RANCANG BANGUN DAN KARAKTERISASI INDUKTOR ELEKTROMAGNET MEDAN TINGGI SKRIPSI

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN DAN KARAKTERISASI INDUKTOR ELEKTROMAGNET MEDAN TINGGI SKRIPSI Untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Pada Universitas Negeri Semarang Oleh M. Khoirul Zein NIM JURUSAN FISIKA FAKULTAS METEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM 2006

2 PERSETUJUAN PEMBIMBING Skripsi ini telah disetujui oleh Pembimbing untuk diajukan ke sidang ujian skripsi Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Semarang. Semarang, Pembimbing I Pembimbing II Drs. Agus Yulianto, M.Si. NIP Dr. Sugianto, M.Si. NIP ii

3 PENGESAHAN KELULUSAN Skripsi ini telah dipertahankan di dalam Sidang Ujian Skripsi Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Semarang Pada: Hari : Sabtu Tanggal : 25 Februari 2006 Panitia Ujian

4 PERNYATAAN Saya menyatakan bahwa yang tertulis didalam skripsi ini benar-benarhasil karya sendiri, bukan jiplakan dari karya tulis orang lain, baik sebagian atau seluruhnya. Pendapat atau temuan orang lain yang terdapat dalam skripsi ini dikutip dan dirujuk secara ilmiah. Semarang, Februari 2006 M Khoirul Zein NIM iv

5 MOTTO DAN PERSEMBAHAN MOTTO Hidup itu berjalan Skripsi ini saya persembahkan untuk : 1. Bapak dan Ibu tercinta yang selalu mendoakanku dan memberikanku kasih sayangnya tak terbatas ruang dan waktu. 2. Gendok, mbak dan kakakku tersayang. 3. Maya Harsasi

6 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 Dr. Sugianto, M.Si, dosen pembimbing pendamping yang telah memberikan bimbingan kepada penulis. 4. Bapak Drs. Suharto Linuwih, M. Si, dosen wali yang telah memberikan perwalian kepada penulis. 5. Drs. Hadi Susanto, M.Si, Kepala Laboratorium Fisika Unnes yang telah memberiku kemudahan dalam peminjaman peralatan laboratorium. 6. Wasi Sakti, S.Pd, atas bantuan dan pelayanan kepada penulis. 7. Special thanks untuk Maya Harsasi yang selalu memberiku rasa tentram dan damai. 8. Magnetic Crew Are: Pap Dika, Billi, Warinyok, Tepok, Wiyono, Taqin, Aji, Jati sebagai teman seperjuangan. vi

7 9. Teman-teman di Laboratorium Material: Eko Ariadi, Novi Indri, Rohadiana, Astrid yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi. 10. Kenang Topik, Alpay, Cimung, Ikhsan, Taufik, Sigit, Bang Madi, Yono dan teman-teman di Nglangeni Kost atas bantuannya selama ini. 11. Mas BW, Arif LA dan teman-teman di Buletin EXPRESS, Kompas Mahasiswa, Nuansa serta keluarga besar BP2M Group atas pengertiannya selama ini. 12. Semua pihak yang tidak bisa kami sebutkan satu-persatu karena terbatasnya ruang dan waktu. 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, 25 Februari 2006 Penulis

8 ABSTRAK M. Khoerul Zein, 2006, Rancang Bangun dan Karakterisasi Induktor Elektromagnet Medan Tinggi Pembimbing : I. Drs. Agus Yulianto, M.Si; II. Dr. Sugianto, M.Si Telah dilakukan rancang bangun induktor elektromagnet yang dapat menghasilkan medan magnet berintensitas tinggi. Desain induktor elektromagnet berupa sepasang lilitan kawat (selenoid) dengan teras besi soft magnet di tengahnya. Teras besi dibuat dapat naik turun melalui sebuah pemutar agar lebih fleksibel ketika digunakan untuk memagnetisasi sampel bahan magnet. Karakterisasi alat dilakukan dengan sistem MBL (Microcomputer Based Laboratory) produk Pasco. Hasil Karakterisasi menunjukkan bahwa induktor elektromagnet yang telah dibuat mampu menghasilkan medan magnet di atas satu tesla. Besarnya medan magnet yang dihasilkan bergantung pada besarnya kuat arus listrik yang mengalir serta sifat bahan soft magnet yang digunakan. Keberadaan teras besi telah secara efektif menambah nilai medan magnet yang dihasilkan. Selain bergantung pada kuat arus, besar medan magnet yang dihasilkan juga bergantung pada lebar celah antara dua teras. Perbandingan medan magnet yang diperoleh pada induktor dalam keadaan tanpa teras dan dengan teras menghasilkan permeabilitas magnetik teras sekitar 2,45 μ o. Kata Kunci: Induktor elektromagnet, soft magnet, medan magnet. viii

9 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... xiv BAB I PENDAHULUAN...1 A. Alasan Pemilihan Judul...1 B. Permasalahan...3 C. Tujuan Penelitian...3 D. Manfaat Penelitian...3 E. Sistematika Skripsi... 4 BAB II LANDASAN TEORI...5 A.. Dasar-Dasar teori Magnetik...5 B.. Sifat Kemagnetan Bahan...7 C.. Kurva Histeresis...11 D.. Medan Magnet...13

10 E.. Elektromagnet...14 BAB III METODOLOGI PENELITIAN...17 A... T empat Penelitian...17 B... D esain Penelitian...21 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN...29 A... P rototipe Elektromagnet Hasil Penelitian...29 B... H asil Karakterisasi Alat...31 BAB V PENUTUP...40 A... Si mpulan...40 B... Sa ran...41 DAFTAR PUSTAKA...42 LAMPIRAN...43 x

11

12 DAFTAR TABEL Tabel 1. Sifat bahan soft magnet dengan berbagai bahan penyusunnya Tabel 3.1. Data pengamatan variasi jarak dengan dan tanpa teras Tabel 3.2. Data pengamatan melalui variasi arus dengan lebar celah tertentu Tabel 3.3. Data pengamatan variasi jarak dari titik celah dengan jarak celah dan arus tertentu Tabel 3.4. Data pengamatan variasi jarak horisontal dari titik pusat celah tanpa arus dengan celah tetap Tabel 3.5. Data pengamatan variasi jarak vertikal dari titik pusat celah inti besi xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 : Arah gerakan elektron dalam bahan diamagnetik jika diberi medan magnet luar... 7 Gambar 2.2 : Arah domain-domain dalam bahan paramagnetik sebelum diberi medan magnet luar... 8 Gambar 2.3 : Arah domain dalam bahan paramagnetik setelah diberi medan magnet luar... 8 Gambar 2.4 : Arah domain-domain dalam bahan ferromagnetik sebelum diberi medan magnet luar Gambar 2.5 : Arah domain dalam bahan feromagnetik setelah diberi medan magnet luar Gambar 2.6 : Kurva induksi normal Gambar 2.7 : Kurva histeresis Gambar 2.8 : Kurva histeresis bahan soft magnet dan hard magnet Gambar 3.1 : Desain induktor elektromagnet beserta bagian-bagiannya Gambar 3.2 : Induktor elektromagnet beserta intinya Gambar 3.3 : Inti beserta pemutarnya Gambar 3.4 : Diagram induktor elektromagnet beserta magnetic field sensor Gambar 4.1 : Induktor elektromagnet, sumber tegangan beserta alat karakterisasi dari MBL... 30

