SIFAT DAN KLASIFIKASI BAHAN MAGNET

SIFAT BAHAN MAGNETIK

Walaupun hasil kuantitatif yang cermat hanya dapat diramalkan melalui pemakaian teori kuantum, model atom yang sederhana yang berdasarkan anggapan bahwa ada pusat inti postif yang dikelilingi elektron dalam berbagai orbit lingkaran bisa menghasilkan kuantitas kuantitatif yang cukup cermat dan menyajikan teori kualitatif yang memuaskan. Sebuah elektron dalam orbitnya serupa dengan sebuah sosok arus kecil (arusnya berlawanan arah dengan arah gerak elektron) dan dapat mengalami torka dalam medan magnetik eksternal, torka ini cendrung untuk menjajarkan medan magnetik yang ditimbulkan oleh elektron dengan medan magnetik eksternal. Jika kita tidak meninjau momen magnetik lainnya, kita dapat menyimpulkan bahwa semua elektron yang berorbit dalam bahan akan bergeser sedemikian rupa sehingga akan menambahkan medan magnetiknya pada medan magnetik yang kita pasang dan karenanya dan medan magnetik resultan pada setiap titik dalam bahan tersebut menjadi lebih besar daripada yang akan terjadi pada titik tersebut jika bahan tersebut tidak ada.

Momen tang lainnya (yang kedua) timbul dari spin elektron. Walaupunkita digoda untuk menerangkan gejala ini dengan model yang menggambarka elektron yang berspin (berpusing) disekitar sumbunya sendiri sehingga menimbulkan momen dwikutub magnetik, hasil kuantitatif yang memuaskan tidak dapat diperoleh dari teori semacam itu. Sebagai gantinya kita perlu mencernakannya melalui matematika teori kuantum relativistik untuk menunjukkan bahwa elektron dapat mempunya momen magnetik spin sekitar , tanda menyatakan bahwa penjajaran yang mungkin sesuai atau berlawanan dengan medan magnetik luar. Dalam atom yang mempunyai banyak elektron, yang memberi kontribusi pada momen magnetik atom hanyalah spin elektron dalam kulit yang tidak lengkap.Gb. 9.7 Elektron yang mengorbit ditunjukkan dalam gambar mempunyai momen magnetik m yang arahnya sama dengan arah medan B0 yang kita pasangKontribusi ketiga pada momen sebuah atom ditimbulkan oleh spin nuklir, tetapi pengaruh dari faktor ini biasanya dapat diabaikan dan disini kita tidak akan meninjaunya lebih lanjut.

Jadi tiap atom mengandung banyak momen komponen yang berbeda-beda, dan kombinasinya menentukan karakteristik magnetik dari bahan tersebut dan menyajikan cara untuk melakukan klasifikasi magnetik yang umum. Kita akan membahas secara singkat enam jenis bahan magnetik yaitu:

Bahan Diamagnetik;

Bahan Paramagneik;

Bahan Feromagnetik;

Bahan Antiferomagnetik;

Bahan Ferimagnetik dan;

Bahan superparamagnetik.

Marilah mula-mula kita tinjau atom dengan medan magnetik yang kecil yang ditimbulkan oleh gerak elektron pada orbitnya digabungkan dengan medan magnetik yang ditimbulkan oleh spin elektronnya dan menghasilkan medan neto nol.

Perhatikan bahwa disini kita meninjau medan yang ditimbulkan oleh gerak elektron itu sendiri tanpa ada medan magnetik luar; kita dapat juga mengatakan bahwa bahan ini terdiri dari atom yang momen magnetik permanennya m0 sama dengan nol untuk masing-masing atom. Bahan separti itu disebut bahan diamagnetik. Karakteristik BAHAN DIAMAGNETIK Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya adalah nol.

Jika solenoida dirnasukkan bahan ini, induksi magnetik yang timbul lebih kecil.

Permeabilitas bahan ini:((o.Contoh:aluminium, magnesium, wolfram, platina, kayu

Keepat kelas bahan lainnya: feromagnetik, antiferomagnetik, ferimagnetik, dan superparamagnetik, semuanya memiliki momen atomik yang kuat. Lagipula interaksi antar atom yang berdekatan menimbulkan penjajaran momen magnetik dari atom-atom tersebut sehingga berarah sejajar atau antisejajar.

