BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Material Magnet

Material magnet merupakan suatu benda atau bahan yang mempunyai daya tarik

terhadap benda yang mempuyai unsur logam atau besi di sekelilingnya. Magnet

memiliki dua kutub yaitu kutub utara dan kutub kutub selatan. Bila kedua kutub

berlawanan saling berhadapan maka akan terjadi gaya tarik menarik. Sedangkan

bila kedua kutub dihadapkan maka akan terjadi tolak menolak. Sejak zaman

dahulu telah diketahui beberapa bijih mineral atau batuan warna metalik bersifat

menarik partikel besi. Mineral atau batuan itu disebut magnetik atau batuan

bermuatan.

Thales, seorang filosof Yunani yang hidup pada abad VI SM, adalah orang

pertama yang menaruh perhatian pada sifat biji besi. Akan tetapi, kemungkinan

sebelum itu pun telah banyak diketahui. Setelah masa Thales, batuan bermuatan

itu sering disebut dalam tulisan kuno. Batu bermuatan itu dinamai magnet, kata

magnet berasal dari bahasa Greek “magnítis líthos” yang berarti “batu

magnesia” juga berarti sebuah wilayah di Asia kecil, tempat ditemukannya

banyak endapan magnetik. Istilah Magnesian ini mengacu pada daerah di kawasan

Turki yang sekarang menjadi wilayah Yunani dengan nama Magnisa. Daerah

Magnisa inilah banyak ditemukan sumber batu magnet sejak zaman dahulu.

Kemudian Pada tahun 1820, Hans Christian Oesterd menemukan bahwa

kawat yang dialiri arus listrik dapat menolak jarum kompas. Hal ini menunjukan

bahwa di sekitar kawat berarus timbul medan magnetik. Kemudian pada tahun

1821, Michael Faraday membuat suatu penemuan penting. Dua tahun sebelumnya

Oersted telah menemukan bahwa jarum magnit kompas biasa dapat menyimpang

jika arus listrik dialirkan dalam kawat yang tidak berjauhan. Hal ini membuat

Michael Faraday menyimpulkan bahwa, jika magnet didekatkan, yang akan

bergerak adalah kawat yang dialiri listrik. Bekerja atas dasar dugaan ini, Michael

Faraday berhasil membuat suatu skema yang jelas dimana kawat akan terus-

menerus berputar berdekatan dengan magnit sepanjang arus listrik dialirkan ke

Universitas Sumatera Utara

7

kawat. Sesungguhnya penemuan ini Faraday merupakan motor listrik pertama,

suatu skema pertama penggunaan arus listrik untuk membuat sesuatu benda

bergerak. Meskipun masih sangat primitif, penemuan Michael Faraday ini

merupakan “nenek moyang” dari semua motor listrik yang digunakan dunia saat

ini. Penemuannya berupa penggunaan arus listrik untuk membuat benda bergerak

adalah pembuka jalan yang luar biasa untuk penemuan-penemuan motor listrik

selanjutnya. Namun kegunaan praktisnya masih terbatas karena belum ada metode

untuk menggerakkan arus listrik selain dari baterei kimiawi sederhana yang ada

pada saat itu. Faraday yakin, pasti ada suatu cara penggunaan magnit untuk

menggerakkan listrik, dan beliau terus-menerus mencari jalan bagaimana

menemukan metode tersebut. Kini, magnit yang tak berpindah-pindah tidak

mempengaruhi arus listrik yang berdekatan dengan kawat (Stephen M, 2011).

2.2 Sifat – Sifat Magnet Permanen

Sifat – sifat kemagnetan permanen magnet dipengaruhi oleh kemurnian bahan,

ukuran bulir (grain size), dan orientasi kristal. Parameter kemagnetan juga

dipengaruhi oleh temperatur. Koersivitas dan remenensi akan berkurang apabila

temperaturnya mendekati temperatur curie (Tc) dan akan kehilangan sifat

kemagnetannya (Taufik, 2006).

2.2.1 Koersivitas

Induksi suatu bahan dapat dikurangi hingga mencapai nol dengan

memberikan medan magnet luar yang berlawanan sebesar Hc pada bahan itu.

Medan magnet Hc itu disebut koersifitas. Koersifitas sangat tergantung pada

keadaan sampel, yaitu dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti perlakuan panas

maupun deformasi. Seperti halnya dengan remanen, perbedaan pengertian dibuat

antara medan koersif dan koersifitas. Medan koersif adalah kuat medan magnet

yang diperlukan untuk mengurangi magnetisasi atau induksi magnetik sampai

mencapai nol dari nilai sembarang. Sedangkan koersifitas adalah kuat medan

magnetik yang diperlukan untuk menurunkan magnetisasi atau induksi magnetik

sampai nol dari keadaan magnetisasi jenuh. Koersifitas intrinsik dilambangkan

dengan Hci adalah kuat medan magnet pada saat magnetisasi dikurangi sampai

nol. Pada bahan soft magnetic Hc dan Hci bernilai hampir sama, dan biasanya

Universitas Sumatera Utara

8

tidak perlu ada pembedaan diantara keduanya. Sedang pada bahan hard magnetic

terdapat perbedaan nyata antara Hc dan Hci. Koersifitas (Hc) adalah kuat medan

magnet eksternal yang diperlukan untuk membuat induksi magnetic sampel

menjadi nol sedangkan koersifitas intrinsik (Hci) adalah kuat medan magnetic

eksternal yang diperlukan untuk membuat magnetisasi bahan menjadi nol (Ahmad

Y, 2006).

