Mengukur Medan Magnet Bumi dengan Kumparan Berputar
Khusnul Khatimah, Reski Aulia Imran, Rifqah B, Jumaing
Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPAUniversitas
Negeri Makassar
Abstrak. Telah dilakukan praktikum Mengukur Medan Magnet Bumi
dengan Kumparan Berputar. Dengan tujuan untuk menentukan komponen
medan magnet bumi (Bz) dan menetukan sudut inklinasi medan magnet
bumi (). Kumparan yang digunakan yaitu kumparan Helmholtz dengan
jumlah lilitan 320 dan besar jari-jarinya 0.0675 m. Pengumpulan
data dilakukan dengan melihat hubungan Antara periode (s) dengan
amplitudo tegangan induksi (mV) untuk masing-masing komponen baik
pada sumbu x, y, dan z dimana batas pengukurannya yaitu 20 s dengan
rentang tegangannya yaitu -1 mV,.., 1m V . Untuk komponen medan
magnet dalam arah x sebesar 0,329 ,dalam arah rotasi sumbu y
sebesar 0,205 dan dalam arah sumbuh z sebesar 0,235 dan sudut
inklinasi diperoleh sebesar 57,40o. Sesuai dengan hasil yang
diperoleh maka disimpulkan bahwa nilai medan magnet berbeda-beda
pada setiap sumbu rotasi bumi. Berdasarkan hasil analisis data
diperoleh BT = .
KATA KUNCI : Kumparan Helmholtz, Medan Magnet Bumi, Tegangan
Induksi, Sudut Inklinasi. PENDAHULUAN
Bumi merupakan medan magnet yang luar biasa besarnya dan
karenanya jarum kompas selalu menunjuk ke arah utara dan selatan
kutub magnet bumi.Kutub utara medan magnet bumi terdapat di kutub
selatan geografi bumi sedangkan kutub selatan medan magnet bumi
terdapat di bagian kutub utara bumi. Namun kompas tidak tepat
menghadap ke utara geografi bumi karena ada perbedaan letak poros
utara bumi dengan poros kutub selatan magnet. Perbedaan atau sudut
penyimpangan antara keduannya dinamakan sudut deklinasi. Untuk
sudut kemiringan medan magnet bumi juga dikenal dengan istilah
sudut inklinasi. Di kutub magnet inklinasi seharusnya 900 (sudut
antara bidang horizontal dengan jarum kompas, positif bila jarum
kompas penunjuk utara mengarah ke bawah dan negatif bila mengarah
ke atas) namun kenyataannya tidak mencapai 900 di kutub tadi. Hal
ini terjadi karena di dalam bumi masih ada 11 magnet lain yang
mempengaruhinya. Kutub magnet lain yang disebut dip pole, ditemukan
tahun 1960 di 750 LU 1010 BB dan 670 LS 1430 BT.Penelitian medan
magnet bumi menunjukkan penyimpangan karena mineral penyusun batuan
ada yang bersifat magnet seperti Magnetit (Fe3O4), Hematit (Fe2O3),
Ilmenit (FeTiO3) dan Pyrrhotit (Fe2-xS). Atom-atom dalam mineral
tersebut tersusun geometris dimana orbit individual dan kisaran
elektron diarahkan lewat suatu zone kecil tertentu berdiameter
beberapa mikron dan dikenal sebagai magnetic domain, menyebabkan
mineral tersebut bersifat magnetis. Kekuatan kemagnetannya
tergantung pada proporsi kisaran elektronnya yang searah atau
terbalik satu sama lain. Magnetit dan pyrrhotit memiliki kemagnetan
kuat karena elektron-elektronnya searah, sedang hematit dan ilmenit
kekuatannya lemah karena elektron sekitarnya cenderung arahnya
terbalik. Pada temperatur diatas temperatur Curie/temperatur kritis
(550-6000C) gerak-gerak atom begitu besar sehingga magnetic
domeinnya tidak ada dan berakibat sifat kemagnetannya hilang.
Ketika temperatur turun di bawah temperatur kritis tersebut maka
arahnya diatur lagi oleh pengaruh medan magnet bumi.Eksperimen
pengukuran medan magnet bumi dengan kumparan berputar dilakukan
pada tiga arah sumbu rotasi. Perekaman data eksperimen tengangan
induksi sebagai fungsi waktu dilakukan oleh komputer dengan sistem
operasi Windows 2000 atau di atasnya[3].