14 Gambar 4.2 : Karakterisasi menggunakan magnetic field sensor pada lebar celah tertentu Gambar 4.3 : Grafik hubungan medan magnet terhadap jarak dengan teras dan tanpa teras Gambar 4.4 : Grafik hubungan medan magnet terhadap arus Gambar 4.5 : Grafik hubungan medan magnet terhadap jarak secara horisontal dari titik pusat inti, besar arus 1,5 A Gambar 4.6 : Grafik hubungan medan magnet terhadap jarak secara horisontal dari titik pusat inti tanpa arus Gambar 4.7 : Grafik hubungan medan magnet terhadap jarak secara vertikal xiv

15 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 : Data pengamatanvariasi jarak dengan dan tanpa teras Lampiran 2 : Data pengamatan dengan variasi arus dengan lebar celah antara dua intinya tertentu Lampiran 3: Data pengamatan variasi jarak dari titik celah dengan jarak celah dan arus tertentu Lampiran 4 : Data pengamatan variasi jarak dari titik pusat celah tanpa arus dengan jarak tertentu Lampiran 5 : Data pengamatan variasi jarak dari titik pusat celah secara radial dengan jarak celah dan arus tertentu Lampiran 6 : Besar medan magnet terhadap jarak dengan inti teras Lampiran 7 : Besar medan magnet dengan variasi arus terhadap lebar celah Lampiran 8 : Besar medan magnet dengan variasi arus terhadap jarak celah antara dua iinti secara horisontal dengan arus tertentu Lampiran 9 : Besarnya medan magnet dengan variasi arus terhadap jarak celah antara dua inti dengan tanpa arus Lampiran 10 : Besarnya medan magnet dengan variasi arus terhadap jarak celah antara dua inti dengan arus secara vertikal Lampiran 11: Perhitungan Arus Aman maksimal yang Melalui Induktor dan Medan Magnet yang Dihasilkan Secara Matematis... 60

16

17 BAB I PENDAHULUAN A. Alasan Pemilihan Judul Pemakaian magnet permanen untuk alat-alat listrik maupun untuk industri permainan sangat meningkat sekarang ini. Seperti dikutip oleh Sudirman (2002), berdasarkan data Biro Statistik diketahui bahwa dalam kurun satu tahun nilai total penjualan bahan magnet untuk industri permainan anak di Indonesia mencapai Rp ,00 dan untuk industri alat listrik rumah tangga mencapai Rp ,00. Hal yang cukup memprihatinkan adalah bahwa produk magnet yang digunakan tersebut sekitar 80% masih diimpor dari luar negeri. Magnet permanen yang digunakan pada hampir semua peralatan elektronika dalam prakteknya dapat dibedakan menjadi beberapa jenis, salah satu di antaranya adalah magnet ferit. Magnet jenis ini disintesis dengan menggunakan bahan dasar besi oksida. Hal yang cukup menggembirakan adalah bahwa bahan alamiah besi oksida terdapat secara melimpah di Indonesia, salah satu contohnya adalah dalam bentuk pasir besi. Dalam pasir besi terkandung beberapa anggota besi oksida, misalnya magnetit (Fe 3 O 4 ), maghemit dan hematit (Yulianto, 2002). Kedua bahan yang disebut terakhir memiliki komposisi kimia yang sama (Fe 2 O 3 ) tetapi memiliki struktur kristal yang berbeda (Dunlop, 1997). Dalam kurun empat tahun terakhir, di Laboratorium Kemagnetan Bahan Jurusan Fisika UNNES tengah dilakukan penelitian intensif tentang pasir besi. Dalam penelitian tersebut telah dilakukan beberapa proses, di antaranya adalah pemisahan mineral magnetit dari pengotornya, oksidasi bahan magnetit menjadi 1

18 2 maghemit dan hematit dan pembuatan serbuk barium ferrit yang siap dibuat menjadi magnet permanen. Barium ferit merupakan bahan magnet permanen yang dapat diaplikasikan untuk loudspeaker, motor listrik, dinamo, KWH meter dll. Proses penelitian yang telah menghasilkan bahan magnetik yang telah siap dibuat menjadi magnet permanen tersebut memerlukan sebuah alat induktor elektromagnet yang dapat digunakan untuk memagnetisasi. Prinsip dasar proses tersebut berupa penyearahan domain-domain yang ada dalam bahan oleh induktor elektromagnet. Induktor elektromagnet yang dialiri arus akan membangkitkan medan magnet. Induktor elektromagnet dapat diwujudkan sebagai selenoida kawat dengan inti magnet yang bersifat soft magnet. Arah medan magnet yang diberikan dari utara ke selatan yang mengakibatkan pengkutuban pada bahan magnetik yang arahnya berkebalikan. Mengingat pentingnya alat tersebut guna mendukung berkembangnya riset tentang bahan magnetik yang berkelanjutan maka penulis melakukan penelitian yang berkait dengan rancang bangun alat induktor elektromagnetik medan tinggi. Alat tersebut diharapkan mampu memagnetisasi magnet hasil cetakan menjadi magnet permanen yang siap digunakan. Di antara alasan dilakukannya penelitian ini adalah harga induktor elektromagnet yang sangat mahal di pasaran sehingga diupayakan membuat sendiri dengan keluaran di atas satu tesla. Menurut Griffit (1989) medan magnet satu tesla sudah merupakan medan tinggi.

19 3 B. Permasalahan Permasalahan yang menjadi fokus kajian penelitian ini meliputi dua masalah utama. Permasalahan pertama menyangkut desain sebuah prototip induktor sehingga didapatkan bentuk induktor elektromagnet medan tinggi yang mampu menghasilkan medan magnet sebesar 1000 mt atau lebih. Permasalahan kedua menyangkut karakterisasi alat agar dapat dikontrol saat dioperasikan. C. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Melakukan rancang bangun induktor elektromagnet yang bisa menghasilkan medan magnet sebesar 1000 mt atau lebih. 2. Melakukan karakterisasi terhadap induktor elektromagnet yang telah dibuat. D. Manfaat Penelitian Beberapa manfaat dapat diperoleh lewat penelitian ini, di antaranya adalah 1. Menambah pengetahuan di bidang kemagnetan bahan. 2. Mendukung penelitian-penelitian lain yang berkaitan dengan karakterisasi bahan/material yang menggunakan medan magnet tinggi. E. Sistematika Penulisan Skripsi Sistematika penyusunan skripsi ini adalah : 1. Bagian awal skripsi, berisi tentang halaman judul, abstraksi, halaman pengesahan, motto dan persembahan, kata pengantar, daftar isi, daftar gambar, daftar tabel, dan daftar lampiran.