Perbedaan pengertian koersifitas dan koersifitas intrinsik ditunjukkan oleh gambar

2.1.

Gambar 2.1 Perbedaan koersifitas dan koersifitas intrinsik

Koersivitas digunakan untuk membedakan hard magnet atau soft magnet.

Semakin besar gaya koersivitasnya maka semakin keras sifat magnetnya. Bahan

dengan koersivitas tinggi berarti tidak mudah hilang kemagnetannya. Tinggi

koersivitas, juga disebut medan koersif, dari bahan feromagnetik. Koersivitas

biasanya diukur dalam Oersted atau ampere / meter dan dilambangkan Hc (Pooja,

2010).

2.2.2 Remanen

Magnetisasi remanen adalah magnetisasi yang masih tersisa ketika medan

magnet luar dikurangi hingga nol atau remanensi terjadi pada saat intensitas

medan magnetik H berharga nol dan medan magnet B menunjukkan harga

tertentu. Dalam penggunaannya, istilah remanen (remanence) dibedakan dengan

remanent . Istilah remanen digunakan untuk menggambarkan keadaan

magnetisasi atau induksi yang tersisa setelah bahan mencapai kejenuhan

Universitas Sumatera Utara

9

kemudian medan magnet luar dihilangkan hingga nol, sedang magnetisasi

remanent digunakan untuk menyatakan keadaan magnetisasi yang tersisa setelah

bahan mengalamani magnetisasi pada tingkat sembarang lalu medan magnet

dikurangi hingga nol. Oleh karena itu remanen menjadi batas atas untuk

remanent. Bagaimanapun juga koersivitas sangat dipengaruhi oleh nilai

remanensinya. Oleh karena itu besar nilai remanensi yang dikombinasikan dengan

besar koersivitas pada magnet permanen menjadi sangat penting (Jiles, 1996).

2.3 Sifat Kemagnetan Bahan

Sifat magnetik suatu bahan terjadi karena adanya orbital dan spin elektron serta

interaksi antara elektron yang satu dengan elektron yang lain. Berdasarkan sifat

medan magnet atomis, bahan dibagi menjadi tiga golongan, yaitu diamagnetik,

paramagnetik dan ferromagnetik. Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan

medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya nol, tetapi orbit dan

spinnya tidak nol. 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 elektron orbital.

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 diamagnetik adalah μ < μ0 dan suseptibilitas

magnetiknya χm < 0. Contoh bahan diamagnetik yaitu: bismut, perak, emas,

tembaga dan seng.

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. Hal ini disebabkan karena gerakan

atom atau 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

Universitas Sumatera Utara

10

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 bahan paramagnetik adalah μ > μ0 dan suseptibilitas

magnetik bahannya. χm > 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 (Halliday &

Resnick, 1978).

Bahan ferromagnetik adalah bahan yang mempunyai resultan medan

atomis 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.

Gambar 2.2 Arah domain-domain dalam bahan ferromagnetik sebelum

dan sesudah diberi medan magnet luar.

Universitas Sumatera Utara

11

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 μ >>> μ0 dan suseptibilitas

bahannya χm >>> 0. contoh bahan ferromagnetik : besi, baja, besi silicon dan lain-

lain. Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik ini akan hilang pada temperature yang

disebut Temperatur Currie. Temperatur Curie untuk besi lemah adalah 770 0

C,

dan untuk baja adalah 1043 0

C (Kraus. J. D, 1970).

2.4 Kurva Histerisis

Suatu bahan yang ditempatkan pada medan magnet luar dengan intensitas

magnetik (H), terjadi magnetisasi (M) serta terjadi induksi magnet (B) yang dapat

dituliskan pada persamaan 2.1.

B = µ0 H + µ0 M (2.1)

Sedangkan variabel M dan H direlasikan oleh suseptibilitas magnetic (χ)

sedangkan B dan H dapat direlasikan dengan permeabilitas bahan (μ) sehingga

dapat dituliskan ke dalam persamaan 2.2 dan 2.3.

M = χ H (2.2)

B = µ H (2.3)

Hubungan antara magnetisasi (M), intensitas magnetik (H), dan induksi magnetik

(B) dapat dilihat dari kurva histerisis. Sebuah loop histerisis menunjukkan

hubungan antara kerapatan fluks induksi magnetik (B) dan gaya magnet/intensitas

magnetik (H). Semakin besar nilai H maka semakin besar pula medan magnet B.

