BAB 2

Teori Dasar

2.1 Konsep Dasar

2.1.1 Momen Magnet

Arus yang mengalir pada suatu kawat yang lurus akan menghasilkan medan

magnet yang melingkar di sekitar kawat, dan apabila kawat tersebut dilingkarkan

maka medan magnet terakumulasi di bagian tengah kawat yang melingkar tersebut

dan arahnya tegak lurus bidang lingkaran. Bila gulungan kawat tersebut didekatkan

pada sebuah medan magnetik luar lainnya yang homogen, maka gulungan kawat akan

bergerak sampai arah dari medan magnet luar tersebut tegak lurus dengan bidang

lingkaran, atau searah dengan medan magnet yang dihasilkan gulungan kawat tadi.

Dengan demikian arus yang mengalir pada kawat tadi memiliki momen magnet.

Cullity mendefinisikan momen magnet adalah momen kopel yang terjadi ketika

sebuah magnet diletakkan tegak lurus pada medan magnet H homogen 1Oe (1Oe

sama dengan 1 garis gaya/cm2).[1] Satuan dari momen magnet ini adalah emu.

Gambar 2.1 Momen Magnet [9]

Pergerakkan elektron pada lintasannya, dan juga gerakan rotasi dari elektron

tersebut sama dengan pergerakan arus pada kawat, sehingga elektron tersebut juga

memiliki momen magnet. Momen magnet pada elektron berasal dari gerakkan orbital

elektron mengelilingi inti atom disebut momen magnetik orbital, dan juga gerakan

putar elektron pada sumbunya / rotasi, atau yang disebut momen magnetik spin. Jadi

tiap elektron dalam atom dapat dianggap sebagai sebuah magnet yang memiliki

momen magnetik orbital dan juga momen magnetik spin. Besarnya momen magnet

5

yang diakibatkan oleh spin elektron dan pergerakan elektron pada orbitnya adalah

sama yaitu sebesar 1 bohr magneton. Momen magnet spin dan momen magnet orbital

elektron – elektron yang terdapat pada atom bisa dijumlahkan secara vektor untuk

menghasilkan momen magnet atom.

Gambar 2.2 Momen magnetik hasil gerakan orbital dan spin elektron [10]

Dalam setiap atom, momen magnetik orbital dari beberapa pasangan elektron

dapat saling menghilangkan, demikian juga dengan momen magnetik spin (momen

dengan arah ke atas dapat menghilankan momen dengan arah ke bawah). Momen

magnetik netto dari atom, merupakan jumlah dari momen magnetik masing-masing

elektronnya, baik orbital maupun spin. Bagi atom dengan kulit dan subkulit elektron

yang lengkap, maka seluruh momen magnetiknya, baik orbital maupun spin akan

saling menghilangkan, sehingga bahan yang terdiri dari atom-atom yang demikian

tidak dapat dimagnetisasi secara permanen.

2.1.2 Magnetisasi

Magnetisasi dapat diartikan sebagai pengaruh medan magnet luar yang

dikenakan pada suatu material, atau sejauh apa material tersebut termagnetisasi

sebagai akibat dari adanya medan magnet luar tersebut. Lambang magnetisasi adalah

M, dan satuan dari Magnetisasi adalah emu/cm3. Besarnya magnetisasi adalah momen

magnet per satuan volume.

M = m/v

6

Magnetisasi maksimum atau magnetisasi jenuh (Ms) adalah besarnya

magnetisasi yang terjadi setelah arah medan magnet dalam material tersebut telah

sejajar dengan medan magnetik luar yang dikenakan pada material tersebut.

2.1.3 Induksi Magnetik

Induksi magnetik dilambangkan dengan B, dan memiliki satuan Gauss.

