RANCANG BANGUN SENSOR MAGNETIK BERDASARKAN METODE INDUKSI SEBAGAI TESLAMETER

commit to user

i

RANCANG BANGUN SENSOR MAGNETIK

BERDASARKAN METODE INDUKSI SEBAGAI TESLAMETER

Disusun Oleh :

YOVITA LISNASARI

M0206078

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Fisika

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

commit to user

ii

LEMBAR PENGESAHAN

Skripsi ini dibimbing oleh :

Pembimbing I

Drs. Suharyana, M.Sc

NIP. 19611217 198903 1 003

Pembimbing II

Dr. Eng. Budi Purnama, M.Si

NIP. 19731109 200003 1 001

Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada :

Hari : Senin

Tanggal : 4 Oktober 2010

Anggota Tim Penguji :

1. Sorja Koesuma, S.Si, M.Si (...)

NIP. 19720801 200003 1 001

2. Dr. Yofentina Iriani, S.Si, M.Si,

NIP. 19711227 199702 2 001

(...)

Disahkan oleh

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta

Ketua Jurusan Fisika,

Drs. Harjana, M.Si, Ph.D

commit to user

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “RANCANG BANGUN SENSOR MAGNETIK BERDASARKAN METODE INDUKSI

SEBAGAI TESLAMETER” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum

pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu

dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Surakarta, 20 September 2010

commit to user

iv

PERNYATAAN

Sebagian dari skripsi saya yang berjudul “RANCANG BANGUN SENSOR MAGNETIK BERDASARKAN METODE INDUKSI SEBAGAI TESLAMETER” telah dipresentasikan dalam:

Seminar Nasional Fisika (SNF) Tahun 2010 oleh Jurusan Fisika Fakultas Matematika

dan IPA UNNES pada tanggal 2 Oktober 2010 dengan judul “Kajian Pendahuluan

Sensor Magnet dengan Kumparan Pencuplik Tunggal sebagai Alat Ukur Medan

Magnet”

Surakarta, 20 September 2010

commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Kegiatan mengukur merupakan pendahuluan pembelajaran fisika yang

sangat penting. Mengukur pada hakekatnya membandingkan suatu besaran yang

belum diketahui nilainya dengan besaran lain yang sudah diketahui nilainya

sebagai standar. Untuk keperluan tersebut diperlukan alat ukur, yaitu sebuah alat

untuk menentukan nilai atau besaran dari suatu kuantitas atau variabel. Salah satu

alat ukur dalam dunia fisika adalah alat ukur medan magnet yang disebut

teslameter. Teslameter ini menjadi penting mengingat banyaknya aktivitas

eksperimen yang melibatkan pengukuran medan magnet, antara lain praktikum

efek Zeeman dan efek Hall. Namun, diperlukan investasi yang sangat mahal yaitu

berkisar puluhan juta rupiah guna merealisasikan sebuah teslameter. Sebagai

gambaran, di UPT Laboratorium Pusat MIPA UNS baru memiliki dua teslameter,

yaitu merk PHYWE dan F.W. BELL model 5070. Keberadaan kedua teslameter

tersebut jauh dari memadai untuk proses pembelajaran fisika yang ideal di

perguruan tinggi. Oleh karena itu usaha rancang bangun sebuah alat ukur medan

magnet yang murah menjadi topik menarik untuk dikerjakan.

Guna mendeteksi medan magnet, terdapat beberapa metode penginderaan,

yaitu metode induksi, SQUIDs, magnetoresistive, sensor efek Hall, dan fluxgate

magnetometers resonance (Craik, 1995). Setiap metode mempunyai karakteristik

masing-masing, sehingga membuat jenis teslameter semakin banyak di pasaran.

Seperti metode SQUIDs, metode ini digunakan untuk mendeteksi medan magnet lemah antara 10-14 – 10-9 tesla. Sedangkan metode yang mampu mencakup nilai

medan magnet di atas 1 tesla adalah metode induksi dan sensor efek Hall. Untuk

metode magnetoresistive dan fluxgate magnetometers resonance, keduanya berada diantara metode sensor efek Hall dan SQUIDs, dimulai rentang 10-10– 10-3 tesla. Dari kelima metode tersebut, metode induksi merupakan cara mendeteksi

medan magnet yang paling sederhana karena dapat mendeteksi medan magnet

commit to user

dalamnya (Jiles, 1998). Metode induksi mengacu pada hukum Faraday dengan

menggunakan kumparan, sehingga dapat dibuat sendiri. Mekanisme penginderaan

medan magnet dengan metode induksi dapat dipaparkan dengan penjelasan

berikut.

Hukum Faraday menyatakan jika suatu kawat penghantar digerakkan

memotong arah suatu medan magnet maka akan timbul suatu gaya gerak listrik

pada kawat penghantar tersebut (Griffith, 1991). Gaya gerak listrik yang timbul

pada ujung-ujung penghantar karena adanya perubahan medan magnet disebut

gaya gerak listrik (GGL) induksi. Selain adanya perubahan fluks, besar GGL

induksi juga bergantung pada luasan tampang lintang kumparan (diameter inti

kumparan) serta jumlah lilitan. Semakin besar diameter inti kumparan dan

semakin banyak jumlah lilitan, maka nilai GGL induksi juga akan semakin besar.

Hal inilah yang membuat metode induksi mempunyai kelebihan sebagai metode

yang paling sederhana. Keistimewaan lain metode induksi adalah mempunyai

jangkauan medan magnet yang lebih luas antara 10-10– 103 tesla.

Mengingat pentingnya teslameter untuk dimiliki (terlebih oleh Jurusan

Fisika FMIPA UNS), maka penulis mencoba membuat teslameter dengan metode

induksi elektromagnetik. Penulis melakukan penelitian kreatif yang berkaitan

dengan pembuatan teslameter sebagai alat ukur medan magnet yang baik dan

dengan harga terjangkau, namun memiliki sensitivitas serta keandalan

sebagaimana teslameter buatan pabrik. Sebagai alat ukur yang baik, teslameter

yang selebihnya disebut teslameter JJ ini, juga akan ditera/dikalibrasi ke dalam

satuan SI (tesla) dengan teslameter merk F.W. BELL model 5070.

I.2. Perumusan Masalah

Dari uraian di atas, masalah yang akan dijawab pada penelitian ini adalah

commit to user I.3. Batasan Masalah

Permasalahan pada penelitian ini dibatasi pada:

1. Teslameter JJ yang direncanakan hanya untuk 3 variasi jumlah lilitan

yaitu 750, 1500 dan 3000.

2. Variasi bahan untuk inti kumparan berupa penambahan ferit. Untuk

luasan tampang lintang kumparan diberikan 2 variasi sensor berdiameter

0,9 cm dan 1,4 cm.

3. Pengujian yang dilakukan terhadap teslameter JJ adalah menyangkut dua

karakter alat, yaitu:

a. Linieritas alat terhadap perubahan medan magnet yang diukur.

b. Pengkalibrasian alat dengan teslameter F.W. BELL model 5070,

dengan cara digunakan untuk mengukur obyek yang sama yaitu

elektromagnet.

I.4. Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Membuat suatu alat ukur medan magnet berbasis induksi elektromagnetik.

2. Mengevaluasi sensitivitas teslameter JJ berdasarkan pada jumlah lilitan,

diameter tampang lintang sensor dan pengaruh ferit, sehingga diperoleh

teslameter yang baik dan terjangkau harganya, tetapi memiliki sensitivitas

serta keandalan sebagaimana teslameter buatan pabrik.

3. Menjelaskan respon teslameter JJ terhadap medan magnet yang

ditunjukkan melalui kurva hysterisis.

I.5. Manfaat Penelitian

Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat:

1. Bermanfaat untuk memperdalam konsep induksi elektromagnetik.

2. Menyediakan teslameter baru yang baik dan sensitif, tetapi murah.

3. Memberikan informasi baru mengenai cara pengukuran medan magnet

commit to user I.6. Sistematika Penulisan

Laporan skripsi ini disusun dengan sistematika sebagai berikut:

BAB I Merupakan bab pendahuluan, berisikan tentang latar belakang

penelitian, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian,

manfaat penelitian, serta sistematika penulisan skripsi.

BAB II Dasar Teori, memaparkan teori dasar dari penelitian yang dilakukan,

meliputi medan magnet B, teslameter, rangkaian penguat, dan

kalibrasi. Pada medan magnet diberikan metode dasar pengukuran

dan karakteristik bahan magnet. Kemudian dijelaskan mengenai

prinsip kerja dan jenis teslameter, dilanjutkan rangkaian penguat

integrator dan non inverting. Diberikan juga teori dasar dari kalibrasi sebagai akhir dari bab ini.