Deskripsi secara rinci dapat dilihat pada gambar 2.3.

Universitas Sumatera Utara

12

Gambar 2.3 Kurva Histerisis (NDT resource center, 2001-2011)

Pada titik a menunjukkan hampir seluruh domain magnetik adalah selaras

dan peningkatan pada medan magnetik akan meningkatkan sedikit dari

fluks magnetik. Maka pada titik ini bahan mengalami titik jenuh magnetik

(magnetisasi saturasi).

Ketika nilai H direduksi menjadi nol, kurva akan bergerak dari titik a ke

titik b. Pada titik ini, dapat dilihat bahwa beberapa fluks magnetic tetap

berada pada bahan meskipun gaya magnetisasi nol. Hal ini disebut titik

retensivitas atau retentivity pada grafik yang menunjukkan remanen atau

tingkat magnetisasi sisa dalam bahan. Retensivitas didefinisikan sebagai

magnetisasi yang tersisa ketika H telah hilang. Ini menunjukkan

kemampuan magnetisasi bahan saat diberi medan luar (H). Jika nilai

retensivitas besar maka sifat kemagnetannya semakin kuat.

Pada titik c fluks magnetik mengalami pengurangan sampai ke nilai nol

dan disebut titik koersivitas pada kurva. Koersivitas atau coercivity (Hc)

merupakan besarnya medan yang diperlukan untuk membuat

kemagnetannya = 0. Semakin besar Hc maka sifat kemagnetannya akan

semakin kuat.

Universitas Sumatera Utara

13

Selanjutnya pada titik d, kekuatan magnetik meningkat pada arah negatif

sehingga bahan mengalami magnetisasi jenuh (magnetisasi saturasi ) tetapi

pada arah yang berlawanan. Nilai H berkurang sampai nol dan kurva

dibawa menuju titik e.

Pada titik f nilai H mengalami kenaikan kearah positif sedangkan nilai B

mengalami penurunan ke titik nol sehingga dari titik f kembali ke titik

jenuh (magnetisasi saturasi).

Untuk bahan ferromagnetik magnetisasi bahan M tidaklah berbanding

lurus dengan intensitas magnet H. Hal ini tampak dari kenyataan bahwa harga

suseptibilitas magnetik mχ bergantung dari harga intensitas magnet H. Bentuk

umum kurva medan magnet B sebagai fungsi intensitas magnet H terlihat seperti

pada gambar 2.4. Kurva B dengan H seperti ini disebut kurva induksi normal.

Gambar 2.4 Kurva induksi normal (Sutrisno dan Tan, 1983)

Pada gambar di atas tampak bahwa kurva tidak berbentuk garis lurus sehingga

dapat dikatakan bahwa hubungan antara B dan H tidak linier. Dengan kenaikan

harga H, mula-mula B turut naik dengan lancar, tetapi mulai dari satu titik tertentu

harga H hanya menghasilkan sedikit kenaikan B dan makin lama B hampir

konstan. Keadaan ini disebut dengan kedaan saturasi, yaitu keadaan di mana

medan magnet B tidak banyak berubah. Harga medan magnet untuk keadaan

saturasi disebut dengan Bs atau medan magnet saturasi. Bahan yang mencapai

saturasi untuk harga H rendah disebut magnet lunak seperti yang ditunjukkan

Universitas Sumatera Utara

14

kurva (a). Sedangkan bahan yang saturasinya terjadi pada harga H tinggi disebut

magnet keras seperti yang ditunjukkan kurva (c).

Untuk bahan ferromagnetik, sesudah mencapai saturasi ketika intensitas magnet H

diperkecil hingga mencapai H = 0, ternyata kurva B tidak melewati jalur kurva

semula. Pada harga H = 0, medan magnet atau rapat fluks B mempunyai harga Br

= 0. Jadi apabila arus pada toroida dimatikan (i = 0) maka dalam bahan masih

tersimpan fluks induksi. Harga Br ini disebut dengan induksi remanen atau

remanensi bahan.

2.5 Energi Produk Maksimum (BH)Max

Energi produk dari suatu material magnetik memegang peranan yang sangat

penting terutama penggunanan magnet itu sendiri untuk keperluan industri. Energi

produk menyatakan jumlah energi yang tersimpan dalam magnet per satuan

volume. Nilai energi produk sangat sangat dipengaruhi oleh remanen, koersivitas

dan bentuk kurva histeresis. Makin ideal kurva histeresis, nilai energi produk akan

semakin tinggi.

2.6 Magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB)

Secara umum magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB) dikenal sebagai magnet

tanah jarang. Manget Neodymium Iron Boron (NdFeB) adalah merupakan paduan

yang berasal dari grup Lantanida pada sistem periodik unsur. Magnet Neodymium

Iron Boron (NdFeB) adalah magnet bumi yang terbuat dari paduan unsur

neodymium, besi dan boron untuk membentuk struktur Kristal tetragonal

Nd2Fe14B. Dikembangkan pada tahun 1982 oleh General Motors dan Sumitomo

Special Metals, magnet NdFeB adalah magnet permanen paling kuat yang dibuat

(Fraden, 2010).

