PEMBUATAN BONDED MAGNET NdFeB MENGGUNAKAN POLIMER BAKELIT DENGAN CARA HOT PRESS DAN KARAKTERISASINYA
TESIS
Oleh
ARJUNA RITAWANTI HARAHAP 137026010/FIS
PROGRAM STUDI MAGISTER ILMU FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2015
PEMBUATAN BONDED MAGNET NdFeB MENGGUNAKAN POLIMER BAKELIT DENGAN CARA HOT PRESS DAN KARAKTERISASINYA
TESIS
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Magister Sains dalam Program Studi Ilmu Fisika pada Sekolah Pascasarjana
Universitas Sumatera Utara
Oleh
ARJUNA RITAWANTI HARAHAP 137026010/FIS
PROGRAM STUDI MAGISTER ILMU FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2015
PEMBUATAN BONDED MAGNET NdFeB MENGGUNAKAN POLIMER BAKELIT DENGAN CARA HOT PRESS DAN KARAKTERISASINYA
TESIS
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk MemperolehGelarMagister Sains dalam program Studi Ilmu Fisika pada Sekolah Pascasarjana
Universitas Sumatera Utara
Oleh
ARJUNA RITAWANTI HARAHAP 137026010/FIS
PROGRAM STUDI MAGISTER ILMU FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2015
Telah diuji pada
Tanggal : 27 Juli 2015
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Dr.Kerista Sebayang, MS Anggota : 1. Dr.Suprapedi, M.Eng
2. Prof.Dr.Eddy Marlianto, M.Sc 3. Prof.Drs.M.Syukur, M.S 4. Dr.Nasruddin MN, M.Eng.Sc
PEMBUATAN BONDED MAGNET NdFeB MENGGUNAKAN POLIMER BAKELIT DENGAN CARA HOT PRESS DAN
KARAKTERISASINYA
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang pembuatan magnet permanen bonded NdFeB dengan polimer bakelite dilakukan dengan mencampurkan serbuk magnet Neodymiun Iron Boron (NdFeB) komersil tipe MQP-B+ dengan bakelite sebagai bahan perekatnya komposisi : 2,5%wt, 5%wt dan 7,5 % wt berat dari massa total sampel 8 gram. Campuran ini kemudian dicetak dengan metode hot press dengan tekanan sampel 39 MPa dan variasi 120°C, 140°C, 160°C dan 180°C selama penahanan 30 menit.Variasi ukuran partikel yang dipakai adalah 100 Mesh dan 200 Mesh.Hasil yang diperoleh dikarakterisasi berupa uji fisis dengan mengukur densitas dan melihat mikrostrukur dengan menggunakan SEM. Permagraph C untuk mengetahui nilai induksi remanensi (Br) dalam suatu medan magnet , koersivitas (Hc) dan Energi Produksi Maksimum (BH)max. Hasil penelitian di peroleh sifat magnet yang terbaik pada ukuran 100 Mesh Bakelit 2,5%wt pada suhu hot press 160 °C menghasilkan nilai kuat magnet 1.633 Gauss, Br =3,72 kG,Hci = 7,557 kOe dan BHmax = 2,85 MGOe.
Kata kunci : magnet bonded NdFeB, logam tanah-jarang, densitas, remanace (Br), koersivitas (Hic) dan energi produk maksimum (BH)max
RESEARCH THE NdFeB MAGNETIC BONDED USING THE POLIMER BAKELITE WITH HOT PRESS WAY AND THE PROPERTIES
A research on the manufacture of bonded NdFeB permanent magnets with polymer t bakelit done by mixing magnetic powders Neodymiun Iron Boron (NdFeB) commercial type of MQP-B + with bakelit as adhesive material composition: 0, 2.5%, 5% and 7.5% by weight of the total mass of the sample 8 grams. The mixture is then molded by hot press method with a sample pressure 5 tonforce / cm² and variations of 120 ° C, 140 ° C, 160 ° C and 180 ° C for 30 menit.Variasi particle size used was 100 Mesh and 200 Mesh.Hasil that The physical form of the test was characterized by measuring the density and see mikrostrukur by using SEM. Permagraph C to determine the value of the induction remanence (Br) in a magnetic field, coercivity (Hc) and Maximum Energy Production (BH) max.Hasil research obtained the best magnetic properties at 100 Mesh size bakelit 2.5 wt% at a temperature of Hot Press 160 ° C produces a strong value 1,633 Gauss magnets, Br = 3.72 kG, Hci = 7.557 KOe and BHmax = 2.85 MGOe.
Keyword : bonded magnet NdFeB, rare erth, densitas, remanance (Br), Coercivity (Hc) and energy product maximum (BH)max
KATA PENGANTAR
Assalamu Alaikum Wr. Wb.
Alhamdulillah, Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, dan karunia-Nya sehingga karya sederhana yang berjudul “PEMBUATAN BONDED MAGNET NdFeB MENGGUNAKAN POLIMER BAKELIT DENGAN CARA HOT PRESS DAN KARAKTERISASINYA” ini dapat diselesaikan dengan baik.
Tesis ini disusun untuk memenuhi persyaratan mencapai gelar Magister Sains (M.Si) dari program S2 Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara. Dalam penulisan tesis ini banyak mendapatkan arahan, bantuan, serta dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu pada kesempatan ini diucapan terima kasih kepada:
1. Prof.Dr.dr.SyahrilPasaribu,DTM&M.M.Sc(CTM).Sp.A(K)Rektor
Universitas Sumatera Utara atas kesempatan yang diberikan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan.
2. Dr.Sutarman, M.Sc Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara.
3. Dr.Nasruddin MN, M.Eng.Sc Ketua Program Studi Magister Fisika, Dr.Anwar Dharma, M.S Sekretaris Program Studi Magister Fisika, beserta seluruh staf pengajar dan pegawai pada Program Studi Magister Fisika.Atas segala ilmu pengetahuan dan bantuan yang diberikan.
4. Dr.Kerista Sebayang, M.S selaku pembimbing utama yang dengan penuh perhatian
dan telah memberikan dorongan, bimbingan dan motivasi kepada penulis dalam menyelesaikan tesis ini.
5. Dr.Suprapedi,M. Eng selaku pembimbing lapangan yang dengan penuh kesabaran
menuntut dan pembimbing penulis hingga selesainya tesis.
6. Prof.Drs.MuhammadSyukur, M.S, Prof.Dr.EddyMarlianto, M.Sc, Dr.Nasruddin MN, M.Eng.Sc selaku tim penguji yang dengan penuh perhatian dalam memberikan masukan dan saran untuk kesempurnaan penulisan tesis ini.
7. Ir.Muljadi, M.Si dan Prof.Pardamean Sebayang serta Erfin Yundra Febrianto dan para dosen di LIPI yang telah memberikan kemudahan dan masukan hingga terselesainya penelitian di LIPI.
8. Kedua orangtua (Almarhum Drs.Achmad Harahap dan Nurhayati Sikumbang), suami Muslimin Lubis,S.Pd, M.Si dan anak Athaillah Lubis atas dukungan dan doanya.
9. Teman-teman seperjuangan Fisika S2 angkatan 2013 yang sudah memberi semangat dan motivasi.
10. Seluruh Dosen dan Karyawan FMIPA USU atas ilmu dan fasilitasnya selama kuliah.
11. Semua pihak telah membantu terselesaikannya tulisan ini yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Disadari bahwa tesis ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu masih mengharapkan saran dan kritik dari pembaca sekalian. Diharapkan semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan.
