1

FEROMAGNETIK

Berdasarkan perilaku molekulnya di dalam medan magnetik luar, bahan

terdiri atas tiga kategori, yaitu paramagnetik, diamagnetik, dan feromagnetik

(antiferomagnetik dan ferrimagnetik). Sebagian besar mineral di alam bersifat

diamagnetik atau paramagnetik. Namun, ada beberapa mineral yang bersifat

feromagnetik. Mineral-mineral ini yang umumnya tergolong dalam oksida besi-

titanium, sulfide besi dan hidrooksida besi yang disebut sebagai mineral magnetik.

Dari segi kuantitas keberadaan mineral- mineral ini sangat kecil.

Tabel 1.1 Sifat magnetik dari sejumlah mineral magnetik

Mineral

Massa

Jenis (103

kg m-3)

Suseptibilitas Magnetik

Tc

(0C)

Volume (k)

(10-6 SI)

Massa (χ )

(10-8m3kg-1)

Mineral Magnetik Magnetite(Fe3O4; Ferimagnetik)

5.181.000.000-5.700.000

20.000-140.000

575-585

Hematite(Fe2O3;canted antiferomagnetik)

5.26 500-40.000 10-760 675

Maghematite(Fe2O3; ferimagnetik)

4.902.000.000-2.500.000

40.000-50.000

-600

Ilmenite(FeTiO3; antiferomagnetik)

4.722.000-

3.800.000-45-80.000 -233

Pyrite(FeS2) 5.02 35-5.000 1-100Pyrrhotite(Fe7S8; ferimagnetik)

4.62 3.200.000 69.000 320

Goethite(FeOOH; antiferomagnetik)

4.271.100-12.000

26.280 -120

Mineral non- magnetikKuarasa(SiO2) 2.65 -(13-17) -(0.5-0.6)Kalsit(CaCO3) 2.83 -(7.5-39) -(0.3-1.4)Halite(NaCl) 2.17 -(10-16) -(0.48-0.75)Galena(PbS) 7.50 -33 -0.44

Suseptibilitas magnetik adalah ukuran dasar bagaimana sifat kemagnetan

suatu bahan yang merupakan sifat magnet bahan yang ditunjukkan dengan adanya

respon terhadap induksi medan magnet yang merupakan rasio antara magnetisasi

dengan intensitas medan magnet. Dengan mengetahui nilai suseptibilitas magnetik

suatu bahan, maka dapat diketahui sifat-sifat magnetik lain dari bahan tersebut.

χm adalah suseptibilitas magnet bahan (besaran tidak berdimensi)

Ada tiga kelompok bahan menurut nilai suseptibilitas magnetnya:

1. χm < 0 : bahan diamagnetik

2. χm > 0 , namum χm << 1 : bahan paramagnetik

3. χm > 0 , dan χm >> 1 : bahan ferromagnetic

Gambar 1.1 Grafik magnetisasi bahan

1. ParamagnetikBahan paramagnetik adalah bahan - bahan yang memiliki suseptibiitas

magnetik χm yang positif dan sangat kecil. Paramagnetik muncul dalam bahan

yang atom - atomnya memiliki momen magnetik permanen yang berinteraksi satu

sama lain secara sangat lemah. Apabila tidak terdapat Medan magnetik luar,

momen magnetik ini akan berorientasi acak. Dengan daya Medan magnetik luar,

momen magnetik ini arahnya cenderung sejajar dengan medannya, tetapi ini

2

dilawan oleh kecenderungan momen untuk berorientasi acak akibat gerakan

termalnya. Perbandingan momen yang menyearahkan dengan medan ini

bergantung pada kekuatan medan dan pada temperaturnya. Pada medan magnetik

luar yang kuat pada temperatur yang Sangat rendah, hampir seluruh momen akan

disearahkan dengan medannya (Tipler, 2001).

Gambar 1.2 Arah orientasi momen dipol magnet bahan

(a). Tanpa medan magnet luar

(b). Dengan magnet luar.

