RANCANG BANGUN RANGKAIAN “RLC” UNTUK MEMPERKENALKAN KURVA HISTERESIS MAGNETIK PADA MAHASISWA FISIKA DALAM MATA KULIAH LISTRIK MAGNET Skripsi
Oleh Riza Uldin A NIM 4201401037
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG. 2006
PERSETUJUAN PEMBIMBING Skripsi ini telah disetujui oleh pembimbing untuk dimajukan ke sidang Ujian Skripsi jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang.
Semarang,
Februari 2006
Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. Agus Yulianto, M.Si NIP 131900801
Drs. Sudjarwata, M.Si NIP 131852202
ii
PENGESAHAN KELULUSAN
Skripsi ini telah dipertahankan dalam sidang panitia Ujian Skripsi jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universiatas Negeri Semarang pada: Hari
:
Tanggal :
Februari 2006 Panitia Ujian:
Ketua
Sekretaris
Drs. Kasmadi Imam S, M.Si NIP. 130781011
Drs. M. Sukisno, M.Si NIP. 130529522
Pembimbing I
Penguji I
Drs. Agus Yulianto, M.si NIP. 131900801
Drs. Kadartono P, M.T NIP. 130367993
Pembimbing II
Penguji II
Drs. Sujarwata, M.T NIP. 131862202
Drs. Agus Yulianto, M.si NIP. 131900801 Penguji III
Drs. Sujarwata, M.T NIP. 131862202 iii
PERNYATAAN
Saya menyatakan bahwa skripsi yang saya tulis ini benar-benar hasil karya saya sendiri, bukan jiplakan dari karya orang lain. Pendapat atau temuan orang lain yang tertulis dalam skripsi ini dikutip atau dirujuk berdasarkan etika ilmiah.
Semarang,
Februari 2006
Riza Uldin A NIM 4201401037
iv
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
MOTTO ¾ ”Tidak ada akal seperti kepandaian mengatur, tidak ada wara’ seperti menahan dari sesuatu yang haram dan tidak ada kemuliaan seperti baik budi pekerti” ¾ ”Serulah (manusia) kepada jalan Tuhanmu dengan hikmah dan pelajaran yang baik dan bantahlah mereka dengan cara yang baik”. ¾ ”Dan tetaplah kamu membei peringatan karena peringatan itu bermanfaat bagi orang-orang yang beriman”. .
PERSEMBAHAN 1. Bapak dan emak tercinta 2. Kakak-kakakku Mas Nur, Mas Umar, Mas Zaenal, Mbak Umi, Mbak Rini. 3. Adik-adikku Kurnia, Imam, Sri, Atin, Eni. 4. Keluarga Besar Bani H.Yusuf semuanya. 5. Bu Etik sekeluarga 6. Teman-teman angkatan 2001
v
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, taufik serta hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini telah tersusun dengan baik karena bantuan dari berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Bapak Drs. M. Sukisno, M.Si, ketua Jurusan Fisika Universitas Negeri Semarang. 2. Bapak Drs. Agus Yulianto, M.Si, dosen pembimbing utama yang telah memberikan bimbingan kepada penulis. 3. Bapak Drs. Sujarwata, M.Si, dosen pembimbing pendamping yang telah memberikan bimbingan kepada penulis. 4. Bapak Drs. Kadartono P, M.T, dosen penguji yang telah memberikan masukannya kepada penulis. 5. Ibu Dra. Dwi Yulianti, M. Si, dosen wali yang telah memberikan perwalian kepada penulis. 6. Bapak Drs. Teguh Darsono, M.Si yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi dari awal sampai akhir. 7. Kakak-kakakku: Mas Wasi, Mas Hamrowi, Mas Nugroho, Mas Andi, Mas Joko, Mas Mahardika, Mbak wiwit dan yang seangkatan dengannya 8. Teman-temanku di Lab Fisika Kemagnetan Bahan UNNES, teman-teman angkatan 2001 dan semua pihak yang tidak bisa kami sebutkan satu-persatu. vi
Penulis menyadari bahwa pengetahuan yang penulis miliki masih dangkal dan sempit, sehingga penulisan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis dengan kerendahan hati mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari semua pihak guna perbaikan dan penyempurnaan skipsi ini.
Semarang, Februari 2006
Penulis
vii
ABSTRAK Riza Uldin A. 2005. Rancang Bangun Rangkaian “RLC” untuk Memperkenalkan Kurva Histeresis Magnetik pada Mahasiswa Fisika dalam Mata Kuliah Listrik Magnet . Pembimbing : I. Drs. Agus Yulianto, M.Si; II. Drs. Sujarwata, M. Si Telah dilakukan rancang bangun rangkaian RLC untuk menampilkan kurva histeresis magnetik pada layar osiloskop. Komponen-komponen yang baik untuk membuat rangkaian RLC ini terdiri dari resistor R1=1Ω dan R2=10 kΩ , kapasitor C = 0,1 μf, serta induktor L= 0,0063 H. Rancang bangun ini menggunakan toroida sebagai sumber medan magnet untuk diketahui kurva histeresis magnetiknya. Toroida dibuat dengan menggunakan inti besi lunak berjari-jari dalam 2,1 cm dan dililit dengan kumparan berdiameter 0,45 mm. Tampilan berupa kurva histeresis magnetik diperoleh setelah rangkaian RLC dihubungkan ke osiloskop dan pada sumber sinyal berupa Audio Frequensy Generator (AFG). Rangkaian RLC tersebut telah diujicobakan dalam kegiatan pembelajaran pada mahasiswa Prodi Fisika semester V tahun 2005 FMIPA UNNES. Pembelajaran dilaksanakan dalam bentuk demonstrasi dengan desain evaluasi berupa pre-test post-test. Data yang diperoleh dari pre-test dan post-test dianalisis dengan metode statistik. Nilai koefisien korelasi biserial yang diperoleh dari analisis tersebut menunjukkan adanya peningkatan pemahaman mahasiswa yang cukup signifikan dengan tingkat signifikansi sebesar 2,66. Sedangkan dari uji kesamaan hasil dua rata-rata didapatkan hasil antara pre-test dan post-test mengalami perbedaaan yang positif ini menunjukkan bahwa terjadi peningkatan hasil post-test setelah demonstrasi alat. Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa alat ini dapat digunakan sebagai alat pembelajaran mata kuliah yang membahas tentang kurva histeresis magnetik. Kata Kunci: Toroida, Kurva histeresis, Osiloskop.
viii
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ..................................................................................... i PERSETUJUAN PEMBIMBING ............................................................... ii PENGESAHAN KELULUSAN ................................................................... iii PERNYATAAN ............................................................................................. iv MOTTO DAN PERSEMBAHAN ................................................................ v KATA PENGANTAR ................................................................................... vi ABSTRAK ..................................................................................................... viii DAFTAR ISI .................................................................................................. ix DAFTAR TABEL .......................................................................................... xi DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xii DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xiii BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah ............................................................... 1 B. Permasalahan ................................................................................. 3 C. Tujuan Penelitian........................................................................... 3 D. Manfaat penelitian ......................................................................... 3 E. Sistematika Penulisan Skripsi........................................................ 4 BAB II LANDASAN TEORI A. Sifat Kemagnetan Bahan .............................................................. 5 B. Medan Magnet............................................................................... 9 C. Kurva Histeresis ............................................................................ 14 D. Rangkaian RC dan RL................................................................... 16 E. Imbas Medan Listrik Terhadap Medan Magnet ............................ 19 F. Arus Pergeseran............................................................................. 21 BAB III METODOLOGI PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian ....................................................... 23 B. Desain Penelitian ........................................................................... 23
ix
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penelitian .............................................................................. 32 B. Pembahasan ..................................................................................... 37 BAB V SIMPULAN DAN SARAN A. Simpulan........................................................................................ 40 B. Saran .............................................................................................. 40 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 41 LAMPIRAN-LAMPIRAN ............................................................................ 42
x
DAFTAR TABEL Tabel 1. Kriteria tingkat kesukaran soal .......................................................... 27 Tabel 2. Kriteria daya pembeda soal................................................................ 28 Tabel 3. Hasil analisis uji coba instrumen ....................................................... 34 Tabel 4. Beberapa bahan magnet lunak ........................................................... 78 Tabel 5. Beberapa bahan magnetik keras......................................................... 78
xi
DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Arah domain-domain dalam bahan ferromagnetik sebelum diberi medan magnet luar............................................................. 8 Gambar 2. Arah domain dalam bahan feromagnetik setelah diberi medan magnet luar ....................................................................... 9 Gambar 3. Kumparan cincin dialiri arus .......................................................... 11 Gambar 4. Kurva induksi normal .................................................................... 14 Gambar 5. Kurva Histeresis ............................................................................. 15 Gambar 6. Rangkaian RC................................................................................. 16 Gambar 7. Rangkaian RL ................................................................................. 18 Gambar 8. Desain toroida inti besi lunak......................................................... 32 Gambar 9. Rangkaian RLC hasil kegiatan rancang bangun............................. 33 Gambar 10. (a) Rangkaian paralel RLC (b) rangkaian setara untuk (a) ...................................................... 72 Gambar 11. Foto karakterisasi kurva histeresis dengan osiloskop .................. 79 Gambar 12. Foto proses demonstrasi alat ........................................................ 79
xii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Data linearitas tegangan dan arus pada toroida .......................... 42 Lampiran 2. Data tegangan output pada MBL................................................. 43 Lampiran 3. Data konversi tegangan out put terhadap medan B dan H .......... 45 Lampiran 4. Daftar nilai dan deviasi standar pretes dan postes....................... 51 Lampiran 5. Analisis perangkat tes.................................................................. 52 Lampiran 6. Uji normalitas data sebelum demonstrasi.................................... 53 Lampiran 7. Uji normalitas data sesudah demonstrasi..................................... 54 Lampran 8. Perhitungan koefisien korelasi biseral .......................................... 55 Lampiran 9. Uji kesamaan dua rata-rata hasil belajar...................................... 56 Lampiran 10. Program Satuan Pengajaran....................................................... 57 Lampiran 11. Uji coba tes ................................................................................ 58 Lampiran 12. Instrumen penelitian .................................................................. 62 Lampiran 13. Modul demonstrasi alat ............................................................. 66 Lampiran 14. Analisis rangkaian RLC ............................................................. 72 Lampiran 15. Kurikulum dan Silabi Listrik Magnet........................................ 75 Lampiran 14. Bahan Magnet............................................................................ 78 Lampiran 15. Foto-foto Penelitian ................................................................... 79
xiii
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Secara historis ilmu kemagnetan bahan mulai tumbuh dari sebuah pengamatan bahwa “batu-batu” (magnetite) tertentu akan menarik potongan besibesi yang kecil. Perkataan magnetisme berasal dari magnesia di Asia Kecil, yakni salah satu diantara tempat batu-batu tersebut ditemukan. Kemudian ilmuwanilmuwan berusaha mencari tahu hal yang terjadi pada kasus tersebut, hingga memunculkan nama-nama yang dikenal sampai sekarang antara lain Oersted dan Maxwell. Rangkaian RLC adalah sebuah rangkaian yang berfungsi sebagai osilator. Jika rangkaian ini diberi sumber tegangan bolak-balik maka akan terjadi pengisian tegangan pada kapasitor. Ketika kapasitor penuh maka tegangan akan menuju ke dalam induktor. Pada proses ini energi yang diberikan oleh kapasitor adalah energi listrik. Setelah kapasitor dalam keadaan kosong, tegangan akan kembali lagi menuju kapasitor untuk pengisian. Sedangkan pada proses ini energi yang diberikan oleh induktor adalah energi magnet. Konsep pertambahan dan pengurangan tegangan ini sama dengan proses pembentukan kurva histeresis. Kurva Histeresis magnetik merupakan kurva karakteristik bahan magnet jika diberi medan magnet luar. Karakteristik dari kurva histeresis magnetik dapat digunakan untuk menyimpulkan suatu data bahwa bahan magnetik tersebut termasuk soft-magnet atau hard-magnet. Parameter kemagnetan dari kurva
1
2
histeresis magnetik bahan soft-magnet dan hard-magnet memerlukan visualisasi untuk menjelaskan konsep tersebut. Listrik magnet merupakan salah satu mata kuliah yang membahas tentang ilmu kemagnetan dan termasuk di dalamnya adalah kurva histeresis. Pada mata kuliah listrik magnet diajarkan mulai dari konsep dasar kemagnetan sampai lengkap pada bahan-bahannya. Mata kuliah listrik magnet memerlukan dua kali pemahaman yaitu hafalan dan hitungan. Konsep yang banyak hafalan dan hitungan pada mata kuliah ini sangat dikeluhkan oleh mahasiswa. Oleh karena itu pada mata kuliah listrik magnet perlu adanya penjelasan konsep dengan memanfaatkan alat peraga. Pada saat ini banyak dijumpai alat-alat yang menggunakan prinsip-prinsip kemagnetan di laboratorium Fisika FMIPA Unnes. Karena kesederhanaan dan kurangnya pengembangan alat, maka sedikit dosen yang menggunakan alat ini sebagai alat pengajaran. Untuk itu visualisasi kurva histeresis magnetik merupakan pengembangan alat peraga yang sesuai sebagai alat bantu mahasiswa fisika dalam memahami konsep-konsep kemagnetan, khususnya
pendekatan
secara abstraknya. Oleh karena itu penulis memandang perlu untuk melakukan penelitian dengan judul: “Rancang Bangun Rangkaian “RLC” Untuk Memperkenalkan Kurva Histerisis Bahan Magnet Pada Mahasiswa Fisika Dalam Mata Kuliah Listrik Magnet ”.