Binjai, Agustus 2015
Arjuna Ritawanti Harahap
RIWAYAT HIDUP
DATA PRIBADI
Nama Lengkap berikut Gelar : Arjuna Ritawanti Harahap, S.Pd Tempat Dan Tanggal Lahir : Padangsidempuan, 12 Maret 1975 Alamat Rumah : Jl. Pacul Lk 1 Gg Lurah No 2 Cengkeh Turi Binjai
HP : 0181375302777 Instansi Tempat Bekerja : SMA Negeri 5 Binjai
Alamat Kantor : Jl.Jambi No 2 Rambung Binjai Telepon : 061-8820161
DATA PENDIDIKAN
SD : SD Negeri 142418 Padangsidempuan Tamat 1988 SMP : SMP Negeri 4 Padangsidempuan Tamat 1991 SMA : SMA Negeri 2 Padangsidempuan Tamat 1994 Strata-1 : IKIP Negeri Medan Tamat 1999
Strata-2 : Universitas Sumatera Utara Medan Tamat 2015
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN i
KATA PENGANTAR ii
ABSTRAK iii
ABSTRACT iv
DAFTAR ISI v
DAFTAR TABEL vii
DAFTAR GAMBAR viii
DAFTAR LAMPIRAN ix
BAB I : PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Perumusan Masalah 4
1.3 BatasaMasalah 4
1.4 Tujuan Penelitia 5
1.5 Manfaat Penelitian 5
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA 6
2.1 Pengertian magnet secara umum 6
2.2 MedanMagnet 6
2.2.1 Momen Magnet. 7
2.2.2 Induksi Magnetik 8
2.2.3 Kuat Medan Magnetik 8
2.2.5 Intensitas Kemagnetan. 9
2.3 Jenis magnet 10
2.3.1 Magnet Permanen 10
2.3.2 Magnet tidak tetap 12
2.3.3 Magnet buatan 12
2.4 Jenis Magnet permanen 12
2.5 Bahan Magnetik 13
2.5.1 Bahan diamagnetik. 13
2.5.2 Bahan paramagnetik 14
2.5.3 Bahan ferromagnetik 14
2.6 Magnet lunak dan magnet keras 15
2.7 Sejarah logam tanah jarang 17
2.8 Perkembangan magnet 19
2. 9 Neodymium Iron Boron (NdFEeB) 20
2.10 Polimer Bakelit 21
2.11 Kompaksi 22
2.12 Kurva histeresis 25
2.13 Pembuatan magnet 25
2.13.1 Sintered Magnet. 25
2.13.2 Compressing Bonded. 25
2.13.3 Injection Molding 25
2.14 Magnet Bonded 26
2.15 Aplikasi Magnet Bonded 26
2.16 Karakterisasi 28
2.16.1 Densitas 28
2.16.2 Analisis Mikrostruktur 28
BAB III METODE PENELITIAN 31
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian 31
3.2 Bahan dan Peralatan Penelitian 31
3.2.1 Bahan. 31
3.2.2 Peralatan. 31
3.3 Langkah langkah Penelitian 32
3.4 Prosedur Penelitian. 34
3.4.1 Pencampuran Bahan Baku 34
3.4.2 Proses Kompaksi 34
3.5 Karakterisasi 34
3.5.1 Karakterisasi sifat fisis 35
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN. 36
4.1 Sifat Fisis. 36
4.2 Sifat Magnet 38
4.3 Hasil Pengujian Struktur Mikro. 41
4.4 Pengujian Kuat Magnet Menggunakan Permagraph 46
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 47
4.1 KESIMPULAN 47
4.2 SARAN 48 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Daftar Tabel
Nomor Judul Halaman
1 Tabel Konversi 8
2 Sifat sifat magnet dari beberapa magnet permanen 11
3 Nama Simbol Unsur dari tanah jarang 18
4 Sifat magnet Neodymium Iron Boron 20
5 Hasil pengukuran Densitas Bonded Magnet Ukuran 100 Mesh 36 6 Hasil pengukuran Densitas Bonded Magnet Ukuran 200 Mesh 37 7 Hasil pengukuran Flux magnetik Bonded Magnet ukuran 100 Mesh 39 8 Hasil pengukuran Flux magnetik Bonded Magnet ukuran 200 Mesh 40 9 Tabel Br,Hic dan (BH)max untuk menghasilkan kurva Histeresis 48
Daftar Gambar
Nomor Judul Halaman
1 Gambar Kurva Histeresis Magnet Keras dan Magnet Lunak 16
2 Gambar Kurva Histeresis Magnet Keras 24
3 Grafik Bulk Density Pada ukuran 100 Mesh 36
4 Grafik Bulk Density Pada ukuran 200 Mesh 38
5 Grafik Flux Magnet ukuran 100 Mesh 39
6 Grafik Flux Magnet ukuran 200 Mesh 40
7 Hasil sEM ukuran 2,5 % Bakelit suhu 160°C 42
8 Hasil sEM ukuran 5 % Bakelit suhu 160°C 43
9 Hasil SEM ukuran 7,5% Bakelit suhu 160°C 44
10 Analisa komposisi EDX di posisi bakelit 45
11 Analisa komposisi grain NdFeB dengan EDX 45
12 Hasil Permagraph ukuran 2,5 % bakelit suhu 160°C 47
13 Hasil Permagraph ukuran 5 % bakelit suhu 160°C 48
14 Hasil Permagraph ukuran 7,5 % bakelit suhu 160°C 48
DAFTAR LAMPIRAN
NO LAMPIRAN JUDUL HALAMAN
1 A Perhitungan Densitas Bonded Magnet NdFeB 49
2 B Bahan dan Peralatan Penelitian 50
3 C Aplikasi dari Magnet Bonded 52
3 D Hasil Kurva Histeresis Permagraph 56
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pemanfaatan logam tanah jarang sudah sangat beragam di dunia industri.Dari berbagai macam pemanfaatan logam tanah jarang, dapat disimpulkan bahwa material ini merupakan material masa depan. Samarium, Neodymium dan Praesodymium dengan kemurnian 96% digunakan sebagai magnet.Magnet Samarium-kobalt (Sm-Co) tahun 1970-an dikembangkan di Jepang.Setelah itu dikembangkan pula magnet Neodymium-Besi-Iron (NdFeB) yang kekuatannya dua kali lipat magnet Sm-Co.(Arifin dan Suhala Supriatna., 1997).
Penggunaan tanah-jarang sebagai bahan sangat menguntungkan karena sifatnya permanen (tetap), kekuatannya yang berlipat dan berbobot ringan.Karena sifat-sifat tersebut pemakaian magnet Nd-Fe-B dan Sm-Co telah mengakibatkan komponen-komponen elektronika dan listrik dibuat dengan ukuran yang semaksimal kecil.Magnet NdFeB umumnya digunakan untuk motor stater , wiper, motor alat pendingin dan pengeras suara stereo sedangkan magnet Sm-Co umumnya digunakan untuk motor DC, handphone, pengeras suara, tabung gelombang-mikro, mikrofon dan lain-lain. (Arifin dan Suhala Supriatna ., 1997).
Magnet permanen merupakan suatu material yang sangat strategis untuk dikembangkan di masa depan. Penguasaan teknologi produksi magnet permanen diharapkan dapat memberikan nilai tambah yang signifikan, dengan mempertimbangkan belum adanya produsen magnet permanen lokal untuk memenuhi kebutuhan magnet permanen di dalam negeri. Pemenuhan kebutuhan komponen magnet permanen sampai saat ini masih sangat bergantung dari produk impor seperti dari Jepang dan China.
Magnet permanen berbasis NdFeB adalah magnet permanen yang memiliki aplikasi yang sangat luas terutama dalam bidang energi dan otomotif.Pengembangan energi terbarukan yang saat ini menjadi perhatian Pemerintah, memberikan peluang pengembangan magnet permanen untuk berkontribusi, antara lain sebagai komponen pembangkit listrik (generator listrik) tenaga angin maupun tenaga air.
Dalam bidang otomotif, magnet permanen merupakan komponen utama sistem motor listrik yang bekerja.Pada perangkat otomasi kendaraan seperti power window dan wiper. Selain itu aplikasi dari magnet permanen juga dapat digunakan sebagai sensor, seperti sensor meteran air, massa, dan lain-lain .
Berikut ini gambar perkembangan magnet dari kisaran tahun dan energi produk maksimum (BH)max dari setiap magnet permanen .
Menurut Alliance LLC Neodymium dikenal sebagai Neo, magnet ini adalah magnet yang terkuat dan yang paling kontroversial karena magnet NdFeB ini berada di keluarga tanah jarang dan magnet ini Sebuah kelompok yang relatif baru (magnet komersial), dikatakan kontroversial karena satu-satunya magnet yang telah dipatenkan untuk komposisi dan pengolahan. (sumber : Artikel Magnet Guide & Tutorial” Alliance LLC).
Dalam prosesnya, pembuatan magnet ini dapat dilakukan melalui 2 cara yaitu teknik metalurgi serbuk yang dikenal dengan sintered magnet dan metode bonded magnet dengan mencampurkan serbuk NdFeB dengan material binder
(sebagai lem) sehingga didapatkan magnet komposit dengan matriks polimer dan sebagai filter adalah serbuk magnet NdFeB.Dibandingkan proses sintered magnet, pembuatan magnet komposit polimer NdFeB memiliki beberapa kelebihan antara lain dapat dibentuk secara presisi dan proses heat treatment/curing pada suhu rendah (200°C). (Mentari, Ruth ., 2014).
Pemilihan polimer sebagai binder dalam pembuatan magnet bonded memiliki korelasi terhadap sifat fisis dan magnet yang berkaitan dengan sifat
intrinsik bahan magnet seperti temperatur kerja serta temperatur curie.Pembuatan magnet bonded NdFeB dapat dilakukan dengan menggunakan berbagai macam matriks polimer tergantung kualitas mekanik yang diinginkan dan tujuan aplikasinya.Diantara material polimer yang digunakan sebagai binder antara lain, epoxy resin, silicone rubber, natural rubber, LLDPE, PEHD, HDFE, Polypropylene (PP) dan Bakelit.( Groover, P.Mikell., 2010).
Saat ini sudah banyak peneliti yang melakukan penelitian tentang magnet permanen. Dari setiap peneliti memiliki hasil dan pembahasan, metode pembuatan magnet, serta penggunaan jenis bahan, ukuran bahannya serta perekat yang digunakan dalam penelitian berbeda-beda. Adapun perbedaan tersebut dapat kita lihat dari beberapa hasil dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya.