TEORI
Terdapat penemuan menarik mengenai medan magnet bumi. Telah
ditemukan bahwa arah medan magnet bumi telah berubah beberapa kali
dalam jutaan tahun ini. Bukti dari hal ini diperoleh dari basalt,
jenis batuan yang mengandung besi dan terbentuk dari bahan yang
dihasilkan dari aktivitas vulkanik di dasar laut. Ketika lava
mendingin, lava tersebut memadat dan di dalamnya tersimpan bentuk
dari arah medan magnet bumi. Batuan tersebut kemudian diukur
usianya untuk menandai periode waktu perubahan dari medan magnet
bumi[2].Pada tahun 1830 sampai 1842, Karl Frederick Gauss melakukan
pengamatan secara detail terhadap medan magnet bumi. Dia
menyimpulkan bahwa sumber medan magnet bumi berasal dari dalam
bumi. Dia juga menyatakan bahwa medan magnet bumi juga memiliki
hubungan erat dengan perputaran bumi karena kutub magnet bumi dekat
dengan sumbu putaran bumi[3].Selain poros medan magnet bumi yang
sering berpindah-pindah. Dalam sejarah terbentuknya bumi telah
terjadi beberapa kali pembalikan kutub bumi dimana utara menjadi
selatan dan selatan menjadi utara. Sejak 160 Juta tahun yang lalu
sudah terjadi ratusan kali pembalikan kutub magnet. Walaupun sudah
terjadi ratusan kali, pembalikan kutub magnet ini tidak menunjukkan
pola perulangan tertentu sehingga sulit untuk memprediksi kapan
kutub magnet akan terbalik lagi. Pada tahun 1927, serorang ilmuwan
Belanda Jacob Clay menemukan bukti bahwa radiasi kosmis primer
dipengaruhi oleh medan magnet bumi. Dalam perjalanan udaranya
menuju Indonesia, dia menemukan bahwa intensitas radiasi kosmis
berkurang pada saat mendekati ekuator medan magnet bumi. Medan
magnet bumi yang berasal dari dalam bumi membentang hingga jauh ke
luar angkasa. Medan magnet membentuk perisai tidak kasat mata yang
disebut magnetosfer. Perisai ini melindungi kita dari dahsyatnya
radiasi kosmis dan bahaya-bahaya yang berasal dari Matahari. Bahaya
ini mencakupbadai Matahari (yang berupa aliran terus menerus
partikel bermuatan listrik), ledakan Matahari(yang dalam beberapa
menit dapat melepaskan energi setara dengan miliaran bom Hidrogen),
danpelontaran massa korona/Coronal Mass Ejections.Garis-garis gaya
magnet bumi yang membentang jauh ke angkasa, menangkap
partikel-partikel bermuatan yang bergerak melingkari garis-garis
gaya magnet. Karena garis-garis ini paling banyak berada di daerah
kutub, maka pada daerah inilah partikel bermuatan listrik menembus
ke dalam atmosfer bumi dan menyebabkan suatu pertunjukkan alam yang
disebut cahaya kutub atau aurora)[4].Tinjau sebuah kumparan induksi
dengan jumlah lilitan N dan luas penampang . Bila kumparan tersebut
diputar dengan kecepatan sudut di dalam medan magnet homogen B,
diameter d, kumparan sebagai sumbu, maka timbul fluks magnetik
sebesar: (1)
Dengan menggunakan waktu revolusi nilai puncak dari iinduksi AC
diberikan oleh
(2)Dengan (3)
Bila rotasi kumparan diarahkan ke sumbu z, amplitudo tegangan
diberikan oleh
(4)
Nilai ini diinduksikan ke dalam medan magnetik bumi;
(5)
Karena alasan simetri, beraku pada;
(6)
(7)
Selanjutnya dengan menggunakan persamaan (5), (6), dan (7)
diperoleh komponen medan magnetik bumi;
(8)
(9)
(10)
Sudut dari arah medan magnet bumi diperoleh dari persamaan;
(11)Persamaan di atas benar secara matematika, nilai akar
kemungkinan akan negatif bila pengukuran dilakukan di sekitar
khatulistiwa[3].
