i
SKRIPSI
HALAMAN JUDULDiajukan kepada Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Ahmad Dahlan di Yogyakarta
untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Guna Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan
Oleh I
Irrnniinn AAgguussttiinnaa DDwwii AAssttuuttii 08007072
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS AHMAD DAHLAN YOGYAKARTA
ii
D
D
E
E
N
N
G
G
A
A
N
N
M
M
E
E
T
T
O
O
D
D
E
E
S
S
I
I
M
M
P
P
A
A
N
N
G
G
A
A
N
N
K
K
U
U
M
M
P
P
A
A
R
R
A
A
N
N
S
S
O
O
L
L
E
E
N
N
O
O
I
I
D
D
A
A
B
B
E
E
R
R
A
A
R
R
U
U
S
S
L
L
I
I
S
S
T
T
R
R
I
I
K
K
Yang dipersiapkan dan disusun oleh
I
IrrnniinnAAgguussttiinnaaDDwwiiAAssttuuttii
08007072
telah disetujui oleh
Dosen Pembimbing Skripsi Program Studi Pendidikan Fisika Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan
Universitas Ahmad Dahlan di Yogyakarta dan dinyatakan telah memenuhi
syarat untuk diujikan
ERSETUJUAN Dosen Pembimbing
iii
S
S
O
O
L
L
E
E
N
N
O
O
I
I
D
D
A
A
B
B
E
E
R
R
A
A
R
R
U
U
S
S
L
L
I
I
S
S
T
T
R
R
I
I
K
K
yang dipersiapkan dan disusun oleh
I
IrrnniinnAAgguussttiinnaaDDwwiiAAssttuuttii
08007072
telah dipertahankan di depan
Panitia Ujian Skripsi Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Ahmad Dahlan di Yogyakarta pada tanggal 11 Juli 2012
dan dinyatakan telah memenuhi syarat guna memperoleh gelar Sarjana Pendidikan Fisika
SUSUNAN PANITIA UJIAN SKRIPSI
Ketua Penguji I Penguji II : : :
Dr. Moh. Toifur, M.Si. Dr. Widodo, M.Si. Drs. Ishafit, M.Si. ………. ………. ………. Yogyakarta, 13 Juli 2012
Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Ahmad Dahlan
Dekan
Drs. Ishafit, M.Si. NIY 60910098
iv
Bismillahirrahmanirrahim Yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama NIM Program Studi Fakultas PTS : : : : :
IRNIN AGUSTINA DWI STUTI 08007072
Pendidikan Fisika
Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Ahmad Dahlan
menyatakan bahwa karya ilmiah berjudul Penentuan Kuat Kutub Magnet
Batang Dengan Metode Simpangan Kumparan Solenoida Berarus Litrik ini
adalah hasil pekerjaan saya sendiri dan sepanjang pengetahuan saya, tidak berisi materi yang ditulis oleh orang lain sebagai persyaratan penyelesaian studi di perguruan tinggi ini atau perguruan tinggi lain kecuali bagian-bagian tertentu yang saya ambil sebagai acuan dengan mengikuti tata cara dan etika penulisan karya ilmiah yang lazim.
Apabila ternyata terbukti bahwa pernyataan ini tidak benar, hal tersebut sepenuhnya menjadi tanggung jawab saya.
Yogyakarta, 13 Juli 2012 Penulis
v
mewujudkan mimpimu…….
“Sesungguhnya allah tidak akan merubah keadaan suatu kaum sehingga mereka merubah keadaan yang ada pada diri mereka sendiri” (Surat Ar-r’ad :11)
Ketika suatu saat kamu jatuh maka jangan sekali-kali kamu mengharap ada orang lain yang menolongmu, tapi berusahalah bangkit dengan tangan dan kakimu sendiri... MOTTO
vi
Dengan rasa syukur alhamdulillah karya ini ku persembahkan untuk:
Ayah dan ibu tercinta (H. Majlis, S.Pd dan Hj. Khadriyah) yang selalu memberikan
do’a, kasih sayang serta bimbingan dan pengorbanan yang tiada henti baik secara morill maupun materill.
Kakanda tersayang (Arif Mukamal, S.Pd) yang selalu memberikan motivasi dan
menjadi contoh yang baik.
Keluarga besarku di purbalingga
Teman terbaikku dalam suka dan duka (angga) yang setia memberikan motivasi dan
kasih sayangmu selama ini
Teman-teman pendidikan fisika ’08 (tunut, ijul, tyas, rizki, dani) terimakasih atas
vii
Segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis mampu mengahadapi semua rintangan dan tantangan hingga selesainya skripsi ini yang berjudul “Penentuan Kualitas Magnet Batang Dengan Metode Simpangan Kumparan Solenoida Berarus Listrik”. Karya yang sederhana ini adalah salah satu syarat untuk memperoleh gelar kesarjanaan S-1 pada program studi pendidikan fisika fakultas keguruan dan ilmu pendidikan Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta.
Kesempurnaan manusia terletak pada ketidakmampuannya untuk hidup sendiri. Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini tidak terlepas dari bimbingan, bantuan, dan dorongan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, melalui kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada :
1. Drs. Kasiyarno, M.Hum., selaku Rektor Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta.
2. Drs. H. Ishafit, M.Si, sebagai dekan FKIP UAD atas ijin yang diberikan kepada penulis untuk melakukan penelitian ini.
3. Dian Artha K, M.Pd.Si, selaku Ketua Program Studi Pendidikan Fisika Universitas Ahmad Dahlan, terimakasih atas segala nasehat dan bantuan yang diberikan kepada penulis dalam menyelesaikan penelitian ini.
4. Dr. Moh. Toifur, M.Si sebagai dosen pembimbing yang telah memberikan banyak masukan dan membimbing penulis dengan penuh rasa kesabaran yang diberikan. Semoga karya yang juga merupakan bagian penelitian dari
viii menyimaknya.
5. Bapak Rachmad Resmiyanto, M.Si, yang telah menyumbangkan ide dan sarannya.
6. Bapak/ Ibu Dosen Pendidikan Fisika beserta jajarannya yang telah memberikan pengetahuan dan wawasan kepada penulis.
7. Teman-teman seperjuangan Pendidikan Fisika terutama angkatan 2008 atas kebersamaan, semangat dan bantuan kalian selama kuliah sampai tersusunnya skripsi ini.
8. Bapak Santoso, Bapak Edi dan semua staf laboratorium Fisika Dasar UAD atas bantuan dan saran-sarannya selama penelitian.
9. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, yang telah memberikan bantuan dalam pelaksanaan penelitian dan penyusunan skripsi ini.
Semoga Allah SWT senantiasa memberikan rahmat dan karunia atas semua jasa dan kebaikan yang diberikan. Penulis menyadari, bahwa dalam penelitian ini masih jauh dari kesempurnaan, sehingga penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun demi perubahan yang lebih baik untuk skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis, pembaca dan bidang pendidikan pada umumnya.
Yogyakarta, 27 Juni 2012
ix
HALAMAN JUDUL………... i
HALAMAN PERSETUJUAN………... ii
HALAMAN PENGESAHAN………... iii
HALAMAN PERNYATAAN... iv
HALAMAN MOTTO………... v
HALAMAN PERSEMBAHAN………... vi
KATA PENGANTAR………... vii
DAFTAR ISI………... ix
DAFTAR TABEL………... xii
DAFTAR GAMBAR………... xiii
DAFTAR LAMPIRAN………... xv
ABSTRAK………... xvi
BAB I PENDAHULUAN………... A. Latar Belakang Masalah………... B. Identifikasi Masalah………... C. Batasan Masalah………... D. Rumusan Masalah………... E. Tujuan Penelitian……… F. Manfaat Penelitian………. G. Definisi Operasional………... 1 1 4 4 5 5 5 6 BAB II KAJIAN PUSTAKA……… 7
x B. Kajian Kependidikan………. 1. Hakikat Fisika………... 2. Metode Eksperimen……….. C. Kajian Keilmuan………. 1. Medan Magnet………. 2. Kutub Magnet dan Garis Gaya Magnet………... 3. Hukum Biot-Savart……….. 4. Intensitas Magnet………. 5. Magnet Permanen………. 6. Interaksi Gaya Antara Dua Magnet……….