Penelitian Candra kurniawan, Ayu Puspita dan Muljadi., 2013 memperoleh hasil bahwa magnet permanen bonded PrFeB menggunakan binder bakelite dengan variasi komposisi binder 3%wt dan 5%wt. Berdasarkan karakterisasi yang dilakukan dihasilkan magnet bonded PrFeB dengan kualitas terbaik yang diperoleh dari komposisi bakelite 3%wt dengan suhu proses curing sebesar 150°C. Karakteristik yang ditunjukkan antara lain densitas sampel sebesar 5,49 g/cm3, sifat magnet antara lain densitas fluks magnet rata-rata, induksi remanensi, koersivitas, dan energi produk maksimum berturut-turut sebesar 1114,6 Gauss, 6,05 kGauss, 6,985 kOe, dan 6,9 MGOe.Dibandingkan dengan magnet bonded PrFB yang menggunakan binder epoxy resin diperlihatkan bahwa secara umum tidak memiliki perbedaan yang signifikan, namun terdapat perbedaan yang signifikan pada distribusi densitas fluks magnet antarapenggunakan binder bakelite dan epoxy resin.Ditunjukkan bahwa deviasi densitas fluks magnet penggunaan epoxy resin mencapai 149 Gauss, sedangkan pada binder bakelite deviasi rata-rata < 90 Gauss. Hal ini menunjukkan penggunaan bakelite sebagai binder dapat meningkatkan homogenisasi distribusi densitas fluks magnet.
Sardjono, P., Muljadi., Sebayang, P., 2014 dalam jurnal nasional berjudul Mechanical And Magnetic Properties Of Bonded Magnet NdFeB Produced Using Binder Bakelite .,2014 ) menunjukkan adanya korelasi penambahan sampel bakelite ( 5 wt% s/d 20 wt% ) cendurung meningkatkan sifat mekanik dari maget bonded dan munurunkan sifat magnetiknya.Sifat dari bonded magnet
NdFeB dengan penambahan bakelit menghasilkan kuat magnet sekitar 1360-1400 Gauss, optimal bending strength 27,74-33,42 MPa, density flux magnetik 1360- 1400 Gauss, remananse (Br) 4,99-5,02 kG, koersivity(Hic) 7,8 kOe, energi produk maksimum (BH)max 5,13-5,24 MGOe.
Jurnal analisis sifat magnet dan mekanik pada permanen bonded magnet PrFeB dengan matriks bakelite dengan komposisi 2%wt s/d 8%wt, meningkatkan kekuatan magnet dan kekerasan magnet serta menurunkan sifat magnet.Sifat magnet terbaik pada komposisi serbuk bakelit 2% menghasilkan nilai kuat tekan medan 1186 Gauss, Br = 6,63 kG, Hci = 6,692kOe, (BH)max= 7,98MGOe, kekerasan= 42,2 BHN dan kuat tekan 101,4 MPa.(Muljadi, Tian Hawvini ., 2014).
Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan bonded magnet dengan menggunakan polimer bakelit dengan memvariasikan ukuran serbuk,% bakelite, suhu hot press dan holding time untuk mendapatkan sifat fisis dan sifat magnet
yang lebih baik seperti yang diharapkan dengan bahan magnet permanen NdFeB berbasis bonded dengan campuran bakelite sebagai perekatnya.
1.2 Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah masih diperlukan peningkatan sifat fisis dan perbaikan mikrostruktur untuk menghasilkan bahan magnet permanen NdFeB berbasis bonded.
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah yang akan diteliti dalam penelitian ini adalah
1. Serbuk magnetik yang akan digunakan adalah serbuk magnet NdFeB.
2. Perekat polimer yang digunakan adalah bakelit.
3. Parameter yang akan diukur dan diteliti adalah mikrostruktur dan sifat fisis (densitas) dan sifat magnet dari magnet bonded NdFeB.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah
1. Untuk mengetahui pengaruh dari variasi suhu pencetakan (hot press) bahan magnet NdFeB terhadap sifat fisis (densitas), mikrostruktur dan sifat kemagnetan.
2. Untuk mengetahui pengaruh komposisi bakelite terhadap sifat fisis (densitas), mikrostruktur dan sifat kemagnetan.
3. Mengetahui karakterisasi sifat magnetk bahan bonded NdFeB yang sudah dipress dan dimagnetisasi .
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat dberikan dari hasil penelitian ini adalah
1. Untuk memberikan informasi tentang pengaruh variasi suhu hot press terhadap sifat magnet pada bonded magnet NdFeB.
2. Mengusai teknik pembuatan bonded magnet NdFeB dengan cara hot press.
3. Untuk memberikan informasi tentang kuat medan magnet yang dihasilkan serta informasi sifat material dari magnet bonded NdFeB dengan menggunakan alat uji Gaussmeter dan Permagraph.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian magnet secara umum.
Magnet adalah suatu materi yang mempunyai suatu medan magnet.
Magnet juga merupakan material maju yang sangat penting untuk beragam aplikasi teknologi canggih, berfungsi sebagai komponen pengubah energi gerak menjadi listrik dan sebaliknya, seperti otomotif, elektronik dan energi. (Collocott, dkk .,2007)
Magnet dapat dibuat dari bahan besi, baja dan campuran logan 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 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 adaah daerah yang berada pada ujung-ujung magnet dengan kekuatan magnet yang paling besar berada pada kutubnya.(Afza,Erini., 2011).
Benda dapat dibedakan menjadi dua macam berdasarkan sifat kemagnetannya yaitu benda magnetik dan benda non magnetik.Benda magnetik adalah benda yang dapat ditarik oleh magnet, sedangkan benda non magnetik adalah benda yang tidak dapat ditarik oleh magnet.Contoh benda magnetik adalah logam seperti besi dan baja, namun tidak semua logam dapat ditarik oleh magnet,sedangkan contoh benda non magnetik adalah oksigen cair.Satuan intensitas magnet menurut sistem metrik Satuan Internasional (SI) adalah Tesla dan SI untuk total fluks magnetik adalah weber ( 1 weber/m2 = 1 Tesla) yang mempengaruhi luasan satu meter persegi.(Afza,Erini., 2011)
2.2 Medan Magnet
Medan magnet adalah daerah di sekitar magnet yang masih merasakan adanya gaya magnet.Jika sebatang magnet diletakkan dalam suatu ruang,maka terjadi perubahan dalam ruangan ini karena setiap titik dalam ruangan tersebut
akan terdapat medan magnetik.Arah medan magnetik suatu ruangan didefenisikan sebagai arah yang ditunjukkan oleh kutub utara jarum kompas yang diletakkan disekitar medan magnet tersebut.(Afza,Erini., 2011).
2.2.1 Momen Magnetik
Bila terdapat dua buah kutub magnet yang berlawanan +m dan –m terpisah sejauh l, maka besar momem magnetiknya (M) adalah
Rumus : M = mlv...(2.1) Dimana : m = massa masing-masing benda (kg)
l = jarak antara kedua benda (meter) v = kecepatan benda (m/s)
M = Momen magnetik (Kg m²/s)
Dengan M adalah sebuah vektor dalam arah vektor unit r berarah dari kutub negatif ke kutub positif.Arah momem magnetik dari atom bahan non magneik adalah acak sehingga momen magnetik resultannya menjadi nol.Sebaliknya di dalam bahan-bahan magnetik,arah momem magnetik atom bahan-bahan itu teratur sehingga momem magnetik resultan tidak nol.Momem magnetik mempunyai satuan dalam cgs adalah gauss atau emu dalam SI mempunyai satuan A/m (Afza,Erini., 2011)
Gambar 2.1a Momem magnetik benda magnetik
Gambar 2.1b Momem magnetik benda non magnetik
2.2.2 Induksi Magnetik
Suatu bahan magnetik yang diletakkan dalam medan luar akan menghasilkan medan tersendiri H’ yang meningkatkan nilai total medan magnetik bahan tersebut.Induksi medan magnetik yang didefenisikan sebagai medan total bahan ditulis sebagai :
B = H + H’...(2.2)
Dimana : H = medan magnet luar (Tesla) H’ = medan magnet sendiri (Tesla)
B = induksi medan magnetik /medan total bahan (Tesla)
Hubungan medan sekunder H’ = 4 H M,satuan B dalam cgs adalah gauss, dalam SI adalah tesla (T) atau nanoTesla (nT). (Afza,Erini., 2011).
2.2.3 Kuat Medan Magnetik
Kuat medan magnetik (H) pada suatu titik berjarak r dan ml didefenisikan sebagai gaya persatuan kuat kutub magnet, dapat dituliskan sebagai :
H = 𝑭
𝒎𝟐 = 𝒎𝒍
µ𝒐𝒓𝟐 ...(2.3) Dengan r adalah jarak titik pengukuran dari m, H mempunyai satuan Ampere /m dalam SI sedangkan dalam cgs H mempunyai satuan Oersted. (Afza,2011).
