SIFAT KEMAGNETAN BAHAN

NAMA KELOMPOK :

1. AHMAD ALFAN SURURI (121810201025)

2. ILLAVI PEBRIAN PRASETI (121810201027)

3. M. AINUR ROFIQ (121810201038)

MAGNETIC PROPERTY OF SOLID

1. Pendahuluan

Magnet atau magnit adalah suatu obyek yang mempunyai suatu medan magnet. Asal kata

magnet diduga dari kata magnesia yaitu nama suatu daerah di Asia kecil. Menurut cerita di

daerah itu sekitar 4.000 tahun yang lalu telah ditemukan sejenis batu yang memiliki sifat dapat

menarik besi atau baja atau campuran logam lainnya. Benda yang dapat menarik besi atau baja

inilah yang disebut magnet. Untuk bisa mengambil suatu barang dari logam (contoh obeng besi)

hanya dengan sebuah magnet, misalkan pada peralatan perbengkelan biasanya dilengkapi dengan

sifat magnet sehingga memudahkan untuk mengambil benda yang jatuh di tempat yang sulit

dijangkau oleh tangan secara langsung. Bahkan banyak peralatan yang sering digunakan, antara

lain bel listrik, telepon, dinamo, alat-alat ukur listrik, kompas yang semuanya menggunakan

bahan magnet.

Magnet dapat dibuat dari bahan besi, baja, dan campuran logam serta telah banyak

dimanfaatkan untuk industri otomotif dan lainnya. Sebuah magnet terdiri atas magnet-magnet

kecil yang memiliki arah yang sama (tersusun teratur), magnet-magnet kecil ini disebut magnet

elementer. Pada logam yang bukan magnet, magnet elementernya mempunyai arah sembarangan

(tidak teratur) sehingga efeknya saling meniadakan, yang mengakibatkan tidak adanya kutub-

kutub magnet pada ujung logam. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu: utara dan selatan.

Kutub magnet adalah daerah yang berada pada ujung-ujung magnet dengan kekuatan magnet

yang paling besar berada pada kutub-kutubnya.

Magnet dapat menarik benda lain, beberapa benda bahkan tertarik lebih kuat dari yang

lain, yaitu bahan logam. Namun tidak semua logam mempunyai daya tarik yang sama terhadap

magnet. Besi dan baja adalah dua contoh materi yang mempunyai daya tarik yang tinggi oleh

magnet. Sedangkan oksigen cair adalah contoh materi yang mempunyai daya tarik yang rendah

oleh magnet. Satuan intensitas magnet menurut sistem metrik Satuan Internasional (SI) adalah

Tesladan SI unit untuk total fluks magnetik adalah weber (1weber /m2=1 tesla) yang

mempengaruhi luasan satu meter persegi.

2. Bahan Magnetik

Bahan magnetik adalah suatu bahan yang memiliki sifat kemagnetan dalam komponen

pembentuknya. Berdasarkan perilaku molekulnya di dalam Medan magnetik luar, bahan

magnetik terdiri atas tiga kategori, yaitu paramagnetik, feromagnteik dan diamagnetik. Masing-

masing jenis bahan tersebut memiliki sifat dan karakteristik yang khas dan berbeda-beda. Bahan-

bahan yang ada di alam semesta masing-masing memiliki sifat-sifat yang khas (karekteristik)

yang dapat dimanfaatkan untuk proses industri. Perkembangan, penemuan dan pemilihan bahan-

bahan sangat menentukan proses dan hasil suatu industri, karena bahan-bahan memiliki sifat dan

karakteristik yang berbeda-beda dimana sifat dan karakteristik bahan ditentukan oleh struktur

intern penyusun bahan tersebut. Dengan sifat dan karakteristiknya ternyata jenis bahan

feromagnetik paling banyak dipilih sebagai bahan untuk teknik dan industri, seperti pada aplikasi

untuk motor listrik, generator, loadspeaker dan beberapa aplikasi yang lain.

a. Bahan Diamagnetik

Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing

atom/ molekulya adalah nol, tetapi medan magnet akibat orbit dan spin elektronnya tidak nol

(Halliday & Resnick, 1989). Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet

permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektron-elektron dalam

atom akan mengubah gerakannya sedemikian rupa sehingga menghasilkan resultan medan

magnet atomis yang arahnya berlawanan dengan medan magnet luar tersebut.

Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron. Karena atom

mempunyai elektron orbital, maka semua bahan bersifat diamagnetik. Suatu 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 ini: µ<μ0 dengan suseptibilitas magnetik

bahan: χm<0. Nilai bahan diamagnetik mempunyai orde 10−5 m3/kg. Contoh bahan diamagnetik

yaitu: bismut, perak, emas, tembaga dan seng.

b. Bahan Paramagnetik

Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing

atom/ molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet 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 (Halliday & Resnick, 1989). Di

bawah pengaruh medan eksternal, mereka mensejajarkan diri karena torsi yang dihasilkan. Sifat

paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnet

luar.

Gambar 1. Arah domain-domain dalam bahan paramagnetic sebelum diberi medan magnet luar

Bahan ini jika diberi medan magnet luar, elektron-elektronnya akan berusaha sedemikian

rupa sehingga resultan medan magnet atomisnya searah dengan medan magnet luar. Sifat

paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnet

luar.

Gambar 2. Arah domain dalam bahan paramagnetic setelah diberi medan magnet luar

Dalam bahan ini hanya sedikit spin elektron yang tidak berpasangan, sehingga bahan ini

sedikit menarik garis-garis gaya. Dalam bahan paramagnetik, medan B yang dihasilkan akan

lebih besar dibanding dengan nilainya dalam hampa udara. Suseptibilitas magnet dari bahan

paramagnetik adalah positif dan berada dalam rentang 10−5sampai 10−3 m3/ Kg, sedangkan

permeabilitasnya adalah µ>µ0. Contoh bahan paramagnetik : alumunium, magnesium dan

wolfram.

c. Bahan Ferromagnatik

Bahan ferromagnetik mempunyai resultan medan magnet atomis besar, hal ini

disebabkan oleh momen magnetik spin elektron. Pada bahan ini banyak spin elektron yang tidak

berpasangan, masing-masing spin elektron yang tidak berpasangan ini akan menimbulkan medan

magnetik, sehingga medan magnet total yang dihasilkan oleh satu atom menjadi lebih besar

(Halliday & Resnick, 1989). 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 inilah

yang dikenal dengan domain.

Domain-domain dalam bahan ferromagnetik, dalam ketiadaan medan eksternal, momen

magnet dalam tiap domain akan paralel, tetapi domain-domain diorientasikan secara acak, dan

yang lain akan terdistorsi karena pengaruh medan eksternal. Domain dengan momen magnet

paralel terhadap medan eksternal akan mengembang, sementara yang lain mengerut. Semua

domain akan menyebariskan diri dengan medan eksternal pada titik saturasi, artinya bahwa

setelah seluruh domain sudah terarahkan, penambahan medan magnet luar tidak memberi

pengaruh apa-apa karena tidak ada lagi domain yang perlu disearahkan, keadaan ini disebut

dengan penjenuhan (saturasi). Bahan ini juga mempunyai sifat remanensi, artinya bahwa setelah

medan magnet luar dihilangkan, akan tetap memiliki medan magnet, karena itu bahan ini sangat

baik sebagai sumber magnet permanen. Permeabilitas bahan : μ≫μ0 dengan suseptibilitas bahan

: χm ≫0 . Contoh bahan ferromagnetik : besi, baja. Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik akan

hilang pada temperatur Currie. Temperatur Currie untuk besi lemah adalah 770o C dan untuk baja

adalah 1043o C.

Sifat bahan ferromagnetik biasanya terdapat dalam bahan ferit. Ferit merupakan bahan

dasar magnet permanen yang banyak digunakan dalam industri- industri elektronika, seperti

dalamloudspeaker, motor-motor listrik,dynamo dan KWH- meter.

