Asal-usul sifat
magnetik
Benda magnet mempunyai kemampuan menarik
benda-benda lain yang lebih ringan ke arah dirinya. Dalam hal ini ada magnet
permanen atau magnet tetap, artinya kemampuan menarik ini tidak lenyap, dan
magnet sementara artinya kemampuan menarik menjadi lenyap jika penyebab
timbulnya sifat magnet dihilangkan. Misalnya, logam yang dililiti kumparan arus
listrik menjadi magnet yang kemudian disebut sebagai elektromagnet. Namun, jika
arus listrik dihilangkan maka sifat magnet menjadi hilang pula. Pada logam
transisi pun juga memiliki sifat magnetik yaitu sifat diamagnetik, paramagnetik,
feromagnetik ,dan antiferomagnetik.
Pada tabel periodik unsur di atas,
terlihat bahwa sebagian besar unsur bersifat paramagnetik dan diamagnetik,
sedangkan material yang bersifat feromagnetik dan antiferomagnetik hanya
ditemukan sedikit didalam unsur murni. Untuk material yang memiliki sifat
ferimagnetik hanya ditemukan dalam senyawa, seperti campuran oksida yang
disebut ferrite yang berasal dari ferimagnetik.
Klasifikasi
bahan magnet
Berdasarkan sifat kemagnetannya
bahan dapat diklasifikasikan kedalam 5 jenis yaitu Diamagnetik, paramagnetik, ferromagnetik, antiferromagnetik
dan ferimagnetik.
1.
Sifat Diamagnetik
Diamagnetik adalah sifat yang selalu
dimiliki oleh setiap atom dalam materi atau senyawa tanpa memandang tipe sifat
magnetik total dari senyawa yang bersangkutan. Sifat ini hanya muncul jika ada
medan magnetik dari luar yang dikenakan pada atom yang bersangkutan sehingga
terjadi interaksi antara medan magnetik luar dengan medan terinduksi dalam
kulit-kulit yang terisi penuh elektron.
Medan terinduksi harus melawan medan
magnetik luar sejauh mungkin untuk melenyapkan interaksi tersebut sehingga
suseptibilitas (kerentanan) diamagnetik berharga negative, sehingga besaran B dalam bahan diamagnetik lebih
kecil daripada dalam vakum. Jika disimpan diantara kutub-kutub dari
electromagnet yang kuat, material diamagnetik akan ditarik ke daerah yang
bermedan lemah. Besarnya momen magnetik yang diinduksikan sangat kecil, dan permeabilitas
relatif (μr) lebih kecil dari satu.
Bahan diamagnetik adalah bahan yang
resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya nol, tetapi
orbit dan spinnya tidak nol (Halliday & Resnick, 1989). Bahan diamagnetik
tidak mempunyai momen dipol magnet permanen. 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.
Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron sehingga
semua bahan bersifat diamagnetik karena atomnya mempunyai orbital elektron.
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. Bahan
Diamagnetic sedikit ditolak oleh medan magnet dan materi tidak mempertahankan
sifat magnetik ketika bidang eksternal dihapus. Dalam bahan diamagnetic semua
elektron dipasangkan sehingga tidak ada magnet permanen saat bersih per atom.
Secara susunan konpigurasi elektron kita dapat
lihat bahwa bahan diamagnetik terlihat memiliki elektron yang tidak berpasangan
dengan jumlah yang relatif banyak jika dibandingkan dengan jenis bahan magnet
lainnya seperti yang dapat kita lihat pada tabel dibawah ini :
Diamagnetisme 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. Kekuatan magnet material diamagnetik jauh lebih lemah dibandingkan kekuatan
magnet material feromagnetik ataupun paramagnetik . Material yang disebut
diamagnetik umumnya berupa benda yang disebut 'non-magnetik', termasuk di
antaranya air, kayu , senyawa organik seperti minyak bumi dan beberapa jenis
plastik , serta beberapa logam seperti tembaga, merkuri ,emas dan bismut
.Superkonduktor adalah contoh diamagnetik sempurna. Ciri-ciri dari bahan diamagnetic adalah:
·Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing
atom/molekulnya adalah nol
·Jika solenoida dimasukkan bahan ini, induksi magnetik
yang lebih kecil
·Permeabilitas relatif diamagnetik adalah µr ≤ 1
2.