BAB III Metode Penelitian, membahas tentang tempat, waktu dan pelaksanaan

penelitian, alat dan bahan yang diperlukan, serta langkah-langkah

dalam penelitian. Dalam bab ini juga diberikan langkah pembuatan

dan penggunaan teslameter JJ untuk mengukur medan magnet secara

lengkap.

BAB IV Hasil dan Pembahasan, berisi tentang hasil penelitian dan

analisa/pembahasan yang dibahas dengan acuan dasar teori yang

berkaitan dengan penelitian. Membahas mengenai kaitan sensitifitas

teslameter JJ terhadap variasi lilitan, diameter tampang lintang

sensor, serta pengaruh ferit sebagai inti kumparan. Dibahas pula

mengenai kurva hysterisis dari teslameter JJ sehingga respon linier sebagai sensor dapat langsung diamati.

BAB V Penutup, berisi kesimpulan dari pembahasan di bab sebelumnya serta

saran guna pengembangan lebih lanjut untuk memperoleh alat ukur

medan magnet dengan metode induksi yang lebih baik dalam segala

commit to user BAB II

DASAR TEORI

II.1. Medan Magnet, B

Medan magnet dapat didefinisikan sebagai ruangan disekitar magnet atau

penghantar yang dialiri arus listrik. Medan magnet merupakan besaran vektor

sehingga untuk menyatakannya dapat digunakan garis medan. Sebagai contoh

besarnya medan induksi magnet B dapat dinyatakan sebagai jumlah garis medan

per satuan luas. Bila dA adalah vektor pada elemen luas S dan B adalah vektor induksi yang menembus elemen luas tersebut, maka jumlah garis gaya atau fluks  yang keluar dari permukaan S adalah

Integral permukaan B.dA menyatakan produk skalar antara vektor dan A

d . Persamaan (2.1) dapat ditulis ulang dengan analisis vektor menggunakan teorema Stokes menjadi bentuk







pernyataan matematis medan induksi magnet B yang digambarkan sebagai

jumlah garis gaya tiap satuan luas, sehingga induksi magnet B disebut pula

sebagai rapat fluks.

Untuk mengetahui gambaran medan magnet, keberadaannya dapat

divisualisasikan dengan bantuan sebuah kompas kecil. Jika kompas memiliki

kutub utara–selatan kemudian didekatkan pada sebuah magnet, jarum kompas

commit to user

kompas akan bergerak menjauhi, dan mendekat jika kedua kutub berbeda. Hal ini

dapat dijelaskan pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Visualisasi medan magnet dengan kompas kecil (Cooper, 2009)

Hasil visualisasi medan magnet seperti Gambar 2.1 di atas adalah rantai

titik-titik yang bisa disatukan dengan mulus untuk menghasilkan garis lengkung

yang menunjukkan garis-garis medan. Di setiap titik, arah garis medan

memperlihatkan arah gaya. Garis medan atau garis gaya merupakan garis khayal

yang keluar dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet. Semakin jauh

garis medan tersebar, semakin lemah medannya. Secara jelas, garis medan dapat

dilukiskan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Garis-garis medan magnet

II.1.1. Karakteristik Bahan Magnetik

Teori atom Bohr menyatakan bahwa atom terdiri atas inti atom yang

dikelilingi oleh elektron yang bergerak pada orbitnya masing-masing. Jadi pada

elektron tersebut mengalami dua gerak, yaitu gerak pada porosnya sendiri (gerak

spin) dan gerak mengelilingi inti atom (orbital). Gerakan elektron inilah yang Medan magnet kuat

Medan magnet lemah

U S

S U

U

commit to user

menimbulkan momen magnetik di dalam atom. Elektron merupakan partikel

bermuatan listrik, sehingga saat elektron bergerak dapat pula dipandang sebagai

muatan listrik yang bergerak atau arus listrik. Menurut Hukum Biot-Savart, arus

listrik tersebut akan menimbulkan medan magnet di sekitarnya. Dengan demikian

sebuah atom dapat dipandang sebagai sebuat magnet batang yang memiliki

momen magnetik (Griffith, 1991).

Berdasarkan respon material terhadap medan magnet, terdapat tiga

karakteristik bahan magnetik yang berbeda, yaitu:

II.1.1.1. Diamagnetik

Diamagnetik merupakan bentuk terlemah dari proses magnetisasi yang

bersifat non permanen dan berlangsung ketika diberikan medan luar. Bentuk

magnetisasi ini diinduksikan oleh perubahan gerak orbital elektron yang

diakibatkan adanya medan magnet luar. Dengan kata lain, bahan diamagnetik

tersusun dari atom yang tidak mempunyai momen magnetik permanen. Hal ini

disebabkan momen magnetik dari gerak orbit dan spin elektron yang sama besar,

tetapi berlawanan arah sehingga saling meniadakan. Oleh karena itu, momen

magnetik atom diamagnetik bernilai nol. Suseptibilitas bahan diamagnetik _m

bernilai negatif yaitu pada orde –10-5. Tanda negatif menyatakan bahwa vektor

magnetisasi M berlawanan arah dengan kuat medan magnet H sehingga

permeabilitas magnetik bahan _m lebih kecil dibandingkan permeabilitas ruang

hampa₀.

II.1.1.2. Paramagnetik

Suatu bahan disebut paramagnetik apabila atom-atomnya memiliki momen

magnetik dari gerak orbit dan spin elektron yang tidak sepenuhnya saling

meniadakan. Sehingga atom semacam ini memiliki suatu nilai momen magnetik

yang kecil, tetapi bukan nol. Apabila pada bahan ini tidak ada medan magnet luar,

akan menyebabkan orientasi momen magnetik atom berarah random. Setelah

diberikan medan magnet luar, momen magnetik atom cenderung berbelok menjadi

commit to user

permeabilitas magnetik sehingga lebih besar dari sebelumnya . Jadi bahan

paramagnetik tidak akan memperlihatkan sifat kemagnetan tanpa adanya medan

magnet luar. Vektor magnetisasi M searah dengan kuat medan magnet H.

Suseptibilitas magnetnya kecil, tetapi bernilai positif (0 < _m << 1) yaitu pada

interval 10-5 hingga 10-3 (Serway, 1995).

Bahan golongan diamagnetik dan paramagnetik dapat dianggap bukan

magnet karena hanya menunjukkan sifat magnet ketika diberikan medan magnet

luar. Karakteristik suseptibilitas magnetik dari keduanya dapat diamati pada

Gambar 2.3 berikut.

Gambar 2.3 Karakteristik suseptibilitas magnetik dari bahan diamagnetik dan paramagnetik (Kittel, 1996)

II.1.1.3. Feromagnetik

Golongan feromagnetik adalah bahan yang atom-atomnya mempunyai

momen magnetik permanen. Tiap-tiap atom memiliki momen magnetik yang

relatif besar, karena momen magnetik dari gerak spin yang kurang akan diimbangi

oleh momen magnetik yang lain. Gaya antar atom menyebabkan momen-momen

ini tertata dalam suatu konfigurasi yang sejajar di dalam daerah yang memuat

banyak atom. Daerah-daerah semacam ini disebut sebagai domain. Bahan-bahan feromagnetik yang masih murni (belum diberikan medan magnet luar), akan

m

commit to user

memiliki domain- domain yang masing-masing menunjukkan momen magnetik yang kuat. Namun, dari satu domain ke domain yang lainnya, momen-momen ini memiliki arah yang berbeda-beda. Efek total yang dihasilkan tentu saja

momen-momen tersebut saling meniadakan, dan bahan tersebut secara keseluruhan tidak

memperlihatkan sifat kemagnetan. Akan tetapi, saat sebuah medan magnet luar

diberikan, domain- domain yang memiliki momen magnetik searah medan luar akan membesar ukurannya dan menyebar ke daerah-daerah di sekitarnya. Hal ini

berakibat medan di dalam bahan menjadi jauh lebih besar daripada medan yang

dari luar, M >> H, sehingga menyebabkan nilai permeabilitas magnetik

ribuan kali lebih besar dari sebelumnya . Dengan demikian nilai suseptibilitas

magnet _m untuk bahan feromagnetik sangat besar mencapai orde 106.

Ketika medan luar dihilangkan, domain-domain tersebut tidak dapat sepenuhnya kembali ke orientasi awalnya yang relatif acak, justru akan terdapat

medan magnet residu yang tertinggal dalam skala makroskopik dalam bahan.