Tabel 1.Konversi satuan CGS dan SI
Besaran CGS SI konversi satuan H Oersted (Oe) Ampere/meter 1A/m = 12.57 x 103 Oe B Gauss (G) Tesla (T) 1 T = 10.000 G
Φ Maxwell (M) Weber (Wb) 1 Wb = 108 M
F Gilbert Amp-turn 1 A-t = 1.256 Gilbert (BH)max MGOe Joule/m3 1 J/m3 = .1257 x 106 GOe
(Sumber : Magnet Guide & Tutorial “Alliance LLC”)
2.2.4 Magnetisasi (M)
Magnetisasi merupakan pemberian medan magnet luar agar dipole-dipolenya dapat mengarah ke satu arah.Di dalam bahan paragmagnetik dan diamagnetik, magnetisasi terjadi bila ada medan magnet luar, sedangkan bila medan magnet luar itu nol,maka magnetisasinya hilang (M = 0 ).
Jika medan magnet luar tidak terlalu besar, sebagian besar bahan magnetisasi sebanding dengan medan H, yaitu :
Rumus : M = xm H ...(2.4) Dimana : H = medan magnet ( Tesla)
Xm = suseptibilitas
M = Magnetisasi (Ampere/meter = Oersted)
Beberapa parameter yang menentukan sifat kemagnetan (magnetisasi) dari suatu bahan antara lain :
a. Permeabilitasi dan susceptibilitas Magnetik.
b. Momen Magnetik c. Magnetisasi
Bahan diamagnetik merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas (Xm) negatif dan sangat kecil.Medan magnet yang dihasilkan oleh orbital dan perputaran elektron dapat ditiadakan sepenuhnya.
(Groover,P.Mikell., 2010)
2.2.5 Intensitas kemagnetan
Sejumlah benda-benda magnet dapat dipandang sebagai sekumpulan benda magnetik.Apabila benda magnet tersebut diletakkan dalam medan luar, benda tersebut menjadi termagnetisasi karena induksi.Dengan demikian, intensitas kemagnetan menyatakan momen-momem magnetik luar dapat juga dinyatakan sebagai momem magnetik persatuan volume.Satuan magnetisasi dalam satuan cgs atau emu.cm-3dan dalam SI adalah Am-1(Afza,Erini., 2011).
I = 𝑴
𝑽 = 𝒎𝒍𝒓
𝑽 ...(2.5) Dimana :
I = Intensits kemagnetan (Tesla) V = Volume (m³)
2.3 Jenis Magnet
Berdasarkan sifat kemagnetannya magnet dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu :
2.3.1 Magnet Permanen
Magnet permanen adalah suatu bahan yang dapat menghasilkan medan magnet yang besarnya tetap tanpa adanya pengaruh dari luar atau disebut juga magnet alam karena memiliki sifat magnet yang tetap. Magnet permanen dibuat orang dalam berbagai bentuk dan dapat dibedakan menurut jenis bahannya menjadi :
2.3.1.1 Neodymium Magnets
Magnet neodymium merupakan magnet tetap yang paling kuat. Magnet neodymium (juga dikenal sebagai NdFeB, NIB, atau magnet Neo), merupakan sejenis magnet tanah jarang, terbuat dari campuran logam neodymium. Tetragonal Nd2Fe14B memiliki struktur kristal yang sangat tinggi uniaksial anisotropi magnetocrystalline (HA ̴ 7T). Senyawa ini memberikan potensi untuk memilki nilai koersivitas tinggi (yaitu, ketahanan mengalami kerusakan magnetik).
2.3.1.2 Samarium-Cobalt Magnets
Magnet Samarium-Cobalt adalah salah satu dari dua jenis magnet bumi yang langka, merupakan magnet permanen yang kuat yang terbuat dari paduan samarium dan kobalt. Mereka umumnya-terkuat kedua jenis magnet dibuat, kurang kuat dari magnet neodymum, tetapi memiliki peringkat temperatur yang lebih tinggi dan lebih tinggi koersivitas. Mereka rapuh, dan rawan terhadap retak dan chipping. Samarium-kobalt magnet memiliki produk-produk energi maksimum (BH)max yang berkisar dari 16 MGOe menjadi 32 MGOe, batas teoritis mereka adalah 34 MGOe. Jenis magnet ini dapat ditemukan di dalam alat- alat elektronik seperti VCD, DVD, Handphone (telepon genggam) dan lain-lain.
2.3.1.3 Ceramic Magnets
Ferrites adalah senyawa kimia yang terdiri dari keramik bahan dengan besi (III) oksida (Fe2O3) sebagai komponen utama. Bahan ini digunakan untuk membuat magnet permanen, seperti core ferit untuk transformator, dan berbagai
aplikasi lain. Ferit keras banyak digunakan dalam komponen elektronik, diantaranya motor-motor DC kecil, pengeras suara (loudspeaker), meteran air, KWH-meter, telephone receiver, calculator, dan rice cooker.
2.3.1.4 Plastik Magnet
Fleksibel (karet) magnet dibuat dengan mencampurkan ferit atau bubuk Neodymium magnet dan pengikat karet sintesis atau alami. Fleksibel (karet) magnet dibuat dengan menggulung atau metode ekstrusi. Magnet plastik dibuat karena keuntungan dari magnet ini fleksibilitas, biaya rendah dan kemudahan dalam penggunaan. Magnet plastik biasanya diproduksi dalam bentuk lembaran strip atau yang banyak digunakan dalam mikro-motor, gasket dan lain-lain. Ferit bahan fleksibel berbasis sering dilaminasi dengan vinil dicetak putih atau berwarna.
2.3.1.5 Alnico Magnets
Alnico magnet adalah magnet paduan yang mengandung Alumunium (Al), Nikel (Ni), Cobalt (Co). Karena dari tiga unsur tersebut magnet ini sering disebut Alnico. Sebenarnya magnet alnico ini tidak hanya mengandung ketiga unsur saja melainkan ada beberapa unsur mengandung besi dan tembaga, tetapi kandungan besi dan tembaga tersebut relatif sedikit. Magnet alnico dikembangkan pada tahun 1930-an dengan metode sintering atau lebih umum disebut metode casting. Jenis magnet ini dtemukan dalam alat-alat motor (kipas angin, speaker, mesin motor).
Magnet ini juga sering dijumpai dalam lab sekolahan bahkan dapat ditemukan pada sepatu kuda yang berfungsi untuk meningkatkan daya lari kuda. Magnet ini adalah magnet yang masih termasuk kategori berenergi rendah.(Ruth,Mentari., 2014)
Tabel 2. Sifat-Sifat Magnet Dari Beberapa Jenis Magnet Permanen Jenis Magnet Remanensi
(Br, T)
Koersivitas (Hc, MA./m)
Energi Produk (BH)max, kJ/m3
Sr-Ferrit 0,43 0,20 34
Alnico 5 1,27 0,05 44
SmCo 5 1,05 1,30 176
Nd2Fe14B 1,36 1,03 350
2.3.2 Magnet Tidak Tetap
Magnet tidak tetap (remanen) adalah suatu bahan yang hanya dapat menghasilkan medan magnet yang bersifat sementara. Medan magnet remanen dihasilkan dengan cara mengalirkan arus listrk atau digosok-gosokkan dengan magnet alam. Bila suatu bahan pengantar dialiri arus listrik, besarnya medan magnet yang dihasilkan tergantung pada besar arus listrk yang dialirkan. Medan magnet remanen yang digunakan dalam praktek kebanyakan dihasilkan oleh arus dalam kumparan yang berinti besi. Agar medan magnet yang dihasilkan cukup kuat, kumparan diisi dengan besi atau bahan sejenis besi dan sistem ini dinamakan elektromagnet. Keuntungan elektromagnet adalah bahwa kemagnetannya dapat dibuat sangat kuat, tergantung dengan arus yang dialirkan dan kemagnetannya dapat dihilangkan dengan memutuskan arus listriknya.(Ruth,Mentari., 2014)
2.3.3 Magnet Buatan
Magnet buatan meliputi hampir seluruh magnet yang ada sekarang ini.
Bentuk magnet muatan antara lain : magnet silinder, magnet batang, magnet jarum, magnet U, magnet ladam dan magnet keping.
2.4 Jenis Magnet Permanen
Produk magnet permanen ada dua macam berdasarkan teknik pembuatannya yaitu magnet permanen isotropi dan magnet permanen anisotropi.
Gambar 2.2 Arah partikel pada magnet isotropi dan anosotropi,(a) Arah partikel acak (isotropi). (b) Arah partikel searah (Anisotropi).(Masno G,dkk., 2006)
Magnet permanen isotropi magnet dimana pada proses pembentukkan arah domain magnet partikel-partikelnya masih acak, sedangkan yang anisotropi pada pembentukkan dilakukan di dalam medan magnet sehingga arah domain magnet partikel-partikelnya mengarah pada satu arah tertentu. Magnet permanen isotropi memiliki sifat magnet atau remanensi magnet yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan magnet permanen anisotropi.(Afza,Erini., 2011)
2.5 Bahan Magnetik
Bahan magnetik adalah suatu bahan yang memiliki sifat kemagnetan dalam komponen pembentuknya. Berdasarkan perilaku molekulnya di dalam Medan magnetik luar, bahan magnetik terdiri atas tiga kategori, yaitu paramagnetik, feromagnteik dan diamagnetik.
