Feromagnetisme : bahan, kegunaan, dan contoh

Feromagnetisme adalah sifat yang memberikan beberapa zat respon magnetik yang intens dan permanen. Di alam ada lima unsur dengan sifat ini: besi, kobalt, nikel, gadolinium dan disprosium, yang terakhir adalah tanah jarang.

Di hadapan medan magnet luar, seperti yang dihasilkan oleh magnet alami atau elektromagnet, suatu zat merespons dengan cara yang khas, sesuai dengan konfigurasi internalnya. Besaran yang mengkuantifikasi respons ini adalah permeabilitas magnetik.

Magnet membentuk jembatan. Sumber: Pixabay

Permeabilitas magnetik adalah kuantitas tak berdimensi yang diberikan oleh hasil bagi antara intensitas medan magnet yang dihasilkan di dalam material dan medan magnet yang diterapkan secara eksternal.

Ketika jawaban ini jauh lebih besar dari 1, bahan tersebut diklasifikasikan sebagai feromagnetik. Di sisi lain, jika permeabilitas tidak lebih besar dari 1, respons magnetik dianggap lebih lemah, mereka adalah bahan paramagnetik.

Dalam besi permeabilitas magnetik adalah dari urutan 10 4 . Ini berarti medan di dalam besi sekitar 10.000 kali lebih besar daripada medan yang diterapkan di luar. Yang memberi gambaran betapa kuatnya respons magnetik mineral ini.

Bagaimana respons magnetik berasal dari dalam zat?

Magnetisme dikenal sebagai efek yang terkait dengan pergerakan muatan listrik. Itulah tepatnya yang terdiri dari arus listrik. Lalu dari mana datangnya sifat kemagnetan dari magnet batang yang digunakan untuk menempelkan uang kertas di lemari es?

Bahan magnet, dan juga zat lain, mengandung proton dan elektron di dalamnya, yang memiliki gerakan sendiri dan menghasilkan arus listrik dengan berbagai cara.

Model yang sangat disederhanakan mengasumsikan elektron dalam orbit melingkar di sekitar nukleus yang terdiri dari proton dan neutron, sehingga membentuk lingkaran kecil arus. Setiap loop dikaitkan dengan besaran vektor yang disebut “momen magnet orbital”, yang intensitasnya diberikan oleh produk arus dan area yang ditentukan oleh loop: magneton Bohr.

Tentu saja, dalam lingkaran kecil ini arus bergantung pada muatan elektron. Karena semua zat mengandung elektron di bagian dalamnya, semua pada prinsipnya memiliki kemungkinan untuk mengekspresikan sifat magnetik. Namun, tidak semuanya melakukannya.

Ini karena momen magnetnya tidak sejajar, melainkan diatur secara acak di dalam, sehingga efek magnetik makroskopiknya hilang.

Cerita tidak berakhir di sini. Produk momen magnetik dari gerakan elektron di sekitar nukleus bukanlah satu-satunya kemungkinan sumber magnetisme pada skala ini.

Elektron memiliki semacam gerakan rotasi di sekitar sumbunya. Ini adalah efek yang diterjemahkan menjadi momentum sudut intrinsik. Sifat ini disebut spin elektron.

Secara alami ia juga memiliki momen magnet terkait dan jauh lebih kuat daripada momen orbital. Faktanya, kontribusi terbesar pada momen magnetik bersih atom adalah melalui putaran, namun kedua momen magnetik: momen translasi ditambah momentum sudut intrinsik, berkontribusi pada momen magnetik total atom.

Momen magnetik ini adalah momen yang cenderung sejajar dengan adanya medan magnet eksternal. Dan mereka juga melakukannya dengan bidang yang diciptakan oleh momen tetangga dalam materi.

Sekarang, elektron sering berpasangan dalam atom dengan banyak elektron. Pasangan terbentuk antara elektron dengan spin berlawanan, menghasilkan momen magnet spin membatalkan.

Satu-satunya cara spin berkontribusi pada momen magnet total adalah jika salah satunya tidak berpasangan, yaitu atom memiliki jumlah elektron ganjil.

Orang bertanya-tanya apa yang ada tentang momen magnetik proton di dalam nukleus. Yah, mereka juga memiliki momen putar, tetapi itu tidak dianggap berkontribusi signifikan terhadap magnet atom. Karena momen spin berbanding terbalik dengan massa dan massa proton jauh lebih besar daripada massa elektron.

Domain magnetik

Dalam besi, kobalt, dan nikel, tiga serangkai unsur dengan respons magnetik yang besar, momen putaran bersih yang dihasilkan oleh elektron tidak nol. Dalam logam ini, elektron pada orbital 3d, yang terluar, adalah yang berkontribusi pada jaring. momen magnet. Itulah sebabnya bahan semacam itu dianggap feromagnetik.

Namun, momen magnetik individu dari setiap atom ini tidak cukup untuk menjelaskan perilaku bahan feromagnetik.

Di dalam bahan yang sangat magnetis ada daerah yang disebut domain magnetik, yang ekstensinya dapat bervariasi antara 10 -4 dan 10 -1 cm dan mengandung miliaran atom. Di daerah ini, momen spin bersih atom tetangga menjadi erat.

Ketika bahan yang memiliki domain magnetik mendekati magnet, domain sejajar satu sama lain, mengintensifkan efek magnetik.

Itu karena domain, seperti magnet batang, memiliki kutub magnet, yang dilambangkan sama Utara dan Selatan, sehingga kutub yang sama tolak-menolak dan kutub yang berlawanan tarik-menarik.

Saat domain sejajar dengan medan eksternal, material memancarkan suara retak yang dapat didengar dengan amplifikasi yang sesuai.

