DEFINISI MAGNET SECARA UMUM NANOMAGNETIK

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 DEFINISI MAGNET SECARA UMUM

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 Tesla dan SI unit untuk total fluks magnetik adalah weber 1weberm 2 = 1 tesla yang mempengaruhi luasan satu meter persegi. Halliday, 1978

2.2 JENIS BAHAN MAGNET

Bahan magnetik adalah suatu bahan yang memiliki sifat kemagnetan dalam komponen pembentuknya. Menurut sifatnya terhadap adanya pengaruh kemagnetan, bahan dapat digolongkan menjadi 5 yaitu:

2.2.1 BAHAN DIAMAGNETIK

Bahan diamagnetik merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas negatif dan sangat kecil. Sifat diamagnetik ditemukan oleh faraday pada tahun 1846 ketika sekeping bismuth ditolak oleh kedua kutub magnet, hal ini memperlihatkan bahwa Universitas Sumatera Utara medan induksi dari magnet tersebut menginduksi momen magnetik pada bismuth pada arah berlawanan dengan medan induksi pada magnet. Tipler, 1991 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.Contoh bahan diamagnetik yaitu: bismut, perak, emas, tembaga dan seng.Permeabilitas bahan diamagnetik adalah 0 dan suseptibilitas magnetiknya χm 0. HallidayResnick,1978

2.2.2 BAHAN PARAMAGNETIK

Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing- masing atom atau molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet atomis total seluruh atau molekul dalam bahan adalah nol. Hal ini disebabkan karena gerakan atom atau molekul acak, sehingga resultan medan magnet atomis masing-masing atom saling meniadakan. Bahan ini jika diberi magnet luar, maka elektron- elektronnya akan berusaha sedemikian rupa sehingga resultan medan magnet atomis searah dengan medan magnet luar. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnet luar. Permeabilitas bahan paramagnetik adalah 0 dan suseptibilitas magnetiknya χm 0. Contoh bahan paramagnetik adalah alumunium, magnesium, dan wolfram. willian, 2003. Gambar 2.1 Arah domain-domain dalam bahan paramagnetik 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 Universitas Sumatera Utara magnet luar. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnet luar. Gambar 2.2 Arah domain dalam bahan paramagnetik setelah diberimedan magnet luar

2.2.3 BAHAN FERROMAGNETIK

Bahan feromagnetik adalah bahan yang mempunyai resultan medan atomis besar. Hal ini terutama disebabkan oleh momen magnetik spin elektron. Pada bahan feromagnetik banyak spin elektron tidak berpasangan, misalnya pada atom besi terdapat empat buah spin elektron yang tidak berpasangan. Masing-masing spin leektron yang tidak berpasangan ini akan memberikan medan magnetik, sehingga total medan magnetik yang dihasilkan oleh suatu atom lebih besar. Medan magnet dari masing-masing atom dalam bahan feromagnetik sangat kuat, sehingga interaksi antara atom tetangganya menyebabkan sebagian besar atom akan mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok. Kelompok atom yang menyejajarkan dirinya dalam suatu daerah dinamakan domain. Bahan feromagnetik sebelum diberi medan magnet luar mempunyai domain yang momen magnetiknya kuat, tetapi momen magnetik ini mempunyai arah yang berbeda-beda dari satu domain ke domain yang lain sehingga medan magnet yang dihasilkan tiap domain saling meniadakan. Bahan feromagnetik jika diberi medan magnet dari luar, maka domain-domain ini akan mensejajarkan diri searah dengan medan magnet luar. Semakin kuat medan magnetnya semakin banyak domain- domain yang mensejajarkan dirinya. Akibatnya medan magnet dalam bahan feromagnetik akan kuat semakin kuat. Setelah seluruh domain terarahkan, penambahan medan magnet luar tidak memberi pengaruh apa-apa karena tidak ada lagi domain yang disearahkan. Keadaan ini dinamakan keadaan jenuh atau saturasi. Permeabilitas bahan feromagnetik adalah 0 dan suseptibilitas magnetiknya χm 0. Contoh bahan feromagnetik adalah besi, baja, besi silicon, dan lain-lain. Universitas Sumatera Utara Sifat kemagnetan bahan feromagnetik ini akan hilang pada temperature yang disebut temperature Curie. Temperatur Curie untuk besi lemah adalah 770°C dan untuk baja adalah 1043°C. Tipler, 1991 Gambar 2.3 Momen Magnetik Dari Sifat Ferromagnetik 2.1 Tabel perbandingan bahan magnet Jenis Bahan Permeabilitas Suseptibilitas Diamagnetik χ m Paramagnetik χ m Ferromagnetik χ m