Fakta bahwa setelah penerapan medan magnet luar, momen magnetik dalam

bahan menjadi berbeda dari sebelumnya, merujuk pada karakteristik histerisis bahan golongan feromagnetik. Contoh yang termasuk golongan feromagnetik

antara lain besi, baja, kobalt, dan nikel. Golongan ini terbagi menjadi kelas

antiferomagnetik dan ferimagnetik seperti dijelaskan berikut:

a. Antiferomagnetik

Di dalam bahan antiferomagnetik, gaya-gaya yang bekerja di antara

atom-atom yang bersebelahan menyebabkan momen-momen atomik tersusun

dalam konfigurasi yang antiparalel sehingga momen magnetik pada tiap atom adalah nol. Golongan ini hanya terpengaruh sedikit saja oleh adanya

medan magnet luar. Sifat antiferomagnetik hanya dapat muncul pada

suhu-suhu yang relatif rendah, yang seringkali berada jauh di bawah suhu-suhu kamar.

Oleh karena itu, belum diketahui manfaat penting bahan antiferomagnetik

dalam bidang rekayasa teknologi (engineering). Berbagai senyawa oksida, sulfida dan klorida digolongakan dalam golongan ini.

m 

0

commit to user

(a) (b) (c)

Gambar 2.4 Susunan spin elektron (a) Feromagnetik (b) Antiferomagnetik (c) Ferimagnetik

(Kittel, 1996)

b. Ferimagnetik

Bahan ferimagnetik memperlihatkan pula konfigurasi momen-momen

atomik yang antiparalel, tetapi besar tiap-tiap momen ini tidak sama. Oleh karenanya, momen magnetik dalam bahan ini juga cukup besar meski tidak

sebesar pada bahan-bahan feromagnetik. Kelompok terpenting dari golongan

ferimagnetik adalah ferit, yaitu bahan dengan konduktivitas rendah yang nilainya hanya seperseribu atau bahkan seperseratus ribu dari konduktivitas

semikonduktor (Buck dan Hayt, 2006). Sehingga bahan ferimagnetik

memiliki tahanan listrik yang lebih besar dibanding bahan feromagnetik. Sifat

magnetiknya yang kuat juga membuat feritsangat baik jika digunakan untuk

inti kumparan.

II.1.2. Intensitas Medan Magnet

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.1, setiap magnet tentu

mempunyai medan magnet di sekitarnya. Semakin jauh garis medan tersebar,

maka semakin lemah medannya. Oleh karena itu terdapat beberapa faktor yang

mempengaruhi intensitas medan magnet tersebut, antara lain:

a. Posisi pengukuran medan magnet

Apabila sebuah magnet didekatkan dengan sekumpulan paku, maka

akan terlihat paku lebih banyak menempel di ujung dekat kutub, daripada di

tengah. Hal ini membuktikan bahwa medan magnet yang kuat terletak di

ujung magnet yakni dekat kutub, daripada di tengah magnet. Sehingga

pengukuran medan magnet di dekat kutub akan bernilai lebih besar daripada

di tengah magnet. Apabila diterapkan untuk dua magnet, terdapat tiga posisi

commit to user

S

U

dan C merupakan posisi teslameter ketika digunakan untuk mengukur medan

magnet.

Gambar 2.5 Tiga posisi pengukuran medan magnet pada dua magnet

b. Jarak pengukuran medan magnet

Selain posisi saat pengukuran, faktor jarak juga mempengaruhi

intensitas medan magnet yang diukur. Hal ini dapat ditunjukkkan pada

Gambar 2.6. Menurut Hukum Biot-Savart, pada kawat lurus yang dialiri arus

listrik akan timbul medan magnet di sekitarnya. Apabila besar medan magnet

diukur pada jarak r dari kawat lurus, maka nilai medan magnet dapat dihitung melalui Persamaan (2.3) sebagai persamaan bentuk integral Hukum Ampere.



B.dl 0Ienc

Berdasarkan Persamaan (2.4), dapat dilihat bahwa nilai medan magnet

B selain dipengaruhi oleh arus, juga ditentukan oleh jarak pengukurannya r. Ketika jarak pengukurannya jauh dari sumber (dalam contoh berupa kawat

lurus), maka nilai medan magnet akan semakin kecil begitupun sebaliknya.

Sehingga dapat disimpulkan pula, intensitas medan magnet berbanding

commit to user

Gambar 2.6 Sebuah kawat lurus yang dialiri arus listrik (Griffith, 1991)

c. Kekuatan magnetik bahan itu sendiri

Intensitas medan magnet di titik tertentu tidak hanya tergantung pada

seberapa jauh titik itu dari magnet, namun juga pada kekuatan magnet itu

sendiri (Cooper, 2009). Berdasarkan karakteristik bahan magnet, golongan

ferimagnetik merupakan kelas yang memiliki sifat magnetik paling kuat

dengan ferit sebagai kelompok terpentingnya. Umumnya berbentuk silinder

dan dapat tertarik oleh magnet kuat di sekitarnya.

Ketika ferit menjadi magnet, sama halnya dengan magnet batang,

pada ferit akan terdapat garis medan. Apabila ferit digunakan sebagai sensor

dengan metode induksi, maka kesensitifan sensor akan bertambah karena

adanya medan magnet yang lebih kuat dan bernilai lebih besar. Medan

magnet ini berasal dari ferit yang telah menjadi magnet, dan berasal dari

obyek yang akan diukur besar medan magnetnya. Jadi apabila bahan yang

digunakan untuk membuat alat ukur atau sensor sebelumnya telah memiliki

sifat magnetik yang sangat kuat, maka akan berpengaruh pada intensitas

medan magnet yang juga akan semakin besar.

II.2 Metode Pengukuran Medan Magnet

Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk mengukur medan

magnet. Metode tersebut dibagi menjadi lima, yang masing-masing memiliki

kelebihan dan kekurangan untuk dijadikan sebagai prinsip mengukur medan

magnet. Berikut gambar yang menunjukkan rentang pengukuran dari berbagai

metode pengukuran medan magnet.

B

commit to user

Gambar 2.7 Jangkauan pengukuran dari berbagai metode deteksi medan magnet (Craik, 1995)

Dari kelima metode di atas, metode SQUIDs mempunyai rentang medan magnet yang paling sempit antara 10-14 – 10-9 tesla, sehingga metode ini hanya

digunakan untuk mendeteksi medan magnet yang bernilai sangat kecil. Metode ini

teliti saat mengukur medan magnet yang sangat kecil, tetapi tidak bisa saat

digunakan untuk mendeteksi medan magnet di atas 10-9 tesla (Ripka, 2003).

Selain SQUIDs, terdapat metode magnetoresistive dan fluxgate

magnetometers resonance yang mampu mendeteksi medan magnet maksimal 10-3

tesla. Untuk magnetoresistive menggunakan prinsip resistivitas bahan pengisi sensor, sedangkan fluxgate magnetometers resonance mengunakan permalloy yang memberikan sinyal nol pada kumparan pencuplik, B = 0. Kumparan pencuplik merupakan kumparan yang digunakan untuk menangkap sinyal medan

magnet dari kumparan pengimbas yang menjadi kumparan primer dalam metode

fluxgate magnetometers resonance. Cakupan minimal medan magnet untuk kedua

metode ini berbeda. Magnetoresistive dimulai dari 10-10 tesla, sedangkan fluxgate magnetometers resonance justru mampu lebih kecil lagi yaitu 10-11 tesla. Jadi kedua metode ini mampu mendeteksi nilai medan magnet yang tidak bisa

terdeteksi oleh metode SQUIDs.

Metode selanjutnya yaitu Hall effect sensors menggunakan efek Hall sebagai prinsip kerjanya. Metode ini banyak digunakan pada teslameter buatan

pabrik karena dapat menjelaskan apa yang terjadi pada elektron suatu bahan,

commit to user

U S

terjadi saat teslameter digunakan untuk mengukur medan magnet. Sensor efek

Hall mampu mendeteksi medan magnet minimal 10-7 tesla.

Untuk metode kelima yakni induction methods bekerja berdasarkan prinsip Hukum Faraday. Metode induksi menggunakan sebuah kumparan yang bila

digerakkan dalam suatu medan magnet akan menimbulkan tegangan induksi.

Karenanya metode ini merupakan metode yang paling sederhana daripada metode

yang lain, sehingga dapat dibuat sendiri. Metode induksi bekerja dengan rentang

paling luas, berada antara 10-10– 103 tesla.

Dalam penerapannya, terdapat dua metode yang sering digunakan yaitu

metode induksi dan sensor efek hall karena mempunyai kelebihan mampu

menjangkau nilai medan magnet di atas 1 tesla.

II.2.1. Metode Induksi

Metode induksi bekerja melalui pengukuran fluks magnetik yang

merangkum mengenai Gaya Gerak Listrik induksi (GGL induksi), dimana kuat

medan dapat diukur sepanjang lintasan elektrik dengan disertai adanya perubahan

fluks di dalamnya (Jiles, 1998). Jika suatu kawat penghantar digerakkan

memotong arah suatu medan magnet maka akan timbul suatu GGL induksi.

Gambar 2.8 memperlihatkan diagram skematik mekanisme terjadinya GGL

induksi.

