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 besititanium, 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 Volume (k) Massa ( ) χ (10-6 SI)
Tc (0C)
(10-8m3kg-1) Mineral Magnetik Magnetite(Fe3O4; Ferimagnetik) Hematite (Fe2O3;canted antiferomagnetik) Maghematite(Fe2O3 ; ferimagnetik) Ilmenite(FeTiO3; antiferomagnetik) Pyrite(FeS2) Pyrrhotite(Fe7S8; ferimagnetik) Goethite(FeOOH; antiferomagnetik) Mineral non- magnetik Kuarasa(SiO2) Kalsit(CaCO3) Halite(NaCl) Galena(PbS)
5.18
1.000.0005.700.000
20.000140.000
575-585
5.26
500-40.000
10-760
675
40.00050.000
-600
45-80.000
-233
5.02
2.000.0002.500.000 2.0003.800.00035-5.000
4.62
3.200.000
69.000
320
4.27
1.10012.000
26.280
-120
2.65 2.83 2.17 7.50
-(13-17) -(7.5-39) -(10-16) -33
-(0.5-0.6) -(0.3-1.4) -(0.48-0.75) -0.44
4.90 4.72
1-100
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. Paramagnetik Bahan paramagnetik adalah bahan - bahan yang memiliki suseptibiitas magnetik
yang positif dan sangat kecil. Paramagnetik muncul dalam bahan
χm 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 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
2
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 (1.1)
χ=
N ( gµ B ) J ( J + 1) V 3 k BT
χ=
N µB P 2 3V k BT
2
(1.2) 2
(1.3)
χ=
C T
Persamaan di atas adalah merupakan persamaan hukum Curie dimana T adalah suhu pengamatan,
adalah bilangan Bohr Magneton, N adalah jumlah atom
µB
2
bahan,
adalah konstanta Boltzman, C adalah tetapan Curie, P adalah bilangan
kB Bohr Magneton efektif, dan g adalah faktor Lande. (1.4) P = g ( J ( J + 1) )
1
2
(1.5) g=
3 1 S ( S + 1 − L( L + 1) ) + 2 2 J ( J + 1)
3
0Suhu T Suseptibilitas χ
4
Gambar 1.3 Grafik hubungan antara suseptibilitas magnetik χ 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 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.
6
Gambar 2.1 beberapa bahan diamagnetic ( memperlemah medan magnet ) 3. Feromagnetik Feromagnetik magnetik
merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas
positif, yang sangat tinggi atau bahan yang mempunyai momen
χm 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 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
2
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).
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.
1
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 masingmasing domain. BE=λ M Table 3.1 Sifat magnetik Bahan Ferromagnetik Kekuatan Density Paksaan Kepadatan (Oersteds) (gauss)
Material
Permeabilitas Awal Relatif
Besi, 99,8% murni
150
5000
1.0
13.000
Permeabilitas Maksimum Relatif
Besi, 99,95% murni 78 Permalloy Superpermalloy Cobalt, 99% murni
10.000
200.000
0,05
13.000
8.000 100.000
100.000 1.000.000
0,05 0,002
7.000 7.000
70
250
10 10
5.000
Nikel, 99% murni
110
600
0,7
4.000
Baja, 0,9% C Steel, Co 30% Alnico 5 Silmanal Besi, baik bubuk
50 ... ... 4 ... ... ... ...
100 ... ... ... ... ... ... ... ...
70 240 575 6.000 470
10.300 9.500 12.500 550 6.000
1
2
3
4
Teks asli Inggris
Coercivity and Remanence Sumbangkan terjemahan yang lebih baik
5
6
7
8
Teks asli Inggris
Magnetic Properties of Ferromagnetic Materials Sumbangkan terjemahan yang lebih baik
1.1 Magnetik Domain
9
2
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 (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,
4
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 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. 1.2 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
Pada temperatur tertentu bahan feromagnetik akan berubah menjadi bahan paramagnetik, temperatur transisi ini dinamakan temperatur curie. Diatas 6
temperatur curie orientasi momen magnetik akan menjadi acak, dan suseptibilitas magnetiknya diberikan oleh persamaan: (3.2.1)
χ=
C T − Tf
Dimana C adalah tetapan Curie dan Tf adalah temperatur Curie. Persamaan 3.2.1 merupakan hukum Curie- Weiss, besar tetapan Curie adalah (3.2.2) C=
Tf
λ (3.2.3)
C= Dimana
µ 0 N ( gµ B ) kB
2
adalah konstanta Weiss yang besarnya
λ (3.2.4)
λ=−
k BT f
µ 0 N ( gµ B )
2
χ
2
T 0 χ Ko m pl ek s
T
f
Gambar 3.2.1 Grafik hubungan antara magnetik χ terhadap temperatur T pada bahan feromagnetik (Kittel, 1996) 1.3 Permeabilitas
3
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). 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
1
•
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.
1.1.1
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 magnetizing (H). Hal ini sering disebut sebagai BH loop. An Sebuah contoh hysteresis loop ditampilkan di bawah.
1
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 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"). 3
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. 1.1 Aplikasi Feromagnetik 1.1.1
Elektromagnet 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
4
Dan k adalah permeabilitas relatif dari besi itu, menunjukkan efek pembesar dari inti
besi.
2
3
4
5
6
7
8
Gambar 3.4.1 Elektromagnetik
1.1.2
Transformator Sebuah 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
1
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
3
3