Magnet permanen Neodymium-Iron-Boron memiliki energi produk yang

paling tinggi (mencapai 55 MGOe) dari keseluruhan material magnetik. Magnet

NdFeB mempunyai dua proses utama yaitu : proses serbuk dan melt quenching.

Energi produk yang tinggi dari tipe magnet ini berarti secara signifikan volume

material yang dibutuhkan lebih kecil untuk penggunaan yang sama dengan

magnet lain dalam jumlah besar yang diproduksi seperti Alnico dan Ferrit. Akan

Universitas Sumatera Utara

15

tetapi, NdFeB memiliki kerugian, yaitu memiliki temperatur Curie yang rendah

dan sangat rentan terhadap korosi. Temperatur Curie yang rendah (312ᵒC) ini

menyebabkan magnet NdFeB tidak mungkin diaplikasikan pada suhu yang tinggi

(Matthew, 2013).

Tabel 2.1 Magnetic Characteristics Bonded Magnet NdFeB Type MQP-B

Maximum Operating Temperature 120 – 160 0C

Magnetic Inductiom (B) 660 – 700 T

Koercivitas (HC) 4.9 – 5.5 KOe

Energy Product (BHMax) 9.0 - 10.0 MGOe

Temperature Coefficient of Br -0.11 %/ 0

C

Temperature Coefficient of HCJ -0.36 %/ 0

C

Dencity (ρ) 5.6 – 6.0 gr/cm3

2.7 Unsur Pemadu pada Magnet NdFeB

Paduan merupakan perpaduan dari beberapa unsur pada skala mikrosopik, seperti

pada penyusunan magnet NdFeB juga terdiri dari beberapa unsur pemadu yaitu

Nd, Fe dan B.

2.5.1 Neodymium (Nd)

Neodymium (Nd) adalah unsur kimia yang pada tabel susunan berkala

termasuk kedalam kelompok unsur lantanida dan dikenal sebagai unsur tanah

jarang yang memiliki nomor atom 60 serta konfigurasi elektron terluarnya adalah

[Xe] 6S2 4F

4 . Unsur - unsur lantanida atau lanthanons dikenal dengan nama

fourteen elements, karena jumlahnya 14 unsur, seperti Cerium (Ce),

Praseodymium (Pr), Neodymium (Nd), Promhetium (Pm), Samarium (Sm),

Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy),

Holmium(Ho), Erbium (Er), thulium (Tm), Yterbium (Yb) dan Lutetium (Lu).

Unsur–unsur tersebut ditemukan dialam dalam bentuk mineral yang

merupakan campuran oksida, depositnya banyak ditemukan di Scandinavia, India,

Unisoviet dan Amerika. Banyak jenis mineral yang mengandung unsur - unsur

lantanida seperti La, Ce, Pr, Nd sebesar 90%, diikuti unsur - unsur lainnya seperti

Universitas Sumatera Utara

16

yttrium (Yt) dan logam berat lainnya sebesar 10 %. Monazite dan jenis mineral

lainnya mengandung unsur - unsur lantanida dengan tingkat oksidasi ±3 dan

sedikit unsur europium yang umumnya memiliki tingkat oksidasi ±2. Pada tabel

2.2 adalah susunan elektron dan tingkat oksidasi unsur - unsur lantanida. Terlihat

bahwa semua unsur - unsur lantanida membentuk ion - ion 3+.

Tabel 2.2 Elektron dan Tingkat Oksidasi

No Unsur Atom M2+

M3+

M3+

1 La 4d 6S2 - [Xe] -

2 Ce 4f2

6S2

- 4f2 [Xe]

3 Pe 4f46S

2 - 4f

2 4f

2

4 Nd 4f4

6S2 4f

2 4f

2 4f

2

5 Lm 4f6

6S2 - 4f

2 -

6 Pm 4f6

6S2 4f

2 4f

2 -

7 Pu 4f7

6S2 4f

2 4f

2 -

8 Gd 4f7

6S2 - 4f

2 -

9 Tb 4f9

6S2 - 4f

2 4f

2

10 Dy 4f10

6S2 - 4f

2 4f

2

11 Ho 4f11

6S2 - 4f

2 -

12 Er 4f12

6S2 - 4f

2 -

13 Tm 4f13

6S2 4f

2 4f

2 -

14 Yb 4f14

6S2 4f

2 4f

2 -

Untuk beberapa unsur lantanida mempunyai tingkat oksidasi 2+ dan 4+,

seperti Nd, Sm, Eu, Tm dan Yb mempunyai tingkat oksidasi 2+ sedangkan Ce, Pr,

Nd, Tb dan Dy mempunyai tingkat oksidasi 4+, Lu dan Gd hanya membentuk

tingkat oksidasi 3+, sebab masing – masing unsur memilki tingkat konfigurasi

elektron yang stabil yaitu 4F14

dan 4F7. Khusus untuk unsur neodymium (Nd),

unsur ini mempunyai tingkat oksidasi 4+ (Nd4+

) dengan konfigurasi elektron f2

tetapi sangat tidak stabil untuk mencapai konfigurasi f0, f

7, f

14 yang stabil. Untuk

Nd2+

, f4 memberikan alasan yang kuat untuk meyakini bahwa walaupun kestabilan

Universitas Sumatera Utara

17

f0, f

7, f

14 menjadi salah satu faktor thermodinamik dan kinetik yang sama atau

sangat penting untuk menentukan kestabilan tingkat oksidasi.