Sifat
Paramagnetik
Semua
senyawa dengan momen magentik permanen menunjukkan sifat paramagnetik normal. Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis
masing-masing atom/molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet atomis
total seluruh atom/molekul dalam bahan nol (Halliday & Resnick, 1989). Hal
ini disebabkan karena gerakan atom/molekul acak, sehingga resultan medan magnet
atomis masing-masing atom saling meniadakan.
Bahan ini jika diberi medan magnet
luar, maka 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. Pada bahan ini, efek diamagnetik (efek timbulnya medan magnet yang melawan
medan magnet penyebabnya) dapat timbul, tetapi pengaruhnya sangat kecil.
Permeabilitas relatif paramagnetik
adalah μr > 1, dan suseptibilitas magnetik bahannya mχ > 0. Contoh bahan paramagnetik: alumunium, magnesium, wolfram dan sebagainya.
Bahan diamagnetik dan paramagnetik mempunyai sifat kemagnetan yang lemah.
Perubahan medan magnet dengan adanya bahan tersebut tidaklah besar apabila
digunakan sebagai pengisi kumparan toroida.
Suseptibilitas paramagnetic bersifat positif (kerentanan kecil
untuk medan magnet) yang tak
bergantung pada besar medan magnetik yang mengenainya, tetapi bergantung pada
temperatur karena agitasi termal akan melawan orientasi dwi kutub magnetik. Maka,
efektivitas medan magnetik akan menghilang dengan naiknya suhu. Bahan paramagnetik ini sedikit tertarik oleh medan magnet dan materi yang tidak
mempertahankan sifat magnetik ketika bidang eksternal dihapus. Sifat
paramagnetik adalah adanya beberapa elektron tidak berpasangan, dan dari
penataan kembali elektron orbit disebabkan oleh medan magnet eksternal.
Paramagnetisme adalah suatu bentuk magnetisme
yang hanya terjadi karena adanya medan magnet eksternal. Paramagnetisme
diinduksi oleh momen magnet permanen elektron tak berpasangan dalam molekul dan
suseptibilitas molarnya berbanding lurus dengan momentum sudut spin elektron.
Meskipun demikian, tidak seperti ferromagnetik yang juga tertarik oleh medan magnet, paramagnetik tidak mempertahankan magnetismenya sewaktu medan magnet eksternal tak lagi
diterapkan.
Ciri-ciri dari bahan paramagnetic adalah:
·Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing
atom/molekulnya tidak sama dengan nol
·Jika solenoida dimasuki bahan ini akan dihasilkan
induksi magnet yang lebih besar
·Permeabilitasrelatif paramagnetik adalah µ> 1
Suseptibilitas diamagnetik dan paramagnetik
Telah diketahui bahwa suseptibilitas diamagnetik berharga negatif sedangkan
seseptibilitas paramagnetik berharga positif. Adapun tabel suseptibilitas Magnetik beberapa bahan (pada tekanan dan suhu kamar) adalah sebagai berikut:
Dalam molekul, nilai sifat diamagnetik total merupakan jumlah dari
masing-masing atomnya. Besarnya suseptibilitas diamagnetik tiap atom adalah:
XA = -2,83 x 10 -10 ∑ r i2
Dengan r i = rata-rata jari-jari rotasi elektron (dengan asumsi
rotasi elektron tidak selalu berbentuk lingkaran). Harga ini untuk tiap atom
unsur, molekul, ion, gugus ion, maupun berbagai jenis ikatan telah berhasil
ditentukan, dan kemudian disebut sebagai tetapan Pascal. Nilai ini sangat kecil
kira-kira 10-1 sampai 10-3 kali dari nilai sifat
magnetik, sehingga hanya merupakan faktor koreksi saja terhadap sifat magnetik
senyawanya. Nilai tetapan Pascal tersebut sebagai faktor koreksi diamagentik.
Susepibilitas magnetik dan pengukurannya
Ukuran sifat magnetik suatu senyawa yang dinyatakan dengan nilai momen magnetik
tidak dapat diukur langsung melainkan dihitung dari nilai suseptibilitas
megnetiknya, dan nilai suspetibilitas inilah yang diperoleh dari pengukurannya.