Induksi magnetik menggambarkan kuat medan magnetik internal yang muncul akibat

dari adanya medan magnetik luar. Medan magnet besarnya dinyatakan dengan garis

gaya/cm2. Dengan adanya medan magnetik luar , maka muncul medan magnet sebesar

H garis gaya/cm2, dan sebagai akibat dari adanya medan magnet luar tadi material

akan termagnetisasi. Saat material sudah termagnetisasi akibat adanya medan

magnetik luar tadi, pada material ada 4πM garis gaya/cm2 yang timbul. Oleh karena

itu jumlah garis gaya induksi/cm2 yang terjadi, disebut dengan induksi magnetik (B).

B = H + 4πM

Demikian halnya dengan magnetisasi maksimum, maka induksi magnetik

maksimum dicapai ketika arah induksi magnetik sejajar dengan kuat medan magnetik

luar.

Gambar 2.3 Medan magnetik yang dihasilkan magnet batang [10]

7

2.1.4 Permeabilitas dan Suseptibilitas

Permeabilitas dilambangkan dengan µ, adalah sifat dari media yang dilalui

oleh medan magnetik luar dimana induksi magnetik diukur. Permeabilitas merupakan

besar perbandingan antara B terhadap H.

µ = B/H

Karena B = H + 4πM, maka

B/H = 1 + 4π(M/H)

Perbandingan antara M terhadap H disebut juga suseptibilitas (κ), sehingga

besarnya permeabilitas menjadi :

µ = 1 + 4πκ

Harga-harga permeabilitas dan juga suseptibilitas ini dapat juga dipakai untuk

mengkarakterisasi sifat magnet dari suatu material. Berdasarkan nilai µ dan κ , sifat

magnet dari beberapa material dapat dikarakterisasi menjadi :

2.1.5 Domain Magnet, Saturasi, dan Hysteresis

Semua bahan feromagnetik dan ferimagnetik pada temperatur di bawah

temperatur Curie, yaitu batas temperatur dimana material feromagnetik dan

ferimagnetik akan berubah menjadi paramagnetik, terdiri dari daerah-daerah volume

kecil dimana terdapat persamaan arah dari semua momen dwikutub magnetiknya.

Daerah ini disebut domain yang masing-masing telah termagnetisasi hingga

magnetisasi jenuhnya.

8

Gambar 2.4 Domain dan dinding domain [10]

Umumnya untuk bahan polikristalin, setiap butirnya terdapat beberapa buah

domain magnet, domain yang bersebelahan dipisahkan oleh dinding domain dimana

arah dari momennya berubah secara bertahap. Setiap material memiliki banyak sekali

domain, yang semuanya mungkin memiliki orientasi magnetisasi yang berbeda.

Besarnya magnetisasi (M) untuk keseluruhan bagian dari material tersebut adalah

jumlah vektor magnetisasi dari semua domain, dimana besarnya kontribusi tiap

domain ditentukan oleh fraksi volumenya. Untuk bahan yang tidak dimagnetisasi,

jumlah vektor magnetisasi dari semua domain adalah nol.

Besarnya induksi magnetik (B) dan kuat Medan luar (H) tidak proporsional

pada magnet fero dan magnet feri. Hal ini berbeda dengan bahan diamagnetik,

paramagnetik, dan antiferomagnetik, yang nilai dari B dan H apabila diplot pada

sebuah diagram akan membentuk garis linear, dan sifat magnetnya akan hilang

apabila H dihilangkan. Jika suatu material feromagnetik ataupun ferimagnetik dalam

keadaan tidak dimagnetisasi (B = 0) diberikan medan luar H, maka nilai B akan

meningkat secara bervariasi, sebagai fungsi dari H. Nilai B akan menjadi konstan atau

tidak menunjukkan peningkatan lagi walaupun nilai H ditingkatkan. Fenomena ini

disebut dengan saturasi / jenuh, nilai induksi magnet saturasinya disebut Bs, dan nilai

magnetisasi saturasinya disebut Ms. Permeabilitas yang tadi dibahas merupakan

kemiringan atau gradien dari kurva B – H. Jika H yang kecil sudah bisa menghasilkan

saturasi, maka material tersebut disebut soft magnet. Material lain, membutuhkan H

yang sangat besar untuk mencapai saturasi. Material ini disebut hard magnet.