9 9 10 11 11 11 13 20 21 25 BAB III METODE PENELITIAN………
A. Waktu dan Tempat Penelitian……… B. Subjek Penelitian……… C. Instrumen Penelitian……….. 1. Alat Penelitian……….. 2. Bahan Penelitian……….. 3. Prosedur Penelitian……….. 4. Desain Penelitian……….. 5. Susunan Rangkaian Alat………... 6. Sistem Perangkat Eksperimen……….. D. Rancangan Penelitian………. E. Metode Penelitian……….. 29 29 29 29 29 31 31 32 33 33 34 34
xi
2. Metode Pengambilan Data……… F. Metode Analisis……….
1. Penentuan Nilai Kuat Kutub Magnet……… 2. Ralat Kuat Kutub Magnet………
34 35 35 36 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN………
A. Desain Alat Penelitian……… B. Hasil Penelitian………... C. Pembahasan……… 39 39 40 44 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN………..
A. Kesimpulan………. B. Saran………..
46 46 46
DAFTAR PUSTAKA………... xviii
xii
Tabel 1. Bahan penelitian... 31 Tabel 2. Nilai a, Sa, qm, dan Sqm ... 45
xiii
Gambar 1 Arah garis gaya magnet... 13
Gambar 2 Interaksi gaya antar kutub-kutub magnet... 13
Gambar 3 Medan magnetik yang ditimbulkan oleh penghantar lurus berarus... 14
Gambar 4 Arah induksi magnetik pada penghantar lurus berarus... 16
Gambar 5 Medan magnetik yang ditimbulkan oleh penghantar melingkar berarus... 16
Gambar 6 Solenoida panjang... 18
Gambar 7 Ilustrasi arah medan magnet pada solenoida... 19
Gambar 8 (a)Batang feromagnetik dililiti kawat berarus... (b)Permukaan gauss... 23 23 Gambar 9 Dipol magnet p=lqm dengan qm kuat kutub... 24
Gambar 10 Gaya antara dua magnet... 25
Gambar 11 Skema hubungan gaya magnet pada solenoida terhadap magnet batang... 27
Gambar 12 Adaptor... 30
Gambar 13 Solenoida... 30
Gambar 14 Gaussmeter... 30
Gambar 15 Jangka sorong... 30
xiv
Gambar 18 Bagan desain alat penelitian... 32 Gambar 19 Alat percobaan... 33 Gambar 20 Desain alat penelitian... 39 Gambar 21 Grafik hubungan arus listrik (A) dan jarak simpangan
pangkat tiga (m3)... 40 Gambar 22 Grafik hubungan arus listrik (A) dan jarak simpangan
pangkat tiga (m3)... 41 Gambar 23 Grafik hubungan arus listrik (A) dan jarak simpangan
pangkat tiga (m3)... 42 Gambar 24 Grafik hubungan arus listrik (A) dan jarak simpangan
pangkat tiga (m3)... 43 Gambar 25 Perbandingan grafik hubungan arus listrik (A) dan jarak
simpangan pangkat tiga (m3) dari tiap magnet
batang... 45 Gambar 26 Diagram perbandingan jenis magnet batang dan kuat
xv
Lampiran 1 Data pengukuran arus listrik dan dengan jarak
simpangan pangkat tiga... 49
Lampiran 2 Grafik hubungan arus listrik dengan jarak simpangan pangkat tiga... 50
Lampiran 3 Menentukan kuat kutub magnet batang... 52
Lampiran 4 Menentukan ralat a... 56
Lampiran 5 Menentukan ralat kuat kutub magnet batang... 60
Lampiran 6 Modul penentuan kualitas magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik... 62
Lampiran 7 Laporan praktikum penentuan kualitas magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik... 70
xvi Universitas Ahmad Dahlan.
ABSTRAK
Salah satu konsep fisika yang diajarkan di SMA adalah konsep tentang kemagnetan. Pembelajaran yang disampaikan secara teoritis menyebabkan konsep susah dipahami oleh sebagian siswa. Kuat kutub magnet sangat penting dipelajari karena untuk mengetahui kualitas magnet permanen, sehingga mengetahui gaya magnet yang dimiliki oleh magnet permanen tersebut dan mempermudah bereksperimen dengan menggunakan magnet, maka sangat penting untuk mengkaji lebih dalam dengan cara eksperimen.
Alat terdiri dari antara lain, adaptor jenis PAB 18-1, solenoida, penggaris busur, penggaris panjang serta jangka sorong dan gaussmeter jenis GM 04. Bahan yang digunakan adalah empat macam magnet batang yaitu batang A dengan panjang 9,80 cm, batang B dengan panjang 12,13 cm, batang C dengan panjang 16,80 cm dan batang D dengan panjang 7,15 cm. Kuat kutub magnet batang dilakukan dengan menempatkan magnet batang sehingga berinteraksi dengan solenoida kemudian memvariasi arus listrik (i) yang mengalir pada solenoida dan simpangan solenoida (r). Selanjutnya dari data i terhadap r ini dilakukan dengan regresi linier. Kuat magnet ditentukan dari slope grafik.
Nilai kuat kutub magnet batang A, qm (8,190,75)108Am, batang B,
7 10 ) 07 , 0 16 , 1 ( m
q Am, batang C, qm (1,650,19)107Am, dan batang D, qm (4,410,33)107Am. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa alat
dapat bekerja dengan cukup baik, yang ditunjukkan dengan kemampuan alat untuk membedakan kuat kutub magnet berbagai sampel dengan panjang yang berbeda.
xvii
Metode Simpangan Kumparan Solenoida Berarus Listrik”. Skripsi. Yogyakarta : Universitas Ahmad Dahlan.
ABSTRACT
One of the concepts of physics that learned by students are the concept of magnetism. Learning the concept presented about magnetism is theoretically lead to difficult to understand by some students. Strong magnetic poles are very important study because to know the quality of permanent magnets, so knowing which is owned by the magnetic force of permanent magnets and make it easier to experiment with using a magnet, it is important to examine more in the way of experiment.
Instrument consists of, among others, the adapter type PAB 18-1, the solenoid, the bow ruler, long ruler, and the long slide and gaussmeter type GM 04. The materials used were four kinds of magnet bar is length bar A is 9,80 cm, length of bar B is 12,13 cm, length of bar C is 16,80 cm and length of bar D is 7,15 cm. Quality rods made by placing a magnet bar magnet that interacts with the solenoid and then varying the electric current (i) flowing in the solenoid and solenoid deviation (r). The next of data from i to r linear regression was performed. Strong magnet is determined from the slope of the graph.
Strong value of the magnetic pole bar A is qm (8,190,75)108Am, bar B is qm (1,160,07)107Am, bar C is
7 10 ) 19 , 0 65 , 1 ( m q Am, and
bar D is qm (4,410,33)107Am. The result of these experiments is the tool can work quite well, as indicated by the ability of powerful tools to distinguish samples with different magnetic poles of different lengths.
1
A. Latar Belakang Masalah
Fisika adalah salah satu ilmu yang paling dasar dari ilmu pengetahuan (Young dan Freedman, 2001:1). Ilmuwan dari segala disiplin ilmu memanfaatkan ide-ide dari fisika, mulai dari ahli kimia yang mempelajari struktur molekul sampai ahli paleontology. Fisika mempelajari segala benda mati maupun benda hidup yang berhubungan dengan alam. Fisika meliputi hal yang besar dan kecil, yang lama dan yang baru. Dari atom sampai galaksi, dari rangkaian listrik ke aerodinamika, fisika menjadi bagian dari kehidupan kita sehari-hari.
Magnet merupakan bagian dari pokok bahasan fisika yang berperan sangat penting dalam kehidupan sehari-hari, terutama dalam rangkaian proses energi. Di dalam magnet terdapat kawasan atau medan magnet, yaitu medan yang terdapat disekitar kutub magnet atau penghantar yang dialiri arus dielektrik. Melalui medan magnetik bentuk energi mekanik dapat diubah menjadi energi listrik sebagaimana pada alat generator, atau sebaliknya dari bentuk energi listrik dapat diubah menjadi energi mekanik yang disebut motor.
Kini hampir sebagian besar peralatan disekitar kita yang menggunakan magnet. Seperti generator pembangkit listrik, motor, televisi,
tape recorder, hingga telepon seluler. Alat-alat semacam itu bekerja dengan memanfaatkan efek magnetik pada listrik dinamis. Sedemikian beragamnya pemanfaatan magnet dalam setiap peralatan yang sering kita gunakan, sehingga penting bagi kita untuk memahami konsep kemagnetan itu sendiri.