20 4 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-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 daftar pustaka dan lampiran-lampiran.

21 BAB II LANDASAN TEORI A. Dasar-Dasar Teori Magnetik Setiap atom terdiri dari inti dan elektron yang bergerak mengelilingi inti. Di samping mengorbit terhadap inti, elektron juga berotasi terhadap sumbunya sendiri (spin). Gerakan elektron ini dipahami oleh para ilmuwan sebagai sumber timbulnya medan magnet. Setiap arus atom merupakan rangkaian tertutup yang berukuran atom yang dapat dirumuskan secara tepat sebagai dipol magnet. Sebenarnya besaran yang sangat diperhatikan adalah momen dipol, karena medan imbas magnet yang ditimbulkan dari suatu atom ditentukan dengan merinci momen dipol magnetnya, m yang secara makro didefinisikan sebagai besaran vektor magnetisasi M. Jika respon molekul secara individu terhadap medan magnet luar yang digunakan dikaji sampai tuntas, maka akan sampai pada teori untuk permeabilitas dan hubungan B terhadap H semua jenis bahan. Dengan demikian dapat ditunjukkan secara sederhana bagaimana perilaku magnet guna menurunkan perkiraan tingkat besaran yang benar untuk nilai permeabilitas dalam kasus kemagnetan dalam bahan. Secara makro ada dua vektor medan yaitu medan B dan intesitas medan luar H yang dihubungkan melalui persamaan: B = µ o (H + M)...(1) Pada ruang hampa nilai magnetisasi M akan sama dengan nol sehingga diperoleh persamaan: 5

22 6 B =µ o H...(2) dengan µ o dikenal sebagai parameter permeabilitas magnetik dalam ruang hampa yang besarnya µ 7 o = 4π.10 Ns 2 /C 2. Medan magnet dalam bahan dipengaruhi oleh intensitas medan magnet luar H dan besarnya magnetisasi oleh bahan M. Hubungan antara H dan M sesuai persamaan : M = χ m H...(3) dengan χ m merupakan besaran skalar tanpa dimensi yang dikenal dengan supsebilitas magnetik bahan, sedangkan antara B dan H terdapat hubungan yang linier sesuai persamaan : B = µ H...(4) dengan µ dikenal sebagai parameter permeabilitas magnetik dalam bahan yang besarnya µ = µ o (1 + χ m)...( 5) Mengacu persamaan (1), maka besarnya medan magnet di dalam bahan adalah : B = µ (H + M)...(6) Subtitusikan persamaan (3) dan (5) ke persamaan (6), maka akan diperoleh persamaan umum untuk medan magnet di dalam bahan : B = µ o (1 + χ m)(h + χ mh) (7) atau B = (µ o + 2µ o χ m + µ o χ m 2 )H...(8)

23 7 B. Sifat Kemagnetan Bahan Berdasarkan sifat medan magnet atomis, bahan dibagi menjadi tiga golongan, yaitu diamagnetik, paramagnetik dan ferromagnetik. Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya nol, tetapi orbit dan spinnya tidak nol. Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektron-elektron dalam atom akan berubah gerakannya sedemikian hingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya berlawanan, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Diamagnetik Resultan medan magnet atomis Medan magnet dari luar Gambar 2.1. Arah gerakan elektron dalam bahan diamagnetik jika diberi medan magnet luar. Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron sehingga semua bahan bersifat diamagnetik karena atomnya mempunyai elektron orbital. 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 diamagnetik adalah μ < μ0 dan suseptibilitas magnetiknya χ < 0. Contoh bahan diamagnetik yaitu : bismut, perak, emas, m tembaga dan seng.

24 8 Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan atomis masing-masing atom/molekulnya tidak nol, tetapi resultan atomis total seluruh atom/molekul dalam bahan nol. Hal ini disebabkan karena gerakan atom/molekul acak, sehingga resultan medan magnet atomis masing-masing atom saling meniadakan, seperti yang terlihat pada Gambar 2.2. Gambar 2.2. Arah domain-domain dalam bahan paramagnetik sebelum diberi medan magnet luar. Bahan ini jika diberi medan magnet luar, maka elektron-elektronnya akan berusaha sedemikian rupa sehingga resultan medan magnet atomisnya searah dengan medan magnet luar, seperti ditunjukkan Gambar 2.3. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen 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. H Gambar 2.3. Arah domain dalam bahan paramagnetik setelah diberi medan magnet luar.

25 9 Permeabilitas bahan paramagnetik adalah μ > μ0, dan suseptibilitas magnetik bahannya χ > 0. Contoh bahan paramagnetik : alumunium, m magnesium, wolfram dan sebagainya. Bahan diamagnetik dan paramagnetik mempunyai sifat kemagnetan yang lemah. Perubahan medan magnet dengan adanya bahan tersebut tidaklah besar apabila digunakan sebagai pengisi kumparan toroida. Bahan ferromagnetik adalah bahan yang mempunyai resultan medan atomis besar. 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 sebagian besar atom akan mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok. Kelompok atom yang mensejajarkan dirinya dalam suatu daerah dinamakan domain. Bahan ferromagnetik sebelum diberi medan magnet luar mempunyai domain yang momen magnetiknya kuat, tetapi momen magnetik ini mempunyai arah yang berbeda-beda dari satu domain ke domain yang lain sehingga medan magnet yang dihasilkan tiap domain saling meniadakan, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4.

26 10 Gambar 2.4. Arah domain-domain dalam bahan ferromagnetik sebelum diberi medan magnet luar. Bahan ini jika diberi medan magnet dari luar, maka domain-domain ini akan mensejajarkan diri searah dengan medan magnet dari luar, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5. Semakin kuat medan magnetnya semakin banyak domain-domain yang mensejajarkan dirinya. Akibatnya medan magnet dalam bahan ferromagnetik akan semakin kuat. Gambar 2.5. Arah domain dalam bahan ferromagnetik setelah diberi medan magnet luar. Setelah seluruh domain terarahkan, penambahan medan magnet luar tidak memberi pengaruh apa-apa karena tidak ada lagi domain yang disearahkan. Keadaan ini dinamakan jenuh atau keadaan saturasi. Permeabilitas bahan ferromagnetik adalah μ >>> μ0 dan suseptibilitas bahannya χ >>> 0. Contoh bahan ferromagnetik : besi, baja, besi silikon dan m lain-lain. Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik ini akan hilang pada temperatur

