SIFAT KEMAGNETAN BAHAN

Ketika materi ditempatkan dalam medan magnet, kekuatan magnetik dari

bahan yang elektron tersebut akan terpengaruh. Efek ini dikenal sebagai

Hukum Faraday Induksi Magnetik. Namun, bahan dapat bereaksi sangat

berbeda dengan kehadiran medan magnet luar. Reaksi ini tergantung

pada sejumlah faktor, seperti struktur atom dan molekul material, dan

medan magnet bersih terkait dengan atom. Momen magnetik

berhubungan dengan atom memiliki tiga asal-usul. Ini adalah gerakan

orbital elektron, perubahan dalam gerak orbit yang disebabkan oleh

medan magnet luar, dan spin dari elektron.

Pada sebagian besar atom, elektron terjadi pada pasangan. Spin elektron

dalam pasangan di arah yang berlawanan. Jadi, ketika elektron

dipasangkan bersama-sama, mereka berputar berlawanan menyebabkan

medan magnet mereka untuk membatalkan satu sama lain. Oleh karena

itu, tidak ada medan magnet bersih. Bergantian, bahan dengan beberapa

elektron berpasangan akan memiliki medan magnet bersih dan akan

bereaksi lebih untuk bidang eksternal. Kebanyakan bahan dapat

diklasifikasikan sebagai diamagnetic, atau feromagnetik paramagnetik.

Berdasarkan sifat medan magnet atomis, bahan dibagi menjadi tiga

golongan, yaitu diamagnetik, paramagnetik dan ferromagnetik.Berikut

akan djelaskan tentang ketiga sifat dari kemagnetan.

a. Diamagnetik.

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

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 0μμ<>mχ. Contoh bahan diamagnetik yaitu: bismut,

perak, emas, tembaga dan seng.

Bahan diagmanetik memiliki negatif, kerentanan lemah untuk

medan magnet. 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. sifat Diamagnetic

timbul dari penataan kembali dari orbit elektron di bawah pengaruh

medan magnet luar. Sebagian besar unsur dalam tabel periodik, termasuk

tembaga, perak, dan emas, adalah diamagnetic.

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.

Semua material menunjukkan peristiwa diamagnetik ketika berada

dalam medan magnet. Oleh karena itu, diamagnetik adalah peristiwa

yang umum terjadi karena pasangan elektron , termasuk elektron inti di

atom, selalu menghasilkan peristiwa diamagnetik yang lemah. Namun

demikian, 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 dirnasukkan bahan ini, induksi magnetik yang timbul lebih kecil.

• Permeabilitas bahan ini: u <> o.

Contoh: Bismuth, tembaga, emas, perak, seng, garam dapur.

b. Paramagnetik.

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 bahan paramagnetik adalah 0μμ>, dan suseptibilitas

magnetik bahannya .0>mχ 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.

Bahan paramagnetik ada yang positif, kerentanan kecil untuk

medan magnet.. Bahan-bahan ini sedikit tertarik oleh medan magnet dan

materi yang tidak mempertahankan sifat magnetik ketika bidang

eksternal dihapus. sifat paramagnetik adalah karena adanya beberapa

elektron tidak berpasangan, dan dari penataan kembali elektron orbit

disebabkan oleh medan magnet eksternal. bahan paramagnetik termasuk

Magnesium, molybdenum, lithium, dan tantalum

Paramagnetisme adalah suatu bentuk magnetisme yang hanya

terjadi karena adanya medan magnet eksternal. Material paramagnetik

tertarik oleh medan magnet, dan karenanya memiliki permeabilitas

magnetis relatif lebih besar dari satu (atau, dengan kata lain,

suseptibilitas magnetik positif). Meskipun demikian, tidak seperti

ferromagnet yang juga tertarik oleh medan magnet, paramagnet 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 adalah tidak

nol.

• Jika solenoida dimasuki bahan ini akan dihasilkan induksi magnetik yang lebih besar.

• Permeabilitas bahan: u > u o.

Contoh: aluminium, magnesium, wolfram, platina, kayu

c. Ferromagnetik.

Bahan ferromagnetik adalah bahan yang mempunyai resultan

medan atomis besar (Halliday & Resnick, 1989). 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 unmagnitized, wilayah hampir secara acak terorganisir dan

medan magnet bersih untuk bagian yang secara keseluruhan adalah nol..

Ketika kekuatan magnetizing diberikan, domain menjadi selaras untuk

menghasilkan medan magnet yang kuat dalam bagian.. Besi, nikel, dan

kobalt adalah contoh bahan feromagnetik.. Komponen dengan materi-

materi ini biasanya diperiksa dengan menggunakan metode partikel

magnetik.

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 dan ferromagnetisme merupakan dasar untuk

menjelaskan fenomena magnet permanen.

Ciri-ciri bahan ferromagnetic adalah:

• Bahan yang mempunyai resultan medan magnetis atomis besar.

