berdasarkan standar atom; Namun sekon universal dan waktu sekon sesaat, akan tetapi digunakan pada pelayaran, survai geodesi dan mekanika mengenai langit.
Perkembangan dan perbaikan resonator atom telah memberi kemungkinan pengontrolan frekuensi sebuah osilator, dan ini berarti berdasarkan pengubahan frekuensi yaitu jam atom. Transisi antara dua tingkatan enesi E1 dan E2 dari sebuah atom disertai dengan pemancaran (emisi) atau penyerapan (absorpsi) radiasi mempunyai frekuensi yang diberikan oleh persamaan hv = E2 - El,di mana h adalah konstanta Planck. Dengan memberikan bahwa tingkat (keadaan) energi tidak dipengaruhi oleh kondisi-kondisi luar seperti medan magnet, frekuensi v adalah konstanta fisis yang hanya bergantung pada strukur bagian dalam dari atom. Karena frekuensi adalah kebalikan dari selang waktu, maka atom sedemikian memberikan suatu selang waktu yang konstan. Peralihan atom daaair berbagai logam telah ditemukan, dan jam atom pertama yang didasarkan pada atom Cesium telah dioperasikan pada tahun 1955. Selang waktu yang diberikan oleh jam esiumlebih teliti dari yang diberikan oleh sebuah jam yang dikalibrasi berd asarkan pengukuran astronomi. Satuan waktu atom pada mulanya dikaitkan terhadap UT tetapi akhirnya dinyatakan dalam ET. Panitia Internasional mengenai Berat dan Ukuran ICWM (International Committee of Wights and Measures) sekarang ini telah mende -finisikan sekon berdasarkan frekuensi peralihan cesium, dengan menetapkan nilai sebesar 9192631770 Hz untuk peralihan atom cesium yang paling baik tanpa diganggu oleh medan-medan luar.
Definisi atom untuk sekon yang memberi kenyataan suatu ketelitian yang jauh lebih besar dari yang dicapai berdasarkan pengamatan astronomi, menghasilkan dasar waktu yang lebih seragam dan lebih memuaskan. Sekarang ini penentuan selang waktu dapat dilakukan dalam beberapa menit pada ketelitian yang lebih besar dari yang mungkin sebelumnya yaitu pengukuran astronomi yang memerlukan waktu beberapa tahun untuk melengkapinya. Sebuah jam atom dengan ketepatan yang melebihi satu mikrosekon (μS) setiap hari dalam operasinya, merupakan standar frekuensi primer di NBS. Sebuah skala waktu atom, yang dinamakan NBS-A dipelihara bersama-sama dengan jam ini.
NBS menyiarkan standar waktu dan frekuensinya melalui beberapa stasiun radio pemancar yang beroperasi pada frekuensi transmisi yang berlainan dari berbagai tempat di benua Amerika dan Hawaii. Informasi yang lengkap mengenai jadwal penyiaran dan pernbalian operasi di tiap stasiun dapat diperoleh dari NBS.
3-4 STANDAR LISTRIK 3-4-1 Amper Absolut
Satuan standar internasional (SI) mendefinisikan amper (satuan dasar untuk arus listrik) sebagai arus konstan, yang jika dipertahankan di dalam dua konduktor lurus yang sejajar yang panjangnya tak berhingga dan penampangnya diabaikan, dan kedua konduktor tersebut ditempatkan pada jarak 1 m di dalam ruang hampa; akan menghasilkan gaya antara kedua konduktor tersebut sebesar 2 x 10-7 Newton per-satuan panjang. Pengukuran sebelumnya mengenai nilai amper absolut dilakukan dengan menggunakan kesetimbangan arus (current balance) yakni dengan mengukur gaya antara dua konduktor sejajar. Pengukuran ini agak kasar, sedang yang dibutuhkan adalah mendapatkan standar yang lebih praktis dan dapat diproduksi kembali untuk laboratorium-laboratorium nasional. Berdasarkan persetujuan internasional, nilai dari pada amper internasional didasarkan pada endapan elektrolit
34 perak dari larutan perak nitrat. Kemudian amper internasional didefinisikan sebagai arus yang niengendapkan perak dengan laju ketepatan sebesar 1,118 miligram per-sekon dari suatu larutan perak nitrat standar. Kesulitan ditemukan dalam pengukuran endapan perak yang tepat dan terdapat suatu perbedaan kecil antara pengukuran-pengukuran yang telah dilakukan secara terpisah oleh berbagai laboratorium standar nasional.
