Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 2, September 2015
RANCANG BANGUN SUMBER MEDAN MAGNETIK DINAMIK UNTUK IDENTIFIKASI ANOMALI MAGNETIK LAPISAN TANAH Kartini Kartikasari1; Ahmad Aminudin,; Nanang Dwi Ardi3* 1,2,3Jurusan
Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Pendidikan Indonesia (UPI), Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154, Indonesia
[email protected] [email protected]
ABSTRAK Penelitian tentang medan magnet dinamik yang banyak dilakukan lebih sering memfokuskan tentang radiasi yang dihasilkan oleh sumber medan magnet dinamik. Sedangkan tentang pemanfaatan sumber medan magnet dinamik sendiri untuk membantu kepentingan manusia masih sedikit. Ini alasan penelitian dilakukan yaitu untuk mempelajari lebih lanjut tentang sumber medan magnet dinamik dan pemanfaatannya. Diharapkan sumber medan magnet dinamik dapat dimanfaatkan lebih lanjut untuk aplikasi geofisik dalam identifikasi anomali magnetik lapisan tanah. Sumber medan magnet dinamik yang dirancang terdiri dari 3 bagian yaitu function generator, power amplifier, dan koil solenoida. Sumber medan magnet yang dibuat menghasilkan medan magnet dinamik, dengan menggunakan solenoida yang dialiri arus AC. Medan magnet dinamik yang dihasilkan dibaca oleh sensor magnetik, sensor magnetik yang digunakan adalah sensor GMR. Sensor GMR membaca medan magnet dinamik dalam bentuk tegangan. Hasil pengujian sumber medan magnet dinamik diperoleh hasil medan magnet dinamik antara rentang -0,281 G – 5,425 G dengan menggunakan koil solenoida 200 lilitan. Sumber medan magnet dinamik yang dihasilkan di aplikasi untuk identifikasi anomali magnetik lapisan tanah. Identifikasi anomali magnetik lapisan tanah dilakukan terhadap beberapa jenis tanah dengan memagnetisasi tanah kemudian dilakukan pengukuran dengan menggunakan sensor GMR. Hasil yang diperoleh dari pengujian dengan jarak 0 – 5 cm terhadap beberapa jenis tanah yaitu pasir beton antara -0,110 – 4,635 G; pasir beton ditambah FeCl 3 antara -0,066 – 4,713 G dan pasir beton ditambah FeCl 3 dan batu kali (Andesit) antara -0,154 – 4,702 G. Kata Kunci : Medan Magnet Dinamik, Power Amplifier, Solenoida, Sensor Magnetik DESIGN OF SOURCE DYNAMIC MAGNETIC FIELD FOR IDENTIFICATION OF DYNAMIC SOIL LAYER MAGNETIC ANOMALY ABSTRACT Research on dynamic magnetic fields are much more often focus on the radiation generated by the source of the dynamic magnetic field. While on the use of dynamic magnetic field source itself for the benefit of human life is still a little help. This is the reason that the research conducted to learn more about the source of the dynamic magnetic field and its utilization. Expected sources of dynamic magnetic field can be used further for geophysical applications in magnetic anomaly identification soil layer. Sources of dynamic magnetic field that is designed consists of three parts, namely the function generator, power amplifier, and a solenoid coil. Sources of magnetic field created generates a dynamically magnetic field by using *Penanggung Jawab
Kartini Kartikasari, dkk, Rancang Bangun Sumber Medan Magnet Dinamik Untuk IdentifikasiAnomaliMagnetik Lapisan Tanah a solenoid energized AC. Dynamic magnetic field generated by the magnetic sensor is read, the magnetic sensor used is a GMR sensor. GMR sensor reads the dynamic magnetic field in the form of voltage. Test results obtained by dynamic magnetic field sources, the results of the dynamic magnetic field between the range of -0,281 G to 5,425 G using a solenoid coil 200 loops. Sources of dynamic magnetic field generated in the application for the identification of magnetic anomalies soil layer. Identification of magnetic anomalies soil layer on several types of soil with soil magnetize then measured by using a GMR sensor. The results obtained from testing with a distance of 0-5 cm to some soil types, namely concrete sand -0,110 to 4,635 G; concrete sand plus FeCl 3 between -0,066 to 4,713 G and concrete sand plus FeCl 3 and Andesit between -0,154 to 4,702 G. Keywords: Dynamic Magnetic Field, Power Amplifier, solenoids, Magnetic Sensor.