2.2.4 BAHAN ANTIFERROMAGNETIK

Jenis ini memiliki arah domain yang berlawanan arah dan sama pada kedua arah. Arah domain magnet tersebut berasal dari jenis atom sama pada suatu kristal. Pada unsur dapat ditemui pada unsur cromium, tipe ini memiliki arah domain yang menuju dua arah dan saling berkebalikan. Jenis ini memiliki temperature curie yang rendah sekitar 37 ºC untuk menjadi paramagnetik. Gambar 2.4. Arah domain dalam bahan anti ferromagnetik Pada bahan anti ferromagnetik terjadi peristiwa kopling mome magnetik diantara atom-atom atau ion –ion yang berdekatan. Peristiwa kopling tersebut menghasilkan terbentuknya orientasi spin yang antiparalel. Suseptibilitas bahan anti ferromagnetik adalah kecil dan bernilai positif. Contoh bahan anti ferromagnetic: MnO2,MnO,dan FeO. Nicola,2003. Universitas Sumatera Utara

2.2.5 BAHAN FERRIMAGNETIK

Pada bahan yang bersifat dipol yang berdekatan memiliki arah yang berlawanan tetapi momen magnetiknya tidak sama besar. Bahan ferrimagnetik memiliki nilai susepbilitas tinggi tetapi lebih rendah dari bahan ferromagnetik, beberapa contoh dari bahan ferrimagnetik adalah ferrite dan magnetite. Mujiman, 2004 Gambar 2.5 Momen Magnet Dari Sifat Ferimagnetik

