Bahan Magnet

Gaya tarik menarik diakibatkan oleh medan magnet, menghasilkan medan magnet ada berbagai cara diantara dihasilkan ketika ada muatan listrik yang bergerak. Hal ini bisa terjadi ketika arus mengalir pada sebuah konduktor, pertama kali diamati oleh Oersted pada tahun 1819. Medan magnet juga dapat dihasilkan dari magnet permanen. Pada kasus ini tidak ada arus yang mengalir, akan tetapi gerak orbital dan spin elektron ( dinamakan “Amperican currents”) bahan magnet permanen yang telah dilakukan proses magnetisasi terlebih dahulu dengan menggunakan medan magnet luar.

Pertama yang harus diketahui adalah mengapa campuran ini memiliki sifat magnet. Misalnya kita sebut bahan magnet yang terkenal berbasis NdFeB, variasi kandungan dari setiap unsur mempengaruhi karakteristik dari bahan tersebut, baik dari kekuatan materialnya maupun daya tarik dari bahan magnet tersebut. Daya tarik ini dipengaruhi oleh ukuran-ukuran butiran pada bahan yang terbentuk. Ukuran-ukuran butiran yang terbentuk ini tergantung pada proses pertumbuhan kristal yang terjadi ketika pembuatan material. Penelitian akhir-akhir ini diperoleh bahwa semakin kecil butiran yang terbentuk pada material (nano composite) maka semakin besar kekuatan magnet untuk menarik atau menolak (medan magnet remanen), hal ini terjadi diprediksikan karena adanya interaksi lain antara butiran.

Setelah bahan magnet terbentuk dengan ukuran butiran dan struktur kristal tertentu kemudian dilakukan proses magnetisasi, yaitu memberikan medan magnet luar agar memiliki medan magnet sendiri. Hal ini harus kita ketahui bahwa pada saat bahan magnet terbentuk menjadi kristal itu belum memiliki daya tarik terhadap logam. Setelah diberi medan magnet luar bahan baru akan memilki medan magnet , cara pemberian medan magnet ini dilakukan secara perlahan-lahan sehingga nilai tertentu (saturasi), kemudian diturunkan perlahan sampai suatu nilai saturasi dengan arah medan magnet yang berlawanan, setelah itu diturunkan pada akhirnya, bahan akan memiliki daya tarik pada logam.

Pemanfaatan bahan magnet ini sangat besar sekali dalam dunia industri, hampir semua barang-barang elektronika menggunakan bahan magnet. Negara Indonesia yang notabene memiliki kekayaan alam yang cukup besar masih mengimpor bahan-bahan magnet permanen dari negara asing.

Pada bidang industri, misalnya pada sebuah kendaraan lebih dari sepuluh komponennya menggunakan bahan magnet, kita ambil contoh bahan-bahan magnet yang digunakan pada kendaraan misalnya stater motor, alternator, engineeexhaust brake actuator dan engine shut down alternator, windows wippers, winsscreen wipers, windscreen washers, Air blower fan , Electric Horn, dan lain sebagainya. Selain itu bahan magnet juga banyak digunakan untuk spindle motor (CD-ROM), steper motor ( VCR, Printer) dan jenis brush motor ( automotive, small appliance). Contoh di atas adalah hanya sebagian kecil dari penggunaan bahan-bahan magnet.

Berbagai bahan magnet telah banyak di buat terutama bahan magnet berbasis SmCo,NdFeB, bahan Yttrium Iron Garnet (YIG, Y3-2xCa2xFe5-x-yInyVxO12), bahan berbasis (Sm,R)Mn2Ge2 dan bahan-bahan lainya. Selain itu ada jenis bahan yang menunjukan gejala megnetostriksi, ditandai dengan terjadinya perubahan dimensi akibat adanya pengaruh medan magnet luar, bahan-bahan ini disebut bahan magnetostriktif, salah satu bahan yang terkenal untuk kelompok ini adalah Terfenol-D. Bahan-bahan ini adalah bahan-bahan magnet permanen dan memiliki sifat megnet pada suhu ruang. Selain bahan-bahan yang memiliki karekteristik magnet pada suhu ruang ada juga bahan-bahan yang diteliti pada suhu rendah kurang dari 10 K. Salah satunya adalah bahan yang diteliti oleh keluarga ABX3. misalnya yang diteliti di Lab ESR jurusan Fisika FMIPA UI yaitu NH4CuCl3, bahan ini memiliki fenomena-fenomena yang menarik, tidak bisa dijelaskan secara makroskopis, tapi lebih cocok dijelaskan dengan pendekatan interaksi mikroskopis ( Quantum spin system). Penelitian pada bidang ini terus berkembang ditandai dengan penemuan bahan-bahan alternatif pengganti bahan magnet sebelumnya dengan segala keunggulan dan kekurangannya.