PENDAHULUAN Medan magnet adalah ruang di sekitar magnet yang menjadikan benda-benda tertentu mengalami gaya magnet. Sumber medan magnet dibedakan menjadi dua yaitu sumber medan magnet statik dan sumber medan magnet dinamik. Sumber medan magnet statik disebabkan oleh magnet permanen dan arus DC. Sedangkan sumber medan magnet dinamik disebabkan arus AC dan medan listrik dinamik. Bumi sendiri merupakan sumber medan magnet statik alami yang membentang dari utara ke selatan. Selain bumi sebagai sumber medan magnet statik alami banyak sumber medan magnet statik lain yang diciptakan oleh manusia. Meskipun sumber kelistrikan menggunakan arus AC tapi berbagai alat kebutuhan manusia itu menggunakan arus DC dan menghasilkan medan magnet statik. Sumber medan magnet statik dalam kehidupan sehari-hari contohnya seperti peralatan elektronik, alat-alat kesehatan, alat transportasi dan lain-lain. Perkembangan teknologi dewasa ini berkembang sangat cepat. Penelitian untuk menunjang berbagai kebutuhan manusia dilakukan. Salah satunya adalah penelitian tentang medan magnet dinamik. Berbagai penelitian dengan berbagai kasus dan pendekatan tentang medan magnet dinamik telah dilakukan di negara-negara maju. Namun, di beberapa negara berkembang seperti Indonesia
belum banyak dilakukan penelitian yang membahas mengenai medan magnet dinamik. Sebagian besar penelitian ilmiah tentang sumber medan magnet dinamik yang banyak dilakukan lebih sering memfokuskan tentang radiasi yang dihasilkan oleh sumber medan magnet dinamik. Padahal penelitian tentang radiasi yang ditimbulkan oleh medan magnet dinamik yang dilakukan belum terbukti tentang bahaya atau efek samping yang ditimbulkan. Mempelajari lebih lanjut tentang medan magnet dinamik baik karakteristik dan interaksi yang dihasilkan oleh medan magnet dinamik diharapkan dapat digunakan untuk dimanfaatkan membantu kepentingan manusia. Karena penelitian tentang pemanfaatan sumber medan magnet dinamik sendiri untuk membantu kepentingan manusia masih sedikit. Namun ada juga penelitian tentang pemanfaatan medan magnet dinamik. Contoh penelitian yang dilakukan tentang medan magnet dinamik adalah dengan menganalisis secara mendalam tentang medan magnet dinamis dalam generator untuk mendapatkan desain ideal yang akan digunakan untuk power generator angin ukuran kecil (Haruo Sakamoto dkk, 2008). Berdasarkan latar belakang di atas, ini yang menjadi alasan dalam penelitian
Fibusi (JoF), Vol. 3 No. 1 April 2015
ini untuk mempelajari lebih lanjut tentang sumber medan magnet dinamik dan pemanfaatannya. Dengan mempelajari lebih lanjut serta merancang sumber medan magnet dinamik diharapkan dapat dimanfaatkan lebih lanjut untuk aplikasi geofisik. Aplikasi pemanfaatan sumber medan magnet dinamik ini direncanakan untuk pengembangan identifikasi anomali magnetik lapisan tanah dalam mengetahui medan magnetik dinamik yang dimiliki berbagai lapisan tanah. Salah satu kelebihan sumber medan magnet dinamik ini untuk aplikasi geofisik adalah tidak terganggu oleh sumber medan magnet bumi. METODE PENELITIAN Metode penelitian yang digunakan pada rancang bangun sumber medan magnet dinamik untuk identifikasi anomali magnetik lapisan tanah adalah metode eksperimen. Melalui metode eksperimen, penulis melakukan perancangan untuk membuat sumber medan magnet dinamik serta pengaplikasiannya identifikasi anomali magnetik lapisan tanah. Tahap awal dalam pelaksanaan penelitian ini adalah dengan melakukan kajian literatur tentang sumber medan magnet dinamik. Kemudian dilanjutkan dengan tahapan perancangan power amplifier yang akan digunakan untuk menguatkan frekuensi masukan serta perancangan koil solenoid yang akan function generator