Karakteristik dari bahan yang bersifat paramagnetik adalah memiliki

momen magnetik permanen yang akan cenderung menyearahkan diri sejajar

dengan arah medan magnet dan harga suseptibilitas magnetiknya berbanding

terbalik dengan suhu T. Variasi dari nilai susceptibilitas magnetik yang

berbanding terbalik dengan suhu T adalah merupakan hukum Curie

χ=NV

(gμB )2

3J ( J+1 )

k BT (1.1)

χ= N3V

μB

2 P2

k BT (1.2)

χ=CT (1.3)

Persamaan di atas adalah merupakan persamaan hukum Curie dimana T adalah

suhu pengamatan, μB adalah bilangan Bohr Magneton, N adalah jumlah atom

3

Suseptibilitas

Suhu T0

bahan, k B adalah konstanta Boltzman, C adalah tetapan Curie, P adalah bilangan

Bohr Magneton efektif, dan g adalah faktor Lande.

P=g ( J ( J+1 ) )1

2 (1.4)

g=32+1

2 [ S ( S+1−L (L+1 ))J (J+1 ) ]

(1.5)

Gambar 1.3 Grafik hubungan antara suseptibilitas magnetik terhadap temperatur T pada bahan paramagnetik (Kittel, 1996)

Sifat dari bahan dapat diketahui dengan mengetahui kandungan mineral

magnetik pada bahan tersebut. Kandungan mineral magnetik ini dapat diketahui

dengan serangkaian penelitian, salah satunya adalah dengan mengukur temperatur

curie dari bahan tersebut. Batuan merupakan bahan yang komplek, tersusun dari

lebih satu mineral magnetik. Dengan pengukuran temperatur curie, dapat

menentukan mineral magnetik yang terkandung dalam batuan.

Gambar 1.4 contoh beberapa bahan paramagnetik (memperkuat medan magnet)

2. Diamagnetik

4

Bahan diamagnetik merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas

negatif dan sangat kecil, sehingga bisa dikatakan bersifat memperlemah medan

magnet. Bahan diamagnetik terdiri atas atom-atom atau molekul-molekul yang

tidak memiliki dipol magnet permanen. Jika bahan tersebut di dalam medan

magnet, terinduksi momen dipol sedemikian rupa sehingga medan magnet di

dalam bahan Bi lebih kecil daripada medan luar B.

Sifat diamagnetik ditemukan oleh Faraday pada tahun 1846 ketika

sekeping bismuth ditolak oleh kedua kutub magnet, hal ini memperlihatkan bahwa

medan induksi dari magnet tersebut menginduksi momen magnetik pada bismuth

pada arah yang berlawanan dengan medan induksi pada magnet.

Gambar 2.1 beberapa bahan diamagnetic ( memperlemah medan magnet )

3. Feromagnetik

Feromagnetik merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas

magnetik χm positif, yang sangat tinggi atau bahan yang mempunyai momen

magnetik. Ferromagnetik memiliki elektron tidak berpasangan sehingga atom

mereka memiliki momen magnet bersih. Mereka mendapatkan magnet yang kuat

sifat mereka karena keberadaan domain magnetik. Dalam domain ini, sejumlah

besar di saat-saat atom adalah sejajar paralel sehingga gaya magnet dalam domain

yang kuat. Ketika bahan feromagnetik dalam keadaan unmagnitized, wilayah

hampir secara acak terorganisir dan medan magnet bersih untuk bagian yang

secara keseluruhan adalah nol. Ketika kekuatan magnetizing diberikan, domain

5

menjadi selaras untuk menghasilkan medan magnet yang kuat dalam bagian.

Komponen dengan materi-materi ini biasanya diperiksa dengan menggunakan

metode magnetik partikel.