3
B. Permasalahan Berdasarkan uraian tersebut dapat ditegaskan bahwa penelitian ini memiliki fokus pada dua permasalahan, yaitu mengenai: 1. Rancang bangun alat berupa rangkaian RLC yang dapat digunakan untuk menampilkan kurva histeresis magnetik pada layar osiloskop. 2. Kegiatan pembelajaran untuk meningkatkan pemahaman mahasiswa tentang konsep-konsep fisika yang ada pada kurva histeresis dengan memanfaatkan rangkaian yang telah dibuat. Jadi secara keseluruhan penelitian ini tetap berorientasi pada kegiatan pembelajaran yang dapat memberikan pemahaman yang baik kepada mahasiswa. C. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Menghasilkan prototipe rangkaian RLC yang dapat digunakan untuk menampilkan kurva histeresis magnetik pada layar osiloskop. 2. Memanfaatkan rangkaian RLC tersebut dalam kegiatan pembelajaran untuk meningkatkan pemahaman mahasiswa Jurusan Fisika tentang konsep-konsep fisika yang terdapat pada kurva histeresis magnetik. D. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberi manfaat sebagai salah satu alat bantu pengajaran mata kuliah listrik magnet dan praktikum fisika dasar tentang kemagnetan yang selama ini sangatlah kurang. Hasilnya yang diharapkan adalah mahasiswa menjadi lebih memahami tentang konsep kurva histeresis dari bahan magnet yang digunakan.
4
E. Sistematika Penulisan Skripsi Sistematika penyusunan skripsi ini adalah: 1. Bagian awal skripsi, berisi tentang halaman judul, abstrak, halaman pengesahan, motto dan persembahan, kata pengantar, daftar isi, daftar gambar, daftar tabel, dan daftar lampiran. 2. Bagian isi skripsi, terdiri atas: Bab I :
Pendahuluan, meliputi alasan pemilihan judul, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan skripsi.
Bab II :
Landasan teori, berisi tentang teori-teori yang mendukung penelitian dan kerangka berpikir.
Bab III :
Metodologi penelitian, berisi metode yang digunakan dalam penelitian.
Bab IV :
Hasil penelitian dan pembahasan, berisi tentang hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan disertai dengan pembahasan mengenai hasil tersebut.
Bab V :
Penutup, berisi kesimpulan hasil penelitian dan saran-saran yang diajukan.
3. Bagian akhir skripsi, berisi tentang daftar pustaka dan lampiran-lampiran.
BAB II LANDASAN TEORI A. Sifat Kemagnetan Bahan Semua bahan tersusun semata dari atom. Setiap atom terdiri dari inti dan elektron yang bergerak mengelilingi inti. Di samping mengorbit inti, elektron melakukan gerakan spin pada sumbunya. Akibat gerakan elektron ini, maka dalam atom timbul medan magnet (Hayt, 1990: 321). Medan magnet akibat orbit dan spin elektron ini dapat dipadu seperti perpaduan vektor. Dan hasil perpaduannya disebut resultan medan magnet atomis. Berdasarkan sifat medan magnet atomis bahan dibagi menjadi tiga golongan, yaitu: 1. Bahan diamagnetik Tahun 1846 Michael Faraday menemukan bahwa sebuah contoh bahan bismuth yang didekatkan ke kutub sebuah magnet akan ditolak. Zat-zat semacam itu oleh Faraday dinamakan zat diamagnetik. Diamagnetisme yang ada di dalam semua zat merupakan suatu efek yang begitu lemah, sehingga kehadiran efek tersebut ditutupi (tidak terlihat) di dalam zat-zat yang terbuat dari atom-atom yang mempunyai momen dipole magnet netto yaitu pada zat paramagnetik dan ferromagnetik. Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya nol, tetapi orbit dan spinnya tidak nol (Halliday & Resnick, 1989:427). Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka
5
6
elektron-elektron dalam atom akan berubah gerakannya sedemikian hingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya berlawanan dengan medan magnet luar tersebut. Akibatnya, jika bahan ini dimasukkan dalam kumparan toroida akan menyebabkan fluks induksi magnet (Ф) menjadi lebih
r kecil, sehingga induksi magnet ( B ) yang ditimbukan juga lebih kecil. Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron. Karena atom mempunyai elektron orbital, maka sifat diamagnetik dimiliki oleh setiap bahan. Suatu bahan dapat bersifat magnet apabila susunan atom dalam bahan tersebut mempunyai spin elektron yang tidak berpasangan. Dalam bahan diamagnetik hampir semua spin elektron berpasangan, akibatnya bahan ini tidak menarik garis gaya. Permeabilitas bahan ini: μ < μ 0 dengan suseptibilitas magnetik bahan: χ m < 0 . Contoh bahan diamagnetik yaitu: bismut, perak, emas, tembaga dan seng. 2. Bahan paramagnetik Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet atomis total seluruh atom/molekul dalam bahan nol (Halliday & Resnick, 1989). Hal ini disebabkan karena gerakan atom/molekul acak, sehingga resultan medan magnet atomis masing-masing atom saling meniadakan. Jika bahan ini diberi medan magnet luar, maka elektron-elektronnya akan berusaha sedemikian rupa sehingga resultan medan magnet atomisnya searah dengan medan magnet luar. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen
7
magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnet luar. Pada bahan ini efek diamagnetik (efek timbulnya medan magnet yang melawan medan magnet penyebabnya) dapat timbul, tetapi pengaruhnya sangat kecil. Oleh karena itu jika bahan ini dimasukkan dalam kumparan toroida akan v menyebabkan induksi magnet B bertambah besar. Dalam bahan paramagnetik hanya sedikit spin elektron yang tidak berpasangan, sehingga bahan ini sedikit menarik garis gaya magnet. Permeabilitas bahan: μ > μ0 , dengan suseptibilitas magnetik bahan : χ m > 0. Contoh bahan paramagnetik antara lain : alumunium, magnesium dan wolfram. Bahan diamagnetik dan paramagnetik mempunyai sifat kemagnetan yang lemah. Perubahan induksi magnet dengan adanya bahan tersebut tidaklah besar apabila digunakan sebagai pengisi kumparan toroida. 3. Bahan ferromagnetik Bahan ferromagnetik adalah bahan yang mempunyai resultan medan atomis besar (Halliday & Resnick, 1989:422). Hal ini terutama disebabkan oleh momen magnetik spin elektron. Pada bahan ferromagnetik banyak spin elektron yang tidak berpasangan, misalnya pada atom besi terdapat empat buah spin elektron yang tidak berpasangan. Masing-masing spin elektron yang tidak berpasangan ini akan memberikan medan magnetik, sehingga total medan magnetik yang dihasilkan oleh suatu atom lebih besar. Medan magnet dari masing-masing atom dalam bahan ferromagnetik sangat kuat, sehingga interaksi diantara atom-atom tetangganya menyebabkan
8
sebagian besar atom akan mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok. Kelompok atom yang mensejajarkan dirinya dalam suatu daerah dinamakan domain. Bahan feromagnetik sebelum diberi medan magnet luar mempunyai domain yang momen magnetiknya kuat. Momen magnetik ini mempunyai arah yang berbeda-beda dari satu domain ke domain yang lain, sehingga medan magnet yang dihasilkan tiap domain saling meniadakan.