Frekuensi
digunakan. Rancangan sumber medan magnet dinamik yang akan dibuat adalah arus AC yang digunakan berasal dari frekuensi function generator. Frekuensi tersebut dikuatkan oleh power amplifier kemudian dijadikan masukan untuk koil solenoid sehingga menghasilkan medan magnet dinamik (B). Medan magnet dinamik yang dihasilkan digunakan memagnetisasi objek ukur (lapisan tanah). Medan magnet dinamik yang dibaca oleh sensor GMR adalah medan magnet dinamik yang telah melwati objek ukur (B’) sehingga tidak sama nilai dengan medan magnet dinamik yang keluar dari solenoida. Nilai medan magnet dinamik yang telah melwati objek ukur bisa menjadi lebih besar atau lebih kecil tergantung nilai suseptibilitas dari objek ukur. Data yang diperoleh dalam penelitian ini ialah nilai medan magnet yang dihasilkan oleh sumber medan magnet dinamik ketika dialiri arus AC dan hasilnya dibaca oleh sensor GMR dalam bentuk tegangan listrik. Serta data nilai medan magnet dinamik pada pengaplikasian terhadap beberapa jenis tanah. Pengaplikasian dilakukan dengan memvariasikan beberapa sample jenisjenis tanah serta memvariasikan jarak sumber medan magnet dengan sensor GMR. HASIL DAN
Gelombang Sinusoidal
Power Amplifier
Koil Solenoida B Objek Ukur
Osiloskop Multimeter
Sinyal Sinusoidal
Veff
Gambar 2.B’Gambar hasil pengukuran medan magnet dinamik menggunakan Sensor Magnetik osiloskop (GMR)
Gambar 1. Diagram Pengukuran dan Alat Sumber Medan Magnet Dinamik.
PEMBAHASAN Perancangan sumber medan magnet dinamik terdiri dari beberapa bagian yaitu function generator, power amplifier, dan koil solenoida. Function generator berfungsi untuk membangkitkan gelombang listrik berbentuk gelombang sinusoidal yang frekuensinya dapat diatur. Frekuensi gelombang dari function generator ini dapat diatur mulai dari 0,2 Hz sampai 2 MHz. Gelombang listrik yang berasal dari function generator masuk ke power amplifier. Power amplifier berfungsi untuk menguatkan daya yang masuk. Power amplifier yang digunakan adalah power amplifier dengan penguatan 300 watt. Gelombang listrik yang telah diperkuat oleh power amplifier masuk kedalam koil solenoida. Gelombang listrik yang mengalir pada solenoida menghasilkan medan magnet. Karena gelombang listrik yang masuk ke solenoida berbentuk gelombang sinusoidal maka medan magnet yang dihasilkan adalah medan magnet dinamik atau medan magnetik AC. Pengujian respon sensor magnetik dilakukan dengan menguji beberapa solenoida untuk mendapatkan nilai medan magnet dinamik maksimum. Pembacaan medan magnet dinamik menggunakan sensor GMR yang terhubung ke osiloskop. Sensor GMR menbaca medan magnet dinamik dalam bentuk tegangan dan osiloskop menampilkanya dalam bentuk gelombang sinusoidal. Dari pengujian yang dilakukan data berupa sinyal sinusoidal seperti pada gambar 2. Dimensi Koil Solenoida Solenoida (lilitan)