27 11 yang disebut Temperatur Currie. Temperatur Curie untuk besi lemah adalah C, dan untuk baja adalah C (Kraus. J. D, 1970). C. Kurva Histerisis Untuk bahan ferromagnetik magnetisasi bahan M tidaklah berbanding lurus dengan intensitas magnet H. Hal ini tampak dari kenyataan bahwa harga suseptibilitas magnetik χ m bergantung dari harga intensitas magnet H. Bentuk umum kurva medan magnet B sebagai fungsi intensitas magnet H terlihat pada Gambar 2.6. Kurva B(H) seperti ini disebut kurva induksi normal. Bs (a) Bs (b) Bs ( c) a b c H Gambar 2.6. Kurva induksi normal. Pada gambar tampak bahwa kurva tidak berbentuk garis lurus sehingga dapat dikatakan bahwa hubungan antara B dan H tidak linier. Dengan kenaikan harga H, mula-mula B turut naik dengan lancar, tetapi mulai dari satu titik tertentu harga H hanya menghasilkan sedikit kenaikan B dan makin lama B hampir konstan. Keadaan ini disebut dengan kedaan saturasi, yaitu keadaan di mana medan magnet B tidak banyak berubah. Harga medan magnet untuk keadaan

28 12 saturasi disebut dengan Bs atau medan magnet saturasi. Bahan yang mencapai saturasi untuk harga H rendah disebut magnet lunak seperti yang ditunjukkan kurva (a), sedangkan bahan yang saturasinya terjadi pada harga H tinggi disebut magnet keras seperti yang ditunjukkan kurva (c). Untuk bahan ferromagnetik, sesudah mencapai saturasi ketika intensitas magnet H diperkecil hingga mencapai H = 0, ternyata kurva B tidak melewati jalur kurva semula. Pada harga H = 0, medan magnet atau rapat fluks B mempunyai harga Br 0. Jadi apabila arus pada toroida dimatikan (i = 0) maka dalam bahan masih tersimpan fluks induksi. Harga Br ini disebut dengan induksi remanen atau remanensi bahan. Secara umum kurva histeresis seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7. B B r -H c 0 H H H Gambar 2.7. Kurva histeresis magnetik Pada gambar tampak bahwa setelah mencapai nol harga intensitas magnet H dibuat negatif (dengan membalik arus lilitan), kurva B(H) akan memotong sumbu pada harga Hc. Intensitas Hc inilah yang diperlukan untuk membuat rapat

29 13 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 diperbesar pada harga H positif hingga saturasi kembali, maka kurva B(H) akan membentuk satu lintasan tertutup yang disebut kurva histeresis. Bahan yang mempunyai koersivitas tinggi kemagnetannya tidak mudah hilang. Bahan seperti itu baik untuk membuat magnet permanen. D. Medan Magnet Medan magnet adalah ruangan di sekitar magnet yang dialiri arus listrik (Halliday & Resnick, 1989). Medan magnet merupakan besaran vektor yang dinyatakan dengan vektor B. Garis medan medan magnet disebut garis induksi. Seperti halnya pada medan listrik, jumlah garis gaya yang menembus pada suatu permukaan S dapat ditentukan bila medan magnet B pada tiap titik pada permukaan S diketahui. Bila da adalah vektor elemen luas pada S dan B adalah vektor induksi pada elemen luas tersebut, maka jumlah garis gaya atau Fluks Ф yang keluar dari permukaan S adalah: Φ = Β da...(9) s Integral pada persamaan (9) adalah integral permukaan. Integral Β da menyatakan produk skalar antara vektor B dan da. Persamaan (9) juga dapat ditulis: Φ = ΒdΑ cos θ = Β dα (10) s s n

30 14 θ adalah sudut antara vektor B dan da, sedangkan B n = B cos θ adalah komponen B pada arah normal. Hubungan di atas berasal dari gambaran besar medan magnet B sebagai rapat garis gaya tiap satuan luas, sehingga medan magnet B dapat disebut sebagai rapat fluks (Sutrisno dan Tan, 1983). 1. Medan Magnet dalam Kumparan Solenoida Solenoida adalah sebuah kawat panjang yang dililitkan, terbungkus rapat dan mengangkut sebuah arus i. Medan yang ditimbulkan dari solenoida merupakan jumlah vektor dari medan-medan yang ditimbulkan oleh semua lilitan yang membentuk solenoida tersebut. Untuk menghitung besarnya medan yang terdapat dalam solenoida maka digunakan hukum Ampere. Dari hukum Ampere B dl = μ I dapat diperoleh medan di dalam solenoida sebesar : B = μ 0 in...(11) dengan n menyatakan banyaknya lilitan per satuan panjang. Walaupun persamaan (11) digunakan untuk sebuah solenoida ideal yang panjang tak hingga, tetapi persamaan tersebut dapat berlaku untuk titik-titik dalam di dekat pusat solenoida. Persamaan tersebut memperlihatkan bahwa B tidak bergantung pada diameter atau panjang solenoida dan B konstan pada penampang solenoida. c o E. Elektromagnet Elektromagnet merupakan alat yang berfungsi mensejajarkan domaindomain. Domain-domain yang awalnya tidak teratur akan mensejajarkan diri

31 15 searah medan magnet dari luar. Makin kuat medan magnet dari luar makin banyak pula domain yang menyearahkan diri. Akibatnya kuat medan magnet dari bahan makin besar. Arah medan magnet yang diberikan dari utara ke selatan mengakibatkan pengkutuban pada bahan magnetik dengan arah berkebalikan. Besarnya medan magnet sangat dipengaruhi oleh arus yang mengalir, jumlah lilitan kawat tembaga dan inti magnet yang bersifat soft magnet. Arus yang digunakan diperoleh dari sebuah sumber arus. Dengan memberikan medan secara bertahap sebanyak tiga kali akan diperoleh medan magnet sesuai kurva histeris magnet permanen. Dalam praktiknya bahan magnetik dapat dibedakan menjadi dua yaitu soft magnet dan hard magnet. Perbedaan antara kedua bahan diilustrasikan pada Gambar 2.8 di bawah ini. Gambar 2.8. Kurva histeresis bahan soft magnet dan hard magnet. Karakterisasi dari bahan soft magnet yaitu mempunyai loop histeresis yang sempit. Histeresis yang sempit menyebabkan luasannya kecil yang mengakibatkan energi hilang akibat panas relatif kecil. Sesuai dengan persamaan: Ed = C H. db (15)

32 16 Bahan soft magnet merupakan bahan yang mudah dimagnetisasi dan didemagnetisasi. Umumnya bahan ini mempunyai koersivitas intrinsik kurang dari 1000 Am -1. Aplikasi dari bahan soft magnet pada elektromagnet, power supply pada induktor dan transformator. Beberapa sifat bahan soft magnet dengan berbagai bahan penyusunnya ditampilkan pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Sifat bahan soft magnet dengan berbagai bahan penyusunnya (Sumber : R.G. Carter, 1992) Bahan B S (T) ρ ( Ω m) μ μ max A. Steels Lamination 2,1-2,2 0,4 - (low C) Non-Oriented 2,0-2,1 0,35 - (2% Si) Convent Graint Oriented 2,0 0, (CGO M-4) High Graint Oriented 2,0 0,45 - (HGO) B. Fe-(Ni, Co) alloy Ni 1,6 0, Ni 1,1 0, (square permalloy) 79 Ni 4 Mo 0,8 0, (4 79 Mo permalloy, supermalloy) 49 Co 2 V 2,3 0, (permendur, supermendur) C. Ferrites MnZn 0,5 2 x NiZn 0,