Gambar 1. Arah domain-domain dalam bahan ferromagnetik sebelum diberi medan magnet luar (Surya, 1989: 61). Jika bahan ini diberi medan magnet dari luar, maka domain-domain ini akan mensejajarkan diri searah dengan medan magnet dari luar tersebut. Semakin kuat medan magnetnya semakin banyak domain-domain yang mensejajarkan dirinya. Setelah seluruh domain terarahkan, penambahan medan magnet luar tidak memberi pengaruh apa-apa karena tidak ada lagi domain yang disearahkan. Keadaan ini dinamakan keadaan saturasi (jenuh).
B
Gambar 2. Arah domain dalam bahan feromagnetik setelah diberi medan magnet luar (Surya, 1989: 61).
9
Berbeda dengan bahan paramagnetik, bahan ferromagnetik ini tetap bersifat magnet (memiliki medan magnet) meskipun pengaruh magnet dari luar dihilangkan. Karena itu bahan ini sangat baik sebagai sumber magnet permanen. Jika toroida diisi bahan ferromagnetik, maka induksi bahan magnetik yang dihasilkan oleh toroida bertambah besar sampai ribuan kali. Permeabilitas bahan: μ >>> μ0 , dengan suseptibilitas bahan : χ m >>> 0 . Contoh bahan ferromagnetik antara lain: besi, baja dan besi silikon. Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik ini akan hilang pada temperatur yang disebut Temperatur Currie. Temperatur Curie untuk besi lemah adalah 7700 C, dan untuk baja adalah 10430 C (Kraus. J. D, 1970: 165). B. Medan Magnet Medan magnet didefinisikan sebagai ruang disekitar sebuah magnet atau di sekitar sebuah penghantar yang dialiri arus (Halliday & Resnick, 1989: 251). Medan magnet merupakan besaran vektor, sehingga kita dapat menggunakan garis medan untuk menyatakan medan magnet. Salah satu besaran medan magnet v adalah induksi magnet dan dinyatakan dengan vektor Β . Garis medan induksi magnet disebut garis induksi. Seperti halnya pada medan listrik, jumlah garis gaya yang menembus pada suatu permukaan luasan S dapat ditentukan bila induksi r v magnet Β pada tiap titik pada permukaan luasan S tersebut diketahui. Bila dΑ
v adalah vektor elemen luas pada luasan S tertentu dan Β adalah vektor induksi pada elemen luas tersebut, maka jumlah garis gaya atau Fluks Ф yang keluar dari permukaan luasan S adalah:
10
Φ = ∫ Βr •dAr ……………………………………………… ............(2.1) s
(Sutrisno dan Tan, 1983: 80) Integral pada persamaan (2.1) adalah integral permukaan. Integral r r r v Β • dΑ menyatakan produk skalar antara vektor Β dan dΑ . Persamaan (2.1) juga
dapat ditulis:
Φ = ∫ ΒdΑ cosθ s
Φ = ∫sΒ n dΑ ………………………………….........................
(2.2)
θ adalah sudut antara vektor B dan dA, sedangkan Bn= B cos θ adalah komponen B pada arah normal. Hubungan diatas berasal dari gambaran besar induksi magnet (B) sebagai rapat garis gaya tiap satuan luas, sehingga besar induksi magnet (B) dapat disebut sebagai rapat fluks (Sutrisno dan Tan, 1983: 80). 1. Medan magnet dalam kumparan solenoida Solenoida adalah sebuah kawat panjang yang dililitkan dan terbungkus rapat (Halliday & Resnick.1987: 311). Medan magnet yang ditimbulkan dari solenoida merupakan jumlah vektor dari medan-medan magnet yang ditimbulkan oleh semua lilitan yang membentuk solenoida tersebut. Untuk menghitung besarnya medan magnet yang terdapat dalam solenoida digunakan hukum Ampare
r
r
∫ Β • dl = μ i C
o
sebagai dasarnya. Dari hukum Ampere
ini persamaan medan magnet di dalam solenoida menjadi;
B = μ0in ........................................................................................... (2.3) (Halliday & Resnick, 1989: 312 )
11
faktor n menyatakan banyaknya lilitan per satuan panjang. Walaupun telah menurunkan persamaan (2.3) untuk sebuah solenoida ideal yang panjangnya tak hingga, namun persamaan (2.3) tersebut cukup baik juga untuk medan magnet pada titik-titik di dekat pusat solenoida. Persamaan (2.3) tersebut memperlihatkan bahwa B tidak bergantung pada diameter atau panjang solenoida, sehingga penampang solenoida
tersebut dapat dianggap
konstan. 2. Medan magnet dalam kumparan toroida Kumparan toroida berisi udara dengan N jumlah lilitan yang rapat dan arus
i mengalir dalam kawat kumparan maka garis induksi magnet akan membentuk lingkaran sepusat dengan cincin. Untuk menghitung induksi magnet dalam kumparan menggunakan hukum Ampere. Hukum Ampere menyatakan:
∫
C
r r Β • d l = μoiC
………………………………………........….(2.3)
dimana iC adalah arus yang ada dalam lengkung. Karena garis induksi magnet berupa lingkaran, maka induksi magnet B selalu sejajar di sepanjang lengkung C.
r
B
a
iC
b
i Gambar 3. Kumparan cincin dialiri arus (Sutrisno dan Tan, 1983: 105)
12
Disamping itu harga induksi magnetik B tidak bergantung pada letak perubahan panjang pada C tetapi integral garis.(sutrisno dan Tan, 1983: 104).
∫
C
r r Β • d l = Β∫ d l
C ………………………………................ r r ∫ Β • d l =(2πr )
(2.4)
C
∫ dl = l
Karena
adalah keliling lingkaran C sebesar 2πr , sehingga induksi
C
magnet dalam cincin adalah: B (2 πr ) = μ 0 iN B=
μ 0 iN ………….…………………………………………......... (2.5) 2πr
Induksi magnet di luar penampang cincin sama dengan nol. Hal ini dapat ditunjukkan dengan hukum Ampere, dengan syarat lengkungan C diambil di luar cincin. Karena arus yang terkandung dalam C adalah nol, maka induksi magnet di luar penampang cincin juga sama dengan nol. 3. Medan magnet dalam toroida yang mengandung bahan magnetik Jika dalam toroida terdapat bahan magnet (dalam hal ini adalah bahan ferromagnetik yang dianggap homogen), apabila diberi medan magnet dari luar akan berpengaruh terhadap arah momen magnetik spin pada tiap atom dalam bahan. Momen magnetik spin tersebut cenderung searah dengan medan magnet luar. Hal ini mengakibatkan timbulnya momen dipol resultan yang dihasilkan oleh arus permukaan iS. Arus permukaan iS akan mengubah harga induksi magnet total menjadi:
13
Bt = μ0
iN i + μ0 S ………………………………………….......... (2.6) l l
N menunjukkan jumlah lilitan pada kumparan toroida, i adalah arus pada lilitan kawat dan iS adalah arus permukaan yang dihasilkan oleh bahan magnetik. Bila jari-jari rerata toroida r jauh lebih besar dari pada a, maka medan dalam toroida dianggap homogen. Dengan kata lain rapat fluks induksi magnetik sama pada seluruh bagian penampang toroida. Untuk membedakan arus pada lilitan kawat ( i ) dengan arus permukaan (iS) digunakan besaran medan magnet yang baru yaitu intensitas magnet H dan magnetisasi bahan M yang dirumuskan: H=
i iN dan M = S …………………………………........................(2.7) l l
dengan l adalah keliling dari lingkaran C sebesar 2πr, sehingga satuan untuk H dan M adalah Am-1. Dengan demikian persamaan (2.6) dapat ditulis sebagai : Bt = μ 0 ( H + M ) ………………………………………………….......(2.8) Dengan adanya penambahan faktor μ 0 M pada induksi magnetik akan menyebabkan medan magnet total menjadi lebih besar. Demikian juga dengan harga fluks induksi magnet (Φ) akan menjadi lebih besar. Pada banyak bahan, besarnya magnetisasi M sebanding dengan besarnya intensitas megnet H yang diungkapkan secara matematis seperti persamaan di bawah: r r M = χ m H …………………………………………………............ (2.9)
(Reitz, 1993: 224).
14
dengan besaran skalar tanpa dimensi χ m yang disebut suseptibilitas magnetik (kerentanan magnet). Adanya medan magnet dari arus bebas pada bahan
r r ferromagnetik akan menyebabkan hubungan M dengan H tidaklah linier. Hal ini merupakan perbedaan antara bahan ferromagnetik dengan bahan diamagnetik dan bahan paramagnetik. C. Kurva Histerisis Bentuk umum kurva induksi magnet B sebagai fungsi intensitas magnet H terlihat pada gambar 4. Kurva B-H seperti ini disebut kurva induksi normal. B Bs (a)
a
Bs (b)
b
Bs ( c)
c
H
Gambar 4. Kurva induksi normal (Sutrisno dan Tan, 1983:110) Tampak bahwa kurva tidak berbentuk garis lurus, sehingga dikatakan bahwa hubungan antara B dan H adalah tidak linier. Dengan kenaikan harga H, mula-mula B turut naik tetapi tidak linear. Mulai dari satu titik tertentu harga H hanya akan menghaslkan harga B yang konstan, keadaan ini disebut dengan kedaan saturasi. Harga induksi magnetik untuk keadaan saturasi disebut dengan
Bs atau induksi magnet saturasi. Bahan yang mencapai saturasi untuk harga H rendah disebut bahan magnet lunak seperti kurva (a) pada gambar 4. Bahan
15
magnet yang saturasinya terjadi pada harga H tinggi disebut magnet keras seperti kurva (c) pada gambar 4. Bila sudah mencapai saturasi intensitas magnet (H) diperkecil ternyata harga B tidak terletak pada kurva semula. Pada harga H = 0, induksi magnet atau rapat fluks B mempunyai harga Br ≠ 0. Jadi apabila arus yang masuk pada toroida dimatikan (i = 0) dalam bahan masih tersimpan fluks induksi. Harga Br ini disebut dengan induksi remanen atau remanensi bahan.