Dalam tahun 1948 Amper Internasional diganti oleh Amper Absolut. Penentuan amper absolut ini juga dilakukan dengan cara kesetimbangan arus, yakni mengukur gaya yang dihasilkan oleh dua kumparan pembawa arus. Perbaikan dalam cara-cara pengukuran gaya memberikan suatu harga bagi amper yang jauh lebih baik dari yang sebelumnya. Hubungan antara gaya dan arus yang menghasilkan gaya tersebut dapat ditemukan dari konsep teori dasar elektromaknetik dan diturunkan menjadi perhitungan sederhana yang mencakup dimensi geometrik kumparan-kumparan. Sekarang ini amper absolut menjadi satuan dasar arus listrik dalam SI dan secara umum diakui oleh perjanjian internasional.
Instrumen-instrumen yang dibuat sebelum 1948 dikalibrasi dalam Amper Internasional sedangkan instrumen-instrumen yang lebih barn menggunakan Amper Absolut sebagai dasar kalibrasi. Karena kedua jenis instrumen tersebut bisa ditemukan di dalam satu laboratorium, maka NBS telah menetapkan faktor-faktor konversi yang memberikan hubungan antara kedua satuan tersebut. Faktor-faktor pengubahan ini diberikan dalam bab 2-3.
Hubungan antara tegangan, arus dan tahanan diberikan oleh hukum Ohm dengan perbandingan yang konstan (E = IR). Dengan mengetahui ciri dari setiap dua besaran, otomatis menentukan besaran ketiga. Dua jenis standar bahan membentuk suatu kombi-nasi yang secara menyenangkan memelihara amper pada ketepatan tinggi untuk waktu yang lama. Kedua standar tersebut adalah tahanan standar (standard resistor) dan sel standar (standard cell) untuk tegangan. Masing-masing standar ini dibicarakan pada bab-bab selanjutnya.
3-4-2 Standar Tahanan (Resistance standards)
Nilai ohm absolut dalam sistem SI didefinisikan dalam satuan-satuan dasar panjang, massa dan waktu. Pengukuran ohm absolut dilakukan oleh IBWM di Sevres dan juga oleh laboratorium-laboratorium standar nasional yang merawat sekelompok standarstandar tahanan primer. NBS merawat sekelompok standar primer tersebut (tahanan-tahanan standar 1 ohm) yang secara berkala diperiksa satu sama lain dan sekali-sekali dibuktikan (diverifikasi) terhadap pengukuran absolut.
Tahanan standar adalah sebuah kumparan kawat terbuat dari paduan mirip manganin yang memiliki tahanan jenis (resistivitas) listrik yang tinggi dan koefisien tahanan temperatur yang rendah (hubungan antara tahanan dan temperatur hampir konstan). Kumparan tahanan tersebut ditempatkan di dalam sebuah bejana berdinding rangkap yang disegel (Gambar 3-1) untuk mencegah perubahan tahanan karena kondisi uap air di dalam udara luar (atmosfir). Dengan suatu perlengkapan yang terdiri dari 4 atau 5 tahanan masing-masing bernilai 1 ohm dari jenis ini, satuan tahanan dapat dinyatakan dengan ketepatan sebesar beberapa bagian dari 107 setelah beberapa tahun.
Standar sekunder dan standar kerja dibuat oleh beberapa pabrik instrumen dalam rangkuman yang lebar, biasanya dalam perkalian 10 ohm. Tahanan-tahanan standar ini dibuat dari paduan kawat tahanan, seperti halnya manganin atau Evanohm.
