Bahan Diamagnetik.docx

BAHAN DIAMAGNETIK Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Bahan Magnet dan Superkonduktor

Disusun oleh : Diba Grace Auliya

140310150071

PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PADJADJARAN 2018

I.

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

masing atom atau molekulnya bernilai nol, tetapi orbit dan spinnya tidak nol [1]. Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet permanen, namun terdapat momen magnetik induksi yang lemah [2]. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektron-elektron dalam atom akan berubah gerakannya sedemikian hingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya berlawanan [1]. Secara sederhana, bahan diamagnetik dapat juga dikatakan sebagai bahan yang tidak dapat dipengaruhi oleh medan magnet eksternal [3]. Diamagnetisme itu sendiri adalah sifat suatu benda untuk menciptakan suatu medan magnet ketika dikenai medan magnet. Sifat ini menyebabkan efek tolak menolak. Diamagnetik adalah salah satu bentuk magnet yang cukup lemah, dengan pengecualian superkonduktor yang memiliki kekuatan magnet yang kuat. Semua material menunjukkan peristiwa diamagnetik ketika berada dalam medan magnet. Oleh karena itu, diamagnetik adalah peristiwa yang umum terjadi karena pasangan elektron, termasuk elektron inti di atom, selalu menghasilkan peristiwa diamagnetik yang lemah. Namun demikian, kekuatan magnet material diamagnetik jauh lebih lemah dibandingkan kekuatan magnet material feromagnetik ataupun paramagnetik [1].

Gambar 1. Diamagnetisme pada bahan diamagnetik [2]

Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron, sehingga semua bahan bersifat diamagnetik karena atomnya mempunyai elektron orbital. Bahan dapat bersifat magnet apabila susunan atom dalam bahan tersebut mempunyai spin elektron yang tidak berpasangan. Pada bahan diamagnetik hampir semua spin elektron berpasangan, sehingga bahan ini tidak menarik garis gaya. Permeabilitas bahan diamagnetik adalah μ < μ0 dan suseptibilitas magnetiknya χ < 0 [1,4]. Bahan diamagnetik mempunyai suseptibilitas magnetik bernilai negatif dan kecil. Hal ini menunjukkan bahwa material diamagnetik cenderung menolak medan magnetik luar. Sebagai contoh kristal silikon adalah diamagnetik dengan suseptibilitas magnetik sebesar -5,2 x 10-6. Dengan demikian permeabilitas relatif material diamagnetik sedikit lebih kecil dari satu [2]. Bahan diamagnetik sedikit ditolak oleh medan magnet dan materi tidak mempertahankan sifat magnetik ketika bidang eksternal dihapus. Dalam bahan diamagnetik semua elektron dipasangkan sehingga tidak ada magnet permanen. Sifat diamagnetik timbul dari penataan kembali dari orbit elektron dibawah pengaruh medan magnet luar [1]. Material yang disebut diamagnetik umumnya berupa benda yang disebut 'nonmagnetik', diantaranya adalah air, kayu, senyawa organik (minyak bumi dan beberapa jenis plastik), serta sebagian besar unsur logam dalam tabel periodik seperti tembaga, perak, merkuri, emas, bismut dan seng. Superkonduktor itu sendiri adalah contoh diamagnetik sempurna [1]. Contoh

aplikasi

bahan

diamagnetik

adalah

bahan

superkonduktor.

Superkonduktor ini merupakan bahan yang memiliki sifat diamagnetik sempurna. Dengan adanya sifat penolakan seluruh medan magnet luar akan meunculkan efek levitasi yang kemudian dapat diaplikasikan pada kereta super cepat yang dapat melayang disepanjang lintasannya dan memiliki kecepatan 400km/jam [2].

II. Momen Dipol dan Suseptibilitas Magnet Momen dipol magnet pada sebuah atom bebas berasal dari tiga sumber utama, yaitu: 1. Spin elektron (dari elektron yang disubsidi) 2. Orbital elektron 3. Perubahan momen magnet orbit yang diinduksi oleh medan magnet luar. Magnetisasi (M) didefinisikan sebagai momen dipol magnet (μ) per satuan volume (V) dan secara matematis dapat ditulis sebagai berikut [1]. μ

𝑀=𝑉

...(1)

Klasifikasi bahan magnetik dapat dikelompokkan berdasarkan suseptibilitas magnetiknya yang didefinisikan menurut persamaan berikut. 𝜒=

