Secara jelas, garis medan dapat
dilukiskan pada Gambar 2.2.
S
U
Gambar 2.2 Garis-garis medan magnet
II.1.1. Karakteristik Bahan Magnetik
Teori atom Bohr menyatakan bahwa atom terdiri atas inti atom yang
dikelilingi oleh elektron yang bergerak pada orbitnya masing-masing. Jadi pada
elektron tersebut mengalami dua gerak, yaitu gerak pada porosnya sendiri (gerak
user Gerakan elektron inilah yang
spin) dan gerak mengelilingi inticommit
atom to
(orbital).
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
7
menimbulkan momen magnetik di dalam atom. Elektron merupakan partikel
bermuatan listrik, sehingga saat elektron bergerak dapat pula dipandang sebagai
muatan listrik yang bergerak atau arus listrik. Menurut Hukum Biot-Savart, arus
listrik tersebut akan menimbulkan medan magnet di sekitarnya. Dengan demikian
sebuah atom dapat dipandang sebagai sebuat magnet batang yang memiliki
momen magnetik (Griffith, 1991).
Berdasarkan respon material terhadap medan magnet, terdapat tiga
karakteristik bahan magnetik yang berbeda, yaitu:
II.1.1.1. Diamagnetik
Diamagnetik merupakan bentuk terlemah dari proses magnetisasi yang
bersifat non permanen dan berlangsung ketika diberikan medan luar. Bentuk
magnetisasi ini diinduksikan oleh perubahan gerak orbital elektron yang
diakibatkan adanya medan magnet luar. Dengan kata lain, bahan diamagnetik
tersusun dari atom yang tidak mempunyai momen magnetik permanen. Hal ini
disebabkan momen magnetik dari gerak orbit dan spin elektron yang sama besar,
tetapi berlawanan arah sehingga saling meniadakan. Oleh karena itu, momen
magnetik atom diamagnetik bernilai nol. Suseptibilitas bahan diamagnetik  m
bernilai negatif yaitu pada orde –10-5. Tanda negatif menyatakan bahwa vektor
magnetisasi M berlawanan arah dengan kuat medan magnet H sehingga
permeabilitas magnetik bahan  m lebih kecil dibandingkan permeabilitas ruang
hampa  0 .
II.1.1.2. Paramagnetik
Suatu bahan disebut paramagnetik apabila atom-atomnya memiliki momen
magnetik dari gerak orbit dan spin elektron yang tidak sepenuhnya saling
meniadakan. Sehingga atom semacam ini memiliki suatu nilai momen magnetik
yang kecil, tetapi bukan nol. Apabila pada bahan ini tidak ada medan magnet luar,
akan menyebabkan orientasi momen magnetik atom berarah random. Setelah
diberikan medan magnet luar, momen magnetik atom cenderung berbelok menjadi
searah dengan medan luar tersebut. Kesearahan ini akan meningkatkan nilai
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
8
permeabilitas magnetik  m sehingga lebih besar dari sebelumnya  0 . Jadi bahan
paramagnetik tidak akan memperlihatkan sifat kemagnetan tanpa adanya medan
magnet luar. Vektor magnetisasi M searah dengan kuat medan magnet H .
Suseptibilitas magnetnya kecil, tetapi bernilai positif (0 <  m << 1) yaitu pada
interval 10-5 hingga 10-3 (Serway, 1995).
Bahan golongan diamagnetik dan paramagnetik dapat dianggap bukan
magnet karena hanya menunjukkan sifat magnet ketika diberikan medan magnet
luar. Karakteristik suseptibilitas magnetik dari keduanya dapat diamati pada
Gambar 2.3 berikut.
Gambar 2.3 Karakteristik suseptibilitas magnetik
dari bahan diamagnetik dan paramagnetik (Kittel, 1996)
II.1.1.3. Feromagnetik
Golongan feromagnetik adalah bahan yang atom-atomnya mempunyai
momen magnetik permanen. Tiap-tiap atom memiliki momen magnetik yang
relatif besar, karena momen magnetik dari gerak spin yang kurang akan diimbangi
oleh momen magnetik yang lain. Gaya antar atom menyebabkan momen-momen
ini tertata dalam suatu konfigurasi yang sejajar di dalam daerah yang memuat
banyak atom. Daerah-daerah semacam ini disebut sebagai domain. Bahan-bahan
commit to user
feromagnetik yang masih murni (belum diberikan medan magnet luar), akan
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
9
memiliki domain- domain yang masing-masing menunjukkan momen magnetik
yang kuat. Namun, dari satu domain ke domain yang lainnya, momen-momen ini
memiliki arah yang berbeda-beda. Efek total yang dihasilkan tentu saja momenmomen tersebut saling meniadakan, dan bahan tersebut secara keseluruhan tidak
memperlihatkan sifat kemagnetan. Akan tetapi, saat sebuah medan magnet luar
diberikan, domain- domain yang memiliki momen magnetik searah medan luar
akan membesar ukurannya dan menyebar ke daerah-daerah di sekitarnya. Hal ini
berakibat medan di dalam bahan menjadi jauh lebih besar daripada medan yang
dari luar, M >> H , sehingga menyebabkan nilai permeabilitas magnetik  m
ribuan kali lebih besar dari sebelumnya  0 . Dengan demikian nilai suseptibilitas
magnet  m untuk bahan feromagnetik sangat besar mencapai orde 106.
Ketika medan luar dihilangkan, domain-domain tersebut tidak dapat
sepenuhnya kembali ke orientasi awalnya yang relatif acak, justru akan terdapat
medan magnet residu yang tertinggal dalam skala makroskopik dalam bahan.
Fakta bahwa setelah penerapan medan magnet luar, momen magnetik dalam
bahan menjadi berbeda dari sebelumnya, merujuk pada karakteristik histerisis
bahan golongan feromagnetik. Contoh yang termasuk golongan feromagnetik
antara lain besi, baja, kobalt, dan nikel. Golongan ini terbagi menjadi kelas
antiferomagnetik dan ferimagnetik seperti dijelaskan berikut:
a.
Antiferomagnetik
Di dalam bahan antiferomagnetik, gaya-gaya yang bekerja di antara
atom-atom yang bersebelahan menyebabkan momen-momen atomik tersusun
dalam konfigurasi yang antiparalel sehingga momen magnetik pada tiap
atom adalah nol. Golongan ini hanya terpengaruh sedikit saja oleh adanya
medan magnet luar. Sifat antiferomagnetik hanya dapat muncul pada suhusuhu yang relatif rendah, yang seringkali berada jauh di bawah suhu kamar.
Oleh karena itu, belum diketahui manfaat penting bahan antiferomagnetik
dalam bidang rekayasa teknologi (engineering). Berbagai senyawa oksida,
sulfida dan klorida digolongakan dalam golongan ini.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
10
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.4 Susunan spin elektron (a) Feromagnetik
(b) Antiferomagnetik (c) Ferimagnetik
(Kittel, 1996)
b.
Ferimagnetik
Bahan ferimagnetik memperlihatkan pula konfigurasi momen-momen
atomik yang antiparalel, tetapi besar tiap-tiap momen ini tidak sama. Oleh
karenanya, momen magnetik dalam bahan ini juga cukup besar meski tidak
sebesar pada bahan-bahan feromagnetik. Kelompok terpenting dari golongan
ferimagnetik adalah ferit, yaitu bahan dengan konduktivitas rendah yang
nilainya hanya seperseribu atau bahkan seperseratus ribu dari konduktivitas
semikonduktor (Buck dan Hayt, 2006). Sehingga bahan ferimagnetik
memiliki tahanan listrik yang lebih besar dibanding bahan feromagnetik. Sifat
magnetiknya yang kuat juga membuat ferit sangat baik jika digunakan untuk
inti kumparan.
II.1.2. Intensitas Medan Magnet
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1, setiap magnet tentu
mempunyai medan magnet di sekitarnya. Semakin jauh garis medan tersebar,
maka semakin lemah medannya. Oleh karena itu terdapat beberapa faktor yang
mempengaruhi intensitas medan magnet tersebut, antara lain:
a.
Posisi pengukuran medan magnet
Apabila sebuah magnet didekatkan dengan sekumpulan paku, maka
akan terlihat paku lebih banyak menempel di ujung dekat kutub, daripada di
tengah. Hal ini membuktikan bahwa medan magnet yang kuat terletak di
ujung magnet yakni dekat kutub, daripada di tengah magnet. Sehingga
pengukuran medan magnet di dekat kutub akan bernilai lebih besar daripada
di tengah magnet. Apabila diterapkan untuk dua magnet, terdapat tiga posisi
pengukuran medan magnet yang
dapat
dilihat pada Gambar 2.5. Posisi A, B,
commit
to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
11
dan C merupakan posisi teslameter ketika digunakan untuk mengukur medan
magnet.