BS
HS
Br
-Hc
0
Hc
H
Gambar 5. Kurva Histeresis (Haliday dan Resnick, 1983:110) Bila setelah mencapai nol harga intensitas magnet H dibuat negatif (dengan membalik arus pada lilitan), kurva B-H akan memotong sumbu H pada harga -Hc. Intensitas Hc inilah yang diperlukan untuk membuat rapat fluks B=0 atau menghilangkan fluks dalam bahan. Intensitas magnet Hc ini disebut koersivitas bahan. Bila selanjutnya harga diperbesar pada harga negatif sampai mencapai saturasi dan dikembalikan melalui nol berbalik arah dan terus
16
diperbesar pada harga H positif hingga saturasi kembali, kurva B-H akan membentuk satu lintasan tertutup yang disebut kurva histeresis. Bahan magnet dengan koersivitas tinggi berarti tidak mudah hilang kemagnetannya. Untuk menghilangkan kemagnetannya diperlukan intensitas magnet H yang besar. Bahan magnet seperti ini baik untuk membuat magnet permanen. Bahan megnet lunak dengan Hc rendah dan Br tinggi mempunyai permeabilitas maksimum yang tinggi. Bahan magnet ini terutama digunakan untuk memperbesar fluks. Dengan arus yang tidak terlalu besar, dapat dihasilkan fluks yang besar. D. Rangkaian RC dan RL R
1. Rangkaian RC
ε(t)
C
∞
VC
Gambar 6. Rangkaian RC (Marthen K. 2000: 92) Jika suatu kapasitor dengan kapasitansi C dihubungkan dengan sumber tegangan ac sebesar
ε(t),
maka setelah beberapa waktu di dalam kapasitor
terkumpul muatan sebanyak q = CE. Setelah muatan ini tercapai, dikatakan muatan ini terisi penuh. Isi muatan akan tetap tersimpan dalam kapasitor selama tak ada kebocoran muatan yang mengalir dari plat kapasitor satu ke yang lain. Kapasitor C tidaklah langsung terisi penuh melainkan memerlukan waktu.
17
Ketika sumber tegangan ac dihubungkan pada rangkaian, maka arus mengalir dari sumber tegangan dan mengisi muatan kapasitor. Pada saat t, kapasitor yang mula-mula kosong mendapat muatan; t
q (t ) = ∫ i dt .................................................................................. (2.10) 0
beda tegangan pada kapasitor sebesar;
q (t ) C ............................................................................ (2.11) t 1 VC (t ) = ∫ i dt C0 VC (t ) =
sedangkan beda tegangan antara kedua ujung resistor R menjadi; VR = ε − VC (t ) t
1 VR = ε − ∫ i dt ........................................................................... (2.12) C0 VR = iR
ε adalah ggl induksi pada rangkaian. Oleh karena VC terus bertambah, maka VR akan terus berkurang sehingga arus i(t) akan terus berkurang pula. Penurunan arus ini secara eksponensial dengan persamaan; i (t ) =
ε R
e − t / RC ............................................................................ (2.13)
waktu t = RC disebut tetapan waktu dan dinyatakan dengan τ, sehingga τ = RC. Tampak makin besar harga dari RC, maka makin lama waktu yang diperlukan untuk mengisi kapasitor hingga penuh. Secara fisis ini dapat diterangkan bahwa jika R besar maka arus untuk mengisi kapasitor kecil. Sehingga memerlukan waktu yang lama, begitupun jika C besar diperlukan waktu yang lama untuk mengisi hingga penuh.
18
2. Rangkaian RL
Pada gambar 7 ditunjukkan sebuah rangkaian yang terdiri dari induktor L, Resistor R dan sumber tegangan bolak-balik. Jika induktor tidak ada dalam rangkaian maka arus listrik yang mengalir dalam rangkaian segera mencapai nilai tetap V(t)/R begitu sumber dipasang.
RL
ε(t)
L
∞ R
V0
Gambar 7. Rangkaian RL (Kanginan, 2000:93) Pada rangkaian tersebut ketika sumber tegangan dipasang, terjadi laju pertumbuhan arus di/dt dalam rangkaian dimana sebelum arus mencapai harga tetapnya yaitu ε(t)/R. Karena adanya di/dt, maka pada induktor timbul ggl induksi diri ε = -L di/dt yang menentang pertumbuhan arus dalam rangkaian. Dengan kata lain induktor L bertindak seakan-akan sebagai sebuah sumber tegangan ε dengan polaritas berlawanan dengan sumber tegangan ε(t). Ggl induksi diri inilah yang menyebabkan arus listrik dalam rangkaian bertambah secara perlahan sampai mencapai harga tetapnya. Ketika arus dalam rangkaian sudah mencapai harga
19
tetapnya, laju pertumbuhan arus sudah mencapai harga nol (di/dt=0), dan ggl induksi sama dengan nol. Dari sini dapat disimpulkan bahwa induktor dapat menghambat laju arus dalam rangkaian. Makin besar nilai induktansi L makin baik induktor tersebut dalam mengurangi laju pertumbuhan arus (Marthen K. 2000). Tetapan waktu dalam rangkain di berikan rumus:
τ =
L ............................................................................................... (2.14) R
Jika sumber tegangan diputus maka terjadi laju pengecilan arus dalam rangkaian sebelum arus mencapai nol. Pada induktor timbul ggl induksi diri yang menentang pengecilan arus dalam rangkaian. Akibat ggl induksi diri, arus dalam rangkaian mengecil secara perlahan sampai mencapai nilai nol. Tegangan yang terukur pada titik R merupakan tegangan yang dipengaruhi arus i (t), sehingga arus tersebut dapat dihitung dangan hukum Ohm yaitu:
i (t ) =
V ............................................................................................ (2.15) R
E. Imbas Medan Listrik Terhadap Medan Magnet
Medan listrik ( E ) dapat dihasilkan dari plat kapasitor yang sejajar. Disini dianggap bahwa E semakin besar dengan kecepatan perubahan yang tetap (steady
rate) dE/dt, yang berarti bahwa muatan harus dibekalkan kepada plat-plat kapasitor dengan kecepatan yang tepat. Untuk membekalkan muatan ini, maka akan diperlukan sebuah arus i yang tetap memasuki plat positif dan sebuah arus tetap i yang sama keluar plat negatif. Sebuah eksperimen oleh Faraday memperlihatkan bahwa sebuah medan magnet dihasilkan oleh medan listrik yang berubah-ubah. Untuk menjelaskan efek
20
ini secara kuantitatif, maka dipandu oleh analogi dengan hukum induksi Faraday (Halliday & Resnick, 1989).
∫ E • dl = −
dΦ B dt
......................................................................... (2.15)
yang menyatakan bahwa sebuah medan listrik (suku kiri) dihasilkan oleh sebuah medan magnet yang berubah-ubah (suku kanan). Untuk imbangan simetrinya, maka dapat dituliskan
∫ B • dl = μ
0
∈0
dΦ E dt
..........................................................................................................
(2.16)
Persamaan 2.16 manyatakan bahwa sebuah medan magnet dapat dihasilkan oleh sebuah medan listrik yang berubah-ubah dari kapasitor. Di dalam persamaan 2.3 bisa dilihat bahwa sebuah medan magnet juga dihasilkan oleh sebuah arus i di dalam sebuah kawat. Telah dijelaskan bahwa secara kuantitatif hikum Ampere:
∫ B • dl = μ i .................................................................................. 0
(2.17)
yang di dalamnya I adalah arus konduksi yang melewati suatu simpal di sekeliling integral garis. Jadi setidak-tidaknya ada tiga cara untuk menghasilkan medan magnet yaitu: 1. dengan sebuah medan listrik yang menghasilkan medan magnet 2. dengan sebuah arus 3. dengan sebuah benda yang dimagnetkan. Pada umumnya ketiga-tiganya harus diperhitungkan sesuai persamaan;
∫ B • dl = μ
0
∈0
dΦ E + μ0i + μ0iM dt
...........................................................................
(2.18)
21
∈0 adalah permitivitas dari kapasitor berisi udara yang digunakan dan iM adalah arus pemagnet yang berasal dari bahan magnet yang dipakai dalam toroida. Rumus umum dari IM yaitu M 2πr N dengan ................................................................................ (2.19) B − μ0 H M =
iM =
μ0
(Halliday & Resnick, 1989:443) Rumus generalisasi hukum Ampere yang penting ini diturunkan oleh Maxwell. Generalisasi tersebut adalah suatu sumbangan (kontribusi) yang sangat penting. F.
Arus Pergeseran
Persamaan 2.18 memperlihatkan bahwa suku ∈0
dΦ E mempunyai dimensi dt
arus. Walaupun tidak ada gerak muatan yang terlibat, namun ada keuntungankeuntungan di dalam menamakan suku ini yaitu arus pergeseran. Jadi dapat dikatakan bahwa sebuah medan magnet dapat dihasilkan baik oleh arus konduksi i, arus pemagnet iM maupun oleh arus pergeseran id (= ∈0
dΦ E ). Dan dapat dt
ditulikan kembali persamaan 2.18 menjadi
∫ B • dl = μ (i 0
d
+ i + iM ) ................................................................. (2.20)
Untuk menghitung arus pergeseran oleh kapasitor, maka dapat diturunkan persamaan fluks (Φ) dari plat kapasitor keping sejajarn yaitu: ΦE 1 dq = dt ∈0 dt
22
ΦE 1 dV = C ............................................................................... (2.21) dt ∈0 dt sehingga persamaan untuk arus pergeseran adalah; id = ∈0 C
id = C
dV ∈0 dt
dV dt
......................................................................................................................................
(2.22)
dari persamaan ini maka semakin jelas bahwa medan magnet juga dipengaruhi oleh besarnya kapasitor, hubungan itu adalah
∫ B • dl = μ (C 0
dV + i + iM ) ........................................................... (2.23) dt BAB III METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Agustus sampai dengan bulan Desember 2005 di Laboratorium Fisika FMIPA UNNES. B. Desain Penelitian
Desain utama penelitian adalah berkaitan dengan desain pembelajaran. Namun karena untuk keperluan pembelajaran tersebut diperlukan demonstrasi alat, maka tahap penelitian diawali dengan kegiatan rancang bangun alat. Rancang bangun tersebut berupa rangkaian RLC yang dapat digunakan untuk menampilkan kurva histeresis magnetik pada layar osiloskop. Setelah alat selesai dibuat dan terkarakterisasi dengan baik, maka alat tersebut digunakan dalam penelitian (kegiatan pembelajaran) dengan desain sebagai berikut.