⃗⃗ 𝑀 ⃗ 𝐻

...(2)

Berdasar persamaan (2), bahan magnetik dapat diklasifikasikan menjadi diamagnetik, paramagnetik, ferromagnetik, ferrimagnetik dan antiferromagnetik. Secara umum, berdasarkan nilai suseptibilitasnya bahan dikelompokkan menjadi : 1. Bahan dengan suseptibilitas bernilai negatif disebut diamagnetik (χ < 0). 2. Bahan dengan suseptibilitas positif disebut paramagnetik (χ > 0, namum χ << 1) 3. Bahan dengan suseptibilitas positif disebut ferromagnetik (χ > 0 , dan χ >> 1) [1,5]. Suseptibilitas magnetik itu sendiri adalah sifat magnet bahan dilihat dari ukuran dasar bagaimana sifat kemagnetan suatu bahan yang ditunjukkan dengan adanya respon terhadap induksi medan magnet yang merupakan rasio antaramagnetisasi dengan intensitas medan magnet. Dengan mengetahui nilai suseptibilitas magnetik suatu bahan, maka dapat diketahui sifat-sifat magnetiklain dari bahan tersebut [4]. Bahan diamagnetik ketika berada di dalam medan magnet, maka akan terinduksi momen dipol sedemikian rupa sehingga medan magnet di dalam bahan Bi lebih kecil dibandingkan medan luar B [6]. ⃗⃗ = 𝜒 𝑚 𝐻 ⃗ 𝑀

...(3)

Gambar 2. Magnetisasi (M) sebagai fungsi dari kuat medan (H) [5]

Pada bahan diamagnetik, ketika tidak ada medan luar momen magnetiknya nol. Jika diberi pengaruh medan luar maka bahan tersebut akan menghasilkan momen magnetik dengan arah yang berlawanan. Jika medan luar diperbesar maka momen magnetik juga akan semakin besar dalam arah yang berlawanan. Menurut konsep suseptibilitas, bahan diamagnetik merupakan bahan yang memiliki suseptibilitas yang kecil dan negatif, χ ≈ -10-5 . Respon magnetiknya melawan medan magnetik luar yang menginduksinya [7].

III. Perbedaan Diamagnetik dan Paramagnetik Bahan diamagnetik dan paramagnetik dianggap nonmagnetik (magnetisasinya hanya muncul ketika ada medan magnet eksternal) [8]. Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya adalah nol, tetapi orbit dan spinnya tidak sama dengan nol. Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya tidak sama dengan nol, tetapi resultan medan magnet atomis total seluruh atom atau molekul dalam bahan adalah nol [9]. Berikut merupakan ilustrasi perbedaan diamagnetik dan paramagnetik berdasarkan nilai permeabilitas dan suseptibilitas, hubungan rapat fluks dan kuat medan magnet, serta kerentanan magnetik bahan pada suhu ruangan [8].

Tabel 1. Perbandingan Bahan Magnet Berdasarkan Nilai Permeabilitas dan Suseptibilitas [4]

Gambar 3. Grafik hubungan rapat fluks terhadap kuat medan magnet bahan diamagnetik dan paramagnetik [8]

Tabel 2. Kerentanan Magnetik pada Suhu Ruangan Bahan Diamagnetik dan Paramagnetik [8]

IV.

Contoh Bahan Diamagnetik Material yang disebut diamagnetik umumnya berupa benda yang disebut 'non-

magnetik', diantaranya adalah air, kayu, senyawa organik (minyak bumi dan beberapa jenis plastik), serta sebagian besar unsur logam dalam tabel periodik seperti tembaga, perak, merkuri, emas, bismut dan seng. Superkonduktor itu sendiri adalah contoh diamagnetik sempurna [1]. Berikut merupakan contoh bahan diamagnetik beserta nilai suseptibilitasnya. Suseptibilitas magnet diperoleh pada temperatur kamar [5].

Tabel 3. Beberapa Contoh Bahan Diamagnetik Beserta Nilai Suseptibilitasnya [5]

Adapun nilai permeabilitas dan suseptibilitas untuk beberapa contoh bahan diamagnetik, paramagnetik dan ferromagnetik dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 4. Nilai permeabilitas dan suseptibilitas beberapa bahan diamagnetik, paramagnetik dan ferromagneik [2]

V.

