Optimasi Proses Pembuatan Hard-Magnetic Material Berbasis BaFe12O19 dengan Aditif FeMn
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Magnet
Magnet adalah suatu benda yang dibuat dari material tertentu yang
menghasilkan suatu medan magnet. Medan magnet suatu magnet adalah
daerah
sekeliling magnet dimana magnet dapat menarik atau menolak suatu
benda. Diluar daerah ini magnet tidak mempunyai pengaruh. Material
dapat
bersifat magnet dari dasarnya (alami) atau magnet buatan (magnet listrik). Pada
umumnya, material
dibuat menjadi magnet dengan mengalirkan arus listrik
melalui kawat yang dililiti pada material [Noveryanto, 2014].
Magnet merupakan suatu fenomena yang sangat menarik untuk dikaji,
karena pada material magnet dapat ditarik atau ditolak tanpa adanya sentuhan
secara langsung. Hal tersebut sudah diketahui sejak ratusan tahun yang lalu. Akan
tetapi mekanisme dan prinsip yang mendasarinya mulai dimengerti secara ilmiah
pada abad ke 18, yaitu oleh fisikawan belanda Hans Cristian Oersted membuat
suatu eksperimen yang menerangkan adanya efek-efek magnet yang dialiri arus
listrik [Muklisin, 2013].
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 (1 weber/m2 = 1 tesla)
yang mempengaruhi luasan satu meter persegi [Afza, 2011].
2.2 Sifat-sifat Magnet
Sifat-sifat yang terdapat dalam benda magnetik di antaranya:
2.2.1 Koersivitas
Koersivitas (H) adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi
Universitas Sumatera Utara
medan berkekuatan B dalam material yang digunakan untuk membedakan hard
magnet atau soft magnet. Semakin besar gaya koersivitasnya maka semakin tinggi
sifat magnetnya. Bahan dengan koersivitas tinggi berarti tidak mudah hilang
kemagnetannya. Untuk menghilangkan kemagnetannya diperlukan intensitas
magnet yang besar. Nilai dari medan magnet H yang digunakan dalam magnet
permanen secara umum jauh lebih besar dari pada dalam bahan soft magnet.
2.2.2 Remanen
Remanen adalah sisa medan magnet B dalam proses magnetisasi pada saat medan
magnet H berharga nol dan medan magnet B menunjukkan harga tertentu.
Koersivitas pada magnet permanen akan menjadi kecil, jika remanensi dalam
magnetisasi kecil. Besar nilai remanensi yang dikombinasikan dengan koersivitas
akan menjadi sangat penting.
2.2.3 Saturasi Magnetisasi
Saturasi magnetisasi adalah keadaan dimana terjadi kejenuhan, nilai medan
magnet B akan selalu konstan walaupun medan magnet H selalu bertambah.
Remanensi bergantung pada saturasi magnetisasi dan saturasi magnet permanen
lebih besar daripada soft magnet. Kerapatan dari bahan ferit lebih rendah
dibandingkan logam lain dengan ukuran yang sama. Nilai saturasi dari ferit relatif
rendah, sehingga mudah dihilangkan.
2.2.4 Medan Anisotropi
Medan Anisotropi (HA), juga merupakan nilai instrinsik yang sangat penting dari
magnet permanen karena nilai ini dapat didefenisikan sebagai koersivitas
maksimum yang menunjukkan besar medan magnet luar yang diberikan dengan
arah berlawanan untuk menghilangkan medan magnet permanen. Anisotropi salah
satu metode dalam pembuatan magnet, dimana hal ini dilakukan untuk
menyearahkan domain daripada magnet tersebut. Dalam proses pembentukan
magnet dengan anisotropi dilakukan dalam medan magnet sehingga partikelpertikel pada magnet terorientasi dan umumnya dilakukan dengan cara basah.
Anisotropi pada magnet dapat muncul disebabkan oleh beberapa faktor
seperti bentuk magnet, striktur kristal, efek stress dan sebagainya. Anisotropi
kristal banyak dimiliki oleh material feromagnetik yang disebut sebagai
Magnetocrystalline Anisotropy, yaitu bahan magnet yang mempunyai sumbu
Universitas Sumatera Utara
mudah (easy axis) sehingga mudah dimagnetisasi (soft magnetic). Spin momen
magnet terarah dan searah dengan sumbu mudah ini. Pada keadaan stabil, energi
total magnet atau magnetisasi kristal sama dengan sumbu mudah. Selain itu, ada
juga yang disebut juga dengan hard magnetic dimana diperlukan suatu energi
yang merubah verktor dari sumbu mudah ke sumbu keras (hard axis).
2.2.5 Temperatur Curie (Tc)
Temperatur Curie (Tc) didefinisikan sebagai temperatur kritis dimana fase
magnetik bertransisi dari konfigurasi struktur magnetik yang teratur menjadi tidak
teratur [Silitonga, 2016].
2.3 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 diamagnetik,
paramagnetik, dan ferromagnetik.