Frekuensi (kHz) Panjang
(cm)
D dalam (cm)
D luar (cm)
100
6,4
0,9
1,5
20-180
200 400
7,3 7,4 9
1 1 1
1,9 3 2,9
20-180 20,3-180 20,03180
600
V eff GMR (mV) nilanya tetap = 4,3 4,3-11,1 4,3-5,4 4,2-5,3
Namun perhitungan nilai medan magnet dinamik berupa tegangan tidak dapat dilakukan karena sinyal sinusoidal yang diperoleh terus bergerak sehingga sulit untuk menentukan berapa besar nilai tegangan dari medan magnet dinamik tersebut. Pengujian respon sensor magnetik dengan menggunakan osiloskop dilakukan beberapa kali namun nilai medan magnet berupa tegangan, tetap sulit untuk ditentukan besar teganganya karena gelombang sinusoidal terus bergerak. Maka dicoba cara lain dalam memperoleh besar nilai medan magnet dinamik yaitu dengan menggunakan multimeter untuk membaca nilai tegangan yang dibaca oleh sensor GMR. Dengan menggunakan multimeter maka tegangan medan magnet dinamik yang diukur adalah tegangan efektifnya (V eff ). Pengujian respon sensor magnetik dengan menggunakan sensor GMR yang dihubungkan dengan multimeter menunjukan nilai tegangan yang stabil maka dilanjutkan dengan pengujian menggunakan beberapa solenoida. Solenoida dengan beberapa beda lilitan dibuat dan diuji. Pengujian dilakukan dengan memvariasikan frekuensi gelombang listrik dari function generator. Pengujian respon sensor magnetik dilakukan seperti pada Gambar 3. Pada saat pengujian dilakukan koil solenoida diletakan horizontal bertujuan untuk meminimalisir adanya gangguan dari medan magnet alami bumi. Pengujian dilakukan terhadap 4 solenoida yaitu solenoida dengan banyak lilitan 100, 200, 400 dan 600 lilitan dan diperoleh hasil karakterisasi seperti pada tabel 1. Tabel 4.1. Tabel Pengujian Respon Sensor Magnetik
Fibusi (JoF), Vol. 3 No. 1 April 2015
Berdasarkan tabel 4.1 menunjukan bahwa solenoida dengan banyak lilitan 200 lilitan menghasilkan medan magnet 4,3- 11,1 mV yang nilainya lebih besar dibandingkan dengan nilai medan magnet yang dihasilkan oleh solenoida 100, 400 dan 600 lilitan. Nilai medan magnet yang dihasilkan solenoida 200 lilitan jika dibandingkan dengan grafik data kerja sensor GMR, nilai medan magnet dari solenoida 200 lilitan didapat nilai medan magnet sebesar 4,3 – 107,7 mV nilai ini masih ada di dalam jangkauan kerja sensor GMR, seperti ditunjukan pada gambar 4 dengan garis berwarna kuning. Solenoida 200 lilitan dipilih sebagai solenoida yang digunakan untuk pengambilan data pengujian sumber medan magnet dinamik karena menghasilkan medan magnet dinamik yang lebih baik dibandingkan dengan solenoida lainnya dan masuk dalam jangkaun kerja sensor GMR. data medan magnet dinamik yang didapat berupa tegangan efektif (V efektif). Dari data
Gambar 4. Grafik kerja GMR (Data Sheet GMR Sensor, 2008) yang diperoleh dan dibandingkan dengan grafik daerah kerja GMR maka data yang diperoleh dapat dikonversikan menjadi satuan gauss yaitu dengan nilai medan magnet dinamik sekitar 4,3-107,7 mV dikonversikan menjadi -0,281 G – 5,425 G (data konversi terdapat pada lampiran) diperoleh daerah kerja sumber medan magnet dinamik dengan daerah kerja sekitar nilai -5 Gauss dan 5 Gauss seperti yang ditunjukan pada gambar 4.