23
1. Populasi dan sampel
Populasi dalam penelitian ini adalah mahasiswa Jurusan Fisika FMIPA UNNES semester V tahun 2005, sedangkan sampel yang digunakan adalah mahasiswa Prodi Fisika FMIPA UNNES semester V tahun 2005. Jumlah mahasiswa prodi ini adalah 40 orang. Dari jumlah tersebut sebanyak 20 orang dijadikan kelompok untuk melakukan uji coba instrumen, dan 20 orang lainnya sebagai kelompok treatment penelitian. Pengelompokan mahasiswa menjadi kelompok uji coba ataupun kelompok treatment dilakukan dengan metode
random sampling. Tiap-tiap individu dalam populasi diberi kesempatan yang sama untuk menjadi anggota sampel (Hadi, 1989). Hal ini dipilih dengan asumsi bahwa semua mahasiswa pada prodi tersebut memiliki kemampuan yang tidak jauh berbeda. 2. Proses pembelajaran
Awal proses pembelajaran yang dilakukan dalam penelitian ini adalah dengan memberikan soal pre-test pilihan ganda. Bentuk Pre-test berupa soal pilihan ganda sebanyak 15 soal dan dikerjakan mahasiswa selama 15 menit. Setelah pre-test selesai kegiatan pembelajaran dilanjutkan dengan demonstrasi alat untuk menampilkan kurva histeresis magnetik. Proses demonstrasi kurva histeresis dimulai dengan menjelaskan karakteristik bahan-bahan magnet jika dimagnetisasi. Pada kegiatan ini diberikan penjelasan
tentang
karakteristik
bahan
diamagnetik,
paramagnetik
dan
ferromagnetik ketika diberi medan magnetik luar. Penjelasan ini juga membahas perpaduan dua gelombang input channel 1 dan inputt channel 2 pada osiloskop
24
ketika menekan tombol dual dan tombol X-Y . Setelah penjelasan secara lisan ini diberikan kegiatan dilanjutkan dengan demonstrasi, yaitu menunjukkan kurva histeresis magnetik pada layar osiloskop dengan memanfaatkan rangkaian RLC hasil rancang bangun. Tahap kegiatan pembelajaran ini dilaksanakan selama 20 menit. Tahap proses pembelajaran selanjutnya adalah pemberian post-test. Soal
post-test yang diberikan kepada mahasiswa sama dengan soal pre-test. Post-test diberikan dengan maksud untuk mengetahui peningkatan pemahaman mahasiswa terhadap konsep-konsep fisika tentang kurva histeresis sebagai hasil kegiatan demonstrasi. Waktu yang diberikan kepada mahasiswa untuk mengerjakan Post-
test juga selama 15 menit. Hasil peningkatan pemahaman mahasiswa terhadap konsep-konsep yang terdapat dalam kurva histeresis magnetik diperoleh dengan membandingkan hasil
pre-test dan post-test melalui pengolahan statistik. 3. Analisis Perangkat Tes
Instrumen tes yang digunakan adalah sejumlah soal yang telah diuji cobakan dan telah dianalisis serta ditetapkan kelayakannya sebagai instrumen penelitian. Analisis terhadap instrumen penelitian tersebut meliputi uji validitas, reliabilitas, tingkat kesukaran serta daya beda soal. a. Validitas butir soal
Validitas butir soal berfungsi untuk mengetahui seberapa besar peran yang diberikan oleh butir soal tes dalam mencapai peran yang keseluruhan skor soal tes. Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk menentukan validitas
25
tes. Dalam penelitian ini validitas tes dianalisis dengan menggunakan korelasi
Point Biserial (Arikunto:1998), yaitu dengan menggunakan rumus:
r pbis =
M
p
−Mt St
p q
........................................ .......... (3.1)
Keterangan: rpbis = koefisien point biserial Mp = mean skor dari subjek-subjek yang menjawab betul item yang dicari korelasinya dengan tes Mt = mean skor total (skor rerata dari seluruh pengikut tes) St = standar deviasi skor total p = proporsi subjek yang menjawab betul item tersebut q = proporsi subjek yang menjawab salah item tersebut Cara menggunakan rumus di atas adalah sebagai berikut. Pertama menghitung ritem. Setelah itu ritem hasil perhitungan dibandingkan dengan rtabel hasil korelasi produk moment, dengan taraf signifikan 5%. Item soal dikatakan valid jika ritem > rtebel . b. Reliabilitas
Reliabilitas berfungsi untuk menunjukkan suatu pengertian bahwa suatu instrument cukup dapat dipercaya untuk digunakan sebagai alat pengumpul data. Dalam penelitian ini reliabilitas tes diuji dengan menggunakan rumus KR-20 (Arikunto.1998):
26
2 ⎛ k ⎞⎛⎜ S − ∑ pq ⎞⎟ r11 = ⎜ .................................................... ............(3.2) ⎟ ⎟ S2 ⎝ k − 1 ⎠⎜⎝ ⎠
Keterangan: K
= banyaknya butir soal
∑pq = jumlah dari pq S
= Varians total
Penetapan reliabilitas tes diperoleh dengan cara mencocokkan nila r11 dengan harga r pada tabel r produk momen. Instrumen dianggap reliabel pada taraf nyata 5%, jika r11 > rtabel . c. Tingkat kesukaran butir soal
Tingkat kesukaran dari butir soal yang diberikan pada penelitian dianalisis dengan menggunakan rumus indeks kesukaran (Subino,1987), yaitu: IK =
JB A + JBB .................................................................... .......... (3.3) JS A + JS B
Keterangan: IK = Indeks kesukaran JBA= jumlah siswa yang menjawab benar pada butir soal kelompok atas JBB = jumlah siswa yang menjawab benar pada butir soal kelompok bawah JSA= banyaknya siswa pada kelompok atas JSB = banyaknya siswa pada kelompok bawah Penetapan tingkat kesukaran dilakukan dengan kriteria seperti tercantum pada tabel 1 berikut.
27
Tabel 1. Kriteria tingkat kesulitan soal (Diambil dari Subino,1987) Interval IK IK = 0,00 0,00 < IK ≤ 0,20 0,20 < IK ≤ 0,70 0,70 < IK ≤ 1,00 IK = 1,00
Kriteria Terlalu sukar Sukar Sedang Mudah Terlalu mudah
d. Daya pembeda soal
Rumus yang digunakan untuk menghitung daya pembeda soal adalah sebagai berikut: DP =
JB A − JBB .................................................................. ……. (3.4) JS A
Keterangan: DP = daya pembeda soal JBA = jumlah siswa yang menjawab benar pada butir soal kelompok atas JBB = jumlah siswa yang menjawab benar pada butir soal kelompok bawah JSA = banyaknya siswa pada kelompok atas Kriteria yang digunakan adalah seperti ditunjukkan oleh tabel 2. Tabel 2. Kriteria daya pembeda soal (Subino.1987) Interval DP DP ≤ 0,00 0,00 < DP ≤ 0,20 0,20 < DP ≤ 0,40 0,40 < DP ≤ 0,70 0,70 < DP ≤ 1,00
Kriteria Sangat jelek Jelek Cukup Baik Sangat baik
28
4. Metode Analisis Data a. Uji normalitas data
Uji normalitas data dilakukan untuk mengetahui apakah data hasil penelitian terdistribusi normal atau tidak. Uji normalitas sangat penting untuk menentukan metode statistik berikutnya yang cocok untuk manganalisis data yang diperoleh. Dalam penelitian ini uji normalistas dilakukan dengan menggunakan rumus chi kuadrat (Sudjana.1996), yaitu: (Oi − Ei ) ………………………………………………… (3.5) Ei i =1 k
X2 = ∑
Keterangan: X2 = harga chi kuadrat Oi = frekuensi hasil pengamatan Ei = frekuensi yang diharapkan K = banyaknya kelas Kriteria pengujian adalah H0 ditolak jika X2 ≥ X2(1-α)(k-1) dengan α adalah taraf nyata untuk pengujian, sedangkan H0 diterima jika selain dari kriteria pengujian itu. Jika data terdistribusi normal, maka dilanjutkan pengolahan data secara statistik seperti yang tersebut dalam uraian berikut dan jika data tidak terdistribusi normal, maka dilakukan uji non parametrik lain. b. Perhitungan koefisien korelasi biserial
Untuk mengetahui derajat hubungan penerapan model belajar demonstrasi alat dan peningkatan pemahaman materi dari mahasiswa, digunakan rumus koefisien korelasi biserial (Sudjana.1996), yaitu:
(Y −Y ) pq rb = 2 1 Keterangan:u s y
.................................................................................... (3.6)
rb = koefisien korelasi biserial
29
Y1 = rata-rata variabel Y yang didapat karena kategori pertama Y2 = rata-rata variabel Y yang didapat karena kategori kedua Sy = simpangan baku untuk semua nilai Y P = Proporsi pengamatan dalam kategori pertama q = proporsi pengamatan dalam kategori kedua u = tinggi ordinat dari normal kurva baku bagian p dan q c. Uji kesamaan rata-rata dua hasil belajar
Setelah dilakukan uji normalitas dan perhitungan koefisien korelasi biserial langkah selanjutnya adalah pengujian kesamaan rata-rata dua hasil belajar. Pasangan hipotesis nol dan tandingannya yang akan diuji adalah: Ho : µ1 = µ2 Ha : µ1 ≠ µ2 Ho adalah hipotesa bahwa
tidak ada peningkatan hasil belajar dengan
menggunakan model demonstrasi alat yang telah dibuat pada mahasiswa Fisika semester V FMIPA UNNES tahun 2005, sedangkan Ha adalah hipotesa yang menyatakan bahwa
peningkatan hasil belajar dengan menggunkan model
demonstrasi alat yang telah dibuat pada mahasiswa Fisika semester V FMIPA UNNES tahun 2005. Pengujian peningkatan hasil belajar ini menggunakan uji t, seperti diberikan oleh Sudjana ( 1996): t=
s=
Keterangan:
X1 − X 2 1 1 s + n2 n2 ( n1 − 1) s12 + ( n2 − 1) s22 n1 + n2 − 2 ............................................... ........... (3.7)
30
t = tingkat kesamaan rata-rata hasil belajar s = deviasi rata-rata dua hasil belajar n = jumlah testi X = rata-rata dari hasil belajar Kriteria pengujian yang berlaku adalah Ho diterima jika –t(1-1/2α)< t < t(1-1/2α) dimana t(1-1/2α) didapat dari distribusi t dengan dk = (n1+n2-2) peluang (1-1/2 α) serta α = 5%.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penelitian 1. Hasil rancang bangun alat
Melalui penelitian ini telah dihasilkan sebuah alat berupa rangkaian RLC yang dapat digunakan untuk menampilkan kurva histeresis dengan menggunakan osiloskop. Skema rangkaian yang digunakan ditunjukkan oleh gambar 8 di bawah ini.
Gambar 8. Skema Rangkaian RLC untuk menampilkan kurva histeresis magnetik Dari tahap ujicoba telah diperoleh hasil bahwa kurva histeresis dapat ditampilkan secara baik menggunakan rangkaian RLC dengan memakai komponen-komponen R1=1Ω, R2=10 kΩ , C = 0,1 μf, RL=1,1 ohm dan L = 0,0082 H. Tegangan input diambil dari Audio Frequensy Generator (AFG) sebesar 4,7 volt. Induktansi diperoleh dari toroida berinti besi lunak berdiamater 5 cm dan jari-jari dalam 2,1 cm dengan jumlah lilitan 200.