Dari titik saturasi ini ketika medan magnetik H dikurangi dengan

membalikkan arah medan, kurva tidak kembali melalui jalannya semula, akan tetapi

9

terjadi efek hysteresis, dimana laju penurunan B menjadi lebih lambat dari laju

kenaikan B saat H dinaikkan, sehingga ketika nilai H = 0, masih terdapat medan B

yang tersisa. Medan B yang tersisa ini disebut remanensi (Bs). Pada kondisi ini

material tetap termagnetisasi walaupun tanpa adanya medan magnetik luar H. Untuk

membuat nilai medan B menjadi nol, maka pemberian medan magnetik luar H dengan

arah yang berbeda dilanjutkan. Pada saat nilai B = 0, nilai H yang didapat disebut

dengan koersifitas (Hc). Bila pemberian medan H dilanjutkan, maka titik jenuh akan

kembali dicapai. Pembalikan arah medan yang kedua kalinya dari titik jenuh di

kuadran 3 ke titik jenuh semula di kuadran 1 akan membentuk hysteresis loop yang

simetri, sehingga akan didapatkan lagi nilai remanensi dan koersifitas.

Gambar 2.5 Kurva hysteresis magnet [10]

Gambar 2.6 Kurva hysteresis hard magnet dan soft magnet [11]

10

Fungsi dari magnet permanen adalah menyediakan medan magnet luar.

Magnet permanen yang ideal memiliki remanen magnet dan koersifitas yang besar.

Energi per satuan volume yang tersimpan pada medan magnet luar yang dihasilkan

magnet permanen haruslah besar, karena energi inilah yang digunakan untuk

melakukan kerja. Kerapatan energi yang terdapat medan magnet luar tergantung dan

sebanding dengan nilai maksimum dari perkalian BH di kuadran kedua kurva B vs H

dan disebut dengan BHmax. Nilai BHmax adalah luas terbesar segi empat di kuadran

dua kurva B-H.

Gambar2 .7 Area (BH)max [12]

2.2 Barium Ferit

Barium ferit termasuk ke dalam kelompok ferit, yaitu oksida Fe dan logam

lainnya. Ferit merupakan senyawa ionik yang memiliki sifat ferimagnetik. Sifat

ferimagnetik yang hampir sama dengan feromagnetik, hanya saja tingkat magnetisasi

jenuhnya lebih rendah dari feromagnetik. Material yang memiliki sifat feromagnetik

bukan merupakan senyawa, tetapi merupakan elemen murni. Sifat feromagnetik biasa

dimiliki oleh logam transisi Fe, Co, Ni, dan beberapa logam tanah jarang seperti Gd.

Ferimagnetik hanya ditemukan pada senyawa, pada material ferimagnetik momen

magnetiknya berasal dari momen magnetik atom-atom atau ion-ion yang tidak saling

menghilangkan secara sempurna. Momen magnetik yang saling menghilangkan ini

terjadi akibat dari terbentuknya persejajaran anti paralel. Material ferrimagnetik

11

mengalami magnetisasi spontan pada temperatur kamar. Magnetisasi spontan ini akan

hilang pada temperatur di atas temperatur Curie, dan menjadi paramagnetik.

Ferit, merupakan senyawa ionik, dan sifat magnetnya adalah ferimagnetik.