2.5.1 Bahan Diamagnetik
Bahan diamagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masingmasing atom/ molekulya adalah nol, tetapi medan magnet akibat orbit dan spin elektronnya tidak nol .Bahan diamagnetik tidak mempunyai momen dipol magnet permanen. Jika bahan diamagnetik diberi medan magnet luar, maka elektron-elektron dalam atom akan mengubah gerakannya sedemikian rupa sehingga menghasilkan resultan medan magnet atomis yang arahnya berlawanan dengan medan magnet luar tersebut. Sifat diamagnetik bahan ditimbulkan oleh gerak orbital elektron. Karena atom mempunyai elektron orbital, maka semua bahan bersifat diamagnetik. Suatu 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 ini: μ < µ0 dengan suseptibilitas magnetik bahan: Xm < 0. Nilai bahan diamagnetik mempunyai orde -10-5m3/kg. Contoh bahan diamagnetik yaitu: bismut, perak, emas, tembaga dan seng.
Ciri-ciri dari bahan diamagnetik adalah
- Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya adalah nol.
- Jika solenoida dimasukkan bahan ini, induksi magnetik yang timbul lebih kecil.
Permeabilitas µ < µ0. Contoh : bismuth, tembaga, emas, perak, seng, garam dapur.
2.5.2 Bahan Paramagnetik.
Bahan paramagnetik adalah bahan yang resultan medan magnet atomis masingmasing atom/ molekulnya tidak nol, tetapi resultan medan magnet atomis total seluruh atom/ molekul dalam bahan nol, hal ini disebabkan karena gerakan atom/ molekul acak, sehingga resultan medan magnet atomis masing-masing atom saling meniadakan .Di bawah pengaruh medan eksternal, mereka mensejajarkan diri karena torsi yang dihasilkan. Sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen magnetik spin yang menjadi terarah oleh medan magnet luar.
Ciri-ciri dari bahan paramagnetik adalah :
- Bahan yang resultan medan magnet atomis masing-masing atom/molekulnya adalah tidak nol.
- Jika solenoida dimasukkan bahan ini maka akan dihasilkan induksi magnetik yang lebih besar.
Permeabilitas µ > µ0 . Contoh : alumunium, magnesium, wolfram, platina, Kayu.
2.5.3. Bahan Ferromagnetik
Bahan ferromagnetik mempunyai resultan medan magnet atomis besar, hal ini disebabkan oleh momen magnetik spin elektron. Pada bahan ini banyak spin elektron yang tidak berpasangan, masing-masing spin elektron yang tidak berpasangan ini akan menimbulkan medan magnetik, sehingga medan magnet total yang dihasilkan oleh satu atom menjadi 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 inilah yang dikenal dengan domain.
Domain-domain dalam bahan ferromagnetik, dalam ketiadaan medan eksternal, momen magnet dalam tiap domain akan paralel, tetapi domain-domain diorientasikan secara acak, dan yang lain akan terdistorsi karena pengaruh medan eksternal. Domain dengan momen magnet paralel terhadap medan eksternal akan mengembang, sementara yang lain mengerut. Semua domain akan menyebariskan diri dengan medan eksternal pada titik saturasi, artinya bahwa setelah seluruh domain sudah terarahkan, penambahan medan magnet luar tidak memberi pengaruh apa-apa karena tidak ada lagi domain yang perlu disearahkan, keadaan ini disebut dengan penjenuhan (saturasi).
Bahan ini juga mempunyai sifat remanensi, artinya bahwa setelah medan magnet luar dihilangkan, akan tetap memiliki medan magnet, karena itu bahan ini sangat baik sebagai sumber magnet permanen. Permeabilitas bahan : µ >> µ0
dengan suseptibilitas bahan : Xm >> 0 Contoh bahan ferromagnetik : besi, baja.
Sifat kemagnetan bahan ferromagnetik akan hilang pada temperatur Currie.
Temperatur Currie untuk besi lemah adalah 770°C dan untuk baja adalah 1043° C.
Sifat bahan ferromagnetik biasanya terdapat dalam bahan ferit. Ferit merupakan bahan dasar magnet permanen yang banyak digunakan dalam industri-industri elektronika, seperti dalam loudspeaker, motor-motor listrik, dan dynamo.
Ciri-ciri bahan ferromagnetik adalah :
- Bahan yang mempunyai resultan medan magnetik atomik besar.
- Tidak bersifat magnetik, sangat baik sebagai magnet permanen.
- Jika solenoida diisi bahan ini akan dihasilkan induksi magnetik sangat besar (bisa ribuan kali). Permeabilitas bahan ini : µ > µ0 . Contoh : baja, besi, nikel dan kobalt.(Afza,Erini., 2011)
2.6 Magnet Lunak dan Magnet Keras
Material magnetik diklasifikasikan menjadi dua yaitu material magnetic lemah atau soft magnetic materials maupun material magnetic kuat atau hard magnetic materials. Penggolongan ini berdasarkan kekuatan medan koersifnya dimana soft magnetic atau material magnetik lemah memiliki medan koersif yang lemah sedangkan material magnetic kuat atau hard magnetic materials memiliki
medan koersif yang kuat. Hal ini lebih jelas digambarkan dengan diagram histerisis atau hysteresis loop sebagai loop.
Gambar 2.3 histeris material magnet (a) Material lunak, (b) Material keras
Diagram histeresis diatas menunjukkan kurva histeresis untuk material magnetic lunak pada gambar (a) dan material magnetic keras pada gambar (b). H adalah medan magnetik yang diperlukan untuk menginduksi medan berkekuatan B dalam material. Setelah medan H ditiadakan, dalam specimen tersisa magnetisme residual Br, yang disebut residual remanen, dan diperlukan medan magnet Hc yang disebut gaya koersif, yang harus diterapkan dalam arah berlawanan untuk meniadakannya. Magnet lunak mudah dimagnetisasi serta mudah pula mengalami demagnetisasi, seperti tampak pada Gambar 2. Nilai H yang rendah sudah memadai untuk menginduksi medan B yang kuat dalam logam, dan diperlukan medan Hc yang kecil untuk menghilangkannya. Magnet keras adalah material yang sulit dimagnetisasi dan sulit di demagnetisasi. Karena hasil kali medan magnet (A/m) dan induksi (Tesla) merupakan energi per satuan volume, luas daerah hasil integrasi di dalam loop histerisis adalah sama dengan energi yang diperlukan untuk satu siklus magnetisasi mulai dari 0 sampai +H hingga –H sampai 0. energi yang dibutuhkan magnet lunak dapat dapat diabaikan;
medan magnet keras memerlukan energi lebih banyak sehingga pada kondisi- ruang, demagnetisasi dapat diabaikan.(Afza,Erini., 2011)
2.7 Sejarah Logam Tanah Jarang (LTJ).
Kelompok unsur logam tanah jarang pertama kali ditemukan pada tahun 1787 oleh seorang letnan angkatan bersenjata Swedia bernama Karl Axel
Arrhenius, yang mengumpulkan mineral ytteribite dari tambang feldspar dan kuarsa di dekat Desa Ytterby, Swedia. Mineral tersebut berhasil dipisahkan oleh J.
Gadoli pada tahun 1794.( Hallstedt, B ., Risold., D 1997).
Tahun 1804 Klaproth dan timnya menemukan ceria yang merupakan bentuk oksida dari cerium. Tahun 1828, Belzerius menemukan thoria dari mineral thorit. Tahun 1842 Mosander memisahkan senyawa bernama yttria menjadi tiga macam unsur melalui pengendapan fraksional menggunakan asam oksalat dan hidroksida, unsur-unsur tersebut yttria, terbia dan erbia.
Pada tahun 1878 Boisbaudran menemukan samarium.
Tahun1885,Welsbach memisahkan praseodymium dan neodymium yang terdapat pada samarium. Boisbaudran tahun 1886 mendapatkan gadolinium dari mineral ytterbia yang diperoleh J.C.GdeMarignac tahun 1880. Ytterbia yangdiperoleh Marignac, pada tahun 1907 mampu dipisahkan oleh L de Boisbaudran menjadi neoytterium dan lutecium. P.T. Cleve memisahkan tiga unsur dari erbia dan terbia yang dimiliki Marignac, diperoleh erbium, holminiumdanthalium, sementara L de Boisbaudran memperoleh unsur lain dinamai dysporsia.Unsur tanah jarang sesuai namanya merupakan unsur yang sangat langka atau keterdapatannya sangat sedikit, di alam berupa senyawa kompleks,umumnya senyawa kompleks fosfat dan karbonat.Seiring dengan perkembangan teknologi pengolahan material, unsur tanah jarang semakin dibutuhkan, dan umumnya pada industri teknologi.
