BAB II DASAR TEORI
II.1.3. Dipol Magnet Dan Momen Magnet
Sifat magnet suatu material ditentukan terutama oleh struktur elektronnya yang akan memberi dipol-dipol magnet. Interaksi dipol-dipol ini akan menentukan sifat magnet material.
Dipol-dipol magnet ada dalam seluruh material magnet. Dipol-dipol magnet yang sudah ada sebelumnya dalam material diarahkan dalam berbagai cara tetapi akan dipengaruhi bila medan magnet luar dibangkitkan. Dalam medan magnet, gaya yang ada mungkin menghasilkan torka yang cenderung mengarahkan dipol-dipol searah medan.
Secara fisika, penyebab kemagnetan dalam objek adalah dipol magnetik atom yang berkaitan dengan elektron. Dipol magnet atau momen magnetik adalah hasil dua jenis pergerakan elektron. Yang pertama dengan gerak orbital elektron sekeliling inti (gambar 2.3a). Yang kedua momen magnetik yang disebut dipol putar yang berasal dari elektron berputar (gambar 2.3b).
Gambar 2.3. Momen Magnetik Berkaitan dengan[5]: (a) Suatu Orbital Elektron
(b) Elektron Berputar
Seluruh momen magnetik atom adalah jumlah seluruh momen dari masing-masing atom. Dalam setiap individu atom, momen orbital dari hampir seluruh pasang atom saling mengkansel satu sama lain. Perbedaan dalam
konfigurasi elektron dalam berbagai elemen akan menentukan sifat dan besar momen magnetik atom yang pada akhirnya menentukan sifat-sifat magnet dari berbagi material.
II.1.4. Medan Magnet Sekeliling Konduktor Dialiri Arus[5,6]
Bila suatu konduktor dialiri arus, suatu medan magnet dihasilkan disekeliling konduktor (gambar 2.4A). Jika suatu kompas berada di sekitar konduktor ini, jarum kompas akan meluruskan diri tegak lurus konduktor yang menunjukkan ada medan magnet.
Suatu pandangan penampang konduktor yang dialiri arus menuju pengamat diperlihatkan dalam gambar 2.4B. Arah arus dinyatakan dengan tanda
dot yang menggambarkan kepala panah. Suatu konduktor yang dialiri arus menjauhi pengamat diperlihatkan dalam gambar 2.4C. Arah arus dinyatakan dengan tanda cross yang menggambarkan ekor panah. Perhatikan bahwa medan magnet sekeliling konduktor tegak lurus ke konduktor dan garis-garis gaya magnet sama panjang seluruh konduktor.
Jika dua konduktor paralel dan berdekatan dialiri arus dalam arah sama seperti diperlihatkan dalam gambar 2.5A, medan magnet yang dihasilkan kedua konduktor akan membantu satu sama lain. Sebaliknay, jika arah kedua arus dalam konduktor berlawanan, medan yang dihasilkan kedua konduktor akan menolak satu sama lain (gambar 2.5B).
Gambar 2.5. Medan Magnet Sekeliling Dua Konduktor Paralel[5]
II.1.5. Medan Magnet Yang Dihasilkan Suatu Koil Dialiri Arus[5,6]
Untuk memperbesar kuat medan magnet digunakan suatu koil N lilit seperti yang dikonstruksikan dalam gambar 2.6. Koil dibentuk dengan melilitkan suatu konduktor sekeliling suatu inti besi.
Kuat medan magnet berbanding lurus dengan jumlah lilitan maupun besar arus yang mengalir. Medan magnet sekeliling setiap lilitan kawat tergandeng dengan medan yang dihasilkan dalam lilitan berdekatan bila suatu arus lewat melalui koil. Jika koil dikonstruksikan seperti gambar 2.7, kuat medan magnet koil dapat diestimasi menggunakan persamaan :
B H H
B
Kuat dan polaritas medan magnet yang dihasilkan oleh magnet listrik diatur dengan mengubah besar arus mengalir melalui kawat dan mengubah arah aliran arus.
II.1.3. Dipol Magnet dan Momen Magnet[5,6]
Sifat magnet suatu material ditentukan terutama oleh struktur elektronnya yang akan memberi dipol-dipol magnet. Interaksi dipol-dipol ini akan menentukan sifat magnet material.
Dipol-dipol magnet ada dalam seluruh material magnet. Dipol-dipol magnet yang sudah ada sebelumnya dalam material diarahkan dalam berbagai cara tetapi akan dipengaruhi bila medan magnet luar dibangkitkan. Dalam medan magnet, gaya yang ada mungkin menghasilkan torka yang cenderung mengarahkan dipol-dipol searah medan.