Gambar 5. Grafik hubungan frekuensi terhadap arus yang dihasilkan power amplifier Pengujian sumber medan magnet dinamik dilakukan seperti pada gambar 3 dan menggunakan koil solenoida 200 lilitan. Pengujian sumber medan magnet dinamik dilakukan dengan memvariasikan frekuensi dari function generator. Hasil pengukuran medan magnet dengan menggunakan multimeter diperoleh data seperti gambar 5. Gambar 5 menunjukan grafik hubungan perubahan frekuensi terhadap arus yang hasil dari penguatan power amplifier, didapat hubungan ketika frekuensi semakin kecil maka arus yang dihasilkan semakin besar. Terdapat beberapa kali arus mencapai titik puncak dan nilainya turun kembali yaitu pada frekuensi 0,170 kHz dengan arus yang dihasilkan 278,2 mA dan frekuensi 0,128 kHz dengan arus yang dihasilkan 275,4 mA. Dimana arusarus ini merupakan frekuensi osilasi sehingga menghasilkan arus maksimum. Frekuensi osilasi pertama yang dipilih
untuk dijadikan sebagai frekuensi tetap pada pengujian terhadap beberapa jenis tanah. Pengujian sumber medan magnet dinamik hasil memvariasikan frekuensi dari function generator didapat hasil hubungan frekuensi dan arus. Pengujian sumber medan magnet dinamik terhadap lapisan tanah menggunakan koil solenoid dengan lilitan 200 dan frekuensi 0,170 kHz. Pengujian dilakukan terhadap beberapa jenis tanah dan juga dengan mengubah-ubah jarak sumber medan magnet dinamik. Diperoleh data pengujian seperti pada tabel 2. Pengujian alat sumber medan magnet dinamik terhadap beberapa jenis tanah didapat data seperti data tabel 2. Untuk pengujian terhadap lapisan tanah dengan jarak 0 -5 cm diperoleh perbedaan antara pasir beton sebelum dan sesudah ditambahkan FeCl 3 . Pasir beton sebelum ditambah FeCl 3 diperoleh medan magnet dinamik sebesar 7,4 - 93,4 mV
Fibusi (JoF), Vol. 3 No. 1 April 2015
(-0,110 - 4,635 G) dan yang sudah Ini diperkirakan karena nilai suseptibilitas Frekuensi Jarak Pasir Beton Pasir Beton Pasir Beton +FeCl 3 +Andesit (kHz) (cm) (Vefektif/mV) +FeCl 3 (V efektif/ mV) (Vefektif/ mV) 0 93,4 94,8 94,6 1 28,8 33,7 32,8 2 14,8 17,3 15,7 3 12,1 13,4 11,3 4 9,6 10,3 8,2 5 7,4 8,2 6,6 6 6,5 7 5,9 7 6 6,8 5,7 0,170 8 5,8 6,5 5,6 9 5,5 5,9 5,5 10 5,5 5,6 5,4 15 5,5 5,5 5,4 20 5,4 5,4 5,3 25 5,4 5,4 5,3 30 5,4 5,4 5,3 35 5,4 5,4 5,3 ditambahkan FeCl 3 diperoleh medan magnetik dari andesit lebih kecil magnet dinamik sebesar 8,2 - 94,8 mV dibandingkan dengan FeCl 3 sehingga nilai medan magnetik yang didapat dari (-0,066 - 4,713 G) dari data yang diperoleh ada peningkatan nilai medan hasil pengujian menunjukan penurunan magnet dinamik. Ini menunjukan ketika nilai medan magnetik dinamik. suatu bahan ditambahkan bahan yang Walaupun data medan magnet mengandung besi dapat meningkatkan dinamik yang didapat antara pasir beton, suseptibilitas bahan tersebut. pasir beton + FeCl 3 , dan pasir beton + Tabel 2 Tabel Data pengaruh jarak terhadap medan magnet dinamik yang dihasilkan dari lapisan tanah.
