ANALISIS PERCEPATAN GRAVITASI BUMI DENGAN METODE GRAFIS MENGGUNAKAN NERACA ARUS
Cherly Salawane, S.Si., M.Pd
Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Halmahera salawanecherly@yahoo.co.id
ABSTRAK
Nilai percepatan gravitasi bumi di atas permukaan bumi bergantung pada letak posisi garis lintang dan garis bujur permukaan bumi. Dengan kata lain karena bentuk permukaan bumi tidak bulat seperti bola, maka besarnya gravitasi tidaklah sama disemua tempat di permukaan bumi. Penelitian ini menggambarkan fluktuasi nilai kuat medan magnet (B) dan nilai kuat arus listrik (i) pada neraca arus sehingga mengakibatkan nilai percepatan gravitasi laboratorium (gLab) dapat berubah-ubah pada perpindahan muatan listrik (q) menurut tipe koil sedangkan untuk bandul sederhana semakin banyak variasi panjang tali (l ) dan periode
osilasi (T) maka nilai percepatan gravitasi yang diperoleh akan mendekati literatur percepatan gravitasi bumi (g9.8m/s2). Tujuan penelitian ini adalah menganalisis percepatan gravitasi bumi secara laboratorium menggunakan metode grafis dengan set-up peralatan neraca arus dan nilai percepatan gravitasi bumi menggunakan set-up peralatan bandul sederhana sebagai pembandingnya. Besar nilai percepatan gravitasi bumi secara laboratorium dengan neraca arus adalah
NR Lab
g 9,895m s/ 2 sedangkan bandul sederhana adalah BS Lab
g 9,8105m s . / 2 Dari hasil yang diperoleh pada kedua set-up peralatan, maka hasil yang mendekati nilai literatur percepatan gravitasi bumi adalah dengan menggunakan set-up peralatan bandul sederhana.
Kata kunci : Neraca arus, bandul sederhana, percepatan gravitasi bumi, kuat
PENDAHULUAN
Arus listrik merupakan salah satu sumber energi yang sangat dibutuhkan
dalam kehidupan manusia. Kebanyakan dari alat ukur listrik dan alat-alat rumah
tangga yang mengkonsumsi daya listrik menggunakan magnet. Prinsip
kemagnetan mempunyai peran yang sangat penting dalam prinsip kerja suatu
mesin listrik (sebutan untuk generator, transformator dan motor). Dimana magnet
menghasilkan suatu medan yang berbeda dengan medan listrik. Medan ini
melakukan gaya pada muatan bergerak, pada kawat berarus atau momen gaya
pada batang magnet.
Medan magnet sebenarnya tidak mempunyai landasan fisis karena
pengukuran fisis selalu dinyatakan dalam bentuk gaya-gaya yang dihasilkan oleh
medan itu. Sebagai contoh, untuk medan listrik E dan gaya magnet selalu
dikaitkan dengan suatu muatan listrik statik. Bentuk gaya yang lain adalah gaya
magnetik yang mungkin dihasilkan oleh suatu medan magnet yang berasal dari
sebuah magnet permanen, atau oleh suatu medan listrik yang berubah terhadap
waktu, atau sebuah arus listrik searah (Dipojono: 2002, 81).
Faktor lain dari fenomena kemagnetan dalam teknologi kelistrikan, yaitu
bila kawat konduktor ditempatkan dalam suatu medan magnetik yang berubah
terhadap waktu, maka pada ujung-ujung kawat penghantar timbul gaya listrik.
Sebaliknya bila kawat berarus diletakkan dalam medan magnetik akan
menimbulkan gaya magnetik oleh gerakan elektron.
Arus listrik dan medan magnetik tidak dapat dipisahkan. Dimana arus
listrik tidak dapat dilihat sebagai penyebab timbulnya medan magnet. Seperti
halnya tegangan sebagai penyebab timbulnya arus listrik. Medan magnet
mengambil tempat mengelilingi penghantar beraliran listrik dengan membentuk
lingkaran-lingkaran konsentris ke luar semakin besar. Artinya kerapatan fluks
magnet semakin kecil dengan semakin besarnya jarak dari sumbu penghantar,
dimana harga arus listrik panjang kawat dan kuat medan magnet mempengaruhi
besarnya gaya magnet (gaya Lorentz).
Kenyataan bahwa kita mengaitkan medan ini dengan sebuah muatan
sekelompok muatan lainnya. Hubungan antara medan magnet konstan dengan
sumbernya secara signifikan lebih kompleks dibandingkan dengan hubungan
antara medan elektrostatik dengan sumbernya (Hayt dan Buck terjemahan
Harmein 2006:203).
