Upload
illavi-pebrian-praseti
View
248
Download
12
Embed Size (px)
DESCRIPTION
sifat bahan
Citation preview
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.