Kesimpulan Dari pembahasan mengenai bahan diamagnetik ini dapat disimpulkan bahwa

bahan diamagnetik adalah : 1.

Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya adalah nol.

2.

Jika solenoida dirnasukkan bahan ini, induksi magnetik yang timbul lebih kecil.

3.

Permeabilitas bahan ini adalah μ < μ0 dan suseptibilitas magnetiknya χ < 0. Contoh: bismuth, tembaga, emas, perak, seng, dll.

4.

Bentuk paling lemah dari magnetisme yang tidak permanen dan muncul ketika medan magnetik eksternal diterapkan

5.

Dipengaruhi oleh perubahan pergerakan orbit elektron karena medan magnetik

6.

Ukuran momen magnetik karena pengaruh tersebut sangat kecil dan arah berlawanan dengan medan yang diterapkan

7.

Ditemukan pada semua bahan dan dapat diobservasi saat tipe magnetisme lain tidak ada

LAMPIRAN SESI TANYA JAWAB 1.

Mengapa diamagnetik lebih sering dibandingkan dengan paramagnetik padahal karakteristiknya lebih mirip dengan antiferromagnetik? –Vani Terdapat beberapa faktor yang menyebabkan bahan diamagnetik sering dibandingkan dengan paramagnetik. Faktor-faktor tersebut diantaranya adalah karena

klasifikasi

secara

umum

bahan

magnetik

berdasarkan

nilai

suseptibilitasnya, respon bahan ketika diberi medan magnet eksternal dan klasifikasi bahan magnetik dan non-magnetik. Secara umum klasifikasi bahan magnetik berdasarkan nilai suseptibilitasnya terbagi menjadi dua, yaitu bahan dengan nilai suseptibilitas kurang dari nol (diamagnetik)

dan

bahan

dengan

nilai

suseptibilitas

lebih

dari

nol

(paramagnetik). Penggolongan bahan tersebut pertama kali dicetuskan berdasarkan Teori Langevin yang menyebutkan bahwa bahan magnetik berdasarkan nilai suseptibilitasnya terdiri dari bahan diamagnetik dan paramagnetik. Berdasarkan respon bahan ketika diberi medan magnet eksternal, bahan digolongkan menjadi dua, yaitu bahan yang merespon (ferromagnetik dan antiferromagnetik) dan bahan yang tidak merespon (paramagnetik dan diamagnetik). Terlihat bahwa paramagnetik dan diamagnetik digolongkan pada golongan yang sama. Selain itu, paramagnetik dan diamagnetik juga memiliki kesamaan dimana bahan ini termasuk ke dalam bahan non-magnetik, dimana magnetisasinya hanya muncul ketika ada medan magnet eksternal. Oleh karena kesamaan-kesamaan tersebut, maka bahan paramagnetik dan diamagnetik lebih sering dibahas pada bahasan bahan magnetik dan dibandingkan satu sama lain.

2.

Diamagnetik dianggap sebagai bahan non-magnetik, namun disebutkan di PPT bahwa magnetisasinya muncul ketika diberi medan magnet luar. Mengapa demikian? –Tiara Berdasarkan kemampuan benda menarik benda lain (sifat kemagnetan), benda diklasifikasikan menjadi bahan :

a. Magnetik

(dapat

ditarik

magnet

dengan

dengan

kuat,

contohnya

ferromagnetik), dimana magnet elementer menujukkan arah yang sama. b. Non-magnetik (ditarik lebih oleh magnet (paramagnetik), ditolak oleh magnet (diamagnetik)), dimana magnet elementer menunjukkan arah sembarangan sehingga secara keseluruhan efeknya saling meniadakan. Magnetisasi itu sendiri merupakan fenomena perubahan arah momen dipol magnet karena adanya medan magnet luar (polarisasi momen dipol magnet). Jadi, berdasarkan sifat kemagnetannya, bahan diamagnetik yang memiliki magnet elementer dengan arah sembarangan ini akan mengalami magnetisasi atau proses perubahan arah momen dipol magnet hanya jika diberi medan magnet luar. Berikut penggambaran magnetisasi pada bahan diamagnetik.

3.

Bagaimana pengaruh elektron yang berpasangan terhadap magnetisasi bahan diamagnetik? –Putri, Tiara, Husna

Menurut percobaan Oersted, efek magnetik dapat dihasilkan dari muatan listrik yang bergerak. Dimana dijelaskan bahwa pergerakan elektron mengelilingi inti dan berputar pada porosnya akan menimbulkan arus listrik. Arus yang mengalir pada kawat tertutup (loop) akan menimbulkan medan magnet yang arahnya mengikuti teori genggaman seperti pada gambar berikut.