2.5.2 Besi (Fe)

Besi merupakan logam kedua yang paling banyak di bumi ini yang

membentuk 5% dari pada kerak bumi. Karakter endapan besi ini berupa endapan

yang berdiri sendiri namun seringkali ditemukan berasosiasi dengan mineral

logam lainya. Kadang besi sebagai kandungan logam tanah (residual), namun

jarang memiliki nilai ekonomis yang tinggi. Kebanyakkan besi ini hadir dalam

berbagai jenis senyawa oksida, endapan besi yang ekonomis umumnya berupa

Magnetite, Hematite, Limonite, dan Siderite. Dari mineral-mineral bijih besi

magnetite adalah mineral dengan kandungan Fe paling tinggi, tetapi terdapat

dalam jumlah kecil. Sementara hematite merupakan mineral bijih utama yang

dibutuhkan dalam industri besi.

Beberapa jenis endapan yang memungkinkan endapan besi bernilai ekonomis

yaitu :

1. Magnetik: Magnetite dan Titaniferous magnetite.

2. Metasomatik kontak: magnetite dan specularite.

3. Pergantian/replacement: magnetite dan hematite.

4. Sendimentasi/placer: hematite, limonite, dan siderite.

5. Kosentrasi mekanik dan residual: hematite, magnetite, dan limonite.

6. Oksidasi: limonite dan hematite.

Tabel 2.3 Mineral-mineral bijih besi yang bernilai ekonomis.

MINERAL SUSUNAN

KIMIA

KANDUNGAN

Fe%

KLASIFIKASI

KOMERSIAL

Magnetite FeO2Fe3O4 72.4 Magnetik atau biji hitam

Hermatite Fe2O3 70 Bijih merah

Limonite FeO3nH2O4 59 - 63 Bijih coklat

Siderite FeCO3 48.2 Spathic, black band, clay

ironstone

Universitas Sumatera Utara

18

2.5.3 Boron (B)

Boron yang telah dimurnikan adalah padatan hitam dengan kilap logam.

Sel satuan kristal boron mengandung 12, 50, atau 105 atom boron, dan satuan

struktural ikosahedral B12 terikat satu sama lain dengan ikatan 2 pusat 2 elektron

(2c-2e) dan 3 pusat 2 elektron (3c-2e) antar atom boron seperti pada gambar 2.5.

Ikatan tuna elektron (3 pusat 2 elektron) merupakan ikatan kimia yang mengalami

kekurangan elektron, dimana 3 atom salain berbagi 2 elektron. Boron bersifat

sangat keras dan menunjukkan sifat semikonduktor.

Gambar 2.5 Struktur kristal boron dengan sel satuan Ikosahedral

Kimia boron (boron hidrida) dimulai dengan riset oleh A. Stock yang dilaporkan

pada periode 1912-1936. Walaupun boron terletak sebelum karbon dalam sistem

periodik, hidrida boron sangat berbeda dari hidrokarbon. Struktur boron hidrida

khususnya sangat tidak sesuai dengan harapan dan hanya dapat dijelaskan dengan

konsep baru dalam ikatan kimia. Untuk kontribusinya dalam kimia anorganik

boron hidrida, W. N. Lipscomb mendapatkan hadiah Nobel Kimia tahun 1976.

Hadiah Nobel lain (1979) dianugerahkan ke H. C. Brown untuk penemuan dan

pengembangan reaksi dalam sintesis yang disebut hidroborasi.

Karena berbagai kesukaran sehubungan dengan titik didih boron yang

rendah, dan juga karena aktivitas, toksisitas, dan kesensitifannya pada udara,

Stock mengembangkan metoda eksperimen baru untuk menangani senyawa ini

dalam vakum. Dengan menggunakan teknik ini, ia mempreparasi enam boron

B2H6, B4H10, B5H9, B5H11, B6H10, dan B10H14 dengan reaksi magnesium borida,

MgB2, dengan asam anorganik, dan menentukan komposisinya. Namun, riset

lanjutan ternyata diperlukan untuk menentukan strukturnya. Kini metoda sintesis

Universitas Sumatera Utara

19

yang awalnya digunakan Stock menggunakan MgB2 sebagai pereaksi hanya

digunakan untuk mempreparasi B6H10. Karena reaksi seperti litium tetrahidroborat

(LiBH4), dan natrium tetrahidroborat (NaBH4) kini mudah didapat, dan diboron,

B2H6, yang dipreparasi dengan reaksi 3LiBH4 + 4BF3.OEt2 → 2B2H6 + 3LiBF4 +

4Et2O, juga mudah didapat, boron yang lebih tinggi disintesis dengan pirolisis

diboron. Teori baru diusulkan untuk menjelaskan ikatan dalam diboron, B2H6.