• Tetap bersifat magnetik → sangat baik sebagai magnet permanen

• Jika solenoida diisi bahan ini akan dihasilkan induksi magnetik sangat besar (bisa ribuan

kali).Permeabilitas bahan ini: u > uo ( miu > miu nol)

Contoh: besi, baja, besi silikon, nikel, kobalt.

SIFAT MAGNETIK ZAT PADAT

Pendahuluan

Solid-state fisika, cabang terbesar Fisika benda terkondensasi, adalah studi tentang materi yang kaku, atau zat padat, melalui metode seperti mekanika kuantum, kristalografi, elektromagnetisme dan metalurgi. Solid-state physics considers how the large-scale properties of solid materials result from their atomic -scale properties. Solid-state fisika mempertimbangkan bagaimana sifat skala besar bahan padat hasil dari mereka atom skala-sifat. Solid-state physics thus forms the theoretical basis of materials science , as well as having direct applications, for example in the technology of transistors and semiconductors . Fisika solid-state sehingga membentuk teori dasar ilmu material, serta memiliki aplikasi

langsung, misalnya dalam teknologi transistor dan semikonduktor.

Bahan padat yang dibentuk dari atom padat-penuh, dengan pasukan persentuhan yang intens diantara mereka. These interactions are responsible for the mechanical (eg hardness and elasticity ), thermal , electrical , magnetic and optical properties of solids. Interaksi ini bertanggung jawab atas mekanik (misalnya kekerasan dan elastisitas), termal, listrik, magnetik dan optik sifat benda padat. Depending on the material involved and the conditions in which it was formed, the atoms may be arranged in a regular, geometric pattern ( crystalline solids , which include metals and ordinary water ice ) or irregularly (an amorphous solid such as common window glass ). Tergantung pada bahan yang terlibat dan kondisi di mana ia terbentuk, atom dapat diatur dalam biasa, pola geometris (padatan kristal, yang termasuk logam dan biasa air es) atau tidak teratur (sebuah amorf solid seperti biasa jendela kaca).

Sifat magnet dari suatu zat dapat ditunjukkan dan diukur dengan neraca. Zat yang bersifat diamagnetik akan menunjukkan berat kurang, sedangkan yang bersifat paramagnetik menunjukkan berat lebih. Sifat magnet zat berkaitan dengan konfigurasi elektronnya. Zat yang bersifat paramagnetik mempunyai setidaknya satu elektron tak berpasangan. Semakin banyak elektron tak berpasangan, semakin bersifat paramagnetik. Pengukuran sifat magnet dapat digunakan untuk menentukan jumlah elektron tak berpasangan dalam satu spesi

1. Sifat Magnetik Kristal

Besarnya pembelahan kristal menentukan sifat magnetik suatu ion kompleks. Ion {Ti(H2O)6]3+, yang hanya mempunyai satu elektron d, selalu paramagnetik. Namun untuk suatu ion dengan beberapa elektron d, situasinya tidak semudah itu. Misalnya, komplek oktahedral [FeF6]3- dan [Fe(CN)6]3- (Gambar 1). untuk lebih jelas klik gambar

Gambar 1 Diagram tingkat energi untuk ion Fe3+ dan untuk ion kompleks [FeF6]3- dan [Fe(CN

Konfigurasi elektron Fe3+ ialah [Ar]3d5 , dan ada dua kemungkinan untuk mendistribusikan kelima elektron d pada orbital-orbital d. Berdasarkan aturan Hund, kestabilan maksimum

akan tercapai apabila elektron diletakkan pada orbital terpisah dengan spin paralel. Akan tetapi, susunan ini akan tercapai dengan satu syarat; dua dari lima elektron harus dipromosikan ke orbital dan yang energinya lebih tinggi. Invastasi energi sebesar ini tidak diperlukan jika kelima elektron memasuki orbital . Menurut prinsip larangan Pauli, aka nada hanya satu elektron tak berpasangan dalam kasus ini.

Gambar 2 Diagram orbital untuk kompleks oktahedral spin-tinggi dan spin-rendah untuk masing-masing konfigurasi elektron d4, d5, d6, dan d7. Pembedaan ini tidak dapat dibuat untuk d1, d2, d3, d8 , d9 ,dan d10.

Gambar 2 menunjukkan distribusi elektron di antara orbital-orbital d yang menghasilkan kompleks spin-rendah dan dan spin-tinggi. Susunan sebenarnya dari elektron-elektron ini ditentukan berdasarkan besarnya kestabilan yang didapatkan dengan mempunyai spin paralel maksimum versus investasi energi yang diperlukan untuk mempromosikan elektron ke orbital d yang lebih tinggi. Karena F- adalah ligan medan-lemah, kelima elektron d memasuki lima orbital d dengan spin paralel sehingga terbentuk kompleks spin-tinggi (lihat Gambar 1). Sebaliknya, ion sianida adalah ion medan-kuat, sehingga secara energi kelima elektron memilih berada di orbital rendah karena dan karena itu terbentuklah kompleks spin-rendah. Komplek spin-tinggi lebih paramagnetik daripada komplek spin-rendah.