Salah satu diantara konsep fisika yang diajarkan siswa adalah konsep tentang kemagnetan. Pembelajaran yang disampaikan secara teoritis menyebabkan konsep susah dipahami oleh sebagian siswa. Sampai saat ini, pembelajaran fisika di sekolah-sekolah lebih diwarnai oleh pendidikan yang menitikberatkan pada pembelajaran konvensional (metode ceramah) sehingga kurang mampu merangsang siswa untuk terlibat aktif dan mengeluarkan ide-ide atau kemampuan berpikir dalam proses pembelajaran. Oleh karena itu perlu adanya pembelajaran yang efektif untuk mengarahkan siswa menjadi paham tentang konsep medan magnet. Medan magnet adalah daerah di sekitar magnet dimana masih ada pengaruh gaya magnet. Gaya magnetik dapat ditimbulkan oleh benda-benda yang bersifat magnetik dan juga arus listrik yang bergerak.
Dalam eksperimen fisika magnet permanen yang digunakan dalam penelitian biasanya menggunakan magnet batang, dikarenakan magnet batang mempunyai garis gaya magnet yang paling kuat dari pada magnet jenis lainnya. Contoh penelitian yang menggunakan magnet batang adalah penentuan medan magnet bumi dan penentuan percepatan gravitasi bumi. Kualitas dari magnet permanen berbeda-beda tergantung bahan dan penggunaannya, semakin sering digunakan maka kualitasnya semakin
menurun. Magnet dapat menarik benda lain, beberapa magnet bahkan tertarik lebih kuat dari yang lain yaitu bahan logam.namun tidak semua logam mempunyai daya tarik yang kuat terhadap magnet. Kekuatan magnet itu akan hilang jika dipanaskan dan dipukul.
Magnet dapat dibuat dari campuran besi, baja atau campuran logam lain. Sebuah magnet memiliki magnet-magnet kecil yang memiliki arah yang sama (tersusun teratur) yang disebut magnet elementer. Pada logam yang bukan magnet, magnet elementernya tersusun tidak terarur sehingga mengakibatkan tidak adanya kutub-kutub magnet pada ujung logam. Kutub magnet adalah ujung magnet yang mempunyai gaya paling kuat. Kekuatan kutub sebuah magnet sama besarnya, semakin ke tengah maka kekuatannya semakin berkurang. Keabstrakan konsep kemagnetan dan kuat kutub magnet mulai saat ini sudah harus dikikis karena dengan percobaan sederhana yang dilengkapi alat ukur yang dibutuhkan maka sudah dapat memberikan gambaran yang jelas tentang kuat kutub magnet ini.
Kuat kutub magnet sangat penting dipelajari karena untuk mengetahui kualitas magnet permanen, sehingga mengetahui gaya magnet yang dimiliki oleh magnet permanen tersebut dan mempermudah bereksperimen dengan menggunakan magnet. Oleh karena itu, peneliti tertarik untuk mengkaji lebih dalam dan melakukan penelitian tersebut dengan judul “Penentuan Kualitas
Magnet Batang Dengan Metode Simpangan Kumparan Solenoida Berarus Listrik ”.
Dalam penelitian ini akan mendapatkan konsep kuat kutub magnet yang dipelajari secara eksperimen. Pengukuran kuat kutub magnet permanen dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan gaussmeter. Cara ini memang sederhana tetapi memberikan hasil yang kurang teliti dan biayanya cukup mahal. Oleh karena itu dengan adanya penelitian ini bisa memberikan referensi mengenai nilai kuat kutub magnet batang yang diukur secara langsung untuk dibandingkan secara eksperimen dengan alat yang cukup sederhana dan murah.
B. Identifikasi Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah diatas, maka diidentifikasi beberapa masalah yaitu:
1. Keabstrakan konsep kemagnetan dan kuat kutub magnet.
2. Bagaimana nilai kekuatan kutub magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik.
3. Pembuatan alat eksperimen untuk menentukan nilai kuat kutub magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik.
C. Batasan Masalah
Berdasarkan latar belakang dan identifikasi masalah, maka penelitian ini hanya dibatasi pada penentuan kuat kutub magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik.
D. Rumusan Masalah
1. Apakah penentuan kuat kutub magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik bisa dianalisis menggunakan alat sederhana?
2. Berapa nilai kekuatan kutub magnet pada berbagai macam magnet batang yang diukur dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik?
3. Apakah model eksperimen ini bisa dijadikan acuan untuk membuat modul praktikum penentuan kekuatan kutub magnet pada berbagai macam magnet di SMA?
E. Tujuan Penelitian
1. Mendesain alat percobaan sederhana untuk memahami konsep kuat kutub magnet permanen.
2. Menentukan nilai kuat kutub magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik.
3. Membuat modul praktikum penentuan kuat kutub magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik di SMA.
F. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi yang berguna diantaranya adalah:
1. Penelitian ini dapat bermanfaat dalam pembelajaran fisika tentang konsep kuat kutub magnet permanen yang dilakukan secara eksperimen.
2. Memberikan informasi kepada calon guru fisika maupun guru fisika bahwa hasil penelitian ini dapat dijadikan sebagai sumber alternatif belajar fisika bagi siswa SMA.
G. Definisi Operasional 1. Medan magnet
Medan magnet adalah daerah di sekitar magnet yang masih ada pengaruh gaya magnet (Suharyanto, 2009: 113).
2. Gaya magnet
Gaya magnet adalah tarikan atau dorongan yang disebabkan oleh magnet dan bekerja antar arus listrik (Suharyanto, 2009: 124).
3. Permeabilitas
Permeabilitas adalah sifat bahan magnetik yang dapat memperbesar kerapatan fluks (Mangunwiyoto,1982: 17).
4. Kuat kutub magnet
Kuat kutub magnet adalah ujung magnet yang mempunyai gaya paling kuat (Sutrisno dan Tan Ik Gie, 1983: 114).
5. Intensitas magnet
Intensitas magnet atau kuat medan magnet adalah bilangan perbandingan rapat fluks magnetik di ruang hampa udara dan permeabilitas ruang tersebut (Mangunwiyoto,1982: 16).
7 A. Kajian Penelitian Terdahulu
Endang S. Baronani dan Dedy (2000) dalam penelitiannya tentang “Pengukuran Magnet Keras dengan Menggunakan Parmagraph C” diperoleh bahwa dalam percobaannya menunjukkan bahwa untuk magnet AlNiCo tidak cukup memberikan megnitisasi jenuh yang seharusnya dengan permagraph bisa memberikan magnetisasi sebesar 2 Tesla.
Mitra Djamal dkk (2007) dalam penelitiannya tentang “ Desain Awal Elemen Sensor Fluxgate Berbasis Teknologi Printed Circuit Boards” menjelaskan bahwa karakteristik sensor Printed Circuit Boards (PCB) menggunakan solenoida di ruang Faraday. Brdasarkan hasil penelitian sensor ini memiliki sensitivitas sensor 352,5 mV/µT dengan kuat medan magnet pada daerah kerja -1,9968µT hingga +1,9968µT dengan kesalahan absolut 0,108247µT dan kealahan relatif 2,76%.
Dalam penelitian yang dilakukan oleh Mitra Djamal dkk (2007) tentang “ Sensor Magnetik Fluxgate, Karakteristik, dan Aplikasinya” menunjukkan bahwa sensor magnetik fluxgate dapat mengukur beberapa aplikasi, diantaranya yaitu untuk mengukur kuat medan magnet lemah, kuat arus dan jarak. Hasil penelitian diperoleh sensor ini dapat mengukur medan magnet lemah pada daerah -20µT sampai +20µT dengan ketelitian 20nT dan
kesalahan relatif 2,76%. Untuk pengukuran jarak mampu mengukur hingga jarak 5 mm dengan resolusi 10µm dan kesalahan relatif 3,4%. Sedangkan untuk pengukuran kuat arus, fluxgate magnetometer mampu melakukan pengukuran arus (0 mA hingga 1900 mA) dengan kesalahan relatif 4,6%.