35 Gambar 3-1 Penampang standar tahanan berdinding rangkap (seijin perusahaan
Gambar 3-2 Standar tahanan 10 kiloohm (seijin Hewlett-Packard Co.). Gambar 3-2 adalah sebuah potret tahanan dari sebuah standar sekunder di laboratirum, yang kadang-kadang disebui tahanan alih (transfer resistor). Kumparan tahanan dari tahanan alih ini disangga di antara lapisan polyester untuk mengurangi regangan pada kawat dan untuk memperbaiki stabilitas tahanan. Kumparan dicelupkan di dalam minyak yang tidak mengandung uap air dan ditempatkan di dalam tabung yang disegel. Sambungan-sambungan ke kumparan adalah solderan perak sedang cantelan-cantelan terminal dibuat dari tembaga berlapis nikel yang bebas dari oksigen. Karakteristik stabilitas dan temperatur dari tahanan alih ini diperiksa pada daya nominalnya dan pada temperatur kerja yang telah ditetapkan (biasanya 25°C). Suatu laporan kalibrasi yang menyertai tahanan memberi ciri kemampuannya untuk mengikuti standar NBS termasuk koefisien temperatur α dan β. Walaupun kawat tahanan yang dipilih memberikan tahanan yang hampir konstan pada rangkuman temperatur yang cukup lebar, nilai yang tepat dari tahanan pada
36 setiap temperatur dapat ditentukan berdasarkan hubungan
2 250 ( 25) ( 25) R t t R C t (3-1)
di mana Rt = tahanan pada temperatur sekeliling t. R25oC = tahanan pada 25°C.
α dan β = koefisien-koefisien temperatur.
Koefisien temperatur α biasanya lebih kecil dari 10 x 10-6 dan β terletak antara -3 x 10-7 dan -6 x 10-7. Ini berarti bahwa perubahan temperatur sebesar 10°C dari tempe-ratur referensi 25°C dapat menyebabkan perubahan tahanan sebesar 30 sampai 60 ppm (parts per million, bagian per juta) dari nilai nominal.
Pemakaian tahanan alih terdapat di laboratorium4aboratorium industri, penelitian, standar dan kalibrasi. Sebagai pemakaian khas, tahanan alih dapat digunakan untuk menentukan tahanan dan perbandingan (ratio) tahanan atau untuk membuat pembagi kelipatan sepuluh (decade divider) yang sangat linear yang kemudian dapat digunakan untuk mengalibrasi perlengkapan pembanding (ratio set), kotak-kotak tegangan, dan pembagi Kelvin-Varlet.
3-4-3 Standar tegangan
Standar primer untuk tegangan yang telah dipilih oleh NBS untuk pemeliharaan volt adalah sel Weston yang normal atau saturasi (jenuh). Sel Weston memiliki sebuah elektroda positif air raksa dan elektroda negatif kadmium amalgam (10% Cd). Elektrolitnya adlah suatu larutan kadmium sulfat. Komponen-komponen ini ditempatkan di dalam sebuah bejana berbentuk H seperti ditunjukkan pada Gambar 3-3.
Gambar 3-3 Konstruksi lengkap sel Weston yang saturasi
Sel Weston terdiri dari dua jenis yaitu sel yang jenuh (saturasi) dalam mana elektrolit dibuat saturasi pada semua temperatur oleh kristal-kristal kadmium sulfat yang menutupi elektroda-elektroda; dan sel tidak jenuh (unsaturated), di mana konsentrasi kadmium sulfat adalah sedemikian hingga menghasilkan saturasi pada 4°C. Sel jenis kedua ini mempunyai koefisien tegangan temperatur yang dapat
37 diabaikan pada temperatur ruangan yang normal. Sel jenuh (saturasi) mempunyai variasi tegangan dengan kenaikan sekitar -40 μV per 1°C, tetapi memiliki kemampuan reproduksi yang lebih baik dan jugs lebih stabil dari sel yang tidak saturasi.