33 BAB III METODE PENELITIAN Penelitian diawali dengan melakukan perancangan desain induktor elektromagnet medan tinggi. Perancangan dilakukan dengan memperhatikan faktor geometri dan jenis bahan yang digunakan sehingga proses pembuatan lebih lancar. Selain itu, diharapkan nantinya alat yang telah dibuat dapat bekerja secara maksimal. Induktor yang telah dibuat kemudian dikarakterisasi untuk mengetahui besarnya medan magnet yang dihasilkan. Proses karakterisasi dilakukan dengan MBL (Microcomputer Based Laboratory) produksi Pasco. Sensor yang digunakan berupa magnetic field sensor. A. Desain Alat Desain alat dilakukan guna mempermudah dalam pembuatan alat. Tahap awal dalam pendesaianan alat ini adalah dengan membuat induktor elektromagnet berinti besi lunak. Induktor ini memerlukan arus DC yang besar untuk menimbulkan medan magnet tinggi. Arus DC berasal dari regulator tegangan yang bersumber dari jaringan PLN 220 V. Induktor elektromagnet didesain dengan menggunakan inti besi soft magnet yang dapat naik-turun tanpa intinya ikut berputar. Hal ini dirancang dengan menggunakan laker yang ditanam dalam inti besi dan dilas dengan drat. Pemilihan aluminium sebagai tempat lilitan tembaga karena aluminium 17

34 18 merupakan salah satu bahan paramagnetik sehingga tidak menjadi magnet permanen ketika lilitan diberi arus. Skema beberapa bagian induktor elektromagnet yang didesain dalam penelitian seperti ditunjukkan pada Gambar 3.1. a b c d e f g h Gambar 3.1. Desain induktor elektromagnet beserta bagian-bagiannya Keterangan: a. Pemutar yang berfungsi untuk menaik-turunkan inti besi lunak b.drat 25 mm c. Mur 25 mm d.lempeng besi penahan beban inti besi elektromagnet e. Lempeng besi atas penahan beban induktor elektromagnet bagian atas dengan ukuran 20 x 50 cm 2 f. Drat 20 mm sebagai penyangga

35 19 g.induktor elektromagnet h.lempeng besi bawah penahan induktor bawah dengan ukuran 30 x 50 cm 2 Skema induktor elektromagnet beserta inti besinya seperti ditunjukkan pada Gambar 3.2. a b c d e f g Gambar 3.2. Induktor elektromagnet beserta intinya Keterangan: a. Inti besi bagian atas dengan diameter 7,6 cm yang panjangnya 40 cm b.papan kayu bagian atas dengan ukuran 21x21 cm 2 dengan ketebalan 5 cm c. Alumunium berbentuk silinder sebagai tempat lilitan selang tembaga dan kawat tembaga dengan panjang 18 cm dan diameter 8 cm yang dipasang setangkup dengan papan kayu d.papan kayu bagian bawah dengan ukuran 21x21 cm 2 dengan ketebalan 5 cm

36 20 e. Inti besi bagian bawah yang dibuat permanen dengan diameter 7,6 cm dan panjangnya 25 cm f. Selang tembaga diameter 4,9 cm sebagai pendingin g.lilitan kawat tembaga diameter 2 mm sebanyak 419 lilitan untuk induktor bagian atas dan 403 untuk induktor bagian bawah Desain geometri tiga dimensi alat pemutar dengan inti baja soft magnet seperti terlihat pada Gambar 3.3. Tampak bahwa drat dilas dengan laker agar inti tidak berputar ketika naik-turun. a b Gambar 3.3. Inti beserta pemutarnya c e d Keterangan: a. Pemutar b.laker dengan diameter 3,5 cm yang dilas dengan baut diameter 25 mm c. Lubang diameter pada lempeng besi 8 cm agar inti bisa naik-turun

37 21 d.lubang dengan diameter 7 mm guna memasang baut pada induktor Lempeng besi bagian atas dengan ukuran 20 x 50 cm 2 dengan tebal 5 mm B. Karakterisasi Alat Alat yang telah dibuat selanjutnya dikarakterisasi untuk mengetahui besarnya keluaran medan magnet. Proses karakterisasi dilakukan dengan MBL (Microcomputer Based Laboratory) produksi Pasco. Sensor yang digunakan berupa magnetic field sensor. Medan magnet diukur pada saat elektromagnet dialiri arus maupun tidak dialiri arus. Aliran arus digunakan untuk mengetahui besarnya medan magnet yang dihasilkan pada jarak tertentu, sedangkan tanpa aliran arus berfungsi mengetahui besarnya medan magnet yang masih tersimpan dalam inti besi. Susunan alat untuk melakukan karakterisasi elektromagnet ditunjukkan oleh Gambar 3.4. Regulator tegangan Induktor Tegangan AC 220 V Magnetic Gambar 3.4. Diagram induktor elektromagnet beserta magnetic field sensor

38 22 Proses karakterisasi meliputi hal-hal sebagai berikut: 1. Karakterisasi alat dengan variasi jarak dengan dan tanpa inti besi Karakterisasi ini berfungsi untuk mencari besarnya medan magnet dengan dan tanpa inti besi pada jarak dan arus tertentu. Berikut langkah-langkah karakterisasi menggunakan MBL: 1) Memasang salah satu induktor beserta inti besi untuk pengukuran dengan inti dan tanpa inti besi untuk pengukuran tanpa teras. Induktor dihubungkan regulator tegangan. 2) Menghubungkan magnetic field sensor dengan komputer dan memasang magnetic field sensor tepat di tengah-tengah inti besi. Mengaktifkan posisi magnetic field sensor untuk mengukur pada posisi vertikal. Memilih select range 10x pada sensor. 3) Menghidupkan komputer guna mengaktifkan magnetic field sensor produksi Pasco dengan memilih pilihan magnetic field sensor. 4) Memilih besaran medan magnet (gauss dan tesla) sesuai kebutuhan. 5) Menghidupkan regulator tegangan untuk mengalirkan arus. 6) Mengatur arus yang mengalir dengan mengatur besarnya tegangan. 7) Menekan tombol rec untuk memulai penghitungan dan menekan tombol stop untuk menghentikan proses penghitungan. 8) Melakukan variasi besarnya arus dengan lebar celah tetap. 9) Mengulangi pengukuran dengan jarak yang berbeda.

