14)) Sifat Magnetik Bahan

Sifat magnetik bahan 4 sks: 2 jam tatap muka 4 sks : 24 slide; nomor 2-13; 14-21, 23-26. slide opsional 8 eks. : nomor 1, 22, 27-31, 32.

11/28/09

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

1

Sifat magnetik bahan : 



11/28/09

Pada bahan padat, terutama ditimbulkan oleh ‘spin’ elektron. ‘Orbital’ elektron hampir tak berpengaruh (‘ter-quench’) akibat saling terikatnya atom. ‘Rotasi’ elektron ‘menimbulkan’ “lingkaran arus listrik” yang menghasilkan dipol magnetik. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

2

Sifat diamagnetik bahan 



11/28/09

Jika elektron atom lengkap berpasangan, dipol magnetiknya saling menghapus; bahannya ‘diamagnetik’. Penerapan medan magnetik dari luar, akan menimbulkan tanggapan ‘melawan’ berupa penimbulan medan magnetik berlawanan arah, untuk memperkecil medan luar. Maka medan B di dalam bahan lebih kecil, di luarnya lebih besar.

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

3

Visualisasi diamagnetisme dengan garis medan magnetik : Dengan visualisasi garis medan 

magnetik, yang kerapatannya sebanding dengan besar medan magnetiknya, ‘garis medan ini agak ditolak-masuk oleh bahan’. Hanya superkonduktor mampu menolak-total masuknya garis medan magnetik (“Efek Meissner”).

11/28/09

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

4

Sifat paramagnetik bahan : 



11/28/09

Jika ada elektron atom yang tidak berpasangan, terjadi dipol magnetik pada atom, dan bahan bersifat ‘paramagnetik’. Penerapan medan magnetik dari luar menyearahkan dipol magnetik bahan; terjadi penguatan medan magnetik di dalam bahan, sebanding dengan besar medan magnetik yang diterapkan. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

5

Visualisasi paramagnetisme dengan garis medan magnetik visualisasi garis medan : Dengan magnetik, ‘garis medan ini seolah ditarik





11/28/09

masuk oleh bahan’. Proporsi pertambahan rapat garis medan digambarkan oleh ‘suseptibilitas magnetik’ χ m. Pemanasan bahan meningkatkan suhu dan keacakan orientasi dipol magnetik; suseptibilitas magnetik susut, berbanding terbalik dengan naiknya suhu (Hukum Curie) Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

6

Data suseptibilitas magnetik beberapa bahan : Air, dan 



 

11/28/09

tembaga, logam umumnya (diamagnetik) ~ –10–5 - –10–4 Natrium, Aluminium (paramagnetik) ~ +10–5 - +10–3 Besi (Fe; feromagnetik) ~ +103 ‘Permalloy’ (besi-nikel Fe55-Ni45) ~ +104 Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

7

Sifat feromagnetik bahan : 





11/28/09

Jika suhu cukup rendah (‘di bawah titik Curie’), dapat berperan interaksi kuantum (‘exchange’, ‘pertukaran’) antara dipol magnetik atom bertetanggaan, yang menyejajarkannya. Akibatnya, kemagnetan dalam bahan menjadi jutaan kali lebih besar. Suhu Curie besi ~770oC; bagi bahanbahan feromagnetik lain (logam, oksida), suhu ini berkisar antara 16 K – 1115oC. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

8

‘Wilayah, domain magnetik : 



11/28/09

Dalam rangka mengecilkan energi bahan, terbentuk wilayah/domain magnetik (“wilayah Weiss”) dalam bahan, berukuran ~ mm - µ m. Perbatasan wilayah (“dinding Bloch”) bertebal ~ 0,1 µ m, dan dapat bergerak oleh pengaruh medan magnetik luar. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

9

Pergerakan wilayah magnetik : 



11/28/09

Penerapan medan magnetik luar mulamula menggerakkan perbatasan wilayah, memperbesar wilayah yang searah dipol magnetiknya dengan medan luar, sambil mengecilkan wilayah dengan orientasi berbeda. Terjadi “magnetostriksi”, “magnetostriction” yang mengubah ukuran bahan (~ 10−4). Jika medan B luar makin besar, terjadi re-orientasi wilayah-wilayah, sampai semua dipol sudah searah (magnetisasinya menjadi ‘jenuh’). Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

10

Histeresis magnetik : 