Elektron berpasangan akan menimbulkan medan magnet yang saling meniadakan satu sama lain karena pergerakan elektronnya berlawanan satu sama lain. Hal tersebut diilustrasikan pada gambar di bawah ini.

Pergerakan elektron mengelilingi inti dan berputar pada porosnya akan memberikan kontribusi terhadap momen magnetik. Dengan adanya hilangnya momen magnet akibat elektron yang berpasangan (gerakan spin), kontribusi momen magnet hanya berasal dari pergerakan orbital elektron.

Ketika ditempatkan di medan magnet, bahan diamagnetik akan menghasilkan medan magnet sedikit yang menentang medan magnet utama. Kedua ujung batang magnet akan menolak material diamagnetik. Jika bahan diamagnetik ditempatkan di medan magnet eksternal yang kuat, kekuatan medan magnet di dalam material akan kurang dari kekuatan medan magnet di udara di sekitar material. Sedikit penurunan dalam kekuatan medan adalah hasil dari penataan kembali dalam gerakan orbit elektron. Perlakuan diamagnetik adalah dengan menggunakan teorema LARMOR : “Dalam sebuah medan magnet, gerak elektron disekitar inti adalah sama dengan gerak tanpa medan magnet, kecuali untuk superposisi dari sebuah presisi elektron dengan frekuensi sudut

Efek pemakaian sebuah medan magnet adalah untuk memperbesar atau untuk memperkecil (bergantung pada arah sirkulasi) kecepatan sudut  akan memperbesar atau memperkecil momen magnet orbital dari elektron yang bersikulasi tersebut. Suseptibilitas (kerentanan magnetik) merupakan daya tembus medan magnet per satuan volum, dimana jika bernilai negatif artinya magnetisasi yang muncul berlawanan dengan arah medan magnet yang diberikan. Telah disebutkan bahwa pada percobaan Oersted efek magnetik dapat dihasilkan oleh muatan listrik yang bergerak. Sedangkan menurut Faraday dan Henry arus listrik dapat dihasilkan dengan menggerakkan magnet. Medan magnet yang mengenai bahan akan menimbulkan respon dengan memunculkan arus dc pada permukaan sehingga terjadi peningkatan nilai magnetisasi, dimana besarnya sebanding dengan medan magnet (H) yang diberikan (M = -H)  B=M+H=0 (Keadaan diamagnetik sempurna). Akibatnya muncul efek Meissner, yaitu fenomena dimana fluks magnetik dihalau untuk tidak masuk ke bagian dalam bahan. Fenomena ini hanya berlaku jika aplikasi medan magnet yang diberikan relatif kecil. Jika medan magnet yang diberikan besar, maka fluks menembus sehingga bahan akan terbagi menjadi domain normal dan domain superkonduktor (keadaan campuran). Hal tersebut dijelaskan oleh teori medan magnet kritis.

Bahan superkonduktor (diamagnetik sempurna) itu sendiri jika berada dalam lingkungan medan magnet yang kuat medan magnetnya < medan magnet kritisnya maka mengalami efek Meissner (jika sempurna, bisa juga hanya menolak sebagian). Jika kuat medan magnet luarnya > medan magnet kritisnya maka akan berubah menjadi keadaan normal, entah itu konduktor, semikonduktor atau isolator.

4.

Fisis dari penolakan medan magnet dalam bahan seperti apa? –Alfi

5.

Apakah pemberian medan magnet yang besar akan merusak bahan diamagnetik? –Hotmas

6.

Apakah ada efek pelayangan pada bahan magnetik lainnya selain diamagnetik? –Choiry Sejauh ini efek pelayangan hanya ditemukan pada bahan diamagnetik. Efek pelayangan atau magnetic levitation ini merupakan penerapan dari efek Meissner.Efek Meissner bekerja dengan prinsip elektromagnet  melibatkan superkonduktor. Efek Meissner terjadi karena munculnya arus dc pada permukaan akibat pemberian medan magnet luar. Magnet menginduksi arus super (supercurrent) pada permukaan superkonduktor, kemudian arus super akan menginduksi medan magnetik pada superkonduktor sehingga medan magnetik yang timbul pada permukaan superkonduktor bertolakan dengan medan magnet dari magnet yang digunakan. Di bawah ini merupakan teori-teori pendukung. Teorema Earnshaw : paramagnetik tidak mungkin secara stabil melayang melawan gravitasi. Dalam servomechanism : diamagnetik dan superkonduksi memungkinkan stabilitas yang ingin dicapai Perbedaan daya angkat setiap bahan

7.