Bahan ferromagnetik mula-mula memiliki magnetisasi nol pada daerah yang bebas

medan magnetik, bila mendapat pengaruh medan magnetik yang lemah saja akan memperoleh

magnetisasi yang besar. Jika diperbesar medan magnetnya, akan makin besar pula

magnetisasinya. Eksperimen menunjukkan bila medan magnetik ditiadakan, magnetisasi bahan

tidak kembali menjadi nol. Jadi bahan ferromagnetik itu dapat mempunyai magnetisasi walaupun

tidak ada medan, sehingga bahan dikatakan memiliki magnetisasi spontan. Di atas temperatur

Curie, ferromagnetik berubah menjadi paramagnetik

Apabila kurva magnetisasi dilanjutkan dengan mengurangi besarnya medan magnet H

maka rapat fluk magnetik B akan turun, tetapi turunnya rapat fluk magnetik B tidak mengikuti

kurva naiknya (Gambar 4). Rapat fluk magnetik B turun membentuk kurva baru menuju titik Br

ketika medan magnet H sama dengan nol, sehingga pada gambar jelas sekali terlihat bahwa

ketika medan magnet H = 0, rapat fluk magnetik B tidak sama dengan nol, akan tetapi berada

pada titik Br, hal ini menunjukkan bahwa pada bahan tersebut masih terdapat rapat fluk magnetik

yang tertinggal. Titik Br disebut sebagai kerapatan fluk remanensi atau remanensi bahan yaitu

besarnya rapat fluk magnetik B yang tertinggal pada bahan pada saat medan magnet H

samadengan nol. Ketika medan magnet H dibalik arahnya maka rapat fluk magnetik B akan

mencapai nilai nol di titik Hc. Titik Hc ini disebut sebagai gaya koersif atau koersivitas bahan

yaitu besarnya medan magnet atau intensitas H yang diperlukan unrtuk mengembalikan rapat

fluk magnetik menjadi nol. Apabila siklus ini diteruskan maka akan didapat kurva dengan bentuk

simetris yang dikenal dengan fenomena histeresis seperti pada Gambar 1 di atas.

Dari kurva histeresis dapat diketahui besarnya koersivitas bahan Hc, remanensi bahan Br

dan permeabilitas bahan µ yang besaran-besaran tersebut menentukan sifat dan karakteristik

kemagnetan suatu bahan.

3. Sifat Magnetik

Sifat material terbagi menjadi dua yaitu magnetic (dengan electron yang tidak

berpasangan) dan non magnetic atau diamagnetic (semua electron berpasangan).

4. Perilaku Magnetik

B=μH

B=μ0 H+μ0 M

↓ ↓ → induksi yang dihasilkan oleh sampel

Induksi yang dihasilkan oleh medan

χ=M /H χ=suseptibilitas magnetik

B=μ0 H+μ0 M χ

B=μ0 H (1+ χ )=μH

μ0 (1+ χ )=μ

(1+ χ )= μμ0

=μr μr=permitivitasrelatif

Keterangan : B = rapat fluk magnetic

μ = permitivitas (m0 :ruanghampa ¿

H = medan magnet

M = magnetisasi

5. Perilaku Bahan dalam Medan Magnet

Perilaku Tipe nilai χ

Perubahan χ dengan

mningkatnya

temperatur

Ketergantungan

medan ?

Diamagnetisme −8 ×10−6 untuk Cu Tidak ada Tidak

paramagnetisme menurun Tidak

Paramagnetisme

pauli

8.3 ×10−4 untuk MnTidak ada Tidak

Ferromagnetisme 5 ×103 untuk Fe Menurun Iya

antiferromagnetisme 0 sampai10−2 meningkat iya

Perilaku magnetic mungkin dibedakan dengan nilai χ dan μ dan dengan temperaturnya dan

ketergantungan medan

Nilai positif vs negative : hanya material diamagnetic yang menunjukkan χ

negative

Nilai absolute : material ferromagnetic menunjukkan nilai positif yang sangat

besar.

Ketergantungan temperature : diamagnetic tidak tergantung pada temperature,

material antiferromagnetik meningkat dengan meningkatnya temperature dan

paramagnetik dan material ferromagnetic menurun dengan meningkatnya

temperature.

Ketergantungan medan : hanya bahan ferro dan antiferromagnetik yang

tergantunga pada medan.

6. Efek Temperature

Bahan paramagnetic : mematuhi hokum Curie

χ=CT

C : konstanta Curie; T: temperature

Tidak ada interaksi spontan di antara electron tidak berpasangan yang berdekatan. Dengan

meningkatnya temperature penjalaran lebih sulit dan χ menurun.

Bahan paramagnetic menunjukkan beberapa magnetic (ferromagnetic) :

Hukum Curie-Weiss

χ= CT−θ

θ=konstantaWeiss

Ada interaksi spontan di antara spin yang berdekatan.