Banyak elektron(atau spin) takberpasangan dapat diketahui melalui pengukuran magnetik, dan pada umumnya hasil percobaan akan mendukung prediksi yang diperoleh berdasarkan pembelahan medan kristal. Namun pembedaan antara kompleks spin-rendah dan spin-tinggi dapat dibuat hanya jika ion logam mengandung lebih dari tiga dan kurang dari delapan elektron d, sperti pada Gambar 2.

2. Sifat Magnetik

Keberadaan konfigurasi spin-tinggi dan spin-rendah menyebabkan sifat magnetik pada berbagai senyawa koordinasi. Zat dapat digolongkan sebagai paramagnetik atau diamagnetik berdasarkan apakah zat tersebut ditarik ke dalam medan magnetik atau tidak. Gambar 18.18 menjelaskan eksperimen untuk menunjukkan kerentanan universal zat terhadap pengaruh medan magnetik. Sampel berbentuk tabung digantung sedemikian sehingga dasarnya berada di antara kutub magnet yang sangat kuat tetapi bagian puncaknya di luar medan magnetik. Zat ditimbang dengan sangat cermat lalu ditimbang kembali bila magnetnya disingkirkan. Gaya total pada sampel ternyata berubah akibat keberadaan medan magnetik. Zat yang ditolak oleh medan magnetik nonuniform bobotnya lebih sedikit dan disebut diamagnetik. Dan zat yang ditarik oleh medan magnetik bobotnya lebih tinggi dan disebut paramagnetik. Penimbangan yang baru dijelaskan ini memberikan nilai numeric untuk kerentanan magnetik (magnetic susceptibility) suatu zat, kecenderungannya untuk berinteraksi dengan medan magnetik. Kerentanan suatu diamagnet adalah negatif dan kecil, sementara untuk paramagnet

positif dan mungkin cukup besar

Paramagnetisme dikaitkan dengan atom, ion, atau molekul yang mengandung satu atau lebih elektron dengan spin yang tidak berpasang. Zat diamagnetic mempunyai spin dengan semua elektronya berpasangan. Jadi pengukuran kerentanan magnetik menyatakan mana zat yang spin elektronnya tak-berpasangan dan mana yang spin elektronnya semua berpasangan. Jumlah electron tak berpasangan permolekul dalam paramagnet bahkan dapat dihitung berdasarkan besarnya kerentanan magnetik sampel tersebut. Berdasarkan molar, zat dengan dua electron tak berpasangan permolekul ditarik ke dalam medan magnetik lebih kuat dibandingkan zat dengan hanya satu elektron tak-berpasangan permolekul.

Fakta ini muncul sehubungan dengan kompleks koordinasi sebab paramagnetisme banyak terjadi di antara kompleks logam transisi, padahal sebagian besar zat kimia lain bersifat diamagnetik. Di antara kompleks ion logam tertentu, jumlah elektron tak-berpasangan, sebagaimana teramati dari kerentanan magnetik, identitas ligannya beragam. Baik maupun mempunyai enam ligan di seputar ion pusat, tetapi yang disebut pertama bersifat diamagnetic (sebab zat itu merupakan kompleks spin-rendah, medan kuat) dan zat yang disebut terakhir adalah paramagnetic karena ada empat electron tak-berpasangan (sebab zat ini merupakan kompleks spin-tinggi,medan lemah). Demikian pula, adalah diamagnetik, tetapi memiliki empat electron tak-berpasangan; kompleks ini juga berkaitan dengan dua konfigurasi .

.

1. Sifat Magnetik Unsur Transisi Periode ke Empat

Unsur transisi mempunyai siat-sifat khas yang membedakan dari unsur golongan utama, antara lain :

1. Sifat logam, semua unsur transisi tergolong logam dengan titik cair dan titik didih yang relatif tinggi.

2. Bersifat paramagnetik (sedikit tertarik ke dalam medan magnet).

Sifat paramagnetik suatu atom merupakan sifat yang disebabkan karena adanya

elektron yang tidak berpasangan (elektron tunggal),sedang sifat feromagnetik ditentukan oleh

banyaknya elektron tunggal, semakin banyak elektron tunggalnya maka akan makin bersifat

feromagnetik.

Unsur transisi periode ke empat dan senyawa-senyawanya umumnya bersifat paramagnetik (apabila ditarik kuat ke dalam medan magnet). Feromagnetisme hanya diperlihatkan oleh beberapa logam, yaitu besi, kobal, dan nikel, serta logam-logam campur tertentu.

Zink dan unsur-unsur golongan IIB lainnya (Cd dan Hg) mempunyai titik leleh dan titik didih yang relatif rendah tidak paramagnetik, melainkan bersifat diamagnetik (sedikit ditolak keluar medan magnet). Sifat-sifat khas unsur transisi berkaitan dengan adanya subkulit d yang terisi tidak penuh. Semua unsur transisi periode keempat memenuhi definisi ini, kecuali zink.