31
32
Bahan-bahan tersebut dirangkai pada PCB kecil yang dilengkapi terminalterminal pada tegangan masukan dan tegangan keluaran. Cara menghubungkan terminal-terminal pada rangkaian dengan AFG serta osiloskop adalah sebagai berikut. Pertama, AFG dihubungkan ke dalam terminal input. Kemudian terminal output X dihubungkan dengan channel 1 osiloskop, sementara output Y dihubungkan ke channel 2 osiloskop. Gambar rangkaian RLC serta induktor ditunjukkan oleh gambar 9, sedangkan data hasil-hasil karakterisasi alat yang dipakai untuk keperluan demonstrasi disajikan secara lengkap pada lampiran 1s/d 3.
Gambar 9. Hasil rancang bangun rangkaian RLC 2. Hasil proses pembelajaran
Hasil proses pembelajaran dengan demonstrasi alat yang dilakukan kepada mahasiswa fisika semester V tahun 2005 adalah sebagai berikut: a. Hasil uji coba instrumen tes
Uji coba instrumen tes ini dilaksanakan pada mahasiswa Jurusan Fisika non kependidikan semester V tahun 2005. Hasil uji coba tersebut selengkapnya dapat dilihat pada lampiran 5 dan terangkum pada tabel 3 berikut:
33
Tabel 3. Hasil analisis uji coba instrumen N0
Validitas rpbis
Kriteria
Daya Pembeda
Tingkat Kesukaran
DP
kriteria
IK
kriteria
Kriteria
1
-0,406 Tidak
-0,222
Sgt jelek
0,67
Sedang
Dibuang
2
0,612
Valid
0,444
Baik
0,722
mudah
Dipakai
3
0,657
Valid
0,333
cukup
0,389
Sedang
Dipakai
4
0,576
Valid
0,333
cukup
0,444
Sedang
Dipakai
5
-0,8
Tidak
-1.16
Sgt jelek
0,33
Sedang
Dibuang
6
-0,866 Tidak
-0.84
Sgt jelek
0,667
Sedang
Dibuang
7
-0,366 Tidak
-1.611
Sgt jelek
0,83
mudah
Dibuang
8
0,657
Valid
0,333
cukup
0,67
Sedang
Dipakai
9
0,548
Valid
0,444
Baik
0,5
Sedang
Dipakai
10
0,612
Valid
0,444
Baik
0,5
Sedang
Dipakai
11
0,539
Valid
0,222
cukup
0,28
sukar
Dipakai
12
0,626
Valid
0,111
Jelek
0,22
Sedang
Dipakai
13
0,657
Valid
0,222
Cukup
0,233
Sedang
Dipakai
14
-0,032 Tidak
0
Sgt jelek
0,389
Sedang
Dibuang
15
0,713
valid
0,444
Cukup
0,56
Sedang
Dipakai
16.
0.7
Valid
0,3
Cukup
0,7
Sedang
Dipakai
17
2.511
Valid
0.305
Cukup
0,341
Sedang
Dipakai
18
0.52
Valid
0,32
Cukup
0,32
Sedang
Dipakai
19
0.68
Valid
0,34
Cukup
0,31
Sedang
Dipakai
20
2.011
Valid
0,36
cukup
0,291
sedang
Dipakai
Butir soal tes yang valid dipakai sebagai intrumen tes penelitian, sedangkan butir soal yang tidak valid dibuang. Secara keseluruhan soal tes uji coba berjumlah 20 soal yang terdapat pada lampiran 10. Dari jumlah tersebut yang tergolong valid berjumlah 15 dan yang tidak valid berjumlah 5. Untuk itu soal tes yang dipakai sebagai bahan uji berjumlah 15 soal.
34
b. Hasil implementasi kegiatan pembelajaran
Kegiatan ini direncanakan untuk 20 mahasiswa yang mengikuti perkuliahan praktikum elektronika dasar II. Tetapi pada saat dilaksanakan pembelajaran ada 2 mahasiswa meminta izin untuk tidak mengikuti proses pembelajaran demonstrasi alat, sehingga mahasiswa yang hadir dalam kegiatan pembelajaran ini berjumlah 18 orang. Implementasi kegiatan pembelajaran dibagi menjadi tiga bagian, yaitu: 1) Bagian awal
: Pemberian pre-test, dengan soal yang ada pada lampiran 11 dilaksanakan selama 15 menit
2) Bagian proses
: Penjelasan dengan demonstrasi alat, dilaksanakan selama 20 menit materi ada pada lampiran 13.
3) Bagian akhir
: Pemberian pos-test, dengan soal yang sama dengan soal pre-test dilaksanakan selama 15 menit.
Dari kegiatan tersebut diperoleh data yang dapat diolah secara statistik, untuk menentukan peningkatan pemahaman mahasiswa hasil dari kegiatan pembelajaran dengan demonstrasi. Data yang dimaksud adalah nilai mahasiswa hasil pre-test dan pos-test. Data nilai yang diperoleh oleh masing-masing mahasiswa diberikan pada lampiran 5. c. Analisis data hasil pembelajaran
1) Hasil uji normalitas data tahap awal Hasil pengujian kenormalan data keadaan awal yang berupa nilai pre-test mahasiswa Fisika semester V Jurusan Fisika FMIPA UNNES adalah X2data=7.2127366. Sedangkan dari tabel diperoleh X2(0,95)(5)= 11.07 . Karena hasil
35
X2data < X2tabel , maka nilai pre-test mahasiswa Fisika semester V Jurusan Fisika FMIPA UNNES terdistribusi normal. Perhitungan ada pada lampiran 6. 2) Hasil uji normalitas data tahap akhir Hasil pengujian kenormalan data keadaan akhir berupa nilai post-test. Post-test diberikan setelah diadakan demonstrasi alat sebagai bentuk model pembelajaran. Kenormalan nilai post-test mahasiswa Fisika semester V Jurusan Fisika FMIPA UNNES adalah X2data= 8,71911, sedangkan dari tabel diperoleh X2(0,95)(5)= 11.07. Karena X2data < X2tabel , maka nilai post-test mahasiswa Fisika semester V tahun 2005 Jurusan Fisika FMIPA UNNES terdistribusi normal. Perhitungan uji normalitas ada pada lampiran 7. 3) Hasil perhitungan koefisien korelasi biserial Besarnya pengaruh penerapan demonstrasi alat yang telah dibuat sebagai model pembelajaran listrik magnet dalam meningkatkan pemahaman konsep dari mahasiswa fisika semester V tahun 2005 dapat dilihat dengan menggunakan koefisien korelasi biserial. Berdasarkan analisis perhitungan yang ada di lampiran 8, diketahui besarnya koefisien korelasi biserial mahasiswa adalah sebesar 2,66. Karena hasil tersebut lebih besar dari pada 0,5, maka dapat disimpulkan bahwa terjadi hubungan yang kuat antara hasil pre-test dan post-test, artinya bahwa secara keseluruhan rata-rata kelas dan tiap individu testi mengalami peningkatan. Hasil perhitungan dari koefisien korelasi biserial ini berada pada lampiran 8.
36
4) Hasil uji kesamaan rata-rata hasil belajar Hasil uji kesamaan rata-rata hasil belajar mahasiswa Fisika semester V tahun 2005 antara pre-test dengan pos-test setelah diterapkan model belajar demonstrasi alat yang telah dibuat adalah tdata= 7,16 sedangkan t(0,975)(18:18)= 2,04. Karena tdata> t(0,975)(18:18) berarti terjadi perbedaan antara nilai pre-test dan posttest. Perbedaan yang terjadi dari data tersebut adalah lebih besar, artinya terjadi peningkatan hasil belajar mahasiswa dalam demonstrasi alat. Perhitungan ada pada lampiran 9. B. Pembahasan 1. Sistem kerja rangkaian alat
Pada dasarnya rangkaian yang telah dibuat merupakan rangkaian osilator paralel R1L (induktansi) dan R2C (kapasitor). Gambaran sederhana mengenai rangkaian tersebut adalah seperti dibawah ini; L
R2
RL
C
RP
L
C
R
(a)
(b)
Gambar 10. (a) Analisis rangkaian RLC paralel pada alat (b) Rangkaian setara pada (a) Pada gambar 10 (a) menunjukkan suatu rangkaian osilator yang terdiri atas kumparan dengan induktansi L yang di seri dengan R1 dirangkai paralel dengan kapasitor yang memiliki kapasitas C dan R2. Rangkaian cenderung bergetar
37
(berosilasi) pada frekuensi resonansinya ketika suatu pulsa energi diberikan pada rangkaian ini. Energi ini disimpan oleh kapasitor dalam bentuk medan listrik. Kapasitor kemudian memberikan energi medan listrik tersebut kapada kumparan untuk diubah menjadi energi magnetik. Selama proses ini suatu ggl balik diinduksikan oleh kumparan. Dan ini menyebabkan kapasitor diisi muatan listrik kembali. Siklus perubahan energi listrik menjadi energi magnetik dan energi magnetik menjadi energi listrik terjadi berulang-ulang pada rangkaian ini dan rangkaian ini mengalami osilasi. Proses osilasi dalam rangkaian osilator terjadi pada suatu frekuensi resonansi (fr), dengan f =
1 2π
CRs 2 − L . Perhitungan (C 2 R22 L − L2 )
ada pada lampiran 14. Alat ini dapat menampilkan kurva histeresis dengan bantuan osiloskop sebagai alat visualisasinya. Data yang telah diperoleh melalui karakteristerisasi kurva histeresis baik melalui Osiloskop maupun MBL menunjukkan bahwa alat ini dapat digunakan sebagai alat pengajaran maupun praktek, sehingga dengan alat ini diharapkan dapat meningkatkan mutu pembelajaran. 2. Peningkatan pemahaman mahasiswa
Dilihat dari sampel baik pre-test maupun post-test menunjukkan bahwa semua sampel yang digunakan dalam penelitian ini diambil dari populasi yang terdistribusi normal, artinya populasi dalam penelitian ini adalah populasi yang memiliki penyebaran membentuk distribusi normal. Dengan demikian statistik yang tercantum pada metodologi penelitian dapat dipakai sebagai analisis data pada penelitian ini.