Secara fisika, penyebab kemagnetan dalam objek adalah dipol magnetik atom yang berkaitan dengan elektron. Dipol magnet atau momen magnetik adalah hasil dua jenis pergerakan elektron. Yang pertama dengan gerak orbital elektron sekeliling inti (gambar 2.3a). Yang kedua momen magnetik yang disebut dipol putar yang berasal dari elektron berputar (gambar 2.3b).
Gambar 2.3. Momen Magnetik Berkaitan dengan[5]: (a) Suatu Orbital Elektron
(b) Elektron Berputar
Seluruh momen magnetik atom adalah jumlah seluruh momen dari masing-masing atom. Dalam setiap individu atom, momen orbital dari hampir seluruh pasang atom saling mengkansel satu sama lain. Perbedaan dalam
konfigurasi elektron dalam berbagai elemen akan menentukan sifat dan besar momen magnetik atom yang pada akhirnya menentukan sifat-sifat magnet dari berbagi material.
II.1.4. Medan Magnet Sekeliling Konduktor Dialiri Arus[5,6]
Bila suatu konduktor dialiri arus, suatu medan magnet dihasilkan disekeliling konduktor (gambar 2.4A). Jika suatu kompas berada di sekitar konduktor ini, jarum kompas akan meluruskan diri tegak lurus konduktor yang menunjukkan ada medan magnet.
Suatu pandangan penampang konduktor yang dialiri arus menuju pengamat diperlihatkan dalam gambar 2.4B. Arah arus dinyatakan dengan tanda
dot yang menggambarkan kepala panah. Suatu konduktor yang dialiri arus menjauhi pengamat diperlihatkan dalam gambar 2.4C. Arah arus dinyatakan dengan tanda cross yang menggambarkan ekor panah. Perhatikan bahwa medan magnet sekeliling konduktor tegak lurus ke konduktor dan garis-garis gaya magnet sama panjang seluruh konduktor.
Jika dua konduktor paralel dan berdekatan dialiri arus dalam arah sama seperti diperlihatkan dalam gambar 2.5A, medan magnet yang dihasilkan kedua konduktor akan membantu satu sama lain. Sebaliknay, jika arah kedua arus dalam konduktor berlawanan, medan yang dihasilkan kedua konduktor akan menolak satu sama lain (gambar 2.5B).
Gambar 2.5. Medan Magnet Sekeliling Dua Konduktor Paralel[5]
II.1.5. Medan Magnet Yang Dihasilkan Suatu Koil Dialiri Arus[5,6]
Untuk memperbesar kuat medan magnet digunakan suatu koil N lilit seperti yang dikonstruksikan dalam gambar 2.6. Koil dibentuk dengan melilitkan suatu konduktor sekeliling suatu inti besi.
Kuat medan magnet berbanding lurus dengan jumlah lilitan maupun besar arus yang mengalir. Medan magnet sekeliling setiap lilitan kawat tergandeng dengan medan yang dihasilkan dalam lilitan berdekatan bila suatu arus lewat melalui koil. Jika koil dikonstruksikan seperti gambar 2.7, kuat medan magnet koil dapat diestimasi menggunakan persamaan :
B H H
B
Dengan : B = kerapatan fluks H = kuat medan magnet
μ = konstanta permeabilitas magnet.
Gambar 2.6. Medan Magnet Dihasilkan Koil Dialiri Arus[5]
Gambar 2.7. Skematik Inti Besi Dengan Suatu Koil[5]
Kerapatan fluks maksimum B akan ada pada pusat koil yang dinyatakan dengan persamaan : 2 2 4r l NI B (2.2) 2 2 4r l NI B (2.3)
Dengan : N = jumlah lilitan,
I = arus mengalir melalui koil, r = radius efektif koil,
l = panjang koil
Kombinasi persamaan (2.1) dan (2.3) memberi hasil :
2 2 4r l NI H (2.4)
II.1.6. Permeabilitas Magnetik Dan Magnetisasi[5]
Permeabilitas magnetik μ adalah sifat suatu spesifik medium dimana kuat medan magnet H lewat dan dimana kerapatan fluks magnet B diukur. Dimensinya adalah webers per ampere-meter (Wb/A-m) atau henri per meter (H/m).
