Magnetostriction: Sifat Bahan Magnetik
Magnetostriction didefinisikan sebagai sifat beberapa bahan magnetik yang menyebabkan mereka mengubah bentuk atau dimensinya ketika dipermagnetkan oleh medan magnet eksternal. Perubahan ukuran atau panjang bahan karena magnetostriction tergantung pada kekuatan dan arah medan magnet yang diterapkan, serta anisotropi magnetik dan struktur kristal bahan tersebut.
Magnetostriction dapat digunakan untuk mengubah energi elektromagnetik menjadi energi mekanik, atau sebaliknya, dan merupakan dasar dari banyak aplikasi seperti aktuator, sensor, transduser, transformator, motor, dan generator.
Apa itu Magnetostriction?
Magnetostriction pertama kali ditemukan oleh James Joule pada tahun 1842 saat dia mengamati bahwa batang besi memanjang sedikit ketika dipermagnetkan sepanjang panjangnya, dan berkontraksi sedikit ketika dipermagnetkan melintang. Fenomena ini dikenal sebagai efek Joule, dan terjadi pada sebagian besar bahan feromagnetik (bahan yang dapat dipermagnetkan oleh medan eksternal) dan beberapa bahan ferrimagnetik (bahan yang memiliki dua sublatis magnetik yang berlawanan).
Mekanisme fisik di balik magnetostriction berkaitan dengan struktur internal bahan magnetik, yang terdiri dari wilayah mikroskopis yang disebut domain. Setiap domain memiliki arah permagnetan yang seragam, yang ditentukan oleh keseimbangan antara energi anisotropi magnetik (tendensi bahan untuk menyelaraskan permagnetannya sepanjang arah kristal tertentu) dan energi magnetostatik (tendensi bahan untuk meminimalkan kutub magnetiknya).
Ketika medan magnet eksternal diterapkan pada bahan magnetik, ia memberikan torsi pada domain, menyebabkan mereka berputar dan menyelaraskan dengan arah medan. Proses ini melibatkan pergerakan dinding domain (batas antara domain dengan arah permagnetan yang berbeda) dan deformasi jaringan kristal (susunan atom dalam bahan). Akibatnya, bahan mengubah bentuk atau dimensinya sesuai dengan strain magnetostrictive (perubahan fraksional dalam panjang atau volume karena magnetostriction).
Strain magnetostrictive bergantung pada beberapa faktor, seperti:
Magnitude dan arah medan magnet yang diterapkan
Permagnetan saturasi (permagnetan maksimum yang mungkin) bahan
Anisotropi magnetik (preferensi untuk arah permagnetan tertentu) bahan
Kopling magnetoelastis (interaksi antara permagnetan dan strain elastis) bahan
Suhu dan keadaan stres bahan
Strain magnetostrictive bisa positif atau negatif, tergantung pada apakah bahan tersebut membesar atau menyusut ketika dipermagnetkan. Beberapa bahan menunjukkan pembalikan tanda strain magnetostrictive mereka ketika terpapar medan magnet tinggi, yang dikenal sebagai pembalikan Villari.
Strain magnetostrictive dapat diukur dengan berbagai metode, seperti interferometri optik, strain gauge, transduser piezoelektrik, atau teknik resonansi. Parameter paling umum yang digunakan untuk mengkarakterisasi magnetostriction adalah koefisien magnetostriction (juga disebut koefisien Joule), yang didefinisikan sebagai:
λ=LΔL
di mana ΔL adalah perubahan panjang bahan ketika dipermagnetkan dari nol hingga saturasi, dan L adalah panjang awalnya.
Bahan Magnetostrictive
Ada banyak bahan yang menunjukkan magnetostriction, tetapi beberapa di antaranya memiliki nilai yang lebih tinggi dan kinerja yang lebih baik daripada yang lain. Beberapa contoh bahan magnetostrictive adalah:
Besi: Besi adalah salah satu bahan magnetostrictive yang paling umum dan paling banyak digunakan, karena memiliki permagnetan saturasi yang tinggi dan biaya rendah. Namun, besi juga memiliki beberapa kekurangan, seperti koefisien magnetostriction yang rendah (sekitar 20 ppm), kerugian histeresis yang tinggi (energi yang hilang selama setiap siklus permagnetan), dan kerugian arus eddy yang tinggi (energi yang hilang karena arus yang diinduksi dalam bahan konduktif). Besi juga memiliki suhu Curie yang rendah (suhu di atas bahan kehilangan sifat feromagnetiknya), yang membatasi penggunaannya dalam aplikasi suhu tinggi.
Nikel: Nikel memiliki koefisien magnetostriction yang lebih tinggi daripada besi (sekitar 60 ppm), tetapi juga memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang lebih tinggi. Nikel juga memiliki suhu Curie yang rendah (sekitar 360 °C) dan rentan terhadap korosi.
Kobalt: Kobalt memiliki koefisien magnetostriction yang moderat (sekitar 30 ppm), tetapi permagnetan saturasi yang tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 1120 °C). Kobalt juga memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang rendah, sehingga cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi.
Alloy Besi-Aluminium (Alfer): Alloy ini memiliki koefisien magnetostriction yang tinggi (sekitar 100 ppm), permagnetan saturasi yang tinggi, dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 800 °C). Alloy ini juga memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang rendah, serta sifat mekanis yang baik. Namun, alloy ini sulit dibuat dan membutuhkan perlakuan panas khusus.
Alloy Besi-Nikel (Permalloy): Alloy ini memiliki koefisien magnetostriction yang rendah (sekitar 1 ppm), tetapi permagnetan saturasi yang tinggi dan permeabilitas yang tinggi (kemampuan bahan untuk mendukung medan magnet internal). Alloy ini juga memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang rendah, sehingga ideal untuk perisai magnetik dan aplikasi rekaman.