Walaupun struktur yang hampir benar, yakni yang mengandung jembatan

hidrogen, telah diusulkan tahun 1912, banyak kimiawan lebih suka struktur mirip

etana (H3B-BH3), dengan mengambil analoginya dengan hidrokarbon. Namun

Longuet-Higgins mengusulkan konsep ikatan tuna elektron yang 3 pusat 2

elektron dan bahwa strukturnya memang benar seperti dibuktikan dengan difraksi

elektron tahun 1951 pada gambar 2.6 berikut ini :

Gambar 2.6 Struktur diboron.

Struktur ini juga telah dielusidasi dengan difraksi elektron, analisis struktur kristal

tunggal sinar-X, spektroskopi inframerah, dan memang boron terbukti

mengandung ikatan 3c-2e B-H-B dan B-B-B seperti pada gambar 2.7 berikut ini :

Gambar 2.7 Ikatan 3c-2e B-H-B dan B-B-B.

Universitas Sumatera Utara

20

Boron diklasifikasikan menjadi tiga yaitu : Closo, Nido dan Arachno sesuai

dengan struktur kerangka atom boron. Closo-boron [BnHn]2-

memiliki struktur

polihedral tertutup, n atom boron terikat pada n atom hidrogen, misalnya dalam

oktahedral regular [B6H6]2-

dan ikosahedral [B12H12]2-

. Boron deret ini tidak

mengandung ikatan B-H-B. Boron BnHn+4

, seperti B5H9, membentuk struktur

dengan ikatan B-B, B-B-B, dan B-H-B dan kehilangan sudut polihedral closo

boron, dan disebut dengan jenis boron nido. Boron BnHn+6

, seperti B4H9,

memiliki struktur yang kehilangan dua sudut dari tipe closo dan membentuk

struktur yang lebih terbuka. Kerangka juga dibangun oleh ikatan B-B, BB-B, dan

B-H-B, dan jenis ini disebut boron jenis arachno. Sruktur-strukturnya diberikan

pada Gambar 2.8 berikut ini :

(a). Closo (B6H6)2-

(b). Nido (B5H9)

(c). Arachno (B4H10) (d). Closo (B12H12)

= Atom Boron

= Atom Hidrogen

Gambar 2.8 Struktur Boron

Boron yang lebih tinggi juga merupakan senyawa yang tuna elektron yang sukar

dijelaskan dengan struktur Lewis yang berbasiskan ikatan kovalen 2c -2e (Nurul

A, 2011).

Universitas Sumatera Utara

21

Pada gambar diatas menunjukkan bahwa atom dari Boron (B) yang bulat

putih berikatan dengan Atom Hidrogen (H) yang bulat kecil hitam sehingga

terjadi ikatan kimia (ikatan hidrogen) dengan atom B dan H.

2.8 Bonded Magnet NdFeB

Bonded magnet merupakan magnet komposit yang dibuat dari serbuk magnet yang

dicampur dengan bahan matriks (pengikat/binder) yang bersifat non magnet. Adapun

fungsi dari matriks adalah untuk menyatukan butiran serbuk magnet menjadi satu

kesatuan dalam bentuk komposit. Selain itu, bahan matriks sangat berpengaruh

terhadap sifat mekanik, listrik, maupun stabilitas termal dari magnet komposit.

Banyak material magnet kuat juga digunakan untuk membuat magnet

komposit, seperti menggunakan logam atau matriks polimer. Tentunya pemakaian

logam lebih mahal dari pada matriks polimer. Magnet ini biasanya memainkan peran

yang penting dan terus berkembang diantara magnet permanen komersial yang

tersedia saat ini. Pada bonded magnet ini, serbuk magnet diikat dengan polimer.

Biasanya serbuk magnet yang sering digunakan adalah strontium atau barium

ferrit dan neodymium-besi-boron atau samarium-kobalt. Sedangkan polimer yang

digunakan adalah resin atau bahkan logam dengan suhu leleh rendah.

Bonded magnet ini memiliki kelemahan pada hasil material magnetnya.

Hal itu dikarenakan oleh magnet isotropik memiliki sifat yang lebih rendah dari

pada magnet yang disintering. Akan tetapi, di samping kelemahan tersebut, hasil

dari bonded magnet ini memiliki keuntungan-keuntungan sebagai berikut.

