BAB 2 STUDI PUSTAKA Magnet

BAB 2

STUDI PUSTAKA

2.1. Magnet

Magnet atau magnit adalah suatu obyek yang mempunyai suatu medan magnet. Magnet dapat dibuat dari bahan besi, baja, dan campuran logam serta telah banyak dimanfaatkan untuk industri otomotif dan lainnya. Sebuah magnet terdiri atas magnet-magnet kecil yang memiliki arah yang sama (tersusun teratur), magnet- magnet kecil ini disebut magnet elementer. Pada logam yang bukan magnet, magnet elementernya mempunyai arah sembarangan (tidak teratur) sehingga efeknya saling meniadakan, yang mengakibatkan tidak adanya kutub-kutub magnet pada ujung logam. Setiap magnet memiliki dua kutub, yaitu: utara dan selatan. Kutub magnet adalah daerah yang berada pada ujung-ujung magnet dengan kekuatan magnet yang paling besar berada pada kutub-kutubnya.

2.1.1. Magnet Keramik

Keramik adalah bahan-bahan yang tersusun dari senyawa anorganik bukan logam yang pengolahannya melalui perlakuan dengan temperatur tinggi. Kegunaannya adalah untuk dibuat berbagai keperluan desain teknis khususnya dibidang kelistrikan, elektronika, mekanik dengan memanfaatkan magnet keramik sebagai magnet permanen, dimana material ini dapat menghasilkan medan magnet tanpa harus diberi arus listrik yang mengalir dalam sebuah kumparan atau selonoida untuk mempertahankan medan magnet yang dimilikinya. Disamping

Universitas Sumatera Utara

itu, magnet permanen juga dapat memberikan medan yang konstan tanpa mengeluarkan daya yang kontinu. Bahan keramik bersifat magnetik umumnya merupakan golongan ferit, yang merupakan oksida yang disusun oleh hematite ( α-Fe2O3 ) sebagai komponen utama. Bahan ini menunjukkan induksi magnetik spontan meskipun medan magnet dihilangkan. Material ferit juga dikenal sebagai magnet keramik, bahan ini tidak lain adalah oksida besi yang disebut ferit besi ( ferrous ferrite ) dengan rumus kimia MO (Fe2O3 ) dimana M adalah Ba, Sr atau Pb dengan reaksi kimia sebagai berikut : 6 Fe2O3 + SrCO3 SrO3

6 Fe2O3 + CO2

Ferit dapat digolongkan menjadi tiga kelas. Kelas pertama adalah ferit lunak, ferit ini mempunyai formula MFe2O3, dengan M adalah Cu, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Mg dengan struktur kristal seperti mineral spinel sifat bahan ini mempunyai permeabilitas dan hambatan jenis yang tinggi, koersivitas yang rendah. Kelas kedua adalah ferit keras, ferit ini adalah turunan dari struktur magneto plumbit yang dapat ditulis sebagai MFe2O3, dengan M adalah Ba, Sr, atau Pb. Bahan ini mempunyai gaya koersivitas dan remanen yang tinggi dan mempunyai struktur kristal heksagonal dengan momen-momen magnetik yang sejajar dengan sumbu c. Kelas ketiga adalah ferit berstruktur garnet, magnet ini mempunyai magnetisasi spontan yang bergantung pada suhu secara khusus. Strukturnya sangat rumit, berbentuk kubik dengan sel satuan disusun tidak kurang dari 160 atom.( N. Idayanti dan Dedi, 2002) Magnet keramik yang merupakan magnet permanen mempunyai struktur hexagonal close-packed. Bahan yang sering digunakan dalam magnet keramik adalah barium heksaferit ( BaO.6Fe2O3). barium dapat juga digantikan bahan yang memnyerupai ( segolongan ) dengannya, yaitu strontium (J.E. Thompson, 1968)

2.1.2. Magnet Logam

Besi bcc merupakan material magnetik paling terkenal. Ada juga magnet-magnet metalik lain seperti Nd2Fe14B, Ni-Fe dan yang lainnya.


Setiap tahun diproduksi dan digunakan berton-ton produk besi magnetik dalam bentuk lembaran untuk membuat inti transformator dan komponen motor. Untuk aplikasi ini magnet harus lunak agar bisa merespon sumber daya 60 Hz. Magnet juga harus memiliki resistivitas yang tinggi agar dapat mengurangi kehilangan arus eddy. Magnet metalik akan menimbulkan kerugian besar apabila digunakan pada rangkaian frekuensi tinggi karena perubahan yang cepat dari medan magnetik akan menimbulkan aliran arus dan kehilangan I2R di dalam inti. Ini menyebabkan mengapa pada tranformator digunakan lapisan-lapisan tipis. (Lawrence H. Van Vlack, 2004)