Seperti tadi dijelaskan sifat magnet pada ferimagnetik muncul dari momen magnetik

atom-atomnya yang tidak menghilangkan secara sempurna. Sebagai contoh dari ferit

diambil barium ferit. Dalam barium ferit, ion O2- dan Ba2+ jumlah momen magnetnya

nol. Sedangkan ion Fe3+ memiliki momen magnet sebesar 5 µB. Namun, momen

magnet dari ion – ion Fe3+ yang terdapat dalam molekul barium ferit tidak dapat

dijumlahkan begitu saja karena arah dari momen magnet atom yang terletak pada site

/ kisi yang berbeda pada material ferrimagnetik adalah anti paralel. Akibat adanya

susunan anti paralel ini, maka momen yang memiliki arah yang berlawanan akan

saling menghilangkan. Akan tetapi tidak semua momen memiliki anti paralel yang

dapat saling menghilangkan, sehingga muncul momen magnetik netto yang

merupakan momen yang tidak saling menghilangkan. Momen magnetik netto inilah

yang membuat material ferit memiliki magnetisasi permanen tanpa pengaruh medan

luar H.

2.2.1 Karakteristik Barium Ferit

Barium ferit banyak digunakan untuk pembuatan hard magnet / magnet

permanen. Bahan ini memiliki beberapa keunggulan yang membuatnya banyak

digunakan sebagai bahan dasar pembuat magnet. Barium ferit memiliki remanensi

dan koersifitas yang cukup tinggi, walaupun tidak sebesar yang dimiliki oleh material-

material feromagnetik. Seperti yang sebelumnya telah dijelaskan, material permanen

yang baik adalah magnet yang dapat menyediakan medan magnet yang besar untuk

dapat diaplikasikan oleh penggunanya, atau dengan kata lain magnet permanen dapat

menyediakan energi yang besar agar dapat digunakan untuk melakukan kerja. Tingkat

energi per satuan volume dari magnet diusahakan besar, supaya magnet yang

didapatkan dimensinya tidak terlalu besar akan tetapi dapat memberikan energi yang

besar. Kerapatan energi yang didapatkan dari medan magnet luar tergantung dan

sebanding dengan nilai maksimum dari perkalian BH di kuadran kedua kurva B vs H

dan disebut dengan BHmax. Nilai BHmax adalah luas terbesar segi empat di kuadran

dua kurva B-H.

Barium ferit memiliki koersifitas yang cukup tinggi, hal ini dikarenakan

struktur dari barium ferit. Struktur dari barium ferit diketahui panjang di arah c, yang

12

menyebabkan barium ferit mudah dimagnetisasi di arah c, sifat ini dikenal dengan

sifat anisotropi kristalin. Nilai koersifitas ini juga dapat ditingkatkan. Salah satu cara

meningkatkan koersifitas adalah dengan cara membuat ukuran dari serbuk barium

ferit berukuran nano sehingga akan dicapai keadaan dimana satu serbuk barium ferit

hanya diisi oleh satu domain dengan satu arah. Keadaan ini disebut single domain

particle.

Gambar 2.8 Mikrostuktur serbuk barium ferit menggunakan TEM [6]

Partikel barium ferrite berbentuk pelat heksagonal yang pipih dengan arah c

tegak lurus terhadap permukaan pelat. Partikel yang berbentuk pelat dapat

menghasilkan shape anisotropy dan dapat menurunkan koersifitas dari barium ferrite

karena anisotropi kristalinnya tegak lurus terhadap shape anisotropy. Ketika

dikompaksi, partikel – partikel ini memiliki kecenderungan terorientasi, sehingga

permukaan yang datar sejajar satu sama lain dan tegak lurus terhadap arah penekanan.

2.2.2 Struktur Kristal Barium Ferit

Barium Ferit tergolong ke dalam heksagonal ferit, ferit terbagi menjadi dua

golongan, kubik (mempunyai rumus umum MO.Fe2O3, dengan M adalah ion logam

bermuatan +2) dan heksagonal. Sel satuan barium ferit terdiri dari dua molekul

barium ferit, dimana masing-masing molekul memiliki 32 atom, sehingga dalam satu

sel satuan terdapat total 64 atom. Struktur sel satuan ini panjang di arah c, dengan c =

