Sifat magnetik bahan 4 sks 2 jam tatap

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. 3/9/2021 Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004 1

Sifat magnetik bahan : n n 3/9/2021 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 n n 3/9/2021 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 n magnetik, yang kerapatannya sebanding dengan besar medan magnetiknya, ‘garis medan ini agak ditolak-masuk oleh bahan’. Hanya superkonduktor mampu menolaktotal masuknya garis medan magnetik (“Efek Meissner”). 3/9/2021 Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004 4

Sifat paramagnetik bahan : n n 3/9/2021 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 : Dengan visualisasi garis medan n 3/9/2021 magnetik, ‘garis medan ini seolah ditarikmasuk oleh bahan’. Proporsi pertambahan rapat garis medan digambarkan oleh ‘suseptibilitas magnetik’ 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 : n n 3/9/2021 Air, dan tembaga, logam umumnya (diamagnetik) ~ – 10– 5 - – 10– 4 Natrium, Aluminium (paramagnetik) ~ +10– 5 - +10– 3 Besi (Fe; feromagnetik) ~ +103 ‘Permalloy’ (besi-nikel Fe 55 -Ni 45) ~ +104 Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004 7

Sifat feromagnetik bahan : n n n 3/9/2021 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 ~770 o. C; bagi bahan feromagnetik lain (logam, oksida), suhu ini berkisar antara 16 K – 1115 o. C. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004 8

‘Wilayah, domain magnetik : n n 3/9/2021 Dalam rangka mengecilkan energi bahan, terbentuk wilayah/domain magnetik (“wilayah Weiss”) dalam bahan, berukuran ~ mm - m. Perbatasan wilayah (“dinding Bloch”) bertebal ~ 0, 1 m, dan dapat bergerak oleh pengaruh medan magnetik luar. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004 9

Pergerakan wilayah magnetik : n n 3/9/2021 Penerapan medan magnetik luar mula 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 : n n n 3/9/2021 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 : n n n 3/9/2021 B remanen besi ~1, 2 tesla pada suhu ruang. Magnet keras (untuk magnet permanen, memori digital) : Br ~ 1 tesla, Hc ~ 2 – 600 k. A/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 : n n n 3/9/2021 Kurva histeresis butir memori magnetik 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 Fe 3 O 4 (magnetit, batu magnet alamiah) ~ 10 m (bandingkan dengan besi ~ 0, 06 m). Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004 13

Keramik magnetik : n n n 3/9/2021 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 k m – 100 M m. Di samping itu, unsur lantanida dapat memberikan dipol magnetik lebih besar. Fisika Dasar II - Sifat listrik & magnetik bahan - Nov 2004 14

Suseptibilitas magnetik : n n n 3/9/2021 Suseptibilitas magnetik m bahan paramagnetik, berbanding terbalik dengan suhu. Untuk analisis, lebih jelas digambarkan 1/ 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 : n n n 3/9/2021 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 antiferomagnetik n n n 3/9/2021 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. Fisika Néel 67 II -KSifat(Mn. F Dasar listrik &2) – 311 K (Cr). magnetik bahan - Nov 2004 17

Bahan ferimagnetik : n n 3/9/2021 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) : n n 3/9/2021 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 : n n n 3/9/2021 W D Kingery, H K Bowen, D R Uhlmann. Introduction to Ceramics. 2 nd ed. Wiley. 1976, 1991. C Kittel. Introduction to Solid State Physics. 6 th ed. Wiley. 1986. P M Fishbane, S Gasiorowicz, S T Thornton. Physics for Scientists & Engineers. Prentice-Hall. 1993. D C Giancoli. Physics : Principles with Applications. 3 rd ed. Prentice-Hall. 1980. J P Schaffer, dkk. The Science & Design of Engineering Materials. 2 nd ed. Mc. Graw Dasar II - Sifat listrik & -Hill. Fisika 1999. 20 magnetik bahan - Nov 2004