Dalam penelitian yang dilakukan oleh Novrita Indrayani dkk (2007) tentang “Pembuatan Magnet Permanen Bonded Hybrid Untuk Aplikasi Generator Kecepatan Rendah” menjelaskan bahwa hasil pengukuran dengan permagraph, didapat nilai induksi remanen (Br) = 1,10 kG, koersivitas (Hc) = 5,667 KOe, kuat medan maksimum (BHmax) = 3,70 MGOe, sedangkan dengan Gauss Meter Yokogawa didapat nilai Br sebesar 820 Gauss. Magnet hasil penelitian ini memiliki kualitas yang baik sehingga dapat diaplikasikan pada generator magnet permanen kecepatan rendah.
Penelitian sederhana yang sering dilakukan pada percobaan fisika untuk mengetahui interaksi antar kutub yaitu dengan cara mengikat magnet batang di tengah-tengah yang digantungkan pada statif, setelah dalam keadaan seimbang, kemudian dekati kutub magnet batang tersebut dengan kutub sejenis magnet yang lain. Hasil percobaan menjelaskan bahwa jika kedua magnet batang kutubnya senama akan saling menolak tetapi jika kutubnya berbeda akan saling menarik. Pada saat dua magnet terpisah jarak yang jauh, belum terasa adanya gaya tarik atau gaya tolak. Makin dekat kedua magnet, makin terasa kuat gaya tarik atau gaya tolaknya. Pada dua kutub magnet yang tak sejenis, garis-garis gaya magnetnya keluar dari kutub utara dan masuk ke
kutub selatan magnet lain. Itulah sebabnya dua kutub magnet yang tidak sejenis saling tarik-menarik.
B. Kajian Kependidikan 1. Hakikat fisika
Fisika merupakan salah satu bagian dari Ilmu Pengetahuan Alam atau dikenal dengan sains.Pada umumnya sains merupakan batang tubuh informasi keilmuan dalam artian semua keilmuan dapat dinyatakan sebagai sains (Supriyadi, 2010:1). Sains berasal dari kata latin‘scientia’ yang berarti pengalaman. Dengan kata lain, sains merupakan pengetahuan yang diperoleh dari pengamatan, studi, dan eksperimen. Sedangkan menurut Foster (2004:2) Fisika adalah ilmu yang mempelajari gejala-gejala alam dan benda-benda mati.Perkembangan ilmu fisika saat ini sudah merambat ke banyak bidang teknologi.
Fisika adalah pelajaran tentang kejadian alam yang memungkinkan penelitian dengan percobaan, pengukuran apa yang didapat, penyajian secara matematis, dan berdasarkan peraturan-peraturan umum (Druxes dkk, 1986: 3). Pengetahuan tentang fisika sebagai ilmu dan artinya dalam masyarakat kita, merupakan inti isi pendidikan pengajar fisika. Fisika menguraikan dan menganalisa struktur dan peristiwa-peristiwa dalam alam, teknik, dan dunia sekeliling kita. Jadi secara keseluruhan fisika dapat dianggap sebagai ilmu pengetahuan yang berusaha menguraikan serta menjelaskan hukum-hukum alam dan kejadian-kejadian dalam alam dengan gambaran menurut pemikiran manusia.`
Dengan demikian, pada hakikatnya sains atau fisika merupakan ilmu pengetahuan tentang gejala alam yang dituangkan berupa fakta, konsep, prinsip dan hukum yang teruji kebenarannya dan melalui suatu rangkaian kegiatan dalam metode ilmiah.
2. Metode eksperimen
Eksperimen adalah suatu usaha terencana untuk menjawab sebuah pertanyaan dengan membuat suatu kegiatan dibawah kondisi-kondisi terkontrol (Ishafit, 1998:1). Sedangkan menurut Tim Praktikum Fisika Dasar (2010:4), eksperimen ilmiah umumnya didominasi oleh observasi dalam wujud aktivitas pengukuran dan analisis data. Tujuannya antara lain verifikasi model teoritis (rumus) yang telah ada, atau mencari dan menentukan konstanta fisika. Hasilnya dapat digunakan sebagai umpan balik bagi model teori tersebut.Teori yang baik harus dapat menjelaskan gejala-gejala alam, bahkan lebih dari itu harus dapat meramalkan berbagai gejala baru yang perlu diuji dengan eksperimen-eksperimen baru.
Tahapan dari pelaksanaan eksperimen tersebut dikenal sebagai proses ilmiah atau metode ilmiah. Metode ilmiah adalah suatu metoda yang dilaksanakan dengan aturan dan prinsip ilmu pengetahuan yang tepat yaitu suatu cara sistematis dan sesuai yang digunakan untuk memperoleh suatu keilmuan. Pembelajaran dengan metode eksperimen meliputi tahap-tahap sebagai berikut:
1) Merumuskan Masalah
3) Merencanakan Sebuah Eksperimen 4) Melaksanakan Eksperimen 5) Menganalisis Data 6) Menyusun Kesimpulan C. Kajian Keilmuan 1. Medan magnet
Medan magnet adalah suatu daerah di sekitar magnet di mana masih ada pengaruh gaya magnet. Seperti pada gaya listrik, kita menganggap gaya magnetik tersebut dipindahkan oleh sesuatu, yaitu medan magnetik. Muatan yang bergerak menghasilkan medan magnetik danmedan ini selanjutnya memberikan suatu gaya padamuatan bergerak lainnya. Karena muatan bergerakmenghasilkan arus listrik, interaksi magnetik dapat jugadianggap sebagai interaksi di antara dua arus. Kuat dan arah medan magnetik dapat juga dinyatakan oleh garis gaya magnetik. Jumlah garis gaya per satuan penampang melintang adalah ukuran kuat medan magnetik. Adanya medan magnet ini dapat kita tunjukkan dengan menggunakan serbuk besi dan dapat pula menggunakan kompas.
2. Kutub magnet dan garis gaya magnet
Jika magnet batang ditaburi serbuk besi atau paku- paku kecil, sebagian besar serbuk besi maupun paku akan melekat pada kedua ujung magnet. Bagian kedua ujung magnet akan lebih banyak serbuk besi atau paku yang menempel dari pada di bagian tengahnya. Hal itu menunjukkan
bahwa gaya tarik magnet paling kuat terletak pada ujung-ujungnya. Ujung magnet yang memiliki gaya tarik paling kuat itulah yang disebut kutub magnet.
Magnet batang yang tergantung bebas dalam keadaan setimbang, ujung-ujungnya akan menunjuk arah utara dan arah selatan bumi. Ujung magnet yang menunjuk arah utara bumi disebut kutub utara magnet.Sebaliknya, ujung magnet yang menunjuk arah selatan bumi disebut kutub selatan magnet. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Alat yang digunakan untuk menunjukkan arah utara bumi atau geografis disebut kompas. Kompas merupakan magnet jarum yang dapat bergerak bebas pada sebuah poros. Pada keadaan setimbang salah satu ujung magnet jarum menunjuk arah utara dan ujung lainnya menunjuk arah selatan. Magnet mempunyai dua kutub, yaitu kutub utara dan kutub selatan. Fenomena kutub magnet diselidiki pada tahun 1269 oleh de Maricourt. Dalam studinya itu ia mengamati adanya sepasang kutub pada benda magnetik yang merupakan kekuatan gaya terbesar pada magnet. Jika kutub yang sama didekatkan maka akan saling menolak dan jika kutub yang berlainan didekatkan akan saling menarik.
Dari kedua kutub tersebut mengalir garis gaya magnet yaitu dari kutub utara ke kutub selatan. Pada magnet berbentuk U, lintasan yang perlu dilalui oleh garis gaya magnet di udara lebih pendek, maka gaya magnet berbentuk U lebih kuat, seperti yang terlihat pada gambar 1.