Gambar 2.8 Diagram skematik mekanisme terjadinya GGL induksi

Gambar 2.8 menjelaskan bahwa ketika magnet batang digerakkan keluar

masuk kumparan dengan kecepatan υ, maka jarum voltmeter yang terhubung oleh

kumparan tersebut akan bergerak menyimpang dari nol. Nilai tegangan dari

voltmeter inilah yang disebut dengan tegangan induksi (GGL induksi). V

commit to user

Hukum Faraday menyebutkan bahwa apabila suatu kumparan dengan

jumlah lilitan N ditempatkan di dalam medan magnet sehingga memotong garis gaya magnet atau fluks yang berubah menurut waktu d dtmaka pada kumparan tersebut akan timbul GGL induksi V. Sehingga GGL induksi tidak hanya timbul karena penghantar yang digerakkan dalam medan magnet saja, melainkan dapat

timbul asalkan ada perubahan fluks magnetik. Apabila dituliskan dalam

persamaan diperoleh bentuk:

Persamaan (2.6) menunjukkan bahwa adanya medan magnet yang berubah

terhadap waktu dB dt akan menghasilkan GGL induksi atau dapat dikatakan GGL induksi muncul karena adanya medan magnet yang berubah-ubah (Buck dan

Hayt, 2006). Selain adanya medan magnet yang berubah terhadap waktu, GGL

induksi juga dipengaruhi oleh jumlah lilitan kumparan dan luasan tampang lintang

kumparan. Jadi semakin banyak lilitan dan semakin luas tampang lintang

kumparan, maka nilai GGL induksi yang dihasilkan juga akan semakin besar.

II.2.2. Sensor Efek Hall

Efek Hall merupakan suatu fenomena dimana bila sebuah bahan dialiri

arus listrik serta diletakkan di medan magnet, maka terjadi pengumpulan atau

penumpukan muatan pada kedua sisi penghantar yang menyebabkan munculnya

medan listrik antara kedua sisi (selebihnya disebut sebagai medan Hall, EH). Efek

Hall merupakan fenomena fisis yang penting karena merepresentasikan interaksi

muatan dengan medan magnet pada sebuah pelat konduktor. Fenomena ini dapat

dijelaskan dengan meninjau suatu balok logam yang dialiri arus listrik dan (2.5)

commit to user x

y

z

ditempatkan pada medan magnet yang arahnya tegak lurus arah arus listrik seperti

terlihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 (a) Logam yang dialiri arus ditempatkan di medan magnet B (b) Terdapat juga medan listrik Ex pada logam (c) Muncul medan listrik EH

sehingga elektron terkumpul di kedua sisi logam (Kittel, 1996)

Sebelum diberikan medan magnet, terdapat arus pada arah sumbu x positif sehingga elektron akan bergerak dengan kecepatan v pada arah sumbu x negatif. Ketika diberikan medan magnet dan adanya medan listrik Ex, gaya F =



E vxB



e 

 menyebabkan elektron turun ke bawah, seperti Gambar 2.9b. Pada

akhirnya, elektron terakumulasi ke permukaan lebih rendah dan menghasilkan

muatan negatif di bagian tersebut. Kemudian muatan positif ke permukaan atas

karena pada daerah tersebut kekurangan elektron. Kombinasi muatan positif dan

negatif ini menimbulkan adanya medan listrik ke arah bawah, yang disebut

sebagai medan Hall, EH (Omar, 1975).

Gaya Lorentz L membuat muatan terakumulasi pada arah sumbu y negatif dan bernilai FL = evxBdengan tandanya negatif seperti terlihat di Gambar 2.9b.

(vx bergerak ke kiri). Medan Hall yang ada karena pengumpulan muatan

menghasilkan gaya yang melawan Gaya Lorentz. Proses penumpukan terus

berlanjut sampai gaya Hall sepenuhnya mampu membatalkan gaya Lorentz.

commit to user

medan magnet. Berdasarkan Omar (1975), kesebandingan konstanta yaitu

B j

EH x disebut sebagai konstanta Hall dan biasanya disimbolkan RH sehingga

Persamaan (2.8) menjadi:

N merupakan konsentrasi elektron, yang nilainya berlawanan dengan RH. Dengan

demikian, N dapat diketahui melalui perhitungan medan Hall. Apabila RH

masing-masing bahan diketahui, maka dapat diketahui juga logam mana yang mempunyai

kemampuan konduktor yang baik.

II.3. Teslameter

II.3.1. Prinsip Kerja Teslameter

Hampir semua merk dan jenis teslameter menggunakan efek Hall sebagai

prinsip kerjanya. Efek Hall merepresentasikan interaksi muatan dengan medan

magnet pada sebuah pelat konduktor. Sensor efek Hall biasanya digunakan dalam

pengukuran medan magnet statis atau DC. Prinsip kerjanya seperti yang telah

terurai sebelumnya dalam sub bab sensor efek Hall.

II.3.2. Jenis Teslameter

Berbagai jenis teslameter dengan karakteristik berbeda-beda banyak

terdapat di pasaran. Apabila ditinjau dari metode yang digunakan, hampir semua

teslameter menggunakan metode efek Hall dengan tipe teslameter digital. Namun

dilihat dari bentuknya, terdapat beberapa jenis teslameter yang sering ditemukan

antara lain:

(2.7)

(2.8)

commit to user

a. Teslameter bentuk handy

Gambar 2.10 Teslameter digital Chen Yang tipe CYHT 20 (http://www.chenyang-gmbh.com)

Teslameter jenis ini mempunyai keistimewaan berbentuk simpel, mudah

dipindahkan, dan mempunyai cara penyimpanan yang ringkas serta nyaman di

tangan. Gambar di samping merupakan salah satu teslameter jenis handy merk Chen Yang tipe CYHT 20.

b. Teslameter portable

Gambar 2.11 Teslameter digital F.W. BELL model 5070

Gambar di atas merupakan salah satu teslameter jenis portable merk F.W. BELL model 5070, yang mana teslameter jenis ini mempunyai cirri hampir

commit to user

c. Teslameter non-portable

Gambar 2.12 Teslameter Digital YUXIANG Tipe SG-3-A/B (http://www.magnets.com)

Jenis ini disebut teslameter non-portable karena bentuknya yang besar, banyak memakan tempat dan tidak praktis untuk dibawa. Meski demikian,

ketelitian teslameter jenis ini juga tidak kalah dengan dua jenis sebelumnya.

Gambar di atas adalah teslameter digital merk YUXIANGTipe SG-3-A/B.

II.4. Penguat Operasional (Op Amp)

II.4.1. Integrator

Karakteristik dasar dari integrator yaitu mengintegrasikan fungsi gelombang dari sinyal yang diberikan padanya. Artinya, apabila sinyal masukan

berupa fungsi gelombang sinus, maka sinyal keluarannya akan berbentuk fungsi

gelombang cosinus. Jika bentuk sinyal masukan berupa fungsi gelombang kotak,

maka sinyal keluarannya akan berbentuk fungsi gelombang segitiga

(Gayakwad, 2000).

Elemen umpan balik pada rangkaian di atas yaitu sebuah kapasitor

nonpolar yang membentuk rangkaian RC dengan resistor input. Sinyal masukan diintegralkan dan sekaligus menyatakan ”luasan di bawah kurva” penguatan

tegangannya, yang berdasarkan nilai resistor dan kapasitornya (Putra, 2002).

Penguat Tegangan = 



t

idt

V C R₁. ₀

1

Apabila GGL induksi sebagai fungsi waktu dan hasil keluaran dari

commit to user

Marin (1970), tegangan keluaran dari integrator dapat dihitung secara teoritis dengan Persamaan (2.11) berikut. ditunjukkan pada Gambar 2.13 berikut ini.

Vi

Gambar 2.13 Rangkaian Integrator (Putra, 2002)

Kembali ke Persamaan (2.6), dapat dilihat bahwa besarnya GGL induksi

V sebanding dengan bentuk dB dt. Sehingga agar nilai V bisa langsung menunjukkan besarnya B maka GGL induksi harus diintergralkan. Oleh karena

itu GGL induksi yang diperoleh dari pengukuran perlu dilewatkan rangkaian

integrator sehingga hasil pengukuran sebanding dengan medan magnet yang akan

diukur.

II.4.2. Penguat Non Inverting

Karakteristik dasar dari penguat non inverting adalah menguatkan sinyal masukan tanpa melakukan perubahan fase. Sinyal masukan diberikan pada bagian

non inverting (+), sedang keluaran yang dihasilkan diumpan balikkan pada

masukan inverting (-) dengan menggunakan sebuah resistor R2. R1 dan R2 akan

membentuk jaringan pembagi tegangan yang mengurangi tegangan keluaran Vo dan menghubungkan tegangan yang terkurangi menuju ke masukan inverting (-). Gambar rangkaian penguat non inverting dapat diamati pada Gambar 2.14.

commit to user

Gambar 2.14 Rangkaian penguat noninverting (Putra, 2002)

Persamaan yang dapat diberikan berdasarkan gambar di atas adalah

i

dengan nilai penguat tegangan atau voltage gain-nya dituliskan sebagai berikut.