Unsur tanah jarang (UTJ) adalah nama yang diberikan kepada kelompok lantanida, yang merupakan logam transisi dari Grup 111B pada Tabel Periodik.
Kelompok lantanida terdiri atas 15 unsur, yaitu mulai dari lantanum (nomor atom 57) hingga lutetium (nomor atom 71), serta termasuk tiga unsur tambahannya yaitu yttrium, thorium dan scandium (Tabel 1). Pemasukan yttrium, torium dan skandium ke dalam golongan unsur tanah jarang dengan pertimbangan kesamaan sifat. Unsur tanah jarang mempunyai sifat reaktif tinggi terhadap air dan oksigen, bentuk senyawa stabil dalam kondisi oksida, titik leleh relatif tinggi, serta sebagai bahan penghantar panas yang tinggi.(Sabtanto,Joko., 2013).
Table 3. Nama simbol Unsur Logam Tanah Jarang
Simbol Nama Unsur Simbol Nama Unsur
Y Yttrium Gd gadolinium
Sc Scandium Tb terbium La Lanthanum Dy dysprosium Ce Cerium Ho holmium Pr Praseodymium Er erbium Nd Neodymium Tm thulium Pm promethium Yb ytterbium Sm Samarium Lu lutetium Eu Europium Th Thorium
Berdasarkan variasi radius ion dan susunan elektron, unsur tanah jarang diklasifikasikan ke dalam dua subkelompok, yaitu :
• Unsur tanah jarang ringan, atau subkelompok cerium yang meliputi lanthanum hingga europium
• Unsur tanah jarang berat, atau subkelompok yttrium yang meliputi gadolinium hingga lutetium dan yttrium.
Logam tanah jarang (LTJ) tidak ditemukan di bumi sebagai unsur bebas melainkan paduan berbentuk senyawa kompleks. Sehingga untuk pemanfaatannya, logam tanah jarang harus dipisahkan terlebih dahulu dari senyawa kompleks tersebut.Selama ini telah diketahui lebih dari 100 jenis mineral tanah jarang, dan 14 jenis di antaranya diketahui mempunyai kandungan total % oksida tanah jarang tinggi. Mineral tanah jarang tersebut dikelompokkan dalam mineral karbonat, fospat. (Sabtanto,Joko., 2013).
2.8 Perkembangan Magnet
Pada awalnya magnet terbuat dari baja keras dan berbagai alloy misal ALNICO dari paduan logam Al dan Ni, kemudian berkembang menjadi terbuat
dari keramik atau ferit dari oksida-oksida logam misalnya feroxdure SrFe12O19
dan Barium Ferrite BrFe12O19, magnet-magnet ini relatif memiliki energi produk yang rendah. Magnet NdFeB adalah material magnet permanen generasi ketiga yang terbuat dari tanah jarang memiliki energi produk yang besar, sudah menjadi bagian yang penting dalam kehidupan sehari-hari manusia.
Magnet NdFeB ini banyak diaplikasikan pada berbagai peralatan seperti motor listrik, speaker, CD player, oven microwave. Aplikasi lain dari komponen magnet juga banyak dijumpai pada peralatan instrumentasi, peralatan produksi dan pada laboratorium penelitian. Akan tetapi konstribusi magnet sering diabaikan karena komponen ini sudah tertanam di dalam suatu perangkat dan tidak terlihat.
Pada kenyataannya kebutuhan akan komponen ini menjadi sangan beragam tergantung kepada kegunaan dan fungsi suatu perangkat. Secara umum, kebutuhan akan komponen magnet dibedakan berdasarkan bentuk, dimensi, dan kuat medannya. NdFeB dikenal sebagai magnet tanah jarang karena komposisi materialnya tersusun dari unsur-unsur tanah jarang. NdFeB memiliki sifat korosif dan energi produk yang maksimum .(Kurniawan Candra,dkk., 2013)
Di Indonesia, energi baru dan terbaru juga menjadi prioritas bidang energi untuk menggantikan energi yang berasal dari bahan fosil seperti BBM dan batubara. Pembangkit Listrik Tenaga Angin (PLTAg) menjadi salah satu bidang energi yang sedang dikembangkan terutama di Indonesia bagian timur sebagai lumbung angin di indonesia. Dalam sebuah sistem pembangkit listrik, generator merupakan salah satu komponen utama dimana sistem kerjanya tergantung kepada magnet permanen. Fungsi magnet pada generator adalah untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Magnet adalah sumber energi lan yang sering dilupakan orang, padahal energi yang dihaslkan cukup tinggi dan tanpa efek pencemaran lingkungan. Sampai saat ini, kebutuhan magnet selalu diimport dari manca negara untuk berbagai kebutuhan komponen elektronik salah satunya generator (Nanang,S., Kristiantoro., 2013).
Karakteristik magnet permanen yang paling tinggi saat ini adalah Neodymium Iron Boron (NdFeB), yang memiliki nilai produk energi maksimum sampai dengan 400 kJm3. Sedangkan NdFeB bonded memiliki nilai produk energy maksimum sampai dengan 200 kJ/m3. ( Nanang,.S, Kristiantoro., 2013).
2.9 Neodymium Iron Boron (Nd2Fe14B)
Pada tahun 1980 ditemukan magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB) dengan kekuatan yang tinggi, dan mulai dikomersilkan sejak November 1984.
NdFeB adalah material magnetik jenis permanen rare earth ( tanah jarang ), karena terbentuk oleh dua atom dari suatu unsur tanah jarang neodymium (Nd), 14 atom besi (Fe), dan 1 atom boron (B), sehingga rumus molekul yang terbentuk adalah Nd2Fe14B.
Karakterisasi magnet yang dimiliki NdFeB lebih baik bila dibandingkan dengan magnet permanen lannya, seperti Ferit, Alnico, dan Samarium Cobalt.
BHmax yang dimiliki dapat bekisar antara 30 MGOe sampai dengan 52 MGOe.
Karena memiliki sifat karakteristik magnet yang tinggi, maka dalam aplikasinya magnet NdFeB memiliki dimensi dan volume yang kecil. Dalam beberapa aplikasi, magnet ini juga dapat menggantikan penggunaan magnet Samarium Cobalt, khususnya penggunaan pada suhu kurang 800C (Sudiro,Toto., dkk, 2013).
Tabel 4. Sifat fisis Magnet NdFeB (Neodymium Iron Boron)
(sumber S.Chen., 2005)
2.10 Polimer Bakelit
Polimer (makromolekul) adalah kumpulan molekul-molekul yang berikatan secara kovalen yang sangat panjang yang dapat dihasilkan dari sumber alami atau sintetik contoh misalnya polimer bakelit (fenol formaldehide) merupakan senyawa penyusun makro melekul yang berulang merupakan polimer
Spesifik SI
1. Curie Temperatur 1. 310 -370 °C 2. Maksimum Operating 2. 80 - 200°C 3. Resistivity 3. 160 µmohm.cm 4. Hardness 4. 560 -580 HV 5. Density 5. 7,40 g/cm 6. Relative Recoil Permeability 6. 1,05 µ rec 7. Saturation Field Strength 7. 30 – 40 KOe 8. Temperatur Coefficent of Br 8. 0,12 /°C 9. Temperatur Coefficent of Hc 9. 0,6 /°C
sintesis yaitu polimer yang dibuat dari pabrik.Selain itu bakelit merupakan polimer termoset yang mempunyai sifat tidak dapat melunak dan dibentuk ulang,Jika dipanaskan pada suhu tinggi, maka plastik ini akan terurai dan rusak.
(Djapri.S., 2011).
Bahan sintetis pertama buatan manusia ditemukan pada tahun 1907 ketika seorang ahli kimia dari NewYork bernama Leo Baekeland mengembangkan resin cair yang ia beri nama bakelit.Material baru ini tidak terbakar, tidak meleleh dan tidak mencair di dalam larutan asam cuka.Dengan demikian, sekali bahan ini terbentuk,tidak akan bisa berubah.Bakelit ini bisa ditambahkan keberbagi mate rial lainnya seperti kayu lunak. Aplikasi dari bakelit, termasuk senjata dan mesin mesinringan untuk keperluan perang.Bakelit jugadigunakan untuk keperluan ruma h tangga, misalnya sebagai bahan untuk membuat isolasi listrik. (Djapri,Sriati., 2011).
Bakelit merupakan jenis plastik yang hanya dapat dipanaskan satu kali yaitu hanya pada saat pembuatannya.Bakelit merupakan salah satu dari banyak plastik termoset yang tidak memiliki titik leleh, melainkan memiliki sesuatu titik dekomposisi yang cukup tinggi. Titik dekomposisi adalah suatu kondisi titik suhu tertentu dimana terjadi perubahan reaktan menjadi produk yang rumus molekul yang lebih sederhana. Salah satu contoh, Bakelit Manufactured Jiacheng Chem Enterprises Ltd memproduksi bakelit dengan titik dekomposisi yang berkisar antara 240-280°𝐶. Biasa digunakan untuk instalasi listrik dan alat-alat yang tahan suhu tinggi. (Samuel., 1991).
