Bahan Ajar BAB V. Pengukuran Magnetik Tatap muka : Minggu 11, Minggu 12
1
PENGUKURAN MAGNETIK
1.1. Pendahuluan Medan magnet merupakan fenomena fisika yang berkaitan dengan besaran listrik. Arus listrik menimbulkan medan magnet dan sebaliknya arus listrik dapat ditimbulkan dari magnet yang digerakkan di dekat kumparan kawat, hukum induksi Faraday. Untuk mengetahui kuantitas dan arahnya, medan magnet perlu diukur. Medan magnet dinyatakan dalam satuan Tesla, sebagai contoh medan magnet bumi normal di dekat garis ekuator besarnya sekitar 45.000, nano Tesla, dengan arah utara-selatan.
1.2. Alat-alat ukur medan magnet. Alat ukur medan magnet bumi digolongkan menjadi dua bagian besar yaitu. A. Magnetometer, alat ukur untuk besaran medan magnet lebih kecil dari 1 mT, terdiri dari a. Alat yang mengukur besar medan dan arahnya (vektor) •
Kumparan kawat (search coil)
•
Fluxgate magnetometer
•
SQUID
•
Magnetoresistive
•
Fiber optik
b. Alat yang mengukur besarnya saja (skalar) •
Proton Precession Magnetometer
•
Optically Pumped Magnetometer
B. Gaussmeter, lat ukur untuk besar medan magnet lebih besar dari 1 mT a. Hall effect b. Magnetoresistive c. Magnetodiode d. Magnetotransistor
Alat ukur medan magnet mempunyai karakteristik yang berbeda-beda, dengan demikian sensitivitas dan kegunaannya juga berbeda-beda, tabel 1 menyajikan karakteristik alat ukur medan magnet.
2
ristik alat ukur medan magnet. Tabel 1. Karakteristik Alat ukur
Resolusi (nT) variabel
Bandwidth (Hz) 10-1 to 106
keterangan
Kumparan
Jangkau ukur (mT) 10-10 to 106
Fluxgate
10-4 to 0,5
0,1
DC to 2.103
General purpose vector magnetometer
SQUID
10-9 to 0,1
10-4
DC to 5
Sensitivitas paling tinggi
Hall effect
0,1 to 3.104
100
DC to 108
Terbaik untuk frekuensi tinggi
Magnetoresisstance 10-3 to 5
10
DC to 107
Baik untuk pengukuran menengah
Proton Precession
0,02 to 0,1
0,05
DC to 2
General purpose magnetometer
Optically pumped
0,01 to 0,1
0,005
DC to 5
Resolusi palin baik.
Tidak dapat mengukur medan statis
Alat ukur medan magnet skalar. Proton Precession Magnetometer. •
Proton Precession Magnetometer (PPM), sensor alat ini terdiri dari bahan yang banyak mengandung hidrogen (inti atom higrogen adalah proton), misalnya kerosen. Bahan kerosen dimasukkan ke dalam tempat yang terbuat dari bahan bukan logam (misalnya tabung PVC) yang dililiti dengan kawat (kumparan). Proton dalam bahan mempunyai momen magnetik yang arahnya random, bila pada kumparan dilewatkan arus listrik, maka momen magnetik proton akan terarah sesuai arah medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melalui kumparan. Bila arus listrik diputus, maka arah momen magnetik proton akan kembali ali kearah semula sambil berpresesi. Presesi proton ini menimbulkan ggl induksi pada kumparan, frekensi presesi proton tergantung pada medan magnet luar ( H ) yang mempengaruhi, jadi dengan mengukur frekuensi ggl induksi sama dengan mengukur intensitas medan an magnet H (total).
•
3
Flux gate Magnetometer. •
gate magnetometer, mengukur komponen medan magnet, bila sensor dipasang Flux-gate vertikal, maka komponen medan magnet vertikal yang terukur.
•
Sensor terdiri dari inti (logam) yang mudah jenuh karena pengaruh medan magnet luar, biasanya digunakan “mu-metal”. “mu
•
Dua buah inti logam dililiti kawat dengan arah lilitan berlawanan (kumparan primer), kedua inti tersebut dipasang sejajar, kemudian keduanya dililiti lagi dengan kawat sebagai kumparan sekunder.
•
Kumparan primer dialiri arus bolak-balik bolak (Ep),, maka bila medan magnet luar sama dengan nol, maka keluaran pada kumparan sekunder (Es),sama sama dengan nol, karena induksi dari kumparan primer saling menghilangkan.
•
Bila medan magnet luar tidak nol, nol, maka inti menjadi jenuh, sehingga induksi total dari kumparan primer tidak sama dengan nol, mengakibatkan keluaran pada kumparan sekunder tidak sama dengan nol.
•
Logam pada umumnya mempunyai sifat mudah terinduksi menjadi magnet karena pengaruh medan magnet agnet luar, kurva hubujngan antara B dan H disebut kurva hysterisis.
•
mu-metal metal adalah logam yang medan B didalamnya mudah menjadi jenuh karena pengaruh medan luar.
•
Kurve hysterisisi
Sensor medan magnet menggunakan inti mu-metal, mu digambarkan rkan seperti pada gambar 3, digambarkan pada kondisi medan luar sama dengan nol, dan pada kondisi medan luar tidak sama dengan nol. Harga medan magnet yang terukur oleh sensor fluxgate adalah komponen medan magnet yang searah dengan sensor fluxgate. Dengan demikian maka sensor fluxgate mengukur komponen medan magnet, yaitu mengukur besar medan dan arahnya, dikatakan alat fluxgate magnetometer mengukur vektor medan magnet.
4
Magnetometer “optical pumped”. •
“optical pump” adalah metode mengarahkan mengarahkan spin dari elektron pada salah satu Zeeman level energi pada ground-state. ground
•
Atom mempunyai tiga level energi, yaitu A1, A2 dan B. Beda energi pada A1 dan A2 hanya kecil, disebabkan karena orientasi spin elektron yang tidak sama. B mempunyai level yang lebih tinggi dibanding dengan A1 dan A2.
•
Bila atom dikenai cahaya dari lampu (misalnya Rubidium), maka atom dengan energi level A1 akan meloncat ke B, dan kembali ke level yang rendah yaitu A2, sehingga dalam proses ini energi dari lampu akan terserap sehingga cahaya yang tertangkap pada photo-cell photo hanya sedikit.
•
Bila semua energi atom sudah pada level A2, maka tidak ada absorbsi energi oleh atom, sehingga banyak cahaya yang diterima pada photo-cell, photo cell, kondisi ini dikatakan “complete“complete pumping”.
•
Pengaruh gelombang elombang elektro magnetik membuat orientasi spin tidak terarah lagi, sehingga banyak energi cahaya yang terserap.
•
Untuk membuat magnetometer dipilih atom yang memiliki sub-level sub level energi yang sesuai. Atom-atom atom yang memenuhi syarat ini adalah Cesium, Rubidium, Natrium, dan Helium.
•
Pada saat perubahan energi level spin elektron akan berubah paralel atau anti paralel, sambil berpresesi, frekuensi presesinya dideteksi oleh photo-cell photo cell berdasarkan jumlah energi
5
dari cahaya yang diserap. Frekuensi presesi presesi dari elektron, disebut frekuensi Larmour, besarnya tergantung pada medan magnet luar.
H=
6
2πf g