Gambar 1. Arah garis gaya magnet
Gaya saling menolak dan saling menarik pada magnet memiliki perbedaan cukup penting dengan gaya antar muatan listrik (gaya Coulomb). Pada magnet utara dan selatan tidak bisa terpisahkan dan selalu berpasangan, sedangkan pada gaya listrik masing-masing muatan (positif dan negatif) bisa terpisah. Sepasang kutub yang senantiasa ada pada magnet elementer dikenal dengan istilah dipol magnet. Sebuah dipole magnet memiliki medan magnet yang arahnya dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet seperti ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Interaksi gaya antar kutub-kutub magnet
3. Hukum Biot-Savart
Setelah penemuan Oersted pada tahun 1819 bahwa jarum kompas dapat dipengaruhi oleh konduktor yang dialiri arus, Jean-Baptiste Biot (1774-1862) dan Felix Savart (1791-1841) melakukan banyak percobaan mengenai gaya yang diberikan oleh arus listrik pada magnet didekatnya. Dari hasil percobaan mereka, Biot dan Savart menemukan suatu
U S
S U S U S U U S
persamaan matematika yang memberikan nilai medan magnet pada suatu titik dalam ruang dengan bentuk arus yang menghasilkan medan tersebut. Percobaan-percobaan yang dilakukan Biot dan Savart menunjukkan bahwa besarnya induksi magnetic adalah sebagai berikut
a. Sebanding dengan kuat arus listrik (i)
b. Sebanding dengan panjang elemen kawat penghantar (dl)
c. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik itu ke elemen kawat penghantar (1/r2)
d. Sebanding dengan sinus sudut apit antara arah arus dan garis penghubung titik itu ke elemen kawat penghantar (sin)
Penerapan hukum Biot-Savart adalah sebagai berikut 1) Medan magnetik di sekitar penghantar lurus berarus
Gambar 3. Medan magnetik yang ditimbulkan oleh penghantar lurus berarus
Pada gambar 3menunjukkan geometri untuk menghitung medan magnetik B di titik P akibat arus dalam potongan kawat lurus seperti yang ditunjukkan. Dalam gambar tersebut terlukis seutas kawat
yang panjangnya tak terhingga dan dialiri arus I. Kuat medan magnetik di P yang ditimbulkan arus pada elemen dl adalah
2 sin r idl k dB (1)
dengan k adalah konstanta yang memenuhi hubungan
4 0 k (2) Sehingga, 2 0 4 sin r Idl dB (3)
Medan magnetik total Bdi titik P karena arus kawat adalah penjumlahan skalar kuat medan magnetik yang ditimbulkan oleh masing-masing elemen. Untuk kawat panjang tak hingga bentuk persamaannya adalah a I B 2 0 (4)
Dengan Bkuat medan magnetik di titik P (Wb/m2 atau T)
0
permeabilitas ruang hampa (T.m/A)
I kuat arus (A)
a jarak titik P ke kawat berarus (m)
Untuk menentukan arah induksi magnetik yang ditimbulkan oleh penghantar lurus berarus dapat ditentukan berdasarkan kaidah
tangan kanan. Pada gambar 4 dijelaskan apabila menggenggam
menunjukkan arah arus listrik, maka arah lengkungan keempat jari lainnya menyatakan arah induksi magnetik.
Gambar 4. Arah induksi magnetik pada penghantar lurus berarus 2) Medan magnetik di sekitar penghantar melingkar berarus
Pada gambar 5 menunjukkan geometri untuk menghitung medan magnetik di titik pada penghantar melingkar berarus yang berjarak x dari pusatnya. Setiap elemen dl tegak lurus vektor r dilokasi elemen manapun, dlr
dl 1 sin90 dl. Semua elemen panjang disekeliling loop ada jarak r yang sama dari A. dimana 2 2 2a x
r . Jadi, besar dB akibat arus dalam setiap elemen panjang dl adalah
2 2
2 4 4 x a dl r r dl l dB o o (5)Gambar 5. Medan magnetik yang ditimbulkan oleh penghantar melingkar berarus
Arah dB adalah tegak lurus bidang yang dibentuk oleh r dan
dx, seperti ditunjukkan pada gambar 5. Kita dapat memecahkan vektor
ini ke dalam komponen dBx sepanjang sumbu x dan komponen dBy yang tegak lurus sumbu x. Ketika komponen dBy dijumlahkan pada seluruh elemen disekitar loop, resultan dari komponennya adalah nol. Artinya dari prinsip simetri, arus dalam elemen manapun pada salah satu sisi loop menghasilkan komponen tegak lurus dari dB yang menghilangkan komponen tegak lurus yang dihasilkan oleh arus yang melewati elemen yang tepat berlawanan dengannya. Jadi, medan resultan di titik A haruslah sepanjang sumbu x dan kita dapat mencarinya dengan mengintegralkan komponen dBx dBcos. Artinya, dBBxi, dimana
2 2 cos 4 cos R x ds i dB B o x (6)Untuk mencari medan magnet total di pusat loop (x=0), maka besar medan magnet di pusat lingkaran menjadi
R i B o 2 (7)
3) Medan magnetik pada solenoida
Sebuah rangkaian solenoidal atau disingkat solenoida adalah rangkaian yang terdiri dari beberapa loop lingkar koaksial dengan jari-jari sama besar dan semuanya mengalirkan arus yang sama. Medan
magnetik dari suatu rangkaian solenoida didapatkan dengan menambahkan medan magnetik dari masing-masing komponen arus melingkar. Medan ini ditunjukkan oleh garis-garis gaya magnetik, dimana beberapa fluktuansi di ruangan antar loop telah diperhalus. Medan solenoida hanya akan dihitung di titik-titik sumbu (Alonso dan Finn, 1994: 234).
Solenoida terdiri dari banyak lilitan koil yang dibentuk menjadi struktur sillindris, seperti ditunjukkan pada gambar 6.Kita asumsikan bahwa solenoida mempunyai N lilitan per meter.
Gambar 6. Solenoida panjang
Tiap lilitan kawat pada soleniodaakan menghasilkan arah medan magnet yang seragam, sehingga didapatkan medan magnet yang kuat di tengah-tengah solenoida. Perubahan arah arus listrik yang mengalir didalam solenoidaakanmemberikan perubahan arah medan magnetik.
(a) (b)
Gambar 7. (a) dan (b) mengilustrasikan arah medan magnet yangterjadi pada solenoida. (b) Solenoida sebelah kiri menunjukkan konsentrasi medanpada tiap segmen, dan gambar kanan mengilustrasikan kekuatan medan magnet dengan gambar soleniod terlihat dari sisi atas.
Menurut Suharyanto dkk (2009) untuk menentukan besarnya induksi magnetik di pusat kumparan solenoida yang panjangnya l dan jumlah lilitan N adalah
i l
N B 0
(8)
Dengan Bkuat medan magnetik di titik P (Wb/m2 atau T)
0
permeabilitas ruang hampa (Wb/Am)
i kuat arus (A)
l panjang solenoida (m)
N jumlah lilitan
Sedangkan besar induksi magnetik di ujung solenoida adalah
i l N B 2 0 (9)
4. Intensitas magnet
Kuat medan magnet (intensitas magnet) adalah bilangan perbandingan rapat fluks magnetik di ruang hampa udara dan permeabilitas ruang tersebut.
o
B H
(10)
Untuk medan magnet dalam kawat lurus, intensitas magnet mempunyai harga a i H 2 (11) Sedangkan kuat medan magnet diselaput tipis
a iN H 2 (12) Kuat medan magnet pada pusat solenoida atau toroida
s
l iN H
(13) Sedangkan pada ujung solenoida
s l iN H 2 (14) Dengan H = kuat medan magnet (A.m-1)
i = kuat arus listrik (A) N = jumlah lilitan
5. Magnet permanen
Berbagai faktor mempengaruhi magnet permanen seperti waktu, temperatur, medan eksternal, dapat mempengaruhi kekuatan magnet permanen. Faktor-faktor inilah yang mempengaruhi pemilihan bahan magnet.
a. Waktu
Magnet permanen zaman dulu seperti magnet yang terbuat dari campuran tembaga dan besi mengalami perubahan metalurgikal seiring perubahan waktu, jika magnet termagnetisasi sebelum perubahannya stabil, maka akan terjadi perubahan flux dikarenakan ketidakstabilan medan magnetnya efek ini mengakibatkan pengurangan medan flux yang diakibatkan faktor perubahan waktu. b. Temperatur
Efek temperatur digolongkan dalam 3 ketegori, antara lain :
Metalurgi (kelogaman), Irreversible,dan Reversible.
1) Perubahan metalurgi dapat diakibatkan terlalu tingginya suhu. Hal ini mengakibatkan perubahan flux yang ekstrim dan kemagnetan tidak dapat dikembalikan dengan cara re-magnetisasi. Perkiraan suhu yang dapat digunakan tanpa mengakibatkan perubahan metalurginya adalah 100o Celcius untuk Lodex.