Contoh bahan feromagnetik yaitu :

- Besi

- Nikel

- Kobalt

Gambar 3.1 Bahan Unmagnetized

Gambar 3.2 Bahan Magnetik

Dalam bahan ini sejumlah kecil medan magnetik luar dapat menyebabkan

derajat penyearahan yang tinggi pada momen dipol magnetik atomnya. Dalam

beberapa kasus, penyearahan ini dapat bertahan sekalipun Medan

pemagnetannnya telah hilang. Ini terjadi karena momen dipol magnetik atom dari

bahan- bahan feromagnetik ini mengerahkan gaya- gaya yang kuat pada atom

tetangganya sehingga dalam daerah ruang yang sempit momen ini disearahkan

satu sama lain sekalipun medan luarnya tidak ada lagi. Daerah ruang tempat

momen dipol magnetik disearahkan ini disebut daerah magnetik. Dalam daerah

ini, semua momen magnetik disearahkan, tetapi arah penyearahannya beragam

dari daerah ke daerah sehingga momen magnetik total dari kepingan mikroskopik

bahan feromagnetik ini adalah nol dalam keadaan normal (Tipler, 2001).

6

Gambar 3.3 Susunan teratur dari spin-spin electron Feromagnetik sederhana

Teori feromagnetik pertama kali dikemukakan oleh Pierre Weiss, yang

berkhusus pada hipotesis berikut :

1. Suatu sampel bahan feromagnetik berisi sejumlah daerah kecil yang disebut

ranah (domain), yang termagnetisasi secara spontan. Besar magnetisasi

spontan sampel bahan itu secara keseluruhan ditentukan oleh jumlah vector

dari momen-momen magnetic domain.

2. Magnetisasi masing-masing domain disebabkan oleh adanya perputaran, BE

yang cenderung menghasilkan sususan dipole-dipole atomic yang sejajar.

Medan pertukaran BE dianggap sebanding dengan magnetisasi M masing-

masing domain.

BE=λ M

Table 3.1 Sifat magnetik Bahan Ferromagnetik

MaterialPermeabilitas Awal Relatif

Permeabilitas Maksimum Relatif

Kekuatan Paksaan

(Oersteds)

Density Kepadatan

(gauss)

Besi, 99,8% murni 150 5000 1.0 13.000

Besi, 99,95% murni

10.000 200.000 0,05 13.000

78 Permalloy 8.000 100.000 0,05 7.000

Superpermalloy 100.000 1.000.000 0,002 7.000

Cobalt, 99% murni

70 250 10 10 5.000

Nikel, 99% murni 110 600 0,7 4.000

Baja, 0,9% C 50 100 70 10.300

Steel, Co 30% ... ... ... ... 240 9.500

Alnico 5 4 ... ... 575 12.500

Silmanal ... ... ... ... 6.000 550

Besi, baik bubuk ... ... ... ... 470 6.000

7

8

9

10

11

12

13

14

3.1 Magnetik Domain

Ferromagnetik mendapatkan sifat magnetik tidak hanya karena mereka

membawa atom momen magnetik tetapi juga karena bahan tersebut terdiri dari

daerah kecil yang dikenal sebagai domain magnet. Dalam setiap domain, semua

dipol atom digabungkan bersama-sama dalam arah istimewa. Keselarasan ini

berkembang sebagai bahan mengembangkan struktur kristal selama solidifikasi

dari kondisi cair. Magnetic domain dapat dideteksi

dengan menggunakan Magnetic Force Microscopy

15

(MFM) dan gambar dari domain seperti yang ditunjukkan di bawah ini dapat

dibangun.

Gambar 3.1.1 Magnet Domain pada baja karbon yang dipanaskan

Selama solidifikasi, satu triliun atau saat atom lebih selaras paralel

sehingga gaya magnet dalam domain yang kuat di satu arah. Bahan Ferromagnetik

dikatakan ditandai oleh "magnetisasi spontan" karena mereka mendapatkan

magnetisasi saturasi di setiap domain tanpa medan magnet luar diterapkan.

