Konsep Dasar Bahan Magnetik
Momen Dipol Magnetik
Ketika terpapar medan magnet eksternal yang sama, bahan-bahan berbeda dapat menunjukkan respons yang sangat berbeda. Untuk memahami alasan mendasarnya, kita harus terlebih dahulu memahami bagaimana dipol magnet mengatur perilaku magnetik. Pemahaman ini dimulai dengan menjelajahi momen dipol magnetik.
Momen dipol magnetik, sering disebut sebagai momen magnet untuk kesederhanaan, merupakan konsep fundamental dalam elektromagnetik. Ini memberikan alat yang kuat untuk memahami dan mengkuantifikasi interaksi antara loop yang membawa arus dan medan magnet yang seragam. Momen magnet dari loop yang memiliki luas A dan membawa arus I didefinisikan sebagai berikut:
Perlu dicatat bahwa luas didefinisikan sebagai vektor, yang membuat momen magnet juga menjadi kuantitas vektor. Kedua vektor memiliki arah yang sama.
Arah momen magnet tegak lurus terhadap bidang loop. Dapat ditemukan dengan menerapkan aturan tangan kanan—Jika Anda melengkungkan jari-jari tangan kanan Anda searah aliran arus, ibu jari Anda menunjukkan arah vektor momen magnet. Hal ini digambarkan dalam Gambar 1.
Momen magnet dari loop hanya ditentukan oleh arus yang mengalir melaluinya dan area yang diampitnya. Momen magnet tidak dipengaruhi oleh bentuk loop.
Torsi dan Momen Magnet
Lihatlah Gambar 2, yang menggambarkan loop yang membawa arus ditempatkan dalam medan magnet yang seragam.
Dalam gambar yang ditampilkan:
I mewakili arus.
B menandakan vektor medan magnet.
u mewakili momen magnet.
θ menunjukkan sudut antara vektor momen magnet dan vektor medan magnet.
Karena gaya yang bekerja pada sisi-sisi yang berlawanan dari loop saling menyeimbangkan, gaya total yang bekerja pada loop berjumlah nol. Namun, loop tersebut mengalami torsi magnet. Besar torsi yang diberikan pada loop adalah sebagai berikut:
Dari Persamaan 2, kita dapat dengan jelas melihat bahwa torsinya (t) berkorelasi langsung dengan momen magnet. Ini karena momen magnet bertindak seperti magnet; ketika diletakkan dalam medan magnet eksternal, ia mengalami torsi. Torsi ini selalu cenderung memutar loop menuju posisi ekuilibrium stabil.
Ekuilibrium stabil dicapai ketika medan magnet tegak lurus terhadap bidang loop (yaitu, θ=0^o). Jika loop sedikit diputar menjauh dari posisi ini, torsi akan bertindak untuk mengembalikan loop ke keadaan ekuilibrium. Torsi juga nol ketika θ=180^o. Namun, dalam kasus ini, loop berada dalam ekuilibrium yang tidak stabil. Rotasi kecil dari θ=180^o akan menyebabkan torsi mendorong loop lebih jauh dari titik ini dan menuju θ=0^o.
Mengapa Momen Magnet Penting?
Banyak perangkat bergantung pada interaksi antara loop yang membawa arus dan medan magnet. Misalnya, torsi yang dihasilkan oleh motor listrik didasarkan pada interaksi antara medan magnet motor dan konduktor yang membawa arus. Selama interaksi ini, energi potensial berubah saat konduktor berputar.
Interaksi antara momen magnet dan medan magnet eksternal yang memberikan energi potensial dalam sistem magnetik kita. Sudut antara kedua vektor ini menentukan jumlah energi (U) yang tersimpan dalam sistem, seperti ditunjukkan dalam persamaan berikut:
Berikut ini adalah nilai energi yang tersimpan untuk beberapa konfigurasi penting:
Ketika θ=0^o, sistem berada dalam keadaan ekuilibrium stabil, dan energi yang tersimpan mencapai minimum, dengan U=-uB.