1. Sederhana dan biaya produksi rendah.

2. Mudah dibentuk dan variasinya juga beragam.

3. Ketahanan mekanik yang cukup baik.

Bonded magnet dengan campuran logam transisi tanah jarang mempunyai sifat

magnet unggul dibandingkan sifat magnetik bonded ferrit. Hal tersebut terlihat

secara signifikan, karena magnet bonded ferrit mempunyai koefisien temperatur

positif terhadap Hc yang berarti koersifitas meningkat dengan peningkatan

temperatur. Pada serbuk magnet NdFeB memiliki nilai koersifitas dan remanensi

yang tinggi dibandingkan dengan serbuk magnet lain, sehingga sangat cocok

digunakan untuk pembuatan bonded magnet (Marlina H.A, 2013).

Universitas Sumatera Utara

22

2.9 Fabrikasi Magnet NdFeB

Magnet NdFeB biasanya dibuat dengan cara teknologi logam serbuk (powder

metallurgy). Sebenarnya magnet dapat dibuat dengan 3 cara, yaitu :

1) Teknik Sintering, yaitu dengan cara teknologi logam serbuk yaitu

dengan cara milling, dicetak, sintering, surface treatment, magnetisasi

dan dihasilkan produk akhir. Magnet yang dihasilkan dengna teknik ini

menghasilkan energi produk (BHMax) yang paling tinggi.

2) Teknik Compression Bonded, yaitu dengan cara mencampurkan serbuk

NdFeB dengan suatu binder atau pelumas, dikompaksi dan kemudian

dipanaskan energi produk yang dihasilkan dengan teknik lebih rendah

dibandingkan dengan teknik sintering.

3) Teknik Injection Moulding, yaitu dengan cara mencampurkan serbuk

NdFeB dengan suatu binder atau pelumas dan kemudian diinjeksi.

Energi produk yang dihasilkan dengan cara ini lebih rendah

dibandingkan dengan teknik sintering dan teknik compression bonded

(Novrita I, 2006).

2.10 Binder Polyvinyl Butyral (PVB)

Asetat seperti Polyvinyl Butyral di bentuk oleh dua reaksi antara Aldehida dan

Alkohol. Penambahan satu molekul alcohol untuk satu molekul aldehida

menghasilkan sebuah hamiasetal. Hamiacetal jarang terisolasi karena ada

ketidakstabilan yang terdapat pada unsur tersebut, melainkan lebih bereaksi

dengan molekul lain seperti alcohol untuk membentuk asetat yang stabil.

Polyvinyl asetal terbuat dari aldehida dan polyvinyl alcohol. Polyvinyl

alcohol merupakan resin molekul tinggi yang mengandung berbagai presentase

dari hydroxyl dan kelompok asetat yang dihasilkan oleh hydrolysis dan

polyvinyl asetat. Kondisi dari reaksi asetal dan pada konsentrasi, terutama pada

aldehida dan penggunaan polyvinyl alcohol sebagai pengedali perekat untuk

membentuk polimer yang mengandung perbandingan yang ditentukan oleh

hydroxyl, asetat dan kelompok asetal.

Polyvinyl Butyral (PVB) merupakan suatu resin yang banyak digunakan

sebagai pengikat dan mempunyai rumus kimia C8H14O2. Resin Polyvinyl Butyral

Universitas Sumatera Utara

23

digunakan dalam berbagai aplikasi termasuk dalam teknik keramik (sementara)

sebagai perekat (Saad R. S, 2008). Struktur molekul dari Polyvinyl Butyral dapat

ditunjukkan seperti pada gambar dibawah ini :

Gambar 2.9 Struktur molekul Polyvinyl Butyral (C8H14O2)

Pada gambar 2.9 tersebut menunjukkan bahwa pada Polyvinyl Butyral (PVB)

mengandung banyak unsur Hidrogen (H), dimana pada saat pencampuran dengan

serbuk magnet Nd-Fe-B, unsur Polyvinyl Butyral akan berinteraksi dengan unsur

NdFeB sehingga membentuk sampel bonded magnet NdFeB. Unsur Oksigen (O)

pada PVB, akan mempermudah proses pencampuran dengan serbuk magnet

magnet Nd-Fe-B. Pada saat pencampuran polyvinyl Butyral (PVB) dengan unsur

Nd-Fe-B tidak terjadi ikatan kimia. Partikel PVB pada saat di Hot Press akan

meleleh dan menyelimuti permukaan partikel NdFeB. Jadi PVB hanya berfungsi

sebagai perekat dan tidak terjadi ikatan kimia atau reaksi kimia tetapi terjadi

proses fisis, dimana Polyvinyl Butyral (PVB) berinteraksi dengan unsur Nd-Fe-B.

2.11 Scanning Electron Microscope (SEM)

Untuk melihat benda berukuran di bawah 200 nanometer, diperlukan mikroskop

dengan panjang gelombang pendek. Dari ide inilah, di tahun 1932 lahir mikroskop

elektron. Sebagaimana namanya, mikroskop elektron menggunakan sinar elektron

yang panjang gelombangnya lebih pendek dari cahaya. Karena itu, mikroskop

elektron mempunyai kemampuan pembesaran obyek (resolusi) yang lebih tinggi

dibanding mikroskop optik. Sebenarnya, dalam fungsi pembesaran obyek,

mikroskop elektron juga menggunakan lensa, namun bukan berasal dari jenis

gelas sebagaimana pada mikroskop optik, tetapi dari jenis magnet. Sifat medan

magnet ini bisa mengontrol dan mempengaruhi elektron yang melaluinya,

sehingga bisa berfungsi menggantikan sifat lensa pada mikroskop optik.