2) Irreversible diartikan demagnetisasi parsial magnet atau kehilangan
sementara kemagnetannya, diakibatkan perubahan suhu yang terlalu ekstrim (terlalu rendah atau terlalu tinggi), ini dapat
dikembalikan dengan carare-magnetisasi. Metode ideal untuk menstabilkan magnet melawan temperatur adalah dengan menginstalnya dalam rangkaian magnet (medan AC) dengan pertimbangan jika suhu mengakibatkan X% flux hilang maka medan AC harus meremagnetisasi sebesar 2X% flux yang hilang, untuk mengembalikan kembali kemagnetannya.
3) Reversible dapat diakibatkan karena perubahan suhu. Sebagai
contoh jika alnico dipanaskan 1o di atas ambang temperatur maka akan terjadi penyusutan 0,19% flux. Namun flux dan medan magnet akan kembali pada keadaan semua saat suhu mencapai ambang batas suhu normal bahan.
c. Guncangan, getaran, dan getaran
Pengaruh dari guncangan, tekanan, getaran (dibawah batas wajar/tidak mengakibatkan kerusakan fisik magnet) pada sebagian besar magnet permanen kecil kemungkinannya menghilangkan sifat kemagnetan. Tiap karakter bahan magnet memiliki daya tahan berbeda-beda terhadap efek ini.
d. Radiasi
Efek dari radiasi pada bahan magnet permanen bervariasi berdasarkan golongan bahannya. Semua jenis magnet permanen dapat menerima pancaran radiasi hingga 3 x 1017 neutron per cm2 (energi neutron lebih besar dari 0,5 EV) tanpa mengalami perubahan flux. Untuk Alnico dan lodex dapat menerima 2 x 1018 neutron per cm2,
sedikit mengalami penurunan saat menerima radiasi sebesar 3 x 1017 neutron per cm2 meskipun kurang dari 10%.
(a) (b)
Gambar 8. (a) Batang ferromagnetik dililiti kawat berarus. (b) S adalah permukaan gauss
Pada magnet batang atau permanen, seperti terlihat pada gambar 8 yang mempunyai batas ujung dan pangkal intensitas magnet H tidak disebabkan oleh arus konduksi i saja.Intensitas magnetik juga ditimbulkan oleh kutub magnet yang terjadi karena adanya faktor magnetisasi M tegak lurus pada permukaan batas bahan. Hukum gauss untuk medan induksi magnet B yaitu
Bdl 0 (15)Integral diatas samadengan nol karena garis induksi haruslah berbentuk garis lengkungan tertutup. Hal ini disebabkan karena sumber induksi magnet yang paling sederhana adalah cincin arus atau dipol magnet.
Hubungan antara induksi magnet B, magnetisasi M , dan intensitas magnet H M H Bo o (16) i M M dA S S1 M dA S2
Pada integral tertutup pada permukaan gauss sesuai dengan gambar 8 (b), diperoleh persamaan
2 lub 1 s silinder ung se S s MA A d M A d M A d M A d B (17)Gambar 9. Dipol magnet plqmdengan qm kuat kutub
Pada batang magnet sesuai gambar 9, momen magnet total batang haruslah
MdV MV MAl
Pm (18)
Momen dipole ini dapat dibayangkan seolah olah dihasilkan oleh kutub +qm dan -qm pada kedua ujung batang dipol magnet yang dihasilkan adalah Pm lqm. Maka besarnya kuat kutub sesuai dengan persamaan (18) adalah
MA
qm (19)
Dalam satuan MKS, satuan kutub haruslah sama dengan satuan magnetisasi dikalikan luas, sehingga satuan kuat kutub magnet adalah Am. Maka persamaan (19) sama dengan
m
q
HA (20)
Inilah bentuk persamaan gauss untuk intensitas magnet H bila ada kuat kutub. Intensitas magnet H mempunyai 2 komponen. Komponen yang
l
-qm +q
m
ditimbulkan oleh arus i pada lilitan disebut Ho dan komponen yang ditimbulkan kuat kutub qm disebut H1, maka persamaan Hmenjadi
1
H H
H o . Tetapi Hoyang ditimbulkan arus bebas i membentuk garis
gaya tertutup sehingga
H dA0 So
.
Bila kuat kutub berupa titik garis gaya magnet (untuk medan vektor
H) haruslah radial dan homogen. Dengan hukum gauss persamaan (20)
menjadi
S m q r H dA H1 1(4 2) atau r r q H m ˆ 4 2 1 (21)Akibatnya pada ruang sekitar kutub akan timbul medan induksi magnet dengan persamaan r r q H B m o o ˆ 4 2 1 (22)
e. Interaksi gaya antara dua magnet
Gambar 10. Gaya antara dua magnet
Mengacu pada persamaan (22), bila ada magnet disekitarnya dengan kuat kutub qm’ yang terlihat pada gambar 10, maka gaya yang bekerja pada qm adalah r Fm qm’ qm magnet 1 magnet 2
r r q q B q F m m o m ˆ 4 2 ' (23) Dengan:
F = gaya antara kedua magnet ( N) qm = kuat kutub magnet pertama (Am)
qm’= kuat kutub magnet kedua (Am)
r = jarak antara kedua magnet (m)
Benda-benda logam (magnetik) yang berada di sekitar medan magnet tersebut akan mengalami gaya magnetik. Seperti halnya gaya elektrostatik (gaya Coulomb) pada kasus medan listrik, dalam medan magnetik pun terdapat gaya magnetik yang serupa dengan gaya Coulomb. Besar kekuatan magnet didasarkan atas adanya gaya tolak menolak atau gaya tarik menarik di antara kutub magnet yang satu dengan kutub magnet yang lainnya. Menurut hukum Coulomb, besar gaya tarik-menarik atau tolak-menolak kutub berbanding langsung dengan kekuatan kutub-kutub itu dan berbanding terbalik dengan jarak kuadrat antara kutub-kutub dengan kutub yang bersangkutan (sesuai dengan persamaan 23).
Gambar 11 menunjukkan kumparan solenoida yang berosilasi akibat berinteraksi dengan magnet batang. Jika ada kumparan yang dialiri arus listrik akan menimbulkan medan magnet sesuai dengan persamaan (8) dan (9). Antara kumparan dengan magnet batangakan saling berinteraksi dan besarnya gaya magnet dari kumparan akan bertambah jika kedua arah medan searah dan berkurang jika kedua arah medan berlawanan. Besar sudut simpangan θ atau jaraknya tergantung pada arus i. Semakin besar
arus i maka sudut simpangannya dan jaraknya semakin besar, sebaliknya semakin kecil arus i maka sudut simpangan dan jaraknya juga semakin kecil.
Gambar 11. Skema hubungan gaya magnet pada solenoida terhadap magnet batang
Resultan gaya yang bekerja pada sistem
sin
w F
FR m (24)
Dengan Fm merupakan gaya yang dihasilkan antara kedua magnet yang besarnya sesuai dengan persamaan (23).
Jika resultan sama dengan nol (FR=0), maka
sin
w
Fm (25)
Untuk kecil, sin dan Fm sesuai dengan persamaan (25), maka persamaan di atas menjadi
2 ' 4 r q q mg o m m (26) i Fm solenoida Magnet batang w sinθ w cosθ w Fm’
Dengan qm merupakan kuat kutub magnet permanen (magnet batang) dan
qm’ merupakan kuat kutub solenoida yang besarnya sesuai dengan
persamaan (20). Karena
l r
, maka persamaan (26) menjadi
s m o mgl lNAi q r 8 3 (27) Dengan:
r3 = jarak simpangan pangkat tiga (m3)
qm = kuat kutub magnet batang (Am)
µo = permeabilitas ruang hampa (Wb/Am)
l = panjang kawat (m) N = jumlah liitan solenoida
A = luas permukaan solenoida (m2)
i = arus listrik (A)
m = massa solenoida (kg)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)
29 A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Fisika Dasar Universitas Ahmad Dahlan Jalan Prof. Dr. Soepomo mulai bulan April 2012.
B. Subjek Penelitian
Subjek penelitian adalah kuat kutub magnet pada berbagai magnet batang.
C. Instrumen Penelitian 1. Alat penelitian
a. Adaptor
Dalam penelitian ini digunakan adaptor jenis PAB 18-1, adaptor digunakan sebagai sumber tegangan solenoida.
b. Solenoida
Kumparan dibuat dari tembaga, dengan panjang 9,85 m dan dililitkan ke dalam suatu pipa dengan jumlah lilitan sebanyak 50 lilitan.