39 23 Data pengamatan variasi jarak dengan dan tanpa inti besi, seperti ditunjukkan pada Tabel 3.1. Tabel 3.1. Data pengamatan variasi jarak dengan dan tanpa inti besi Lebar celah 1 cm No Arus (A) Medan magnet (gauss) Karakterisasi alat melalui variasi arus dengan jarak celah inti tetap Karakterisasi ini berfungsi untuk mencari besarnya medan magnet pada lebar celah tertentu dengan memvariasi besarnya arus yang diberikan. Berikut langkah-langkah karakterisasi menggunakan MBL: 1) Memasang elektromagnet yang dihubungkan regulator tegangan. 2) Mengatur lebar celah melalui pemutar sesuai jarak yang telah ditentukan (1 cm, 2 cm dsb). 3) Menghubungkan magnetic field sensor dengan komputer dan memasang magnetic field sensor tepat di tengah-tengah celah inti besi. Mengaktifkan posisi magnetic field sensor untuk mengukur pada posisi vertikal. Memilih select range 10x pada sensor. 4) Menghidupkan komputer guna mengaktifkan magnetic field sensor produksi Pasco dengan memilih pilihan magnetic field sensor. 5) Memilih besaran medan magnet (gauss dan tesla) sesuai kebutuhan.

40 24 6) Menghidupkan regulator tegangan untuk mengalirkan arus. 7) Mengatur arus yang mengalir dengan mengatur besarnya tegangan. 8) Menekan tombol rec untuk memulai penghitungan dan menekan tombol stop untuk menghentikan proses penghitungan. 9) Melakukan variasi besarnya arus dengan lebar celah tetap. 10) Setelah satu lebar celah terselesaikan, regulator tegangan dimatikan. Mengulangi pengukuran dengan lebar celah yang berbeda. Data pengamatan melalui variasi arus dengan jarak celah inti tetap, seperti ditunjukkan pada Tabel 3.2. Tabel 3.2. Data pengamatan melalui variasi arus dengan jarak celah inti tetap Lebar celah 1 cm No Arus (A) Medan magnet (gauss) Karakterisasi alat dengan variasi jarak horisontal dari titik pusat celah dengan lebar celah dan arus tetap. Karakterisasi ini berfungsi untuk mencari besarnya medan magnet pada jarak horisontal dari pusat celah inti besi dengan lebar celah dan arusnya tetap. Berikut langkah-langkah karakterisasi menggunakan MBL: 1) Memasang elektromagnet yang dihubungkan regulator tegangan. 2) Mengatur lebar celah melalui pemutar sampai jarak yang telah ditentukan (1 cm, 2 cm dsb).

41 25 3) Menghubungkan magnetic field sensor dengan komputer dan memasang magnetic field sensor tepat di tengah-tengah antara dua celah inti besi. Mengaktifkan posisi magnetic field sensor untuk mengukur pada posisi vertikal. Memilih select range 10x pada sensor. 4) Menghidupkan komputer guna mengaktifkan magnetic field sensor produksi Pasco dengan memilih pilihan magnetic field sensor. 5) Memilih besaran medan magnet (gauss dan tesla) sesuai kebutuhan. 6) Menghidupkan regulator tegangan untuk mengalirkan arus. 7) Mengatur arus yang mengalir dengan mengatur besarnya tegangan (di sini diambil 1,5 A). 8) Menekan tombol rec untuk memulai penghitungan dan menekan tombol stop untuk menghentikan proses penghitungan. 9) Melakukan variasi besarnya jarak secara horisontal dari pusat celah (tepat di tengah-tengah). 10) Setelah satu lebar celah terselesaikan, regulator tegangan dimatikan lalu jarak celahnya diatur lagi. Mengulangi pengukuran dengan lebar celah yang berbeda. Data pengamatan variasi jarak dari titik celah dengan jarak celah dan arus tertentu, seperti ditunjukkan pada Tabel 3.3.

42 26 Tabel 3.3. Data pengamatan variasi jarak dari titik celah dengan jarak celah dan arus tertentu Lebar celah 1 cm No Jarak (cm) Medan magnet (Gauss) Karakterisasi alat dengan variasi jarak horisontal dari titik pusat celah dengan lebar celah tetap tanpa arus Karakterisasi ini berfungsi untuk mencari besarnya medan magnet pada jarak tertentu dari pusat celah tanpa adanya aliran arus. Berikut langkah-langkah karakterisasi menggunakan MBL: 1) Memasang elektromagnet tanpa dihubungkan regulator tegangan. 2) Mengatur lebar celah melalui pemutar sampai jarak yang telah ditentukan (1 cm, 2 cm dsb). 3) Menghubungkan magnetic field sensor dengan komputer dan memasang magnetic field sensor tepat di tengah-tengah antara dua celah inti besi. Mengaktifkan posisi magnetic field sensor untuk mengukur pada posisi vertikal. Memilih select range 10x pada sensor. 4) Menghidupkan komputer guna mengaktifkan magnetic field sensor dari produksi Pasco dengan memilih pilihan magnetic field sensor.

43 27 5) Memilih besaran medan magnet (gauss dan tesla) sesuai kebutuhan. 6) Menekan tombol rec untuk memulai penghitungan dan menekan tombol stop untuk menghentikan proses penghitungan. 7) Melakukan variasi besarnya jarak secara horisontal dari pusat celah (tepat di tengah-tengah). 8) Setelah satu lebar celah terselaikan. Mengatur lebar celahnya lagi. Mengulangi pengukuran dengan lebar celah yang berbeda. Data pengamatan variasi jarak horisontal dari titik pusat celah tanpa arus dengan lebar celah tetap, seperti yang ditunjukkan Tabel 3.4. Tabel 3.4. Data pengamatan variasi jarak horisontal dari titik pusat celah tanpa arus dengan lebar celah tetap Lebar celah 1 cm No Jarak (cm) Medan magnet (Gauss)

44 28 5. Karakterisasi alat dengan variasi jarak vertikal dari titik pusat celah inti besi. Karakterisasi ini berfungsi untuk mencari besarnya medan magnet pada jarak tertentu dari pusat antara dua celah inti besi dengan lebar celah dan arus tetap. Berikut langkah-langkah karakterisasi menggunakan MBL: 1) Memasang elektromagnet yang dihubungkan regulator tegangan 2) Mengatur lebar celah inti besi melalui pemutar sampai jarak yang telah ditentukan (5 cm). 3) Menghubungkan magnetic field sensor dengan komputer dan memasang magnetic field sensor tepat di tengah-tengah antara dua celah inti besi. Mengaktifkan posisi magnetic field sensor untuk mengukur pada posisi vertikal. Memilih select range 10x pada sensor. 4) Menghidupkan komputer guna mengaktifkan magnetic field sensor dari produksi Pasco dengan memilih pilihan magnetic field sensor. 5) Memilih besaran medan magnet (gauss dan tesla) sesuai kebutuhan. 6) Menghidupkan regulator tegangan untuk mengalirkan arus. 7) Mengatur arus yang mengalir dengan mengatur besarnya tegangan. 8) Menekan tombol rec untuk memulai penghitungan dan menekan tombol stop untuk menghentikan proses penghitungan. 9) Melakukan variasi besarnya jarak secara vertikal dari pusat (tepat di tengah-tengah) di antara celah inti besi.