Kita mendefinisikan ruang di sekitar sebuah magnet atau di sekitar sebuah
penghantar yang mengangkut arus sebagai tempat medan magnet, sama seperti
kita telah mendefinisikan ruang di dekat sebuah tongkat bermuatan sebagai tempat
medan listrik. Vektor medan magnet dasar B, yang kita definisikan, dinamakan induksi magnet. Kita dapat menyatakan induksi magnet dengan garis-garis induksi
(Halliday dan Resnick terjemahan Silaban 1984:251).
Hubungan gaya magnet menghasilkan gaya gravitasi suatu benda karena
beratnya sendiri. Jadi berat benda tidak lain adalah gaya gravitasi bumi yang
bekerja pada suatu benda. Massa adalah ukuran banyaknya zat yang dikandung
oleh suatu benda, dimana massa tersebut tidak bergantung pada tempat
dipermukaan bumi. Jadi karena gaya gravitasi pada suatu benda agak berubah
sedikit dari suatu tempat ke tempat yang lainnya, sedangkan massanya tetap,
maka faktor percepatan gravitasi g yang berubah dari tempat yang satu ke tempat
yang lain di permukaan bumi.
Besarnya nilai percepatan gravitasi bumi di atas permukaan bumi
bergantung pada letak posisi garis lintang dan garis bujur permukaan bumi.
Dengan kata lain karena bentuk bumi tidak bulat seperti bola, maka besarnya
gravitasi tidaklah sama disemua tempat di permukaan bumi. Dalam penelitian ini
akan ditentukan nilai percepatan gravitasi laboratorium pada kumparan (koil)
dalam hal ini sebagai penghantar muatan listrik, yang nantinya akan menghasilkan
induksi magnet. Untuk menyelidiki besarnya nilai percepatan gravitasi tersebut
maka digunakan peralatan neraca arus. Fungsi dari neraca arus ini yaitu untuk
mengkalibrasi nilai perubahan massa akibat perpindahan muatan pada koil
(penghantar). Besarnya nilai perubahan massa yang diperoleh bergantung pada
variasi nilai kuat arus listrik begitu pula dengan nilai induksi magnet yang
dihasilkan. Perolehan nilai percepatan gravitasi laboratorium dengan neraca arus
laboratorium dengan peralatan bandul sederhana menggunakan metode grafis
serta dari hasil penelitian yang nantinya akan dicapai dapat menentukan diantara
kedua peralatan yang digunakan ini manakah yang memiliki nilai percepatan
gravitasi laboratorium mendekati nilai literatur percepatan gravitasi bumi.
Besarnya harga g di atas permukaan bumi tergantung pada letak posisi
garis lintang dan garis bujur permukaan bumi. Karena bumi tidak bulat seperti
bola maka besarnya g disuatu tempat di permukaan bumi tidaklah sama
(Pandiangan, 2008:23-24). Cara yang paling sederhana yang dapat digunakan
untuk menentukan nilai percepatan gravitasi bumi di suatu tempat adalah dengan
percobaan bandul sederhana, secara skema disajikan pada gambar 4. Bandul
sederhana terdiri dari sebuah massa kecil (m) yang digantung dengan tali yang
tidak memanjang dan beratnya diabaikan (Tjasyono, 2006:112).
METODE PENELITIAN
Dari nilai-nilai kuat medan magnet, pergeseran massa, panjang tali dan
periode osilasi sebuah bandul yang telah diperoleh, maka penentuan nilai
percepatan gravitasi laboratorium pada kedua peralatan dapat ditentukan sebagai
berikut :
a. Neraca Arus
Dari persamaan (01) : B g m l I
berdasarkan persamaan linear grafik (garis lurus) : y .x, dimana
B sebagai sumbu y(merupakan variabel terikat) dan m
i
sebagai
sumbu x (variabel bebas), serta g l
sebagai gradien grafiknya
( )
Karena, m maka nilai percepatan gravitasi laboratorium (g) pada persamaan
(01) dan persamaan (03) dapat ditentukan dengan metode grafik menggunakan
persamaan berikut :
. ; .