Meskipun domain yang magnetis jenuh, materi massal mungkin tidak

memperlihatkan tanda-tanda magnet karena domain mengembangkan diri dan

berorientasi secara acak relatif terhadap satu sama lain.

Bahan Ferromagnetik menjadi magnet ketika domain magnet dalam bahan

dan kepatuhannya. Ini dapat dilakukan dengan menempatkan bahan pada medan

magnet eksternal yang kuat atau dengan melewatkan arus listrik melalui material.

Beberapa atau semua domain bisa menjadi selaras. Lebih domain yang sesuai,

semakin kuat medan magnet dalam material. Ketika semua domain yang sesuai,

bahan dikatakan magnetis jenuh. Ketika materi secara magnetis jenuh, tidak ada

jumlah tambahan kekuatan magnetisasi eksternal akan menyebabkan peningkatan

tingkat internal magnetisasi.

Kecil daerah magnetisasi spontan, terbentuk pada temperatur di bawah

titik Curie, dikenal sebagai domain. Seperti ditunjukkan dalam ilustrasi tersebut,

domain berasal dalam rangka untuk menurunkan energi magnetik. Dalam Ver. B

terlihat bahwa dua domain akan mengurangi besarnya medan magnet luar, karena

16

garis gaya magnetik yang dipersingkat. Pada pembagian lebih lanjut, seperti,

bidang ini masih jauh berkurang.

Gambar 3.1.2 Menurunkan energi medan magnet oleh domain. (a). Garis gaya untuk domain tunggal. (b) Shortening dari garis-garis gaya dengan pembagian ke dalam dua

domain. (c). Pengurangan energi lapangan dengan pembagian lebih lanjut.

3.2 Suhu Curie

Semua ferromagnetik memiliki suhu maksimum di mana properti

feromagnetik menghilang sebagai hasil dari agitasi termal. Suhu ini disebut suhu

Curie. Suhu Curie besi adalah sekitar 1043 K. Suhu Curie memberikan gambaran

jumlah energi yang diperlukan untuk memecah jangka panjang memesan dalam

materi. Pada 1043 K energi panas adalah sekitar 0,135 eV dibandingkan menjadi

sekitar 0,04 eV pada suhu kamar.

Tabel 3.2.1 Suhu Curie beberapa bahan feromagnetik

Material Suhu Curie (K)

Fe 1043

Co 1388

Ni 627

Gd 293

Dy 85

CrBr3 37

Au2MnAl 200

Cu2MnAl 630

Cu2MnIn 500

EuO 77

EuS 16.5

MnAs 318

17

0 T

Kompleks

Tf

MnBi 670

GdCl3 2.2

Fe2B 1015

MnB 578

Pada temperatur tertentu bahan feromagnetik akan berubah menjadi bahan

paramagnetik, temperatur transisi ini dinamakan temperatur curie. Diatas

temperatur curie orientasi momen magnetik akan menjadi acak, dan suseptibilitas

magnetiknya diberikan oleh persamaan:

χ= CT−T f (3.2.1)

Dimana C adalah tetapan Curie dan Tf adalah temperatur Curie. Persamaan 3.2.1

merupakan hukum Curie- Weiss, besar tetapan Curie adalah

C=T f

λ (3.2.2)

C=μ0 N ( gμB)

2

kB (3.2.3)

Dimana λ adalah konstanta Weiss yang besarnya

λ=−k BT f

μ0 N (gμB)2 (3.2.4)

18

Gambar 3.2.1 Grafik hubungan antara magnetik terhadap temperatur T

pada bahan feromagnetik (Kittel, 1996)

3.3 Permeabilitas

Seperti telah disebutkan sebelumnya, permeabilitas adalah properti materi

yang menggambarkan kemudahan dengan fluks magnetik yang didirikan di suatu

komponen. Ini adalah rasio kepadatan fluks untuk gaya magnetizing dan diwakili

oleh persamaan berikut:

m = B/H

Jelas bahwa persamaan ini menggambarkan kemiringan kurva pada setiap

titik pada hysteresis loop. Nilai permeabilitas diberikan dalam kertas dan bahan

referensi biasanya permeabilitas maksimum atau permeabilitas relatif maksimum.