45 29 10) Setelah satu arus terselaikan. Mengatur arus lagi. Mengulangi pengukuran dengan arus yang berbeda. Data pengamatan variasi jarak vertikal dari titik pusat celah inti besi, seperti ditunjukkan pada Tabel 3.5. Tabel 3.5. Data pengamatan variasi jarak vertikal dari titik pusat celah inti besi Lebar celah 1 cm No Jarak (cm) Medan Magnet (gauss)

46 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Prototipe Elektromagnet Hasil Penelitian Hasil dari penelitian adalah sebuah induktor elektromagnet yang telah dikarakterisasi. Induktor elektromagnet ini mampu membangkitkan medan magnet di atas 1 tesla. Lilitan induktor elektromagnetik menggunakan kawat berdiameter 2 mm dengan 419 lilitan untuk induktor bagian atas dan 403 lilitan untuk induktor bagian bawah. Teras induktor berupa besi baja tipe ST 90. Pilihan terhadap baja jenis tersebut berdasar kemampuan menyimpan medan magnet atau remanensi yang relatif kecil dibanding baja jenis lain yang ditemui di pasaran. Idealnya teras menggunakan bahan soft magnet yang mempunyai remanensi dan koersivitas kecil agar mudah dimagnetisasi dan didemagnetisasi. Pada induktor elektromagnet ini kawat kumparan bagian atas dan bawah dihubungkan searah agar arus mengalir sehingga medan magnet yang dihasilkan tidak terputus. Sedangkan arusnya dibangkitkan melalui regulator tegangan yang perubahannya diukur menggunakan Ampere meter. Berdasarkan hitungan matematis, arus maksimal yang dapat dialirkan ke induktor elektromagnet sebesar 7,8 A tanpa menimbulkan kerusakan pada kawat . Meski demikian, untuk mengantisipasi kerusakan akibat panas yang ditimbulkan oleh arus pada kawat maka digunakan pendingin. Pendingin berupa selang tembaga berdiameter 4,9 mm yang melilit bagian dalam tabung induktor. Selang pendingin dapat bekerja dengan mengalirkan air di dalamnya, 30

47 31 tetapi karena keterbatasan waktu, maka pendingin tersebut belum digunakan. Pada pengambilan data, arus maksimal yang dialirkan sebesar 5 A. Arus tersebut bila dibiarkan dalam jangka waktu cukup lama akan menimbulkan panas pada kumparan. Selain itu, aliran arus pada kumparan dapat menyebabkan inti baja menjadi magnet. Ini disebabkan inti yang digunakan termasuk golongan hard magnet sehingga mempunyai remanensi cukup tinggi. Induktor elektromagnet ini dikarakterisasi dengan MBL (Microcomputer Based Laboratory) yang menggunakan magnetic field sensor produksi Pasco untuk mengukur besarnya medan magnet yang dihasilkan, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.1. Karakterisasi dilakukan dengan melakukan variasi arus dan lebar celah. Khusus untuk karakterisasi besar medan magnet dengan dan tanpa teras, hanya digunakan satu induktor dan teras yang panjangnya 25 cm. Induktor elektromagnet yang telah selesai dibuat sumber tegangan beserta alat karakterisasi dari MBL. Proses pengukuran medan magnet di dalam teras menggunakan magnetic field sensor pada lebar celah tertentu ditunjukkan dengan Gambar 4.2. Gambar 4.1. Induktor elektromagnet, sumber tegangan beserta alat karakterisasi dari MBL

48 32 Gambar 4.2. Karakterisasi menggunakan magnetic field sensor pada lebar celah tertentu B. Hasil Karakterisasi Alat 6. Besarnya medan magnet terhadap jarak dengan dan tanpa teras Dari pengukuran medan magnet terhadap jarak dengan dan tanpa teras dengan arus tertentu diperoleh grafik seperti ditunjukkan pada Gambar Medan magnet (gauss) Jarak (cm) Arus 1,03 A tanpa teras Arus 1,03 A dengan teras Arus 2,05 A dengan teras Arus 2,05 A tanpa teras Gambar 4.3. Grafik hubungan medan magnet terhadap jarak dengan teras dan tanpa teras

49 33 Pada gambar terlihat bahwa semakin kecil jarak titik dari teras maka akan semakin besar medan magnetnya. Besarnya perubahan medan magnet linier terhadap perubahan jarak. Ini berarti, jarak mempunyai pengaruh yang sangat besar terhadap kenaikan medan magnet di dalam induktor. Selain itu, arus yang mengalir juga mempunyai peran yang sangat besar dalam perubahan medan magnet. Hal itu bisa terlihat dari perubahan gradiennya. Nilai gradien akan semakin kecil mengikuti bertambahnya arus yang mengalir. Saat arus 1,03 A, pada pengukuran besarnya medan magnet dengan teras diperoleh gradien -472,24, sedangkan pada arus 2,05 A diperoleh gradien sebesar -904,24. Pada pengukuran tanpa teras juga terjadi hal yang sama. Saat arus 1,03 A gradiennya -140,45 dan saat 2,05 A mempunyai gradien -318,3 (data dan grafik lengkapnya bisa dilihat di lampiran). Hal ini menunjukkan bahwa penurunan medan magnet sangat dipengaruhi besarnya arus yang mengalir pada induktor. Artinya, karena gradiennya negatif maka semakin besar arus yang mengalir maka akan besar medan magnet. Berdasar analisis, diperoleh perbandingan besarnya μ μ m o untuk arus 1,03 A sebesar (2,44±0,1) dan arus 2,05 A sebesar (2,565±0,01). Hal ini menunjukkan bahwa perbandingan besarnya suseptibilitas induktor dengan inti besi baja dan inti udara cukup besar. Untuk bahan soft magnet besarnya perbandingan tersebut berkisar 1,6 (Yulianto,2005). Besarnya angka tersebut menunjukkan bahwa teras mempunyai efek yang sangat besar terhadap peningkatan medan magnet.

50 34 Perbandingan besarnya μ μ m o pada arus 1,03 A yang besarnya (2,44±0,1) dan arus 2,05 A yang besarnya (2,565±0,01) menunjukkan bahwa semakin tinggi arus mengalir maka akan semakin besarnya nilai μ μ m o. Ini menunjukkan bahwa peran teras dan arus yang sangat signifikan menaikkan besarnya medan magnet. 7. Besarnya medan magnet dengan variasi arus terhadap lebar celah Dari pengukuran medan magnet melaui variasi arus dengan lebar celah tertentu diperoleh grafik seperti ditunjukkan pada Gambar Medan magnet (gauss) Arus (A) celah 1 cm celah 2 cm celah 3 cm celah 4 cm celah 5 cm Gambar 4.4. Grafik hubungan medan magnet terhadap arus Pada gambar tampak bahwa medan magnet naik secara linier sebanding dengan kenaikan arus. Pada lebar celah 1 cm ketika induktor dialiri arus 0,5 A ternyata mengahsilkan medan magnet sebesar 0,4409 tesla di pusat inti.