Ketika θ=90^o, energi yang tersimpan naik menjadi U=0.
Ketika θ=180^o, energi yang tersimpan mencapai nilai maksimum, U=uB. Keadaan ini mewakili posisi ekuilibrium yang tidak stabil.
Memahami Momen Magnet Netral melalui Model Atom
Untuk memahami secara komprehensif bagaimana bahan magnetik menghasilkan medan magnet, pengetahuan tentang mekanika kuantum sangat penting. Namun, karena topik tersebut berada di luar ruang lingkup artikel ini, kita masih dapat menggunakan konsep momen magnet dan model atom klasik untuk mendapatkan wawasan berharga tentang bagaimana bahan berinteraksi dengan medan magnet eksternal.
Model ini menggambarkan elektron sebagai orbiting inti atom dan berputar di sekitar sumbunya sendiri, seperti yang jelas ditunjukkan dalam Gambar 3.
Momen Magnet Netral Elektron, Atom, dan Objek
Gerakan orbital elektron dapat dibandingkan dengan loop yang membawa arus kecil. Sebagai hasilnya, ia menghasilkan momen magnet (dinyatakan sebagai (u1) dalam gambar di atas). Demikian pula, putaran elektron juga menghasilkan momen magnet (u2). Momen magnet netral dari elektron adalah jumlah vektor dari dua momen magnet ini.
Untuk atom, momen magnet netralnya adalah jumlah vektor dari momen magnet semua elektronnya. Meskipun proton dalam atom juga memiliki dipol magnet, efek keseluruhan mereka biasanya dapat diabaikan dibandingkan dengan elektron.
Momen magnet netral objek ditentukan dengan mengambil jumlah vektor dari momen magnet semua atom di dalamnya.
Vektor Magnetisasi
Sifat magnetik suatu bahan ditentukan oleh momen magnet partikel penyusunnya. Seperti yang telah dibahas dalam artikel ini, momen magnet ini dapat dipikirkan sebagai magnet kecil. Ketika bahan ditempatkan dalam medan magnet eksternal, momen magnet atom dalam bahan berinteraksi dengan medan yang diterapkan dan mengalami torsi. Torsi ini cenderung menyelaraskan momen magnet dalam arah yang sama.
Keadaan magnetik suatu zat tergantung pada dua faktor: jumlah momen magnet atom yang ada dalam bahan dan derajat penyelarasan mereka. Jika momen magnet yang dihasilkan oleh loop arus mikroskopis berorientasi acak, mereka cenderung saling meniadakan, menghasilkan medan magnet netral yang kecil. Untuk mendeskripsikan keadaan magnetik zat, kita memperkenalkan vektor magnetisasi. Vektor ini didefinisikan sebagai total momen magnet per unit volume zat:
di mana V mewakili volume bahan.
Ketika bahan terpapar medan magnet eksternal, momen magnetnya cenderung bersejajar, mengakibatkan peningkatan besar vektor magnetisasi. Karakteristik vektor magnetisasi juga dipengaruhi oleh klasifikasi bahan sebagai paramagnetik, ferromagnetik, atau diamagnetik.
Bahan paramagnetik dan ferromagnetik terdiri dari atom dengan momen magnet permanen. Sebaliknya, momen magnet atom dalam bahan diamagnetik tidak permanen.
Menemukan Medan Magnet Total: Permeabilitas dan Susceptibilitas
Misalkan kita meletakkan bahan dalam medan magnet. Medan magnet total di dalam bahan memiliki dua sumber yang berbeda:
Medan magnet eksternal yang diterapkan (B0).
Magnetisasi bahan sebagai respons terhadap medan eksternal (Bm).