A
C
B
S
U
S
U
Gambar 2.5 Tiga posisi pengukuran medan magnet pada dua magnet
b.
Jarak pengukuran medan magnet
Selain posisi saat pengukuran, faktor jarak juga mempengaruhi
intensitas medan magnet yang diukur. Hal ini dapat ditunjukkkan pada
Gambar 2.6. Menurut Hukum Biot-Savart, pada kawat lurus yang dialiri arus
listrik akan timbul medan magnet di sekitarnya. Apabila besar medan magnet
diukur pada jarak r dari kawat lurus, maka nilai medan magnet dapat dihitung
melalui Persamaan (2.3) sebagai persamaan bentuk integral Hukum Ampere.
 B.dl  
I
0 enc
(2.3)
B  dl   0 I enc
B(2r )   0 I
B
0 I
2r
(2.4)
Berdasarkan Persamaan (2.4), dapat dilihat bahwa nilai medan magnet
B selain dipengaruhi oleh arus, juga ditentukan oleh jarak pengukurannya r.
Ketika jarak pengukurannya jauh dari sumber (dalam contoh berupa kawat
lurus), maka nilai medan magnet akan semakin kecil begitupun sebaliknya.
Sehingga dapat disimpulkan pula, intensitas medan magnet berbanding
terbalik dengan jarak.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
12
r
I
B
Gambar 2.6 Sebuah kawat lurus yang dialiri arus listrik
(Griffith, 1991)
c.
Kekuatan magnetik bahan itu sendiri
Intensitas medan magnet di titik tertentu tidak hanya tergantung pada
seberapa jauh titik itu dari magnet, namun juga pada kekuatan magnet itu
sendiri (Cooper, 2009). Berdasarkan karakteristik bahan magnet, golongan
ferimagnetik merupakan kelas yang memiliki sifat magnetik paling kuat
dengan ferit sebagai kelompok terpentingnya. Umumnya berbentuk silinder
dan dapat tertarik oleh magnet kuat di sekitarnya.
Ketika ferit menjadi magnet, sama halnya dengan magnet batang,
pada ferit akan terdapat garis medan. Apabila ferit digunakan sebagai sensor
dengan metode induksi, maka kesensitifan sensor akan bertambah karena
adanya medan magnet yang lebih kuat dan bernilai lebih besar. Medan
magnet ini berasal dari ferit yang telah menjadi magnet, dan berasal dari
obyek yang akan diukur besar medan magnetnya. Jadi apabila bahan yang
digunakan untuk membuat alat ukur atau sensor sebelumnya telah memiliki
sifat magnetik yang sangat kuat, maka akan berpengaruh pada intensitas
medan magnet yang juga akan semakin besar.
II.2 Metode Pengukuran Medan Magnet
Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk mengukur medan
magnet. Metode tersebut dibagi menjadi lima, yang masing-masing memiliki
kelebihan dan kekurangan untuk dijadikan sebagai prinsip mengukur medan
magnet. Berikut gambar yang menunjukkan rentang pengukuran dari berbagai
metode pengukuran medan magnet.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
13
Gambar 2.7 Jangkauan pengukuran dari berbagai
metode deteksi medan magnet (Craik, 1995)
Dari kelima metode di atas, metode SQUIDs mempunyai rentang medan
magnet yang paling sempit antara 10-14 – 10-9 tesla, sehingga metode ini hanya
digunakan untuk mendeteksi medan magnet yang bernilai sangat kecil. Metode ini
teliti saat mengukur medan magnet yang sangat kecil, tetapi tidak bisa saat
digunakan untuk mendeteksi medan magnet di atas 10-9 tesla (Ripka, 2003).
Selain
SQUIDs,
terdapat
metode
magnetoresistive
dan
fluxgate
magnetometers resonance yang mampu mendeteksi medan magnet maksimal 10-3
tesla. Untuk magnetoresistive menggunakan prinsip resistivitas bahan pengisi
sensor, sedangkan fluxgate magnetometers resonance mengunakan permalloy
yang memberikan sinyal nol pada kumparan pencuplik, B = 0. Kumparan
pencuplik merupakan kumparan yang digunakan untuk menangkap sinyal medan
magnet dari kumparan pengimbas yang menjadi kumparan primer dalam metode
fluxgate magnetometers resonance. Cakupan minimal medan magnet untuk kedua
metode ini berbeda. Magnetoresistive dimulai dari 10-10 tesla, sedangkan fluxgate
magnetometers resonance justru mampu lebih kecil lagi yaitu 10-11 tesla. Jadi
kedua metode ini mampu mendeteksi nilai medan magnet yang tidak bisa
terdeteksi oleh metode SQUIDs.
Metode selanjutnya yaitu Hall effect sensors menggunakan efek Hall
sebagai prinsip kerjanya. Metode ini banyak digunakan pada teslameter buatan
pabrik karena dapat menjelaskan apa yang terjadi pada elektron suatu bahan,
commit to user
apabila dilewatkan pada pelat konduktor yang dialiri medan magnet, persis yang
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
14
terjadi saat teslameter digunakan untuk mengukur medan magnet. Sensor efek
Hall mampu mendeteksi medan magnet minimal 10-7 tesla.
Untuk metode kelima yakni induction methods bekerja berdasarkan prinsip
Hukum Faraday. Metode induksi menggunakan sebuah kumparan yang bila
digerakkan dalam suatu medan magnet akan menimbulkan tegangan induksi.
Karenanya metode ini merupakan metode yang paling sederhana daripada metode
yang lain, sehingga dapat dibuat sendiri. Metode induksi bekerja dengan rentang
paling luas, berada antara 10-10 – 103 tesla.
Dalam penerapannya, terdapat dua metode yang sering digunakan yaitu
metode induksi dan sensor efek hall karena mempunyai kelebihan mampu
menjangkau nilai medan magnet di atas 1 tesla.
II.2.1. Metode Induksi
Metode induksi bekerja melalui pengukuran fluks magnetik yang
merangkum mengenai Gaya Gerak Listrik induksi (GGL induksi), dimana kuat
medan dapat diukur sepanjang lintasan elektrik dengan disertai adanya perubahan
fluks di dalamnya (Jiles, 1998). Jika suatu kawat penghantar digerakkan
memotong arah suatu medan magnet maka akan timbul suatu GGL induksi.
Gambar 2.8 memperlihatkan diagram skematik mekanisme terjadinya GGL
induksi.
υ
S
U
V
Gambar 2.8 Diagram skematik mekanisme terjadinya GGL induksi
Gambar 2.8 menjelaskan bahwa ketika magnet batang digerakkan keluar
masuk kumparan dengan kecepatan υ, maka jarum voltmeter yang terhubung oleh
kumparan tersebut akan bergerak menyimpang dari nol. Nilai tegangan dari
commit to user
voltmeter inilah yang disebut dengan tegangan induksi (GGL induksi).
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
15
Hukum Faraday menyebutkan bahwa apabila suatu kumparan dengan
jumlah lilitan N ditempatkan di dalam medan magnet sehingga memotong garis
gaya magnet atau fluks yang berubah menurut waktu d dt maka pada kumparan
tersebut akan timbul GGL induksi V. Sehingga GGL induksi tidak hanya timbul
karena penghantar yang digerakkan dalam medan magnet saja, melainkan dapat
timbul asalkan ada perubahan fluks magnetik. Apabila dituliskan dalam
persamaan diperoleh bentuk:
V  N
d
dt
(2.5)
Apabila A merupakan luasan tampang lintang kumparan dan N adalah banyak
lilitan suatu kumparan, maka B   A sehingga:
(2.6)
dB
V   NA
dt
Persamaan (2.6) menunjukkan bahwa adanya medan magnet yang berubah
terhadap waktu dB dt akan menghasilkan GGL induksi atau dapat dikatakan
GGL induksi muncul karena adanya medan magnet yang berubah-ubah (Buck dan
Hayt, 2006). Selain adanya medan magnet yang berubah terhadap waktu, GGL
induksi juga dipengaruhi oleh jumlah lilitan kumparan dan luasan tampang lintang
kumparan. Jadi semakin banyak lilitan dan semakin luas tampang lintang
kumparan, maka nilai GGL induksi yang dihasilkan juga akan semakin besar.