Paramagnetik : hokum Curie; T menurun, c meningkat

Table 1 beberapa temperature Curie dan temperature Neel

Material T c (oC ) T N (oC )

Cr 35

Mn -173

Fe 770

Co 1131

Ni 358

T c : temperature curie ferromagnetic

T N : temperature Neel

7. Momen Magnetik

Momen magnetic (μ) dihubungkan secara langsung terhadap nomer electron yang tidak

berpasangan. Bila terdapat dua buah kutub magnet yang berlawanan +m dan – m terpisah sejauh

l, maka besarnya momen magnetiknya ) (Mr adalah

dengan M

Gambar Arah momen magnetic bahan non magnetik

Gambar Arah momen magnetic bahan magnetik

momen magnet mempunyai satuan dalam cgs adalah gauss . cm3atau emu dan dalam

SI mempunyai satuan A . m2 adalah sebuah vektor dalam arah vektor unit r̂ berarah dari kutub

negatif ke kutub positif. Arah momen magnetik dari atom bahan non magnetik adalah acak

sehingga momen magnetik resultannya menjadi nol. Sebaliknya di dalam bahan-bahan magnetik,

arah momen magnetik atom-atom bahan itu teratur sehingga momen magnetik resultan tidak nol.

MOMEN MAGNETIK SPIN ELEKTRON

Sifat magnetic dari electron yang tidak berpasangan muncul dari spin electron dan gerak orbital

electron.

Magneton Bohr (BM) : merupakan konstanta alam yang muncul dari efek magnetic. Momen

magnetic biasanya diekspresikan sebagai perkalian magneton Bohr.

BM= eh4 πmc

e : muatan electron

h: konstanta Plank

m: massa electron

c: kecepatan cahaya

momen magnetic electron tunggal :

μs=g√s ( s+1 )

μs=1.73 BM

g: perbandingan gyromagnetik-2 (untuk momen magnetic spin electron)

s: bilangan quantum spin

S: penjumlahan bilangan quantum spin

¿ 1 elektron tidak berpasangan

μs=g√s ( s+1 )

MOMEN MAGNETIK ORBIT ELEKTRON

Gerak electron di sekitar nucleus mungkin dalam beberapa bahan, memberikan kenaikan momen

orbital, yang mengkonstribusi untuk momen magnetic secara keseluruhan.

μS+L= [4 S (S+1 )+L (L+1 ) ]1 /2 L: bilangan kuantum momentum sudut orbital

Magnetisasi

Magnetisai (kemagnetan) tidak dapat dipisahkan dari mekanika kuantum. Momen dipole magnet

(momen magnet) untuk sebuah atom bebas berasal dari 3 sumber utama yaitu spin electron, orbit

electron dan perubahan momen magnet orbit yang diinduksi oleh medan magnet luar.

Magnetisasi (M) didefinisikan sebagai momen dipole magnet (μ) per satuan volume (V) maka :

M= μV

, sedangkanuntuk superkonduktor M =−B4 π

Bila suseptibilitas medan magnet (daya tembus medan magnet) per satuan volume didefinisikan

(X)

χ=MB

= μVB

→ cgs

χ=μ0MB

=μ0μ

VB→ MKS

Contoh untuk superkonduktor : χ=−B/ 4πB

=−14 π

Material Magnet lemah dan Magnet Kuat

Material magnetik diklasifikasikan menjadi dua yaitu material magnetic lemah atau soft

magnetic materials maupun material magnetic kuat atau hard magnetic materials. Penggolongan

ini berdasarkan kekuatan medan koersifnya dimana soft magnetic atau material magnetic lemah

memiliki medan koersif yang lemah sedangkan material magnetic kuat atau hard magnetic

materials memiliki medan koersif yang kuat. Hal ini lebih jelas digambarkan dengan diagram

histerisis atau hysteresis loop sebagai loop.