Perhatikan gambar dibawah ini:
Gambar (a) menunjukkan dua buah kutub magnet berlawanan menunjukkan
garis-garis gaya dalam daerah medan magnetik. Bila suatu senyawa sampel
ditempatkan dalam medan magnetik dengan kuat medan (H) (gambar b dan c) maka
medan terinduksi fluks (B) dalam senyawa dinyatakan dengan hubungan:
B= H + 4πI, dengan I = Intensitas
magnetis
Jika kedua ruas persamaan tersebut dibagi dengan B, maka akan diperoleh
rasio B/H yang disebut sebagai permeabilitas
magnetik senyawa yang bersangkutan dalam bentuk hubungan:
Rasio I/H atau sering dituliskan dengan lambang
k inilah yang disebut sebagai suseptibilitas magnetik per volume atau
suseptibilitas volume. Rasio B/H dapat dipandang sebagai rasio
rapatan garis-garis gaya magnet dalam sampel terhadap rapatan garis-garis gaya
magnet untuk area yang sama jika tanpa sampel. Dengan demikian, dalam medium
vakum atau hampa (Gambar a) nilai B = H atau B/H = 1, sehingga k = nol. Senyawa
diamagnetik berinteraksi menolak beberapa garis gaya (Gambar b) sehingga B <
H, akibatnya susetibilitas berharga negatif. Sebaliknya, senyawa paramagnetik
berinteraksi menarik beberapa gatis gaya tambahan (Gambar c) sehingga B > H
dan akibatnya suseptibilitas berharga positif.
Dari gambar diatas, sampel diamagnetik tertolak keatas menjauh dari medan
magnet ke daerah yang kurang rapat garis gaya magnetiknya, sehingga massa
sampel menjasi lebih ringan. Sebaliknya, sampel paramagnetik tertarik ke bawah,
ke daerah yang lebih rapat garis gaya magnetiknya, sehingga massa sampel
menjadi lebih berat.
Perbedaan massa inilah yang mendasari pengukuran suseptibilitas magnetik
suatu senyawa. Jadi, untuk mengukur besaran ini sampel yang akan ditimbang
dimasukkan ke dalam tabung Gouy yang digantungkan diantara dua kutub magnet tetap
atau elektromagnet (Gambar d).
3.
Sifat Ferromagnetik
Berdasarkan sifat medan magnet
atomisnya bahan-bahan ferromagnetik sangat mudah di pengaruhi oleh medan
magnetik karena mempunyai resultan medan magnet atomis yang besar, hal ini terutama disebabkan oleh momen magnetik spin elektron. Pada bahan
ferromagnetik banyak spin elektron yang tidak berpasangan, misalnya pada atom
besi terdapat empat buah spin elektron yang tidak berpasangan. Masing-masing
spin elektron 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 ferromagnetik sangat kuat, sehingga
interaksi diantara atom-atom tetangganya menyebabkan sebagian besar atom akan
mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok.
Kelompok
atom yang mensejajarkan 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 ini jika diberi medan magnet dari luar, maka
domain-domain ini akan mensejajarkan diri searah dengan medan magnet dari luar.
Semakin kuat
medan magnetnya semakin banyak domain-domain yang mensejajarkan dirinya.
Akibatnya medan magnet dalam bahan ferromagnetik akan 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
jenuh atau keadaan saturasi.
Permeabilitas
bahan ferromagnetik adalah 0μμ>>> dan suseptibilitas bahannya
0>>>mχ. contoh bahan ferromagnetik : besi, baja, besi silicon
dan lain-lain. Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik ini akan hilang pada
temperatur yang disebut Temperatur Currie. Temperatur Curie untuk besi lemah
adalah 770 0C, dan untuk baja adalah 1043 0C (Kraus. J.
D, 1970).
Bahan ferromagnetik ada yang positif,
kerentanan besar untuk medan magnet luar. Mereka menunjukkan daya tarik yang
kuat untuk medan magnet dan mampu mempertahankan sifat magnetik mereka setelah bidang
eksternal telah dihapus bahan. Ferromagnetik memiliki elektron tidak
berpasangan sehingga atom mereka memiliki momen magnet bersih. Mereka
mendapatkan magnet yang kuat sifat mereka karena keberadaan domain magnetik.