II.2.2. Sensor Efek Hall
Efek Hall merupakan suatu fenomena dimana bila sebuah bahan dialiri
arus listrik serta diletakkan di medan magnet, maka terjadi pengumpulan atau
penumpukan muatan pada kedua sisi penghantar yang menyebabkan munculnya
medan listrik antara kedua sisi (selebihnya disebut sebagai medan Hall, EH). Efek
Hall merupakan fenomena fisis yang penting karena merepresentasikan interaksi
muatan dengan medan magnet pada sebuah pelat konduktor. Fenomena ini dapat
commit to user
dijelaskan dengan meninjau suatu balok logam yang dialiri arus listrik dan
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
16
ditempatkan pada medan magnet yang arahnya tegak lurus arah arus listrik seperti
terlihat pada Gambar 2.9.
Ex
y
z
+
+
v
x
jx
B
(b)
+
+
(a)
jx
Ex
+ + + + + + + + + + +
EH + + +
- - - - - - - - - - - -
jx
(c)
Gambar 2.9 (a) Logam yang dialiri arus ditempatkan di medan magnet B (b)
Terdapat juga medan listrik Ex pada logam (c) Muncul medan listrik EH
sehingga elektron terkumpul di kedua sisi logam (Kittel, 1996)
Sebelum diberikan medan magnet, terdapat arus pada arah sumbu x positif
sehingga elektron akan bergerak dengan kecepatan v pada arah sumbu x negatif.
Ketika diberikan medan magnet dan adanya medan listrik Ex, gaya F =
 eE  vxB  menyebabkan elektron turun ke bawah, seperti Gambar 2.9b. Pada
akhirnya, elektron terakumulasi ke permukaan lebih rendah dan menghasilkan
muatan negatif di bagian tersebut. Kemudian muatan positif ke permukaan atas
karena pada daerah tersebut kekurangan elektron. Kombinasi muatan positif dan
negatif ini menimbulkan adanya medan listrik ke arah bawah, yang disebut
sebagai medan Hall, EH (Omar, 1975).
Gaya Lorentz L membuat muatan terakumulasi pada arah sumbu y negatif
dan bernilai FL =  ev x B dengan tandanya negatif seperti terlihat di Gambar 2.9b.
(vx bergerak ke kiri). Medan Hall yang ada karena pengumpulan muatan
menghasilkan gaya yang melawan Gaya Lorentz. Proses penumpukan terus
berlanjut sampai gaya Hall sepenuhnya mampu membatalkan gaya Lorentz.
Keadaaan stabil diperoleh ketika FH = FL.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
17
 eE H  ev x B
atau
EH  
EH  v x B
1
jx B
Ne
(2.7)
(2.8)
Persamaan (2.8) merupakan persamaan medan Hall dengan vx ditulis dalam
bentuk rapat arus jx = N (-e)vx. Medan Hall sebanding dengan adanya arus dan
medan magnet. Berdasarkan Omar (1975), kesebandingan konstanta yaitu
E H j x B disebut sebagai konstanta Hall dan biasanya disimbolkan RH sehingga
Persamaan (2.8) menjadi:
RH  
1
Ne
(2.9)
N merupakan konsentrasi elektron, yang nilainya berlawanan dengan RH. Dengan
demikian, N dapat diketahui melalui perhitungan medan Hall. Apabila RH masingmasing bahan diketahui, maka dapat diketahui juga logam mana yang mempunyai
kemampuan konduktor yang baik.
II.3. Teslameter
II.3.1. Prinsip Kerja Teslameter
Hampir semua merk dan jenis teslameter menggunakan efek Hall sebagai
prinsip kerjanya. Efek Hall merepresentasikan interaksi muatan dengan medan
magnet pada sebuah pelat konduktor. Sensor efek Hall biasanya digunakan dalam
pengukuran medan magnet statis atau DC. Prinsip kerjanya seperti yang telah
terurai sebelumnya dalam sub bab sensor efek Hall.
II.3.2. Jenis Teslameter
Berbagai jenis teslameter dengan karakteristik berbeda-beda banyak
terdapat di pasaran. Apabila ditinjau dari metode yang digunakan, hampir semua
teslameter menggunakan metode efek Hall dengan tipe teslameter digital. Namun
dilihat dari bentuknya, terdapat beberapa jenis teslameter yang sering ditemukan
commit to user
antara lain:
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
18
a. Teslameter bentuk handy
Gambar 2.10 Teslameter digital Chen Yang tipe CYHT 20
(http://www.chenyang-gmbh.com)
Teslameter jenis ini mempunyai keistimewaan berbentuk simpel, mudah
dipindahkan, dan mempunyai cara penyimpanan yang ringkas serta nyaman di
tangan. Gambar di samping merupakan salah satu teslameter jenis handy merk
Chen Yang tipe CYHT 20.
b. Teslameter portable
Gambar 2.11 Teslameter digital F.W. BELL model 5070
Gambar di atas merupakan salah satu teslameter jenis portable merk F.W.
BELL model 5070, yang mana teslameter jenis ini mempunyai cirri hampir
sama dengan teslameter handy. Hanya saja bentuk teslameter ini sedikit lebih
besar, tidak pas dalam genggaman tangan.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
19
c. Teslameter non-portable
Gambar 2.12 Teslameter Digital YUXIANG Tipe SG-3-A/B
(http://www.magnets.com)
Jenis ini disebut teslameter non-portable karena bentuknya yang besar,
banyak memakan tempat dan tidak praktis untuk dibawa. Meski demikian,
ketelitian teslameter jenis ini juga tidak kalah dengan dua jenis sebelumnya.
Gambar di atas adalah teslameter digital merk YUXIANG Tipe SG-3-A/B.
II.4. Penguat Operasional (Op Amp)
II.4.1. Integrator
Karakteristik dasar dari integrator yaitu mengintegrasikan fungsi
gelombang dari sinyal yang diberikan padanya. Artinya, apabila sinyal masukan
berupa fungsi gelombang sinus, maka sinyal keluarannya akan berbentuk fungsi
gelombang cosinus. Jika bentuk sinyal masukan berupa fungsi gelombang kotak,
maka
sinyal
keluarannya
akan
berbentuk
fungsi
gelombang
segitiga
(Gayakwad, 2000).
Elemen umpan balik pada rangkaian di atas yaitu sebuah kapasitor
nonpolar yang membentuk rangkaian RC dengan resistor input. Sinyal masukan
diintegralkan dan sekaligus menyatakan ”luasan di bawah kurva” penguatan
tegangannya, yang berdasarkan nilai resistor dan kapasitornya (Putra, 2002).
t
1
Vi dt
Penguat Tegangan = 
R1 .C 0
(2.10)
Apabila GGL induksi sebagai fungsi waktu dan hasil keluaran dari
commit to user
kumparan diintegrasikan pada selang waktu ∆t = 0 – t, maka menurut Gordon dan
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
20
Marin (1970), tegangan keluaran dari integrator dapat dihitung secara teoritis
dengan Persamaan (2.11) berikut.
t
V0 (t )  
1
NAB
Vi (t )dt  

RC 0
RC
(2.11)
dengan N adalah jumlah lilitan kumparan, A adalah luas tampang lintang
kumparan dan B adalah intensitas medan magnet. Rangkaian integrator dapat
ditunjukkan pada Gambar 2.13 berikut ini.
C
Vi
R1
Vo
+
Gambar 2.13 Rangkaian Integrator (Putra, 2002)
Kembali ke Persamaan (2.6), dapat dilihat bahwa besarnya GGL induksi
V sebanding dengan bentuk dB dt . Sehingga agar nilai V
bisa langsung
menunjukkan besarnya B maka GGL induksi harus diintergralkan. Oleh karena
itu GGL induksi yang diperoleh dari pengukuran perlu dilewatkan rangkaian
integrator sehingga hasil pengukuran sebanding dengan medan magnet yang akan
diukur.
II.4.2. Penguat Non Inverting
Karakteristik dasar dari penguat non inverting adalah menguatkan sinyal
masukan tanpa melakukan perubahan fase. Sinyal masukan diberikan pada bagian
non inverting (+), sedang keluaran yang dihasilkan diumpan balikkan pada
masukan inverting (-) dengan menggunakan sebuah resistor R2. R1 dan R2 akan
membentuk jaringan pembagi tegangan yang mengurangi tegangan keluaran Vo
dan menghubungkan tegangan yang terkurangi menuju ke masukan inverting (-).
commit to user
Gambar rangkaian penguat non inverting dapat diamati pada Gambar 2.14.
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
21
Vi
Vo
+
-
R2
R1
Gambar 2.14 Rangkaian penguat non inverting (Putra, 2002)
Persamaan yang dapat diberikan berdasarkan gambar di atas adalah
 R 
Vo  1  2 Vi
R1 

(2.12)
dengan nilai penguat tegangan atau voltage gain-nya dituliskan sebagai berikut.