Laboratorium-laboratorium standar nasional seperti NBS, merawat sejumlah selsafitrasi sebagai standar primer untuk tegangan. Sel-sel ini disimpan di dalam sebuah bak minyak agar dapat mengontrol temperatur sampai batas-batas 0,01°C. Tegangan sel satuwsi Weston pada 20°C adalah 1,01858 Volt (absolut), dan pada temperatur lain gaya gerak listriknya (ggl) diberikan oleh rumus :
et = e20oC -0.000046(t - 20) - 0.00000095(t- 20)2 + 0.00000001(t -20)3 (3-2) Sel saturasi Weston tetap memuaskan sebagai standar tegangan untuk jangka waktu 10-20 tahun, dengan syarat bahwa mereka diperlakukan dengan hati-hati. Pergeseran tegangan adalah dalam orde 1µV per tahun. Karena sel saturasi sensitif terhadap temperatur, sel ini tidak sesuai untuk pemakaian umum di laboratorium sebagai standar sekunder atau sebagai standar kerja.
Standar sekunder dan standar kerja yang lebih kokoh dan dapat dipindahkan (portabel) ditemukan pada sel Weston yang tidak saturasi. Konstruksi sel-sel ini sangat mirip dengan sel normal tetapi tidak memerlukan pengontrolan temperatur secara tepat. Resarnya gaya gerak listrik sebuah sel yang tidak saturasi terletak antara 1,0180 Volt -1,0200 Volt dan perubahannya kurang dari 0,01% pada temperatur 10°C sampai 40°C. Tegangan sel biasanya dituliskan pada rumah sel seperti ditunjukkan pada Gambar 3-4 (yaitu 1,0193 Volt absolut). Tahanan-dalam sel Weston berkisar antara 500 ohm - 800 ohm. Ini berarti bahwa arus yang dialirkan dari sel-sel ini tidak akan melebihi 100 μA, sebab tegangan nominal akan terpengaruh oleh penurunan tegangan di dalam sel.
Standar-standar kerja laboratorium yang dapat diandalkan telah dikembangkan dengan ketelitian sampai orde ketelitian sel standar. Gambar 3-5 adalah potret dari sebuah standar tegangan laboratorium untuk pem a kai an ganda ya n g di s ebut s t andar al i h (transfers standart) dan didasarkan pada kerja sebuah dioda zener sebagai acuan tegangan.
Edited by Foxit Reader
Copyright(C) by Foxit Software Company,2005-2008 For Evaluation Only.
38 Gambar 3-4 Sel kadmium Weston yang tidak saturasi : ggl 1,0193 Volt, ketelitian 0,1% (seijin perusahaan Epply Laboratory).
Gambar 3-5 Sebuah standar alih arus searah yang dapat digunakan sebagai sumber acuan (referensi) 1,000 V, sebagai instrumen pembanding sel standar, dan sebagai sumber 0-1000 V dc (seijin perusahaan Hewlett-Packard).
Pada dasarnya instrumen ini terdiri dari sebuah sumber tegangan yang dikontrol oleh zener dan ditempatkan dalam sebuah lingkungna yang temperaturnya terkontrol oleh zener ditempatkan dalam sebuah lingkungan yang temperaturnya terkontrol untuk perbaikan ketahanan stabilitas; dan sebuah pembagi tegangan presisi. Tungku yang temperatur terkontrol dan dipertahankan pada ± 0,03°C dari rangkuman temperatur sekeliling antara 0°C sampai 50°C, memberikan stabilitas keluaran dalam orde 10 ppn/bulan. Keempat keluaran yang tersedia adalah (a) 0-1000 μV dengan resolusi sebesar 1 μV yang disebut (Δ); (b) referensi sebesar 1 Volt untuk pengukuran potensiometer kotak tegangan; (c) referensi sebesar 1,018 + (Δ) untuk melakukan perbandingan terhadap sel-sel saturasi; (d) referensi 1,0190 + (Δ) untuk perbandingan terhadap sel-sel tidak saturasi. Standar alih arus searah (dc) dapat digunakan sebagai sebuah instrumen alih dan dapat dibagi menjadi beberapa peralatan untuk dikalibrasi sebab dia mudah dilepas dari sumber tegangan jala-jala di satu lokasi dan dipasang kembali pada lokasi yang berlainan dengan mendapatkan kembali ± 1 ppm dalam waktu pemanasan kira-kira 30 menit.