Diagram histeresis diatas menunjukkan kurva histeresis untuk material magnetic lunak

pada gambar (a) dan material magnetic keras pada gambar (b). H adalah medan magnetik yang

diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam material. Setelah medan H

ditiadakan, dalam specimen tersisa magnetisme residual Br, yang disebut residual remanen, dan

diperlukan medan magnet Hc yang disebut gaya koersif, yang harus diterapkan dalam arah

berlawanan untuk meniadakannya. Magnet lunak mudah dimagnetisasi serta mudah pula

mengalami demagnetisasi, seperti tampak pada Gambar 2.5 Nilai H yang rendah sudah memadai

untuk menginduksi medan B yang kuat dalam logam, dan diperlukan medan Hc yang kecil untuk

menghilangkannya. Magnet keras adalah material yang sulit dimagnetisasi dan sulit di

demagnetisasi. Karena hasil kali medan magnet (A/m) dan induksi (V.det/m2) merupakan energi

per satuan volume, luas daerah hasil integrasi di dalam loop histerisis adalah sama dengan energi

yang diperlukan untuk satu siklus magnetisasi mulai dari 0 sampai +H hingga –Hsampai 0.

energi yang dibutuhkan magnet lunak dapat dapat diabaikan; medan magnet keras memerlukan

energi lebih banyak sehingga pada kondisi-ruang, demagnetisasi dapat diabaikan. Dikatakan,

magnetisasi permanen

Sifat-Sifat Magnet

Sifat-sifat kemagnetan suatu bahan dapat diperlihatkan dalam kurva histerisis yaitu kurva

hubungan intensitas magnet (H) terhadap medan magnet (B). Seperti ditunjukkan pada gambar 3

merupakan kurva histerisis pada saat magnetisasi.

Pada gambar 2.9 di atas 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 cukup besar, tetapi mulai dari nilai H tertentu terjadi kenaikan nilai B yang kecil dan

makin lama nilai B akan konstan. Harga medan magnet untuk keadaan saturasi disebut dengan

Bs atau medan magnet saturasi. Saturasi magnetisasi adalah keadaan dimana terjadi kejenuhan,

nilai medan magnet B akan selalu konstan walaupun medan eksternal H dinaikkan terus.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). 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 seperti ditunjukkan pada

kurva histerisis pada gambar 2.9. Harga Br ini disebut dengan induksi remanen atau remanensi

bahan. Remanen atau ketertambatan adalah sisa medan magnet B dalam proses magnetisasi pada

saat medan magnet H dihilangkan, atau remanensi terjadi pada saat intensitas medan magnetik H

berharga nol dan medan magnet B menunjukkan harga tertentu.Pada gambar 2.10 tampak bahwa

setelah harga intensitas magnet H = 0 atau 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. Koersivitasdigunakan untuk membedakan hard magnet atau soft

magnet. Semakin besar gaya koersivitasnya maka semakin keras sifat magnetnya. Bahan dengan

koersivitas tinggi berarti tidak mudah hilang kemagnetannya.Untuk menghilangkan

kemagnetannya diperlukan intensitas magnet H yang besar. 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.

Magnet permanen dapat diberi indeks berdasarkan momen koersif yang diperlukan untuk

menghilangkan induksi (tabel 2.1). Patokan ukuran yang yang lebih baik adalah hasil kali

BH.BaFe12O19mempunyai nilai –Hcyang sangat besar, tetapi BHmakssedang-sedang saja.,

karena rapat fluks lebih rendah dibandingkan bahan magnet permanen lainnya. Dari tabel 2.1

akan diperoleh gambaran mengenai peningkatan yang mungkin diperoleh beberapa para ahli

peneliti dan rekayasawan dengan pengembangan alnico (metalik) dan magnet

BaFe12O19(keramik)

Magnet lunak merupakan pilihan tepat untuk penggunaan pada arus bolak-balik atau

frekuensi tinggi, karena harus mengalami magnetisasi dan demagnetisasi berulang kali selama

selang satu detik. Spesifikasi yang agak kritis untuk magnet lunak adalah : induksi jenuh (tinggi),

medan koersif (rendah), dan pemeabilitas maksimum (tinggi). Data selektif terdapat pada tabel

2.2 dan dapat dibandingkan dengan data tabel 2.1. Rasio B/Hdisebut permeabilitas. Nilai rasio

B/Hyang tinggi berarti bahwa magnetisasi mudah terjadi karena diperlukan medan magnet kecil

untuk menghasilkan rapat fluks yang tinggi (induksi).

Aplikasi

a. Transformator atau inti motor : merupakan material magnetic lemah, hysteresis rendah

dan hilangnya arus eddy

b. Magnet permanen : merupakan material magnet keras, temperature curie tinggi

c. Penyimpanan informasi : merupakan material magnet lemah, loop hysteresis unik, system

digital biner.