3. Magnetisme dalam materi

1. Paramagnetik

Bahan paramagnetik ialah bahan-bahan yang memiliki suseptibiltas magnetic Xm yang positif, dan sangat kecil. Paramagnetisme muncul dalam bahan yang atom-atomnya memiliki momen magnetik permanen yang berinteraksi satu sama lain secara sangat lemah. Apabila tidak terdapat medan magnetik luar, momen magnetik ini akan berorientasi acak.

Dengan daya medan magnetik luar, momen magnetik ini cenderung menyearahkan sejajar dengan medannya, tetapi ini dilawan oleh kecenderungan momen untuk berorientasi acak akibat gerakan termalnya. Perbandingan momen yang menyearahkan dengan medan ini bergantung pada kekuatan medan dan pada temperaturnya. Pada medan magnetik luar yang kuat pada temperatur yang sangat rendah, hampir seluruh momen akan diserahkan dengan medannya. Dalam keadaan ini kontribusi pada medan magnetik total akibat bahan ini sangat besar, seperti yang diperlihatkan dalam taksiran numerik. Akan tetapi, sekalipun dengan medan magnetik terkuat yang dapat diperoleh di laboratorium, temperatur haruslah serendah beberapa Kelvin untuk memperoleh derajat penyearahan yang tinggi.Telah kita ketahui bahwa energi potensial dipole listrik dengan momen p

dalam medan listrik E pada persamaan:

Energi potensial dari suatu dipol magnetik dengan momen m di dalam medan

magnetik luar B diberikan oleh persamaan yang sama:

Energi potensial apabila momennya sejajar dengan medan (θ = 0) dengan demikian lebih rendah dibandingkan apabila momennya sejajar dan berlawanan arah (θ = 180o) sebesar 2mB. Untuk momen magnetik 1 magneton Bohr dan medan magnetik sekuat 1 T, perbedaan energi potensialnya adalah :

Pada temperature normal T=300K, energi termal kT ialah :

yang kira-kira 200 kali lebih besar dari 2mBB. Dengan demikian, sekalipun dalam medan magnetik yang kuatnya 1 T, sebagian besar momen magnetik tersebut akan berorientasi acak karena gerak termalnya.

Pada hukum Curie,

Perhatikan bahwa merupakan rasio antara energi maksimum dipol dalam

medan magnetik dengan energi termal karakteristiknya dan dengan

demikian akan berupa bilangan tanpa dimensi. Hasil bahwa pemagnetan

ini terbalik dengan temperatur mutlak ditemukan secara percobaan oleh

Pierre Curie dan dikenal hukum Curie.

2. FEROMAGNETISME

Bahan feromagnetisme merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas magnetik Xm

positif, yang sangat tinggi. Feromagnetisme muncul pada besi murni, kobalt, dan nikel serta

paduan dari logam-logam ini. Sifat ini juga dimiliki oleh gadolinium, disprosium, dan

beberapa senyawa lain. Dalam bahan-bahan ini sejumlah kecil medan magnetik luar dapat

menyebabkan derajat penyearahan yang tinggi pada momen dipol magnetik atomnya. Dalam

beberapa kasus, penyearahan ini dapat bertahan sekalipun medan pemagnetannya telah

hilang. Ini terjadi karena momen dipol magnetik atom dari bahan-bahan ini mengerahkan

gaya-gaya yang kuat pada atom tetangganya sehingga dalam daerah ruang yang sempit,

momen ini disearahkan satu sama lain sekalipun medan luarnya tidak ada lagi. Daerah ruang

tempat momen dipol megnetik disearahkan ini disebut daerah magnetik. Ukuran suatu ranah

biasanya bersifat mikroskopik. Dalam daerah ini, semua momen magnetik disearahkan, tetapi

arah penyearahannya beragam dari daerah ke daerah sehingga momen magnetik total dari

kepingan mikroskopik bahan feromagnetik ini adalah nol dalam keadaan normal.

Apabila medan magnetik luar dikerahkan, batas-batas daerah tersebut dapat bergeser

atau arah penyearahan dalam suatu daerah dapat berubah sehingga terdapat momen magnetik

mikroskopik total dalam arah medan yang dikerahkan tersebut. Karena derajat penyearahan

itu terlalu besar bahkan untuk medan luar yang lemah, medan magnetik yang dihasilkan

dalam bahan ersebut oleh dipol-dipol seringkali jauh lebih besar daripada medan luarnya.