Penguat Tegangan =
Vo
R
 1 2
Vi
R1
(2.13)
Berdasarkan karakteristiknya, maka rangkaian ini diperlukan untuk
menguatkan suatu variabel yang bernilai sangat kecil tanpa perubahan fase. Jadi
ketika diperoleh hasil pengukuran GGL induksi yang sangat kecil, nilainya dapat
diperkuat menggunakan penguat non inverting sehingga diperoleh nilai GGL
induksi akhir yang lebih besar dan tanpa adanya perubahan fase.
II.5. Kalibrasi
Kalibrasi adalah serangkaian kegiatan yang bertujuan untuk menentukan
kebenaran konvensional nilai penunjukkan alat ukur dan bahan ukur dengan cara
membandingkan terhadap standar ukur yang mampu telusur (traceable) untuk
satuan ukuran ke standar nasional dan atau internasional (PPI-KIM, 2005).
Beberapa persyaratan teknis dalam melakukan kalibrasi, khususnya untuk
kalibrasi teslameter adalah:
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
22
1. Personil
Personil yang melakukan kalibrasi harus memiliki kualifikasi memadai
tentang prinsip dasar kalibrasi dan pengukuran, latar belakang pendidikan
relevan, mampu mengoperasikan alat, serta dapat mengambil keputusan.
2. Metode kalibrasi dan validasi metode
Setiap kalibrasi yang dilakukan harus menggunakan metode yang
sesuai. Metode tersebut sebaiknya telah dipublikasikan secara nasional
maupun
internasional.
Apabila
tidak
tersedia
metode
yang
telah
dipublikasikan, laboratorium dapat menyusun sendiri metode kalibrasi, asal
metode tersebut telah divalidasi dulu sebelum digunakan.
Untuk metode kalibrasi pada teslameter JJ menggunakan metode
eksperimental dengan bantuan teslameter yang telah terkalibrasi sebelumnya.
Digunakan teslameter F.W. BELL model 5070 sebagai kalibrator dengan cara
membuat kesebandingan data antara teslameter JJ dan teslameter F.W. BELL
model 5070, hasil pengukuran obyek yang sama yaitu elektromagnet.
3. Peralatan
Peralatan standar yang digunakan untuk mengkalibrasi harus dijaga
ketertelusurannya ke sistem SI melalui program kalibrasi yang terencana.
Sehingga untuk menjadikan alat ukur tersebut sebagai kalibrator, hendaknya
alat ukur tersebut telah dikalibrasi sebelumnya. Sebagai gambaran untuk
kalibrator pada teslameter JJ menggunakan teslameter F.W. BELL model
5070 yang sebelumnya telah terkalibrasi.
4. Ketertelusuran pengukuran
Parameter-parameter ukur yang dihasilkan selama proses produksi
secara konsisten dijaga dengan mengacu ke satuan ukur yang telah disepakati.
Sebagai contoh medan magnet menggunakan satuan ukur tesla (T).
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
23
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
III.1. Metode Penelitian
III.1.1. Metode Pembuatan Teslameter JJ
Metode dalam pembuatan teslameter JJ berupa metode eksperimental,
dengan urutan pembuatan kumparan sebagai sensor (Njj), rangkaian integrator,
dan non inverting. Pembuatan kumparan (Njj) dengan tiga variasi jumlah lilitan
yaitu 750, 1500, dan 3000 lilitan. Selain jumlah lilitan, variasi lain yang dilakukan
untuk mengetahui tingkat kesensitifan sensor yaitu luasan tampang lintang
kumparan berupa 0,9 cm dan 1,4 cm, serta penambahan ferit sebagai inti
kumparan.
Jumlah lilitan kumparan dipilih mulai dari 750 karena di UPT
Laboratorium Pusat MIPA UNS telah tersedia prototype kumparan dengan 500
lilitan, tetapi belum mampu menunjukkan nilai GGL induksi yang signifikan.
Ketika digunakan untuk menunjukkan mekanisme terjadinya GGL induksi seperti
ditunjukkan Gambar 2.8, simpangan jarum pada multimeter sangat kecil sehingga
belum bisa menunjukkan adanya GGL induksi. Oleh karena itu digunakan jumlah
lilitan minimal 750 dengan harapan GGL induksi yang diperoleh bisa lebih besar
sehingga dapat terbaca. Sedangkan pada penggunaan bahan inti kumparan,
sengaja digunakan bahan bukan magnet yaitu pipa plastik dan bahan magnet yaitu
ferit dari kelas ferimagnetik. Agar pengaruh luasan tampang lintang kumparan
dapat dilihat langsung sesuai persamaan (2.6), maka pada bahan bukan magnet
dilakukan variasi luasan yaitu pipa plastik berdiameter kecil ukuran 0,9 cm dan
pipa berdiameter besar ukuran 1,4 cm.
Untuk mempermudah penulisan, jenis-jenis teslameter JJ dinamakan
sebagai berikut:

Jumlah lilitan 750
dinamakan JJ_750

Jumlah lilitan 1500
dinamakan JJ_1500

Jumlah lilitan 3000
dinamakan JJ_3000
commit to user
23
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
24

Sensor dengan diameter luas tampang lintang 0,9 cm
dinamakan K

Sensor dengan diameter luas tampang lintang 1,4 cm
dinamakan B

Sensor dengan inti kumparan ferit
dinamakan F
Sehingga apabila ingin menyebut jenis teslameter JJ dengan diameter luas
tampang lintang 1,4 cm dan berjumlah 750 lilitan, disebut JJ_750B.
Casing sensor dibuat dengan bahan akrilik. Penggunaan bahan akrilik
sebagai casing sensor diharapkan agar teslameter JJ mempunyai kelebihan sebagai
alat ukur yang efisien, ringan, dan tahan patah. Di bawah ini diperlihatkan gambar
beberapa kumparan dalam teslameter JJ yang bekerja sebagai sensor. Berturutturut dari gambar di atas A adalah JJ_750F, B adalah JJ_1500K, dan C adalah
JJ_3000B.
A
B
C
Gambar 3.1 Kumparan sebagai sensor magnet dalam teslameter JJ
Bagian berikutnya dari teslameter JJ adalah rangkaian penguat. Dalam
pembuatan rangkaian ini, baik integrator maupun non inverting, dipikirkan
mengenai bahan dan komponen yang berkualitas sehingga diperoleh rangkaian
dengan sistem kerja yang baik, mulai dari IC, resistor, hingga kapasitor. Setelah
diperoleh rangkaian penguat, langkah selanjutnya adalah merangkainya dengan
kumparan. Baru kemudian uji kelayakan pada teslameter JJ dengan melakukan
pengujian alat yang menyangkut linieritas alat terhadap perubahan medan magnet
yang diukur, serta kalibrasi alat menggunakan teslameter F.W. BELL model 5070
yang selanjutnya dalam penulisan skripsi ini disebut teslameter F.W.B.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
25
III.1.2. Metode Pengambilan Data
Metode pengambilan data dalam penelitian ini menggunakan metode
eksperimental yang berdasarkan pada metode induksi. Setelah sensor terangkai
dengan rangkaian dan multimeter sehingga menjadi satu kesatuan yang disebut
teslameter JJ (Gambar 3.3), kemudian alat ini digunakan untuk mengukur medan
magnet dari elektromagnet. Pengukuran dilakukan dengan tiga posisi teslameter
seperti Gambar 2.5 sehingga pengaruh posisi pengukuran dengan intensitas medan
magnet dapat dilihat.
Prinsip kerja metode induksi adalah adanya perubahan fluks magnetik,
sehingga penggunaan teslameter JJ dengan cara menggerakkan sensor ke atas ke
bawah antara ruang kutub magnet. Data yang diambil adalah nilai tegangan
induksi dari teslameter JJ dan nilai medan magnet dari teslameter F.W.B, dengan
menggunakan arus 0–4 ampere. Obyek yang digunakan sebagai pengambilan data
merupakan serangkaian alat elektromagnet yang berada di UPT Laboratorium
Pusat MIPA UNS (Gambar 3.2).
III.2. Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilakukan di UPT Laboratorium Pusat MIPA UNS serta
Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi Jurusan Fisika FMIPA UNS selama
5 bulan, mulai dari bulan April 2010 sampai dengan Agustus 2010.