Alloy Kobalt-Nikel: Alloy ini memiliki koefisien magnetostriction yang moderat (sekitar 20 ppm), tetapi permagnetan saturasi yang tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 950 °C). Alloy ini juga memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang rendah, serta resistansi korosi yang baik.
Alloy Besi-Kobalt: Alloy ini memiliki koefisien magnetostriction yang moderat (sekitar 30 ppm), tetapi permagnetan saturasi yang sangat tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 980 °C). Alloy ini juga memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang rendah, serta sifat mekanis yang baik.
Alloy Kobalt-Besi-Vanadium (Permendur): Alloy ini memiliki koefisien magnetostriction yang rendah (sekitar 5 ppm), tetapi permagnetan saturasi yang sangat tinggi dan suhu Curie yang sangat tinggi (sekitar 1400 °C). Alloy ini juga memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang rendah, sehingga cocok untuk aplikasi daya tinggi.
Ferrites: Ferrites adalah bahan keramik yang terdiri dari oksida besi dan oksida logam lainnya, seperti oksida kobalt atau oksida nikel. Mereka memiliki koefisien magnetostriction yang rendah (kurang dari 10 ppm), tetapi juga permagnetan saturasi dan permeabilitas yang rendah. Mereka memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang sangat rendah, sehingga ideal untuk aplikasi frekuensi tinggi. Mereka juga memiliki suhu Curie yang tinggi (di atas 400 °C) dan resistansi korosi yang baik.
Tanah Jarang: Tanah jarang adalah elemen dengan nomor atom dari 57 hingga 71, seperti lanthanum, cerium, neodymium, samarium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, atau lutetium. Mereka memiliki koefisien magnetostriction yang sangat tinggi (hingga 1000 ppm), tetapi juga kerugian histeresis dan arus eddy yang sangat tinggi. Mereka memiliki permagnetan saturasi dan permeabilitas yang moderat, tetapi suhu Curie yang rendah (di bawah 300 °C). Mereka sering digunakan dalam kombinasi dengan logam atau senyawa lain untuk membentuk alloy atau intermetalik dengan sifat yang lebih baik.
Terfenol-D: Terfenol-D adalah senyawa intermetalik yang terdiri dari terbium, besi, dan dysprosium. Ini memiliki koefisien magnetostriction tertinggi yang pernah direkam (sekitar 2000 ppm), yang berarti dapat menghasilkan strain yang sangat besar ketika dipermagnetkan. Terfenol-D juga memiliki permagnetan saturasi yang tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 380 °C). Namun, ia juga memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang sangat tinggi, yang membatasi efisiensi dan rentang frekuensinya. Ia juga membutuhkan medan magnet yang tinggi (sekitar 800 kA/m) untuk mencapai strain maksimal, yang meningkatkan konsumsi daya dan biayanya.
Galfenol: Galfenol adalah alloy besi dan galium, dengan komposisi sekitar Fe81Ga19. Ini memiliki koefisien magnetostriction yang moderat (sekitar 250 ppm), tetapi kerugian histeresis dan arus eddy yang sangat rendah, yang membuatnya lebih efisien dan tahan lama daripada Terfenol-D. Ini juga memiliki permagnetan saturasi yang tinggi dan suhu Curie yang tinggi (sekitar 700 °C). Ini dapat beroperasi pada medan magnet rendah (sekitar 100 kA/m) dan frekuensi tinggi (hingga 10 kHz).
Metglas: Metglas adalah kaca logam yang terdiri dari besi, boron, silikon, dan unsur-unsur lainnya. Ini memiliki koefisien magnetostriction yang rendah (sekitar 20 ppm), tetapi permagnetan saturasi dan permeabilitas yang sangat tinggi. Ini juga memiliki kerugian histeresis dan arus eddy yang sangat rendah, sehingga ideal untuk perisai magnetik dan aplikasi konversi daya.
Aplikasi Magnetostriction
Magnetostriction memiliki banyak aplikasi di berbagai bidang, seperti:
Aktuator: Aktuator adalah perangkat yang mengubah energi listrik menjadi gerakan mekanik, atau sebaliknya. Aktuator magnetostrictive menggunakan bahan magnetostrictive untuk menghasilkan gerakan linear atau rotasi ketika dikenakan medan magnet atau untuk menghasilkan medan magnet ketika dikenakan stres mekanik. Aktuator magnetostrictive memiliki keunggulan dibandingkan jenis aktuator lainnya, seperti piezoelektrik atau elektrostatik, dalam hal gaya yang lebih tinggi, perpindahan yang lebih besar, respons yang lebih cepat, konsumsi daya yang lebih rendah, desain yang lebih sederhana, dan masa pakai yang lebih lama.
Sensor: Sensor adalah perangkat yang mengukur kuantitas fisik, seperti gaya, tekanan, suhu, perpindahan, atau medan magnet. Sensor magnetostrictive menggunakan bahan magnetostrictive untuk mendeteksi perubahan kuantitas ini dengan mengukur strain atau permagnetan yang diinduksi dalam bahan. Sensor magnetostrictive memiliki keunggulan dibandingkan jenis sensor lainnya, seperti strain gauge atau sensor kapasitif, dalam hal sensitivitas, akurasi, stabilitas, keandalan, dan ketahanan yang lebih tinggi.
Transduser: Transduser adalah perangkat yang mengubah satu bentuk energi menjadi bentuk lain, seperti suara atau ultrasonik. Transduser magnetostrictive menggunakan bahan magnetostrictive