Penguat Tegangan =

Berdasarkan karakteristiknya, maka rangkaian ini diperlukan untuk

menguatkan suatu variabel yang bernilai sangat kecil tanpa perubahan fase. Jadi

ketika diperoleh hasil pengukuran GGL induksi yang sangat kecil, nilainya dapat

diperkuat menggunakan penguat non inverting sehingga diperoleh nilai GGL induksi akhir yang lebih besar dan tanpa adanya perubahan fase.

II.5. Kalibrasi

Kalibrasi adalah serangkaian kegiatan yang bertujuan untuk menentukan

kebenaran konvensional nilai penunjukkan alat ukur dan bahan ukur dengan cara

membandingkan terhadap standar ukur yang mampu telusur (traceable) untuk satuan ukuran ke standar nasional dan atau internasional (PPI-KIM, 2005).

Beberapa persyaratan teknis dalam melakukan kalibrasi, khususnya untuk

kalibrasi teslameter adalah:

commit to user

1. Personil

Personil yang melakukan kalibrasi harus memiliki kualifikasi memadai

tentang prinsip dasar kalibrasi dan pengukuran, latar belakang pendidikan

relevan, mampu mengoperasikan alat, serta dapat mengambil keputusan.

2. Metode kalibrasi dan validasi metode

Setiap kalibrasi yang dilakukan harus menggunakan metode yang

sesuai. Metode tersebut sebaiknya telah dipublikasikan secara nasional

maupun internasional. Apabila tidak tersedia metode yang telah

dipublikasikan, laboratorium dapat menyusun sendiri metode kalibrasi, asal

metode tersebut telah divalidasi dulu sebelum digunakan.

Untuk metode kalibrasi pada teslameter JJ menggunakan metode

eksperimental dengan bantuan teslameter yang telah terkalibrasi sebelumnya.

Digunakan teslameter F.W. BELL model 5070 sebagai kalibrator dengan cara

membuat kesebandingan data antara teslameter JJ dan teslameter F.W. BELL

model 5070, hasil pengukuran obyek yang sama yaitu elektromagnet.

3. Peralatan

Peralatan standar yang digunakan untuk mengkalibrasi harus dijaga

ketertelusurannya ke sistem SI melalui program kalibrasi yang terencana.

Sehingga untuk menjadikan alat ukur tersebut sebagai kalibrator, hendaknya

alat ukur tersebut telah dikalibrasi sebelumnya. Sebagai gambaran untuk

kalibrator pada teslameter JJ menggunakan teslameter F.W. BELL model

5070 yang sebelumnya telah terkalibrasi.

4. Ketertelusuran pengukuran

Parameter-parameter ukur yang dihasilkan selama proses produksi

secara konsisten dijaga dengan mengacu ke satuan ukur yang telah disepakati.

commit to user BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

III.1. Metode Penelitian

III.1.1. Metode Pembuatan Teslameter JJ

Metode dalam pembuatan teslameter JJ berupa metode eksperimental,

dengan urutan pembuatan kumparan sebagai sensor (Njj), rangkaian integrator, dan non inverting. Pembuatan kumparan (Njj) dengan tiga variasi jumlah lilitan yaitu 750, 1500, dan 3000 lilitan. Selain jumlah lilitan, variasi lain yang dilakukan

untuk mengetahui tingkat kesensitifan sensor yaitu luasan tampang lintang

kumparan berupa 0,9 cm dan 1,4 cm, serta penambahan ferit sebagai inti

kumparan.

Jumlah lilitan kumparan dipilih mulai dari 750 karena di UPT

Laboratorium Pusat MIPA UNS telah tersedia prototype kumparan dengan 500 lilitan, tetapi belum mampu menunjukkan nilai GGL induksi yang signifikan.

Ketika digunakan untuk menunjukkan mekanisme terjadinya GGL induksi seperti

ditunjukkan Gambar 2.8, simpangan jarum pada multimeter sangat kecil sehingga

belum bisa menunjukkan adanya GGL induksi. Oleh karena itu digunakan jumlah

lilitan minimal 750 dengan harapan GGL induksi yang diperoleh bisa lebih besar

sehingga dapat terbaca. Sedangkan pada penggunaan bahan inti kumparan,

sengaja digunakan bahan bukan magnet yaitu pipa plastik dan bahan magnet yaitu

ferit dari kelas ferimagnetik. Agar pengaruh luasan tampang lintang kumparan

dapat dilihat langsung sesuai persamaan (2.6), maka pada bahan bukan magnet

dilakukan variasi luasan yaitu pipa plastik berdiameter kecil ukuran 0,9 cm dan

pipa berdiameter besar ukuran 1,4 cm.

Untuk mempermudah penulisan, jenis-jenis teslameter JJ dinamakan

sebagai berikut:

 Jumlah lilitan 750 dinamakan JJ_750

 Jumlah lilitan 1500 dinamakan JJ_1500

 Jumlah lilitan 3000 dinamakan JJ_3000

commit to user

 Sensor dengan diameter luas tampang lintang 0,9 cm dinamakan K

 Sensor dengan diameter luas tampang lintang 1,4 cm dinamakan B

 Sensor dengan inti kumparan ferit dinamakan F

Sehingga apabila ingin menyebut jenis teslameter JJ dengan diameter luas

tampang lintang 1,4 cm dan berjumlah 750 lilitan, disebut JJ_750B.

Casing sensor dibuat dengan bahan akrilik. Penggunaan bahan akrilik

sebagai casing sensor diharapkan agar teslameter JJ mempunyai kelebihan sebagai alat ukur yang efisien, ringan, dan tahan patah. Di bawah ini diperlihatkan gambar

beberapa kumparan dalam teslameter JJ yang bekerja sebagai sensor.

Berturut-turut dari gambar di atas A adalah JJ_750F, B adalah JJ_1500K, dan C adalah

JJ_3000B.

Gambar 3.1 Kumparan sebagai sensor magnet dalam teslameter JJ

Bagian berikutnya dari teslameter JJ adalah rangkaian penguat. Dalam

pembuatan rangkaian ini, baik integrator maupun non inverting, dipikirkan mengenai bahan dan komponen yang berkualitas sehingga diperoleh rangkaian

dengan sistem kerja yang baik, mulai dari IC, resistor, hingga kapasitor. Setelah

diperoleh rangkaian penguat, langkah selanjutnya adalah merangkainya dengan

kumparan. Baru kemudian uji kelayakan pada teslameter JJ dengan melakukan

pengujian alat yang menyangkut linieritas alat terhadap perubahan medan magnet

yang diukur, serta kalibrasi alat menggunakan teslameter F.W. BELL model 5070

yang selanjutnya dalam penulisan skripsi ini disebut teslameter F.W.B.

commit to user

III.1.2. Metode Pengambilan Data

Metode pengambilan data dalam penelitian ini menggunakan metode

eksperimental yang berdasarkan pada metode induksi. Setelah sensor terangkai

dengan rangkaian dan multimeter sehingga menjadi satu kesatuan yang disebut

teslameter JJ (Gambar 3.3), kemudian alat ini digunakan untuk mengukur medan

magnet dari elektromagnet. Pengukuran dilakukan dengan tiga posisi teslameter

seperti Gambar 2.5 sehingga pengaruh posisi pengukuran dengan intensitas medan

magnet dapat dilihat.

Prinsip kerja metode induksi adalah adanya perubahan fluks magnetik,

sehingga penggunaan teslameter JJ dengan cara menggerakkan sensor ke atas ke

bawah antara ruang kutub magnet. Data yang diambil adalah nilai tegangan

induksi dari teslameter JJ dan nilai medan magnet dari teslameter F.W.B, dengan

menggunakan arus 0–4 ampere. Obyek yang digunakan sebagai pengambilan data

merupakan serangkaian alat elektromagnet yang berada di UPT Laboratorium

Pusat MIPA UNS (Gambar 3.2).

III.2. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilakukan di UPT Laboratorium Pusat MIPA UNS serta

Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi Jurusan Fisika FMIPA UNS selama

5 bulan, mulai dari bulan April 2010 sampai dengan Agustus 2010.