2.3.1 Bahan Diamagnetik
Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masingmasing atom/molekulnya adalah nol, tetapi medan magnet akibat orbit dan spin
elektronnya tidak nol. Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet
permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektronelektron 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 iniμ <
0
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.
Universitas Sumatera Utara
2.3.2 Bahan Paramagnetik
Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masingmasing 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. 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 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 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 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 10-5 sampai 10-3 m3/Kg, sedangkan permeabilitasnya
adalah
>
0.
Contoh bahan paramagnetik: alumunium, magnesium dan
wolfram.
Universitas Sumatera Utara
2.3.3 Bahan Ferromagnetik
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. 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
>>
0
dengan suseptibilitas bahan μ χm >> 0. Contoh bahan ferromagnetik: besi, baja.
Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik akan hilang pada temperatur Currie.
Temperatur Currie untuk besi lemah adalah 770oC dan untuk baja adalah 1043oC.
Sifat bahan ferromagnetik biasanya terdapat dalam bahan ferit. Ferit merupakan
bahan dasar magnet permanen yang banyak digunakan dalam industri-industri
elektronika, seperti dalam loudspeaker, motor-motor listrik,dinamo dan KWHmeter [Afza, 2011].
Universitas Sumatera Utara
2.4 Jenis-jenis Material Magnet
2.4.1 Material Magnetik Keras
Material magnetik keras (hard magnetic material) dipandang sebagai magnet
permanen, material yang saturasi secara magnet. Salah satu faktor yang penting
dalam magnet permanen adalah remanensi magnetik material. Penomena ini
terjadi bila medan magnet yang ada dipindahkan dan sebagian magnetisasi jenuh
masih ada. Pada tingkat tertentu diperlukan energi untuk memaksa domain
kembali ke kondisi semula. Hard magnet memiliki nilai koersivitas >100kA/m
(>1256,6 Oe) [Slusarek B, 2001]. Material magnetik keras dapat diaplikasikan
pada electroacoustic, seperti pada loudspeaker, mikropon, atau earphone
[Bement, A.L., et al. 1985].
2.4.2 Material Magnetik Lunak
Material magnetik lunak (soft magnetic material) hanya memerlukan sedikit
medan magnet untuk membuatnya menjadi magnet. Material ini mempunyai
koersivitas rendah dan sekali medan magnetnya hilang, kerapatan fluks akan
menjadi nol. Rangkaian arus bolak-balik atau searah dapat digunakan untuk
membangkitkan medan magnet atau menghasilkan suatu gaya. Nilai koersivitas
untuk bahan soft magnet yaitu
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Magnet
Magnet adalah suatu benda yang dibuat dari material tertentu yang
menghasilkan suatu medan magnet. Medan magnet suatu magnet adalah
daerah
sekeliling magnet dimana magnet dapat menarik atau menolak suatu
benda. Diluar daerah ini magnet tidak mempunyai pengaruh. Material
dapat
bersifat magnet dari dasarnya (alami) atau magnet buatan (magnet listrik). Pada
umumnya, material
dibuat menjadi magnet dengan mengalirkan arus listrik
melalui kawat yang dililiti pada material [Noveryanto, 2014].
Magnet merupakan suatu fenomena yang sangat menarik untuk dikaji,
karena pada material magnet dapat ditarik atau ditolak tanpa adanya sentuhan
secara langsung. Hal tersebut sudah diketahui sejak ratusan tahun yang lalu. Akan
tetapi mekanisme dan prinsip yang mendasarinya mulai dimengerti secara ilmiah
pada abad ke 18, yaitu oleh fisikawan belanda Hans Cristian Oersted membuat
suatu eksperimen yang menerangkan adanya efek-efek magnet yang dialiri arus
listrik [Muklisin, 2013].
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 (1 weber/m2 = 1 tesla)
yang mempengaruhi luasan satu meter persegi [Afza, 2011].
2.2 Sifat-sifat Magnet
Sifat-sifat yang terdapat dalam benda magnetik di antaranya:
2.2.1 Koersivitas
Koersivitas (H) adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi
Universitas Sumatera Utara
medan berkekuatan B dalam material yang digunakan untuk membedakan hard
magnet atau soft magnet. Semakin besar gaya koersivitasnya maka semakin tinggi
sifat magnetnya. Bahan dengan koersivitas tinggi berarti tidak mudah hilang
kemagnetannya. Untuk menghilangkan kemagnetannya diperlukan intensitas
magnet yang besar. Nilai dari medan magnet H yang digunakan dalam magnet
permanen secara umum jauh lebih besar dari pada dalam bahan soft magnet.
2.2.2 Remanen
Remanen adalah sisa medan magnet B dalam proses magnetisasi pada saat medan
magnet H berharga nol dan medan magnet B menunjukkan harga tertentu.
Koersivitas pada magnet permanen akan menjadi kecil, jika remanensi dalam
magnetisasi kecil. Besar nilai remanensi yang dikombinasikan dengan koersivitas
akan menjadi sangat penting.