Gambar 12. Adaptor Gambar 13. Solenoida
c. Penggaris
Penggaris yang digunakan adalah penggaris panjang dan penggaris busur. Penggaris busur digunakan untuk mengukur sudut penyimpangan solenoid (θ) yang dibentuk karena pengaruh arus listrik. d. Gaussmeter
Gaussmeter adalah alat untuk mengukur besar medan magnet. Pada penelitian ini gaussmeter yang digunakan jenis GM 04.
e. Jangka sorong
Terlihat pada gambar 15 digunakan untuk mengukur panjang lilitan, diameter solenoida dan panjang magnet.
2. Bahan penelitian
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah berbagai macam magnet batang, yaitu magnet batang alnico 7,15 cm, magnet batang pendek 9,80 cm, magnet batang panjang 12,13 cm dan magnet batang panjang 16,80 cm.
Tabel 1. Bahan penelitian
Jenis magnet Simbol Panjang (cm)
Baja Batang A 9,80
Baja Batang B 12,13
Baja Batang C 16,80
Alnico Batang D 7,15
Gambar 16. Berbagai macam magnet batang
3. Prosedur percobaan
Penelitian ini dilakukan mengikuti prosedur seperti diagram alir yang tampak pada gambar 17.
Batang D
Batang A
Batang C
Gambar 17. Flowchart penelitian 4. Desain penelitian
Gambar 18. Bagan desain rangkaian alat penelitian.
Solenoida Simpangan Magnet batang Variasi arus i Mulai
Meletakkan magnet pada alat percobaan
Kesimpulan Memvariasikan nilai arus
Penentuan kuat kutub magnet
Selesai
Gambar 18 merupakan bagan desain penelitian untuk mempermudah dalam melakukan kegiatan penelitian. Pada eksperimen ini menggunakan adaptor sebagai sumber tegangan dan memvariasikan nilai arus listrik yang kemudian akan menimbulkan medan magnet pada solenoida, interaksi antara solenoida dan magnet batang ini akan menimbulkan simpangan pada solenoida.
5. Susunan rangkaian alat
Gambar 19. Alat percobaan
6. Sistem perangkat eksperimen
Pada eksperimen digunakan instrument seperti yang telah dijelaskan pada sub Bab C1. Desain alat merupakan gabungan dari beberapa instrument diantaranya adaptor, solenoida, dan penggaris busur. Digunakan gaussmeter untuk mengukur induksi magnetik sehingga mengetahui kekuatan kutub magnet batang dengan cara diukur.
D. Rancangan Penelitian
Parameter yang digunakan dalam penelitian ini adalah arus listrik (A) dan jarak simpangan pangkat tiga (m3). Adanya arus listrik akan mengakibatkan simpangan pada solenoida. Oleh karena itu parameter yang diukur adalah jarak simpangan pangkat tiga (m3).
E. Metode Penelitian 1. Variabel Penelitian
a. Variabel terikat : jarak simpangan pangkat tiga (m3) b. Variabel bebas : arus listrik (A)
2. Metode Pengambilan Data
a. Menyusun alat-alat menjadi rangkaian sistem perangkat penelitian seperti gambar 18.
b. Menghidupkan adaptor.
c. Mengatur arus istrik yang mengalir yaitu pada 0,2 A; 0,4 A; 0,6 A; 0,8 A; dan 1,0 A.
d. Mengamati penyimpangan yang terjadi antara magnet dengan solenoida kemudian diukur jarak simpangan pangkat tiga (m3).
F. Metode Analisis
1. Penentuan nilai kuat kutub magnet
Metode yang digunakan pada penelitian penentuan kuat kutub magnet dengan menggunakan ayunan solenoida yaitu dengan menggunakan persamaan linear atau garis lurus model yaxb , dimana adalah variabel bebas yang terletak pada sumbu datar, dan y adalah variabel terikat yang terletak pada sumbu tegak. a adalah kemiringan (gradien) garis dan b adalah titik potong garis lurus dengan sumbu tegak.
Dari persamaan (27) maka diperoleh persamaan regresi linear yaxb, dengan memisalkan r3 y dan ix. Magnet diset tidak bergerak dengan memvariasi arus, semakin besar arus maka semakin besar pula simpangan solenoida. Adanya arus listrik akan menimbulkan simpangan solenoida sehingga arus listrik (A) sebagai variabel bebas dan jarak simpangan pangkat tiga (m3) sebagai variabel terikat.
Sehingga s m o mgl lNA q a 8 (28)
Maka persamaan untuk mencari kuat kutub magnet adalah
lNA amgl q o s m 8 (29)
Jika nilai kuat kutub magnet qm tidak sesuai dengan nilai qukur maka perlu adanya faktor kalibrasi . Dimana faktor kalibrasi ini dijadikan nilai pengali pada hasil perhitungan nilai kuat kutub magnet yang diperoleh saat penelitian untuk mendapatkan nilai kuat kutub magnet yang lebih tepat.
eksp erimen u ku r m m q q (30)
2. Ralat nilai kuat kutub magnet
a. Penentuan ralat dengan menggunakan grafik
Dalam setiap pengukuran terdapat kesalahan atau ketidakpastian. Untuk menentukan beberapa nilai kuat kutub magnet dengan berbagai variasi arus, dianalisis beberapa kesalahan atau ketidakpastian supaya mendapatkan hasil yang mendekati kebenaran. Nilai ralat dapat diperoleh dari grafik antara arus terhadap medan penyimpangan solenoida dengan i x dan (r)3 y akan diperoleh persamaan yˆi axi b dengan persamaan:
2 2 i i i i i i x x N y x y x N a (31)
2 2 2 i i i i i i i x x N y x x y x b (32)Hasil dari persamaan di atas dapat digunakan untuk menentukan pasangan titik-titik (xiyi) yang akan memberi garis lurus
pendekatan terbaik. Ketidakpastian yˆ, a dan b didapat dengan persamaan: 2 ) ˆ ( 2 ˆ
N y y Sy i i (33)Ketidakpastian ini disebut standard error of estimation atau taksiran terbaik simpangan baku (ralat baku estimasi), sehingga:
2 2 ˆ i i y a x x N N S S (34)
2 2 2 ˆ i i i y b x x N x S S (35)(Tim Praktikum Fisika Dasar, 2005:3-5) b. Penentuan ralat dengan rumus perambatan
Pada perhitungan penentuan kualitas magnet batang dilakukan berulang-ulang maka ralat menggunakan rumus perambatan. Sehingga nilai ralatnya dapat diperoleh dengan persamaan
2 2 2 2 2 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( A m l m s l s m m m a m m S A q S l q S l q S m q S a q Sq (36) Dengan = lNA mgl a q o s m 8 (37) lNA agl m q o s m 8 (38) lNA amg l q o s m 8 (39)
NA l amgl l q o s m 2 8 (40) 2 8 lNA amgl A q o s m (41) d SA 2 1 (42)
39 A. Desain Alat Penelitian
Dalam eksperimen ini digunakan instrumen seperti yang telah dijelaskan pada bab III. Rancangan alat terdiri dari beberapa instrument antara lain, adaptor jenis PAB 18-1, solenoida, penggaris busur, penggaris panjang serta jangka sorong dan gaussmeter jenis GM 04. Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah 4 buah magnet batang dengan berbagai jenis yaitu batang A, batang B, batang C, dan batang D. Berikut ini merupakan gambar rancangan alat penentuan kualitas magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik.
B. Hasil Penelitian
1. Kuat kutub magnet batang A
Data hasil pengukuran penyimpangan solenoida pada magnet batang A tersaji dalam lampiran 1. Dari data hasil pengukuran dapat dibuat grafik hubungan antara arus listrik (I) dengan jarak simpangan pangkat tiga (r3) sebagaimana dilihat pada gambar 21.
Gambar 21. Grafik hubungan antara arus listrik (A) dan jarak simpangan pangkat tiga (m3)
Berdasarkan pencocokkan data I terhadap r3 secara linier diperoleh persamaan 7 6 10 28729 , 4 10 75166 , 1 ˆ x y (43)
dengan nilaiR2 0,978. Dari slope grafik tersebut dapat ditentukan nilai
kuat kutub magnet batang mengikuti persamaan (29) sebesar qm = 14,5 Am.