Mengapa pada bahan diamagnetik Bin
8.

Apakah perbedaan dari diamagnetik dan superkonduktor (diamagnetik sempurna)? –Arnold Perbedaan antara keduanya antara lain ada pada nilai suseptibilitasnya. Pada bahan superkonduktor, nilai suseptibilitasnya adalah -1. Sehingga bahan ini akan menolak medan magnet magnetik eksternal secara sempurna. Bahan superkonduktor juga memiliki sifat kemagnetan yang kuat dan dapat membuat

magnet melayang di atas bahan superkonduktor. Bahan superkonduktor juga bertindak sebagai diamagnet yang kuat karena melepaskan medan magnet seluruhnya dari interiornya.

9.

Bagaimana cara memunculkan sifat diamagnetik? –Eka Setiap bahan magnet memiliki sifat yang khas (berhubungan dengan kemagnetan, respon terhadap suhu dan medan magnet luar). Oleh karena itu, untuk memunculkan sifat bahan, maka perlu perlakuan yang dapat memunculkan sifat khas tersebut. Contohnya antara lain adalah pemberian suhu dan medan magnet luar.

10.

Apa suhu kritis bahan bahan diamagnetik? Berapa nilainya? –Husna Suhu kritis bahan diamagnetik adalah suhu curie. Setiap bahan baik berupa unsur maupun senyawa memiliki nilai suhu curie yang berbeda-beda.

11.

Apa saja aplikasi bahan diamagnetik? –Alfi, Vani

12.

Bagaimana penggambaran grafik B-H pada bahan diamagnetik? –Titis

DAFTAR PUSTAKA [1]

Anugrah, Tresna Emilia, dkk. 2013. Diamagnetik dan Paramagnetik. Universitas Tanjungpura: Pontianak.

[2]

Anbarsanti. 2017. EM-Waves and Materials. https://anbarsanti.staff.telkomunive rsity.ac.id/files/2017/09/07.-Medan-Elektromagnetik-Bahan-Dan-Gelombang-El ektromagnetik.pdf. Diakses pada Sabtu, 8 September 2018 pukul 18.42 WIB.

[3]

Anonim. Bab II. http://eprints.uny.ac.id/9143/3/bab%202%20-%2008306141024 .pdf. Diakses pada Sabtu, 8 September 2018 pukul 13.14 WIB.

[4] Hanifah. 2016. Pengaruh Pengkayaan Nd Pada Pembuatan Serbuk Bahan Magnet Nd2Fe14B Terhadap Struktur Kristalin, Mikrostruktur dan Sifat Magnet. Universitas Sumatera Utara : Medan. [5] Bahtiar, Ayi. 2007. Listrik Magnet II. http://phys.unpad.ac.id/wp-content/ uploads/2009/02/handout-listrik-magnet-ii.pdf.

Diakses

pada

Sabtu,

8

September 2018 pukul 13.16 WIB. [6]

Yelfianhar, Ichwan. Bahan Magnetik. https://anzdoc.com/queue/bahan-magnetik -oleh-ichwan-yelfianhar-dirangkum-dari-berbaga.html. Diakses pada Sabtu, 8 September 2018 pukul 18.54 WIB.

[7]

Anonim. Bab II. http://abstrak.ta.uns.ac.id/wisuda/upload/S911408001 bab2.pdf. Diakses pada Sabtu, 8 September 2018 pukul 13.18 WIB.

[8]

Setiawan, Iwan. 2017. Sifat-sifat Magnet. https://ee.unsoed.ac.id/~stwn/kul/tke1 31103/pbahan-2017-03.pdf. Diakses pada Sabtu, 8 September 2018 pukul 18.00 WIB.

[9] FMIPA UNIMA. 2016. Kemagnetan dalam Bahan. https://www.academia.edu/30 665354/Kemagnetan_dalam_Bahan?auto=download. Diakses pada Sabtu, 8 September 2018 pukul 13.06 WIB.