2.2.3 Saturasi Magnetisasi
Saturasi magnetisasi adalah keadaan dimana terjadi kejenuhan, nilai medan
magnet B akan selalu konstan walaupun medan magnet H selalu bertambah.
Remanensi bergantung pada saturasi magnetisasi dan saturasi magnet permanen
lebih besar daripada soft magnet. Kerapatan dari bahan ferit lebih rendah
dibandingkan logam lain dengan ukuran yang sama. Nilai saturasi dari ferit relatif
rendah, sehingga mudah dihilangkan.
2.2.4 Medan Anisotropi
Medan Anisotropi (HA), juga merupakan nilai instrinsik yang sangat penting dari
magnet permanen karena nilai ini dapat didefenisikan sebagai koersivitas
maksimum yang menunjukkan besar medan magnet luar yang diberikan dengan
arah berlawanan untuk menghilangkan medan magnet permanen. Anisotropi salah
satu metode dalam pembuatan magnet, dimana hal ini dilakukan untuk
menyearahkan domain daripada magnet tersebut. Dalam proses pembentukan
magnet dengan anisotropi dilakukan dalam medan magnet sehingga partikelpertikel pada magnet terorientasi dan umumnya dilakukan dengan cara basah.
Anisotropi pada magnet dapat muncul disebabkan oleh beberapa faktor
seperti bentuk magnet, striktur kristal, efek stress dan sebagainya. Anisotropi
kristal banyak dimiliki oleh material feromagnetik yang disebut sebagai
Magnetocrystalline Anisotropy, yaitu bahan magnet yang mempunyai sumbu
Universitas Sumatera Utara
mudah (easy axis) sehingga mudah dimagnetisasi (soft magnetic). Spin momen
magnet terarah dan searah dengan sumbu mudah ini. Pada keadaan stabil, energi
total magnet atau magnetisasi kristal sama dengan sumbu mudah. Selain itu, ada
juga yang disebut juga dengan hard magnetic dimana diperlukan suatu energi
yang merubah verktor dari sumbu mudah ke sumbu keras (hard axis).
2.2.5 Temperatur Curie (Tc)
Temperatur Curie (Tc) didefinisikan sebagai temperatur kritis dimana fase
magnetik bertransisi dari konfigurasi struktur magnetik yang teratur menjadi tidak
teratur [Silitonga, 2016].
2.3 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 diamagnetik,
paramagnetik, dan ferromagnetik.
2.3.1 Bahan Diamagnetik
Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masingmasing atom/molekulnya adalah nol, tetapi medan magnet akibat orbit dan spin
elektronnya tidak nol. Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet
permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektronelektron 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 iniμ <
0
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.
Universitas Sumatera Utara
2.3.2 Bahan Paramagnetik
Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masingmasing 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. 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 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 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 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 10-5 sampai 10-3 m3/Kg, sedangkan permeabilitasnya
adalah
>
0.
Contoh bahan paramagnetik: alumunium, magnesium dan
wolfram.
Universitas Sumatera Utara
2.3.3 Bahan Ferromagnetik
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. 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
>>
0
dengan suseptibilitas bahan μ χm >> 0. Contoh bahan ferromagnetik: besi, baja.
Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik akan hilang pada temperatur Currie.
Temperatur Currie untuk besi lemah adalah 770oC dan untuk baja adalah 1043oC.
Sifat bahan ferromagnetik biasanya terdapat dalam bahan ferit. Ferit merupakan
bahan dasar magnet permanen yang banyak digunakan dalam industri-industri
elektronika, seperti dalam loudspeaker, motor-motor listrik,dinamo dan KWHmeter [Afza, 2011].
Universitas Sumatera Utara
2.4 Jenis-jenis Material Magnet
2.4.1 Material Magnetik Keras
Material magnetik keras (hard magnetic material) dipandang sebagai magnet
permanen, material yang saturasi secara magnet. Salah satu faktor yang penting
dalam magnet permanen adalah remanensi magnetik material. Penomena ini
terjadi bila medan magnet yang ada dipindahkan dan sebagian magnetisasi jenuh
masih ada. Pada tingkat tertentu diperlukan energi untuk memaksa domain
kembali ke kondisi semula. Hard magnet memiliki nilai koersivitas >100kA/m
(>1256,6 Oe) [Slusarek B, 2001]. Material magnetik keras dapat diaplikasikan
pada electroacoustic, seperti pada loudspeaker, mikropon, atau earphone
[Bement, A.L., et al. 1985].
2.4.2 Material Magnetik Lunak
Material magnetik lunak (soft magnetic material) hanya memerlukan sedikit
medan magnet untuk membuatnya menjadi magnet. Material ini mempunyai
koersivitas rendah dan sekali medan magnetnya hilang, kerapatan fluks akan
menjadi nol. Rangkaian arus bolak-balik atau searah dapat digunakan untuk
membangkitkan medan magnet atau menghasilkan suatu gaya. Nilai koersivitas
untuk bahan soft magnet yaitu