III.3. Alat dan Bahan
III.3.1. Pembuatan Kumparan
a. Kawat email diameter 0,23 mm
+ 5000 m
b. Pipa berdiameter 0,9 cm dan 1,4 cm
masing masing 15 cm
c. Ferit
15 cm
d. Socket jack banana
9 pasang
e. Akrilik dengan tebal 5mm
60 x 60 cm
f. Bor untuk melubangi akrilik
1 buah
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
26
III.3.2. Pembuatan Rangkaian Integrator dan Non Inverting
a. Kapasitor jenis tantalum 330 nF
1 buah
b. Resistor 1KΩ
2 buah
c. Integrated Circuit tipe OP 07
2 buah
d. Potensiometer 1KΩ
1 buah
e. Binding buse kecil
2 set
f. Solder
1 buah
g. Pelat PCB Mascot Circuits PS-750
1 buah
h. Tenol
secukupnya
i. Kabel tembaga kecil
secukupnya
III.3.3. Pengambilan Data
a. Elektromagnet yang berada di UPT Laboratorium Pusat MIPA UNS
Berupa serangkaian alat elektromagnet dengan keterangan dan gambar sebagai
berikut:
A
A
C
D
B
Gambar 3.2 Serangkaian alat elektromagnet sebagai
obyek pengukuran medan magnet
Keterangan gambar:
A =
Power
Supply
sebagai
penyedia
arus
untuk
elektromagnet
(kumparannya).
B =
Kapasitor untuk menyimpan muatan arus supaya lebih stabil sehingga
commit to user
aman ketika masuk elektromagnet.
perpustakaan.uns.ac.id
C =
digilib.uns.ac.id
27
Elektromagnet berupa kumparan merk PHYWE 06480.01 dengan
panjang 5 cm, jumlah lilitan 842 lilitan, hambatan 2,66 Ω, dan arus
maksimal 4 ampere.
D =
Multimeter untuk membaca arus dari power supply yang masuk ke
elektromagnet.
b. Teslameter JJ dan teslameter F.W.B
C = 330 nF
Vi
R1 = 1 KΩ
+
Vo int
Vo akhir
+
OP 07
Njj
-
V
OP 07
R3 = 1 KΩ
R2 = 1 KΩ
Gambar 3.3 Diagram skematik rancangan teslameter JJ
Gambar 3.3 menunjukkan keempat bagian dari teslameter JJ berupa kumparan
yang juga sebagai sensor magnet (Njj), rangkaian integrator, rangkaian
penguat non inverting, dan display sistem berupa voltmeter. Sedangkan
teslameter F.W.B dapat dilihat pada Gambar 2.11.
c. Power Supply + 5V sebagai masukan untuk IC dalam rangkaian penguat.
Pada prinsipnya, power supply sebagai masukan daya pada IC dapat
menggunakan inventaris laboratorium. Akan tetapi dengan pertimbangan lebih
praktis, maka dalam penelitian ini power supply dibuat manual sehingga dapat
langsung terangkai dengan rangkaian penguat menjadi kesatuan sistem
instrumentasi pada teslameter JJ, seperti terlihat di lampiran B.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
28
III.4. Prosedur Penelitian
III.4.1. Diagram Alir Penelitian
Mulai
Membuat kumparan (Njj) dengan variasi N, d,
dan bahan untuk inti kumparan
Membuat rangkaian integrator dan
penguat non inverting
Merangkai kumparan dengan rangkaian integrator,
penguat non inverting, dan voltmeter
Menguji alat menggunakan jenis
teslameter JJ_3000B
Tidak
Teslameter JJ
dapat mengukur B
Ya
Menggunakan teslameter JJ untuk mengukur
medan magnet pada elektromagnet
Hasil Data
Kalibrasi alat dengan
teslameter F.W.B
Tidak sesuai
Sesuai
Mengolah dan menginterpretasi data
Selesai
commit to user
Gambar 3.4. Diagram alir penelitian
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
29
III.4.2. Langkah-langkah Penelitian
Keterangan dari diagram alir penelitian di atas adalah sebagai berikut:
1.
Membuat kumparan (Njj)
Pada tahap ini dilakukan pembuatan kumparan yang bekerja sebagai
sensor magnet dengan variasi jumlah lilitan (N), diameter tampang lintang
kumparan (d) dan bahan untuk inti kumparan. Kumparan terbuat dari bahan
akrilik dengan jumlah total sembilan berupa JJ_750K, JJ_1500K, JJ_3000K,
JJ_750B, JJ_1500B, JJ_3000B, JJ_750F, JJ_1500F, dan JJ_3000F.
2.
Membuat rangkaian integrator dan penguat non inverting
Kedua rangkaian ini dibuat sebagai sistem pengolah sinyal dalam
teslameter JJ. Berikut gambar yang menunjukkan rangkaian integrator
beserta penguat non inverting.
C = 330 nF
Vi
R1 = 1 KΩ
+
Vo int
Vo akhir
+
OP 07
-
OP 07
R3 = 1 KΩ
R2 = 1 KΩ
Gambar 3.5 Rangkaian integrator dengan penguat non inverting
Bagian pertama adalah integrator sebagai awal pengolah sinyal.
Integrator berguna untuk mengintegralkan nilai dB/dt menjadi B sehingga
pada multimeter nilai B dapat teramati secara langsung setelah proses
kalibrasi. Rancangan rangkaian integrator yang digunakan dalam penelitian
menggunakan IC tipe OP 07, R1 sebesar 1KΩ, dan C sebesar 330 nF jenis
tantalum.
Pemilihan bahan untuk rangkaian sengaja dipilih yang berkualitas
untuk menghasilkan rangkaian
yangtobaik.
commit
user Untuk IC dipilih IC tipe OP 07
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
30
karena impedansinya yang rendah sehingga diperoleh kualitas integrator
yang baik. Pada resistor digunakan daya ½ watt dengan mempertimbangkan
daya yang dialirkan ke rangkaian tidak terlalu besar. Sedangkan pada
komponen kapasitor dipilih jenis tantalum karena jenis ini mempunyai
kualitas baik dan tingkat kestabilan tinggi. Sebagai indikator apakah
integrator bekerja dengan baik, rangkaian diberi masukan gelombang kotak.
Apabila sinyal keluaran berupa hasil integralnya yakni gelombang segitiga,
maka integrator dapat mengintegralkan dB/dt menjadi B (Gayakwad, 2000).
Selain integrator, dalam penelitian ini juga digunakan penguat non
inverting. Penguat non inverting digunakan untuk mengatur besarnya
penguatan sinyal sebelum masuk ke voltmeter. Rancangan rangkaian penguat
non inverting yang akan digunakan berupa R2 sebesar 1KΩ ½ watt dan R3
sebesar 1KΩ tipe potensio. Penggunaan R3 tipe potensiometer dimaksudkan
agar pengukur dapat dengan bebas menentukan penguatan yang diinginkan
dengan batasan nilai R3 maksimal 1KΩ. Pada penguat non inverting
dilakukan pengujian rangkaian dengan sinyal masukan berupa gelombang
sinusoidal dari Function Generator, dan keluarannya dapat dilihat dari
osiloskop dengan hasil penguatan tanpa ada perubahan fase.
Secara prinsip penguat non inverting dapat ditempatkan sebelum
integrator. Namun, karena adanya pertimbangan derau atau noise yang
muncul dari kumparan dan bisa ikut terkuatkan sebelum diintegrasikan, maka
penguat non inverting berada setelah integrator (Oguey, 1960).
3.
Merangkai kumparan dengan rangkaian integrator dan penguat non inverting,
dan voltmeter
Kumparan yang telah dibuat dirangkai dengan integrator, penguat non
inverting, dan voltmeter. Sinyal masukan untuk integrator berasal dari
kumparan, sedang sinyal keluaran dari integrator sebagai masukan untuk
penguat non inverting. Sehingga nilai GGL induksi teramati sebagai Vo dari
penguat non inverting. Voltmeter inilah yang merupakan display sistem,
sehingga nilai Vo dapat teramati secara langsung. Terdapat tambahan display
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
31
berupa osciloskop untuk mengamati kurva hysterisis. Kumparan dan input
rangkaian sengaja diberi socket banana sehingga praktis ketika ingin
mengganti dengan variasi kumparan yang lain.
4.
Menguji alat menggunakan jenis teslameter JJ_3000B
Pengujian alat dilakukan untuk mengetahui apakah teslameter JJ dapat
digunakan
untuk
mengukur
medan
magnet
atau
tidak.
Pengujian
menggunakan JJ_3000B sebagai kumparan yang mempunyai luasan tampang
lintang lebih besar dengan lilitan terbanyak. Hasil yang diperoleh teslameter
sudah dapat menunjukkan data yang kemudian dibahas di bab 4, sehingga
dapat disimpulkan teslameter JJ telah mampu bekerja sebagai alat ukur
medan magnet.