Dalam domain ini, sejumlah besar di saat-saat atom (1012 sampai
1015) adalah sejajar paralel sehingga gaya magnet dalam domain
yang kuat. Ketika bahan feromagnetik dalam keadaan tidak magnetik, wilayah
hampir secara acak terorganisir dan medan magnet bersih untuk bagian yang
secara keseluruhan adalah nol. Ketika kekuatan magnetik diberikan, domain
menjadi selaras untuk menghasilkan medan magnet yang kuat dalam bagian.. Besi,
nikel, dan kobalt adalah contoh bahan feromagnetik.
Jadi, Ferromagnetisme
adalah sebuah fenomena dimana sebuah material dapat mengalami magnetisasi
secara spontan, dan merupakan satu dari bentuk kemagnetan yang paling kuat.
Fenomena inilah yang dapat menjelaskan kelakuan magnet yang kita jumpai sehari-hari.
Ferromagnetisme merupakan dasar untuk menjelaskan fenomena magnet permanen. Ciri-ciri bahan ferromagnetik adalah sebagai berikut:
·
Bahan yang mempunyai resultan magnetis atomis besar
·
Tetap bersifat magnetik (sangat baik sebagai magnet
permanen)
· Jika solenoida diisi bahan ini akan dihasilkan induksi
magnetik sangat besar.
4.
Sifat
Antiferomagnetik
Antiferomagnetik
terjadi dalam zat dimana setiap ion atau atom paramagnetik saling berdekatan,
dan masing-masing sangat dipengaruhi oleh orientasi yang berlawanan dari momen
magnetik tetangganya, hingga menyebabkan peniadaan sebagian.
Sifat tersebut
antara lain terdapat pada MnO, bahan keramik yang bersifat ionik yang memiliki
ion-ion Mn2+ dan O2-. Tidak ada momen magnetik netto yang dihasilkan oleh ion
O2-, hal ini disebabkan karena adanya aksi saling menghilangkan total pada
kedua momen spin dan orbital. Tetapi ion Mn2+ memiliki momen magnetik netto
yang terutama berasal dari gerak spin. Ion-ion Mn2+ ini tersusun dalam struktur
kristal sedemikian rupa sehingga momen dari ion yang berdekatan adalah
antiparalel. Karena momen-momen magnetik yang berlawanan tersebut saling
menghilangkan, bahan MnO secara keseluruhan tidak memiliki momen magnetik.
Bahan
Antiferomagnetik mempunyai suseptibilitas magnetik berharga positif dan lebih
kecil daripada yang diharapkan bagi suatu tatanan ion magnetik yang bebas.
Kopling antiferomagnetik menyangkut interaksi melalui anion-anionnya yang
terletak diantara atom-atom logam dalam kristal, dan menghilang dalam larutan
encer.
Beberapa material padatan
paramagnetik menjadi feromagnetik pada
temperatur rendah membentuk domain magnetik, yang di dalamnya ribuan spin
elektron paralel satu sama lain. Suhu transisi paramagnetik-feromagnetik
disebut suhu Curie. Bila spin tersusun antiparalel satu sama lain, bahan
menjadi antiferomagnetik, dan suhu transisi
paramagnetik-anti-feromagnetik disebut suhu Neel. Bahan menjadi
ferimagnetik bila spinnya tidak tepat saling menghilangkan, sehingga masih ada kemagnetannya. Kini, usaha
untuk membuat ion logam paramagnetik tersusun untuk menginduksi interaksi
feromagnetik antar spin-spinnya. Efek ini tidak mungkin dalam kompleks monointi.
Ciri-ciri bahan
antiferomagnetik adalah sebagai berikut:
· Umumnya, arah
magnetisasi paralel atau antiparalel dengan sumbu kristalografi
· Derajat
tatanannya rentang-jauh berkurang secara progresif dengan meningkatnya suhu dan
menjadi nol pada suhu kritis, Tn (temperatur Neel)
5.
Sifat
ferimagnetik
Material ini
mempunyai susceptibilitas magnetik yang sangat besar dan tergantung pada suhu,
domain-domain magnetik dalam material ini terbagi-bagi dalam keadaan daerah
yang menyearah saling berlawanan tetapi momen magnetik totalnya tak nol jika
medan luar nol. Praktis semua mineral magnetik adalah ferrimagnetik. Meskipun
dalam beberapa hal magnetisasi batuan bergantung terutama pada kekuatan sesaat
dar sesaat dari medan magnetik bumi di sekeliling dan kandungan mineral
magnetiknya.