Pengujian pun dilakukan juga dengan menambahkan batu kali (andesit). Pasir beton yang sudah ditambah FeCl 3 nilai medan magnet dinamiknya bertambah dan ketika ditambah andesit diperoleh medan magnet dinamik yaitu antara 6,6 94,6 mV (-0,154 - 4,702 G), nilai medan magnet dinamiknya berkurang setelah adanya penambahan batu kali (Andesit).
FeCl 3 + Andesite hanya terdapat sedikit perbedaan atau tidak terlalu signifikan diperkirakan karena pengambilan data dilakukan dengan sumber medan magnet dinamik yang diletakan horizontal diatas permukaan lapisan tanah (koil solenoida diletakan horizontal terhadap tanah). Selain itu juga dilakukan cara lain untuk mendapatkan nilai sumber medan magnet dinamik dengan cara
menginteraksikan sumber medan magnet dinamik langsung dengan beberapa jenis tanah (koil solenoida diletakan vertikal terhadap tanah). Namun dari beberapa kali pengujian, data medan magnet dinamik sulit untuk diambil dikarenakan banyak noise dan sumber medan magnet dinamik yang sudah berinteraksi dengan tanah tidak dapat terdeteksi oleh sensor GMR. KESIMPULAN 1. Hasil Rancang sumber medan magnetik menunjukan bahwa keluaran dari power amplifier berupa gelombang sinusoidal. Ini menunjukan arus keluaran dari power amplifier berupa arus AC. Karena arus dari power amplifier dijadikan masukan untuk solenoida, Sehingga medan magnet yang dihasilkan oleh solenoida adalah medan magnet dinamik. Diperoleh nilai medan magnet dinamik sekitar 4,3-107,7 mV (-0,281 – 5,425 G). 2. Frekuensi osilasi pertama sebesar 0,170 Hz yang dijadikan sebagai frekuensi tetap untuk data pengujian terhadap beberapa lapisan tanah. Hasil pengujian terhadap lapisan tanah diperoleh dari pengujian dengan jarak 0 – 5 cm tehadap beberapa jenis tanah yaitu pasir beton antara 7,4 – 93,4 mV(-0,110 – 4,635 G); pasir beton ditambah FeCl 3 antara 8,2 – 94,8 mV (-0,066 – 4,713 G) dan pasir beton ditambah FeCl 3 dan batu kali (Andesit) antara 6,6 – 94,6 mV (-0,154 – 4,702 G). DAFTAR PUSTAKA Anggraeni, V. H. (2008). Proyeksi Neraca Air sebagai Implikasi
Perubahan Iklim Global.(Tugas Akhir). Program Studi Meteorologi, FITB, Institut Teknologi Bandung, Bandung. Tipler, P.A.(1991). Fisikan Untuk Sains dan Teknik (Edisi Ketiga) Jakarta: Erlangga. Malvino, A.P. (2000). Prinsip-Prinsip Elektronika Buku Dua. Jakarta: Erlangga. Djamal, Mitra. (2010). Sensor Magnetik GMR, Teknologi dan Aplikasi Pengembangannya. Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI jateng & DIY. ISSN 0853-0823. Haruo Sakamoto. (2008). Dynamic Magnetic Field Analysis for Small-sized Wind Power Generator. Researchgate no publication/ 237377056. Jepang . Data Sheet GMR Sensor. Tersedia : www.nve.com/Downloads/apps .pdf.
Fibusi (JoF), Vol. 3 No. 1 April 2015