5.
Pengambilan data
a.
Elektromagnet dihubungkan dengan arus sehingga timbul medan magnet
dalam elektromagnet tersebut. Arus yang digunakan adalah 0-4 ampere.
b.
Kumparan digerakkan ke arah atas - bawah di ruang antara kutub magnet
sambil mencatat nilai tegangan induksi yang terbaca di multimeter.
c.
Pengambilan data diulang 3 kali dengan variasi posisi seperti
ditunjukkan Gambar 2.5.
d.
Pengukuran medan magnet dengan teslameter F.W.B untuk keperluan
kalibrasi teslameter JJ.
e.
Data yang diperoleh dari kedua teslameter dapat dibandingkan sehingga
diperoleh persamaan polinomial pangkat 3 untuk menunjukkan nilai
medan magnet langsung dari teslameter JJ.
6.
Hasil data
Hasil data pada penelitian ini berupa tegangan induksi V pada arus 0-4
ampere. Setelah dikalibrasi dengan teslameter F.W.B, selanjutnya data dari
teslameter JJ langsung berupa nilai medan magnet.
7.
Kalibrasi Alat
Pada
penelitian
ini
kalibrasi
alat
dilakukan
dengan
cara
membandingkan hasil ukur teslameter JJ dengan hasil ukur teslameter F.W.B,
commit
to user obyek yang sama. Kedua data
dengan catatan digunakan untuk
mengukur
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
32
yang diperoleh dapat dibandingkan sehingga diperoleh persamaan polinomial
pangkat 3. Jadi pada pengukuran selanjutnya, nilai medan magnet bisa
langsung teramati dari teslameter JJ.
8.
Pengolahan dan Interprestasi data
Pengolahan data dilakukan dengan bantuan software Origin Pro 8.0
yang diinterprestasikan dalam bentuk grafik. Hal ini memudahkan untuk
mengetahui apakah teslameter bekerja dengan baik atau tidak.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
33
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
IV.1 Karakteristik Teslameter JJ
Teslameter JJ yang telah dibuat merupakan alat ukur medan magnet yang
bekerja berdasarkan metode induksi. Terdiri dari tiga bagian yaitu kumparan
sebagai sensor magnetik, rangkaian integrator dan non inverting sebagai sistem
instrumentasi, dan display sistem berupa voltmeter. Berikut ini akan dibahas
mengenai karakteristik dari masing-masing bagian teslameter JJ.
IV.1.1 Kumparan (sensor magnetik)
Ketika kumparan digerakkan ke arah atas – bawah di ruang antara kutub
magnet, maka pada ujung kawat kumparan akan timbul tegangan. Sesuai dengan
hukum Faraday, tegangan ini adalah hasil dari induksi yang diberikan oleh
elektromagnet yang dikenal GGL induksi. Hal inilah yang menjadi karakteristik
dari sensor magnetik. Inti dari metode induksi adalah adanya perubahan fluks
magnetik. Oleh karena itu penggunaan teslameter JJ dengan cara menggerakkan
kumparannya ke atas ke bawah antara ruang kutub magnet.
IV.1.2. Rangkaian Integrator
Karakteristik utama dari rangkaian integrator adalah mengintegrasikan
fungsi gelombang dari sinyal masukan dengan adanya pembalikan fase sebesar
90° antara sinyal keluaran dan masukan. Integrator dalam teslameter JJ telah
terbukti dapat bekerja dengan baik, dimana sinyal masukan dari JJ_3000B mampu
dibalikkan sebesar 90°. Jika integrator langsung dihubungkan dengan kumparan,
maka besarnya tegangan keluaran integrator sesuai persamaan (2.11) yang
ditentukan oleh luas tampang lintang, jumlah lilitan kumparan, intensitas medan
magnet, serta nilai kapasitor dan hambatan yang digunakan. Jadi semakin besar
luas tampang lintang kumparan dan semakin banyak jumlah lilitan, maka nilai
tegangan dari integrator juga akan semakin besar. Karakteristik integrator dalam
teslameter JJ dapat dilihat di lampiran B.
commit to user
33
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
34
IV.1.3. Rangkaian Penguat Non Inverting
Karakteristik penguat non inverting yang diambil pada teslameter JJ
menggunakan sinyal masukan dari JJ_3000B. Rangkaian ini telah mampu
menunjukkan kerja yang baik, karena sinyal keluaran telah mengalami penguatan
dengan fase yang sama. Hal ini sesuai dengan teori, yaitu tidak adanya perubahan
fase antara gelombang masukan dan gelombang keluaran (Putra, 2002).
Karakteristik penguat non inverting pada teslameter JJ dapat dilihat di lampiran B.
IV.2 Unjuk Kerja Teslameter JJ
IV.2.1. Pengujian Alat
Sebelum digunakan pada pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan
pengujian alat dengan cara teslameter JJ digunakan untuk mengukur medan
magnet dari elektromagnet yang dialiri arus. Hal ini dilakukan untuk memastikan
bahwa teslameter JJ yang dibuat telah dapat beroperasi. Pengujian alat dilakukan
dengan JJ_3000B dengan data ditunjukkan di lampiran A (Tabel A.6).
Berdasarkan Tabel A.6, dapat dilihat ketika tidak ada arus yang dialirkan
ke elektromagnet, pada teslameter F.W.B sudah menunjukkan 0,0034 tesla dan
teslameter JJ menunjukkan 0,0165 volt. Hal tersebut kemudian dianggap sebagai
ralat, sehingga semua hasil harus dikoreksi. Jadi semua data yang ditampilkan
dalam analisa menggunakan data dikoreksi. Hasil pengujian alat dalam bentuk
grafik terlihat pada Gambar 4.1.
Dari Gambar 4.1 terlihat perubahan intensitas medan magnet sebanding
dengan tegangan induksi yang dihasilkan oleh teslameter JJ. Tegangan induksi
akan semakin besar seiring bertambahnya arus yang masuk dalam elektromagnet.
Agar diperoleh hasil pengujian yang maksimal, pengambilan data menggunakan
variasi posisi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. Jadi dapat dikatakan bahwa
teslameter JJ telah dapat beroperasi menggunakan prinsip hukum Faraday untuk
menghasilkan tegangan induksi.
commit to user
digilib.uns.ac.id
35
0.16
0.07
0.14
0.06
0.12
0.05
0.10
0.04
0.08
0.03
0.06
0.02
0.04
0.02
0.01
0.00
0.00
0
1
2
Arus (ampere)
3
Teslameter JJ (volt)
Teslameter F.W.B (tesla)
perpustakaan.uns.ac.id
4
Teslameter F.W.B
posisi A
posisi B
posisi C
Gambar 4.1 Grafik pengujian alat dengan JJ_3000B
IV.2.2. Pengukuran Medan Magnet
Setelah melakukan pengujian alat dan ditemukan bahwa teslameter JJ
dapat digunakan untuk mengukur medan magnet pada elektromagnet, unjuk kerja
berikutnya adalah pengukuran medan magnet guna pengambilan data. Arus yang
digunakan mulai dari arus minimum hingga arus maksimum yang dibolehkan
untuk elektromagnet, yaitu antara 0 – 4 ampere. Sebelumnya dilakukan
pengukuran medan magnet dengan teslameter F.W.B untuk kalibrasi teslameter
JJ, yang hasilnya dapat dilihat pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 menunjukkan ketika pengukuran medan magnet di posisi A
diperoleh nilai medan magnet yang tidak jauh berbeda dengan posisi C. Namun
ketika pengukuran berada posisi B, kenaikan nilai medan magnet tidak terlalu
signifikan layaknya pada dua posisi sebelumnya. Hal ini tidak terlalu menjadi
masalah karena pada intinya hasil pengukuran telah menunjukkan kesesuaian
dengan teori. Terlihat besar medan magnet akan bertambah seiring dengan
bertambahnya arus yang diberikan. Dengan demikian teslameter F.W.B layak
digunakan sebagai kalibrator padacommit
teslameter
JJ.
to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
36
0.16
Teslameter F.W.B (tesla)
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0
1
2
3
4
Arus (ampere)
Posisi A
Posisi B
Posisi C
Gambar 4.2 Grafik pengukuran medan magnet dengan teslameter F.W.B
Setelah diperoleh data pengukuran medan magnet dengan teslameter
F.W.B, kemudian dilakukan pengukuran medan magnet oleh teslameter JJ.
Pengukuran ini dilakukan tiga kali dengan tujuan agar diperoleh data yang lebih
valid. Dari setiap kumparan yang digunakan, nantinya akan diperoleh nilai
kalibrasi dan sensitivitas yang berbeda-beda tiap kumparannya.