Karakteristik Bakelit:
1. Bersifat termoset
2. Merupakan plastik padatan keras, kuat, tahan panas 3. Titik dekomposisinya sangat tinggi
4. Jenis polimer yang memiliki ikatan silang 5.Tahan terhadap asam lemah dan basa
6.Terurai oleh asam pengoksidasi dan basa kuat
7. Pada suhu diatas 300°C bakelit akan terbakar tanpa melalui proses pelelehan
8. Berwarna, umumnya warna gelap (hitam , coklat) ( Samuel, J., Snader Jr., et all., 1991).
2.11 Kompaksi
Kompaksi merupakan proses pemadatan serbuk menjadi sampel dengan bentuk tertentu sesuai dengan cetakannya.Ada 2 macam metode kompaksi, yaitu 1. Cold Compressing,yaitu penekanan dengan temperatur suhu kamar.Metode ini dipakai apabila bahan yang digunakan mudah teroksidasi, seperti Al.
2. Hot compessing,yaitu penekanan dengan temperatur di atas suhu kamar.Metode ini dipakai apabila material yang digunakan tidak mudah teroksidasi.(Nanik I,dkk., 2002)
Pada proses kompaksi, gaya gesek yang terjadi antar partikel yang digunakan dan antar partikel komposit dengan dinding cetakan akan mengakibatkan kerapatan pada daerah tepi dan bagian tengah tidak merata.Untuk menghindari terjadinya perbedaan kerapatan, maka pada saat kompaksi digunakan untuk lubricant/pelumas yang bertujuan mengurangi gesekan antar partikel dan dinding cetakan.Dalam penggunaaan lubricant/bahan pelumas, dipilih bahan pelumas yang tidak reaktan terhadap campuran serbuk dan yang memiliki leleh rendah sehingga pada proses sintering tingkat awal lubricant dapat menguap.Terkait dengan pemberian pelumas pada proses kompaksi, maka terdapat 2 metode kompaksi, yaitu :
1. Die-wall compressing penekanan dengan memberikan lubricant pada
dinding cetakan.
2. Internal lubricant/pelumas penekanaan dengan mencampurkan lubricant/pelumas pada material yang ditekan.
Pada proses kompaksi ada 3 kemungkinan model ikatan yang disebabkan oleh gaya Vanderwaals :
a.Pola Ikatan Bola-Bola.
Terjadi bila besarnya gaya tekan yang diberikan lebih kecil dari yield atrength (ys) matrik dan filler sehingga serbuk tidak mengalami perubahan bentuk
secara permanen atau mengalami deformasi elasti baik pada matrik maupun filler sehingga serbuk tetap berbentuk bola.
b.Pola Ikatan Bola Bidang
Terjadi bila besarnnya gaya yang diberikan dimana yield strength (ys) matrik dan filler.Penekan ini menyebabkan salah satu material (matriks) terdeformasi plastis dan yang lain (filler) terdeformasi elastis,sehingga berakibat partikel seolah-olah berbentuk bola bidang.
c.Pola Ikatan Bidag-Bidang.
Terjadi bola besarnya gaya tekan yang diberikan hampir lebih besar daripada yiled strength ( ys ) matrik dan filler penekanan ini menyebabkan kedua material (matrik dan filler) terdeformasi plastis, sehingga berakibat partikel seolah-olah berbentuk bidang-bidang. .(Perigo., 2012)
Kompaksi dapat dilakukandengan satu arah sumbu atau dua arah sumbu.Kompaksi dua ini bisa jadi dengan menggunakan penekan atas dan bawah faktor yang mempengaaruhi kompaksi adalah ukuran partikel,bentuk partikel,susunan partikel dan distribusi ukuran pada proses pembentukan,serbuk memiliki kepadatan yang sama dengan kepadatan serbuk lepas saat tekanan diberikan,respon pertama adalah penyusunan ulang pertikel-partikel dimana pada proses ini pori-pori yang besar terisi serbuk, sehingg akan memberikan kepadatan yang tertinggi peningkatan tekanan mmemberikan kepadatan yang lebih baik dan mengarah ke penurunan pori-pori dengan adanya formasi kontak partikel baru.(Perigo,dkk., 2012)
2.12 Kurva Histerisis
Kurva ini adalah karaterisasi kebergantungan magnetisasi (M) terhadap H.
Hasil pengukurannya diperoleh informasi tentang medan saturasi, remanensi dan coercivitas yang ketiganya berkaitan dengan sifat bahan dalam aplikasi medan magnetik dan ataupun medan listrik. Dalam bahasa sederhana ketiga istilah saturasi, remanensi dan coercivitas dapat dituliskan sebagai berikut: Saturasi adalah magnetisasi bahan yang tidak mengalami perubahan sekalipun medan aplikasi diperbesar.(Sardjono dkk., 2014)
Termagnetisasi penuh atau terisi penuh (dalam kasus muatan: sudah stagnan dan tidak mengalami perubahan lagi karena sudah penuh). Remanensi (sisa) adalah magnetisasi sisa ketika medan aplikasi magnetik ditiadakan (H=0). Dalam bahasa teknik diartikan sebagai informasi (energi) yang masih tersisa dalam media penyimpan data setelah terhapus. Dalam rangkaian magnetik, remanensi dapat diartikan sebagai induksi magnetik sisa dalam rangkaian magnetik walaupun aplikasi gaya magnetik dihilangkan. Kehadiran kolom udara (air gap) dalam rangkaian akan menyebabkan Medan remanensi lebih kecil daripada medan induksi sisa (Br) (Sardjono dkk., 2014)
Koercivitas adalah ketahanan bahan magnetik untuk mengubah magnetisasinya, atau besarnya kuat medan magnetik yang diaplikasikan untuk mendemagnetisasi (mengurangi magnetisasi bahan menjadi nol) bahan dari keadaan termagnetisasi saturasi, atau daya yang diperlukan untuk memagnetisasi atau mendemagnetisasi magnet permanen yang diukur dalam MegaGauss Oersted (MGOe). Dalam aplikasi teknik dapat diartikan untuk menunjukkan seberapa kuat medan yang digunakan untuk mempengaruhi data magnetic dalam strip magnetik atau seberapa kuat medan magnet aplikasi untuk mengkodifikasikan informasi dalam magnetik strip. Besaran ini biasanya diukur dalam Oersted (Oe). Misalnya dalam kurva histeresis Br =3,72 kG, Hic = 7,557 kOe dan (BH)max = 2,85 MGOe.
sehingga dalam loop intrinsik terdapat Br, Hc,dan (BH)max.
Gambar kurva histeresis dengan nilai Br,Hci,dan (BH)max
2.13 Pembuatan Magnet
Metalurgi serbuk adalah metode pembuatan magnet Neodymium (NdFeB) yang merupakan magnet permanen dengan kekuatan paling tinggi.Kekuatan sifat
-6 -4 -2 0 2 4 6
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
H (KA/m )
H ( K0e) H ( KOe)
H ( KA/m)
J (kG) B(KG)
J (KG) B(KG)
-1000 1000
magnet NdFeB bertumpu pada fase NdFeB yang memiliki magnetisasi total dan medan anistropi cukup tinggi.Sifat kemagnetan dasar seperti remanen,koersivitas dan energi produkmaksimum suatu magnet permanen sangat sensitif terhadap struktur mikro material.Desain struktur mikro material yang optimal diperlukan dalam suatu proses fabrikasi magnet sehingga sifat kemagnetan yang dihasilkan bisa menjadi lebih baik.(Azwar ,Manaf., 2010).
Salah satu kelemahan fase NdFeB adalah temperatur curie yang relatif rendah yaitu 310°C.Temperatur curie adalah salah satu sifat instrinsik yang tidak tergantung terhadap struktur mikro dan optimalisasi proses fabrikasi.Oleh karena itu,metode ini digunakan untuk menghasilkan peningkatan temperatur Curie sehingga kekuatan magnet permanen dapat ditingkatkan.Metode ini didasarkan pada proses substitusi atom-atom besi (Fe) dan cobalt (Co) pada fase utama yang diduga dapat meningkatkan temperatur Curie karena energi pertukaran antara logam transisipada fase.(Azwar,Manaf., 2010)
Umumnya pembuatan magnet ini dilakukan dengan teknik sintering, teknik compression bonded dan teknik injecton molding.
2.13.1 Magnet Sintered
Magnet sintering merupakan teknik dengan cara teknologi logam serbuk yaitu dengan cara milling, dicetak, sintering, surface treatment, magnetisasi dan dihasilkan produk akhir. Magnet yang dihasilkan dengan teknik ini menghasilkan energy produk ( BHmax) yang paling tinggi.