2.1.3. Magnet Lunak ( Soft Magnetic)

Bahan magnetik lunak(soft magnetic) dapat dengan mudah termagnetisasi dan mengalami demagnetisasi. Magnet lunak

mempertahankan sifat magnet pada medan magnet. Magnet

lunak(soft magnetic) menunjukkan histeresis loop yang sempit, sehingga magnetisasi mengikuti variasi medan listrik hampir tanpa hysteresis loss. Magnet lunak(soft magnetic) digunakan untuk meningkatkan fluks, yang dihasilkan oleh arus listrik di dalamnya. Faktor kualitas dari bahan magnetik lunak adalah untuk mengukur permeabilitas yang sehubungan dengan medan magnet yang diterapkan. Parameter utama lainnya adalah koersivitas, magnetisasi saturasi dan konduktivitas listrik. Bahan magnetik lunak ideal akan memiliki koersivitas rendah (Hc), saturasi yang sangat besar (Ms), remanen (Br) nol, hysteresis loss nol dan permeabilitas yang sangat besar. Kurva histerisi bahan magnetik lunak ditunjukkan pada Gambar 2-1. Beberapa bahan penting magnetik lunak diantaranya Fe, paduan Fe-Si, ferit lunak (MnZnFe2O4), besi silikon dll.( Poja Chauhan, 2010)


Gambar 2-1. Kurva histerisis magnet lunak (soft magnetic). ( Poja Chauhan, 2010)

2.1.4. Magnet Keras (Hard magnetic)

Bahan Magnet keras(hard magnetic) juga disebut sebagai magnet permanen yang digunakan untuk menghasilkan medan yang kuat tanpa menerapkan arus ke koil. Magnet permanen memerlukan koersivitas tinggi, sehingga magnet harus mempunyai medan magnet yang kuat dan stabil terhadap bidang eksternal, yang membutuhkan koersivitas tinggi. Dalam bahan magnet keras (hard magnetic) anisotropi diperlukan magnetik uniaksial dan sifat magnetik berikut : 1. Koersivitas tinggi (high coercivity): koersivitas, juga disebut medan koersif, dari bahan feromagnetik adalah intensitas medan magnet yang diterapkan atau diperlukan untuk mengurangi magnetisasi bahan ke nol setelah magnetisasi sampel telah mencapai saturasi. Koersivitas biasanya diukur dalam satuan Oersted atau ampere / meter dan dilambangkan Hc. Bahan dengan koersivitas tinggi disebut bahan ferromagnetik keras, dan digunakan untuk membuat magnet permanen . 2. Magnetisasi besar (large magnetization): Proses pembuatan subtansi sementara atau magnet permanen, dengan memasukkan bahan dalam medan magnet


Rectangular hysteresis loop: Sebuah loop hysteresis menunjukkan hubungan antara diinduksi kerapatan fluks magnet (B) dan gaya magnet (H). bahan magnetik keras memiliki histeresis loop yang persegi panjang. ( Poja Chauhan, 2010) Bahan magnetik keras memiliki loop histeresis lebar karena magnetisasi yang kuat yang ditunjukkan pada gambar 2-2.

Gambar 2-2. Kurva histerisis magnet keras (hard magnetic). ( Poja Chauhan, 2010)

.2.2. Sifat Kemagnetan Bahan

Berdasarkan sifat medan magnet atomis, bahan dibagi menjadi tiga golongan, yaitu diamagnetik, para magnetik dan ferromagnetik.

2.2.1. Diamagnetik

Diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya nol, tetapi orbit dan spinnya tidak nol. (D. Halliday dan Resnick R, 1978) Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet

permanen. Jika bahan

diamagnetik dibalik 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 < µ 0 dan susepbtibilitas magnetiknya

< 0. Contoh bahan diamagnetik yaitu bismut, perak, emas,

tembaga dan seng. ( J.D. Kraus, 1970)

2.2.2. Paramagnetik

Paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom atau molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet atomis total seluruh atom atau molekul dalam bahan nol (D. Halliday dan Resnick R, 1978) . Hal ini disebabkan karena gerakan atom atau melekul acak, sehingga resultan medan magnet atomis masing-masing atom saling meniadakan. Bahan ini jika diberi medan magnet luar, maka elektron 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 pengaruhnnya sangat kecil. Permeabilitas bahan paramagnetik adalah µ > µ0, dan suseptibilitas magnetik bahannya > 0. Contoh bahan paramagnetik yaitu aluminium, 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. ( J.D. Kraus, 1970) 2.2.3.Ferromagnetik