III.3. Alat dan Bahan

III.3.1. Pembuatan Kumparan

a. Kawat email diameter 0,23 mm +5000 m

b. Pipa berdiameter 0,9 cm dan 1,4 cm masing masing 15 cm

c. Ferit 15 cm

d. Socket jack banana 9 pasang

e. Akrilik dengan tebal 5mm 60 x 60 cm

commit to user

III.3.2. Pembuatan Rangkaian Integrator dan Non Inverting

a. Kapasitor jenis tantalum 330 nF 1 buah

b. Resistor 1KΩ 2 buah

c. Integrated Circuit tipe OP 07 2 buah

d. Potensiometer 1KΩ 1 buah

e. Binding buse kecil 2 set

f. Solder 1 buah

g. Pelat PCB Mascot Circuits PS-750 1 buah

h. Tenol secukupnya

i. Kabel tembaga kecil secukupnya

III.3.3. Pengambilan Data

a. Elektromagnet yang berada di UPT Laboratorium Pusat MIPA UNS

Berupa serangkaian alat elektromagnet dengan keterangan dan gambar sebagai

berikut:

Gambar 3.2 Serangkaian alat elektromagnet sebagai obyek pengukuran medan magnet

Keterangan gambar:

A = Power Supply sebagai penyedia arus untuk elektromagnet (kumparannya).

B = Kapasitor untuk menyimpan muatan arus supaya lebih stabil sehingga

aman ketika masuk elektromagnet. A

B

C

commit to user

C = Elektromagnet berupa kumparan merk PHYWE 06480.01 dengan

panjang 5 cm, jumlah lilitan 842 lilitan, hambatan 2,66 Ω, dan arus

maksimal 4 ampere.

D = Multimeter untuk membaca arus dari power supply yang masuk ke elektromagnet.

b. Teslameter JJ dan teslameter F.W.B

R3 = 1 KΩ

Vi

C = 330 nF

-+

R1 = 1 KΩ

-+ _{OP 07}

Vo int

OP 07

Vo akhir V

R2 = 1 KΩ

Njj

Gambar 3.3 Diagram skematik rancangan teslameter JJ

Gambar 3.3 menunjukkan keempat bagian dari teslameter JJ berupa kumparan

yang juga sebagai sensor magnet (Njj), rangkaian integrator, rangkaian penguat non inverting, dan display sistem berupa voltmeter. Sedangkan teslameter F.W.B dapat dilihat pada Gambar 2.11.

c. Power Supply + 5V sebagai masukan untuk IC dalam rangkaian penguat.

Pada prinsipnya, power supply sebagai masukan daya pada IC dapat menggunakan inventaris laboratorium. Akan tetapi dengan pertimbangan lebih

praktis, maka dalam penelitian ini power supply dibuat manual sehingga dapat langsung terangkai dengan rangkaian penguat menjadi kesatuan sistem

commit to user III.4. Prosedur Penelitian

III.4.1. Diagram Alir Penelitian

Gambar 3.4. Diagram alir penelitian

Mulai

Menggunakan teslameter JJ untuk mengukur medan magnet pada elektromagnet

Hasil Data

Selesai

Merangkai kumparan dengan rangkaian integrator, penguat non inverting, dan voltmeter

Membuat rangkaian integrator dan penguat non inverting

Menguji alat menggunakan jenis teslameter JJ_3000B

Membuat kumparan (Njj) dengan variasi N, d, dan bahan untuk inti kumparan

Teslameter JJ dapat mengukur B

Tidak

Kalibrasi alat dengan teslameter F.W.B

Mengolah dan menginterpretasi data Sesuai

commit to user

III.4.2. Langkah-langkah Penelitian

Keterangan dari diagram alir penelitian di atas adalah sebagai berikut:

1. Membuat kumparan (Njj)

Pada tahap ini dilakukan pembuatan kumparan yang bekerja sebagai

sensor magnet dengan variasi jumlah lilitan (N), diameter tampang lintang kumparan (d) dan bahan untuk inti kumparan. Kumparan terbuat dari bahan akrilik dengan jumlah total sembilan berupa JJ_750K, JJ_1500K, JJ_3000K,

JJ_750B, JJ_1500B, JJ_3000B, JJ_750F, JJ_1500F, dan JJ_3000F.

2. Membuat rangkaian integrator dan penguat non inverting

Kedua rangkaian ini dibuat sebagai sistem pengolah sinyal dalam

teslameter JJ. Berikut gambar yang menunjukkan rangkaian integrator beserta penguat non inverting.

C = 330 nF

-+

R1 = 1 KΩ

-+ _{OP 07}

Vo int

R2 = 1 KΩ

OP 07

R3 = 1 KΩ

Vo akhir Vi

Gambar 3.5 Rangkaian integrator dengan penguat non inverting

Bagian pertama adalah integrator sebagai awal pengolah sinyal.

Integrator berguna untuk mengintegralkan nilai dB/dt menjadi B sehingga

pada multimeter nilai B dapat teramati secara langsung setelah proses kalibrasi. Rancangan rangkaian integrator yang digunakan dalam penelitian menggunakan IC tipe OP 07, R1 sebesar 1KΩ, dan C sebesar 330 nF jenis tantalum.

Pemilihan bahan untuk rangkaian sengaja dipilih yang berkualitas

commit to user

karena impedansinya yang rendah sehingga diperoleh kualitas integrator yang baik. Pada resistor digunakan daya ½ watt dengan mempertimbangkan

daya yang dialirkan ke rangkaian tidak terlalu besar. Sedangkan pada

komponen kapasitor dipilih jenis tantalum karena jenis ini mempunyai

kualitas baik dan tingkat kestabilan tinggi. Sebagai indikator apakah

integrator bekerja dengan baik, rangkaian diberi masukan gelombang kotak.

Apabila sinyal keluaran berupa hasil integralnya yakni gelombang segitiga,

maka integrator dapat mengintegralkan dB/dt menjadi B (Gayakwad, 2000). Selain integrator, dalam penelitian ini juga digunakan penguat non

inverting. Penguat non inverting digunakan untuk mengatur besarnya

penguatan sinyal sebelum masuk ke voltmeter. Rancangan rangkaian penguat

non inverting yang akan digunakan berupa R2 sebesar 1KΩ ½ watt dan R3

sebesar 1KΩ tipe potensio. Penggunaan R3 tipe potensiometer dimaksudkan

agar pengukur dapat dengan bebas menentukan penguatan yang diinginkan

dengan batasan nilai R3 maksimal 1KΩ. Pada penguat non inverting dilakukan pengujian rangkaian dengan sinyal masukan berupa gelombang

sinusoidal dari Function Generator, dan keluarannya dapat dilihat dari osiloskop dengan hasil penguatan tanpa ada perubahan fase.

Secara prinsip penguat non inverting dapat ditempatkan sebelum

integrator. Namun, karena adanya pertimbangan derau atau noise yang

muncul dari kumparan dan bisa ikut terkuatkan sebelum diintegrasikan, maka

penguat non inverting berada setelah integrator (Oguey, 1960).

3. Merangkai kumparan dengan rangkaian integrator dan penguat non inverting, dan voltmeter

Kumparan yang telah dibuat dirangkai dengan integrator, penguat non

inverting, dan voltmeter. Sinyal masukan untuk integrator berasal dari

kumparan, sedang sinyal keluaran dari integrator sebagai masukan untuk penguat non inverting. Sehingga nilai GGL induksi teramati sebagai Vo dari

commit to user

berupa osciloskop untuk mengamati kurva hysterisis. Kumparan dan input rangkaian sengaja diberi socket banana sehingga praktis ketika ingin mengganti dengan variasi kumparan yang lain.

4. Menguji alat menggunakan jenis teslameter JJ_3000B

Pengujian alat dilakukan untuk mengetahui apakah teslameter JJ dapat

digunakan untuk mengukur medan magnet atau tidak. Pengujian

menggunakan JJ_3000B sebagai kumparan yang mempunyai luasan tampang

lintang lebih besar dengan lilitan terbanyak. Hasil yang diperoleh teslameter

sudah dapat menunjukkan data yang kemudian dibahas di bab 4, sehingga

dapat disimpulkan teslameter JJ telah mampu bekerja sebagai alat ukur

medan magnet.

5. Pengambilan data

a. Elektromagnet dihubungkan dengan arus sehingga timbul medan magnet

dalam elektromagnet tersebut. Arus yang digunakan adalah 0-4 ampere.

b. Kumparan digerakkan ke arah atas - bawah di ruang antara kutub magnet

sambil mencatat nilai tegangan induksi yang terbaca di multimeter.

c. Pengambilan data diulang 3 kali dengan variasi posisi seperti

ditunjukkan Gambar 2.5.

d. Pengukuran medan magnet dengan teslameter F.W.B untuk keperluan

kalibrasi teslameter JJ.

e. Data yang diperoleh dari kedua teslameter dapat dibandingkan sehingga

diperoleh persamaan polinomial pangkat 3 untuk menunjukkan nilai

medan magnet langsung dari teslameter JJ.