3. DIAMAGNETISME

Bahan diamagnetisme merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas magnetik Xm

negatif dan sangat kecil. Sifat diamagnet ditemukan oleh Faraday pada tahun 1846 ketika ia

mengetahui bahwa sekeping bismuth ditolak oleh kedua kutub magnet, yang memperlihatkan

bahwa medan luar dari magnet tersebut menginduksikan suatu momen magnetik pada

bismuth dalam arah yang berlawanan dengan medan tersebut. Kita dapat memahami

pengaruh ini secara kualitatif dengan menggunakan hukum Lenz.

Atom dengan struktur elektron kulit tertutup memiliki momentum sudut total sama

dengan nol dan dengan demikian tidak ada momen magnetik permanen totalnya. Bahan-

bahan yang memiliki atom yang demikian-bismut, misalnya-merupakan bahan diamagnetik.

Sebagaimana yang akan kita lihat kemudian, momen magnetik induksi yang menyebabkan

diamagnetisme memiliki besar orde 10-5 magneton Bohr. Karena nilai ini jauh lebih rendah

daripada momen magnetik permanen atom-atom bahan paramagnetik dan feromagnetik, yang

tidak memiliki struktur kulit tertutup, pengaruh diamagnetik pada atom-atom ditutupi oleh

penyearahan momen magnetik permanen. Akan tetapi, karena penyebarisan ini menurun

terhadap temperatur, semua bahan secara teoritis bersifat diamgnetik pada temperatur yang

cukup tinggi.

Superkonduktor merupakan diamagnetik yang sempurna, artinya superkonduktor ini

memiliki suseptibilitas magnetik -1. apabila superkonduktor ini ditempatkan dalam medan

magnetik luar, arus listrik akan diinduksikan pada permukaannnya sehingga medan magnetik

total dalam superkonduktor tersebut menjadi nol. Perhatikan batang superkonduktor di dalam

solenoida dengan n lilitan per panjang satuan. Apabila solenoidanya dihubungkan dengan

sumber ggl sehingga menyalurkan arus I, medan magnetik akibat solenoidanya akan sama

dengan . Arus permukaan sebesar –nI per panjang satuan yang diinduksikan pada batang

superkonduktor akan meniadakan medan akibat solenoida sehingga medan total di dalam

superkonduktor sama dengan nol.

PERSAMAAN MAGNETIK PADA BAHAN

(disusun guna memenuhi tugas Mata Kuliah Pengantar Fiska Zat Padat)

Oleh :

1. Ulya Zakiya 080210192020

2. Zuhriyati 090210102002

3. Arlik Sarinda 090210102024

4. Fajar Lailatul 090210102038

5. Nur Azizah 090210102058

6. Agusta Ayudya 090210102070

7. Taufiq Anshori 090210102074

8. Rica Ayu B. 090210102081

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

JURUSAN PENDIDIKAN MIPA

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS JEMBER

2012

Persamaan Magnetik di dalam bahan

Bahan Magnetik adalah bahan yang dapat ditarik oleh magnet. Berdasarkan perilaku

molekulnya di dalam medan magnetik luar, bahan terdiri atas tiga kategori, yaitu

paramagnetik, diamagnetik, dan feromagnetik. Sebagian besar mineral di alam bersifat

diamagnetik atau paramagnetik. Namun, ada beberapa mineral yang bersifat feromagnetik.

Mineral-mineral ini yang umumnya tergolong dalam oksida besi- titanium, sulfide besi dan

hidrooksida besi yang disebut sebagai mineral magnetik. Dari segi kuantitas keberadaan

mineral- mineral ini sangat kecil.

Tabel 1.1 Sifat magnetik dari sejumlah mineral magnetik

Suseptibilitas magnetik adalah ukuran dasar bagaimana sifat kemagnetan suatu bahan

yang merupakan sifat magnet bahan yang ditunjukkan dengan adanya respon terhadap

induksi medan magnet yang merupakan rasio antara magnetisasi dengan intensitas medan

magnet. Dengan mengetahui nilai suseptibilitas magnetik suatu bahan, maka dapat diketahui

sifat-sifat magnetik lain dari bahan tersebut. χm adalah suseptibilitas magnet bahan (besaran

tidak berdimensi)

Ada tiga kelompok bahan menurut nilai suseptibilitas magnetnya:

1. χm < 0 : bahan diamagnetik

2. χm > 0 , namum χm << 1 : bahan paramagnetik

3. χm > 0 , dan χm >> 1 : bahan ferromagnetic

Gambar 1.1 Grafik magnetisasi bahan

1.        Paramagnetik

Bahan paramagnetik adalah bahan - bahan yang memiliki suseptibilitas magnetik χm

yang positif dan sangat kecil. Paramagnetik muncul dalam bahan yang atom - atomnya

memiliki momen magnetik permanen yang berinteraksi satu sama lain secara sangat lemah.

Apabila tidak terdapat Medan magnetik luar, momen magnetik ini akan berorientasi acak.