2.3 TEORI MAGNET

2.3.1 HISTERESIS MAGNET

Magnet biasanya dibagi atas dua kelompok yaitu: magnet lunak dan magnet keras. Magnet keras dapat menarik bahan lain yang bersifat magnet. Selain itu sifat kemagnetannya dapat dianggap cukup kekal. Magnet lunak dapat bersifat magnetik dan dapat menarik magnet lainnya. Namun, hanya memiliki sifat magnet apabila berada dalam medan magnet dan sifat kemagnetannya tidak kekal. Perbedaan antara magnet permanen atau magnet keras dan magnet lunak dapat dilakukan dengan menggunakan loop histerisis yang telah dikenal seperti pada gambar 2.6. Dikatakan bahwa, induksi magnet, B meningkat. Dengan sendirinya, jumlah induksi tergantung pada medan magnet dan jenis bahan. Pada contoh Gambar 2.6, rasio BH tidak linear, terjadi lompatan induksi mencapai level yang tinggi, kemudian rasio tersebut hampir konstan dalam medan yang lebih kuat. a b c Gambar 2.6 Kurva Magnetisasi Universitas Sumatera Utara a. Induksi awal B versus medan magnet H. b. Loop histerisis magnet lunak. c. Loop histerisis magnet keras. Baik induksi remanen rapat fluks dan medan koersif, B dan –H C masing- masing, besar untuk magnet keras. Hasil perkalian BH merupakan patokan untuk energi demagnetisasi. Pada magnet lunak, terjadi penurunan kembali yang hampir sempurna jika medan magnet ditiadakan. Medan magnet bolak-balik akan menghasilkan kurva simetris dikuadran ketiga. Kurva histerisis magnet permanen sangat berbeda. Bila medan magnet ditiadakan, induksi tersisa akan menghasilkan induksi remanen, B r . Medan yang berlawanan, yang disebut medan koersif, -H C , diperlukan sebelum induksi turun menjadi nol. Sama dengan magnet lunak, loop tertutup dari magnet memiliki simetri 180 o . Karena hasil kali medan magnet Am dan induksi V.detm 2 merupakan energi per satuan volume Jm 3 disebut dengan energi produk maksimum BH max , luas daerah hasil integrasi di dalam loop histerisis adalah sama dengan energi yang diperlukan untuk siklus magnetisasi mulai dari 0 sampai +H hingga –H sampai 0. Energi yang dibutuhkan magnet lunak dapat diabaikan, magnet kerasmemerlukan energi lebih banyak sehingga kondisi-ruang, demagnetisasi dapat diabaikan. Dikatakan dengan magnetisasi permanen. Magnet permanen dapat diberi indeks berdasarkan medan koersif yang diperlukan untuk menghilangkan induksi. Patokan ukuran yang lebih baik adalah hasil kali BH. Hasil kali BH maksimum lebih sering digunakan karena merupakan barier energi kritis yang harus dilampaui. 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 permeabilitas maksimum tinggi. Baik induksi remanen rapat fluks dan medan koersif, B dan –H C masing-masing, besar untuk magnet keras. Hasil perkalian BH merupakan patokan untuk energi demagnetisasi. Pada magnet lunak, terjadi penurunan kembali yang hampir sempurna jika medan magnet ditiadakan. Medan magnet bolak-balik akan menghasilkan kurva Universitas Sumatera Utara simetris dikuadran ketiga. Kurva histerisis magnet permanen sangat berbeda. Bila medan magnet ditiadakan, induksi tersisa akan menghasilkan induksi remanen, B r . Medan yang berlawanan, yang disebut medan koersif, -H C , diperlukan sebelum induksi turun menjadi nol. Sama dengan magnet lunak, loop tertutup dari magnet memiliki simetri 180 o . Karena hasil kali medan magnet Am dan induksi V.detm 2 merupakan energi per satuan volume Jm 3 disebut dengan energi produk maksimum BH max , luas daerah hasil integrasi di dalam loop histerisis adalah sama dengan energi yang diperlukan untuk siklus magnetisasi mulai dari 0 sampai +H hingga –H sampai 0. Energi yang dibutuhkan magnet lunak dapat diabaikan, magnet kerasmemerlukan energi lebih banyak sehingga kondisi-ruang, demagnetisasi dapat diabaikan. Dikatakan dengan magnetisasi permanen. Magnet permanen dapat diberi indeks berdasarkan medan koersif yang diperlukan untuk menghilangkan induksi. Patokan ukuran yang lebih baik adalah hasil kali BH. Hasil kali BH maksimum lebih sering digunakan karena merupakan barier energi kritis yang harus dilampaui. 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 permeabilitas maksimum tinggi. Van Vlack, 1984

2.3.2 SUSEPTIBILITAS MAGNET

Suseptibilitas magnetik adalah ukuran dasar bagaimana sifat kemagnetansuatu bahan yang merupakan sifat magnet 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 magnetik lain dari bahan tersebut. χ m adalah suseptibilitas magnet bahan besaran tidak berdimensi. Apabila logam ditempatkan dalam medan magnetik berkekuatan H, maka medan induksi dalam logam adalah: B = H + 4πI ….................................………………………………………….2.1 Dimana I adalah intensitas magnetisasi. Besaran I merupakan sifat karakteristik logam, dan berkaitan dengan suseptibilitas per satuan volume logam yang didefenisikan sebagai berikut Universitas Sumatera Utara = ……………….....……..............................................…………………...2.2 Logam yang memiliki negatif, seperti seperti tembaga, perak, emas, dan bismut, ditolak oleh medan dan disebut material diamagnetik. Logam umumnya memiliki nilai positif berarti mengalami gaya tarik medan, bersifat paramagnetik jika kecilatau ferromagnetik jika sangat besar. Hanya empat logam murni- besi, kobalt, dan nikel dari seri transisi, dan gadolinium dari seri tanah jarang bersifat ferromagnetik = 1000 pada temperatur ruang, tetapi ada beberapa paduan ferromagnetik bahkan beberapa diantaranya tidak mengandung logam yang bersifat ferromagnetik. Smallman,R.E. 2000