Universitas Sumatera Utara

24

Kekhususan lain dari mikroskop elektron ini adalah pengamatan obyek dalam

kondisi hampa udara (vacum). Hal ini dilakukan karena sinar elektron akan

terhambat alirannya bilamenumbuk molekul-molekul yang ada di udara normal.

Dengan membuat ruang pengamatan obyek berkondisi vacum, tumbukan

elektron-molekul bisa terhindarkan (Oktaviana, 2009).

Scanning Electron Microscopy (SEM) merupakan sejenis mikroskop yang

menggunakan elektron sebagai pengganti cahaya untuk melihat benda dengan

resolusi tinggi. Analisis SEM bermanfaat untuk mengetahui mikrostruktur

(termasuk porositas dan bentuk retakan) benda padat. Berkas sinar elektron

dihasilkan dari filamen yang dipanaskan, disebut electron gun.Sebuah ruang

vakum diperlukan untuk preparasi cuplikan. SEM terdiri dari sebuah senapan

elektron yang memproduksi berkas elektron pada tegangan dipercepat sebesar 2 –

30 kV. Berkas elektron tersebut dilewatkan pada beberapa lensa elektromagnetik

untuk menghasilkan image berukuran <~10nm pada sampel yang ditampilkan

dalam bentuk film fotografi atau ke dalam tabung layar (Tucker, 1988).

2.11.1 Prinsip Kerja Scanning Electron Microscope (SEM)

SEM menerapkan prinsip difraksi elektron, dimana pengukurannya sama seperti

mikroskop optik. Prinsipnya adalah elektron yang ditembakkan akan dibelokkan

oleh lensa elektromagnetik dalam SEM. Cara kerja SEM adalah gelombang

elektron yang dipancarkan electron gun terkondensasi di lensa kondensor dan

terfokus sebagai titik yang jelas oleh lensa objektif. Scanning coil yang diberi

energy menyediakan medan magnetik bagi sinar elektron. Berkas sinar elektron

yang mengenai cuplikan menghasilkan elektron sekunder dan kemudian

dikumpulkan oleh detektor sekunder atau detektor backscatter. Gambar yang

dihasilkan terdiri dari ribuan titik berbagai intensitas di permukaan Cathode Ray

Tube (CRT) sebagai topografi Gambar (Kroschwitz, 1990).

Pada sistem ini berkas elektron dikonsentrasikan pada spesimen,

bayangannya diperbesar dengan lensa objektif dan diproyeksikan pada layar.

Sistem penyinaran dan lensa pada SEM sama dengan mikroskop cahaya biasa.

Pada pengamatan yang menggunakan SEM lapisan cuplikan harus bersifat

konduktif agar dapat memantulkan berkas elektron dan mengalirkannya ke

ground. Bila lapisan cuplikan tidak bersifat konduktif maka perlu dilapisi dengan

Universitas Sumatera Utara

25

emas. Pada pembentukan lapisan konduktif, spesimen yang akan dilapisi

diletakkan pada tempat sampel di sekeliling anoda. Ruang dalam tabung kaca

dibuat mempunyai suhu rendah dengan memasang tutup kaca rapat dan gas yang

ada dalam tabung dipompa keluar. Antara katoda dan anoda dipasang tegangan

1,2 kV sehingga terjadi ionisasi udara yang bertekanan rendah. Elektron bergerak

menuju anoda dan ion positif dengan energi yang tinggi bergerak menumbuk

katoda emas. Hal ini menyebabkan partikel emas menghambur dan mengendap di

permukaan spesimen. (Gedde, 1995):

Gambar 2.10 Prinsip kerja Scanning Electron Mocroscope (SEM)

Peristiwa tumbukan berkas sinar electron, yaitu ketika memberikan energi pada

sampel, dapat menyebabkan emisi dari sinar-x yang merupakan karakteristik dari

atom-atom sampel. Energi dari sinar-x digolongkan dalam suatu tembakan energi

spektrometer dan dapat digunakan untuk identifikasi unsur-unsur dalam sampel.

Berkas elektron primer berinteraksi dengan sampel yang akan dianalis :

Elektron primer menghasilkan energi yang rendah dari pada elektron

sekunder, yang cenderung menekankan sifat topografi spesimen

Elektron primer dapat menghasilkan gambar dengan tingkat tinggi nomor

atom.

Atom terionisasi dengan transisi elektron dari shell ke shell, yang

mengakibatkan baik emisi X-ray atau elektron Auger terejeksi. Sinar-X

yang dipancarkan merupakan karakteristik dari unsur-unsur dalam

beberapa µm atas sampel (Martinez, 2010).

Universitas Sumatera Utara