23,2 Å dan a = 5,88 Å. Ion Ba2+ dan O2- sama-sama besar, ukuran yang dimiliki oleh

kedua ion ini hampir sama, dan keduanya bersifat non magnetik yang tersusun secara

rapat . Sedangkan ion Fe3+ dengan ukuran yang lebih kecil mengisi dengan cara

interstisi. Sel yang besar terdiri dari struktur HCP (hexagonal closed packed) dan

FCC (face center cubic). Kedua struktur ini terdiri dari lapisan – lapisan atom yang

13

identik yang tersusun dengan urutan tertentu. Dalam setiap lapisan, atom terletak di

sudut – sudut segitiga sama sisi. Jika urutan dari lapisan – lapisan tersebut adalah

ABABAB….dan seterusnya, struktur yang dihasilkan adalah HCP, lalu jika urutan

lapisan adalah ABCABC…., struktur yang terbentuk adalah FCC.

Gambar2 .9 Skema struktur kristal Barium Ferit [1]

Dalam sel satuan barium ferit, terdapat sepuluh lapisan dari ion berukuran

besar (Ba2+ atau O2-), dengan empat ion di setiap lapisan. Delapan dari lapisan

tersebut terdiri dari oksigen, sedangkan dua lapisan lain masing – masing

mengandung satu ion barium. Sepuluh lapisan tersebut terbagi menjadi empat blok,

dua kubik dan dua heksagonal. Pada setiap blok heksagonal, ion barium

menggantikan satu ion oksigen di tengah di bagian tengah tiga lapisan. Secara

keseluruhan, sel satuan mempunyai bentuk heksagonal.

Satu-satunya ion magnetik dalam barium ferit adalah ion Fe3+, masing -

masing mempunyai momen sebesar 5 µB. Ion – ion Fe3+ menempati tiga posisi

tetrahedral, oktahedral, dan heksahedral. Momen yang dimiliki ion Fe3+ mempunyai

arah tegak lurus terhadap lapisan oksigen. Dari 24 ion Fe3+ yang terdapat dalam satu

sel satuan, 4 terletak di rongga tetrahedral, 18 di rongga oktahedral, dan 2 di rongga

14

heksahedral. 16 dari ion tersebut mempunyai spin ke satu arah, dan 8 yang lain

memiliki arah yang berlawanan terhadap 16 ion tersebut. Momen magnet per sel

satuan yang diprediksi adalah (16-8)5 = 40 µB atau 20 µB per molekul BaFe12O19.

2.3 Solgel Auto Combustion Method

Metode ini merupakan salah satu metode pembuatan serbuk berukuran nano

yang digunakan untuk membuat serbuk barium ferit. Teknik sol gel auto combustion

adalah teknik baru yang efisien dan hanya membutuhkan waktu singkat untuk

membuat serbuk yang sangat halus. Teknik ini melibatkan pembentukan gel dan

pembakaran untuk menghasilkan serbuk. Salah satu metode solgel yang banyak

dipelajari adalah yang menggunakan metal alkoksida sebagai precursor atau bahan

dasar pembuatannya. Akan tetapi pada penelitian ini bahan baku yang akan digunakan

sebagai precursor adalah garam logam yang juga mengandung oksidan yang berguna

untuk membantu proses pembakaran gel, contohnya adalah nitrat logam. Selain itu

pada metode solgel auto combustion ini juga digunakan bahan bakar, sebagai bahan

utama untuk melakukan proses auto combustion atau pembakaran. Pada penelitian ini

bahan bakar yang akan digunakan adalah asam sitrat. Asam sitrat banyak digunakan

sebagai bahan bakar juga berfungsi sebagai pengikat ion-ion logam yang tercampur.

Ligan pada asam sitrat bisa membentuk kompleks dengan kation logam. Pembentukan

kompleks antara ligan dari asam sitrat dan ion logam yang terlarut dapat mencegah

terjadinya pengkristalan kembali garam logam. Selain itu terbentuknya ikatan in juga

dapat membuat pencampuran bahan dapat berlangsung sempurna, atau tidaj terjadi

segregasi bahan baku yang ada, karena hal ini dapat memberikan akibat yang kurang

baik pada hasil akhir serbuk yang ingin didapatkan.