2.3.3 MAGNETISASI

Magnetisasi adalah sebuah proses ketika sebuah materi yang ditempatkan dalam suatu bidang magnetik akan menjadi magnet. Proses ini ditentukan oleh jenis bahan yang disesuaikan dengan kekuatan medan magnet. Pada sebagian besar bahan, proses magnetisasi sangat kecil. Bahan yang menghasilkan magnetisasi kuat sekalipun berada di medan magnet yang lemah disebut feromagnetik. Bahan feromagnetik terdiri dari dua bidang kecil yaitu kompleks weiss dan bidang- bidang elementer. Bahan tersebut akan mengalami magnetisasi tinggi karena sumbu- sumbu perputaran elektronnya sejajar. Faktor lain yang melemahkan magnetisasi adalah pengarahan kompleks weiss pada bahan yang sembarangan. Misalnya terjadi pada sebuah batang besi yang dimagnetisasi namun arah kompleks weiss sembarangan maka besi tersebut tidak akan menjadi magnet atau tidak mengalami magnetisasi. Pengarahan kompleks weiss yang benar adalah terarah sejajar dengan medan bahan yang akan dimagnetisasi. Magnetisasi akan terjadi jika semua bidang bahan sudah terbentuk dan bahan tersebut sudah dikatakan jenuh. Vektor intensitas medan magnetik H yang melakukan fungsi magnetisasi itu harus memenuhi syarat harga yang sama atau lebih besar daripada harga jenuh H bahan ferromagnetik, yang dapat diamati dari kurva B-H histeresisnya. Hubungan B, H, dan M ditunjukkan oleh persamaan berikut ini: B = µH = µ µ r H = µ 1+χ m H ........................................................ 2.3 Vektor magnetisasi: M = χ m H ........................................................................................... 2.4 Universitas Sumatera Utara Dimana χ m = suseptibilitas magnetik = µ r – 1, tidak memiliki dimensi, dan µ r adalah permeabilitas relatif bahan tidak memiliki dimensi. Nilai suseptibilitas magnetik suatu bahan dipengaruhi suhu. Halliday Resnick, 1978

2.3.4 MAGNET PERMANEN

Magnet Permanen adalah suatu bahan yang dapat menghasilkan medan magnetyang besarnya tetap tanpa adanya pengaruh dari luar atau disebut magnet alam karenamemiliki sifat kemagnetan yang tetap. Jenis magnet permanen yang diketahui terdapatpada : 1. Magnet Neodymium, merupakan magnet tetap yang paling kuat. Magnet neodymium juga dikenal sebagai NdFeB, NIB, atau magnet Neo, merupakan sejenis magnet tanah jarang terbuat dari campuran logam neodymium. 2. Magnet Samarium – Cobalt : salah satu dari dua jenis magnet bumi yang langka, merupakan magnet permanen yang kuat tebuat dari paduan samarium cobalt. 3. Magnet Keramik, misalnya Barium Hexaferrite . 4. Plastic Magnet dan Magnet Alnico. Tabel 2.2. Perbandingan Karakteristik Magnet Permanen.Irasari Idayanti,2007 Material Induksi RemanenBrT KoersifitasHc MAm EnergiProduk BHmax SrFerit 0,43 0,20 34 Alnico 5 1,27 0,05 44 Sm 2 Co 17 1,05 1,30 208 Nd 2 Fe 14 B 1,36 1,03 350

2.4 NANOMAGNETIK

Nanomagnet adalah sistem submicrometrik yang menyajikan rangka magnetik spontan magnetisasi pada nol medan magnet diterapkan remanence. Ukuran kecil dari nanomagnets mencegah pembentukan domain. Dinamika magnetisasi nanomagnets cukup kecil pada suhu rendah, biasanya magnet-molekul tunggal, menyajikan fenomena kuantum, seperti makroskopik berputar tunneling. Pada suhu yang lebih besar, magnetisasi mengalami fluktuasi termal acak Universitas Sumatera Utara superparamagnetis yang menyajikan batas untuk penggunaan nanomagnetik untuk penyimpanan informasi permanen.Contoh nanomagnets adalah biji-bijian dari logam feromagnetik besi, kobalt, dan nikel dan magnet-molekul tunggal. Sebagian besar nanomagnets memiliki logam transisi titanium, vanadium, kromium, mangan, besi , kobalt atau nikel atau tanah jarang Gadolinium, Europium, Erbium atom magnetik. Sebuah nanomagnet bisa telah ditingkatkan sifat elektronik karena efek ukuran, seperti spin lama waktu relaksasi konduksi elektron, yang mungkin berguna untuk perangkat spintronic nano-skala. Halliday, 1978

2.5 MAGNET PERMANEN NdFeB