Ferromagnetik adalah bahan yang mempunyai resultan medan atomis besar (D. Halliday dan Resnick R, 1978). 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 totsl 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 sebahagian besar besar atom akan mensejajarkan diri membentuk kelompok-kelompok. Kelompok atom yang mensejajarkan dirinya dalam suatu daerah dinamakan domain. Bahan ferromagnetik 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.( Y. Surya dan Ananta, S. 1986) Bahan ferromagnetik 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 doamin yang disearahkan. Keadaan ini dinamakan jenuh atau keadaan saturasi Permeabilitas bahan ferromagnetik adalah µ >>> µ0 dan suseptibilitas bahannya

> >>

0. Contoh bahan ferromagnetik yaitu : besi, baja, besi silikon dan lain-lain. Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik ini akan hilang pada temperatur yang disebut temperatur Currie. Temperatur Currie untuk besi lemah adalah 7700, dan untuk baja adalah 10430C.( J.D. Kraus, 1970)

2.3. Metode Metalurgi Serbuk


Secara prinsip ada dua metode utama yang digunakan untuk membuat magnet. Pertama menggunakan teknologi pengecoran atau pelelehan, dan yang kedua adalah dengan menggunakan teknologi metalurgi serbuk. (A. Goldman, 1991) Produksi magnet dengan teknologi pengecoran biasanya menghasilkan bahan magnet yang lebih baik, tetapi dalam beberapa prosesnya memerlukan energi panas yang sangat besar sehingga dipandang tidak efisien. Sedangkan produksi dengan teknologi metalurgi serbuk, meski sifat magnet yang diperoleh bukan yang tertinggi, tetapi dalam pengerjaannya lebih mudah dan lebih efisien. Dalam praktiknya, pembuatan magnet dengan cara kedua ini memerlukan bahan dasar berupa serbuk yang berukuran sangat kecil, yaitu dalam orde micrometer ( 10 -6m). Ukuran serbuk sekecil ini diperlukan agar komponen-komponen pembentuk bahan magnet dapat saling berdeposisi ( bereaksi ) ketika bahan mengalami pemanasan ( kalsinasi ). Bagaimana dilakukan oleh beberapa peneliti, penyediaan serbuk bahan magnetik yang halus biasanya dilakukan dengan menggunakan mesin ball milling.(Ridwan, 2003)

2.4. Karakterisasi Material Magnet Permanen Barium Heksaferit

2.4.1. Sifat Fisis

1. Densitas Salah satu sifat yang penting dari suatu bahan adalah densitas. Densitas didefenisikan sebagai massa per satuan volum. Jika suatu bahan yang materialnya homogen bermassa m memiliki volume v , densitasnya ρ adalah: (defenisi densitas)

(2-1)

Secara umum, densitas suatu bahan tergantung pada faktor lingkungan seperti suhu dan tekanan.(Young D.Hugh,2000) Dalam pelaksanaannya kadang-kadang sampel yang diukur mempunyai ukuran bentuk yang tidak teratur sehingga untuk menentukan volumenya menjadi sulit, akibatnya nilai kerapatan yang diperoleh tidak akurat. Untuk menentukan rapat massa (bulk density) dari suatu bahan mengacu pada standar (ASTM C 373). Oleh karena itu untuk menghitung nilai densitas suatu


material yang memiliki bentuk yang tidak teratur (bulk density) digunakan metode Archimedes yang persamaannya sebagai berikut:

(2-2) Dimana : ρ = Densitas sampel (g/cm3) ρair = Densitas air (g/cm3) = Massa sampel setelah dikeringkan di oven (g) = Massa sampel setelah direndam 24 jam/direbus 1 jam (g) = Massa kawat (g) 2. Porositas Porositas dapat didefenisikan sebagai perbandingan antara jumlah volume lubang-lubang kosong yang dimiliki oleh zat padat (volume kosong) dengan jumlah dari volume zat padat yang ditempati oleh zat padat. Porositas pada suatu material dinyatakan dalam persen (%) rongga fraksi volume dari suatu rongga yang ada di dalam material tersebut. Besarnya porositas pada suatu material bervariasi mulai dari 0 % sampai dengan 90 % tergantung dari jenis dan aplikasi material tersebut. Ada dua jenis porositas yaitu porositas terbuka dan porositas tertutup. Porositas yang tertutup pada umumnya sulit untuk ditentukan karena pori tersebut merupakan rongga yang terjebak di dalam padatan dan serta tidak ada akses ke permukaan luar, sedangkan pori terbuka masih ada akses ke permukaan luar, walaupun ronga tersebut ada ditengah-tengah padatan. Untuk pengukuran porositas suatu bahan mengacu pada standar (ASTM C 373), khususnya untuk material berpori. Porositas suatu bahan pada umumnya dinyatakan sebagai porositas terbuka atau apparent porosity, dan dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:

(2-3) Dimana: P = Porositas (%)