Dalam bahan feromagnetik masing-masing atom memiliki momen dwikutub yang relatif besar, yang terutama ditimbulkan oleh momen spin elektron yang tak terpampas. Gaya antar atom menyebabkan momen ini mempunyai arah yang sejajar dalam suatu daerah yang terdiri dari banyak atom. Daerah ini disebut domain, dan bentuk serta ukurannya dapat bermacam-macam bekisar dari ukuran satu mikrometer ampai beberapa sentimeter, bergantung dari ukuran, bentuk, bahan, dan sejarah magnetik dari sampel yang ditinjau. Bahan feromagnetik yang sebelumnya terjamahmemiliki domain yang momen magnetiknya kuat; tetapi momen domain ini mempunyai arah yang berbeda-bada dari suatu domain ke domain lainnya. Jika dilihat efek keseluruhannya maka diantara mereka terjadi saling-meniadakan, sehingga bahan tersebut secara keseluruhan tidak mempunyai bahan momen magnetik. Dalam medan magnetik yang kita pasang maka domain yang memiliki momen magnetik searah dengan medan yang terpasang ukurannya akan bertambah sedangkan ukuran tegangannya akan berkurang, sehingga medan magnetik internalnya menjadi bertambah besar dan melebihi medan eksternalnya. Jika medan eksternal kita tiadakan, maka penjajaran domain yang rambang tidak terjadi, tetapi masih ada tinggalan atau residual madan dwikutub dalam struktur makroskopik. Keadaan dengan momen magnetik bahan itu berbeda setelah medan luarnya ditiadakan, atau keadaan magnetik bahan marupakan fungsi dari sejarah magnetik, disebut histeresis.

Untuk bahan ferromagnetik, sesudah mencapai saturasi ketika intensitas magnet H diperkecil hingga mencapai H = 0, ternyata kurva B tidak meewati 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.

Pada gambar 3 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 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 histeresin. Bahan yang mempunyai koersivitas tinggi kemagnetannya tidak mudah hilang. Bahan seperti itu membuat magnet permanen.

Bahan feromagnetik dalam kristal tunggal tidak isotropik, hingga kita akan membatasi pembahasan kita pada bahan polikristal, kecuali untuk menerangkan sedikit bahwa sifat dari bahan magnetik yang tidak isotropik timbul sebagai mangetostrisi, atau gejala perubahan ukuran bahan magnetik dalam medan magnetik eksternal.

Unsur-unsur yang bersifat feromagnetik pada temperatur kamar ialah besi, nikel, dan kobalt, dan bahan-bahan itu kehilangan watak feromagnetiknya diatas suatu temperatur yang disebut temperatur Curie. Temperatur curie untuk besi adalah 1043 K. Beberapa paduan logam ini satu dengan yang lainnya atau dengan logam lainya juga bersifat feromagnetik, cotohnya alniko, suatu paduan aluminium nikel dan kobalt dengan sedikit tembaga. Pada temperatur yang lebih rendah beberapa unsur tanah yang jarang ditemu seperti gadolinium dan disprosium bersifat fero magnetik. Juga sangat menarik untuk disebutkan disini bahwa beberapa paduan logam nonferomagnetik dapat bersifat feromagnetik, misalnya bismuth- mangan dan tembaga-mangan-timah.

Dalam bahan antiferomagnetik gaya antara atom-atom yang bertetangga menyebabkan momen atomik berbasis dalam pasangan antisejajar ( anti paralel). Momen magnetik netonya nol, dan bahan antiferomagnetik hanya dipengaruhi sedikit oleh adanya medan magnetik eksternal. Efek seperti ini mula-mula ditemukan dalam oksida mangan, kemudian beberapa ratus bahan antiferomagnetik lainnya telah ditemukan. Banyak oksida, sulfida, dan klorida termasuk dalam kelompok ini, misalnya oksida nikel (NiO), sulfida fero (FeS), dan klorida kobalt (CoCl 2). Antiferomagnetisme hanya ada pada temperatur yang relatif rendah, seringkali pada temperatur yang jauh lebih rendah dari temperatur kamar. Efek ini belum termasuk efek yang penting dalam bidang keinsinyuran (teknik) pada saat ini.

Bahan ferimagnetik juga menunjukkan arah yang antisejajar dari momen atomik yang bertetangga, tetapi momennya tidak sama. Akibatnya ialah bahan ini mempunyai tanggap (respons) yang besar terhadap medan magnetik eksternal, walaupun tidak sebesar bahan feromagnetik. Kelompok terpenting bahan ferimagnetik ialah ferit yang mempunyai konduktifitas yang rendah, beberapa orde lebih rendah daripada semikonduktor. Kenyataan bahwa bahan ini mempunyai resistansi yang lebih besar dari bahan feromgnetik mengakibatkan timbulnya arus induksi yang jauh lebih kecil jika kita pasang medan bolak-balik (medan bersemilih) eperti dalam teras transformator yang bekerja pada frekuensi tinggi. Arus yang tereduksi ini (arus eddy/ arus pusar) menghasilkan kerugian ohmik yang lebih kecil dalam teras trasformator. Oksida besi magnetik (Fe3 o4), ferit nikel seng (Ni1/2 Zn1/2 Fe2 o4), dan ferit nikel (Ni Fe2 o4) merupakan contoh bahan yang termasuk dalam kelas ini. Ferimagnetisme juga hilang pada temperatur diatas temperatur Curie.