Dengan daya Medan magnetik luar, momen magnetik ini arahnya cenderung sejajar dengan

medannya, tetapi ini dilawan oleh kecenderungan momen untuk berorientasi acak akibat

gerakan termalnya. Perbandingan momen yang menyearahkan dengan medan ini bergantung

pada kekuatan medan dan pada temperaturnya. Pada medan magnetik luar yang kuat pada

temperatur yang sangat rendah, hampir seluruh momen akan disearahkan dengan medannya.

Dalam keadaan ini kontribusi pada medan magnetik total akibat bahan ini sangat besar,

seperti yang diperlihatkan dalam taksiran numerik. Akan tetapi, sekalipun dengan medan

magnetik terkuat yang dapat diperoleh di laboratorium, temperatur haruslah serendah

beberapa Kelvin untuk memperoleh derajat penyearahan yang tinggi.

Gambar 1.2 Arah orientasi momen dipol magnet bahan

(a). Tanpa medan magnet luar

(b). Dengan magnet luar.

Karakteristik dari bahan yang bersifat paramagnetik adalah memiliki momen

magnetik permanen yang akan cenderung menyearahkan diri sejajar dengan arah medan

magnet dan harga suseptibilitas magnetiknya berbanding terbalik dengan suhu T. Variasi dari

nilai susceptibilitas magnetik yang berbanding terbalik dengan suhu T adalah merupakan

hukum Curie.

(1.1)

(1.2)

(1.3)

Persamaan di atas adalah merupakan persamaan hukum Curie dimana T adalah suhu

pengamatan, µB adalah bilangan Bohr Magneton, N adalah jumlah atom bahan, kB adalah

konstanta Boltzman, C adalah tetapan Curie, P adalah bilangan Bohr Magneton efektif, dan g

adalah faktor Lande.

(1.4)

(1.5)

Sifat dari bahan dapat diketahui dengan mengetahui kandungan mineral magnetik

pada bahan tersebut. Kandungan mineral magnetik ini dapat diketahui dengan serangkaian

penelitian, salah satunya adalah dengan mengukur temperatur curie dari bahan tersebut.

Batuan merupakan bahan yang komplek, tersusun dari lebih satu mineral magnetik. Dengan

pengukuran temperatur curie, dapat menentukan mineral magnetik yang terkandung dalam

batuan.

Suhu Curie adalah suhu yang memisahkan antara ferromagnetik dengan non

ferromagnetic (paramagnetik).

Sebuah bahan yang paramagnetik bisa berlaku sebagai ferromagnetik apabila

suhunya diturunkan sampai dengan suhu tertentu (suhu Curie).

Sebuah bahan yang paramagnetik bisa berlaku sebagai anti ferromagnetik

apabila suhunya dinaikan sampai dengan suhu tertentu (suhu Weiss).

2. Diamagnetik

Bahan diamagnetik merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas magnetik Xm

negatif dan sangat kecil. Sifat diamagnet ditemukan oleh Faraday pada tahun 1846 ketika ia

mengetahui bahwa sekeping bismuth ditolak oleh kedua kutub magnet, yang memperlihatkan

bahwa medan luar dari magnet tersebut menginduksikan suatu momen magnetik pada

bismuth dalam arah yang berlawanan dengan medan tersebut. Kita dapat memahami

pengaruh ini secara kualitatif dengan menggunakan hukum Lenz.

Gambar 2.1 beberapa bahan diamagnetic ( memperlemah medan magnet )

Atom dengan struktur elektron kulit tertutup memiliki momentum sudut total sama

dengan nol dan dengan demikian tidak ada momen magnetik permanen totalnya. Bahan-

bahan yang memiliki atom yang demikian-bismut, misalnya-merupakan bahan diamagnetik.

Sebagaimana yang akan kita lihat kemudian, momen magnetik induksi yang menyebabkan

diamagnetisme memiliki besar orde 10-5 magneton Bohr. Karena nilai ini jauh lebih rendah

daripada momen magnetik permanen atom-atom bahan paramagnetik dan feromagnetik, yang

tidak memiliki struktur kulit tertutup, pengaruh diamagnetik pada atom-atom ditutupi oleh

penyearahan momen magnetik permanen. Akan tetapi, karena penyebarisan ini menurun

terhadap temperatur, semua bahan secara teoritis bersifat diamgnetik pada temperatur yang

cukup tinggi.

Superkonduktor merupakan diamagnetik yang sempurna, artinya superkonduktor ini

memiliki suseptibilitas magnetik -1. apabila superkonduktor ini ditempatkan dalam medan

magnetik luar, arus listrik akan diinduksikan pada permukaannnya sehingga medan magnetik

total dalam superkonduktor tersebut menjadi nol. Perhatikan batang superkonduktor di dalam

solenoida dengan n lilitan per panjang satuan. Apabila solenoidanya dihubungkan dengan

sumber ggl sehingga menyalurkan arus I, medan magnetik akibat solenoidanya akan sama

dengan. Arus permukaan sebesar –nI per panjang satuan yang diinduksikan pada batang

superkonduktor akan meniadakan medan akibat solenoida sehingga medan total di dalam

superkonduktor sama dengan nol.