= Massa sampel setelah dikeringkan di oven (g) = Massa sampel setelah direndam 24 jam/direbus 1 jam (g) Mg = Massa sampel basah ditimbang dalam air (g)

2.4.2. Sifat Mikrostruktur

1. XRD Difraksi sinar-X merupakan suatu alat yang sangat berguna dalam analisis struktur kristal suatu material. Keunggulan yang dimiliki dalam teknik ini adalah instrumennya modern dan secara otomatis dapat diperoleh data yang cepat dan tepat. (B.D. Cullity, 1978) Sinar-X diproduksi dengan cara penembakan target logam (anoda) dengan elektron energi tinggi dari sebuah filamen yang dipanaskan dalam tabung Rontgen sinar-X seperti yang terlihat pada gambar 4. Radiasi yang biasanya dihasilkan muncul dari jendela tipis yang terbuat dari material berilium dan terdiri dari sebuah radiasi kontinu dengan pita yang lebar atau radiasi putih yang dihasilkan oleh elektron dari filamen yang mengkonversikan energi kinetiknya pada sinar-X pada saat menumbuk atom target anoda dan sejumlah garis-garis diskrit dengan intensitas bervariasi yang disebut karakteristik radiasi yang merepretasikan pelepasan energi dengan penyusun kembali orbit elektron dari atom target anoda yang diikuti penolakan satu atau lebih elektron pada saat eksitasi.

Gambar 2.3 . Penampang tabung Rongen sinar-X (B.D. Cullity, 1978)


Gambar 2.4. Spektrum dari atom target anoda Cu tabung sinar-X (B.D. Cullity, 1978)

Gambar 5. menunjukkan skema geometri salah satu jenis difraktometer. Pertama sinar-X dilewatkan pada kolimator untuk menghasilkan berkas paralel, jumlah divergensinya dikontrol oleh ukuran celah divergensi yaitu celah divergensi besar (40) untuk sudut kerja tinggi sampai celah divergensi kecil (1/120) untuk sudut kerja rendah. Berkas divergen kemudian diarahkan pada sampel bergerak secara rotasi dengan kelajuatn tetap dalam derajat per menit. Bila bidangbidang mineral dalam sampel mencapai sudut yang sesuai, maka sinar-X akan didifraksikan berdasarkan pada hukum Bragg berikut: (2-4) Dimana n adalah bilangan integer, dalam angstrom, dan

adalah panjang gelombang sinar-X, d adalah spasi kisi

adalah sudut difraksi. Berkas terdifraksi kemudian melewati celah

penerima dan kolimator dan kemudian celah penghambur untuk mengurangi sinar-X terhambur sebelum akhirnya masukj ke detektor. Sinyal yang dihasilkan oleh foton sinar-X pada detektor, pertama-tama diperkuat dan kemudian direkam oleh peralatan elektronik untuk kemudian ditampilkan di layar.


Gambar 2.5. Skema geometri difraktometer (B.D. Cullity, 1978)

2.4.3. Sifat Absorbsi terhadap Gelombang Mikro

Bahan penyerap gelombang mikro (MAM, Microwave Absorber Materials) ideal memiliki nilai rugi refleksi maksimum (RLm, maximum Reflection Loss) ≤ -20 dB, rentang frekuensi terserap yang lebar, densitas rendah, ringan, mudah desain, murah dan stabil terhadap pengaruh lingkungan. Fe3O4 merupakan salah satu bahan penyerap gelombang mikro. (Mashuri, 2012) Karakteristik penyerapan gelombang elektromagnetik dipengaruhi oleh permeabilitas, permitivitas, resistivitas, konduktivitas, frekuansi dan tebal lapisan. Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada RADAR. RADAR digunakan untuk mencari dan menentukan jejak suatu benda dengan gelombang mikro dengan frekuensi sekitar 1010Hz. ( Marlin R. Baidillah, 2008) 1. VNA (Vector Network Analyzer) Network analyzer digunakan untuk mengukur karakteristik linear frekuensi radio (RF) dari komponen dan perangkat. Jaringan adalah istilah yang sering digunakan yang memiliki banyak definisi modern. Sehubungan dengan network analyzer, network adalah sekelompok komponen listrik yang saling berhubungan.


Incident wave (R) Transmitted wave (B) Reflected wave (A) Gambar 2.6. Transmisi (T) dan Refleksi (Г) Koefisien Salah satu fungsi dari network analyzer adalah untuk mengukur impedansi ketidaksesuaian antara dua komponen RF untuk memaksimalkan efisiensi daya dan integritas sinyal. Setiap kali sinyal RF meninggalkan satu komponen dan memasuki lain disebut sebagai sinyal yang dipantulkan dan ditransmisikan.


BAB 2 STUDI PUSTAKA Magnet

Recommend Documents