2.13.2 Compressing Bonded
Compressing bonded lebih dikenal dengan istilah bonded magnet , yaitu teknik dengan cara mencampurkan serbuk ( NdFeB ) dengan suatu binder, dikompaksi dan kemudian dipanaskan. Energi produk yang dihasilkan dengan teknik ini lebih rendah bila dibandingkan dengan cara teknik sintering. Akan tetapi, kelebihan teknik ini yaitu mudah dibentuk dan menggunakan suhu rendah pada prosesnya. ( Kurniawan,Canda., 2013).
2.13.3 Injection Molding
Yaitu dengan cara mencampurkan serbuk dengan suatu binder dan kemudian diinjeksi. Energi produk yang dihasilkan dengan cara teknik ini lebih rendah dibandingkan dengan teknik sintering dan teknik Compression bonded .
2.14 Magnet Bonded
Proses pembuatan magnet bonded dilakukan dengan mencampurkan serbuk magnet permanen dengan binder. Binder yang banyak digunakan adalah berupa polimer, seperti epoxy resin. Kelebihan proses bonded ini adalah mudah dibentuk, dan menggunakan suhu rendah dalan prosesnya. (Kurniawan,Candra., 2013).
2.15 Aplikasi dari Magnet Bonded . 1.Generator
Dalam sebuah sistem pembangkit listrik, generator merupakan salah satu komponen utama dimana sistem kerjanya tergantung kepada magnet permanen.
Fungsi magnet pada generator adalah untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Generator mempunyai dua buah rotor saling berhadapan dengan jumlah magnet masing-masing 12 buah magnet, dan mempunyai stator 3 fasa yang diapit oleh 2 buah rotor.( Nanang,S., Kristiantoro .,2013)
2.Flowmeter.
Prinsip kerja flowmeter jenis ini didasarkan pada hukum induksi elektromagnetik (Faraday's Low), Yaitu bila suatu fluida konduktif elektrik melewati pipa transduser, maka fluida akan bekerja sebagai konduktor yang bergerak memotong medan magnet yang dibangkitkan oleh kumparan magnetik dan transdusesehingga timbul tegangan listrik induksi.
e = B . l . v ...(2.6) Keterangan :
e = tegangan listrik induksi (volt) B = rapat fluksi medan magnet (tesla)
l = panjang konduktor ( diameter dalam pipa )(meter) v = kecepatan konduktor (laju aliran)(m/s)
Flowmeter digunakan untukmengukur aliran dari suatu fluida untuk dunia industri seperti industri makanan, minuman memenuhi persyaratan sanitasi.
3.Motor Listrik
Mesin ini tidak bising, bersih, dan memiliki efisiensi tinggi.Alat inibekerja dengan prinsip bahwa arus yang mengalir melalui kumparan di dalam medan magnet akan mengalami gaya yang digunakan untuk memutar kumparan.
2.16 Karakterisasi 2.16.1 Densitas
Salah satu sifat yang penting dari suatu bahan adalah densitas. Densitas merupakan ukuran kepadatan dari suatu material atau sering didefenisikan sebagai massa persatuan volum. Jika suatu bahan yang materialnya homogen. Bermassa m memiliki volume v , densitasnya ρ adalah (Ristic M, 1979) :
ρ =
𝒎𝒗
...(
2.7) dengan :ρ = Densitas ( kg/m3 ) m = Massa sampel (kg) v = Volume sampel ( m3 )
Dalam pelaksanaannya, terkadang sampel yang diukur mempunyai ukuran bentuk yang tidak teratur sehingga untuk menentukan volumneya menjadi sulit, mengakibatkan 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 digunakan metode Archimedes yang persamannya sebagai berikut :
ρ = 𝑴𝒌
𝑴𝒌−𝑴𝒃 𝝆𝒂𝒊𝒓 ... (2.8) Dengan :
ρ = Densitas Sampel (kg/m3 ) ρair = Densitas Air (kg/m3 ) Mk = Massa sampel kering (kg) Mb = Massa sampel basah (kg)
2.16.2 Analisis MikroStruktur
Untuk menentukan karakter dari struktural suatu material, diperlukan pendekatan yang umum diambil, yakni meneliti material dengan berkas radiasi atau partikel dengan energi tinggi. Scanning Electron Microscope (SEM) dikembangkan untuk mempelajari secara langsung struktur permukaan, mikrostruktur, dan morfologi bahan. Alat SEM yang digunakan pada penelitian ini dilengkapi dengan EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). EDS dihasilkan dari Sinar-X karakteristik, yaitu dengan menembakkan sinar-X pada posisi yang ingin kita ketahui komposisinya. Maka setelah ditembakkan pada posisi yang diinginkan maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili suatu unsur yang terkandung.
Scanning Electron Microscope (SEM) merupakan sejenis mikroskop yang menggunakan elektron sebagai pengganti cahaya untuk melihat benda dengan resolusi tinggi. Analisa SEM bermanfaat untuk mengetahui mikrostruktur (termasuk porositas dan bentuk retakan) benda padat. Berkas sinar elektron dihasilkan dari filamen yang dipanaskan, disebut electron gun. Cara kerja SEM adalah gelombang elektron yang dipancarkan electron gun terkondensasi dilensa kondensor dan terfokus sebagai titik yang jelas oleh lensa objekstif. Scanning coil yang diberi energi menyediakan medan magnetik bagi sinar elektron. Berkas sinar elektron yang mengenai cuplikan menghasilkan elektron sekunder dan kemudian dikumpulkan oleh detektor sekunder atau detektor backscatter. Gambar yang dihasilkan terdiri dari ribuan titik berbagai intensitas dipermukaan Cathoda Ray Tube (CRT) sebagai topografi gambar. Pada sistem ini berkas elektron dikonsentrasikan pada specimen, bayangannya diperbesar dengan lensa objektif dan diproyeksikan pada layar. (Zhang,dkk., 2008)
Cuplikan yang akan dianalisis dalam kolom SEM perlu dipersiapkan dahulu, walaupun telah ada jenis SEM yang tidak memerlukan pelapisan (coating) cuplikan. Terdapat tiga tahap persiapan cuplikan, antaralain:
1. Plat dipotong dengan menggunakan gergaji intan. Seluruh kandungan air, larutan dan semua benda yang dapat menguap apabila divakum, dibersihkan.
2. Cuplikan dikeringkan pada suhu 60°C minimal selama 1 jam.
3. Cuplikan non logam harus dilapisi dengan emas tipis atau logam lainnya, seperti Pt. Cuplikan logam dapat langsung dimasukkan dalam ruang cuplikan.
Sistem penyinaran dan lensa pada SEM sama dengan mikroskop cahaya biasa.
Pada pengamatan yang menggunakan SEM lapisan cuplikan harus bersifat konduktif agar dapat memantulkan berkas elektron dan mengalirkannya ke ground.
Bila lapisan cuplikan tidak bersifat konduktif maka perlu dilapisi dengan emas atau Pt. Pada pembentukan lapisan konduktif, specimen yang akan dilapisi diletakkan pada tempat sampel disekeliling anoda. Ruang dalam tabung kaca dibuat memliki suhu rendah dengan memasang tutup kaca rapat dan gas yang ada didalam tabung dipompa keluar. Antara katoda dan anoda dipasang tegangan 1,2 kV sehingga terjadi ionisasi udara yang bertekanan rendah. Elektron bergerak menuju anoda dan ion positif dengan energi yang tinggi bergerak menumbuk katoda emas. Hal ini menyebabkan partikel emas menghambur dan mengendap dipermukaan spesimen. (Yulianti,M.,Mujamilah., 2005)
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1.Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan terhitung Februari 2015 hingga Mei 2015 di tempat Laboratorium Magnet , Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) kawasan Puspitek, Serpong ,Jakarta Selatan.
3.2.Bahan dan Peralatan Penelitian 3.2.1.Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitin ini adalah : 1. Serbuk NdFeB type MQP-B+ ( = 5-6 gr/cm³).
Berfungsi sebagai bahan baku yang digunakan untuk membuat magnet bonded (terikat).
2. Resin Bakelit ( = 1,36 gr/cm³)
Berfungsi sebagai bahan perekat polimer yang bersifat termoset.
3.2.2.Peralatan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini : 1. Ayakan 100 mesh dan 200 mesh.
Fungsi untuk mengayak serbuk NdFeB dan Bakelit dengan ukuran 100 mesh dan ukuran 200 mesh.
2. Neraca Digital 4 digit.
Fungsi sebagai alat untuk menimbang bahan-bahan yang akan digunakan dalam pembuatan sampel magnet bonded.
3. Spatula.
Berfungsi sebagai alat untuk mengambil dan mengaduk serbuk bahan pembuatan sampel.
4. Gelas ukur (Pyrex 150 ml).
Berfungsi sebagai wadah untuk mengaduk serbuk magnet dengan perekat bakelit.
5. Cetakan ( Moulding) Berfungsi sebagai tempat untuk mencetak sampel uji silinder dengan dimensi diameter x tinggi = 1,520 cm x.2,80 cm.