g x g m x (04)
Ralat Perhitungan
Berdasarkan nilai percepatan gravitasi lab yang telah diperoleh maka
2 2
Berdasarkan persamaan (17) karena,
2
Hasil-hasil pengambilan data sesuai lampiran 1 dan lampiran 2 dianalisis
secara grafik untuk mendapatkan percepatan gravitasi (g) laboratorium pada
masing-masing tipe kumparan. Data dalam lampiran 1, selanjutnya dibentuk
grafik hubungan antara kuat medan magnet B (tesla) sebagai ordinat (y) dan
sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 01 hingga Gambar 06 pada peralatan
-5E-05 1E-18 5E-05 0,0001 0,00015 0,0002 0,00025 0,0003
B
-5E-05 1E-18 5E-05 0,0001 0,00015 0,0002 0,00025 0,0003
Gambar 3. Grafik B vs (mi-m0)/I untuk koil tipe SF-39
Gambar 4. Grafik B vs (mi-m0)/I untuk koil tipe SF-40
y = 108,5x + 0,034
0,0000000 0,0100000 0,0200000 0,0300000 0,0400000 0,0500000 0,0600000
-5E-05 1,1E-18 5E-05 0,0001 0,00015 0,0002 0,00025 0,0003
B
,
(t
e
s
la
)
[(mi-mo)/ I], (kg/ ampere)
y = 115,7x + 0,033
0,0000000 0,0100000 0,0200000 0,0300000 0,0400000 0,0500000 0,0600000 0,0700000
-5E-05 1,3E-18 5E-05 0,0001 0,00015 0,0002 0,00025 0,0003
B
,
(t
e
s
la
)
Gambar 5. Grafik B vs (mi-m0)/I untuk koil tipe SF-41
Gambar 6. Grafik B vs (mi-m0)/I untuk koil tipe SF-42
Sedangkan untuk mendapatkan nilai percepatan gravitasi (g) laboratorium
pada set-up peralatan bandul sederhana, data pada lampiran 2 selanjutnya dibuat
y = 108,4x + 0,006
0,0000000 0,0100000 0,0200000 0,0300000 0,0400000 0,0500000 0,0600000 0,0700000
0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006
B
,
(t
e
s
la
)
[(mi-mo)/ I], (kg/ ampere)
y = 94,61x + 0,012
0,0000000 0,0100000 0,0200000 0,0300000 0,0400000 0,0500000 0,0600000 0,0700000
0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006
B
,
(t
e
s
la
)
grafik hubungan antara periode osilasi T sekon( 2)sebagai ordinat (y) dan variasi
panjang tali l meter( )sebagai absis (x) sebagaimana disajikan pada gambar 07.
Gambar 7. Grafik T2 (Y) vs l (X) untuk bandul sederhana
Berdasarkan Gambar 1-7, dapat dihitung nilai percepatan gravitasi
laboratorium secara grafis dengan menggunakan peralatan neraca arus dan bandul
sederhana seperti yang disajikan pada Tabel 1 berikut.
Tabel 1. Perhitungan percepatan gravitasi laboratorium secara grafis
Tipe Koil
Percepatan gravitasi laboratorium g m s( / 2) Kemiringan
(slope)
Neraca arus Kemiringan (slope)
Bandul sederhana
SF-37 130,200 9,8950,0651
4,023 9,8105 0,0001 SF-38 91,720 9,9060,0458
SF-39 108,500 9,7650,0542 SF-40 115,700 9,9500,0578 SF-41 108,400 9,7560,542
SF-42 94,610 9,9340,0473
Berdasarkan data pada Tabel 1 diatas dapat dilihat bahwa hasil perhitungan
secara grafis untuk memperoleh nilai percepatan gravitasi bumi (g) dengan neraca
dipengaruhi oleh variasi nilai kuat medan magnet dan nilai kuat arus serta
pergeseran massa koil sehingga nilai percepatan gravitasi laboratorium yang
diperoleh juga bervariasi. Dari data pada Tebel 1 nilai percepatan gravitasi
minimum(gmin)dengan neraca arus pada tipe koil SF-41 adalah (9,7560,542) 2
/
m s sedangkan percepatan gravitasi maksimum (gmax) adalah (9,9500,0578)
2 /
m s pada tipe koil SF-40 panjang kedua koil tersebut antara lain SF-40 adalah 0,086 m dan SF-41 adalah 0,09 m.
Dari data pada Tabel 1 nilai percepatan gravitasi laboratorium dengan
neraca arus adalah (9,895 0,0651) m s/ 2 pada panjang koil 0, 076 m. Contoh perhitungannya disajikan pada Lampiran 3. Sesuai hasil yang diperoleh, nilai
percepatan gravitasi laboratorium pada tipe koil SF-37 mendekati literatur
percepatan gravitasi bumi dengan presentasi dibawah 10 %.
Panjang koil l merupakan sebuah vektor yang besarnya menyatakan
panjang kawat dan yang mengarah sepanjang kawat lurus di dalam arah arus.
Untuk mendapatkan panjang penghantar dari masing-masing koil maka terlebih
dahulu diukur panjang setiap penghantar. Dimana panjang penghantar terbesar
adalah 0,108 m pada tipe koil SF-38 dan panjang penghantar terkecil adalah
0,076 m pada tipe koil SF-37.