11/28/09

Jika medan magnetik luar dikecilkan kembali, lalu dibalik arahnya, dst, dipol magnetik bahan akan susut dan lalu berbalik arah pula, membentuk (pada grafik B-H) suatu kurva tertutup, disebut ‘kurva, siklus histeresis’. Luas kurva tertutup itu sebanding dengan energi magnetik yang terubah menjadi energi termal. Maka bahan inti transformator sebaiknya berkurva histeresis ‘kurus’. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

11

Medan B remanen dan H koersif : 





11/28/09

B remanen besi ~1,2 tesla pada suhu ruang. Magnet keras (untuk magnet permanen, memori digital) : Br ~ 1 tesla, Hc ~ 2 – 600 kA/m. Magnet lunak (untuk inti transformator) : Br ~ 1 T, Hc ~ 1 – 320 A/m. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

12

Sumber energi termal lain, jika bahannya logam : Kurva histeresis butir memori magnetik 





11/28/09

disket, sebaiknya berkurva histeresis ‘gemuk’, agar menunjang sifat ‘digital’. Jika bahan feromagnetik ini berupa logam, juga terjadi arus listrik yang menghasilkan energi termal (“kalor Joule”). Hambat jenis Fe3O4 (magnetit, batu magnet alamiah) ~ 10 µ Ω m (bandingkan dengan besi ~ 0,06 µ Ω m).

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

13

Keramik magnetik : 





11/28/09

Sejak 1946, perusahaan Philips mengembangkan keramik yang berisi atom magnetik (unsur transisi, lantanida, aktinida). Kini keramik magnetik amat meluas pemanfaatannya. Karena isolator tidak terjadi arus pusar (“eddy currents”), sehingga lebih efisien. Hambat jenisnya 2 kΩ m – 100 MΩ m. Di samping itu, unsur lantanida dapat memberikan dipol magnetik lebih besar.

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

14

Suseptibilitas magnetik : 





11/28/09

Suseptibilitas magnetik χ m bahan paramagnetik, berbanding terbalik dengan suhu. Untuk analisis, lebih jelas digambarkan 1/χ m terhadap suhu T. Hasilnya garis lurus yang melalui titik nol di kuadran I. Untuk bahan diamagnetik, garis lurusnya di kuadran IV. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

15

Bahan feromagnetik : 

 

11/28/09

Grafik tersebut, untuk bahan feromagnetik garis lurus seperti bahan paramagnetik, tetapi memotong sumbu suhu di T positif; di bawah suhu itu, kurvanya berimpit dengan absis. Bahan ini sering berupa logam. Suhu Curie 20 – 1388 K. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

16

Bahan antiferomagneti k 





11/28/09

Grafik tersebut, berupa garis lurus seperti bahan feromagnetik, di atas suhu Néel, lalu jika suhu terus diturunkan, kurvanya naik lagi; artinya suseptibilitasnya turun lagi, menuju ke nol. Hal ini terjadi, karena dipol magnetik atom bertetangga cenderung saling berlawanan arah sehingga saling menghapuskan. Bahan ini umumnya oksida, dengan suseptibilitas magnetik 10–4 – 10–2, dan suhu Néel 67 K (MnF2) – 311 K (Cr).

Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

17

Bahan ferimagnetik : 



11/28/09

Kurvanya seperti bahan feromagnetik, tetapi jika kurva suhu tinggi diekstrapolasi ke suhu rendah, absis akan dipotong pada suhu kelvin negatif (pada bahan feromagnetik, perpotongannya di suhu positif, suhu Curie). Hal ini terjadi, karena interaksi ‘pertukaran’ antar atom oksida ini menyebabkan dipol atom yang berbeda, berlawanan arah, sehingga masih ada resultan kemagnetannya. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

18

Bahan ferimagnetik (lanjutan) : 







11/28/09

Bahannya oksida dengan >1 jenis logam, yang orientasi dipol magnetiknya berlawanan. Sifat magnetiknya dapat dimodifikasi dengan mengatur komposisi komponen oksidanya. Suseptibilitas magnetiknya antara bahan fero dan antiferomagnetik. Suhu Curie-nya 560 – 858 K. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

19

Daftar pustaka : 









11/28/09

W D Kingery, H K Bowen, D R Uhlmann. Introduction to Ceramics. 2nd ed. Wiley. 1976, 1991. C Kittel. Introduction to Solid State Physics. 6th ed. Wiley. 1986. P M Fishbane, S Gasiorowicz, S T Thornton. Physics for Scientists & Engineers. PrenticeHall. 1993. D C Giancoli. Physics : Principles with Applications. 3rd ed. Prentice-Hall. 1980. J P Schaffer, dkk. The Science & Design of Engineering Materials. 2nd ed. McGraw-Hill. 1999. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004

20