IV.2.2.1. Variasi Jumlah Lilitan (N)
Untuk mengetahui pengaruh jumlah lilitan terhadap tingkat sensitifitas JJ,
dibuat 3 variasi jumlah lilitan sensor yaitu 750, 1500, dan 3000. Pengaruh jumlah
lilitan terhadap tegangan induksi yang dihasilkan dapat dilihat dengan mengambil
sampel salah satu kumparan yakni kumparan dengan luas tampang lintang berupa
pipa berdiameter 1,4 cm, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.3.
Berdasarkan Gambar 4.3, dapat teramati secara langsung mengenai tingkat
linieritas sensor terhadap perubahan medan magnet untuk setiap jenis teslameter
JJ. Dimulai dari JJ_750B, terlihat belum memperlihatkan sifatnya sebagai sebuah
sensor karena belum terlihatnya respon linier. Saat jumlah lilitan dilipat gandakan,
JJ_1500B mampu memperlihatkan sifat yang lebih linier daripada JJ_750B. Hal
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
37
yang sama juga terjadi, dimana JJ_3000B mempunyai respon linier yang jauh
lebih bagus daripada JJ_1500B.
0.16
0.06
0.05
0.12
0.10
0.04
0.08
0.03
0.06
0.02
0.04
0.01
0.02
Teslameter JJ (Volt)
Teslameter F.W.B (Tesla)
0.14
0.00
0.00
0
1
2
Arus (Ampere)
3
4
Teslameter F.W.B
JJ_750B
JJ_1500B
JJ_3000B
Gambar 4.3 Grafik variasi N terhadap teslameter F.W.B
Ditinjau dari GGL induksi yang diperoleh, secara urut mulai dari JJ_750B,
JJ_1500B dan JJ_3000B adalah 0,04 volt; 0,06 volt; dan 0,075 volt. Dari ketiga
jenis tersebut, kembali diperoleh JJ_3000B yang mempunyai nilai maksimum
GGL induksi. Hal ini telah sesuai dengan teori, dimana jumlah lilitan akan
berpengaruh langsung terhadap nilai GGL induksi yang diperoleh. Semakin
banyak jumlah lilitan, GGL induksi yang mampu dihasilkan juga akan semakin
tinggi (Persamaan (2.6)). Dalam variasi jumlah lilitan, diperoleh kumparan
dengan jumlah lilitan 3000 yang paling sensitif dan layak sebagai sensor.
IV.2.2.2. Variasi Bahan dan Diameter (d) untuk Inti Kumparan
Selain variasi jumlah lilitan, terdapat juga variasi bahan untuk inti
kumparan berupa penambahan bahan magnet (ferit). Untuk mengetahui pengaruh
luasan tampang lintang kumparan,
digunakan
commit
to user 2 pipa plastik dengan diameter
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
38
berbeda yaitu 0,9 cm dan 1,4 cm. Dengan mengambil jumlah lilitan 3000,
hasilnya dapat ditunjukkan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4 menunjukkan bahwa adanya variasi bahan sebagai inti
kumparan mempengaruhi besar tegangan induksi yang diperoleh. Karena
kumparan dengan inti berupa ferit menjadi lebih linier. Hal ini disebabkan
karakteristik ferit yang merupakan bahan magnet kuat dari golongan feromagnetik
kelas ferimagnetik (Buck dan Hayt, 2006). Oleh karena itu penambahan ferit
sebagai inti kumparan akan meningkatkan kinerja sensor dalam hal besarnya GGL
induksi hasil pengindera maupun linieritas sensor.
Berdasarkan karakteristik tersebut, seharusnya sensor dengan inti ferit
merupakan sensor yang paling baik kinerjanya. Hal ini teramati dari sensitivitas
sensor hasil penelitian ini. Apabila respon sensor terhadap medan ditinjau secara
linier, maka slope dari kurva akan menunjukkan sensitivitasnya dalam satuan
volt/tesla. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa JJ_3000F memiliki slope
0,47689 sehingga dapat disebutkan bahwa JJ_3000F memiliki tingkat sensitif
sebesar 0,47689 volt/tesla.
0.35
0.16
0.30
0.12
0.25
0.10
0.20
0.08
0.15
0.06
0.10
0.04
0.05
0.02
Teslameter JJ (volt)
Teslameter F.W.B (tesla)
0.14
0.00
0.00
0
1
2
Arus (Ampere)
3
4
Teslameter F.W.B
JJ_3000K
JJ_3000B
JJ_3000F
to user
Gambar 4.4 Grafik variasicommit
bahan dan
d terhadap teslameter F.W.B
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
39
IV.3. Sensitivitas Sensor dan Kurva Hysterisis
Peristiwa hysterisis adalah respon bahan magnetik terhadap medan
magnet, sehingga untuk mengkonfirmasi sensitivitas teslameter JJ perlu dilakukan
pengukuran kurva hysterisis. Hysterisis terjadi saat medan tidak tetap diberikan
pada bahan magnetik dalam kumparan pencuplik yang dilingkupi kumparan
pengimbas, sehingga timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan pencuplik
sebagai akibat perubahan induksi magnet. Dalam hal ini medan diuraikan hingga
maksimum kemudian diturunkan hingga nol dan dibalik arahnya hingga
maksimum. Selanjutnya dinaikkan kembali hingga nol dan diteruskan hingga
maksimum arah positif yang membentuk sebuah siklus. Kumparan yang bekerja
sebagai sensor merupakan kumparan pencupliknya, sedangkan untuk kumparan
pengimbas adalah elektromagnet. Dengan perubahan medan magnet tersebut,
maka respon GGL induksi akan membentuk loop tertutup yang disebut kurva
hysterisis.
0.40
0.16
0.35
0.30
0.12
0.25
0.10
0.20
0.08
0.06
0.15
0.04
0.10
0.02
0.05
0.00
0.00
0
1
2
Arus (Ampere)
3
Teslameter JJ (Volt)
Teslameter F.W.B (Tesla)
0.14
4
Teslameter F.W.B
JJ_750F
JJ_1500F
JJ_3000F
Gambar 4.5 Grafik perbandingan N pada sensor dengan inti ferit
Berdasarkan uraian sebelumnya diperoleh data bahwa sensor dengan inti
commit to user
kumparan ferit merupakan jenis teslameter JJ yang paling sensitif. Hal ini dapat
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
40
dilihat melalui data dalam bentuk grafik pada Gambar 4.5 untuk variasi jumlah
lilitan, yang kemudian dapat dikonfirmasi melalui kurva hysterisis (Gambar 4.6).
Gambar 4.5 menunjukkan sebagaimana bagian sebelumnya, dimana kumparan
dengan jumlah lilitan terbanyak memiliki tingkat sensitifitas yang lebih. Dengan
meninjau respon sensor secara linier, diperoleh nilai slope dalam satuan volt/tesla
secara urut untuk JJ_750F; JJ_1500F; dan JJ_3000F adalah 0,49564; 0,51894; dan
0,47689. Sehingga diperoleh respon terhadap medan magnet semakin sensitif,
seiring penambahan jumlah lilitan. Namun pada lilitan 3000 slopenya bernilai
rendah karena terdapat kondisi optimum pada suatu sensor yakni dalam keadaan
jenuh. Hal ini akan lebih jelas ditunjukkan pada kurva hysterisis.
(a)
(b)
commit
(c) to user
Gambar 4.6 Kurva hysterisis untuk (a) JJ_750F (b) JJ_1500F (c) JJ_3000F
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
41
Respon data bentuk kurva hysterisis dari ketiga sensor di atas dapat di
rangkum pada Gambar 4.6 yang diambil pada arus 0,3 ampere. Terlihat kurva
hysterisis semakin menunjukkan bagian sisi yang linier. Hal lain yang dapat
diamati adalah luasan kurva yang semakin sempit, yang menunjukkan medan
magnet yang hilang selama proses. Luasan kurva yang lebar menunjukkan bahwa
sensor tersebut tidak sensitif.
Berdasarkan teori, kurva hysterisis yang mempunyai luasan sekecil
mungkin adalah yang sesuai untuk aplikasi sensor magnetik. Meski tidak
ditemukan sensor dengan kurva hysterisis yang sesuai teori, tetapi dapat diamati
bahwa semakin banyak lilitan maka luasan kurva semakin sempit dan terdapat sisi
yang linier. Bagian inilah yang dapat diaplikasikan sebagai sebuah sensor.