Persamaan Langevin Diamagnetik

Pada elektromagnetik, kita telah mengenal Hukum lenz : Saat fluks magnetic pada

rangkaian listrik berubah, arus imbas induksi akan muncul dalam arah sedemikian rupa

sehingga arah tersebut menentang perubahan yang menghasilkannya. Pada

superkonduktor atau pada orbit elektron dalam atom, arus induksi sepanjang medannya ada.

Medan magnet arus induksi berlawanan arah dengan medan magnet luar dan momen

medan magnet yang dihubungkan dengan arus adalah momen diamagnetik. Pada logam

normal ada kontribusi diamagnetik dari konduksi elektron dan diamagnetisnya tidak dirusak

oleh benturan elektron.

Perlakuan diamagnetik adalah dengan menggunakan Teorema Larmor, yaitu :

Dalam sebuah medan magnet, gerak elektron di sekitar inti adalah sama dengan gerak

tanpa medan magnet, kecuali untuk superposisi dari sebuah presisi elektron dengan

frekuensi sudut :

Bila arus listrik akibat gerak presisi dari

Z buah elektron adalah ekivalen dengan

arus listrik (I). Dimana dalam satuan SI,

arus adalah:

Momen magnet ( µ ) pada rangkaian tertutup adalah:

dimana luas loop yang berjari-jari ρ adalah πρ2. Sehingga persamaan momen

magnetiknya adalah:Harga suseptibilitas adalah sebagai berikut:

Suseptibilitas per satuan volume untuk N = jumlah atom per satuan volume

dan M= jumlah momen dipol per volume adalah:

Bila diplot ke grafik hubungan χ (suseptibilitas) dengan T (suhu) diperoleh

grafik seperti dibawah ini :

2. Feromagnetik

Bahan feromagnetisme merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas magnetik

Xm positif, yang sangat tinggi. Feromagnetisme muncul pada besi murni, kobalt, dan nikel

serta paduan dari logam-logam ini. Sifat ini juga dimiliki oleh gadolinium, disprosium, dan

beberapa senyawa lain. Dalam bahan-bahan ini sejumlah kecil medan magnetik luar dapat

menyebabkan derajat penyearahan yang tinggi pada momen dipol magnetik atomnya. Dalam

beberapa kasus, penyearahan ini dapat bertahan sekalipun medan pemagnetannya telah

hilang. Ini terjadi karena momen dipol magnetik atom dari bahan-bahan ini mengerahkan

gaya-gaya yang kuat pada atom tetangganya sehingga dalam daerah ruang yang sempit,

momen ini disearahkan satu sama lain sekalipun medan luarnya tidak ada lagi. Daerah ruang

tempat momen dipol megnetik disearahkan ini disebut daerah magnetik. Ukuran suatu ranah

biasanya bersifat mikroskopik. Dalam daerah ini, semua momen magnetik disearahkan, tetapi

arah penyearahannya beragam dari daerah ke daerah sehingga momen magnetik total dari

kepingan mikroskopik bahan feromagnetik ini adalah nol dalam keadaan normal.

Apabila medan magnetik luar dikerahkan, batas-batas daerah tersebut dapat bergeser

atau arah penyearahan dalam suatu daerah dapat berubah sehingga terdapat momen magnetik

mikroskopik total dalam arah medan yang dikerahkan tersebut. Karena derajat penyearahan

itu terlalu besar bahkan untuk medan luar yang lemah, medan magnetik yang dihasilkan

dalam bahan ersebut oleh dipol-dipol seringkali jauh lebih besar daripada medan luarnya.

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 adalah

sejajar paralel sehingga gaya magnet dalam domain yang kuat. Ketika bahan feromagnetik

dalam keadaan unmagnitized, wilayah hampir secara acak terorganisir dan medan magnet

bersih untuk bagian yang secara keseluruhan adalah nol. Ketika kekuatan magnetizing

diberikan, domain menjadi selaras untuk menghasilkan medan magnet yang kuat dalam

bagian. Komponen dengan materi-materi ini biasanya diperiksa dengan menggunakan metode

magnetik partikel.

Contoh bahan feromagnetik yaitu :

- Besi

- Nikel

- Kobalt

Gambar 3.1 Bahan Unmagnetized

Gambar 3.2 Bahan Magnetik

Dalam bahan ini sejumlah kecil medan magnetik luar dapat menyebabkan derajat

penyearahan yang tinggi pada momen dipol magnetik atomnya. Dalam beberapa kasus,

penyearahan ini dapat bertahan sekalipun Medan pemagnetannnya telah hilang. Ini terjadi

karena momen dipol magnetik atom dari bahan- bahan feromagnetik ini mengerahkan gaya-

gaya yang kuat pada atom tetangganya sehingga dalam daerah ruang yang sempit momen ini

disearahkan satu sama lain sekalipun medan luarnya tidak ada lagi. Daerah ruang tempat

momen dipol magnetik disearahkan ini disebut daerah magnetik. Dalam daerah ini, semua

momen magnetik disearahkan, tetapi arah penyearahannya beragam dari daerah ke daerah

sehingga momen magnetik total dari kepingan mikroskopik bahan feromagnetik ini adalah

nol dalam keadaan normal (Tipler, 2001).