3-4-4 Standar kapasitansi (capacitance standard)
Karena satuan tahanan dinyatakan dengan tahanan standar dan satuan tegangan oleh set standar Weston, banyak satuan-satuan listrik dan magnet yang dapat dinyatakan oleh standar-standar tersebut. Satuan kapasitansi (farad) dapat diukur dengan menggunakan rangkaian Maxwell yang dijalankan oleh arus searah (dc-direct current) di mana kapasitansi tersebut ditentukan dari lengan-lengan jembatan yang resistip dan dari frekuensi komutasi dc. Rangkaian jembatan ini ditunjukkan pada Gambar 3-6.
39 Gambar 3-6 Cara komutasi arus searah untuk pengukuran kapasitansi. Kapasitas C secara bergantian dimuati dan dikosongkan melalui kontak komutasi dan tahanan R. Kesetimbangan jembatan diperoleh dengan mengatur R3, memberikan penentuan yang tepat bagi nilai kapasitansi dinyatakan dengan konstanta-konstanta lengan jembatan dan frekuensi komutasi.
Walaupun penurunan yang tepat bagi kapasitansi yang dinyatakan oleh tahanan -tahanan dan frekuensi adalah agak rumit, dapat dilihat bahwa kapasitor dapat diukur dengan cara ini. Karena tahanan dan frekuensi dapat ditentukan dengan sangat teliti maka nilai kapasitansi dapat diukur dengan ketelitian yang tinggi. Kapasitor-kapasitor standar (standard capacitor) biasanya dibuat dari susunan pelat-pelat logam dengan menggunakan udara sebagai bahan dielektrik. Luas pelat dan jarak antara pelat-pelat tersebut harus diketahui dengan tepat; dan dengan demikian kapasitansi kapasitor udara dapat ditentukan dari dimensi- dimensi dasar ini. NBS memelihara satu tanggul kapasitor udara sebagai standar dan menggunakannya untuk mengalibrasi standar sekunder dan standar kerja laboratorium pengukuran dan pemakai di industri.
Standar-standar kerja kapasitansi (capacitance working standards) dapat diperoleh dalam suatu rangkuman yang sesuai. Nilai yang lebih kecil biasanya adalah kapasitor-kapasitor udara, sedangkan kapasitor yang lebih besar menggunakan bahan dielektrik padat. Konstanta dielektrik yang tinggi dan lapisan dielektrik yang sangat tipis diperhitungkan untuk keteguhan standar-standar ini. Kapasitor yang terbuat dari perak-mika merupakan standar kerja yang sangat baik; mereka sangat stabil, mempunyai faktor disipasi yang sangat rendah (bab 8-5), mempunyai koefisien temperatur yang sangat rendah dan tidak terpengaruh oleh lamanya pemakaian (umur). Kapasitor mika tersedia dalam kelipatan sepuluh, tetapi biasanya kapasitor-kapasitor dengan kelipatan sepuluh ini tidak digaransi lebih baik dari 1%. standar-standar tetap umumnya digunakan bila ketelitian merupakan hal yang penting.
3-4-5 Standar induktansi (inductance standards)
Standar primer untuk induktansi diturunkan dari ohm dan farad daripada menurunkannya dari induktor-induktor yang ukuran geometrisnya besar yang digunakan untuk penentuan nilai ohm absolut. NBS memilih standar Campbell untuk induktansi bersama sebagai standar primer bagi induktansi bersama dan bagi induksi diri. Secara komersil, standar-standar kerja untuk induktansi tersedia dalam suatu rangkuman yang lebar dengan nilai-nilai praktis yang tetap dan berubah-ubah (variabel). Suatu perlengkapan khas dari standar induktansi yang tetap mempunyai nilai dari 100 μH sampai 10 H dengan ketelitian garansi sebesar 0,1% pada suatu frekuensi
40 operasi yang telah ditetapkan. Induktor-induktor yang nilainya berubah juga tersedia. Ketelitian induktansi bersama yang khas adalah dalam orde 2,5% dengan nilai induktansi antara 0-200 mH. Kapasitansi terdistribusi terdapat antara gulungan-gulungan induktor, dan kesalahan yang diakibatkannya harus diperhitungkan. Pertimbangan ini biasanya disertai spesifikasi untuk pemakaian komersial.