Terlihat pada JJ_750F belum menunjukkan kurva hysterisis karena masih mampu
menyimpan medan magnet eksternal, sehingga mempunyai luasan sangat lebar.
Hanya pada JJ_1500F dan JJ_3000F yang dapat menunjukkan respon sensor
dengan mempunyai nilai optimasi medan magnet yaitu 0,1287 tesla untuk
JJ_1500F dan 0,1001 tesla untuk JJ_3000F. Setelah mencapai nilai tersebut,
sensor akan berada pada keadaan jenuh dari kurva hysterisis. Berdasarkan uraian
tersebut, diperoleh JJ_3000F yang lebih sensitif daripada JJ_750F maupun
JJ_1500F.
IV.4. Kalibrasi Alat
Kalibrasi pada teslameter JJ dengan metode eksperimental menggunakan
bantuan dari teslameter yang telah terkalibrasi sebelumnya (kalibrator). Sebagai
kalibrator adalah teslameter F.W.B. Kalibrasi dilakukan dengan cara membuat
kesebandingan data yang diperoleh dari pengukuran obyek yang sama yaitu
elektromagnet.
Nilai medan magnet dari teslameter JJ dapat diperoleh melalui persamaan
garis dari grafik yang menghubungkan antara tegangan induksi teslameter JJ
dengan medan magnet dari teslameter F.W.B. Berikut keterangan untuk masingmasing jenis persamaan yang kemudian ditemukan persamaan polinomial orde 3
commit
to menggunakan
user
sebagai persamaan kalibrasi. Kalibrasi
alat
jenis teslameter JJ yang
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
42
paling sensitif yaitu JJ_3000F. Grafik yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar
4.7 disertai dengan jenis persamaan dan tingkat liniernya (R2). Garis merah
merupakan kurva persamaan dari grafik tersebut.
0.16
Teslameter F.W.B (tesla)
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
Teslameter JJ (volt)
y = 0,47689x + 0,0043
(a)
R2 = 0, 0,99645
0.16
Teslameter F.W.B (tesla)
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
Teslameter JJ (volt)
y = - 0,20452x2 + 0,54153x
commit+to0,00117
user
(b)
R2 = 0,9977
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
43
0.16
Teslameter F.W.B (tesla)
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
Teslameter JJ (volt)
y = 0,51079x3 – 0,44885x2 + 0,57173x + 0,000491 R2 = 0,99777
(c)
Gambar 4.7 Grafik kalibrasi untuk JJ_3000F (a) Persamaan linier
(b) Polinomial orde 2 (c) Polinomial orde 3
Apabila mengambil salah satu data dengan sensor berinti kumparan ferit,
hasil kalibrasi yang diperoleh dengan persamaan di atas dapat dirangkum pada
Tabel 4.1. Dari beberapa jenis persamaan yang dapat terbentuk dari grafik,
diperoleh kenyataan bahwa persamaan polinomial yang terbentuk langsung dari
data merupakan persamaan yang lebih teliti. Berdasarkan perhitungan,
kesebandingan data antara teslameter JJ dan teslameter F.W.B tercapai apabila
menggunakan persamaan polinomial berorde semakin banyak. Namun karena
alasan kurang praktis, jadi persamaan kalibrasi menggunakan polinimial orde
minimum yang teliti, yaitu polinomial orde 3 sesuai yang disebutkan pada Tabel
4.1 berikut.
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
44
Tabel 4.1 Hasil Kalibrasi untuk JJ_3000F
Nilai
tegangan induksi
teslameter JJ (volt)
Nilai medan magnet (tesla)
Perhitungan
Pengukuran
teslameter F.W.B
Jenis persamaan Hasil hitung
0,079
Linier
Polinomial orde 2
Polinomial orde 3
0,0419
0,0426
0,0431
0,0421
0,092
Linier
Polinomial orde 2
Polinomial orde 3
0,0482
0,0493
0,0497
0,0498
0,102
Linier
Polinomial orde 2
Polinomial orde 3
0,0529
0,0543
0,0547
0,0576
commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
46
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
V.1. Kesimpulan
Berdasarkan uraian pada pembahasan dan hasil eksperimen yang telah
dikemukakan di bab sebelumnya, dapat disimpulkan bahwa:
1. Telah berhasil dibuat alat ukur medan magnet yang kreatif, berbasis
induksi elektromagnetik yang selebihnya disebut sebagai Teslameter JJ.
2. Diperoleh jenis teslameter JJ yang sensitif berdasarkan pada:
a. Jumlah lilitan (N), sensor dengan jumlah lilitan 3000.
b. Diameter tampang lintang sensor (d), terdapat pada sensor dengan
diameter tampang lintang kumparan 1,4 cm.
c. Karakterstik bahan penyusun sensor, berupa sensor dengan adanya
penambahan ferit sebagai inti kumparannya.
Dari berbagai modifikasi tersebut, diperoleh JJ_3000F sebagai sensor
magnetik yang paling sensitif.
3. Berdasarkan kurva hysterisis, respon teslameter JJ terhadap medan magnet
yang baik ditunjukkan oleh JJ_3000F dengan luasan kurva yang sempit
dan respon medan yang linier.
V.2. Saran
Hal-hal yang perlu disarankan pada penelitian selanjutnya untuk
mendapatkan sensor magnetik yang lebih berkualitas adalah:
1. Adanya tambahan mikrokontroler pada sistem instrumentasi sensor
magnetik sehingga diperoleh nilai medan magnet lebih valid dan efisien.
2. Optimasi sensor yang tidak hanya berdasarkan persamaan hukum Faraday
(Persamaan (2.6)), melainkan juga dari karakteristiknya berdasar kurva
hysteresis sehingga diperoleh jenis sensor magnetik yang optimal.
3. Perkembangan modifikasi sensor dari bahan magnetik misal dari ferit,
dengan jumlah lilitan lebih variatif. Modifikasi lain adalah luas tampang
commit to user
lintang yang lebih beragam.
45
perpustakaan.uns.ac.id
46
digilib.uns.ac.id
DAFTAR PUSTAKA
Literatur Cetakan
Buck, J. A., dan William H. H. 2006. Elektromagnetika Edisi Ketujuh. Erlangga.
Jakarta.
Clayton, G. and Steve W., 2003. Operational Amplifiers Edisi Kelima. Erlangga.
Jakarta.
Cooper, C., 2009. Materi Fisika! Volume Magnetisme. Pakar Raya. Bandung.
Craik, D., 1995. Magnetism Principles and Applications. John Wiley & Sons.
Chichester, England.
Gayakwad, R. A., 2000. Op-Amps and Linear Integrated Circuits 4th Edition.
Prentice-Hall, Inc. Columbus, Ohio.
Gordon, J.E. dan Marin, J., 1970. Use of an Op Amp for Measuring Magnetic
Flux Densities. Am. J. Phys. 38(1). p. 94-98.
Griffith, D. J., 1991. Introduction to Electrodynamics. Prentice-Hall of India. New
Delhi.
Jiles, D., 1998. Introduction to Magnetism and Magnetic Materials 2nd Edition.
Chapman & Hall/CRC. New York, USA.
Kittel, C., 2006. Introduction to Solid State Physics 7th edition. John Wiley &
Sons. Chichester, New York.
Oguey, H. J., 1960. Sensitive Flux Measurement of Thin Magnetic Film, Rev. Sci.
Instr. Vol. 31. No. 7. p. 701-709.
Omar, M. A., 1975. Elementary Solid State Physics. Addison-Wesley Publishing
Company, Inc. Philippines.
PPI-KIM. 2005. Ketidakpastian Pengukuran (PK-06). Graha Widia Bakti
Puspitek. Serpong.
Putra, A. E., 2002. Penapis Aktif Elektronika Teori dan Praktek. C.V. Gava
Media. Yogyakarta.
Ripka, P., 2003. Advances in Fluxgate Sensors. Elsevier Sensors Journal, Sensors
and Actuators A 106 (2003) 8-14.
Serway, R., 1995. Physics for Scientis and Engineering with Modern Physics.
Prentice-Hall pub. New York, USA.
commit to user
46
perpustakaan.uns.ac.id
47
digilib.uns.ac.id
Website
Anonim. 1995. Maxim-ic® low offset voltage operational amplifier datasheets for
Op07. http://www.maxim-ic.com – (9 Mei 2010).
ChenYang Technologies GmbH & Co. KG. Digital Gauss/Tesla Meter CYHT20
User’s Manual. http://www.chenyang-gmbh.com – (8 Mei 2010).
Yuxiang Magnetic Materials. 2010. Magnet Expert, SG-3-A/B Portable Tesla
Meter. http://www.magnets.com – (7 April 2010).
commit to user