Proses yang umum pada sol gel auto combustion method diawali dengan

melarutkan garam logam pada deionized water untuk menyiapkan larutan dengan

rasio ion logam sesuai dengan produk target. Asam sitrat dilarutkan dengan pelarut

yang sama lalu ditambahkan pada larutan garam logam. Ammonia ditambahkan untuk

menyesuaikan pH menjadi 7. Larutan yang terbentuk kemudian dipanaskan untuk

menguapkan pelarut, larutan berubah menjadi gel kental. Gel dipanaskan lebih lanjut

diikuti dengan mengembangnya gel menjadi gelembung dengan volume yang jauh

lebih besar dan pembakaran sendiri yang menghasilkan pelepasan gas dalam jumlah

banyak. Proses pembakaran ini berlangsung dengan sendirinya, hanya diberikan

pemanasan, atau biasa disebut dengan auto combustion. Jenis pembakaran yang

15

terjadi (dengan nyala api dan tanpa nyala api) sangat berpengaruh terhadap ukuran

serbuk yang terbentuk. Pembakaran ini menghasilkan abu halus yang mengandung

produk oksida. Gas yang dikeluarkan saat pembakaran mencegah terjadinya segregasi

serbuk yang terbentuk. Karakteristik serbuk yang terbentuk tergantung dari reaksi

eksoterm oksidan dan bahan bakar. Reaksi eksoterm ini dipengaruhi oleh sifat dari

bahan bakar yang digunakan dan rasio antara bahan bakar dengan oksidan. Serbuk

yang terbentuk kemudian dikalsinasi untuk membentuk fasa BaFe12O19.

Banyak usaha telah dilakukan untuk mengetahui pengaruh beberapa parameter

sintesis terhadap karakteristik serbuk yang terbentuk. Bahadur dkk,[5] dalam

penelitian yang dilakukannya membuat serbuk barium ferrite dengan tiga rasio rasio

kation logam – asam sitrat yaitu rasio 1:1, rasio 1:2, dan rasio 1:3. Rasio yang

menghasilkan serbuk dengan sifat magnet paling baik adalah rasio 1:2. Sifat magnet

yang tinggi pada sampel rasio 1:2 disebabkan oleh asam sitrat yang berfungsi sebagai

agen pengikat yang membentuk ikatan kompleks dengan Fe3+ dan Ba2+ sehingga ion

Fe3+ dan Ba2+ terdistribusi lebih merata dalam larutan. Saat dipanaskan, Fe3+ dan Ba2+

yang terdistribusi merata, akan lebih mudah membentuk BaFe12O19. Pada sampel

dengan rasio 1:3 sifat magnet yang dimilikinya turun karena rasio bahan bakar

melebihi batas optimum dan hal ini ternyata mempengaruhi reaksi eksoterm dari

bahan-bahan yang telah dicampurkan, sehingga mendorong terjadinya reaksi

pembentukan fasa α-Fe2O3. Jianxun Qiu[7], dari penelitian yang telah dilakukannya

menyimpulkan bahwa reaksi yang terjadi ketika proses kalsinasi serbuk hasil

pengeringan gel adalah:

Fe2O3 +BaCO3→ BaFe2O4 +CO2

BaFe2O4 +5Fe2O3 → BaFe12O19

Hasil reaksi pengeringan gel

Hasil yang ingin didapat

16

Solgel Auto Combustion

Gambar 2.10 Gambar skema proses solgel auto combustion method dengan garam

logam sebagai precursornya

Ba-nitrat Fe-nitrat

BaFe12O19

- fasa tunggal

- butiran kecil

kalsinasi sintesa

BaCO3 & Fe2O3

+ fuel + oksidan

Auto-combustion

17