Nilai percepatan gravitasi laboratorium dengan bandul sederhana sesuai
data pada Tabel 1 adalah (9,8105 0,0001) m s/ 2. Besar kecilnya perolehan nilai percepatan gravitasi bumi dengan bandul sederhana bergantung pada variasi
panjang tali dan periode osilasi yang dihasilkan, begitu juga sebaliknya. Secara
grafis nilai percepatan gravitasi dengan bandul sederhana dapat dilihat pada
Gambar 17 dengan kemiringan (slope) adalah 4,023. Contoh perhitungannya
disajikan pada Lampiran 2.
Perbandingan nilai percepatan gravitasi bumi antara neraca arus dengan
bandul sederhana seperti pada Tabel 1 di atas menunjukan bahwa hasil yang
mendekati literatur percepatan gravitasi bumi adalah dengan menggunakan
peralatan bandul sederhana. Hal ini dikarenakan nilai percepatan gravitasi
periode osilasi yang dihasilkan. Karena periode osilasi bandul sederhana
berbanding linear dengan panjang tali sehingga dalam penelitian ini perlu
dilakukan dengan hati-hati atau membutuhkan ketelitian yang tinggi agar hasil
penelitian yang diperoleh tidak menyimpang jauh dari hasil yang diinginkan.
Secara umum dengan cara manual menentukan nilai percepatan gravitasi bumi (g)
dengan bandul sederhana ini, adalah cukup teliti jika dipenuhi syarat-syarat
berikut ini antara lain :
1. Tali jauh lebih ringan dengan bola ata bandul.
2. Simpangan harus 150.
3. Gesekan antara tali dengan udara harus sangat kecil, sehingga dapat
diabaikan.
4. Tali penggantung bola atau bandul tidak boleh mengalami punturan,
sehingga gaya puntiran diabaikan.
Sedangkan perolehan nilai percepatan gravitasi laboratorium dengan neraca
arus bergantung pada nilai kuat medan magnet, perubahan massa dan variasi nilai
kuat arus listrik. Jika kuat arus dinaikan maka nilai kuat medan magnet akan
semakin bertambah sehingga perubahan massa koil saat dialiri arus listrik akan
bertambah dari massa mula-mula, akibat perpindahan muatan-muatan yang
bergerak. Karena kuat arus listrik yang mengalir pada koil menimbulkan induksi
magnet sehingga terjadi induksi magnet pada tipe koil yang berbeda-beda maka
perolehan nilai percepatan gravitasi laboratorium secara grafis dengan neraca arus
yang ditampilkan pada gambar 11-16 juga mengalami fluktuasi. Dengan kata lain
nilai percepatan gravitasi laboratorium dengan neraca arus bergantung pada nilai
kuat medan magnet yang diperoleh sesuai variasi nilai kuat arus listrik. Jika nilai
kuat medan magnet yang dideteksi besar, maka nilai percepatan gravitasi
laboratorium dengan neraca arus akan semakin mendekati literatur percepatan
gravitasi bumi ( )g adalah 2
9,80665m s . Perlu diperhatikan pada penggunaan / peralatan neraca arus ini, pengambilan data kuat medan magnet oleh alat sensor
harus lebih teliti dan hati-hati dalam meletakan alat sensor tersebut sesuai posisi
atau arah medan magnet pada magnet parmanen yang dipakai. Jika tidak demikian
yang diinginkan akan menyimpang jauh dari nilai literatur percepatan gravitasi
bumi. Faktor ketinggian ( )h tidak mempengaruhi nilai percepatan gravitasi laboratorium dengna neraca arus karena penelitian dilakukan pada medan magnet
tetapi sangat mempengaruhi jka penelitian pada medan gravitasi bumi. Sehingga
jelas bahwa nilai gravitasi bumi sangat bergantung pada tinggi rendahnya tempat
di permukaan bumi.
DAFTAR PUSTAKA
Dipdjono Hermawan K. Ph.D., 2008. Catatan Kuliah TF 2204. Medan
Eelektromagnetika.,. ITB, Bandung.
Hayt.W & Buck. J., 2006, Terjemahan Irzam. Harmein. Elektromagnetika.
Erlangga, Jakarta.
Halliday. D & Resnick. R., 1984, Terjemahan Pantur.Silaban. 1984. Fisika Dasar
Untuk Universitas Jilid 2., Erlangga, Ciracas Jakarta.
Pandiangan. P., 2008, Praktikum Fisika II. Universitas Terbuka, Jakarta.
Tjasyono. B. H. 2006. Ilmu Kebumian Dan Antariksa. Program Pascasarjana