Gaya tarik menarik yang diakibatkan oleh medan magnet, menghasilkan medan magnet ada berbagai cara diantara dihasilkan ketika ada muatan listrik yang bergerak. Hal ini bisa terjadi ketika arus mengalir pada sebuah konduktor, pertama kali diamati oleh Oersted pada tahun 1819. Medan magnet juga dapat dihasilkan dari magnet permanen. Pada kasus ini tidak ada arus yang mengalir, akan tetapi gerak orbital dan spin elektron ( dinamakan “Amperican currents”) bahan magnet permanen yang telah dilakukan proses magnetisasi terlebih dahulu dengan menggunakan medan magnet luar

Medan magnet suatu bahan ditimbulkan oleh arus listrik, sedangkan arus listrik ditimbulkan akibat aliran/gerak elektron.

Berdasarkan kemagnetannya, benda digolongkan menjadi :

1. BAHAN DIAMAGNETIK

Yaitu bahan yang dapat ditolak oleh magnet.

•	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: m < mo. Contoh: Bismuth, tembaga, emas, perak, seng, garam dapur.

2. BAHAN PARAMAGNETIK

Yaitu bahan yang ditarik lemah oleh magnet

•	Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya adalah tidak nol.
•	Jika solenoida dimasuki bahan ini akan dihasilkan induksi magnetik yang lebih besar.
•	Permeabilitas bahan: m > mo. Contoh: aluminium, magnesium, wolfram, platina, kayu

3. BAHAN FERROMAGNETIK

Yaitu bahan yang ditarik kuat oleh magnet.

•	Bahan yang mempunyai resultan medan magnetis atomis besar.
•	Tetap bersifat magnetik  sangat baik sebagai magnet permanen
•	Jika solenoida diisi bahan ini akan dihasilkan induksi magnetik sangat besar (bisa ribuan kali).Permeabilitas bahan ini: m > mo. Contoh: besi, baja, besi silikon, nikel, kobalt.

Dalam pasir besi mengandung mineral magnetik yang sebagian besar terdiri dari magnetit (Fe3O4), hematit (α-Fe2O3) dan maghemit (γ-Fe2O3) yang banyak dimanfaatkan dalam industri pembuatan magnet. Kandungan mineral magnetik terbesar pada pasir besi yaitu magnetit (Fe3O4) yang merupakan keluarga besi O) dan maghemit (γ-FeO) (Yulianto, 2002). oksida. Bahan magnetit (Fe3O4) secara kimia teroksidasi menjadi hematit (α-Fe2323)

Sifat Bahan Magnetik

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 cenderung untuk menjajarkan medan magnetik yang ditimbulkan oleh elektron dengan medan magnetik eksternal. Semua elektron yang berorbit dalam bahan akan bergeser sedemikian rupa sehingga akan menambahkan medan magnetiknya pada medan magnetik yang kita pasang dan karenanya medan magnetik resultan pada setiap titik dalam bahan tersebut menjadi lebih besar dari pada yang akan terjadi pada titik tersebut, jika bahan tersebut tidak ada.

Momen yang lainnya timbul dari spin elektron. Walaupun kita digoda untuk menerangkan gejala ini dengan model yang menggambarkan elektron berspin (berpusing) di sekitar 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 mempunyai momen magnetik spin sekitar ” 9 x 10 –24 A.m2, tanda plus-minus 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. Kontribusi yang ketiga pada momen sebuah atom ditimbulkan oleh spin nuklir, tetapi pengaruh dari faktor ini biasanya dapat diabaikan.

Atom dengan medan magnetik yang kecil yang ditimbulkan oleh gerak elektron pada orbitnya dan digabungkan dengan medan magnetik yang ditimbulkan oleh spin elektronnya dan menghasilkan medan neto nol, di sini medan yang ditimbulkan oleh gerak elektron itu sendiri tanpa ada medan magnetik eksternal. Kita dapat juga mengatakan bahwa bahan ini terdiri dari atom yang momen magnetik permanennya m0 sama dengan nol untuk masing-masing atom, bahan seperti itu disebut diamagnetik.