Karena nilai hasil penelitian ini tidak sesuai dengan nilai kuat kutub magnet ukur maka dicari faktor kalibrasi (k) dengan menggunakan persamaan (30) sehingga diperoleh nilai k 5,67109. Faktor kalibrasi tersebut selanjutnya dijadikan pengali untuk nilai kuat kutub magnet batang yang diteliti. Nilai ralat kuat kutub magnet batang mengikuti persamaan (36) maka diperoleh nilai akhir kuat kutub magnet batang A adalah qm (8,190,75)108Am.
2. Kuat kutub magnet batang B
Data hasil pengukuran penyimpangan solenoida pada magnet batang B tersaji dalam lampiran 1. Dari data hasil pengukuran dapat dibuat grafik hubungan antara arus listrik (I) dengan jarak simpangan pangkat tiga (r3) sebagaimana terlihat pada gambar 22.
Gambar 22. Grafik hubungan antara arus listrik (A) dan dan jarak simpangan pangkat tiga (m3)
Berdasarkan pencocokkan data I terhadap r3 secara linier diperoleh persamaan 7 6 10 46932 , 6 10 88173 , 2 ˆ x y (44)
Dengan nilai R2 0,991. Dari slope grafik tersebut dapat ditentukan nilai kuat kutub magnet mengikuti persamaan (29) dan ralatnya mengikuti persamaan (36). Maka nilai kuat kutub magnet batang B adalah
7 10 ) 07 , 0 16 , 1 ( m q Am.
3. Kuat kutub magnet batang C
Data hasil pengukuran penyimpangan solenoida pada magnet batang C tersaji dalam lampiran 1. Dari data hasil pengukuran dapat dibuat grafik hubungan antara arus listrik (I) dengan jarak simpangan pangkat tiga (r3) sebagaimana terlihat pada gambar 23.
Gambar 23. Grafik hubungan antara arus listrik (A) dan jarak simpangan pangkat tiga (m3)
Berdasarkan pencocokkan data I terhadap r3 secara linier diperoleh persamaan 6 6 10 0569 , 1 10 0776 , 4 ˆ x y (45)
Dengan nilai R2 0,967. Dari slope grafik tersebut dapat ditentukan nilai kuat kutub magnet mengikuti persamaan (29) dan ralatnya mengikuti persamaan (36). Maka nilai kuat kutub magnet batang C adalah
7 10 ) 19 , 0 65 , 1 ( m q Am.
4. Kuat kutub magnet batang D
Data hasil pengukuran penyimpangan solenoida pada magnet batang D tersaji dalam lampiran 1. Dari data hasil pengukuran dapat dibuat grafik hubungan antara arus listrik (I) dengan jarak simpangan pangkat tiga (r3) sebagaimana terlihat pada gambar 24.
Gambar 24. Grafik hubungan antara arus listrik (A) dan simpangan jarak pangkat tiga (m3)
Berdasarkan pencocokkan data I terhadap r3 secara linier diperoleh persamaan 6 5 10 19037 , 2 10 09077 , 1 ˆ x y (46)
Dengan nilai R2 0,986. Dari slope grafik tersebut dapat ditentukan nilai kuat kutub magnet mengikuti persamaan (29) dan ralatnya mengikuti persamaan (36). Maka nilai kuat kutub magnet batang D adalah
7 10 ) 33 , 0 41 , 4 ( m q Am. C. Pembahasan
Dalam penentuan kualitas magnet batang pada penelitian ini, pengumpulan data diambil dengan rancangan alat seperti gambar dan dianalisis dengan analisis matematis. Setelah alat terangkai dan dijalankan sesuai prosedur penelitian, maka akan didapatkan nilai arus dan penyimpangan solenoida. Selanjutnya data dianalisis ke dalam Microsoft Exel sehingga dapat diplot grafik hubungan arus listrik dengan penyimpangan solenoida seperti terlihat pada lampiran 2. Dari grafik tersebut dapat diketahui nilai s m o mgl lNA q a 8
yaitu dengan mengambil titik-titik puncaknya dan
dihasilkan grafik linear pada yang disajikan pada lampiran 2. Grafik hubungan arus listrik (x) dengan penyimpangan solenoida (y) pada berbagai magnet batang menunjukkan linear yang cukup bagus karena nilai R2 yang mendekati 1.
Pada gambar 25 disajikan grafik hubungan arus listrik dan dan jarak simpangan pangkat tiga untuk membandingkan dari masing-masing magnet batang.
Gambar 25. Perbandingan grafik hubungan arus listik (A) dan jarak simpangan pangkat tiga (m3) dari tiap magnet batang.
Tabel 2. Nilai a, Sa, qm, dan Sqm
No Jenis magnet batang ) (aSa m3/A ( ) m q m S q Am 1. Batang A 6 10 ) 17 , 0 02 , 2 ( (8,190,75)108 2. Batang B 6 10 ) 15 , 0 88 , 2 ( (1,160,07)107 3. Batang C 6 10 ) 47 , 0 07 , 4 ( (1,650,19)107 4. Batang D 6 10 ) 74 , 0 9 , 10 ( (4,410,33)107
47 A. Kesimpulan
Dari hasil penelitian penentuan kuat kutub magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Alat dapat bekerja dengan cukup baik, yang ditunjukkan dengan kemampuan alat untuk membedakan kuat kutub magnet berbagai sampel dengan panjang yang berbeda.
2. Nilai kuat kutub magnet batang A, qm (8,190,75)108Am, batang B,
7 10 ) 07 , 0 16 , 1 ( m
q Am, batang C, qm (1,650,19)107Am, dan
batang D, 7 10 ) 33 , 0 41 , 4 ( m q Am.
3. Modul praktikum penentuan kuat kutub magnet batang dengan metode simpangan kumparan solenoida berarus listrik.
B. Saran
Pada penelitian ini pengujian alat eksperimen baru dilakukan dengan berbagai macam magnet batang dengan pengembangan alat tersebut berupa modul praktikum. Diharapkan pada penelitian berikutnya untuk meneliti magnet lain seperti magnet U, magnet silinder atau magnet ladam.dibutuhkan alat tambahan yang dapat membaca sudut penyimpangan agar terbaca dengan
baik dikarenakan sudutnya terlalu kecil. Modul praktikum yang telah dibuat diharapkan dapat diujikan pada para peserta didik sehingga pemahaman tentang kuat kutub magnet batang dapat dipahami dengan baik.
xviii Pustaka Cendekia Utama.
Alonso,M dan Finn,E,J. 1994. Dasar-Dasar Fisika Universitas Edisi Kedua. Jakarta: Erlangga.
Baronani, Endang.S dan Dedi. 2000. Pengukuran Magnet Keras Dengan
Menggunakan Permagraph C. Jurnal PPI-KIM. Hal 138-150.
Beiser,Arthur. 2003. Schaum’s Easy Outline Applied Physics. The McGraw-Hill Companies Publisher.
Djamal, Mitra,dkk. 2007. Sensor Magnetik Fluxgate, Karakteristik, dan
Aplikasinya. Jurnal Sains Materi Indonesia. No: 536/D/2007. Hal 207-214.
. 2007. Desain Awal Elemen Sensor Fluxgate Berbasis
Teknologi Printed Circuit Boards. Jurnal Sains Materi Indonesia. No:
536/D/2007. Hal 24-29.
Druxes, H, dkk. 1986. Kompendium Didaktik Fisika. Bandung: Remadja Krya. Foster, Bob. 2004. Fisika SMA Terpadu Untuk Kelas X. Jakarta: Erlangga.
Hewitt, Paul, G. 2005. Conceptual Physics. Seventh Edition. Harper Collins College Publisher.
Idayanti, Novrita dkk. 2007. Pembuatan Magnet Permanen Bonded Hybrid Untuk
Aplikasi Generator Kecepatan Rendah. Jurnal Sains Materi Indonesia. No:
536/D/2007. Hal: 141-145.
Ishafit. 1998. Analisis Pengukuran Fisika. Yogyakarta: UAD Yogyakarta.
Kriztanu. 2010. Dasar Teori Medan Magnet.
http://kriztanu.wordpress.com/2010/08/08/medan-magnet/. Diunduh tanggal 11 Juli 2012.
Lesmana, Agus. 2011. Magnet dan Elektromagnetik.
http://aguslesmana.blogspot.com /2011/10/ magnet-dan-elektromagnetik_03.html. Diunduh tanggal 11 Juli 2012.
Reitz,John,R, dkk. 1993. Dasar Teori Listrik Magnet terjemahan Suwarno