38
Uji instrumen tes yang telah dilakukan terhadap mahasiswa Fisika semester V tahun 2005 Jurusan Fisika FMIPA UNNES dengan membandingkan hasil pre-test dan pos-test didapatkan peningkatan pemahaman konsep dari mahasiswa setelah didemonstrasikan alat hasil rancang bangun. Peningkatan pemahaman ini dapat dilihat dalam analisis perhitungan koefisien biserial yang besarnya 2,66. Dalam beberapa penelitian koefisien biserial dianggap baik bila nilainya lebih dari 0,5. Hasil perhitungan koefisien korelasi biserial ini menunjukkan terjadinya peningkatan pemahaman yang cukup signifikan baik dari rata-rata kelas maupun tiap individunya. Untuk mengetahui perbedaan hasil belajar dalam pre-test dan post-test digunakan analisis uji kesamaan dua rata-rata hasil belajar. Dari uji ini didapatkan hasil yang berbeda dengan nilai perbedaan positif antara pre-tes dan post-tes. Tanda positif ini menunjukkan adanya peningkatan pemahaman konsep mahasiswa setelah diberi perlakuan dengan demonstrasi alat. Dari berbagai uji yang telah dilakukan melalui data statistik, maka penulis dapat mengambil kesimpulan bahwa alat ini dapat digunakan dalam proses perkuliahan listrik magnet bab kemagnetan bahan yang di dalamnya memuat materi kurva histeresis bahan magnet serta praktek fisika dasar II tentang listrik magnet sesuai Kurikulum dan Silabi Listrik Magnet yang berada pada lampiran 15. Diharapkan dengan pemanfaatan alat ini dapat mempermudah penjelasan tentang konsep-konsep kurva histeresis magnetik serta dapat meningkatkan mutu perkuliahan dan praktikum.
BAB V PENUTUP Simpulan
Berdasarkan hasil-hasil penelitian dan pembahasan yang telah diberikan di muka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: Telah dibuat rangkaian RLC yang dapat digunakan untuk menampilkan kurva histeresis magnetik pada layar osiloskop. Prototipe rangkaian RLC yang baik untuk menampilkan kurva histeresis magnetik adalah dengan menggunakan komponen-komponen masing-masing dengan harga: R1=1Ω, R2=10 kΩ , C = 0,1 μf, RL=1,1 ohm dan L = 0,0082 H. Hasil uji coba alat pada kegiatan pembelajaran menunjukkan bahwa pemanfaatan rangkaian RLC untuk kurva magnetik tersebut telah dapat meningkatkan pemahaman mahasiswa tentang konsep-konsep fisika yang ada pada gejala kemagnetan bahan yang ditunjukan oleh kurva histeresis. Saran Alat yang telah dibuat dan diteliti masih sangat sederhana, maka perlu adanya pengembangan serta penelitian lebih lanjut mengenai alat tersebut, khususnya dalam hal pengemasan. Jika alat hasil penelitian ini akan digunakan untuk kegiatan praktikum yang dilaksanakan oleh mahasiswa, maka disarankan agar mahasiswa dibekali terlebih dahulu pengetahuan dan ketrampilan mengoperasikan osiloskop dan AFG.
39
40
DAFTAR PUSTAKA
Alonso, M dan Finn, E.J. 1980. Dasar-Dasar Fisika Universitas Medan dan Gelombang. Terjemahan lea. P dan Kusnul, H. 1994. Jakarta: Erlangga. Hadi, Sutrisno.1989. Statistika Jilid II. Yogyakarta: Andi Offset Halliday, D dan Resnick, R. 1978. Fisika jilid 2. Terjemahan Pantur Silaban dan Erwin Sucipto. 1992. Jakarta: Erlangga. Lawrence H V. 1985. Ilmu dan Teknologi Bahan. Alih Bahasa Ir. Sriati Djaprie. Jakarta: Erlangga LEN-LIPI. 1984. Perencanaan dan Pembuatan Transformator Skala Kecil. Bandung: UNIDO/UNDP. Marthen, K. 2000. Fisika 2000 3B untuk SMU Kelas 3. Jakarta: Eralngga Paul Gluck. High School for Sciense and Arts. Jerusalem: Israel (Physic Education) Sears, F W. 1970. Listrik Magnet. Terjemahan M. Muslimin. 1983. Bandung: Ganesha . Subino. 1987. Konstruksi dan Analisis Tes (suatu pengantar kepada teori tes dan pengukuran). Jakarta: DEPDIKBUD/DIKTI. Sudjana. 1996. Metode Statistika. Bandung:Tarsito Suharsimi Arikunto.1998. Prosedur Penelitian. Jakarta: Rineka Cipta Surya, Y. dan Ananta, S. 1986. Fisika 3 SMA. Klaten: Intan Pariwara. ……… 1996. Olimpiade Fisika Kelas II Cawu Pertama. Jakarta: Primatika Cipta.
Sutrisno dan Tan Ik Gie.1983. Fisika Dasar Listrik Magnet dan Termodinamika. Jakarta: Erlangga William H. Hayt, Jr. 1982. Elektromagnetika Teknologi. Jakarta: Erlangga.
41
Lampiran 1 Program Satuan Pengajaran
Mata Kuliah Pokok Bahasan Semester Waktu
: Listrik Magnet : Kurva Histeresis :V : 50 menit
I. Tujuan Pembelajaran Umum Mahasiswa memahami konsep-konsep yang terkandung di dalam kurva histeresis bahan magnetik II. Tujuan Pembelajaran Khusus Setelah proses pembelajaran selesai diharapkan mahasiswa dapat; a. Menyebutkan bahan-bahan yang termasuk bahan diamagnetik, paramagnetik dan ferromanetik b. Menyebutkan konsep-konsep yang terdapat pada kurva histeresis c. Melukiskan proses terbentuknya kurva histeresis III. Kegiatan Belajar Mengajar Kegiatan waktu Pendahuluan 15 menit
Inti
20 menit
Penutup
15 menit
Proses kegiatan Memberikan pre-test kepada mahasiswa Menyiapkan alat Merangkai alat untuk demonstrasi Menjelaskan tiga macam bahan-magnetik Menjelaskan konsep-konsep yang terdapat dalam kurva histeresis Menjelaskan proses terbentuknya kurva histeresis Pemberian post-test kepada mahasswa Menutup proses kegiatan
IV. Alat dan Bahan 1. Osiloskop 2. AFG 3. Rangkaian RLC hasil rancang bangun Probe 4. Kabel V. Penilaian 1. Pre-test 2. Post-test
42
Lampiran 2 Uji Coba Tes
“Rancang Bangun Rangkaian RLC untuk Memperkenalkan Kurva Histeresis Magnetik pada Mahasiswa Fisika dalam Mata Kuliah Listrik Magnet” Kerjakan soal-soal berikut ini: 1. Daerah di sekitar bahan magnet yang masih merasakan adanya pengaruh dari magnet itu disebut . . . . A. Medan magnet C. Garis gaya magnet B. Momen magnet D. Gaya magnet 2. Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut: 1. Kuat arus listrik 2. luas kawat 3. Jumlah lilitan 4. Panjang kawat Yang mempengaruhi besar kecilnya medan magnetik adalah . . . . A. 1 saja C. 2, 3 dan 4 B. 1 dan 3 D. 1, 3 dan 4 3. Kurva histeresis magnetik adalah . . . . A. kurva yang terbentuk adanya proses penambahan arus. B. kurva yang terbentuk adanya proses demagnetisasi dan magnetisasi medan magnet dalam C. kurva yang terbentuk akibat proses magnetisasi medan magnet dalam D. kurva yang terbentuk akibat proses magnetisasi dan demagnetisasi medan magnet luar 4. Berikut termasuk parameter-parameter dalam kurva histeresis magnetik kecuali . . . . A. Remanensi C. Domain D. Saturasi B. Koersivitas 5. Harga induksi magnetik untuk kedaan saturasi disebut induksi . . . . A. Remanensi C. Domain D. Saturasi B. Koersivitas 6. Bahan yang memiliki saturasi pada harga H rendah adalah . . . . A. Soft magnet C. Momen magnet D. Dipol magnet B. Hard magnet 7. Bahan yang keadaan saturasinya pada harga H yang tinggi dinamakan . . . . C. Momen magnet A. Soft magnet
43
B. Hard magnet D. Dipol magnet 8. Medan dari luar yang diberikan pada suatu bahan saat melakukan proses magnetisasi dinamakan . . . . C. Ferromagnetik A. Induksi magnetik D. Intensitas megnetik B. Paramagnetik 9. Keadaan dimana magnetisasinya berharga konstan meskipun medan luar H terus ditambah disebut keadaan . . . . C. Koersivitas A. Saturasi B. Remanensi D. permeabilitas 10. Titik ketertambatan dengan intensitas medan magnetik nol dan induksi magnetik menunjukkan harga tertentu saat proses demagnetisasi dinamakan . . .. A. Remanensi bahan C. Domain bahan B. Koersivitas bahan D. Saturasi bahan 11. Nilai medan magnet H (berharga negatif) yang diperlukan untuk memagnetisasi balik bahan magnet, sehingga medan induksi B menjadi nol dinamakan . . . . A. Remanensi bahan C. Domain bahan B. Koersivitas bahan D. Saturasi bahan 12. Gambaran secara fisika dari luasan yang dibentuk oleh kurva histeresis magnetik adalah . . . . A. Suseptibilitas C. Energi magnetik B. Permeabilitas D. Gaya magnetik 13. Jika arus yang masuk dalam bahan magnetik diperbesar, maka yang terjadi pada kurva histeresis BHmaks adalah . . . . A. semakin besar C. sama saja B. semakin kecil D. tidak ada jawaban yang benar 14.
B
H
Bahan yang lebih sesuai untuk menggambarkan kurva histeresis magnetikdiatas adalah . . . . C. Hard magnet A. Magnet permanen D. Diamagnet B. Soft magnet
44
15. Bahan magnetik yang mempunyai ciri-ciri permeabilitas μ >>> μ0 dan suseptibilatas χ m >>> 0 adalah . . . . A. Feromagnetik C. Paramagnetik B. Diamagnetik D. Wolfram 16. Bahan-bahan berikut yang termasuk bahan ferromagnetik adalah . . . . A. Alumunium, magnesium, wolfram B. Alumunium, besi, wolfram C. Bismut, perak, baja D. Besi, baja, supermalloy 17. Bahan-bahan berikut yang termasuk bahan paramagnetik adalah . . . . . A. Alumunium, magnesium, wolfram B. Alumunium, besi, wolfram C. Bismut, perak, baja D. Besi, baja, supermalloy 18. Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya nol, tetapi orbit dan spinnya tidak nol adalah . . . . A. Feromagnetik C. Paramagnetik B. Diamagnetik D. Ferrimagnetik 19. Satuan yang benar dari intensitas magnetik adalah . . . . C. Am A. Am2 -1 B. Am D. Am-2 20. Sebuah toroida dengan jumlah lilitan 200 mempunyai jari-jari dalam 2 cm, diberi arus 4 A. Jika toroida tersebut tanpa bahan magnetik medan magnetiknya sama dengan . . . . C. 8x10-3 A. 8x 10-5 -2 D. 8x10-4 B. 8x10
45
Lembar dan Kunci Jawaban 1.