Dilihat sepintas, hal itu memberi kesan bahwa medan magnetik eksternal tidak akan menimbulkan torka pada atom dan tidak menimbulkan penjajaran medan dwikutub, sehingga medan magnetik internalnya sama dengan medan magnetik yang kita pasang.
Sekarang marilah kita tinjau atom yang efek spin elektron dan gerak pada orbitnya tidak saling meniadakan. Atom secara keseluruhan memiliki momen magnetik kecil, tetapi orientasi acak (random) dari atom-atom tersebut dalam sampel yang cukup besar menghasilkan momen magnetik yang rata-rata besarnya nol. Bahan tersebut tidak memperlihatkan efek magnetik jika medan magnetik eksternalnya tidak ada. Jika kita pasang medan magnetik eksternal, timbul torka kecil pada masing-masing momen atomik dan momen ini cenderung untuk menjajar dengan medan eksternal. Penjajaran ini menimbulkan pertambahan besar B dalam bahan tersebut (melebihi medan eksternal).
Namun perlu diingat bahwa efek diamagnetik tetap bekerja pada elektron yang mengorbit dan melawan pertambahan di atas. Jika hasil akhirnya adalah turunnya B, maka bahan tersebut tetap disebut diamagnetik, tetapi jika hasilnya ialah pertambahan B, bahan tersebut paramagnetik. Kalium, oksigen, tungsten dan unsur tanah yang jarang, serta banyak garam-garamnya seperti klorida erbium, oksida neodimium dan oksida itrium suatu bahan yang dipakai dalam maser, merupakan contoh bahan paramagnetik.

Dalam bahan feromagnetik, masing-masing atom memiliki momen dwikutub yang relatif besar, yang terutama ditimbulkan oleh momen spin elektron yang tak terkompensasi. Gaya antara atom menyebabkan momen ini mempunyai arah yang sejajar dalam suatu daerah yang terdiri dari banyak atom. Derah ini disebut domain dan bentuk serta ukuannya dapat bermacam-macam berkisar dari ukuran satu mikrometer sampai beberapa sentimeter tergantung pada ukuran, bentuk, bahan dan sejarah magnetik sampel yang ditinjau.
Keadaan bahwa momen magnetik bahan itu berbeda setelah medannya ditiadakan, atau keadaan magnetik bahan merupakan fungsi dari sejarah magnetik, disebut histerisis. Unsur-unsur yang bersifat feromagnetik pada temperatur kamar ialah bagi nikel dan kobalt dan bahan-bahan itu kehilangan ciri feromagnetiknya di atas suatu temperatur yang disebut temperatur Curie. Temperatur Curie untuk besi adalah 1043 K (7700 C).

Dalam bahan antiferomagnetik, gaya antara atom-atom yang berdekatan menyebabkan momen atomik berbaris dalam pasangan antisejajar (anti parallel). 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 bahan antiferomagnetik lainnya telah ditemukan. Banyak oksida nikel (NiO), sulfida fero (FeS) dan florida kobalt(CoCl2). Antiferomagnetisme hanya ada pada temperatur yang relatif rendah, seringkali pada temperatur yang jauh lebih rendah dari temperatur kamar.
Klasifikasi Momen-momen magnetik Nilai-nilai B Keterangan

·         Diamagnetik morb + mspin = 0 Bint Bappl Bint = Bappl

·         Ferromagnetik |mspin| >> |morb| Bint >> Bappl Domain

·         Antiferomagnetik |mspin| >> |morb| Bint = Bappl Momen-momen yang didekatnya.

·         Ferrimagnetik |mspin| > |morb| Bint > Bappl Momen-momen yang didekatnya tidak, berlawanan s rendah.

·         Supermagnetik |mspin| >> |morb| Bint > Bappl Matriks nonmagnetik, pita rekorder

Karakteristik dari bahan magnetik

Bahan ferimagnetik juga menunjukkan arah yang anti sejajar untuk momen atomik yang berdekatan, tetapi momennya tidak sama. Akibatnya ialah bahan ini mempunyai respon yang besar terhadap medan magnetik eksternal, walaupun tidak sebesar bahan feromagnetik. kelompok terpenting bahan ferimagnetik ialah ferit yang mempunyai konduktivitas rendah, beberapa orde lebih rendah daripada semikonduktor. Kenyataan bahwa bahan ini mempunyai resistansi yang lebih besar dari bahan feromagnetik mengakibatkan timbulnya arus induksi yang jauh lebih kecil jika kita pasang medan bolak-balik seperti dalam teras transformator yang bekerja pada frekuensi tinggi. Arus yang tereduksi ini (arus eddy/arus pusar) menimbulkan kerugian ohmik yang lebih kecil pada teras transformator.
Bahan superparamagnetik terdiri dari kelompok partikel feromagnetik dalam kisi nonparamagnetik. Walaupun domain terdapat dalam diri partikelnya, dinding domain tersebut tidak dapat menembus kisi bahan pengantar ke partikel di dekatnya. Contoh bahan ini terdapat pada pita magnetik yang dipakai dalam rekorder/pita video atau audio.