Kuat medan magnet H adalah besar gaya magnetisasi yang berbanding terbalik dengan panjang koil dan berbanding lurus dengan besar arus mengalir melalui koil. Berdasarkan hukum Ampere, integral garis H sekeliling lintasan tertutup sama dengan besar arus yang dilingkupi lintasan. Atau dalam bentuk persamaan :
H.dL I = F (2.5)Dengan F adalah adalah gaya gerak magnet (mmf) yang sama dengan arus yang dilingkupi.
Jika integrasi persamaan (2.5) terdiri dari sejumlah kawat N lilit dengan arus dalam arah sama, persamaan (2.5) dapat ditulis menjadi :
H.dL F NI (2.6) Jika medan magnet dibangkitkan oleh suatu koil silindris, maka :
L NI
H (2.7)
Kerapatan fluks magnet B menggambarkan besar kuat medan internal yang dipengaruhi oleh H. Dalam ruang hampa (vakum) :
B 0H (2.8) Dengan : 0 = permeabilitas ruang hampa = 4π x 10-7≈ 1,257 x 10-6 T.m/A.
Jika ada material lain selain ruang hampa, persamaan (2.8) akan menjadi : Br0H H (2.9)
μr adalah permeabilitas relatif (tanpa satuan) material yang digunakan mengukur derajat material dapat dimagnetisasi.
0
r (2.10)
Magnetisasi M adalah suatu sifat material yang menggambarkan kerapatan fluks magnet yang tersisa (residu) dalam material dan dinyatakan dengan :
B0H0M (2.11)
Dimana M adalah magnetisasi material (momen magnet per unit volume, A.m2/kg atau Wb.m/kg).
Pada umumnya, suatu material menjadi magnet sebagai respon terhadap medan luar H dan dapat diukur melalui suseptibilitas dan permeabilitas. Oleh sebab itu M dapat dinyatakan dengan :
M mH (2.12)
Dimana m adalah suseptibilitas magnetik (tanpa satuan). Suseptibilitas magnetik adalah derajat magnetisasi suatu material sebagai respon terhadap medan luar. Permeabilitas relatif dan suseptibilitas magnetik dihubungkan dengan persamaan : r 1 (2.13)
II.1.7. Jenis-Jenis Magnetisasi[4,5]
Material dapat diklasifikasikan berdasarkan responnya terhadap medan magnet luar yang terpasang. Berdasarkan ini material diklasifikasikan menjadi :
diamagnetik, paramagnetik, feromagnetik, ferimagnetik, dan anti feromagnetik. Diamagnetik adalah bentuk magnetisasi paling lemah. Magnetisasi hanya ada selama medan luar digunakan pada material. Permeabilitas relatif kecil dari satu, dan suseptibilitas magnetik adal negatif. Besar kerapatan fluks B dalam material diamagnetik solid lebih kecil dari B ruang hampa. Contoh material ini adalah : tembaga, perak, emas, dan alumina.
Dalam material paramagnetik seperti aluminium dan titanium, setiap atom membentuk suatu momen dipol permanen yang akan menghasilkan momen magnetik walau tidak ada medan luar. Dengan tidak adanya medan luar, orientasi momen magnetik atom adalah acak (random). Tetapi, bila medan luar dipasang, momen magnetik mengalami suatu torka yang meluruskannya dengan arah medan.
Tabel 2.1. Berbagai Jenis Sifat Magnetisasi[5]
Jenis Magnetisasi Sifat Magnetisasi Suseptibilitas Magnetik Contoh Material Diamagnetik Paramagnetik Feromagnetik Anti Feromagnetik Ferimagnetik Tembaga, perak, emas, alumina Aluminium, titanium, campuran tembaga
Besi, nikel, kobal
Manganese, kromium, MnO, NiO
Ferit Kecil dan negatif
Kecil dan positif
Kecil dan positif Sangat besar dan positif
Besar dan positif
Material feromagnetik seperti besi, nikel, dan kobal dianggap subtansi magnetik yang paling penting. Seluruh dipol magnet dalam domain diarahklan
paralel satu sama lain. Permeabilitas magnetiknya sangat besar dan mampu mempertahankan momen magnetik permanen walau medan luar tidak ada. Jika momen magnetik dari atom berdekatan diarahkan dalam arah anti paralel satu sama lain, material dikatakan anti feromagnetik. Jika momen magnetik tidak sama dan diarahkan berlawanan satu sama lain, momen magnetik sama dengan nol. Material dikatakan ferimagnetik.
II.1.8. Jenis-Jenis Material Magnet[4,5,6]