METODOLOGI EKSPERIMENEksperimen ini dilakukan menggunakan
Komponen alat sebagai berikut: Sepasang kumparan Helmholtz, sensor
CASSY, MV_box, Cassy Lab, kabel penghubung 2,5 mm2, 200 cm warna
merah dan biru, eksperimen motor, kontrol unit untuk eksperimen
motor serta PC dengan Windows 2000 ke atas. Hal pertama yang
dilakukan pada percobaan ini adalah memastikan bahwa seluruh
komponen alat telah terpasang seperti pada gambar berikut:
Gambar 1. Susunan peralatan eksperimen Langkah selanjutnya
menghubungkan seluruh komponen alat ke sumber tegangan PLN termasuk
komputer. Kemudian meng-klik ikon CASSY pada komputer, setelah itu
akan muncul tampilan menu CASSY. Lalu mengatur rentang tegangan
antara -1 mV-1mV dan batas waktu pengukuran 20 sekon. Menghidupkan
motor, lalu menaikkan kecepatannya perlahan-lahan mendekati 0,3
rev/s. Mengatur 2 kabel penghubung berwarna merah dan biru yang
akan melilit eksperimen motor dan memastikan kabel tersebut tidak
sampai pada ujungnya. Selanjutnya melakukan perekaman data
eksperimen tegangan induksi sebagai fungsi waktu dengan menekan F9
pada keyboard atau pilih measurement pada menu CASSY. Untuk setiap
perekaman data selesai maka dilakukan proses penyimpanan data
dengan cara memilih save pada menu file. Adapun proses perekaman
dilakukan 5 kali untuk setiap dimensinya, dimana perekaman data
dilakukan pada 3 dimensi ruang yaitu x, y, dan z.
HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA DATAPengukuran medan magnet pada
sumbu x, sumbu y, dan sumbu z dengan menggunakan kumparan Helmholtz
menunjukkan data sebagai berikut :
Tabel.Hasil Pengamatan Hubungan antara periode (s) dengan
amplitudo tegangan induksi (mV) pada sumbu X, Y, dan Z.Vx (mV)Vy
(mV)Vz (mV)T
(s)0.119-0.127-0.3600.205-0.205-0.2740.10.26-0.263-0.180.20.307-0.312-0.0710.30.321-0.3370.0340.40.318-0.3340.1560.50.301-0.3160.2510.60.255-0.2610.3360.70.202-0.1920.3990.80.126-0.1020.4330.90.046-0.0130.4431-0.0390.0780.4081.1-0.1190.1580.3581.2-0.1990.2310.2741.3-0.2470.280.1821.4-0.2940.3160.071.5-0.3080.33-0.0361.6-0.3040.332-0.1531.7-0.2840.309-0.2481.8-0.2370.262-0.3361.9-0.1850.2-0.3932-0.1160.115-0.4272.1-0.0370.032-0.4292.20.051-0.06-0.3892.30.126-0.14-0.3362.40.207-0.21-0.2522.50.259-0.264-0.1632.60.304-0.304-0.0542.70.317-0.3180.0522.80.317-0.320.1632.90.3-0.2980.2630.25-0.2510.3483.10.195-0.1920.43.20.125-0.1070.4313.30.05-0.0210.4333.4-0.0390.0690.4043.5-0.1170.1510.3483.6-0.1950.2260.2643.7-0.2470.2770.1713.8-0.2960.3170.0583.9-0.3090.332-0.0514-0.3020.333-0.1664.1-0.2840.315-0.2584.2-0.2360.267-0.3484.3-0.1860.207-0.3964.4-0.1160.122-0.4224.5-0.040.038-0.4174.60.047-0.053-0.3834.70.126-0.132-0.3264.80.207-0.209-0.2454.90.258-0.265-0.15550.303-0.305-0.055.10.317-0.3210.0595.20.315-0.320.1755.30.296-0.3020.2685.40.248-0.2560.3555.50.195-0.1960.4025.60.126-0.1160.4375.70.049-0.0320.4375.8-0.0360.0550.3985.9-0.1160.1350