6. Hasil data

Hasil data pada penelitian ini berupa tegangan induksi V pada arus 0-4 ampere. Setelah dikalibrasi dengan teslameter F.W.B, selanjutnya data dari

teslameter JJ langsung berupa nilai medan magnet.

7. Kalibrasi Alat

Pada penelitian ini kalibrasi alat dilakukan dengan cara

membandingkan hasil ukur teslameter JJ dengan hasil ukur teslameter F.W.B,

commit to user

yang diperoleh dapat dibandingkan sehingga diperoleh persamaan polinomial

pangkat 3. Jadi pada pengukuran selanjutnya, nilai medan magnet bisa

langsung teramati dari teslameter JJ.

8. Pengolahan dan Interprestasi data

Pengolahan data dilakukan dengan bantuan software Origin Pro 8.0

yang diinterprestasikan dalam bentuk grafik. Hal ini memudahkan untuk

commit to user BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

IV.1 Karakteristik Teslameter JJ

Teslameter JJ yang telah dibuat merupakan alat ukur medan magnet yang

bekerja berdasarkan metode induksi. Terdiri dari tiga bagian yaitu kumparan

sebagai sensor magnetik, rangkaian integrator dan non inverting sebagai sistem instrumentasi, dan display sistem berupa voltmeter. Berikut ini akan dibahas mengenai karakteristik dari masing-masing bagian teslameter JJ.

IV.1.1 Kumparan (sensor magnetik)

Ketika kumparan digerakkan ke arah atas – bawah di ruang antara kutub

magnet, maka pada ujung kawat kumparan akan timbul tegangan. Sesuai dengan

hukum Faraday, tegangan ini adalah hasil dari induksi yang diberikan oleh

elektromagnet yang dikenal GGL induksi. Hal inilah yang menjadi karakteristik

dari sensor magnetik. Inti dari metode induksi adalah adanya perubahan fluks

magnetik. Oleh karena itu penggunaan teslameter JJ dengan cara menggerakkan

kumparannya ke atas ke bawah antara ruang kutub magnet.

IV.1.2. Rangkaian Integrator

Karakteristik utama dari rangkaian integrator adalah mengintegrasikan fungsi gelombang dari sinyal masukan dengan adanya pembalikan fase sebesar

90° antara sinyal keluaran dan masukan. Integrator dalam teslameter JJ telah terbukti dapat bekerja dengan baik, dimana sinyal masukan dari JJ_3000B mampu

dibalikkan sebesar 90°. Jika integrator langsung dihubungkan dengan kumparan, maka besarnya tegangan keluaran integrator sesuai persamaan (2.11) yang ditentukan oleh luas tampang lintang, jumlah lilitan kumparan, intensitas medan

magnet, serta nilai kapasitor dan hambatan yang digunakan. Jadi semakin besar

luas tampang lintang kumparan dan semakin banyak jumlah lilitan, maka nilai

tegangan dari integrator juga akan semakin besar. Karakteristik integrator dalam teslameter JJ dapat dilihat di lampiran B.

commit to user

IV.1.3. Rangkaian Penguat Non Inverting

Karakteristik penguat non inverting yang diambil pada teslameter JJ menggunakan sinyal masukan dari JJ_3000B. Rangkaian ini telah mampu

menunjukkan kerja yang baik, karena sinyal keluaran telah mengalami penguatan

dengan fase yang sama. Hal ini sesuai dengan teori, yaitu tidak adanya perubahan

fase antara gelombang masukan dan gelombang keluaran (Putra, 2002).

Karakteristik penguat non inverting pada teslameter JJ dapat dilihat di lampiran B.

IV.2 Unjuk Kerja Teslameter JJ

IV.2.1. Pengujian Alat

Sebelum digunakan pada pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan

pengujian alat dengan cara teslameter JJ digunakan untuk mengukur medan

magnet dari elektromagnet yang dialiri arus. Hal ini dilakukan untuk memastikan

bahwa teslameter JJ yang dibuat telah dapat beroperasi. Pengujian alat dilakukan

dengan JJ_3000B dengan data ditunjukkan di lampiran A (Tabel A.6).

Berdasarkan Tabel A.6, dapat dilihat ketika tidak ada arus yang dialirkan

ke elektromagnet, pada teslameter F.W.B sudah menunjukkan 0,0034 tesla dan

teslameter JJ menunjukkan 0,0165 volt. Hal tersebut kemudian dianggap sebagai

ralat, sehingga semua hasil harus dikoreksi. Jadi semua data yang ditampilkan

dalam analisa menggunakan data dikoreksi. Hasil pengujian alat dalam bentuk

grafik terlihat pada Gambar 4.1.

Dari Gambar 4.1 terlihat perubahan intensitas medan magnet sebanding

dengan tegangan induksi yang dihasilkan oleh teslameter JJ. Tegangan induksi

akan semakin besar seiring bertambahnya arus yang masuk dalam elektromagnet.

Agar diperoleh hasil pengujian yang maksimal, pengambilan data menggunakan

variasi posisi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3. Jadi dapat dikatakan bahwa

teslameter JJ telah dapat beroperasi menggunakan prinsip hukum Faraday untuk

commit to user

Gambar 4.1 Grafik pengujian alat dengan JJ_3000B

IV.2.2. Pengukuran Medan Magnet

Setelah melakukan pengujian alat dan ditemukan bahwa teslameter JJ

dapat digunakan untuk mengukur medan magnet pada elektromagnet, unjuk kerja

berikutnya adalah pengukuran medan magnet guna pengambilan data. Arus yang

digunakan mulai dari arus minimum hingga arus maksimum yang dibolehkan

untuk elektromagnet, yaitu antara 0 – 4 ampere. Sebelumnya dilakukan

pengukuran medan magnet dengan teslameter F.W.B untuk kalibrasi teslameter

JJ, yang hasilnya dapat dilihat pada Gambar 4.2.

Gambar 4.2 menunjukkan ketika pengukuran medan magnet di posisi A

diperoleh nilai medan magnet yang tidak jauh berbeda dengan posisi C. Namun

ketika pengukuran berada posisi B, kenaikan nilai medan magnet tidak terlalu

signifikan layaknya pada dua posisi sebelumnya. Hal ini tidak terlalu menjadi

masalah karena pada intinya hasil pengukuran telah menunjukkan kesesuaian

dengan teori. Terlihat besar medan magnet akan bertambah seiring dengan

bertambahnya arus yang diberikan. Dengan demikian teslameter F.W.B layak

digunakan sebagai kalibrator pada teslameter JJ.

commit to user

Gambar 4.2 Grafik pengukuran medan magnet dengan teslameter F.W.B

Setelah diperoleh data pengukuran medan magnet dengan teslameter

F.W.B, kemudian dilakukan pengukuran medan magnet oleh teslameter JJ.

Pengukuran ini dilakukan tiga kali dengan tujuan agar diperoleh data yang lebih

valid. Dari setiap kumparan yang digunakan, nantinya akan diperoleh nilai

kalibrasi dan sensitivitas yang berbeda-beda tiap kumparannya.

IV.2.2.1. Variasi Jumlah Lilitan (N)

Untuk mengetahui pengaruh jumlah lilitan terhadap tingkat sensitifitas JJ,

dibuat 3 variasi jumlah lilitan sensor yaitu 750, 1500, dan 3000. Pengaruh jumlah

lilitan terhadap tegangan induksi yang dihasilkan dapat dilihat dengan mengambil

sampel salah satu kumparan yakni kumparan dengan luas tampang lintang berupa

pipa berdiameter 1,4 cm, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.3.

Berdasarkan Gambar 4.3, dapat teramati secara langsung mengenai tingkat

linieritas sensor terhadap perubahan medan magnet untuk setiap jenis teslameter

JJ. Dimulai dari JJ_750B, terlihat belum memperlihatkan sifatnya sebagai sebuah

sensor karena belum terlihatnya respon linier. Saat jumlah lilitan dilipat gandakan,

JJ_1500B mampu memperlihatkan sifat yang lebih linier daripada JJ_750B. Hal

commit to user

yang sama juga terjadi, dimana JJ_3000B mempunyai respon linier yang jauh

lebih bagus daripada JJ_1500B.

Gambar 4.3 Grafik variasi N terhadap teslameter F.W.B

Ditinjau dari GGL induksi yang diperoleh, secara urut mulai dari JJ_750B,

JJ_1500B dan JJ_3000B adalah 0,04 volt; 0,06 volt; dan 0,075 volt. Dari ketiga

jenis tersebut, kembali diperoleh JJ_3000B yang mempunyai nilai maksimum

GGL induksi. Hal ini telah sesuai dengan teori, dimana jumlah lilitan akan

berpengaruh langsung terhadap nilai GGL induksi yang diperoleh. Semakin

banyak jumlah lilitan, GGL induksi yang mampu dihasilkan juga akan semakin

tinggi (Persamaan (2.6)). Dalam variasi jumlah lilitan, diperoleh kumparan

dengan jumlah lilitan 3000 yang paling sensitif dan layak sebagai sensor.