Efek ini dapat dilihat ketika magnet menarik paku besi lunak dan ini pada gilirannya berperilaku seperti magnet yang menarik paku lainnya.

Domain magnetik bukanlah batas statis yang ditetapkan dalam materi. Ukurannya dapat dimodifikasi dengan mendinginkan atau memanaskan material, dan juga membuatnya terkena aksi medan magnet eksternal.

Namun, pertumbuhan domain tidak terbatas. Pada saat tidak mungkin lagi untuk menyelaraskannya, dikatakan bahwa titik jenuh material telah tercapai. Efek ini tercermin dalam kurva histeresis di bawah ini.

Pemanasan material menyebabkan hilangnya keselarasan momen magnetik. Temperatur di mana magnetisasi benar-benar hilang berbeda-beda menurut jenis bahannya, untuk magnet batang biasanya hilang pada sekitar 770ÂșC.

Setelah magnet dilepas, magnetisasi paku hilang karena agitasi termal yang ada setiap saat. Tetapi ada senyawa lain yang memiliki magnetisasi permanen, karena mereka memiliki domain yang selaras secara spontan.

Domain magnetik dapat diamati ketika area datar dari bahan feromagnetik non-magnet, seperti besi lunak, dipotong dan dipoles dengan sangat baik. Setelah ini selesai, itu ditaburi dengan bubuk atau serbuk besi halus.

Di bawah mikroskop diamati bahwa chip dikelompokkan pada daerah pembentuk mineral dengan orientasi yang sangat jelas, mengikuti domain magnetik material.

Perbedaan perilaku antara berbagai bahan magnetik disebabkan oleh cara domain berperilaku di dalamnya.

Histeresis magnetik

Histeresis magnetik adalah ciri-ciri yang hanya dimiliki oleh material dengan permeabilitas magnetik tinggi. Itu tidak ada dalam bahan paramagnetik atau diamagnetik.

Ini mewakili efek medan magnet eksternal yang diterapkan, yang dilambangkan sebagai H, pada induksi magnetik B dari logam feromagnetik selama siklus magnetisasi dan demagnetisasi. Grafik menunjukkan disebut kurva hysteresis.

Siklus histeresis feromagnetik

Awalnya di titik O tidak ada medan yang diterapkan H atau respons magnet B, tetapi dengan meningkatnya intensitas H, induksi B semakin meningkat hingga mencapai magnitudo saturasi B s di titik A, yang diharapkan.

Sekarang intensitas H semakin berkurang hingga menjadi 0, dengan mencapai titik C ini, namun respons magnetik material tidak hilang, mempertahankan magnetisasi remanen yang ditunjukkan oleh nilai B r . Ini berarti bahwa prosesnya tidak dapat dibalik.

Dari sana, intensitas H meningkat tetapi dengan polaritas terbalik (tanda negatif), sehingga magnetisasi remanen dibatalkan pada titik D. Nilai yang diperlukan dari H dilambangkan sebagai H c dan disebut medan koersif.

Besarnya H meningkat hingga mencapai nilai saturasi di E lagi dan segera intensitas H berkurang hingga mencapai 0, tetapi tetap ada magnetisasi remanen dengan polaritas yang berlawanan dengan yang dijelaskan sebelumnya, di titik F.

Sekarang polaritas H dibalik lagi dan magnitudonya dinaikkan sampai respon magnetik material di titik G. dibatalkan.Mengikuti jalur GA kejenuhannya diperoleh kembali. Tetapi hal yang menarik adalah Anda tidak sampai di sana melalui jalur asli yang ditunjukkan oleh panah merah.

Bahan keras dan lunak secara magnetis: kegunaan

Besi ringan lebih mudah dimagnetisasi daripada baja dan penyadapan material lebih lanjut memfasilitasi penyelarasan domain.

Suatu bahan yang mudah dimagnetisasi dan didemagnetisasi dikatakan lunak secara magnetis, dan tentunya jika terjadi sebaliknya maka bahan tersebut bersifat keras secara magnetis. Pada yang terakhir, domain magnetiknya kecil, sedangkan yang pertama besar, sehingga dapat dilihat melalui mikroskop, seperti yang dijelaskan di atas.

Area yang dilingkupi oleh kurva histeresis adalah ukuran energi yang dibutuhkan untuk memagnetisasi – mendemagnetisasi material. Gambar tersebut menunjukkan dua kurva histeresis untuk dua bahan yang berbeda. Yang di sebelah kiri lembut secara magnetis, sedangkan yang di sebelah kanan keras.

Bahan feromagnetik lunak memiliki medan koersif kecil H c dan kurva histeresis yang sempit dan tinggi. Ini adalah bahan yang tepat untuk ditempatkan di inti transformator listrik. Contohnya adalah besi lunak dan besi silikon dan paduan besi-nikel, yang berguna untuk peralatan komunikasi.

Sebaliknya, bahan yang keras secara magnetis sulit untuk didemagnetisasi setelah dimagnetisasi, seperti halnya dengan paduan alnico (aluminium-nikel-kobalt) dan paduan tanah jarang yang dengannya magnet permanen dibuat.

Referensi

  1. Eisberg, R. 1978. Fisika Kuantum. Limus. 557 -577.
  2. Muda, Hu. 2016. Fisika Universitas Sears-Zemansky dengan Fisika Modern. Edisi 14. Pearson. 943.
  3. Zapata, F. (2003). Kajian mineralogi yang terkait dengan sumur minyak Guafita 8x milik lapangan Guafita (Apure State) melalui pengukuran Susceptibility Magnetik dan Spektroskopi Mossbauer. Tesis gelar. Universitas Pusat Venezuela.

Related Posts