.3426-0.1930.2110.2566.1-0.2450.2670.1616.2-0.2910.3090.056.3-0.3070.327-0.0586.4-0.3020.333-0.1716.5-0.2860.316-0.2596.6-0.2390.269-0.3436.7-0.1880.21-0.3916.8-0.1170.131-0.4236.9-0.040.05-0.42270.047-0.033-0.3897.10.126-0.113-0.3317.20.203-0.193-0.2477.30.253-0.251-0.1567.40.301-0.297-0.0447.50.319-0.320.0587.60.313-0.3270.1727.70.296-0.3120.2647.80.247-0.2610.357.90.198-0.2020.39280.127-0.120.4248.10.048-0.0430.4318.2-0.0370.0410.4028.3-0.1120.1280.3438.4-0.1910.2060.2618.5-0.2430.2620.1688.6-0.2920.3090.0628.7-0.3050.336-0.0418.8-0.30.338-0.1558.9-0.280.326-0.2499-0.2360.28-0.3379.1-0.1910.226-0.399.2-0.120.149-0.4269.3-0.0480.069-0.4229.40.037-0.015-0.3949.50.117-0.099-0.349.60.195-0.167-0.2599.70.249-0.226-0.1689.80.296-0.279-0.0579.90.313-0.3150.045100.309-0.3150.16110.10.294-0.3160.25910.20.25-0.2820.34510.30.206-0.2320.39310.40.139-0.1650.42510.50.064-0.080.43710.6-0.0130.0070.40510.7-0.0880.0930.35110.8-0.1680.1690.26910.9-0.2230.2360.17711-0.2670.2830.06511.1-0.3030.315-0.03911.2-0.2960.328-0.15811.3-0.2840.327-0.24711.4-0.250.299-0.33611.5-0.210.246-0.38911.6-0.1610.185-0.42411.7-0.0860.108-0.42811.8-0.0080.029-0.39611.90.076-0.056-0.342120.153-0.145-0.25812.10.221-0.213-0.16312.20.266-0.265-0.05312.30.306-0.3090.05212.40.312-0.3180.16812.50.311-0.320.25812.60.28-0.2980.33412.70.233-0.2510.38712.80.176-0.1920.42612.90.102-0.1080.427130.024-0.0210.38513.1-0.060.0670.35113.2-0.1370.1470.27313.3-0.2090.220.18613.4-0.2560.2710.07913.5-0.2970.313-0.02613.6-0.3010.329-0.13913.7-0.30.326-0.23313.8-0.2730.303-0.31913.9-0.2290.262-0.38114-0.1680.209-0.4114.1-0.0910.132-0.42414.2-0.0260.048-0.40214.30.061-0.039-0.35714.40.139-0.118-0.27614.50.215-0.193-0.18614.60.263-0.252-0.07514.70.308-0.2990.02814.80.316-0.3190.14314.90.313-0.3230.242150.288-0.310.33415.10.24-0.2610.39715.20.184-0.2040.43315.30.11-0.1240.44115.40.034-0.0430.40515.5-0.050.0470.35415.6-0.130.1320.26815.7-0.2050.2070.18815.8-0.2520.260.08315.9-0.2970.307-0.01916-0.3060.325-0.13316.1-0.3030.319-0.22916.2-0.2770.314-0.31416.3-0.230.277-0.37516.4-0.1720.225-0.41116.5-0.1030.145-0.41916.6-0.0310.063-0.38816.70.049-0.026-0.36216.80.12-0.107-0.28416.90.198-0.18-0.195170.25-0.239-0.08817.10.294-0.2890.01917.20.31-0.3160.13317.30.304-0.3170.23217.40.292-0.3040.32217.50.246-0.2650.39417.60.203-0.2230.42517.70.133-0.1520.4217.80.061-0.070.417.9-0.0190.0150.35318-0.0940.1010.29218.1-0.1760.1780.21518.2-0.2350.2450.10818.3-0.2730.2960.01218.4-0.3010.33-0.08918.5-0.2980.336-0.19118.6-0.2920.332-0.27618.7-0.2550.292-0.36218.8-0.2030.241-0.40218.9-0.1390.169-0.43319-0.0690.084-0.41619.10.0110.001-0.3819.20.088-0.086-0.30919.30.167-0.164-0.22419.40.234-0.228-0.12119.50.277-0.278-0.01319.60.312-0.3160.09719.70.308-0.3190.20519.80.306-0.3130.29919.90.269-0.2810.3820
Grafik 1. Grafik hubungan antara amplitudo tegangan induksi (mV)
dengan periode (s) pada sumbu X.
