Bahan Ajar BAB V. Pengukuran Magnetik Tatap muka

Bahan Ajar
BAB V. Pengukuran Magnetik
Tatap muka : Minggu 11, Minggu 12
1
PENGUKURAN MAGNETIK
1.1. Pendahuluan
Medan magnet merupakan fenomena fisika yang berkaitan dengan besaran listrik. Arus listrik
menimbulkan medan magnet dan sebaliknya arus listrik dapat ditimbulkan dari magnet yang
digerakkan di dekat kumparan kawat, hukum induksi Faraday.
Untuk mengetahui kuantitas dan arahnya, medan magnet perlu diukur. Medan magnet dinyatakan
dalam satuan Tesla, sebagai contoh medan magnet bumi normal di dekat garis ekuator besarnya
sekitar 45.000, nano Tesla, dengan arah utara-selatan.
1.2. Alat-alat ukur medan magnet.
Alat ukur medan magnet bumi digolongkan menjadi dua bagian besar yaitu.
A. Magnetometer, alat ukur untuk besaran medan magnet lebih kecil dari 1 mT, terdiri dari
a. Alat yang mengukur besar medan dan arahnya (vektor)
•
Kumparan kawat (search coil)
•
Fluxgate magnetometer
•
SQUID
•
Magnetoresistive
•
Fiber optik
b. Alat yang mengukur besarnya saja (skalar)
•
Proton Precession Magnetometer
•
Optically Pumped Magnetometer
B. Gaussmeter, lat ukur untuk besar medan magnet lebih besar dari 1 mT
a. Hall effect
b. Magnetoresistive
c. Magnetodiode
d. Magnetotransistor
Alat ukur medan magnet mempunyai karakteristik yang berbeda-beda, dengan demikian sensitivitas
dan kegunaannya juga berbeda-beda, tabel 1 menyajikan karakteristik alat ukur medan magnet.
2
ristik alat ukur medan magnet.
Tabel 1. Karakteristik
Alat ukur
Resolusi
(nT)
variabel
Bandwidth
(Hz)
10-1 to 106
keterangan
Kumparan
Jangkau ukur
(mT)
10-10 to 106
Fluxgate
10-4 to 0,5
0,1
DC to 2.103
General purpose vector magnetometer
SQUID
10-9 to 0,1
10-4
DC to 5
Sensitivitas paling tinggi
Hall effect
0,1 to 3.104
100
DC to 108
Terbaik untuk frekuensi tinggi
Magnetoresisstance 10-3 to 5
10
DC to 107
Baik untuk pengukuran menengah
Proton Precession
0,02 to 0,1
0,05
DC to 2
General purpose magnetometer
Optically pumped
0,01 to 0,1
0,005
DC to 5
Resolusi palin baik.
Tidak dapat mengukur medan statis
Alat ukur medan magnet skalar.
Proton Precession Magnetometer.
•
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
ali 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
an magnet H (total).
•
3
Flux gate Magnetometer.
•
gate magnetometer, mengukur komponen medan magnet, bila sensor dipasang
Flux-gate
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”.
“mu
•
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
bolak
(Ep),, maka bila medan magnet luar sama dengan
nol, maka keluaran pada kumparan sekunder (Es),sama
sama dengan nol, karena induksi dari
kumparan primer saling menghilangkan.
•
Bila medan magnet luar tidak nol,
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 pada umumnya mempunyai sifat mudah terinduksi menjadi magnet karena pengaruh
medan magnet
agnet luar, kurva hubujngan antara B dan H disebut kurva hysterisis.
•
mu-metal
metal adalah logam yang medan B didalamnya mudah menjadi jenuh karena pengaruh
medan luar.
•
Kurve hysterisisi
Sensor medan magnet menggunakan inti mu-metal,
mu
digambarkan
rkan seperti pada gambar 3,
digambarkan pada kondisi medan luar sama dengan nol, dan pada kondisi medan luar tidak sama
dengan nol. Harga medan magnet yang terukur oleh sensor fluxgate adalah komponen medan
magnet yang searah dengan sensor fluxgate. Dengan demikian maka sensor fluxgate mengukur
komponen medan magnet, yaitu mengukur besar medan dan arahnya, dikatakan alat fluxgate
magnetometer mengukur vektor medan magnet.
4
Magnetometer “optical pumped”.
•
“optical pump” adalah metode mengarahkan
mengarahkan spin dari elektron pada salah satu Zeeman
level energi pada ground-state.
ground
•
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 photo-cell
photo
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,
photo cell, kondisi ini dikatakan “complete“complete
pumping”.
•
Pengaruh gelombang
elombang elektro magnetik membuat orientasi spin tidak terarah lagi, sehingga
banyak energi cahaya yang terserap.
•
Untuk membuat magnetometer dipilih atom yang memiliki sub-level
sub level energi yang sesuai.
Atom-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
photo cell berdasarkan jumlah energi
5
dari cahaya yang diserap. Frekuensi presesi
presesi dari elektron, disebut frekuensi Larmour,
besarnya tergantung pada medan magnet luar.
H=
6
2πf
g