A
B
C
D
2.
A
B
C
D
3.
A
B
C
D
4.
A
B
C
D
5.
A
B
C
D
6.
A
B
C
D
7.
A
B
C
D
8.
A
B
C
D
9.
A
B
C
D
10.
A
B
C
D
11.
A
B
C
D
12.
A
B
C
D
13.
A
B
C
D
14.
A
B
C
D
15.
A
B
C
D
16.
A
B
C
D
17.
A
B
C
D
18.
A
B
C
D
19.
A
B
C
D
20.
A
B
C
D
46
Lampiran 3 Instrumen Penelitian
“Rancang Bangun Rangkaian RLC untuk Memperkenalkan Kurva Histeresis Magnetik pada Mahasiswa Fisika dalam Mata Kuliah Listrik Magnet” Kerjakan soal-soal berikut ini: 1. Perhatikan pernyataan-pernyataan berikut: 1. Kuat arus listrik 2. luas kawat 3. Jumlah lilitan 4. Panjang kawat Yang mempengaruhi besar kecilnya medan magnetik adalah . . . . C. 2, 3 dan 4 A. 1 saja D. 1, 3 dan 4 B. 1 dan 3 2. Kurva histeresis magnetik adalah. . . . A. Kurva yang terbentuk adanya proses penambahan arus. B. Kurva yang terbentuk adanya proses demagnetisasi dan magnetisasi medan magnet dalam C. Kurva yang terbentuk akibat proses magnetisasi medan magnet dalam D. Kurva yang terbentuk akibat proses magnetisasi dan demagnetisasi medan magnet luar 3. Berikut termasuk parameter-parameter dalam kurva histeresis magnetik kecuali . . . . C. Domain A. Remanensi D. Saturasi B. Koersivitas 4. Bahan yang memiliki saturasi pada harga H rendah adalah . . . . C. Momen magnet A. Soft magnet D. Dipol magnet B. Hard magnet 5. Medan dari luar yang diberikan pada suatu bahan saat melakukan proses magnetisasi dinamakan . . . . C. Ferromagnetik A. Induksi magnetik D. Intensitas megnetik B. Paramagnetik 6. Titik ketertambatan dengan intensitas medan magnetik nol dan induksi magnetik menunjukkan harga tertentu saat proses demagnetisasi dinamakan. . .. C. Domain bahan A. Remanensi bahan D. Saturasi bahan B. Koersivitas bahan
47
7. Nilai medan magnet H (berharga negatif) yang diperlukan untuk memagnetisasi balik bahan magnet, sehingga medan induksi B menjadi nol adalah . . . . C. Domain bahan A. Remanensi bahan D. Saturasi bahan B. Koersivitas bahan 8. Gambaran secara fisika dari luasan yang dibentuk oleh kurva histeresis magnetik adalah . . . . C. Energi magnetik A. Suseptibilitas D. Gaya magnetik B. Permeabilitas B
9.
H
Bahan yang sesuai untuk menggambarkan kurva histeresis magnetik diatas adalah . . . . C. Hard magnet A. Momen magnet D. Diamagnet B. Soft magnet 10. Bahan magnetik yang suseptibilatas χ m >>> 0 A. Feromagnetik B. Diamagnetik
mempunyai ciri-ciri permeabilitas μ >>> μ0 dan adalah . . . . C. Paramagnetik D. Wolfram
11. Bahan-bahan berikut yang termasuk bahan ferromagnetik adalah . . . . A. Alumunium, magnesium, wolfram B. Alumunium, besi, wolfram C. Bismut, perak, baja D. Besi, baja, supermalloy 12. Bahan-bahan berikut yang termasuk bahan paramagnetik adalah . . . . . A. Alumunium, magnesium, wolfram B. Alumunium, besi, wolfram C. Bismut, perak, baja D. Besi, baja, supermalloy 13. Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya nol, tetapi orbit dan spinnya tidak nol adalah . . . . A. Feromagnetik C. Paramagnetik B. Diamagnetik D. Ferrimagnetik
48
14. Satuan yang benar dari intensitas magnetik adalah . . . . C. Am A. Am2 -1 -2 B. Am D. Am 15. Sebuah toroida dengan jumlah lilitan 200 mempunyai jari-jari dalam 2 cm, diberi arus 4 A. Jika toroida tersebut tanpa bahan magnetik medan magnetiknya sama dengan. . . . C. 8x10-3 A. 8x 10-5 D. 8x10-4 B. 8x10-2
49
Lembar dan Kunci Jawaban 1.
A
B
C
D
2.
A
B
C
D
3.
A
B
C
D
4.
A
B
C
D
5.
A
B
C
D
6.
A
B
C
D
7.
A
B
C
D
8.
A
B
C
D
9.
A
B
C
D
10.
A
B
C
D
11.
A
B
C
D
12.
A
B
C
D
13.
A
B
C
D
14.
A
B
C
D
15.
A
B
C
D
50
Lampiran 4 Analisis Rangkaian RLC
R2
L
Y(a1) C
RL
Y(a2)
RPar
L C
R1
(a)
(b)
Gambar 10. (a) Analisis rangkaian paralel RLC (b) Rangkaian setara untuk (a) RSeri adalah hambatan yang sengaja dipasang seri dengan L atau hambatan kawat lilitan induktor L. Rangkaian (a) dapat digambarkan seperti pada rangkaian (b) dengan Rpar adalah pengganti dari RSeri dan L adalah induktor murni. . untuk menentukan hubungan Rpar dengan RSeri, dihitung admitansi Y (a) dan Y(b). oleh karena rangkaian (b) setara dengan (a). hubungan diatas berarti Ri Y (a ) =Ri Y (b) dan Im Y (a ) =Im Y (b) Dari rangkaian, Y (a1 ) =
Y ( a2 ) =
1 Rs − jωL Rs − jωL x = 2 Rs + jωL Rs − jωL Rs + (ωL) 2 1 R2 +
1 jωC
=
jωC 1 − jωCR2 (ωC ) 2 R2 + jωC x = 1 + jωCR2 1 − jωCR2 (ωCR2 ) 2 + 1
Y (a ) = Y (a1 ) + Y (a2 )
Y (a) =
,
Rs − jωL (ωC ) 2 R2 + jωC + Rs 2 + (ωL) 2 (ωCR2 ) 2 + 1
51
Y (a ) =
( Rs − jωL)(ωCR2 ) 2 + 1 ((ωC ) 2 R2 + jωC )( Rs 2 + (ωL) 2 ) ( Rs 2 + (ωL) 2 ) ((ωCR2 ) 2 + 1)
Rs((ωCR2 ) 2 + 1) + ((ωC )2 R2 + Rs 2 + (ωL) 2 ) 2 2 2 ( Rs + ( ω L ) )(( ω CR ) + 1) 2 Ri Y ( a ) =
Im
Y (a) =
Y (a) =
Y (b) =
Ri Y
Rs((ωCR2 )2 + 1) + ((ωC)2 R2 + Rs2 + (ωL)2 ) j(ωC(Rs2 + (ωL)2 ) − ωL((ωCR2 )2 + 1) + (Rs2 + (ωL)2 )((ωCR2 )2 + 1) (Rs2 + (ωL)2 )((ωCR2 )2 + 1) 1 1 + + jωC RPar jωL
(a ) =
RPar =
j (ωC ( Rs 2 + (ωL) 2 ) − ωL((ωCR2 ) 2 + 1) ( Rs 2 + (ωL) 2 )((ωCR2 ) 2 + 1)
1 Rs((ωCR2 ) 2 + 1) + ((ωC ) 2 R2 + Rs 2 + (ωL) 2 ) = RPar ( Rs 2 + (ωL) 2 )((ωCR2 ) 2 + 1)
( Rs 2 + (ωL) 2 )((ωCR2 ) 2 + 1) Rs((ωCR2 ) 2 + 1) + ((ωC ) 2 R2 + Rs 2 + (ωL) 2 )
Im Y (a) = ( j (ωC −
Vab =
1 jωL
)=
j (ωC ( Rs 2 + (ωL) 2 ) − ωL((ωCR2 ) 2 + 1) ( Rs 2 + (ωL) 2 )((ωCR2 ) 2 + 1)
I Y
Vab =
I 2
2
⎛ Rs((ωCR2 )2 +1) + ((ωC)2 R2 + Rs2 + (ωL)2 ) ⎞ ⎛ j(ωC(Rs2 + (ωL)2 ) −ωL((ωCR2 )2 +1) ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ ⎟⎟ 2 2 2 2 2 2 Rs + L CR + Rs L CR + + ( ( ω ) )(( ω ) 1 ) ( ( ω ) )(( ω ) 1 ) 2 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
1 atau ωL 1 1 ω = ω0 = , admitansi mempunyai nilai minimum, yaitu Y (ω = ω0 ) = , RPar LC I atau impedansinya adalah Z= =RPar. Ini artinya bahwa pada resonansi, Y
dapat
dilihat
dari
persamaan
terakhir
bahwa
untuk
ωC =
52
impedansi rangkaian RLC paralel mempunyai nilai maksimum yaitu pada ωL((ωCR2 ) 2 + 1) − (ωC ( Rs 2 + (ωL) 2 ) = 0. ( Rs 2 + (ωL) 2 )((ωCR2 ) 2 + 1) Sehingga ωL((ωCR2 ) 2 + 1) − (ωC ( Rs 2 + (ωL) 2 ) = 0
ωL((ωCR2 ) 2 + 1) = (ωC ( Rs 2 + (ωL) 2 ) L((ωCR2 ) 2 + 1) = C (( Rs 2 + (ωL) 2 )
ω 2C 2 R2 2 L + L = CRs 2 + ω 2 L2 ω 2C 2 R2 2 L − ω 2 L2 + L − CRs 2 = 0 ω 2 (C 2 R22 L − L2 ) = CRs 2 − L CRs 2 − L ω = 2 2 (C R2 L − L2 ) 2
ω=
CRs 2 − L (C 2 R22 L − L2 )
2πf = 1 f = 2π
CRs 2 − L (C 2 R22 L − L2 ) CRs 2 − L (C 2 R22 L − L2 )
53
Lampiran 5 Foto-Foto Penelitian
Gambar 11. Foto karakterisasi kurva histeresis dengan osiloskop
Gambar 12. Foto proses demonstrasi alat