Permeabilitas maksimum adalah titik di mana kemiringan H / kurva B untuk

material unmagnetized adalah terbesar. Hal ini sering diambil sebagai titik di

mana garis lurus dari titik asal

bersinggungan dengan H / kurva B.

Permeabilitas relatif tiba di dengan mengambil rasio permeabilitas bahan

yang ke permeabilitas dalam ruang kosong (udara).

19

Bentuk hysteresis loop bercerita banyak tentang bahan yang magnet.

Kurva histeresis dari dua material yang berbeda akan ditampilkan dalam grafik.

Sehubungan dengan bahan lain,

bahan dengan hysteresis loop yang

lebih luas memiliki:

Permeabilitas rendah

Tinggi Retentivity

Tinggi koersivitas

Keengganan Tinggi

Sisa Magnit Tinggi

Sehubungan dengan bahan lain,

bahan dengan hysteresis loop

sempit memiliki:

Permeabilitas Tinggi

Lower Retentivity

Lower koersivitas

Keengganan Bawah

Sisa Magnit rendah.

Dalam pengujian partikel magnetik, tingkat magnet residual adalah

penting. Sisa medan magnet dipengaruhi oleh permeabilitas, yang dapat

berhubungan dengan kadar karbon dan paduan material. Sebuah komponen

dengan kandungan karbon yang tinggi akan memiliki permeabilitas rendah dan

akan mempertahankan fluks magnet lebih dari bahan dengan kandungan karbon

yang rendah.

3.3.1 The Loop histeresis dan Magnetik Properties

Sebagian besar informasi dapat belajar tentang sifat-sifat magnetik

material dengan mempelajari hysteresis loop nya. Sebuah hysteresis loop

menunjukkan hubungan antara kepadatan fluks induksi magnet (B) dan gaya

20

magnetizing (H). Hal ini sering disebut sebagai BH loop. An Sebuah contoh

hysteresis loop ditampilkan di bawah.

Loop yang dihasilkan dengan mengukur fluks magnetik bahan

ferromagnetic sedangkan gaya magnetizing berubah. Suatu bahan feromagnetik

yang belum pernah dilakukan sebelumnya magnet atau telah sepenuhnya

demagnetized akan mengikuti garis putus-putus sebagai H meningkat. Sebagai

baris menunjukkan, semakin besar jumlah saat ini diterapkan (H +), semakin kuat

medan magnet dalam komponen (B +). Pada titik "a" hampir semua domain

magnetik adalah selaras dan peningkatan tambahan dalam angkatan magnetizing

akan menghasilkan peningkatan yang sangat sedikit di fluks magnetic. Ketika H

adalah nol, kurva akan bergerak dari titik "" untuk titik "b. Pada titik ini, dapat

dilihat bahwa beberapa fluks magnetik tetap dalam materi meskipun gaya

magnetizing adalah nol. Hal ini disebut sebagai titik retentivity pada grafik dan

menunjukkan remanen atau tingkat magnetisme sisa dalam bahan. (Beberapa

domain magnetik tetap selaras tetapi beberapa telah kehilangan keselarasan

mereka kekuatan.) Sebagai magnetizing dibalik, kurva bergerak ke titik "c", di

mana fluks telah dikurangi menjadi nol. Ini disebut titik koersivitas pada kurva.

(Gaya magnetizing terbalik memiliki cukup membalik domain sehingga fluks

21

bersih dalam bahan material adalah nol.) Gaya yang dibutuhkan untuk menghapus

sisa daya tarik dari disebut gaya koersif atau koersivitas material.

Sebagai kekuatan magnetizing meningkat pada arah negatif, material lagi

akan menjadi magnetis jenuh tetapi dalam arah yang berlawanan (titik "d").