IV.2.2.2. Variasi Bahan dan Diameter (d) untuk Inti Kumparan

Selain variasi jumlah lilitan, terdapat juga variasi bahan untuk inti

kumparan berupa penambahan bahan magnet (ferit). Untuk mengetahui pengaruh

luasan tampang lintang kumparan, digunakan 2 pipa plastik dengan diameter

commit to user

berbeda yaitu 0,9 cm dan 1,4 cm. Dengan mengambil jumlah lilitan 3000,

hasilnya dapat ditunjukkan pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4 menunjukkan bahwa adanya variasi bahan sebagai inti

kumparan mempengaruhi besar tegangan induksi yang diperoleh. Karena

kumparan dengan inti berupa ferit menjadi lebih linier. Hal ini disebabkan

karakteristik ferit yang merupakan bahan magnet kuat dari golongan feromagnetik

kelas ferimagnetik (Buck dan Hayt, 2006). Oleh karena itu penambahan ferit

sebagai inti kumparan akan meningkatkan kinerja sensor dalam hal besarnya GGL

induksi hasil pengindera maupun linieritas sensor.

Berdasarkan karakteristik tersebut, seharusnya sensor dengan inti ferit

merupakan sensor yang paling baik kinerjanya. Hal ini teramati dari sensitivitas

sensor hasil penelitian ini. Apabila respon sensor terhadap medan ditinjau secara

linier, maka slope dari kurva akan menunjukkan sensitivitasnya dalam satuan

volt/tesla. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa JJ_3000F memiliki slope

0,47689 sehingga dapat disebutkan bahwa JJ_3000F memiliki tingkat sensitif

sebesar 0,47689 volt/tesla.

Gambar 4.4 Grafik variasi bahan dan d terhadap teslameter F.W.B

commit to user

IV.3. Sensitivitas Sensor dan Kurva Hysterisis

Peristiwa hysterisis adalah respon bahan magnetik terhadap medan magnet, sehingga untuk mengkonfirmasi sensitivitas teslameter JJ perlu dilakukan

pengukuran kurva hysterisis. Hysterisis terjadi saat medan tidak tetap diberikan pada bahan magnetik dalam kumparan pencuplik yang dilingkupi kumparan

pengimbas, sehingga timbul GGL induksi pada ujung-ujung kumparan pencuplik

sebagai akibat perubahan induksi magnet. Dalam hal ini medan diuraikan hingga

maksimum kemudian diturunkan hingga nol dan dibalik arahnya hingga

maksimum. Selanjutnya dinaikkan kembali hingga nol dan diteruskan hingga

maksimum arah positif yang membentuk sebuah siklus. Kumparan yang bekerja

sebagai sensor merupakan kumparan pencupliknya, sedangkan untuk kumparan

pengimbas adalah elektromagnet. Dengan perubahan medan magnet tersebut,

maka respon GGL induksi akan membentuk loop tertutup yang disebut kurva hysterisis.

Gambar 4.5 Grafik perbandingan N pada sensor dengan inti ferit

Berdasarkan uraian sebelumnya diperoleh data bahwa sensor dengan inti

commit to user

dilihat melalui data dalam bentuk grafik pada Gambar 4.5 untuk variasi jumlah

lilitan, yang kemudian dapat dikonfirmasi melalui kurva hysterisis (Gambar 4.6). Gambar 4.5 menunjukkan sebagaimana bagian sebelumnya, dimana kumparan

dengan jumlah lilitan terbanyak memiliki tingkat sensitifitas yang lebih. Dengan

meninjau respon sensor secara linier, diperoleh nilai slope dalam satuan volt/tesla

secara urut untuk JJ_750F; JJ_1500F; dan JJ_3000F adalah 0,49564; 0,51894; dan

0,47689. Sehingga diperoleh respon terhadap medan magnet semakin sensitif,

seiring penambahan jumlah lilitan. Namun pada lilitan 3000 slopenya bernilai

rendah karena terdapat kondisi optimum pada suatu sensor yakni dalam keadaan

jenuh. Hal ini akan lebih jelas ditunjukkan pada kurva hysterisis.

(a) (b)

(c)

commit to user

Respon data bentuk kurva hysterisis dari ketiga sensor di atas dapat di rangkum pada Gambar 4.6 yang diambil pada arus 0,3 ampere. Terlihat kurva

hysterisis semakin menunjukkan bagian sisi yang linier. Hal lain yang dapat

diamati adalah luasan kurva yang semakin sempit, yang menunjukkan medan

magnet yang hilang selama proses. Luasan kurva yang lebar menunjukkan bahwa

sensor tersebut tidak sensitif.

Berdasarkan teori, kurva hysterisis yang mempunyai luasan sekecil mungkin adalah yang sesuai untuk aplikasi sensor magnetik. Meski tidak

ditemukan sensor dengan kurva hysterisis yang sesuai teori, tetapi dapat diamati bahwa semakin banyak lilitan maka luasan kurva semakin sempit dan terdapat sisi

yang linier. Bagian inilah yang dapat diaplikasikan sebagai sebuah sensor.

Terlihat pada JJ_750F belum menunjukkan kurva hysterisis karena masih mampu menyimpan medan magnet eksternal, sehingga mempunyai luasan sangat lebar.

Hanya pada JJ_1500F dan JJ_3000F yang dapat menunjukkan respon sensor

dengan mempunyai nilai optimasi medan magnet yaitu 0,1287 tesla untuk

JJ_1500F dan 0,1001 tesla untuk JJ_3000F. Setelah mencapai nilai tersebut,

sensor akan berada pada keadaan jenuh dari kurva hysterisis. Berdasarkan uraian tersebut, diperoleh JJ_3000F yang lebih sensitif daripada JJ_750F maupun

JJ_1500F.

IV.4. Kalibrasi Alat

Kalibrasi pada teslameter JJ dengan metode eksperimental menggunakan

bantuan dari teslameter yang telah terkalibrasi sebelumnya (kalibrator). Sebagai

kalibrator adalah teslameter F.W.B. Kalibrasi dilakukan dengan cara membuat

kesebandingan data yang diperoleh dari pengukuran obyek yang sama yaitu

elektromagnet.

Nilai medan magnet dari teslameter JJ dapat diperoleh melalui persamaan

garis dari grafik yang menghubungkan antara tegangan induksi teslameter JJ

dengan medan magnet dari teslameter F.W.B. Berikut keterangan untuk

masing-masing jenis persamaan yang kemudian ditemukan persamaan polinomial orde 3

commit to user

paling sensitif yaitu JJ_3000F. Grafik yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar

4.7 disertai dengan jenis persamaan dan tingkat liniernya (R2). Garis merah

merupakan kurva persamaan dari grafik tersebut.

y = 0,47689x + 0,0043 R2 = 0, 0,99645 (a)

y = - 0,20452x2 + 0,54153x + 0,00117 R2 = 0,9977 (b)

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

0.00

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

commit to user

y = 0,51079x3– 0,44885x2 + 0,57173x + 0,000491 R2 = 0,99777 (c)

Gambar 4.7 Grafik kalibrasi untuk JJ_3000F (a) Persamaan linier (b) Polinomial orde 2 (c) Polinomial orde 3

Apabila mengambil salah satu data dengan sensor berinti kumparan ferit,

hasil kalibrasi yang diperoleh dengan persamaan di atas dapat dirangkum pada

Tabel 4.1. Dari beberapa jenis persamaan yang dapat terbentuk dari grafik,

diperoleh kenyataan bahwa persamaan polinomial yang terbentuk langsung dari

data merupakan persamaan yang lebih teliti. Berdasarkan perhitungan,

kesebandingan data antara teslameter JJ dan teslameter F.W.B tercapai apabila

menggunakan persamaan polinomial berorde semakin banyak. Namun karena

alasan kurang praktis, jadi persamaan kalibrasi menggunakan polinimial orde

minimum yang teliti, yaitu polinomial orde 3 sesuai yang disebutkan pada Tabel

4.1 berikut.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

Teslameter F.W

.B (tesla)

commit to user

Tabel 4.1 Hasil Kalibrasi untuk JJ_3000F

Nilai tegangan induksi teslameter JJ (volt)

Nilai medan magnet (tesla)

Perhitungan Pengukuran

teslameter F.W.B Jenis persamaan Hasil hitung

0,079

Linier

Polinomial orde 2 Polinomial orde 3

0,0419 0,0426 0,0431

0,0421

0,092

Linier

Polinomial orde 2 Polinomial orde 3

0,0482 0,0493 0,0497

0,0498

0,102

Linier

Polinomial orde 2 Polinomial orde 3

0,0529 0,0543 0,0547