Gambar 3.3 Susunan teratur dari spin-spin electron Feromagnetik sederhana

Teori feromagnetik pertama kali dikemukakan oleh Pierre Weiss, yang berkhusus

pada hipotesis berikut :

Suatu sampel bahan feromagnetik berisi sejumlah daerah kecil yang disebut

ranah (domain), yang termagnetisasi secara spontan. Besar magnetisasi spontan sampel bahan

itu secara keseluruhan ditentukan oleh jumlah vector dari momen-momen magnetic domain.

Magnetisasi masing-masing domain disebabkan oleh adanya perputaran, BE

yang cenderung menghasilkan sususan dipole-dipole atomic yang sejajar. Medan pertukaran

BE dianggap sebanding dengan magnetisasi M masing-masing domain.

BE=λ M

Table 3.1 Sifat magnetik Bahan Ferromagnetik

Mengingat fase paramagnetik: medan diterapkan B, akan menyebabkan magnetisasi

yang terbatas dan akan menyebabkan medan pertukaran terbatas BE. Jika xP adalah

suseptibilitas paramagnetik

Magnetisasi sama dengan supseptibilitas konstan medan hanya jika keselarasan

pecahan kecil: ini adalah di mana asumsi yang masuk contoh adalah dalam fase

paramagnetik.

Supseptibilitas paramagnetik diberikan oleh hukum curie dimana C adalah

konstanta curie .substitusikan persamaan 1 ke dalam persamaan 2,kita dapat temukan

Supseptibilitas (3) memiliki kesingularan . Pada suhu ini terdapat magnetisasi

spontan, karena jika χ adalah tak terbatas kami dapat memiliki hingga untuk M nol B,. Dari

(3) kita memiliki hukum Curie-Weiss

Magnetisasi, M, (momen magnet per satuan  volume) suatu sampel dalam medan magnet, H, berbanding lurus dengan besarnya H, dan tetapan perbandingannya adalah, χ, yang bergantung pada sampel.

χ disebut dengan suseptibilitas volume dan hasil kali  χ dan volume molar sampel Vm disebut dengan susceptibilitas molar χ. Dinyatakan dalam persamaan menjadi:

Semua zat memiliki sifat diamagnetik, dan selain diamagnetisme, zat dengan elektron tidak berpasangan juga menunjukkan sifat paramagnetisme, besar sifat paramagnetisme sekitar 100 kali lebih besar daripada sifat diamagnetisme.  Hukum Curie menunjukkan bahwa paramagnetisme berbanding terbalik dengan suhu:

T adalah temperatur mutlak dan A dan C adalah konstanta. Dalam metoda Gouy atau Faraday, momen magnet dihitung dari perubahan berat sampel bila digantungkan dalam pengaruh medan magnet. Selain metoda ini, metoda yang lebih sensitif adalah  SQUID (superconducting quantum interference device) yang telah banyak digunakan untuk melakukan pengukuran sifat magnet.

Paramagnetisme diinduksi oleh momen magnet permanen elektron tak berpasangan dalam molekul dan suseptibilitas molarnya berbanding lurus dengan momentum sudut spin elektron. Paramagnetisme kompleks logam transisi blok d  yang memiliki elektron tak berpasangan dengan bilangan kuantum spin 1/2, dan setengah jumlah elektron tak berpasangan adalah bilangan kuantum spin total S. Oleh karena itu, momen magnet hanya berdasarkan spin secara teori dapat diturunkan mengikuti persamaan:

Banyak kompleks logam 3d menunjukkan kecocokan yang baik antara momen magnet yang diukur dengan neraca magnetik dan yang dihasilkan dari persamaan di atas. Hubungan antara jumlah elektron yang tak berpasangan dan suseptibilitas magnet kompleks diberikan di Tabel 6.3.

Karena kecocokan ini dimungkinkan untuk menghitung jumlah elektron yang tidak berpasangan dari hasil pengukuran magnetiknya. Misalnya, misalnya kompleks Fe3+ d5 dengan momen magnet sekitar 1.7 µB adalah kompleks spin rendah dengan satu elektron tak berpasangan, tetapi Fe3+ d5 dengan momen magnet sekitar 5.9  µB adalah kompleks spin tinggi dengan 5 elektron tak berpasangan.

Walaupun, momen magnetik yang terukur tidak lagi cocok dengan nilai spin saja bila kontribusi momentum sudut pada momen magnet total semakin besar. Khususnya dalam kompleks logam 5d, perbedaan antara yang diukur dan dihitung semakin besar.

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.