Grafik 2. Grafik hubungan antara amplitudo tegangan induksi (mV)
dengan periode (s) pada sumbu Y.
Grafik 3. Grafik hubungan antara amplitudo tegangan induksi (mV)
dengan periode (s) pada sumbu Z.
Analisis dataN = 320 lilitanR = 0,0675 mNilai amplitudo tegangan
dan priode padasumbu XV1 = 0,301 mVV2 = 0,313 mVV3 = 0,316 mVV4 =
0,309 mVVx = = 0,309 mVT1 = 0,6 sT2 = 7,8 sTx = T2 T1= 7,8s 0,6s=
7,2ssumbu YV1 = 0,332 mVV2 = 0,326 mVV3 = 0,315 mVV4 = 0,309 mVVy =
= 0,320 mVT1 = 18,7 sT2 = 9,0 sTy = T2 T1= 9,0 s 18,7 s = -9 ssumbu
ZV1 = 0,433 mVV2 = 0,443 mVV3 = 0,437 mVV4 = 0,433 mVVz = = 0,436
mVT1 = 15,3 sT2 = 1 sTz = T2 T1= 1 s 15,3 s= -14,3 sNilai a
untukSumbu Xa = = = 1,271 Sumbu Ya = = = -1,017
Sumbu Za = = = -0,640 Kuat medan magnet padaSumbu XBx = =
= 0,329 Sumbu YBy = = = 0,205 Sumbu ZBz = = = 0,235 Sehingga
total kuat medan magnet bumi
Sudut arah medan magnet bumi (sudut inklinasi) Tan = =
PEMBAHASAN
Pada percobaan kali ini kita melakukan pengukuran kuat medan
magnet bumi dengan kumparan berputar, dimana kumparan berputar yang
dimaksud adalah kumparan Helmholtz. Fungsi dari kumparan Helmholtz
ini yaitu untuk menstabilkan kuat medan magnet di sekitar medannya.
Kumparan Helmholtz ini diarahkan pada masing-masing komponen yaitu
sumbu x,y dan z gunanya untuk menentukan kuat medan magnet bumi di
setiap komponen dimana data yang diperoleh akan terbaca pada CASSY
lab. Data yang terbaca tersebut berupa besarnya amplitudo tegangan
induksi berdasarkan fungsi waktu, karena dari sinilah sehingga kuat
medan magnet bumi dapat ditentukan. Berdasarkan analisis data
diketahui bahwa besarnya kuat medan magnet bumi pada sumbu x yaitu
0,329 T, pada sumbu y yaitu 0,205 T dan pada sumbu z yaitu 0,235 T,
sedang besar kuat medan magnet secara kesulurahan yaitu 0,205 T.
dengan sudut inklinasi medan magnet sebesar 57,40o, secara teori
sudut inklinasi berbeda dengan apa yang diperoleh, hal ini
disebabkan karena posisi kita di bumi pada saat melakukan pengukura
itu mempengaruhi hal tersebut sehingga sudut inklinasi yang
didapatkan pun berbeda.
SIMPULAN
Berdasarkan hasil data eksperimen, disimpulkan bahwa besar
komponen medan magnet magnet bumi pada sumbu x yaitu 0,329 T, pada
sumbu y yaitu 0,205 T dan pada sumbu z yaitu 0,235 T, sedang besar
kuat medan magnet secara kesulurahan yaitu 0,235 T. Selain itu
sudut inklinasi medan magnet bumi yang diperoleh sebesar
REFERENSI
[1]Mukhlis Akhadi dan Hasnel Sofyan, 1999. Medan Magnet Bumi.
Buletin ALARA. Jakarta
[2]Serway, RA. dan Jewett, JW.2010. Fisika untuk Sains dan
Teknik. Salemba Teknika. Jakarta
[3]Subaer, dkk. 2013. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I
Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.
[4]Telford, W.M., Geldart, L.p., and. Sheriff R.E. 1998. Applied
Geophysics Second Edition. Cambridge