Reducing . Mengurangi H ke nol membawa kurva ke titik "e." . Ini akan memiliki

tingkat residu magnet sama dengan yang dicapai ke arah lain. Meningkatkan H

kembali pada arah yang positif akan kembali B ke nol. Perhatikan bahwa kurva

tidak kembali ke asal usul grafik karena beberapa gaya yang dibutuhkan untuk

menghapus sisa magnetisme. Kurva akan mengambil jalan yang berbeda dari titik

"f" kembali ke titik jenuh dimana dengan lengkap loop.

Dari loop histeresis, sejumlah sifat magnet utama bahan dapat ditentukan.

1. Retentivity - Sebuah ukuran kepadatan fluks sisa sesuai dengan induksi

saturasi bahan magnet. Dengan kata lain, adalah materi kemampuan untuk

mempertahankan sejumlah medan magnet sisa ketika gaya magnetizing

dihapus setelah mencapai kejenuhan (Dengan nilai B di b titik pada kurva

histeresis.)

2. Sisa Magnit atau Sisa Fluks - kepadatan fluks magnetik itu tetap berada

di material ketika gaya magnetizing adalah nol. Perhatikan bahwa magnet

sisa dan retentivity adalah sama ketika materi telah magnet ke titik jenuh.

Namun, tingkat daya tarik sisa mungkin lebih rendah dari nilai retentivity

ketika gaya magnetizing tidak mencapai tingkat kejenuhan.

3. Memaksa Force - Jumlah reverse medan magnet yang harus diterapkan

untuk bahan magnetik untuk membuat kembali fluks magnetik ke nol.

(Nilai c H di titik pada kurva histeresis.)

4. Permeabilitas, m - A milik dari bahan yang menggambarkan kemudahan

dengan fluks magnet yang didirikan di komponen.

5. Keengganan - Apakah oposisi bahwa bahan feromagnetik menunjukkan

untuk pembentukan medan magnet. Keengganan analog dengan resistensi

dalam sebuah sirkuit listrik.

3.4 Aplikasi Feromagnetik

3.4.1 Elektromagnet

22

Elektromagnet biasanya dalam bentuk inti besi solenoida . Feromagnetik

milik inti besi penyebab internal domain magnetik besi untuk berbaris dengan

lebih kecil mengemudi medan magnet dihasilkan oleh arus dalam solenoida.

Efeknya adalah perkalian medan magnet oleh faktor-faktor dari puluhan bahkan

ribuan. Solenoida bidang hubungan adalah

Dan k adalah permeabilitas relatif dari besi itu, menunjukkan efek pembesar dari

inti besi.

23

24

25

26

27

Gambar 3.4.1 Elektromagnetik

3.4.2 TransformatorSebuah transformator memanfaatkan Hukum Faraday dan feromagnetik

sifat dari inti besi untuk efisien meningkatkan atau menurunkan tegangan AC. Ini

tentu saja tidak dapat meningkatkan daya sehingga jika tegangan dinaikkan,

arusnya diturunkan secara proporsional dan sebaliknya.

Gambar 3.4.2 Pembentukan transformator dan perhitungan

Transformator dan Hukum Faraday

28

Gambar 3.4.3 Transformator dan penerapan hukum Farady

DAFTAR PUSTAKA

Tipler. (2001). Fisika Teknik, Erlangga : Jakarta.

Kittel, C. (1996). Pengantar Fisika Solid State, New York : Wiley.

Departemen Sains Material. (2008). Feromagnetisme, Wikipedia.

Glen, A. (1998). Daya Tarik .Inggris : Hyperbook Fisika. Retrieved 5 Mei 2010

dari http://id.hyperbookfisika//dayatarik.id.org

Halaman website :

www.wikipedia//feromagnetisme.com

www.wikipedia//feromagnetisme/bahan.com

www.answer.com

www.hyperteksbook//fisika/dayatarik.com

29

30