51 35 Penyebabnya adalah besarnya medan magnet remanen pada lebar celah 1 cm di pusat inti yang mencapai 0,3049 tesla (data dan grafik lengkapnya bisa dilihat di lampiran). Meski karakterisasi pada lebar celah 1 cm hanya sampai arus 1,75 A tetapi arus tersebut mampu membangkitkan medan magnet sebesar 0,9101 tesla (data dan grafik lengkapnya bisa dilihat di lampiran). Jika arus dinaikkan lagi, berdasar persamaan gradiennya maka induktor dapat membangkitkan medan magnet di atas 1 tesla. Persamaan gradien pada lebar celah 1 cm dinyatakan dengan y = 4028,8x ,4. Perlu diketahui jika sensor medan magnet produksi Pasco mempunyai keterbatasan untuk mensesnsing medan magnet di atas 0,9999 tesla. Pada Gambar 4.4 juga dapat dilihat bahwa gradien medan magnet terhadap arus akan semakin kecil sejalan dengan besarnya lebar celah. Pada lebar celah 1 cm gradiennya 4028 sedangkan pada lebar celah 2 cm gradiennya akan menurun menjadi 2310,9 dan akan terus menurun jika lebar celah diperbesar. Pada lebar celah 5 cm bahkan gradien menurun cukup tajam menjadi 480,01 (data dan grafik lengkapnya bisa dilihat di lampiran). Artinya semakin sempit lebar celah maka tingkat kenaikan medan magnet semakin besar. Sebaliknya semakin besar lebar celahnya maka tingkat kenaikan medan magnet yang dihasilkan lebih kecil. Gejala tersebut dapat terlihat pada perbandingan selisih kenaikan medan magnet. Saat naik dari 0,5 A ke 0,78 A pada lebar celah 1 cm selisihnya 0,1227 tesla sedang saat dari 0,5 A ke 0,78 A pada lebar celah 2 cm selisihnya 0,0773 tesla. Pada celah lainpun akan tampak bila dicermati lebih seksama. Selain itu, tampak pula

52 36 bahwa besarnya kenaikan medan magnet pada arus yang sama, sangat ditentukan oleh lebar celahnya. 8. Besarnya medan magnet dengan variasi jarak horisontal dari titik pusat celah dengan lebar celah dan arus tetap Dari pengukuran medan magnet dengan variasi jarak secara horisontal dari titik pusat celah, menggunakan arus 1,5 Ampere dengan lebar celah tertentu, diperoleh grafik seperti ditunjukkan pada Gambar Medan magnet (gauss) celah 1 cm celah 2 cm celah 3 cm celah 4 cm celah 5 cm Jarak (cm) Gambar 4.5. Grafik hubungan medan magnet terhadap jarak secara horisontal dari titik pusat inti, besar arus 1,5 A Pada gambar tampak bahwa saat arus 1,5 A, secara longitudinal medan magnet yang dihasilkan di dalam teras cenderung homogen, terutama untuk lebar celah 1 cm. Pada lebar celah 2 cm, 3 cm, 4 cm dan 5 cm meski tidak sehomogen pada lebar celah 1 cm tetapi kecendrungan homogenitasnya masih terlihat. Pada medan benar-benar terkonsentrasi di dalam teras. Homogenitas lebar celah 1 cm disebabkan besarnya medan magnet remanen teras pada celah sempit. Artinya,

53 37 semakin jauh jarak dari pusat inti maka akan semakin kecil medan magnet yang disebabkan pengaruh medan magnet dari teras sudah mulai berkurang. Pada jarak 2 cm dari pusat teras, homogenitas medan masih dapat terlihat, tetapi pada lebar celah 2 cm, 3 cm dan 4 cm ketika titik berada pada jarak 3 cm dari titik pusat medan magnet yang dihasilkan mulai menurun tajam. Ini disebabkan letak titik yang berada di pinggir teras. Jadi besarnya medan magnet di dalam teras secara longitudinal mempunyai medan magnet yang hampir sama karena berada pada yang sama dengan permukaan teras. Medan magnet yang berada di luar teras tampak tidak homogen, bahkan menurun mendekati ekponensial terhadap jarak. Semakin jauh dari teras maka medan magnet yang dihasilkan akan semakin kecil. Pada lebar celah 1 cm terlihat bahwa saat titik berada di luar teras, medan magnet langsung jatuh sangat tajam. Ini disebabkan karena pada yang dihasilkan terkonsentrasi di celah sehingga mengakibatkan medan magnet di luar teras akan sangat berkurang. Pada jarak yang cukup jauh (jarak 11 cm dari pusat inti) terlihat medan magnet untuk semua lebar celah cenderung sama. Pada lebar celah 5 cm, tampak adanya perbedaan medan magnet di dalam dan di luar celah tidak terlalu signifikan. Penyebabnya tak lain karena pada jarak tersebut medan magnet di dalam celah sudah tidak terkonsentrasi di area di dalam teras tetapi sudah mulai melebar di sampingnya. Akibatnya, meski homogenitas medan magnet dapat dipertahankan tetapi medan magnet yang berada di luar teras tidak akan menurun secara tajam.

54 38 9. Besarnya medan magnet dengan variasi jarak horisontal dari titik pusat celah tanpa arus dengan lebar celah tetap Dari pengukuran medan magnet dengan variasi jarak secara horisontal dari titik pusat inti dengan lebar celah tetap, diperoleh grafik seperti ditunjukkan pada Gambar Medan magnet (gauss) celah 2 cm celah 3 cm celah 4 cm celah 5 cm celah 1 cm Jarak (cm) Gambar 4.6. Grafik hubungan medan magnet terhadap jarak secara horisontal dari titik pusat inti tanpa arus Pada gambar terlihat bahwa remanensi inti besi pada lebar celah 1 cm mencapai 0,3049 tesla. Medan magnet remanensi akan cenderung menurun tajam pada lebar celah yang semakin besar. Penurunannya mengikuti pola tertentu berupa semakin besar selisih medan magnet pada lebar celah yang semakin sempit. Pada induktor yang tidak dialiri arus untuk lebar celah yang sama mempunyai homogenitas yang hampir sama dengan induktor yang dialiri arus. Medan magnet di dalam teras untuk lebar celah 1 cm cenderung lebih homogen dibanding dengan lebar celah yang lebih besar, sedangkan di luar teras medan magnet akan menurun secara ekponensial. Bahkan pada lebar celah 4 cm dan 5