Medan magnet total di dalam bahan adalah jumlah dari kedua komponen ini:
B0 dihasilkan oleh konduktor yang membawa arus; Bm dihasilkan oleh bahan magnetik. Dapat ditunjukkan bahwa Bm berbanding lurus dengan vektor magnetisasi:
di mana μ0 adalah konstanta yang disebut permeabilitas ruang bebas. Oleh karena itu, kita memiliki:
Vektor magnetisasi juga berhubungan dengan medan eksternal melalui persamaan berikut:
di mana huruf Yunani χ adalah faktor proporsionalitas yang dikenal sebagai susceptibilitas magnetik. Nilai χ tergantung pada jenis bahan.
Dengan menggabungkan dua persamaan terakhir, kita memiliki:
Signifikansi Persamaan dan Permeabilitas Relatif
Persamaan ini memiliki interpretasi intuitif: menunjukkan bahwa medan magnet total di dalam bahan setara dengan medan magnet eksternal yang diterapkan dikalikan dengan faktor 1+x. Faktor ini, yang disebut permeabilitas relatif, merupakan parameter penting untuk mengkarakterisasi bagaimana bahan merespons medan magnet. Permeabilitas relatif biasanya dilambangkan dengan ur.
Susceptibilitas Magnetik Bahan Berbeda
Gambar 4 menggambarkan perilaku magnetik tiga jenis bahan yang berbeda ketika ditempatkan dalam medan magnet yang seragam. Area interior bahan direpresentasikan oleh persegi panjang kuning.
Susceptibilitas Magnetik Bahan Berbeda
Pada Gambar 4(a), garis-garis medan magnet di dalam bahan lebih renggang dibandingkan dengan di luar. Ini menunjukkan bahwa medan magnet total di dalam bahan diamagnetik sedikit lebih lemah dari medan yang diterapkan. Untuk bahan diamagnetik, susceptibilitas magnetik (X) adalah nilai negatif kecil. Misalnya, pada 300 K, tembaga memiliki susceptibilitas magnetik –9.8 × 10⁻⁶. Akibatnya, bahan tersebut sebagian menghalau medan magnet dari interiornya.
Gambar 4(b) menunjukkan respons bahan paramagnetik. Di sini, garis-garis medan magnet di dalam bahan lebih padat dibandingkan dengan medan eksternal. Ini berarti bahwa medan magnet total di dalam bahan sedikit lebih kuat dari medan eksternal. Untuk bahan paramagnetik, X adalah nilai positif kecil. Misalnya, pada 300 K, susceptibilitas magnetik lithium adalah 2.1 × 10⁻⁵.
Akhirnya, pada Gambar 4(c), bahan ferromagnetik mengubah garis-garis medan magnet, menyebabkannya melewati bahan. Bahan menjadi magnetis, meningkatkan medan magnet di dalamnya secara signifikan. Untuk bahan ferromagnetik, X memiliki nilai positif yang berkisar dari 1.000 hingga 100.000. Karena susceptibilitas magnetik yang tinggi, bahan-bahan ini menghasilkan medan magnet yang jauh lebih kuat daripada yang diterapkan secara eksternal.
Perlu dicatat bahwa untuk bahan ferromagnetik, X bukan konstan. Oleh karena itu, magnetisasi (M) bukan fungsi linear dari medan magnet eksternal yang diterapkan (B0).
Penutup
Bahan magnetik sangat penting dalam berbagai aplikasi, termasuk transformator, motor, dan perangkat penyimpanan data. Keadaan magnetik suatu zat tergantung pada jumlah momen magnet atom dalam bahan dan seberapa baik mereka bersejajar dalam hadapan medan magnet eksternal. Seperti yang telah dibahas singkat, kita dapat mengklasifikasikan bahan magnetik menjadi tiga jenis berdasarkan kriteria ini: paramagnetik, diamagnetik, dan ferromagnetik. Kami akan menjelajahi kategori-kategori ini lebih detail dalam artikel berikutnya.
